JP5796982B2 - 手術用システムの制御装置及び制御方法 - Google Patents

手術用システムの制御装置及び制御方法 Download PDF

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Description

本発明は、マスタスレーブ方式の手術用システムの制御装置及びその制御方法に関する。
近年、ロボットによる医療処置の研究が行われている。特に、外科分野では、多自由度(多関節)アームを有するマニピュレータによって患者の処置をするマニピュレータシステムについての各種の提案がなされている。このようなマニピュレータシステムにおいて、患者の体腔に直接接触するマニピュレータ(スレーブマニピュレータ)を、遠隔操作装置によって遠隔操作できるようにしたマスタスレーブシステムが知られている。例えば、特許文献1では遠隔操作装置としてのマスタアームとスレーブアームとを異構造とし、マスタアームによって指示される位置情報を拡大又は縮小するようなマトリクス変換を行ってからスレーブアームに入力するようにしている。これにより、マスタアームとスレーブアームとを異構造としてもスレーブアームの先端の位置制御を行うことが可能である。
特開昭63−150172号公報
特許文献1等の従来のマスタスレーブマニピュレータシステムの場合、スレーブアーム上に予め設定されている目標部位(例えば特許文献1の場合は先端の関節)の位置及び姿勢を制御する。通常、この目標部位の位置はシステムの設計時において設定されるとその後は変更されることはない。ここで、特に手術用のスレーブアームの場合、その先端部には種々の術具が装着される。このため、スレーブアームの位置及び姿勢の制御対象の部位が固定であると、術具の種類によっては操作性に影響が生じる可能性がある。また、同じ術具でも使用場面によっては制御対象の部位を変えたほうが良い場合もある。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、スレーブアームの位置及び姿勢の制御対象とする部位を可変として操作性を向上させることが可能な手術用システムの制御装置及びその制御方法を提供することを目的とする。
上記の目的を達成するために、本発明の第1の態様の手術用システムの制御装置は、遠隔操作装置からの位置及び姿勢の操作入力値に従って、スレーブアームに装着された術具上の目標部位の位置及び姿勢を制御する手術用システムの制御装置であって、前記目標部位の位置を設定するための設定情報に従って前記操作入力値を修正して前記目標部位の位置を修正し、修正された前記操作入力値に従って前記術具における修正後の目標部位の位置及び姿勢を制御する制御部を具備し、前記設定情報は、前記目標部位の位置を、基準位置から前記遠隔操作装置の使用者の個人差に応じた前記術具上の位置に修正するように前記操作入力値を修正するための情報であることを特徴とする。
また、上記の目的を達成するために、本発明の第2の態様の手術用システムの制御装置は、遠隔操作装置からの位置及び姿勢の操作入力値に従って、スレーブアームに装着された術具上の目標部位の位置及び姿勢を制御する手術用システムの制御装置であって、前記目標部位の位置を設定するための設定情報に従って前記操作入力値を修正して前記目標部位の位置を修正し、修正された前記操作入力値に従って前記術具における修正後の目標部位の位置及び姿勢を制御する制御部を具備し、前記制御部は、前記術具の使用場面が変化する毎に異なる前記設定情報に従って前記操作入力値を修正することを特徴とする。
また、上記の目的を達成するために、本発明の第の態様の手術用システムの制御方法は、マスタアームからの位置及び姿勢の操作入力値に従って、スレーブアームに装着された術具上の目標部位の位置及び姿勢を制御する手術用システムの制御方法であって、前記目標部位の位置を設定するための設定情報に従って前記操作入力値を修正することで前記目標部位の位置を修正し、修正された前記操作入力値に従って前記術具における修正後の目標部位の位置及び姿勢を制御し、前記設定情報は、前記目標部位の位置を、基準位置から遠隔操作装置の使用者の個人差に応じた前記術具上の位置に修正するように前記操作入力値を修正するための情報であることを特徴とする。
また、上記の目的を達成するために、本発明の第4の態様の手術用システムの制御方法は、マスタアームからの位置及び姿勢の操作入力値に従って、スレーブアームに装着された術具上の目標部位の位置及び姿勢を制御する手術用システムの制御方法であって、前記目標部位の位置を設定するための設定情報に従って前記操作入力値を修正することで前記目標部位の位置を修正し、修正された前記操作入力値に従って前記術具における修正後の目標部位の位置及び姿勢を制御し、前記目標部位の位置を修正するときに、前記術具の使用場面が変化する毎に異なる前記設定情報に従って前記操作入力値を修正することを特徴とする。
