JP5024785B2

JP5024785B2 - 内視鏡装置に搭載されるアームシステム

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Publication number: JP5024785B2
Application number: JP2007089714A
Authority: JP
Inventors: 俊夫中村
Original assignee: Olympus Medical Systems Corp
Current assignee: Olympus Medical Systems Corp
Priority date: 2007-03-29
Filing date: 2007-03-29
Publication date: 2012-09-12
Anticipated expiration: 2027-03-29
Also published as: JP2008245838A

Description

本発明は、内視鏡装置に搭載され、病変部の大きさを３次元的な空間座標を用いて測定する機能を有するアームシステムに関する。

一般に、体腔内に挿入された内視鏡の撮像部に撮像されてモニタに映し出される病変部の大きさは、同じ画像内に映し出されるように、計測機材例えば、特許文献１に開示されるような専用の内視鏡用測長具を用いたり、メジャー鉗子等の処置具を利用して計測している。メジャー鉗子等の処置具を利用して、病変部の大きさを計測する際は、目盛りと病変部を見比べて、目測により大きさを推定している。特許文献１に開示されている計測は、モニタ画面に写し出されたＬ字形状に配置されるゲージを病変部に押し当てて、ゲージに刻まれた目盛りを目安にして大きさを測定している。

また、特許文献２には、２つの顎部が対向して配置されるノギス形状を成し、一方の顎部が他方の固定される顎部に対して平行移動する線形カルパスが提案されている。この２つの顎部により測定対象物を挟み、厚さを測定することができる。
特開２００３−１１１７２２号公報特表２００１−５２３５０７（Ｐ２００１−５２３５０７Ａ）号公報

前述した特許文献１に開示されるようなゲージを押し当てて、目盛りに照らし合わせながら病変部の大きさを目測で測定する手法は、測定者の推測による読み間違いや単純な目盛りの読み違い等が入り込む場合があり、必ずしも正確な測定結果を得られるとは限らない。この推測による間違いを引き起こす原因としては、操作ミスや確認不十分により病変部にメジャーが正しく宛がわれていなかったり、病変部の存在する箇所の形状や状態によってメジャーが正しく宛がうことができない事態が発生したりすることが考えられる。

また、特許文献２においても、内視鏡による診断の際には、病変部を挟む行為は殆ど無く、病変部に２つの顎部を宛がって計測することとなり、メジャーによる測定とは何ら変わらない問題が発生する。また、従来で用いられているメジャー鉗子は、メジャー部分の長さにより測定範囲が限定されている。さらに、ステレオスコープによる計測は、位置と向きが異なる２つの撮像系を用いて同一の対象を撮影し、２つの画像間の視差から対象の大きさを測定するため、システムが複雑になる点と対象によって測定できない問題が発生する。

そこで本発明は、病変部の周囲を移動する屈曲可能なアームの３次元的な空間座標による座標情報を用いて、読み間違いを防止してより正確な測定精度を持つ測定を行うことができる内視鏡装置に搭載されるアームシステムを提供することを目的とする。

本発明は上記目的を達成するために、複数のバーと関節部が交互に連結された多関節機構を備え、該多関節機構の先端に設けられ、内視鏡に付随して体腔内に挿入され、該内視鏡の観察視野上の観察対象部位である立体の病変部における所望する箇所及び周囲に複数の測定点を指し示すアーム先端部を有し、さらに、上記多関節機構のバー又は関節部にワイヤ接続し、電動駆動源により上記ワイヤを牽引することで上記アーム部を３次元的に移動する駆動ユニットと、マスタースレーブ操作で、上記駆動ユニットに上記アーム部の移動を指示する操作部と、上記アーム部に設定された測定点を３次元的空間座標として表し、２点の測定点間の距離又は複数の測定点に囲まれた面積を算出する測定演算部とを具備するアームシステムを提供する。

