JP5024763B2 - 手術支援システムにおいて用いられるマスタ・マニピュレータ - Google Patents

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Description

本発明は、手術支援システムにおいて用いられるマスタ・マニピュレータに関するものである。特に、本発明は、脳内深部などでの手術のように、微細かつ正確な操作が必要な手術に好適な手術支援システムにおけるマスタ・マニピュレータに関係している。
下記特許文献1及び2に示されるような手術支援システムが知られている。このシステムにおいては、マスタ・マニピュレータに備えられた把持部を操作者(例えば医師)が操作することにより、スレーブ・マニピュレータに備えられた術具(例えば鉗子)を操作し、手術を行うことができる。このようなシステムにおいては、把持部の位置及び姿勢を取得し、その情報に基づいて、スレーブ・マニピュレータを動作させている(特許文献3〜5、及び、非特許文献1〜3参照)。
ここで、把持部の位置及び姿勢を取得する手法としては、大きく分けて、
・把持部の画像情報を用いるもの
・把持部にコイルを組み込んだ上で、把持部を磁場内で操作するもの
・機械的な手法によるもの
がある。
しかしながら、画像情報を用いるものや、磁場を用いるものは、手術用としては安定性を欠く。特に、微細かつ正確な手術が求められるような手術、例えば脳内深部での脳外科手術においては、これらの手法は適用が難しいと考えられる。
一方、機械的な手法は、外乱に対して安定性が高いという利点がある。しかしながら機械的な手法を用いた場合、用いる機構によっては、操作者の姿勢に無理を生じたり、可動範囲が狭くなるなどの問題を生じやすい。
特開2001−104333号公報 特開平7−184923号公報 特開2004−180781号公報 特開2007−260431号公報 特開2000−350735号公報 Deon F. Louw, Tim Fielding, et al., "Surigical Robotics: A Review and Neurosurgical Prototype Development," Neurosurgery, Vol. 54, No.3, pp.525-537, 2004. T. Goto, K. Hongo, et al., "Clinical application of robotic telemanipulation system in neurosurgery," Jounal of Neurosurgery, Vol.99, No.6, pp.1082-1084, 2003. A. Morita, M. Mitsuishi, et al., "Microsurgical robotic system for the deep surgical field: development of a prototype and feasibility studies in animal and cadaveric models," Journal of Neurosurgery, Vol.103, No.2, pp.320-327, 2005.
本発明は、前記した事情に鑑みてなされたものである。本発明の目的は、操作時における疲労が少なく、かつ操作しやすいマスタ・マニピュレータを提供することである。
本発明は、下記のいずれかの項目に記載の構成を備えている。
(項目1)
手術支援システムにおいて用いられるスレーブ・マニピュレータを動作させるために、操作者の腕によって操作されるマスタ・マニピュレータであって、
前記マスタ・マニピュレータは、把持部と、並進機構部と、基台とを備えており、
前記把持部は、操作者によって把持される部分であり、
かつ、前記把持部は、前記並進機構部によって支持されており、
前記並進機構部は、第1〜第6リンクを備えており、
前記第1リンクの一端側は、前記基台に対して、少なくとも水平面内及び鉛直面内において、実質的に回動可能なように取り付けられており、
前記第1リンクは、前記基台から、ほぼ斜め上方に向かう方向に配置可能とされており、
前記第3リンクの一端側は、前記第1リンクの他端側に固定されており、
前記第3リンクは、操作者が、操作者の肘を前記基台の下方に配置し、かつ、前記把持部を把持した状態において、操作者の前腕と実質的にほぼ平行となる方向に延長されており、