本発明によれば、スレーブアームの位置及び姿勢の制御対象とする部位を可変として操作性を向上させることが可能な手術用システムの制御装置及びその制御方法を提供することができる。
本発明の一実施形態に係る手術用システムの構成を示す図である。 対象物を把持することを目的とした術具における目標部位について示した図である。 対象物を抑えることを目的とした術具における目標部位について示した図である。 対象物を切断することを目的とした術具における最適な目標部位について示した図である。 使用者の個人差に応じて目標部位の位置を変更する際の考え方について説明するための図である。 術具の使用場面に応じて目標部位の位置を変更する際の考え方について説明するための図である。 目標部位の変更処理を含む本実施形態に係る手術用システムのメインの動作について示すフローチャートである。 設定情報判断処理Aの詳細について示すフローチャートである。 設定情報判断処理Bの詳細について示すフローチャートである。 設定情報判断処理Cの詳細について示すフローチャートである。 場面変化判断処理Aの詳細について示すフローチャートである。 場面変化判断処理Bの詳細について示すフローチャートである。 場面変化判断処理Cの詳細について示すフローチャートである。 目標部位を示す指標を重畳表示させる変形例を示す図である。
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
図1は、本発明の一実施形態に係る手術用システムの構成を示す図である。図1に示す手術用システムは、手術台10と、スレーブアーム20a〜20dと、スレーブ制御回路40と、マスタアーム50a及び50bと、操作部60と、入力処理回路70と、画像処理回路80と、ディスプレイ90a及び90bと、を有している。
手術台10は、観察・処置の対象とする患者1が載置される台である。手術台10の近傍には、複数のスレーブアーム20a、20b、20c、20dが設置されている。スレーブアーム20a〜20dを手術台10に設置するようにしても良い。
スレーブアーム20a、20b、20c、20dは、それぞれ複数の多自由度関節を有している。スレーブアーム20a、20b、20c、20dは、各関節を湾曲させることによって、手術台10に載置された患者1に対してスレーブアーム20a〜20dの先端側に装着される処置具や観察器具といった各種の術具を位置決めする。先端側は、患者1の体腔に向かう側とする。スレーブアーム20a〜20dの各関節は、アーム内に設けられた動力部によって個別に駆動される。動力部としては、例えばエンコーダや減速器等を備えたサーボ機構を有するモータ(サーボモータ)が用いられる。サーボモータの動作は、スレーブ制御回路40によって制御される。
さらに、スレーブアーム20a〜20dは、各々の先端側に装着される術具24a〜24dを駆動するための複数の動力部も有している。この動力部も例えばサーボモータが用いられる。このサーボモータの動作もスレーブ制御回路40によって制御される。
手術用動力伝達アダプタ(以下、単にアダプタと言う)22a、22b、22c、22dは、スレーブアーム20a、20b、20c、20dと術具24a、24b、24c、24dとの間に介在される。これにより、アダプタ22a、22b、22c、22dは、スレーブアーム20a、20b、20c、20dと術具24a、24b、24c、24dとをそれぞれ接続する。これらアダプタ22a〜22dは、対応するスレーブアームの動力部において発生した動力を対応する術具に伝達するように構成されている。
術具24a〜24dは、複数の自由度に対応した関節を有し、患者1の体壁に開けられた図示しない挿入孔から患者1の体腔内に挿入される。また、術具24a〜24dは、先端部が湾曲駆動したり回転駆動したりできるように構成されている。この湾曲駆動は、例えばスレーブアーム20a〜20d内にそれぞれ設けられたサーボモータを駆動させて術具24a〜24d内に挿通配置されているワイヤやロッドを押し引き操作することによって行われる。また、回転駆動は、例えばスレーブアーム20a〜20d内にそれぞれ設けられたサーボモータを駆動させて術具24a〜24d内にそれぞれ設けられた回転機構を作動させたりすることによって行われる。さらに、術具の種類によっては、術具の先端に開閉機構が設けられている。この開閉機構も、例えばスレーブアーム20a〜20dにそれぞれ設けられたサーボモータを駆動させて術具内に挿通配置されたワイヤやロッドを押し引き操作することにより作動される。
