JP4354042B2 - Medical manipulator device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、遠隔操作によって駆動されて生体内部位の観察や処置を行う医療用マニピュレータ装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
例えば腹腔等の体壁に孔を開け、この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事により、体腔内で様々な処置を行う内視鏡下手術が従来から行われており、こうした術式は大きな切開を要しない低侵襲なものとして胆嚢摘出手術や肺の一部を摘出する手術で多く行われている。
【0003】
このような内視鏡下手術にあっては、体腔内に挿入される内視鏡や処置具が体腔内の極力広い範囲で動作出来る事が望まれていた。そこで、特開平7−136173号や特開平8−117238号において、自由度の大きい多関節構造の挿入部を備えた医療用マニピュレータ装置が提案された。
【0004】
これらの従来技術はいずれも、多関節構造の医療用マニピュレータを遠隔的に操作するために用いられる遠隔操作装置についても医療用マニピュレータと同じ自由度を持つ多関節構造を採用している。しかも、術者の操作を容易にするため、遠隔操作装置の構造は出来るだけ医療用マニピュレータと似せてあるのが一般的である。構造が同じであると、遠隔操作装置の各軸がとる動作形状をそのままマニピュレータに投影させることができるので感覚的に操作が容易となる。ところが、将来的に広く医療用マニピュレータが普及すると、目的の術式に合った様々な形態の医療用マニピュレータが出現するものと考えられる。
【0005】
その際、遠隔操作装置をそれぞれのマニピュレータに対応する専用機とすると、保管のスペースや操作法の習得などの問題が生じる。そこで、遠隔操作装置は出来るだけ汎用に使用し、どのマニピュレータにも簡便に合わせ得るものが実現すると有用である。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
上記した医療用マニピュレータ装置においては、基本的には、遠隔操作装置の自由度がマニピュレータの自由度と等しいか、それよりも多くなればマニピュレータの操作は可能になる。しかしながら、汎用の遠隔操作装置においては、自由度の条件を満たしたとしてもその動作形状が全く異なる場合があるので、これによって遠隔操作性を損ない、手術の安全性や効率が低下してしまうという問題があった。
【0007】
本発明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、遠隔操作性を損うことなしに手術の安全性及び効率を高めることができる医療用マニピュレータ装置を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、本発明の一実施形態に係る医療用マニピュレータは、遠隔操作によって駆動され、生体内部位の観察及び/または処置を行うための複数の軸を有し、各軸には駆動手段が設けられた医療用マニピュレータと、遠隔操作を行なうための複数の軸を有し、各軸には変位検出手段と制動手段とが設けられた遠隔操作装置と、この遠隔操作装置からの操作情報に基づいて、前記医療用マニピュレータの動作を制御する制御装置と、を具備し、前記制御装置は、前記遠隔操作装置の各軸の変位検出手段からの変位信号を所定の倍率で変換して前記医療用マニピュレータの対応する軸の駆動手段に伝達する信号変換手段と、前記変位信号の変換倍率に応じた制動力を生成するための制御信号を前記遠隔操作装置の制動手段に伝達する制御信号発生手段と、を備える医療用マニピュレータであって、前記医療用マニピュレータの自由度は、前記遠隔操作装置の自由度よりも大きく設定され、前記医療用マニピュレータと前記遠隔操作装置はそれぞれ複数であり、前記複数の医療用マニピュレータと前記複数の遠隔操作装置の各対に対応してそれぞれ制御装置が設けられ、各制御装置間には各マニピュレータ同士が干渉しないように動作を制御する制御手段が設けられている。
【0009】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。
【0010】
(第1実施形態)
図1乃至図4は本発明の第1実施形態を説明するための図である。図1は本実施形態に係る医療用マニピュレータ(以下、単にマニピュレータと呼ぶ)1の構成を示す図であり、マニピュレータ本体3と、生体壁70に穿設された挿入孔8を通じて体腔内に挿入可能なストレート形状の細径挿入部2とからなる。マニピュレータ本体3は細径挿入部2の位置決めを行う手段としてのリンク機構及び調整機構を備えたアーム機構になっており、このマニピュレータ本体3には、細径挿入部2が進退自在に連結されている。上記したリンク機構及び調整機構、挿入部の連結機構については特開平7−136173号に詳細に開示されている。
【0011】
また、細径挿入部2の先端には、作業部としてのエンドエフェクタが屈曲自在に接続されている。このエンドエフェクタはマニピュレータ1の作業目的によって異なっており、図1には把持鉗子5が示されている。把持鉗子5は、生体組織の把持や剥離、縫合のための針の把持などを行うための開閉機構を有している。
【0012】
このマニピュレータ1での処置は、図示しない別の挿入孔から挿入される内視鏡観察下で行われる。
【0013】
把持鉗子5と細径挿入部2との間には、図示の如く、屈曲部が一ヶ所しか設けられていない。そして、把持鉗子5の長さは細径挿入部2の長さに比べて十分に小さい。