前記第4リンクは、前記第3リンクに対してほぼ平行に配置されており、
前記第2リンク及び前記第5リンクは、互いにほぼ平行に配置されており、
前記第2リンクは、前記第3リンク及び前記第4リンクの一端側どうしを回動可能なように連結しており、
前記第5リンクは、前記第3リンク及び前記第4リンクの他端側どうしを回動可能なように連結しており、
前記第2リンク、第3リンク、第4リンク及び第5リンクは、前記の構成によって、実質的に平行リンク機構を構成しており、
前記第6リンクの一端側は、前記第4リンクの他端側に固定されており、
かつ、前記第6リンクは、前記第3リンクに対してほぼ平行となる方向に延長されており、
前記把持部は、前記第6リンクの他端側に、直接又は間接的に取り付けられており、
前記基台は、前記第1リンクの一端側の下方に、操作者の肘を配置できる空間を形成している
ことを特徴とするマスタ・マニピュレータ。
本発明においては、第2リンク、第3リンク、第4リンク及び第5リンクが実質的に平行リンク機構を構成しているので、把持部を前後に並進させる操作を、前腕の回動だけで行うことが可能になる。このため、操作時における疲労が少なく、操作が容易になる。
(項目2)
さらに第7リンクを備えており、
前記第7リンクの一端側は、前記第6リンクの他端側に固定されており、
前記把持部は、前記第7リンクの他端側に、前記第7リンクに対して回動可能な状態で取り付けられている
ことを特徴とする、項目1に記載のマスタ・マニピュレータ。
(項目3)
さらに姿勢機構部を備えており、
前記姿勢機構部は、前記第7リンクの他端側に取り付けられており、
前記把持部は、前記姿勢機構部に取り付けられており、
前記姿勢機構部は、操作者の操作に従って、前記把持部の姿勢を適宜に変化させる構成となっている
ことを特徴とする項目2に記載のマスタ・マニピュレータ。
(項目4)
さらに、前記把持部の位置及び/又は姿勢を取得するためのセンサを備えており、
前記センサは、前記第1〜第6リンクのいずれか又は全てに取り付けられている
ことを特徴とする項目1又は2に記載のマスタ・マニピュレータ。
(項目5)
項目1〜4のいずれか1項に記載のマスタ・マニピュレータと、スレーブ・マニピュレータとを備えており、
前記スレーブ・マニピュレータは、前記マスタ・マニピュレータにおける前記把持部の位置及び姿勢に従って動作する構成となっている
ことを特徴とする手術支援システム。
本発明によれば、操作時における疲労が少なく、かつ操作しやすいマスタ・マニピュレータを提供することを提供することが可能になる。
以下、本発明の一実施形態に係るマスタ・マニピュレータ及びこれを用いた手術支援システムを、添付の図面に基づいて説明する。
(手術支援システムの構成)
本実施形態に係る手術支援システムの全体構成を、図1に基づいて概略的に説明する。
このシステムは、マスタ・マニピュレータ2と、スレーブ・マニピュレータ4とを備えている。
(マスタ・マニピュレータの構成)
マスタ・マニピュレータ2は、手術支援システムにおいて用いられるスレーブ・マニピュレータ4を動作させるために、操作者の前腕によって主に操作されるものである。
マスタ・マニピュレータ2は、マスタ側インタフェース部21と、マスタ側制御部22と、把持部23と、姿勢機構部24と、並進機構部25と、基台26と、ディスプレイ27と、センサ28とを備えている。ここで、本実施形態のマスタ・マニピュレータ2は、並進機構部25を除いて、基本的には、従来の(例えば非特許文献3や特許文献3〜5に記載の)マスタ・マニピュレータと同様の構成となっている。
マスタ側インタフェース部21は、後述するスレーブ側インタフェース部41と通信することにより、マスタ・マニピュレータ2からの制御指令をスレーブ・マニピュレータ4に送ることができるものである。マスタ側インタフェース部21とスレーブ側インタフェース部41との間の通信は、LANやインターネットなどのネットワークを介して行われても良いし、直接的な接続により行われても良い。また、両者間の通信に用いられる通信媒体や通信プロトコルについても、特に制約されない。
マスタ側制御部22は、姿勢機構部24や並進機構部25に設置されたセンサ28からの情報を用いて、把持部23の位置及び姿勢を取得し、インタフェース部21を介して、その情報をスレーブ・マニピュレータ4に送る部分である。このような制御部22は、CPU、記憶装置、コンピュータプログラムなどの適宜なハードウエアあるいはソフトウエアを用いることによって実装することができる。