図1に示す4本のスレーブアーム20a〜20dのうち、例えば、スレーブアーム20a、20b、20dは処置用のスレーブアームとして用いられるものである。これら処置用のスレーブアーム20a、20b、20dには、術具24a、24b、24dとして各種の外科手術器具が装着される。本実施形態における外科手術器具とは、例えば把持鉗子や持針器、メスや鋏といった、患者1の体内の組織部位に対して処置や操作を行うための術具を言う。また、スレーブアーム20cは観察用のカメラアームとして用いられる。スレーブアーム20cには、術具24cとして各種の観察器具が装着される。本実施形態における観察器具とは、電子内視鏡等の、患者1の体内の組織部位を観察するための術具を言う。
アダプタ22a〜22dに装着された術具24a〜24dは、交換用術具24eと交換可能になされている。このような術具の交換作業は、例えば助手2によって行われる。
ドレープ30は、本医療用マニピュレータシステムにおいて滅菌処理を行う部位(以下、清潔域と言う)と滅菌処理を行わない部位(以下、不潔域と言う)とを分けるためのものである。手術の際には、図1に示すように、スレーブアーム20a〜20dの動力部の部分をドレープ30によって覆った状態で手術を行う。ドレープ30によって清潔域と不潔域とを分けておくことにより、滅菌処理後において、清潔域と不潔域との交錯も防止される。図1のように必要最小限の範囲をドレープ30で覆っても良いし、より広範囲に、例えばスレーブ制御回路40までドレープ30で覆っても良い。
スレーブ制御回路40は、例えばCPUやメモリ等を有して構成されている。このスレーブ制御回路40は、スレーブアーム20a〜20dの制御を行うための所定のプログラムを記憶している。また、本実施形態におけるスレーブ制御回路40は、スレーブアーム20a、20b、20dにおける位置・姿勢の制御対象とする目標部位の変更に伴って、入力処理回路70からの操作入力値を修正するための設定情報を記憶している。この設定情報の詳細については後述する。
このようなスレーブ制御回路40は、入力処理回路70からの入力信号に従って、スレーブアーム20a〜20b又は術具24a〜24dの動作を制御する。そして、スレーブ制御回路40は、入力処理回路70からの入力信号に基づいて、使用者3によって操作されたマスタアームの操作対象のスレーブアームを特定する。さらに、スレーブ制御回路40は、特定したスレーブアームに装着されている術具の種類や術具の使用場面等に従って定まる目標部位の位置・姿勢を、マスタアームを介して指令された位置・姿勢の目標値を修正することによって得られた目標値とするために必要なスレーブアームの各関節の駆動量を算出する。この駆動量の算出は従来周知の逆運動学演算によって行うことが可能である。各関節の駆動量の算出後、スレーブ制御回路40は、算出した駆動量に応じてマスタアームの操作対象のスレーブアームの各関節を制御する。また、スレーブ制御回路40は、術具に設けられた把持部等を操作する旨の入力信号が入力処理回路70から入力された場合には、その入力信号に従って術具の動作を制御する。
さらに、スレーブ制御回路40は、スレーブアーム20cに装着された観察器具から画像信号が入力されてきた場合には、入力された画像信号を画像処理回路80に出力する。スレーブ制御回路40を介さず、観察器具と画像処理回路が直結されても良い。
遠隔操作装置の一例としてのマスタアーム50a、50bは複数のリンクを有している。各リンクには、例えばエンコーダ等の位置検出器が設けられている。また、マスタアーム50a、50bの先端部にはスレーブアームの先端に装着される術具を操作するための操作部が設けられている。使用者3は、操作部を把持しつつ、マスタアーム50a、50bを操作する。このとき、各位置検出器から、マスタアーム50a、50bの各リンクの操作量を示す検出信号が術具上の目標部位の位置・姿勢の目標値に対応した信号として入力処理回路70に入力される。
図1の例において、マスタアーム50aが使用者3の右手によって操作されるアームであり、マスタアーム50bが使用者3の左手によって操作されるアームである。図1は、2本のマスタアーム50a、50bを用いて4本のスレーブアームを操作する場合の例を示している。この場合、マスタアームの操作対象のスレーブアームを適宜切り替える必要が生じる。このような切り替えは、例えば使用者3の操作部60の操作によって行われる。勿論、マスタアームの本数とスレーブアームの本数とを同数とすることで操作対象を1対1の対応とすれば、このような切り替えは不要である。