さらに、上記アームシステムにおいて、上記アーム部は、複数のバーと関節部が交互に連結された多関節機構からなり、該多関節機構の先端に設けられた上記測定点を指し示すアーム先端部を有し、さらに、上記多関節機構のバー又は関節部にワイヤ接続し、電動駆動源により上記アーム部を３次元的に移動する駆動ユニットと、上記駆動ユニットに上記アーム部の移動を指示する操作部とを具備し、上記操作部によるマスタースレーブ操作で上記アーム部による測定点の設定を行う内視鏡装置に搭載されるアームシステムを提供する。また、上記アームシステムは、上記駆動ユニットの上記電動駆動源が複数のモータにより構成され、該モータにそれぞれ設けられたエンコーダの出力信号により任意の１つの測定点を上記３次元的空間座標の原点として設定し、他の測定点における上記エンコーダの出力信号により上記原点に基づき、３次元的空間座標を取得する。上記アーム部は、前記多関節機構の先端に設けられた前記アーム先端部に換わって処置具が設けられる。

本発明によれば、病変部の周囲を移動する屈曲可能なアームの３次元的な空間座標による座標情報を用いて、より正確な測定精度を持つ測定を行うことができる内視鏡装置に搭載されるアームシステムを提供することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る内視鏡装置に搭載されるアームシステムの全体的な構成を示す図である。
本実施形態のロボティクスシステム１は、マスタースレーブ型の多関節電動機構により構成されている。このロボティクスシステム１は、体腔内に挿入され図示しない病変の大きさを測定するためのロボティクス処置部２と、測定を制御するロボティクス処置制御部３と、ロボティクス処置部２の先端部の位置や姿勢を変更するための電動駆動源となるモータユニット４と、ユーザによる駆動指示をロボティクス処置部２に伝達するための入力手段となるジョイスティック５とで構成される。

ロボティクス処置部２は、鉗子チャンネルに挿通して体腔内に挿入されるシース部８と、シース部８の先端部に設けられた複数のバー６ａ及び関節６ｂが屈曲可能に連結された多関節構造のアーム部６と、アーム部６の先端に設けられたアーム先端部７とで構成される。

この関節６ｂは、２本のバー６ａ間に設けられ、各バーに対して回動させることができ、アーム部全体としては、任意の形状に変更させることができる。モータユニット４は、シース部８内を通りアーム部６の各関節６ｂに一端が接続されるワイヤ１０と、ワイヤ１０の他端と連結したプーリ１１と、プーリ１１を回転軸に嵌装するモータ１２と、各モータ１２の回転角度をそれぞれに計測するロータリーエンコーダ（以下、エンコーダ）１３とで構成される。これらのモータ１２は、これらのエンコーダ１３の出力値に基づき、ロボティクス処置制御部３により個々に駆動制御される。関節６ｂは、これらのエンコーダ１３により、バー間の角度が検出され、アーム全体の形状を検出することができる（アーム部の先端の位置、向きが分かる）。また、これらのエンコーダ１３の出力信号に基づき、設定した測定点における３次元空間的座標を取得することができる。後述するように、任意の１つの測定点で出力されたエンコーダ１３の出力信号を３次元空間的座標の原点（ｘ1，ｙ1，ｚ1）として設定し、以後設定された他の測定点のエンコーダ１３の出力信号に対して、３次元空間的座標（ｘn，ｙn，ｚn）、ｎ＝２，３，…，ｎを求める。病変に対して内視鏡先端を固定し、内視鏡先端を固定し、内視鏡先端から関節６ｂが全て突出した状態において、内視鏡先端に最も近い関節の中心を基準とした座標系ＸＹＺを設定する。図８（ａ）に示すように、関節６ｂが全て屈曲していない状態とした場合、関節６ｂ−１と関節６ｂ−３は、Ｘ軸まわり、関節６ｂ−２はＹ軸まわりに回転する。図８（ｂ）に示すように、病変の測定したい位置に処置具の先端を接触させた場合の各関節６ｂの角度をθ１，θ２，θ３とし、各バー６ａの長さをＬ１，Ｌ２、アーム先端部７の長さをＬ３とすると、マニピュレータの運動学から各関節６ｂにおける変換行列は次のようになる。

従って、同時変換行列は、

となり、アーム先端７の位置は（ｘｙｚ）は、次のように求めることができる。

この構成においては、少なくとも３本のワイヤ１０が関節６ｂに接続される。処置具制御部２２の駆動制御によりモータ１２が回転され、プーリ１１に巻き取られる各ワイヤ１０の伸張によるそれぞれの牽引力で、アーム部６の各関節６ｂが互いに直行するＸＹの２次元方向に自在に屈曲される。更に、きめ細かく多方向にアーム部６を屈曲させたい場合には、バー６ａと、関節６ｂと、ワイヤ１０の本数を増やすことも可能である。また、シース部８は、モータユニット４内に設けられた図示しないモータ等からなるアクチュニータにより、長軸上における回転又は鉗子チャンネル内における進退が行われる。