把持部23は、操作者によって把持される部分である。把持部23の形状としては、例えば鉗子と同様の長さを持つ棒状であるが、特に制約されない。把持部23は、後述するように、並進機構部25によって、姿勢機構部24を介して間接的に支持されている。
姿勢機構部24は、並進機構部25における第7リンクL7(後述)の他端側に取り付けられている。把持部23は、姿勢機構部24に取り付けられている。
姿勢機構部24は、操作者の操作に従って、把持部23の姿勢を適宜に変化させる構成となっている。このような姿勢機構部24は、例えばジンバル機構を用いることにより実現できる。この点も従来から知られているので、詳細な説明は省略する(特許文献3〜5参照)。
(並進機構部の構成)
並進機構部25は、第1〜第7リンクL1〜L7を備えている(図2参照)。
第1リンクL1の一端側は、基台26に対して、少なくとも水平面内及び鉛直面内において、実質的に回動可能なように取り付けられている。
第1リンクL1は、基台26から、ほぼ斜め上方(図2において右斜め上方)に向かう方向に配置可能とされている。すなわち、第1リンクL1は、回動に伴って様々な姿勢を取ることが可能であるが、少なくとも、図2に示されるように、斜め上方に向かう姿勢を取れるようになっている。
第3リンクL3の一端側は、第1リンクL1の他端側に固定されている。つまり、第3リンクL3と第1リンクL1との位置関係は変化しないようになっている。
第3リンクL3は、操作者が、操作者の腕6における肘62を基台の下方(直下でなくてもよい)に配置し、かつ、把持部23を把持した状態(図2及び図3〜図5参照)において、操作者の前腕61と実質的にほぼ平行となる方向に延長されている。なお、図2においては、操作者の腕6を二点鎖線で示した。
第4リンクL4は、第3リンクL3に対してほぼ平行に配置されている。
また、第2リンクL2及び第5リンクL5は、互いにほぼ平行に配置されている。
第2リンクL2は、第3リンクL3及び第4リンクL4の一端側(図2において左端側)どうしを回動可能なように連結している。
第5リンクL5は、第3リンクL3及び第4リンクL4の他端側(図2において右端側)どうしを回動可能なように連結している。
第2リンクL2、第3リンクL3、第4リンクL4及び第5リンクL5は、前記の構成によって、実質的に平行リンク機構を構成している。
第6リンクL6の一端側は、第4リンクL4の他端側に固定されている。また、第6リンクL6は、第3リンクL3に対してほぼ平行となる方向に延長されている。
第7リンクL7の一端側は、第6リンクの他端側に固定されている。
把持部23は、前記したように、第7リンクL7の他端側に、姿勢機構部24を介して、第7リンクL7に対して回動可能な状態で取り付けられている。つまり、この実施形態における把持部23は、第6リンクL6の他端側に、間接的に取り付けられている。ただし、第6リンクL6の他端側に把持部23を直接に取り付けることも可能である。また、把持部23は、この把持部23を操作者が把持した状態において、操作者の前腕61と第3リンクL3とがほぼ平行となる位置関係において、配置されている。
姿勢機構部24は、前記したように、第7リンクL7の他端側に取り付けられている。
基台26は、第1リンクL1の一端側の下方に、操作者の肘を配置できる空間261を形成している(図2参照)。なお、空間261の位置は、操作者の肘を配置できればよく、必ずしも、基台26の直下にある必要はない。
ディスプレイ27は、スレーブ・マニピュレータ4のカメラ45(後述)で取得した画像(例えば手術箇所の画像)を表示するものである。操作者は、この画像を見ながら、マスタ・マニピュレータ2における必要な操作を行うことができる。
センサ28は、把持部23の位置・姿勢を取得するものである。本実施形態のセンサ28は、第1〜第7リンクどうしの回動部分や姿勢機構部24に取り付けられている(図2においては図示せず)。
マスタ・マニピュレータ2における前記以外の構成は、従来の手術支援システムにおけるマスタ・マニピュレータと同様でよいので、これ以上詳細な説明を省略する。
(本実施形態におけるスレーブ・マニピュレータの構成)