ここで、本実施形態では、遠隔操作装置の例として複数のリンクを有するアームを例示しているが、遠隔操作装置としてはスレーブ制御回路40に対して位置・姿勢の指令を与えることができれば必ずしもリンクを有していなくとも良い。
操作部60は、マスタアーム50a、50bの操作対象のスレーブアームを切り替えるための切替ボタン(以下、切替ボタンと言う)や、マスタとスレーブの動作比率を変更するスケーリング変更スイッチ、システムを緊急停止させたりするためのフットスイッチ等の各種の操作部材を有している。使用者3によって操作部60を構成する何れかの操作部材が操作された場合には、対応する操作部材の操作に応じた操作信号が操作部60から入力処理回路70に入力される。
入力処理回路70は、マスタアーム50a、50bからの検出信号及び操作部60からの操作信号を解析する。そして、入力処理回路70は、これらの信号の解析結果に従って、位置・姿勢の目標値を示す入力信号を生成する。さらに、入力処理回路70は、この位置・姿勢の目標値を示す入力信号と、制御対象のスレーブアームを示す入力信号とをスレーブ制御回路40に入力する。
画像処理回路80は、スレーブ制御回路40から入力された画像信号を表示させるための各種の画像処理を施す。これにより、使用者用ディスプレイ90a、助手用ディスプレイ90bにおける表示用の画像データが生成される。使用者用ディスプレイ90a及び助手用ディスプレイ90bは、例えば液晶ディスプレイで構成されている。これらのディスプレイは、観察器具を介して取得された画像信号に従って画像処理回路80において生成された画像データに基づく画像を表示する。画像は二次元画像であれば簡便に表示でき、三次元画像であれば奥行き感を得ることができる。
次に、制御部の一例として機能するスレーブ制御回路40による位置・姿勢の制御対象とする術具上の目標部位の位置を変更する際の考え方について説明する。本実施形態では、スレーブアームに装着される術具の種類や使用場面といった各種の条件毎に最適と考えられる術具上の目標部位をスレーブ制御回路40による位置・姿勢の制御対象とする。
まず、本実施形態では、スレーブアームの先端に装着される術具の用途に応じて、位置・姿勢の制御対象とする術具上の目標部位の位置を変更する。図2〜図4は、術具の種類に応じて目標部位の位置を変更する際の考え方について説明するための図である。この例では、対象物に対して作用する術具上の部位を目標部位とする。
図2は、対象物を「把持する」ことを目的とした術具における目標部位について示した図である。ここで、図2(a)は、持針器100の例を示している。持針器とは、患部等を縫合するために用いられる針を対象物として把持する術具である。また、図2(b)は、把持鉗子110の例を示している。把持鉗子とは、血管等を対象物として把持する術具である。ここで、図2に関連する以下の説明は、図2で示した以外の「把持する」ことを目的とした各種の術具に対して適用されるものである。
図2(a)に示す持針器100は、関節101と、把持部102とを主に有している。関節101は、予め定められた軸周りに回転自在に構成された関節である。ここで、図2(a)に示す関節は、回転関節の例を示しているが、予め定められた軸に沿って移動可能な直動関節としても良い。把持部102は、図示A方向に開閉自在に関節101に取り付けられた顎部を有している。この把持部102を形成する顎部は、スレーブ制御回路40の制御に従って開閉され、閉じられたときに対象物としての針を把持する。
図2(b)に示す把持鉗子110は、関節111と、把持部112とを主に有している。関節111は、予め定められた軸周りに回転自在に構成された関節である。ここで、図2(b)に示す関節は、回転関節の例を示しているが、予め定められた軸に沿って移動可能な直動関節としても良い。把持部112は、図示A方向に開閉自在に関節111に取り付けられた顎部を有している。この把持部112を形成する顎部は、スレーブ制御回路40の制御に従って開閉され、閉じられたときに対象物としての血管等を把持する。ここで、図2(b)に示す把持鉗子110の把持部112を形成する顎部には、歯が形成されている。このような歯を形成しておくことで、より確実に対象物を固定して把持することが可能である。
図2(a)や図2(b)で示したような対象物を「把持する」ことを目的とした術具を手術に用いることを考えた場合、関節101や関節111の位置・姿勢を制御するよりも、実際に対象物を把持する部位の位置・姿勢を直接的に制御することのほうが使用者にとって重要である。したがって、本実施形態においては、図2(a)及び図2(b)で示したような「把持する」ことを目的とした術具に対しては、位置・姿勢の制御の対象とする目標部位の位置をデフォルト位置から、図2(a)の参照符号103と図2(b)の参照符号113とでそれぞれ示した把持部の中央部位の位置に変更する。ここでは、把持部の中央部位としているが、把持部上であれば良く、必ずしも中央とする必要はない。