【0014】
ところで、マニピュレータ1の軸数はエンドエフェクタの位置及びオリエンテーションに関する自由度と挿入孔8の位置に関する拘束条件とから決定される。前者について、体腔内の任意位置にある臓器等を任意のオリエンテーションで処置を行うためには一般に6自由度が必要である。また、後者については、体腔壁70に無理な力がかからないためには、3自由度が必要である。
【0015】
両者を加えると、9自由度が必要であるが、ポイントロック機構によって6自由度で実現出来る。詳細は特開平7−136173号に開示されている。
【0016】
また、マニピュレータの6軸の各々には、駆動機構とエンコーダが設置されている。駆動機構はモータや伝達機構から構成される。これらの詳細についても特開平7−136173号に開示されている。
【0017】
図2は上記したマニピュレータ1を動作させるための動作指令を与える遠隔操作装置としてのマスターアーム14の構成を示す図である。本実施形態では、操作者がマスターアームを直接手で動作させてマニピュレータの動作を決める、いわゆるマスタースレーブ方式を採用している。
【0018】
マスターアーム14はパンタグラフ機構17を複数組み合わせて構成された多自由度マニピュレータである。出力節12には、3つのパンタグラフ17と3つの回転対偶軸18が取り付けられ、出力節12上面には、鋏状の開閉機構19が取り付けられている。各パンダグラフ17、対偶軸18、開閉機構19の軸には、エンコーダ20が接続されている。また、上記各軸には図3に示すようなディスク31が一体に設けられ、このディスク31の表面にはブレーキ32が動作可能に設けられている。以上より、マスターアーム14は、合計7自由度を有している。
【0019】
図4は上記した医療用マニピュレータ装置のブロック構成図である。制御装置21は、伝達倍率可変回路22と、モータ駆動信号発生回路24と、位置検出回路25と、ブレーキ駆動信号発生回路23とから構成される。伝達倍率可変回路22は、マスターアーム14の変位検出手段としてのエンコーダ15(15A、15B、15C、…)からの信号を受けて任意の倍率に変換する。この任意の倍率は、制御装置21の外部に配置された設定入力装置26から術者により入力される。モータ駆動信号発生回路24は、倍率変換された信号を受けて、マニピュレータ1の駆動手段としての駆動モータ11(11a、11b、11c、…)を駆動する。位置検出回路25は、マニピュレータ1の各エンコーダ10(10a、10b、10c、…)からの出力信号を受けてマニピュレータ1の姿勢を検出して、モータ駆動信号発生回路24にフィードバックする。ブレーキ駆動信号発生回路23は、伝達倍率可変回路22からの信号を受けて、マスターアーム14の制動手段としての各ブレーキ16(16a、16b、16c、…)を駆動する。
【0020】
以下に上記した構成の動作を説明する。マニピュレータ1の各軸の動作範囲と、マスターアーム14の各軸の動作範囲とは一致していない。そこで、術者は、各軸毎にマスターアーム14の変位を何倍でマニピュレータ1に伝えるのかを予め設定入力手段26を用いて制御装置21に入力する。モータ駆動信号発生回路24は、このようにして設定された倍率に応じてマニピュレータ1側の駆動モータ11をそれぞれ駆動させる。
【0021】
また、ブレーキ駆動信号発生回路23は、設定された倍率に応じてマスターアーム14側のブレーキ16をそれぞれ駆動させる。例えば、ある軸の設定倍率が大きいと、マスターアーム14を僅かに変位させただけで、マニピュレータ1は大きく変位する事が出来る。また、ある軸の設定倍率が小さいと、マスターアーム14を大きく変位させても、マニピュレータ1側では僅かにしか動かない。
【0022】
更に、設定倍率が大きい場合にはブレーキ16の発生力も大きくなるので、術者は強い抵抗力を感じる事になる。逆に、設定倍率が小さいとブレーキ16の発生力が小さくなるので、術者は僅かな力でアームを操作出来る。
【0023】
上記した第1実施形態によれば、マスターアームがマニピュレータと異なる動作範囲を持つ汎用の装置であっても、術者が予め両者の動きを対応づける設定を行う事が出来るので、遠隔操作性を損なう事のない医療用マニピュレータ装置を実現出来る。
【0024】
特に、伝達倍率に応じた力をブレーキ装置で発生させる構成にした事により、術者が誤ってマスターアームを必要以上に動作させようとしても、強い制動力が働くので、マスターアームが動く事がない。従って、マニピュレータ側の生体に対して安全な動作範囲を保証する事が出来る。
【0025】
また、汎用のマスターアームであるので、自由度がマニピュレータより高い場合は、マスターアームの任意の軸のブレーキに十分な力を働かせる事によってその軸をロックさせる事が出来る。このようにして、マスターアームとマニピュレータの自由度を合わせる事も可能である。
【0026】
(第2実施形態)
図5乃至図8は、本発明の第2実施形態を説明するための図である。図5(A)は、第2実施形態に係る医療用マニピュレータ装置の構成を示す図である。図5(B)は内視鏡38周辺の構成を示す図である。
【0027】
医療用マニピュレータ35は、マニピュレータ本体36と細径挿入部37からなる。細径挿入部37の先端部には図5(B)に示すように、湾曲可能な内視鏡38と、その両側に取り付けられたスレーブマニピュレータ41,42とが搭載されている(この詳細は特開平8−117238号に記載されている)。また、2つのマスターアーム44,45が回転型のコンソール47上に設けられ、術者により操作される。各マスターアーム44(45)の構成は第1実施形態と同じである。マスターアーム44、45はそれぞれ、スレーブマニピュレータに対応している。更に、術者は、内視鏡38の湾曲操作手段としての図示せぬ3次元位置センサが搭載されたヘッドマウントディスプレイ46を頭部に装着している。医療用マニピュレータ35と上記各操作手段は複合制御装置43を介して接続されている。