スレーブ・マニピュレータ4は、マスタ・マニピュレータ2における把持部23の位置及び姿勢に従って動作する構成となっている。このような構成のスレーブ・マニピュレータとしては、従来の技術(例えば前記非特許文献3)と同様のものを用いることができる。
本実施形態のスレーブ・マニピュレータ4は、スレーブ側インタフェース部41と、スレーブ側制御部42と、従動機構部43と、術具44と、カメラ45と、アクチュエータ46とを備えている(図1参照)。
スレーブ側インタフェース部41は、前記したように、マスタ側インタフェース部21と通信を行うための部分である。
スレーブ側制御部42は、スレーブ側インタフェース部41が受け取った指令に従って、アクチュエータ46を動作させるものであり、CPU、メモリ、適宜なコンピュータプログラムにより構成することができる。
従動機構部43は、アクチュエータ46からの動力を利用して、術具44を動作させるための部分である(例えば非特許文献3を参照)。
術具44は、従動機構部43により支持されており、患者に対して必要な処置をするための器具である。術具44は、例えば鉗子である。
カメラ45は、患者の患部を撮影するためのものである。取得された画像は、インタフェース部41を介してマスタ・マニピュレータ2に送られ、ディスプレイ27によって操作者に提示される。
アクチュエータ46は、スレーブ側制御部42からの指令に基づいて、従動機構部43を駆動して、術具44に必要な動作をさせるものである。
スレーブ・マニピュレータ4における前記以外の構成は、従来のものと同様でよいので、これ以上詳細な説明を省略する。
(マスタ・マニピュレータの使用方法)
つぎに、本実施形態におけるマスタ・マニピュレータ2の使用方法を、図3〜図5に基づいて説明する。図示の例では、左右の腕6のために、2台のマスタ・マニピュレータ2が用いられている。ただし、2台のマスタ・マニピュレータ2は、左右対称に配置されているので、以下では、1台のマスタ・マニピュレータ2に着目して説明する。
まず、操作者(例えば、手術を行う医師)は、その腕6の肘62を、基台26の下方に形成された空間261に配置する。この状態で、操作者は、把持部23を把持する(図3〜図5参照)。把持部23は、姿勢機構部24に取り付けられているので、操作者は、把持部23を適宜な(すなわち手術に必要な)姿勢に保持することができる。
次に、把持部23の並進動作について説明する。並進動作においては、操作者は、その肘62を中心として、前腕61を前後あるいは左右に動かすことにより並進動作を行う。
まず、把持部23を、操作者から見て前後方向(図2においては左右方向)に移動させる場合について説明する。この場合は、操作者は、肘62を中心として前腕61を回動させて、手首を前後方向に移動させる。
すると、把持部23、姿勢機構部24、第7リンクL7に力が加えられ、並進機構部25の第7リンクL7、第6リンクL6を介して、第4リンクL4が、第3リンクL3と平行を保ちながら移動する(図2参照)。
本実施形態では、第3リンクL3と第4リンクL4とは、操作者の前腕61とほぼ平行となるように設定されているので、この動作により、操作者は、肘62を中心として前腕61を前後方向に回動させるだけで、把持部23の並進動作を行わせることができるという利点がある。
すなわち、本実施形態では、把持部23の並進において、上腕や肩まで移動させる必要がほとんど生じない。このため、本実施形態のマスタ・マニピュレータ2によれば、操作者の疲労が少なく、操作が容易になるという利点がある。
また、把持部23を左右方向(図2において紙面に交差する方向)に並進させる場合には、操作者の肘62を中心として、前腕61を左右に振ればよい。
さらに、本実施形態では、把持部23を操作者が把持した状態において、操作者の前腕61と第3リンクL3とがほぼ平行となっているので、把持部23を並進させるときに、操作者の手首と前腕との角度を変更する必要がほとんどないという利点がある。この点からも、操作者の疲労を防ぎ、操作の容易性を向上させることができる。
スレーブ・マニピュレータ4は、マスタ・マニピュレータ2からの入力に従って、手術に必要な動作を行う。スレーブ・マニピュレータ側の動作は、従来の技術と基本的に同様なので、詳しい説明を省略する。
なお、前記実施形態及び実施例の記載は単なる一例に過ぎず、本発明に必須の構成を示したものではない。各部の構成は、本発明の趣旨を達成できるものであれば、上記に限らない。