位置・姿勢の制御の対象とする目標部位の位置を変更した場合、この目標部位の位置の変更に伴って入力処理回路70からの操作入力値も修正する必要がある。この修正を行うため、本実施形態におけるスレーブ制御回路40のメモリに、操作入力値を修正するための設定情報を記憶させておく。この設定情報は、予め定められた基準の目標部位の位置から術具毎に定めた目標部位の位置までの距離を示す情報である。基準の目標部位は、例えば、術具に設けられた関節(関節101や関節111)の位置とする。これは、以後に説明する他の術具の場合も同様とする。関節の位置を基準の目標部位に設定した場合、持針器100の設定情報としては図2(a)に示す距離L1を記憶させ、把持鉗子110の設定情報としては図2(b)に示す距離L2を記憶させる。
また、持針器100のような特定の術具の目標部位の位置を基準の目標部位の位置とすることもできる。例えば図2(a)の参照符号103で示した位置を基準位置とした場合、他の術具の設定情報としては、それぞれの術具に対して設定された目標部位の位置と参照符号103に対応した位置との距離の差分情報を記憶させる。
図3は、対象物を「抑える」ことを目的とした術具における目標部位について示した図である。ここで、図3(a)は、リトラクタ200の例を示している。リトラクタ200とは、各種の対象物を抑えて固定する術具である。このリトラクタ200は、例えば手術に必要な視野の妨げとなる臓器等を対象物として抑えて手術に必要な視野を確保するために用いられる。また、図3(b)は、スタビライザ210の例を示している。スタビライザ210は、心臓を対象物として抑えることで心臓の拍動を抑制する術具である。ここで、図3に関連する以下の説明は、図3で示した以外の「抑える」ことを目的とした各種の術具に対して適用されるものである。
図3(a)に示すリトラクタ200は、関節201と、当接部202とを主に有している。関節201は、予め定められた軸周りに回転可能に構成された関節である。ここで、図3(a)に示す関節は、回転関節の例を示しているが、予め定められた軸に沿って移動可能な直動関節としても良い。当接部202は、対象物に当接されることで対象物を抑えつつ固定する。図3(a)に示す当接部202は、開閉自在に構成された2枚の薄板を有しており、これらの薄板で対象物を抑えるように構成されている。しかしながら、当接部202の構成はこれに限るものではない。
また、図3(b)に示すスタビライザ210は、関節211と、当接部212とを主に有している。関節211は、予め定められた軸周りに回転可能に構成された関節である。ここで、図3(b)に示す関節は、回転関節の例を示しているが、予め定められた軸に沿って移動可能な直動関節としても良い。当接部212は、対象物に当接されることで対象物を抑えつつ固定する。
図3(a)や図3(b)で示したような対象物を「抑える」ことを目的とした術具を手術に用いることを考えた場合、関節201や関節211の位置・姿勢を制御するよりも、実際に対象物を抑える部位の位置・姿勢を直接的に制御することのほうが使用者にとって重要である。したがって、本実施形態においては、図3(a)及び図3(b)で示したような「抑える」ことを目的とした術具に対しては、位置・姿勢の制御の対象とする目標部位の位置をデフォルト位置から、図3(a)の参照符号203と図3(b)の参照符号213とでそれぞれ示した当接部によって抑えられる対象物が存在していると仮定した場合の仮想的な当接部の重心位置に変更する。実際には、当接部を構成する薄板間の中央位置とする。必ずしも中央位置とする必要はない。
位置・姿勢の制御の対象とする目標部位の位置を変更した場合、この目標部位の位置の変更に伴って入力処理回路70からの操作入力値も修正する必要がある。この修正を行うため、本実施形態におけるスレーブ制御回路40のメモリに、操作入力値を修正するための設定情報を記憶させておく。リトラクタ200の設定情報としては図3(a)に示す距離L3を記憶させ、スタビライザ210の設定情報としては図3(b)に示す距離L4を記憶させる。
図4は、対象物を「切断する」ことを目的とした術具における最適な目標部位について示した図である。ここで、図4(a)は、鋏300の例を示している。また、図4(b)は、(電気)メス310の例を示している。ここで、図4に関連する以下の説明は、図4で示した以外の「切断する」ことを目的とした各種の術具に対して適用されるものである。