従って、アーム部６を２次元方向に屈曲、シース部８を回転、進退できるため、アーム先端部７が３次元に移動することが可能となり、立体の病変部１９に対して所望する箇所に測定点を設定することができる。シース部８とモータユニット４は、シース連結部９により連結される。シース連結部９は、ジョイント機構を備えて、モータユニット４からシース部８を着脱可能に構成してもよい。

ロボティクス処置制御部３は、ジョイスティック５からの指示及び、機能の制御の条件やパラメータを入力し、且つ後述する測定点（３次元的空間座標）からの距離と方向を求めるための機能制御入力部２０と、各種の演算処理及び各構成部位への指示を行う中央処理部（ＣＰＵ）１４と、画像及び通信データ等を保存するメモリ１６と、モータユニット４内の各モータ１２を個々に駆動制御するモータドライバ１５とで構成される。ロボティクス処置制御部３とモータユニット４とは、それぞれに設けられた図示しないインターフェース（ＩＦ）部をケーブル１３で接続して、制御信号及びモータ駆動用電源の供給を行っている。

尚、アームシステム１は、内視鏡の鉗子チャンネルに挿通された専用に病変部の測定点を設定する際に指し示すための独立した器具でもよいが、電気メス、鉗子、クリップ又カテーテル等の内視鏡の鉗子チャンネルに挿通できる処置具の先端部分を指し示すものとして用いることもできる。

例えば、後述するアーム部の先端部を高周波電源のケーブルが接続する電気メスに取り替え、電気メスの先端部分を用いることにより実現する。また、既存のマスタースレーブ型電気メスシステムにおいて、電気メスを遠隔電動操作する駆動部（モータ）に本実施形態と同様なエンコーダを複数設けて、それらの出力信号により、測定位置の３次元的空間座標を求めて位置や病変部の大きさを算出する。

このように処置具例えば、電気メス先端をアーム先端部として代用させることにより、電気メスを用いて病変部の測定点を設定して、病変部の大きさを測定した後、引き続き処置を行うことができる。また、同様に、処置中であっても必要に応じて、その処置具で病変部の測定を行うこともできる。

図２には、本実施形態のアームシステム１の駆動を説明するための主たる構成部位に掛かる処理又は信号の流れを示す図である。図２に示す各信号は、ｍ：基準点の入力タイミング距離・方向信号、ｎ：位置・姿勢指示信号、ｐ：各エンコーダ１３の出力信号、ｑ：モータ駆動制御信号及び、ｒ：アーム部を動かすためのワイヤ１０の伸張とする。以下に、ロボティクス処置部２を駆動する際の処理の流れについて説明する。

まず、術者がジョイスティック５を操作することよって、アーム部６の位置と姿勢を指示する位置・姿勢指示信号ｎがロボティクス処置制御部３に入力される。モータユニット４からロボティクス処置制御部３にエンコーダ１３の出力信号ｐが常時、又は必要となるタイミングで入力している。
次に、ロボティクス処置制御部３のＣＰＵ１４によって、エンコーダ１３の出力信号ｐからロボティクス処置部２の先端の位置と姿勢が算出され、ジョイスティック５で入力された位置と姿勢指示信号ｎと比較される。

この比較により得られた差信号が小さくなるように演算処理され、得られたモータ駆動制御信号ｑがロボティクス処置制御部３からモータユニット４へフィードバックするように送出される。モータユニット４は、そのモータ制御信号ｑに基づき、ワイヤ１０の伸張ｒやシース部８の進退等を行うことで、ロボティクス処置部２の先端部７をジョイスティック５によって指定された位置に達するように繰り返し、フィードバック制御が行われる。この制御により、ジョイスティック５で入力された位置に先端部７が移動する。

図３には、本実施形態のアームシステム１を内視鏡装置に搭載した構成例を示す。尚、図３に示す構成部位において図１に示した構成部位と同等の構成部位には同じ参照符号を付してその説明を省略する。