【0028】
図6は、上記した医療用マニピュレータ装置のブロック構成図である。複合制御装置43は、モータ駆動信号発生回路50と、A制御装置52と、協調回路54と、B制御装置53と、C制御装置55とから構成される。モータ駆動信号発生回路50にはコンソール用モータ51が接続されるとともに、画像処理回路49を介して内視鏡画像48が入力される。A制御装置52にはaスレーブマニピュレータ41、Aマスターアーム44、A設定入力装置57が接続されている。さらに、B制御装置53にはbスレーブマニピュレータ42、Bマスターアーム45、B設定入力装置58が接続されている。C制御装置55には手術用マニピュレータ本体36、3次元位置センサ56、C設定入力装置59が接続されている。協調制御手段としての協調回路54はA制御装置52とB制御装置53とを接続するための装置であるが、これについては後述する。上記の構成において、2つのマスターアーム44、45に対応して設けられたA制御装置52、B制御装置53は第1実施形態で説明した制御装置21と同じ構成のものである。
【0029】
3次元位置センサ56からの信号は、C制御装置55に入力され、マニピュレータ本体36の駆動制御を行なうが、ここでの詳細な説明は省略する。画像処理回路49は変位検出手段としての機能を有し、内視鏡画像48内での内視鏡の位置を演算して位置情報をモータ駆動信号発生回路50に送る。モータ駆動信号発生回路50はこのときの位置情報に基づいて、コンソール47を回転駆動するためのコンソール用モータ51を駆動制御する。
【0030】
以下に上記した構成の動作を図7を参照して説明する。図7の左上図では、マニピュレータ41,42が内視鏡画像48の左右から突出している。この時、コンソール47上のマスターアーム44,45は術者に対して平行な位置にある。
【0031】
次に、内視鏡38に湾曲をかけたり、マニピュレータ41,42が複雑に動いた場合には、右上図のように、内視鏡画像48上には、例えば、マニピュレータが上下から突出する場合がある。すると、画像処理回路49で演算された位置情報に基づいてコンソール47が90°回転するのでマスターアーム44,45は術者に対して直列な位置になる。このようにして、術者は内視鏡画像で見えているマニピュレータと同じ位置関係で2つのマスターアームを操作する事が出来る。
【0032】
各マスターアーム44,45がマニピュレータ41,42を操作する部分の説明は第1実施形態と同様である。
【0033】
図8は第2実施形態の第2の動作として、協調回路54の動作アルゴリズムを示すフローチャートである。協調回路54は、マスターアーム44,45の動きが互いに干渉することを防止する回路である。ここでは各マニピュレータ41,42は、マスターアームより多い自由度を持っているものとする。
【0034】
まず、エンコーダよりAマスターアーム44の位置を検出(ステップS1)するとともに、Bマスターアーム45の位置を検出する(ステップS3)。次に、検出した信号に基づいて、スレーブマニピュレータ41,42の動作をシミュレーションする。ステップS2、S4では、マニピュレータの任意の軸を固定した状態でのマニピュレータ形状を演算する。ステップS6では、得られた演算結果から2つのマニピュレータ形状が干渉を起こすかどうか判断する。干渉する場合はステップS7に進んで、固定する軸を順次ずらしてステップS2、S4を繰り返す。この場合、スレーブ先端の位置、方向が変わらないようにスレーブアームの他の自由度部分も動作する。
【0035】
また、干渉を起こさないと判断された場合にはステップS6に進んで、その軸を固定した状態で実際にマニピュレータを駆動させる。
【0036】
上記した第2実施形態によれば、内視鏡画像上のマニピュレータの位置に合わせてマスターアームが同じ位置関係になるようにコンソールが回転するので、術者はマスターの動きとマニピュレータの動きを同じ位置関係で把握出来、作業性が向上する。
【0037】
また、図8に示すようなアルゴリズムを持つ協調回路54を組み入れた事により、マニピュレータ同士の動作干渉を防ぐ事が出来るので、複数のマニピュレータを同時に動作させて行う複雑な処置を安全に実施する事が出来る。
【0038】
なお、上記した実施形態では、2対のマニピュレータ、マスターアームの例を示したが、それ以上の対の構成でも良い。
【0039】
(第3実施形態)
図9は本発明の第3実施形態の構成を示す図である。ここでは第1実施形態と異なる部分についてのみ説明する。マニピュレータ63の表面には多数の受光型光センサ64が設けられている。この光センサ64の出力は、光量計測装置65に入力されて光量がある設定値を下まわるかどうかが判断される。ある設定値を下回るとブザー/ランプ等からなる警告手段66が作動する。
【0040】
以下に上記した構成の動作を説明する。マニピュレータ63は、内視鏡61の視野内で処置を行う。内視鏡61先端からはライトガイド62より供給される光がある照明範囲で照射されている。照明範囲内にあるマニピュレータ63の部分は光センサが照明光に反応するので、光センサをモニターする事によってマニピュレータが視野内にある事を識別出来る。もし、マニピュレータが視野から外れると、光センサの出力が低下するので、光量計測装置65より警告手段66に信号が出力され、術者に警告を行う。