図4(a)に示す鋏300は、関節301と、切断部302とを主に有している。関節301は、予め定められた軸周りに回転可能に構成された関節である。ここで、図4(a)に示す関節は、それぞれ、回転関節の例を示しているが、予め定められた軸に沿って移動可能な直動関節としても良い。切断部302は、開閉自在に構成された2枚の刃部を有している。この2枚の刃部によって対象物を挟むことによって対象物を切断する。
図4(b)に示す電気メス310は、関節311と、切断部312とを主に有している。関節311は、予め定められた軸周りに回転可能に構成された関節である。ここで、図4(b)に示す関節は、それぞれ、回転関節の例を示しているが、予め定められた軸に沿って移動可能な直動関節としても良い。切断部312は、先端部に高周波電流を発生するように構成されている。この先端部に発生させた高周波電流によるジュール熱によって対象物を切断する。
図4(a)や図4(b)で示したような対象物を「切断する」ことを目的とした術具を手術に用いることを考えた場合、関節301や関節311の位置・姿勢を制御するよりも、実際に対象物を切断する部位の位置・姿勢を直接的に制御することのほうが使用者にとって重要である。したがって、本実施形態においては、図4(a)及び図4(b)で示したような「切断する」ことを目的とした術具に対しては、位置・姿勢の制御の対象とする目標部位の位置をデフォルト位置から、図4(a)の参照符号303と図4(b)の参照符号313とでそれぞれ示した切断部の先端位置に変更する。必ずしも先端位置とする必要はない。
位置・姿勢の制御の対象とする目標部位の位置を変更した場合、この目標部位の位置の変更に伴って入力処理回路70からの操作入力値も修正する必要がある。この修正を行うため、本実施形態におけるスレーブ制御回路40のメモリに、操作入力値を修正するための設定情報を記憶させておく。鋏300の設定情報としては図4(a)に示す距離L5を記憶させ、電気メス310の設定情報としては図4(b)に示す距離L6を記憶させる。
また、本実施形態では、マスタアームを操作する使用者3の個人差に応じて、位置・姿勢の制御対象とする術具上の目標部位の位置を変更する。図5は、使用者3の個人差に応じて目標部位の位置を変更する際の考え方について説明するための図である。
例えば、使用者がメスを実際に持って手術を行う場合において、図5(a)に示すようにしてメスを短く持って使用する使用者もいれば、図5(b)に示すようにしてメスを長く持って使用する使用者もいる。これらは、それぞれの使用者が自身の好みや使用場面等を考慮して最適と考える持ち方をするためである。このような使用者毎の違いはマスタアームの操作の場合にも言える。例えば同じ構造のマスタアームの操作部であっても、使用者が異なればその持ち方に差異が生じる。この他、同じメスであっても、使用者によってそれぞれが想定する切断部312の「先端部」の位置が異なる可能性もある。本実施形態では、このような使用者毎の差異を反映して目標部位の位置の調整を行えるようにする。なお、このような調整は、例えば各使用者が手動で目標部位を調整するための調整情報を入力することで行う。この調整情報の入力に従って、上述した設定情報L1〜L6の値が使用者毎に変更される。
さらに、本実施形態では、マスタアームを操作している際の術具の使用場面に応じて、位置・姿勢の制御対象とする術具上の目標部位の位置を変更する。図6は、術具の使用場面に応じて目標部位の位置を変更する際の考え方について説明するための図である。
例えば、持針器100を例とする。上述した図2の例では、持針器100の目標部位を、図6(a)に示す把持部102の中央付近の部位103aとしている。このような設定は、持針器100によって針を把持しようとしている間に特に重要な設定である。これに対し、針を把持した後は、その針を縫合対象の臓器等に移動させる必要があるので、把持部102の中央付近の部位103aよりも、図6(b)に示す把持部102の先端部位103bの位置・姿勢、即ち把持している対象物の位置・姿勢を制御することが望ましい。より好ましくは、図6(c)に示す針104先の部位103cの位置・姿勢を直接的に制御することが望ましい。
以上のような術具毎の使用場面に応じた目標部位の設定情報をスレーブ制御回路40のメモリに記憶させておく。例えば図6(a)の場面に対応した設定情報としては距離L11(=L1)を記憶させ、図6(b)の場面に対応した設定情報としては距離L12を記憶させ、図6(c)の場面に対応した設定情報としては距離L13を記憶させる。
図7は、上述したような目標部位の変更処理を含む本実施形態に係る手術用システムのメインの動作について示すフローチャートである。ここで、図7に示すフローチャートの処理は例えばスレーブ制御回路40によって行われる。