内視鏡装置２１は、装置本体２２と内視鏡本体２３とで構成される。内視鏡本体２３は、体腔内に挿入される挿入部２３ａと、挿入部２３ａの先端側に設けられた湾曲部２３ｂを湾曲させる操作部２３ｃとで構成される。挿入部２３ａには、基端側に開口された挿入口２３ｄから先端部２３ｅまで貫通する穴、所謂、鉗子チャンネルの鉗子口２５と、観察視野を照明するための照明光を伝搬するライトガイドファイバ２６等が設けられている。さらに先端部２３ｅには、ＣＣＤ等の撮像素子及び光学系を含む撮像部２７が設けられる。撮像部２７により撮像された病変等の画像データは、操作部２３ｃを通じて、ケーブル（ライトガイドファイバ及び画像信号線及び制御信号線等）２３ｇで接続される装置本体２２の後述する画像処理部２８に送出される。操作部２３ｃには、操作者又は術者が操作して湾曲部２３ｂを湾曲させて所望する病変部１９を観察視野（又は、撮像部２７における撮像視野）内に入れるための操作ダイヤル２３ｆが設けられている。

装置本体２２は、撮像部２７により撮像された画像データに対して種々の画像処理やデータ処理を行う画像処理部（内視鏡ビデオシステムセンタ）２８と、ライトガイドファイバを通じて照明光窓２６から観察視野に照射する照明光を生成する光源部２９と、内視鏡装置システム全体の制御及び演算処理等を行う制御部３０と、撮像された画像及びその画像に関するデータ及び装置状態や操作指示等を表示するモニタ３１とで構成される。

また、アーム部６のアーム先端部７の進退移動は、内視鏡本体２３の鉗子チャンネル内でシース部８を進退させることとなり、その進退距離は挿入口２３ｄの近傍にリニアエンコーダ（例えば、図６（ｂ）参照）を設けて測定することができる。

このように構成されたアームシステム１による病変部の大きさの測定について説明する。図４（ａ）は、アーム部６のアーム先端部７の移動により病変部１９の周囲にプロットされる測定点Ａ1〜Ａnを概念的に示す図、図４（ｂ）は、内視鏡の撮像部２７により撮像され、モニタ３１の表示画面３２に表示された病変部１９の測定点Ａ1〜Ａnを示す図である。

まず、術者が操作部２３ｃを操作し、内視鏡本体２３の先端部２３ｅから体腔内に挿入して、モニタ３１の表示画面３２を見ながら、ロボティクス処置部２の先端部７が病変部１９に届く距離まで到達させる。その後、術者が表示画面３２を確認しつつ、ジョイスティック５を操作して、先端部７の先端を病変部１９の任意の周辺位置（測定点）で停止させる。この位置を測定基準点Ａ1として、その位置の３次元的空間座標をメモリ１６に設けられた測定点テーブル等に記録する。

次に、術者はジョイスティック５を操作してアーム先端部７の位置や姿勢を変更させて、アーム先端部７を病変部１９の周囲に沿って移動させる。次に測定点としたい位置でアーム先端部７を停止させて、その座標情報をメモリ１６に測定点Ａ2に記録する。この移動と記録動作を繰り返し行い、病変部１９の周囲を一周に亘って移動させて、任意数の測定点を画面３２上でプロットして、それらの測定点Ａ2〜Ａnの座標情報をメモリ１６に記録する。これらのプロットは、位置情報として画面上にマーク及び数値により表示される。尚、本実施形態において、座標位置及び測定点間の距離即ち、座標間の距離は前述したモータに接続されたエンコーダ出力、シース部８の回転、進退情報に基づき算出する。

ＣＰＵ１４は、メモリ１６に記録されている測定点Ａ1〜Ａnの座標情報に従って、各測定点を滑らかに通るように周線を繋ぐ演算処理を行う。次に、各測定点Ａ1〜Ａnを滑らかに繋いだ擬似外周線に対して、楕円形状に近似させ、近似楕円における最も長い長径Ｒ及び、周で囲まれた面積を算出する。算出された病変部１９の最長径Ｒ及び面積を、術者にこれから処置しようとしている病変部１９のサイズとして、図４（ｂ）に示すように、モニタ３１の画面３２内に表示する。表示画面３２には、病変部１９の画像と、その周囲に複数設定した測定点Ａ1〜Ａnと、各測定点における座標情報と、各測定点を通る近似楕円等々を必要に応じて表示することができる。

