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

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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