本発明の一実施形態に係る眼科手術支援システムの概要を説明するためのブロック図である。 図1のシステムにおいて使用されるマスタ・マニピュレータの原理的な構造を示す説明図である。 本実施形態のマスタ・マニピュレータの使用方法を説明するための説明図である。 図3の正面図である。 図4の側面図である。
符号の説明
2 マスタ・マニピュレータ
21 マスタ側インターフェース部
22 マスタ側制御部
23 把持部
24 姿勢機構部
25 並進機構部
L1〜L7 第1〜第7リンク
26 基台
261 空間
27 ディスプレイ
28 センサ
4 スレーブ・マニピュレータ
41 スレーブ側インタフェース部
42 スレーブ側制御部
43 従動機構部
44 術具
45 カメラ
46 アクチュエータ
6 操作者の腕
61 肘
62 前腕

Claims (5)

  1. 手術支援システムにおいて用いられるスレーブ・マニピュレータを動作させるために、操作者の腕によって操作されるマスタ・マニピュレータであって、
    前記マスタ・マニピュレータは、把持部と、並進機構部と、基台とを備えており、
    前記把持部は、操作者によって把持される部分であり、
    かつ、前記把持部は、前記並進機構部によって支持されており、
    前記並進機構部は、第1〜第6リンクを備えており、
    前記第1リンクの一端側は、前記基台に対して、少なくとも水平面内及び鉛直面内において、実質的に回動可能なように取り付けられており、
    前記第1リンクは、前記基台から、ほぼ斜め上方に向かう方向に配置可能とされており、
    前記第3リンクの一端側は、前記第1リンクの他端側に固定されており、
    前記第3リンクは、操作者が、操作者の肘を前記基台の下方に配置し、かつ、前記把持部を把持した状態において、操作者の前腕と実質的にほぼ平行となる方向に延長されており、
    前記第4リンクは、前記第3リンクに対してほぼ平行に配置されており、
    前記第2リンク及び前記第5リンクは、互いにほぼ平行に配置されており、
    前記第2リンクは、前記第3リンク及び前記第4リンクの一端側どうしを回動可能なように連結しており、
    前記第5リンクは、前記第3リンク及び前記第4リンクの他端側どうしを回動可能なように連結しており、
    前記第2リンク、第3リンク、第4リンク及び第5リンクは、前記の構成によって、実質的に平行リンク機構を構成しており、
    前記第6リンクの一端側は、前記第4リンクの他端側に固定されており、
    かつ、前記第6リンクは、前記第3リンクに対してほぼ平行となる方向に延長されており、
    前記把持部は、前記第6リンクの他端側に、直接又は間接的に取り付けられており、
    前記基台は、前記第1リンクの一端側の下方に、操作者の肘を配置できる空間を形成している
    ことを特徴とするマスタ・マニピュレータ。
  2. さらに第7リンクを備えており、
    前記第7リンクの一端側は、前記第6リンクの他端側に固定されており、
    前記把持部は、前記第7リンクの他端側に、前記第7リンクに対して回動可能な状態で取り付けられている
    ことを特徴とする、請求項1に記載のマスタ・マニピュレータ。
  3. さらに姿勢機構部を備えており、
    前記姿勢機構部は、前記第7リンクの他端側に取り付けられており、
    前記把持部は、前記姿勢機構部に取り付けられており、
    前記姿勢機構部は、操作者の操作に従って、前記把持部の姿勢を適宜に変化させる構成となっている
    ことを特徴とする請求項2に記載のマスタ・マニピュレータ。
  4. さらに、前記把持部の位置及び/又は姿勢を取得するためのセンサを備えており、
    前記センサは、前記第1〜第6リンクのいずれか又は全てに取り付けられている
    ことを特徴とする請求項1又は2に記載のマスタ・マニピュレータ。
  5. 請求項1〜4のいずれか1項に記載のマスタ・マニピュレータと、スレーブ・マニピュレータとを備えており、
    前記スレーブ・マニピュレータは、前記マスタ・マニピュレータにおける前記把持部の位置及び姿勢に従って動作する構成となっている
    ことを特徴とする手術支援システム。
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