つぎに、近似楕円、病変の大きさ、面積の推定について説明する。
［方法１］
（１）測定した点の全ての組み合わせに対して距離ｄij（ｉ＝１，２，…，ｎ、ｊ＝１，２，…ｎ、ｉ≠ｊ）

を算出する。算出された距離の最大値ｄmaxを抽出し、最大値ｄmaxを病変部１９の大きさとして求める。
（２）算出した距離の最小値ｄminを抽出し、図９（ｆ）に示すように近似楕円の短径Ｌ0、長径Ｌ1を、

とすると、近似楕円の面積は以下の式から求められる。

［方法２］
（１）図９（ｃ）に示すように、各測定点と任意の平面（Ｌx＋ｍy＋ｎz＝ｐ）に垂直に下ろした位置（Ａ_１´，Ａ_２´，…，Ａ_ｎ´）までの距離ｄ_ｉ´（ｉ＝１，２，…，ｎ）は、

となる。平面の方程式は、各距離の合計を最小にする

を満足する法線ベクトル（Ｌｍｎ）、ｐの値を推定することにより求められる（例えば、最小二乗法により推定する）。従って、各測定点から推定された平面に下ろした位置（Ａ_１´，Ａ_２´，…，Ａ_ｎ´）は以下のように求められる。

（２）推定された平面の法線ベクトル（Ｌｍｎ）とＸＹＺ軸との角度は、

となり、即ち、推定された平面と最も直交する軸を求める。例えば、Ｙ軸との角度θ_Ｙが最小となったとする。
（３）推定された平面を回転、平行移動させることにより、Ｙ軸と直交した平面に変換する。平行移動（Ｈ_ＸＨ_ＹＨ_Ｚ）は推定された平面とＹ軸との交点より、
（Ｈ_ＸＨ_ＹＨ_Ｚ）＝（０ｙ_ｈ０）
となり、回転行列Ｒは、以下のように算出できる。

によって求められる。また、角度は推定された平面の法線ベクトル（Ｌｍｎ）とＹ軸との成す角度α＝θ_Ｙである。

Ｘ、Ｚ方向の値のみを用いて近似楕円を推定する。回転と平行移動が含まれる楕円の方程式は以下の曲線の方程式で表される。

よって、変換された各座標値（ｘ_ｉ” ｙ_ｉ” ｚ_ｉ”）を上記曲線の方程式に代入し、最小二乗法等を用いてａ，ｂ，ｃ，ｆ，ｇ，ｈの各値を求める。得られた曲線の方程式を標準化することにより、以下の楕円の方程式が得られる。

（５）［方法１］の（２）と同様、推定された楕円の長径、短径から病変の面積の大きさを求める。
本実施形態では、病変部１９の周囲に測定点を設定する際に、アーム部６に測定用のアーム先端部７を設けた例について説明したが、これに換わって、アーム部６に処置具例えば、高周波電気メスや鉗子等を取り付けた形態であっても同様に実施することができる。

以上のように本実施形態の内視鏡装置に搭載されるアームシステムによれば、病変部に対する測定により数値として位置情報（座標情報）を得て、演算により病変部の大きさを求めることができる。従って、従来のように病変部にゲージを宛がって目盛りに照らし合わせながら病変部の大きさを目測で読み取った時の単純な目盛りの読み違いを防止することができる。また、病変部の存在する箇所の形状や状態によってメジャーが正しく宛がうことができない事態であっても、本実施形態のアームシステムのアーム部先端を病変部の周囲を位置指定することができるため正確な測定結果を得ることができる。

また測定点の設定をアーム先端部ではなく、処置具の先端を利用して行うことにより、病変部を測定した後、そのまま処置作業に移行することができる。例えば、処置具として、高周波メスを用いた場合には、メス先端を基準点に設定すれば、そのまま処置に移ることができる。

次に図５乃至図７を参照して、第２の実施形態について説明する。
前述した第１の実施形態では、アーム部の先端に１本のアーム先端部７を用いて、複数の測定点を順次設定した例であったが、本実施形態は複数の先端部を設けた例である。病変部が胃、大腸といった消化器臓器に発生していた場合、自発的な蠕動運動があるため、測定精度を高くするためには測定点の迅速な設定が必要となる。