【0041】
上記した第3実施形態によれば、マニピュレータが視野外に出ると、警告が信号が発っせられるので、術者は安全に術式を進める事が出来る。
【0042】
(第4実施形態)
図10は本発明の第4実施形態の構成を示す図である。第4実施形態の構成は、第3実施形態において、警告手段の代わりに制御装置21に危険信号を入力する構成である。光量計測装置65からの信号は制御装置21内のブレーキ駆動信号発生回路23に優先的に入力される。ブレーキ駆動信号発生回路23は、マスターアームの各ブレーキを動作させるものである。
【0043】
上記した構成において、マニピュレータが照明範囲から外れた事を光量計測装置によって検出した時、マスターアームのエンコーダの出力を無視してマスターアームの各ブレーキに十分な制動力を発生させるようにする。
【0044】
上記した第4実施形態によれば、安全性が向上するという効果を奏する。
【0045】
(第5実施形態)
図11〜図13は、本発明の第5実施形態を説明するための図である。図11は第5実施形態に係る挿入部37先端の構成を示す図である。ここでは図11に示すように、細径挿入部37の先端に、スレーブマニピュレータ41,42を囲むように組織・臓器73を圧排するための組織圧排フード72が設けられている。組織圧排フード72には図13に示すように、円筒状の透明な樹脂シート75に適当な間隔で形状記憶合金線74からなる骨が埋め込まれている。形状記憶合金線74は体温より少し高い温度でアーチ状に変形する。
【0046】
上記した構成において、図12に示すように、組織圧排フード72を処置したい組織・臓器73に押し当てて内視鏡の送気チャンネルより温風を送気すると、形状記憶合金線74が変形して組織圧排フード72は周囲組織を圧排し、手術視野を確保する。また、空間を確保した事により、マニピュレータ41,42が動作中に意図しない組織を損傷させる事を防止することができる。
【0047】
なお、上記した具体的実施形態から以下の構成を有する発明が抽出される。
【0048】
1. 遠隔操作によって駆動され、生体内部位の観察及び/または処置を行うための多軸を有する医療用マニピュレータと、
遠隔操作を行なうための多軸を有する遠隔操作装置と、
この遠隔操作装置からの操作情報に基づいて、前記医療用マニピュレータの動作を制御する制御装置とを具備し、
前記医療用マニピュレータの各軸に駆動手段を設けるとともに、前記遠隔操作装置の各軸に変位検出手段と制動手段を設け、
前記制御装置は、前記遠隔操作装置の各軸の変位検出手段からの変位信号を予め設定された倍率で変換して前記医療用マニピュレータの対応する軸の駆動手段に伝達するとともに、前記変位信号の倍率に応じた制動力を生成するための制御信号を前記遠隔操作装置の制動手段に伝達することを特徴とする医療用マニピュレータ装置。
【0049】
2.構成1において、医療用マニピュレータの自由度を遠隔操作装置の自由度より多く設定した事を特徴とする医療用マニピュレータ装置。
【0050】
3.構成1において、前記制動手段は機械的摩擦力を発生する手段であることを特徴とする医療用マニピュレータ装置。
【0051】
4.構成1において、前記変位検出手段はエンコーダ装置であることを特徴とする医療用マニピュレータ装置。
【0052】
5.構成1において、前記変位検出手段は内視鏡画像側での画像処理装置よりなることを特徴とする医療用マニピュレータ装置。
【0053】
6.構成2において、前記医療用マニピュレータは医療マニピュレータ装置の一部を構成することを特徴とする医療用マニピュレータ装置。
【0054】
7.構成6において、複数の医療用マニピュレータと、対応する複数の遠隔操作装置及びそれぞれの対に対応する制御装置を有することを特徴とする医療用マニピュレータ装置。
【0055】
8.構成7において、各制御装置間に各マニピュレータの動作の干渉を避ける協調制御手段を設け、この協調制御手段は順次軸拘束をした場合の演算を行い、各マニピュレータが自動的に干渉しない形状をとるよう制御することを特徴とする医療用マニピュレータ装置。
【0056】
9.構成1において、上記医療用マニピュレータの先端動作各部には、光センサを複数配置し、光センサで受光した光量を計測する装置を備え、計測した光量からマニピュレータの動作各部が内視鏡視野内にあるか否かを判断し、前記制動手段にフィードバックする手段を有したことを特徴とする医療用マニピュレータ装置。
【0057】
10.構成9において、計測した光量からマニピュレータの動作各部が内視鏡視野内にあるか否かを判断し、術者に警告する手段を有したことを特徴とする医療用マニピュレータ装置。
【0058】
11.構成5において、遠隔操作装置は移動機構を備えた台上に配置され、内視鏡視野内でのマニピュレータの向き情報により移動機構を制御することを特徴とする医療用マニピュレータ装置。
【0059】
12.構成1において、マニピュレータの先端部に当該先端部を覆う組織圧排フードを設けたことを特徴とする医療用マニピュレータ装置。
【0060】
上記構成によれば、遠隔操作装置と医療用マニピュレータの各軸の動作の伝達倍率を予め任意に設定する事が出来るので、生体へ接触して無理な力がかからないように微妙な操作を要する軸については伝達倍率を低く設定し、手技上大きな動作が必要な軸については伝達倍率を高く設定する事で、手術の安全性、効率を高める事が出来る。
【0061】