手術用システムの電源投入後、スレーブ制御回路40は、手術用システムの各ブロックを起動するための起動処理を行う(ステップS101)。この起動処理においては、マスタアーム50a、50bの位置の初期化処理やスレーブアーム20a〜20dの位置の初期化処理、スレーブ制御回路40で使用する各種の設定値の初期化処理等を行う。また、起動処理の際に、使用者3の情報をスレーブ制御回路40に入力することが可能である。この使用者3の情報は、例えば使用者3が手動で情報を入力することで行う。この他、IDカードによる認証や指紋認証等を併用して情報を入力しても良い。さらに、起動処理の際に、目標部位の位置を調整するための調整情報をスレーブ制御回路40に入力することが可能である。この使用者3の情報は、例えば使用者3が手動で情報を入力することで行う。
起動処理の後、スレーブ制御回路40は、設定情報判断処理Aを行う(ステップS102)。その後、スレーブ制御回路40は、設定情報判断処理Bを行う(ステップS103)。さらに、スレーブ制御回路40は、設定情報判断処理Cを行う(ステップS104)。ここで、設定情報判断処理A、B、Cの実行順序は適宜変更可能である。また、設定情報判断処理A、B、Cを適宜省略しても良い。
以下、各設定情報判断処理について説明する。
図8は、設定情報判断処理Aの詳細について示すフローチャートである。図8において、スレーブ制御回路40は、使用者情報が入力されているか否かを判定する(ステップS201)。ステップS201の判定において、使用者情報が入力されている場合、スレーブ制御回路40は、その使用者情報によって示される使用者に対応した設定情報をメモリから読み込む(ステップS202)。この設定情報は、図5に示したような使用者3の個人差に応じて目標部位を修正するための情報である。設定情報の読み込み後、スレーブ制御回路40は、図8の処理を終了させて図7のステップS103以後の処理を実行する。
ステップS201の判定において、使用者情報が入力されていない場合、スレーブ制御回路40は、使用者に対応した設定情報を採用せず、デフォルトの設定情報を採用する(ステップS203)。この場合、スレーブ制御回路40は、図8の処理を終了させて図7のステップS103以後の処理を実行する。ここで、デフォルトの設定情報を採用した場合、後述する操作信号の修正を行わない。この場合、目標部位の位置は基準の目標部位の位置となる。
図9は、設定情報判断処理Bの詳細について示すフローチャートである。図9において、スレーブ制御回路40は、調整情報が入力されているか否かを判定する(ステップS301)。ステップS301の判定において、調整情報が入力されている場合、スレーブ制御回路40は、その調整情報に対応した設定情報をメモリから読み込む(ステップS302)。設定情報の読み込み後、スレーブ制御回路40は、図9の処理を終了させて図7のステップS104以後の処理を実行する。
ステップS301の判定において、調整情報が入力されていない場合、スレーブ制御回路40は、使用者に対応した設定情報を採用せず、デフォルトの設定情報を採用する(ステップS303)。この場合、スレーブ制御回路40は、図9の処理を終了させて図7のステップS104以後の処理を実行する。
図10は、設定情報判断処理Cの詳細について示すフローチャートである。図10において、スレーブ制御回路40は、術具情報が入力されているか否かを判定する(ステップS401)。術具情報とは各スレーブアームに装着されている術具の種別を示す情報である。ここで、スレーブアームと術具とが電気的に接続されている場合には、術具情報を術具から直接取得することができる。この場合、術具には術具情報を記憶させておくためのメモリ等を設けておく。この他、術具情報を使用者3が手動で入力できるようにしても良い。ステップS401の判定において、術具情報が入力されている場合、スレーブ制御回路40は、その術具情報によって示される術具に対応した設定情報をメモリから読み込む(ステップS402)。この設定情報は、図2〜図4に示したような術具の種別(用途)に応じて目標部位を修正するための情報である。設定情報の読み込み後、スレーブ制御回路40は、図10の処理を終了させて図7のステップS105以後の処理を実行する。
ステップS401の判定において、術具情報が入力されていない場合、スレーブ制御回路40は、術具に対応した設定情報を採用せず、デフォルトの設定情報を採用する(ステップS403)。この場合、スレーブ制御回路40は、図10の処理を終了させて図7のステップS105以後の処理を実行する。