図５に示すように、第２の実施形態には、内視鏡本体２３の先端部２３ｅから複数、例えば２本のアーム部４１，４２が設けられている。アーム部４１，４２の各先端側には、それぞれアーム先端部４４，４５が設けられている。図６（ａ）は、内視鏡本体２３の挿入口２３ｄに挿通される各アーム４１，４２のシース部４６，４７を示している。図６（ｂ）は、図６（ａ）の挿入口２３ｄにおける断面Ａ−Ａの断面構成を示している。

これらのアーム部４１，４２は、前述した第１の実施形態におけるアーム部６と同じ構成であり、これら以外の構成部位は、同じ参照符号を付して、その説明は省略する。但し、アーム部４１，４２は、それぞれが個々に動くことができ、２系統の駆動系統を有している。また、ジョイステック５においては、１本を切り換えによりそれぞれのアーム部に操作指示を行ってもよいし、２本設けてそれぞれのアーム部４１，４２を独立して同時に操作指示を行ってもよい
この構成例では、操作部２３ｃの鉗子チャンネル２３ｃに設けられた挿入口４８ｄからアーム部４１，４２が挿通され、鉗子口２５ａ，２５ｂから延出している。２本のアーム部４１，４２におけるシース部４６，４７は、鉗子チャンネル内に進退可能に差し込まれている。挿入口２３ｄの近傍にはリニアエンコーダ４９が設けられ、これらのシース部４６，４７の進退移動距離、即ちアーム部４１，４２の進退距離が測定される。

図５に示すアーム部の構成及び、図７に示すモニタの表示画面に表示される画像を参照して、２本のアーム部４１，４２による病変部の大きさの測定について説明する。ここでは、２本のジョイスティック５ａ，５ｂを備えたシステムとする。

まず、任意の位置を基準座標（原点：ｘ0＝０，ｙ0＝０，ｚ0＝０）として設定する。一例としては、ジョイスティック５ａ，５ｂを操作して、アーム先端部４４，４５のそれぞれの先端部を当接させた位置を基準座標として設定する。

まず、病変部１９における２点の測定点間の距離を算出する場合について説明する。
術者が図７に示す表示画面５０を確認しつつ、ジョイスティック５ａ，５ｂを操作して、アーム先端部４４とアーム先端部４５を広げて、病変部１９の最長径と思われる２点の測定点を指し示す。ここで、エンコーダ１３の出力（又は関節に設けられたロータリーエンコーダの出力）シース部８の回転、進退情報を用いて、これらの測定点による３次元的空間座標情報を取得する。基準座標に基づき、アーム先端部４４による第１の測定座標情報（ｘa，ｙa，ｚa）と、アーム先端部４５による第２の測定座標情報（ｘb，ｙb，ｚb）を算出し、それぞれメモリ１６に記録する。直後に、ＣＰＵ１４は、メモリ１６から読み出した３次元的空間座標情報に基づく距離を算出して、測定点と算出された距離を関係づけて、モニタの表示画面５０に表示させる。さらに、各アーム先端部４４，４５を移動させて、それらの測定点の近辺を繰り返して指し示し、取得した３次元的空間座標情報に基づく距離を順次算出する。それらの測定点と算出された距離を関係づけて、モニタの表示画面５０に表示させて、それらの中から最長距離を選択する。選択した最長距離を病変部１９における最長径Ｒとする。

次に、病変部１９における面積を設ける場合について説明する。
術者はジョイスティック５ａ，５ｂを操作してアーム端部４４，４５の位置や姿勢を変更させて、アーム先端部４４，４５を病変部１９の周囲に沿ってそれぞれ移動させる。この移動において、回転移動は、内視鏡本体２３の挿入部２３ａを半回転させることで容易に実現できる。移動させた各測定点における測定座標情報を取得してメモリ１６に記憶させる。病変部１９の周囲に沿って一周分（各アーム部において半周分）の測定点Ａ1〜Ａnの設定により測定を終了する。ＣＰＵ１４は、メモリ１６に記録されている測定点Ａ1〜Ａnの測定座標情報に従って、各測定点を滑らかに通るように周線を繋ぐ演算処理を行う。次に、各測定点Ａ1〜Ａnを滑らかに繋いだ擬似外周線に対して、楕円形状に近似させ、近似楕円における最も長い長径Ｒ及び、周で囲まれた面積を算出する。算出された病変部１９の最長径Ｒ及び面積を、術者にこれから処置しようとしている病変部１９のサイズとして、モニタ画面５０内に表示する。尚、本実施形態において、座標位置及び測定点間の距離即ち、座標間の距離は前述したエンコーダ出力及びロータリエンコーダの出力及びアーム部６の進退情報に基づき算出する。