また、伝達倍率に応じた制動力が遠隔操作装置の各軸に働くので、予期しない外力が遠隔操作装置に加わった場合でも、高い伝達倍率の軸には大きな制動力が加わり、遠隔操作装置の軸が大きく動く事はない。その結果、マニピュレータが予期せぬ大きな動きをしないので、安全に使用出来る。更に、色々な形態、軸数を持つ各種の医療用マニピュレータに対してそれぞれ専用の遠隔操作装置を製作する必要がない。
【0062】
さらに、本構成の遠隔操作装置では、組み合わせるマニピュレータの軸数に合わせて使用しない軸には制動力を無限大にしておき、使用する軸においては、対応するマニピュレータの軸の可動範囲に合わせて予め伝達倍率を設定しておく事で違和感なく感覚的に使用する事が出来る。
【0063】
【発明の効果】
本発明によれば、遠隔操作装置がマニピュレータと異なる動作範囲を持つ汎用の装置であっても、術者が予め両者の動きを対応づける設定を行う事が出来るので、遠隔操作性を損なう事のない医療用マニピュレータ装置を実現出来る。
【0064】
特に、伝達倍率に応じた力を制動手段で発生させる構成にした事により、術者が誤って遠隔操作装置を必要以上に動作させようとしても、強い制動力が働くので、遠隔操作装置が動く事がない。従って、マニピュレータ側の生体に対して安全な動作範囲を保証する事が出来る。
【0065】
汎用の遠隔操作装置であるので、自由度がマニピュレータより高い場合は、遠隔操作装置の任意の軸の制動に十分な力を働かせる事によってその軸をロックさせる事が出来る。このようにして、遠隔操作装置とマニピュレータの自由度を合わせる事が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態に係る医療用マニピュレータの構成を示す図である。
【図2】マスターアームの構成を示す図である。
【図3】マスターアームの各軸の周辺の構成を示す図である。
【図4】第1実施形態に係る医療用マニピュレータ装置のブロック構成図である。
【図5】本発明の第2実施形態に係る医療用マニピュレータ装置の構成を示す図である。
【図6】第2実施形態に係る医療用マニピュレータ装置のブロック構成図である。
【図7】第2実施形態の構成の動作を説明するための図である。
【図8】第2実施形態の第2の動作として、協調回路の動作アルゴリズムを示すフローチャートである。
【図9】本発明の第3実施形態の構成を示す図である。
【図10】本発明の第4実施形態の構成を示す図である。
【図11】本発明の第5実施形態の構成を示す図である。
【図12】細径挿入部の先端に、組織・臓器を圧排するためのフードを設けたようすを示す図である。
【図13】組織圧排フードに形状記憶合金線を設けたようすを示す図である。
【符号の説明】
1 医療用マニピュレータ
2 細径挿入部
3 マニピュレータ本体
5 把持鉗子
8 挿入孔
9 駆動機構
10 エンコーダ(10a,10b,10c…)
11 モータ(11a,11b,11c…)
12 出力節
14 マスターアーム
15 エンコーダ(15A,15B,15C…)
16 ブレーキ(16A,16B,16C…)
17 パンタグラフ機構
18 回転対偶軸
19 開閉機構
20 エンコーダ
21 制御装置
22 伝達倍率可変回路
23 ブレーキ駆動信号発生回路
24 モータ駆動信号発生回路
25 位置検出回路
26 設定入力装置
30 回転軸
31 ディスク
32 ブレーキ
35 医療用マニピュレータ
36 マニピュレータ本体
37 細径挿入部
38 内視鏡
41 aスレーブマニピュレータ
42 bスレーブマニピュレータ
43 複合制御装置
44 Aマスターアーム
45 Bマスターアーム
46 ヘッドマウントディスプレイ
47 コンソール
48 内視鏡画像
49 画像処理回路
50 モータ駆動信号発生回路
51 コンソール用モータ
52 A制御装置
53 B制御装置
54 協調回路
55 C制御装置
56 3次元位置センサ
57 A設定入力装置
58 B設定入力装置
59 C設定入力装置
61 内視鏡
62 ライトガイド
63 マニピュレータ
64 光センサ
65 光量計測装置
66 警告手段
70 生体壁
72 組織圧排フード
73 組織・臓器
74 形状記憶合金線
75 樹脂シート[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a medical manipulator device that is driven by a remote operation to observe and treat an in-vivo site.
[0002]
[Prior art]
For example, endoscopic surgery has been conventionally performed in which various treatments are performed in a body cavity by opening a hole in a body wall such as the abdominal cavity and inserting an endoscope or treatment tool into the body cavity percutaneously through the hole. Such a technique is often performed in a cholecystectomy operation or an operation to remove a part of the lung as a minimally invasive technique that does not require a large incision.
[0003]
In such an endoscopic operation, it has been desired that an endoscope and a treatment tool inserted into a body cavity can operate in a wide range as much as possible in the body cavity. Therefore, in Japanese Patent Laid-Open Nos. 7-136173 and 8-117238, a medical manipulator device having a multi-joint structure insertion portion with a high degree of freedom has been proposed.
[0004]
Each of these conventional techniques employs a multi-joint structure having the same degree of freedom as a medical manipulator for a remote control device used for remotely operating a medical manipulator having a multi-joint structure. Moreover, in order to facilitate the operation by the operator, the structure of the remote control device is generally similar to a medical manipulator as much as possible. If the structure is the same, the operation shape taken by each axis of the remote control device can be projected onto the manipulator as it is, so that the operation becomes easy sensibly. However, if medical manipulators become widespread in the future, it is considered that various types of medical manipulators suitable for the target surgical procedure will appear.
[0005]
At that time, if the remote control device is a dedicated machine corresponding to each manipulator, problems such as storage space and learning of operation methods arise. Therefore, it is useful to realize a remote control device that can be used for general purposes as much as possible and can be easily adapted to any manipulator.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
In the above-described medical manipulator device, basically, the manipulator can be operated if the degree of freedom of the remote control device is equal to or greater than the degree of freedom of the manipulator. However, in a general-purpose remote control device, even if the degree of freedom condition is satisfied, its operation shape may be completely different, which impairs remote control and reduces the safety and efficiency of surgery. There was a problem.
[0007]
The present invention has been made paying attention to such problems, and an object of the present invention is to provide a medical manipulator device that can improve the safety and efficiency of surgery without impairing remote operability. There is to do.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention According to one embodiment A medical manipulator is driven by a remote operation to observe and / or treat an in-vivo site. It has a plurality of axes, and each axis is provided with driving means Medical manipulator and remote control It has a plurality of axes, and each axis is provided with a displacement detection means and a braking means A remote control device; and a control device that controls the operation of the medical manipulator based on operation information from the remote control device, wherein the control device is a displacement detection means for each axis of the remote control device. Displacement signal from At a predetermined magnification Convert and transmit to the driving means of the corresponding shaft of the medical manipulator With signal conversion means , Of the displacement signal conversion A control signal for generating a braking force according to the magnification is transmitted to the braking means of the remote control device. Control signal generating means A medical manipulator comprising: The degree of freedom of the medical manipulator is set to be greater than the degree of freedom of the remote control device, and there are a plurality of the medical manipulators and the remote control devices, respectively, and the plurality of medical manipulators and the plurality of remote control devices A control device is provided for each of the pairs, and control means for controlling the operation so that the manipulators do not interfere with each other is provided between the control devices. .
[0009]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0010]
(First embodiment)
1 to 4 are views for explaining a first embodiment of the present invention. FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a medical manipulator (hereinafter simply referred to as a “manipulator”) 1 according to this embodiment, which can be inserted into a body cavity through a
[0011]
Further, an end effector as a working part is flexibly connected to the distal end of the small
[0012]
The treatment with the
[0013]
Between the
[0014]
By the way, the number of axes of the
[0015]
If both are added, nine degrees of freedom are required, but can be realized with six degrees of freedom by the point lock mechanism. Details are disclosed in JP-A-7-136173.
[0016]
A drive mechanism and an encoder are installed on each of the six axes of the manipulator. The drive mechanism is composed of a motor and a transmission mechanism. These details are also disclosed in JP-A-7-136173.
[0017]
FIG. 2 is a diagram showing a configuration of the
[0018]
The
[0019]
FIG. 4 is a block diagram of the medical manipulator device described above. The control device 21 includes a transmission magnification variable circuit 22, a motor drive
[0020]
The operation of the above configuration will be described below. The movement range of each axis of the
[0021]
Further, the brake drive
[0022]
Further, when the set magnification is large, the generated force of the brake 16 also increases, so that the operator feels a strong resistance. Conversely, if the set magnification is small, the generated force of the brake 16 is small, so that the operator can operate the arm with a slight force.
[0023]
According to the first embodiment described above, even if the master arm is a general-purpose device having an operation range different from that of the manipulator, it is possible for the operator to perform the setting for associating the movements of both in advance, so that the remote operability is improved. It is possible to realize a medical manipulator device that will not be damaged.
[0024]
In particular, by configuring the brake device to generate a force that corresponds to the transmission magnification, even if the surgeon accidentally operates the master arm more than necessary, a strong braking force works, so the master arm can move. Absent. Therefore, it is possible to guarantee a safe operating range for the living body on the manipulator side.
[0025]
Further, since it is a general-purpose master arm, when the degree of freedom is higher than that of the manipulator, the shaft can be locked by applying a sufficient force to the brake of any shaft of the master arm. In this way, it is possible to match the degrees of freedom of the master arm and the manipulator.
[0026]
(Second Embodiment)
5 to 8 are diagrams for explaining a second embodiment of the present invention. FIG. 5A is a diagram illustrating a configuration of a medical manipulator device according to the second embodiment. FIG. 5B is a diagram showing a configuration around the
[0027]
The
[0028]
FIG. 6 is a block diagram of the medical manipulator device described above. The
[0029]
A signal from the three-
[0030]
The operation of the above configuration will be described below with reference to FIG. In the upper left diagram of FIG. 7, the
[0031]
Next, when the
[0032]
The description of the part where each
[0033]
FIG. 8 is a flowchart showing an operation algorithm of the
[0034]
First, the position of the
[0035]
If it is determined that no interference will occur, the process proceeds to step S6, and the manipulator is actually driven with the shaft fixed.