以上説明したように、本実施形態によれば、２本のアーム部を備えることにより、より迅速に各測定点が設定されて座標位置が計測され、短時間で病変部の大きさを求めることができる。従って、胃、大腸といった自発的な蠕動運動がある消化器臓器等に病変部ができていた場合には、複数のアーム部を使用して短時間で測定点の設定が行え、得られた病変部の大きさの測定精度が高くなる。

また本実施形態においても測定点の設定をアーム先端部ではなく、処置具の先端を利用することにより、測定すれば、病変部を測定した後、そのまま処置作業に移行することができる。例えば、処置具として、高周波メスを用いた場合には、メス先端を基準点に設定すれば、そのまま処置に移れる。

また、従来のステレオスコープでは、必ず両者が画面に入っている必要があったが、本実施形態のように２本のアーム部を備えることにより、画面上から外れる位置を基準点にしても又は、測定途中で画面から基準座標が外れても正確な測定を行うことができる。また、処置中であっても、必要であれば、そのまま病変部の測定を行うことができる。

以上説明した各実施形態には、以下の発明を含んでいる。

１．内視鏡と組み合わせて用いられるマスタースレーブ式により駆動する少なくとも１つのロボティックスアームシステムであって、
上記ロボティックスアームには、該ロボティックスアームの先端部分が設定する３次元的空間座標を測定する手段を具備することを特徴とする内視鏡装置に搭載されるロボティクスアームシステム。

２．上記ロボティクスアームシステムにおいて、
１本で構成される上記ロボティクスアームは、３次元空間中に設定した任意の１点から任意の他点にアーム先端を移動した場合、各点の３次元空間的座標情報に基づき、これらの２点間の距離を算出し、その距離を内視鏡観察画像上に表示することを特徴とする請求項１に記載の内視鏡装置に搭載されるロボティクスアームシステム。

３．上記ロボティクスアームシステムにおいて、
複数本で構成される上記ロボティクスアームは、それぞれの該ロボティクスアームの３次元的空間座標が略同時に独立して計測されるとともに、計測されたそれぞれの座標情報に基づき、該ロボティクスアームの先端部分間における距離を計測し、その値を内視鏡観察画像上に表示することを特徴とする請求項１に記載の内視鏡装置に搭載されるロボティクスアームシステム。

４．内視鏡と組み合わせて使用するマスタースレーブ式処置用ロボティックスアームシステムにおいて、このロボティックスアームには先端部分の３次元的空間座標を測定する手段が設けられている
５．上記４項に記載のロボティクスアームを１本のみ使用する場合、３次元空間中にある点から別の点にアーム先端を移動した場合、各点の３次元空間的座標情報を元に、これらの２点の距離を算出し、その距離を内視鏡観察画像上に表示することが可能なシステム。

６．上記４項に記載のロボティクスアームを２本組み合わせて使用する際には、各アームの３次元的空間座標が独立して計測されるとともに、座標情報を元に上記２つのアームの先端部分の距離を計測し、その値を内視鏡観察画像上に表示することが可能なシステム

本発明の第１の実施形態に係る内視鏡装置に搭載されるアームシステムの全体的な構成を示す図である。第１の実施形態のアームシステムの駆動を説明するための図である本実施形態のアームシステムを内視鏡装置に搭載した構成例を示す図である。図４（ａ）は、病変部の周囲にプロットされる測定点を示す図であり、図４（ｂ）は、表示画面に表示された病変部の測定点を示す図である。本発明の第２の実施形態に係る内視鏡装置に搭載されるアームシステムにおける複数の先端部を設けた構成を示す図である。図６（ａ）は、内視鏡本体の挿入口に挿通されるアーム部のシース部を示す図であり、図６（ｂ）は、図６（ａ）の挿入口における断面Ａ−Ａの断面構成を示す図である。第２の実施形態におけるアーム部と病変部を表示する表示画面の例を示す図である。関節が屈曲状態を示す図である。病変部の周囲に設定する測定点について説明するための図である。