[0036]
According to the second embodiment described above, since the console rotates so that the master arm is in the same positional relationship with the position of the manipulator on the endoscopic image, the surgeon moves the master and the manipulator in the same manner. It can be grasped by the positional relationship and workability is improved.
[0037]
In addition, by incorporating the
[0038]
In the above-described embodiment, an example of two pairs of manipulators and master arms has been described. However, more pairs may be used.
[0039]
(Third embodiment)
FIG. 9 is a diagram showing the configuration of the third exemplary embodiment of the present invention. Here, only different parts from the first embodiment will be described. A large number of light-receiving optical sensors 64 are provided on the surface of the manipulator 63. The output of the optical sensor 64 is input to the light
[0040]
The operation of the above configuration will be described below. The manipulator 63 performs a treatment within the field of view of the endoscope 61. Light supplied from the light guide 62 is emitted from the distal end of the endoscope 61 within a certain illumination range. Since the optical sensor responds to the illumination light in the portion of the manipulator 63 within the illumination range, it can be identified that the manipulator is in the field of view by monitoring the optical sensor. If the manipulator deviates from the field of view, the output of the optical sensor decreases, so a signal is output from the light
[0041]
According to the third embodiment described above, when the manipulator goes out of the field of view, a warning is signaled, so that the surgeon can safely proceed with the surgical procedure.
[0042]
(Fourth embodiment)
FIG. 10 is a diagram showing the configuration of the fourth exemplary embodiment of the present invention. The structure of 4th Embodiment is a structure which inputs a danger signal into the control apparatus 21 instead of a warning means in 3rd Embodiment. A signal from the light
[0043]
In the above configuration, when the light amount measuring device detects that the manipulator is out of the illumination range, the output of the encoder of the master arm is ignored and sufficient braking force is generated for each brake of the master arm.
[0044]
According to the above-described fourth embodiment, there is an effect that safety is improved.
[0045]
(Fifth embodiment)
FIGS. 11-13 is a figure for demonstrating 5th Embodiment of this invention. FIG. 11 is a diagram showing the configuration of the distal end of the
[0046]
In the above configuration, as shown in FIG. 12, when the tissue
[0047]
The invention having the following configuration is extracted from the specific embodiment described above.
[0048]
1. A medical manipulator that is driven by remote operation and has multiple axes for observing and / or treating in vivo sites;
A remote control device having multiple axes for remote control;
Based on operation information from this remote operation device, comprising a control device for controlling the operation of the medical manipulator,
A driving means is provided on each axis of the medical manipulator, and a displacement detecting means and a braking means are provided on each axis of the remote control device,
The control device converts the displacement signal from the displacement detection means of each axis of the remote operation device by a preset magnification and transmits it to the corresponding shaft drive means of the medical manipulator. A medical manipulator device, wherein a control signal for generating a braking force corresponding to a magnification is transmitted to a braking means of the remote control device.
[0049]
2. The medical manipulator device according to
[0050]
3. The medical manipulator device according to
[0051]
4). The medical manipulator device according to
[0052]
5. The medical manipulator device according to
[0053]
6). The medical manipulator device according to
[0054]
7). The medical manipulator device according to Configuration 6, comprising a plurality of medical manipulators, a plurality of corresponding remote control devices, and a control device corresponding to each pair.
[0055]
8). In the
[0056]
9. In
[0057]
10. The medical manipulator device according to the ninth aspect, further comprising means for determining whether or not each operation part of the manipulator is in the endoscope visual field from the measured light amount and warning the operator.
[0058]
11. The medical manipulator device according to
[0059]
12 The medical manipulator device according to
[0060]
According to the above configuration, the transmission magnification of the movement of each axis of the remote control device and the medical manipulator can be arbitrarily set in advance, so that an axis that requires a delicate operation so as not to apply an excessive force by touching the living body By setting the transmission magnification to a low value, and setting the transmission magnification to a high value for axes that require large movements in the procedure, the safety and efficiency of the operation can be increased.
[0061]
In addition, since a braking force corresponding to the transmission magnification acts on each axis of the remote control device, even when an unexpected external force is applied to the remote control device, a large braking force is applied to the shaft with a high transmission magnification, The axis does not move greatly. As a result, the manipulator does not move unexpectedly and can be used safely. Furthermore, it is not necessary to manufacture dedicated remote control devices for various medical manipulators having various forms and numbers of axes.
[0062]
Further, in the remote control device of this configuration, the braking force is made infinite to the shaft that is not used in accordance with the number of axes of the manipulator to be combined, and the shaft to be used is previously set in accordance with the movable range of the corresponding manipulator shaft. By setting the transmission magnification, it can be used sensuously without any sense of incongruity.
[0063]
【The invention's effect】
According to the present invention, even if the remote control device is a general-purpose device having an operation range different from that of the manipulator, it is possible for the surgeon to perform the setting for associating the movements of both in advance, so that the remote operability is impaired. A medical manipulator device can be realized.