符号の説明

１…ロボティクスシステム、２…ロボティクス処置部、３…ロボティクス処置制御部、４…モータユニット、５…ジョイスティック、６…アーム部、６ａ…バー、６ｂ…関節、７…処置エフェクタ（アーム先端部）、８…シース部、９…シース連結部、１０…ワイヤ、１１…プーリ、１２…モータ、１３…駆動制御ケーブル、１４…ＣＰＵ、１５…モータドライバ、１６…メモリ、１７…信号ケーブル、１８…患者、１９…病変部、２０…機能制御入力部、２１…内視鏡装置、２２…装置本体、２３…内視鏡本体、２３ａ…挿入部、２３ｂ…湾曲部、２３ｃ…操作部、２３ｄ…挿入口、２３ｅ…先端部、２３ｆ…操作ダイヤル、２３ｇ…ケーブル、２５…鉗子口、２６…照明光窓（ライトガイドファイバ）、２７…撮像部、２８…画像処理部、２９…光源部、３０…内視鏡制御部、３１…モニタ。

Claims

複数のバーと関節部が交互に連結された多関節機構を備え、該多関節機構の先端に設けられ、内視鏡に付随して体腔内に挿入され、該内視鏡の観察視野上の観察対象部位である立体の病変部における所望する箇所及び周囲に複数の測定点を指し示すアーム先端部を有し、
さらに、上記多関節機構のバー又は関節部にワイヤ接続し、電動駆動源により上記ワイヤを牽引することで上記アーム部を３次元的に移動する駆動ユニットと、
マスタースレーブ操作で、上記駆動ユニットに上記アーム部の移動を指示する操作部と、
上記アーム部に設定された測定点を３次元的空間座標として表し、２点の測定点間の距離又は複数の測定点に囲まれた面積を算出する測定演算部と、
を具備することを特徴とするアームシステム。
上記アームシステムにおいて、
上記内視鏡の観察視野が表示される表示画面上に、上記アーム部が設定した測定点を示すマークと、算出された上記距離及び／又は上記面積を表示することを特徴とする請求項１に記載の内視鏡装置に搭載されるアームシステム。
上記アームシステムにおいて、
上記アーム部により上記観察対象部位の周囲上に設定された複数の測定点における任意に選択した２点の測定点を３次元的空間座標として表し、該２点の測定点間における最長距離を上記３次元的空間座標から算出し、且つ上記病変部の周囲の測定点による近似楕円の面積を算出し、上記観察対象部位の大きさとする測定演算部と、
を具備することを特徴とする請求項１に記載の内視鏡装置に搭載されるアームシステム。
上記アームシステムにおいて、
上記駆動ユニットにおける上記関節部の上記ワイヤと連結し、上記電動駆動源の回転軸に嵌装する前記プーリと、
上記電動駆動源の回転軸の回転角度を計測するロータリーエンコーダと、
を備え、
上記エンコーダの出力値に基づき、上記バー間の角度を検出し、上記アーム部全体の形状を検出し、且つ上記エンコーダの出力値に基づき、設定された上記測定点における３次元空間的座標を取得することを特徴とする請求項１に記載の内視鏡装置に搭載されるアームシステム。
上記アームシステムにおいて、
複数の上記アーム部を備え、上記観察対象部位の周囲上に設定された複数の測定点における、同時に選択した２点の測定点を３次元的空間座標として表し、該２点の測定点間における最長距離を上記３次元的空間座標から算出し、且つ上記病変部の周囲の測定点による近似楕円の面積を算出し、上記観察対象部位の大きさとする測定演算部と、
を具備することを特徴とする請求項１に記載の内視鏡装置に搭載されるアームシステム。
上記アームシステムにおいて、
上記駆動ユニットの上記電動駆動源は複数のモータにより構成され、該モータにそれぞれに設けられたエンコーダの出力信号により任意の１つの測定点を上記３次元的空間座標の原点として設定し、他の測定点における上記エンコーダの出力信号により上記原点に基づき、３次元的空間座標を取得することを特徴とする請求項１に記載の内視鏡装置に搭載されるアームシステム。
上記アーム部は、上記多関節機構の先端に設けられた上記アーム先端部を処置具に交換した場合には、該処置具の先端により上記測定点を指し示すことを特徴とする請求項１に記載の内視鏡装置に搭載されるアームシステム。