[0064]
In particular, since the force corresponding to the transmission magnification is generated by the braking means, even if the operator mistakenly operates the remote control device more than necessary, a strong braking force works, so the remote control device moves. There is nothing. Therefore, it is possible to guarantee a safe operating range for the living body on the manipulator side.
[0065]
Since this is a general-purpose remote control device, when the degree of freedom is higher than that of the manipulator, the shaft can be locked by applying a sufficient force to brake any axis of the remote control device. In this way, it is possible to match the degrees of freedom of the remote control device and the manipulator.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a medical manipulator according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a configuration of a master arm.
FIG. 3 is a diagram showing a configuration around each axis of a master arm.
FIG. 4 is a block configuration diagram of the medical manipulator device according to the first embodiment.
FIG. 5 is a diagram showing a configuration of a medical manipulator device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a block configuration diagram of a medical manipulator device according to a second embodiment.
FIG. 7 is a diagram for explaining the operation of the configuration of the second embodiment.
FIG. 8 is a flowchart showing an operation algorithm of a cooperative circuit as a second operation of the second embodiment.
FIG. 9 is a diagram showing a configuration of a third exemplary embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a diagram showing a configuration of a fourth exemplary embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a diagram showing a configuration of a fifth exemplary embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a view showing a state where a hood for excluding tissues / organs is provided at the distal end of the small-diameter insertion portion.
FIG. 13 is a view showing a state in which a shape memory alloy wire is provided on a tissue exclusion hood.
[Explanation of symbols]
1 Medical manipulator
2 Small diameter insertion part
3 Manipulator body
5 Grip forceps
8 Insertion hole
9 Drive mechanism
10 Encoder (10a, 10b, 10c ...)
11 Motor (11a, 11b, 11c ...)
12 Output clause
14 Master arm
15 Encoder (15A, 15B, 15C ...)
16 Brake (16A, 16B, 16C ...)
17 Pantograph mechanism
18 Rotating pair
19 Opening and closing mechanism
20 Encoder
21 Control device
22 Transmission magnification variable circuit
23 Brake drive signal generation circuit
24 Motor drive signal generation circuit
25 Position detection circuit
26 Setting input device
30 axis of rotation
31 discs
32 Brake
35 Medical Manipulator
36 Manipulator body
37 Small diameter insertion part
38 Endoscope
41 a slave manipulator
42b slave manipulator
43 Combined control device
44 A Master Arm
45 B Master Arm
46 Head mounted display
47 Console
48 Endoscopic images
49 Image processing circuit
50 Motor drive signal generation circuit
51 Console motor
52 A controller
53 B controller
54 Cooperative Circuit
55 C controller
56 3D position sensor
57 A setting input device
58 B setting input device
59 C setting input device
61 Endoscope
62 Light Guide
63 Manipulator
64 optical sensor
65 Light intensity measuring device
66 Warning means
70 biological wall
72 Tissue Exclusion Hood
73 Tissues and organs
74 Shape memory alloy wire
75 resin sheet
Claims (1)
遠隔操作を行なうための複数の軸を有し、各軸には変位検出手段と制動手段とが設けられた遠隔操作装置と、
この遠隔操作装置からの操作情報に基づいて、前記医療用マニピュレータの動作を制御する制御装置と、を具備し、
前記制御装置は、前記遠隔操作装置の各軸の変位検出手段からの変位信号を所定の倍率で変換して前記医療用マニピュレータの対応する軸の駆動手段に伝達する信号変換手段と、前記変位信号の変換倍率に応じた制動力を生成するための制御信号を前記遠隔操作装置の制動手段に伝達する制御信号発生手段と、を備える医療用マニピュレータであって、
前記医療用マニピュレータの自由度は、前記遠隔操作装置の自由度よりも大きく設定され、前記医療用マニピュレータと前記遠隔操作装置はそれぞれ複数であり、前記複数の医療用マニピュレータと前記複数の遠隔操作装置の各対に対応してそれぞれ制御装置が設けられ、各制御装置間には各マニピュレータ同士が干渉しないように動作を制御する制御手段が設けられていることを特徴とする医療用マニピュレータ。 A medical manipulator that is driven by remote operation and has a plurality of axes for observing and / or treating an in-vivo site , each axis being provided with a driving means ;
A remote operation device having a plurality of axes for performing remote operation , each axis being provided with a displacement detection means and a braking means ;
A control device for controlling the operation of the medical manipulator based on the operation information from the remote operation device,
The control device converts a displacement signal from a displacement detection unit of each axis of the remote control device at a predetermined magnification and transmits the displacement signal to a corresponding axis driving unit of the medical manipulator; and the displacement signal A control signal generating means for transmitting a control signal for generating a braking force according to the conversion magnification of the remote control device to the braking means of the remote control device, and a medical manipulator comprising:
The degree of freedom of the medical manipulator is set to be greater than the degree of freedom of the remote control device, and there are a plurality of the medical manipulators and the remote control devices, respectively, and the plurality of medical manipulators and the plurality of remote control devices A medical manipulator characterized in that a control device is provided corresponding to each of the pairs, and a control means for controlling the operation is provided between the control devices so that the manipulators do not interfere with each other .
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