ここで、図7に戻って説明を続ける。図8〜図10で示した各種の設定情報判断処理を行った後、スレーブ制御回路40は、設定情報判断処理に対する競合時処理を行う(ステップS105)。競合時処理は、複数の設定情報が読み出された場合に、これら複数の設定情報を1つの設定情報とするための処理である。例えば、設定情報判断処理Aで読み出される設定情報は、現在の使用者3に対応した設定情報であり、この中には術具毎の目標部位の設定も含まれている場合がある。したがって、設定情報判断処理Aで読み出された設定情報に術具毎の設定も含まれている場合には、設定情報判断処理Aで読み出された設定情報のほうを優先し、設定情報判断処理Cで読み出された設定情報を例えば無効化する。これに対し、設定情報判断処理Bで読み出される設定情報は、目標部位を微調整するための情報である。したがって、設定情報判断処理Bで設定情報が読み出された場合には、他の設定情報判断処理で読み出された設定情報を設定情報判断処理Bで設定情報に従って修正する。なお、ここでは優先順位を付ける例を示したが、複数の設定情報の平均値を求めるようにしても良い。
ステップS105の競合時処理の後、スレーブ制御回路40は、例えば入力処理回路70の出力から、本手術用システムの操作が開始されたか否かを判定する(ステップS106)。例えば、入力処理回路70から入力信号としての操作入力値が入力された場合に、手術用システムの操作が開始されたと判定する。
ステップS106の判定において、手術用システムの操作が開始された場合に、スレーブ制御回路40は、入力された操作入力値を読み込む(ステップS107)。その後、スレーブ制御回路40は、場面変化判断処理Aを行う(ステップS108)。その後、スレーブ制御回路40は、場面変化判断処理Bを行う(ステップS109)。さらに、スレーブ制御回路40は、場面変化判断処理Cを行う(ステップS110)。ここで、場面変化判断処理A、B、Cの実行順序は適宜変更可能である。また、場面変化判断処理A、B、Cを適宜省略しても良い。
以下、各場面変化判断処理について説明する。なお、ここでは術具が「把持する」ことを目的とした術具である場合の場面変化判断処理について説明する。他の種類の術具の場合には、後述するステップS501、ステップS601、ステップS701の判定の内容を対応する術具に即したものとすれば良い。
図11は、場面変化判断処理Aの詳細について示すフローチャートである。図11において、スレーブ制御回路40は、入力処理回路70から読み込んだ操作入力値より、術具の把持部を閉じるように指令されたか否かを判定する(ステップS501)。ステップS501の判定において、術具の把持部を閉じるように指令された場合、スレーブ制御回路40は、把持部が閉じた場合に対応した設定情報をメモリから読み込む(ステップS502)。この設定情報は、図6(b)で示したような場面に対応した設定情報である。設定情報の読み込み後、スレーブ制御回路40は、図11の処理を終了させて図7のステップS109以後の処理を実行する。
ステップS501の判定において術具の把持部を閉じるように指令されていない場合、スレーブ制御回路40は、把持部が閉じていない場合に対応した設定情報をメモリから読み込む(ステップS503)。この設定情報は、図6(a)で示したような場面に対応した設定情報である。設定情報の読み込み後、スレーブ制御回路40は、図11の処理を終了させて図7のステップS109以後の処理を実行する。
図12は、場面変化判断処理Bの詳細について示すフローチャートである。場面変化判断処理Bは、場面変化判断処理Aと同様の場面変化を判断するものであるが、その判断手法が異なる。図12において、スレーブ制御回路40は、画像処理回路80から取得した術具付近の画像より、術具の把持部が閉じられているか否かを判定する(ステップS601)。この判定は、例えばテンプレートマッチングによって行うことができる。即ち、把持部が閉じられている状態のテンプレート画像をメモリに記憶させておき、画像処理回路80から取得した画像における把持部がテンプレート画像における把持部と略一致していると判定された場合に、把持部が閉じられていたと判定する。ステップS601の判定において、術具の把持部を閉じるように指令された場合、スレーブ制御回路40は、把持部が閉じた場合に対応した設定情報をメモリから読み込む(ステップS602)。なお、設定情報判断の際に術具毎や使用者毎の設定情報が読み込まれている場合には、その読み込んだ設定情報に対応した把持部が閉じた場合の設定情報をメモリから読み込む。これは以後の場面変化判断処理においても同様である。設定情報の読み込み後、スレーブ制御回路40は、図12の処理を終了させて図7のステップS110以後の処理を実行する。
ステップS601の判定において把持部が閉じていない場合、スレーブ制御回路40は、把持部が閉じていない場合に対応した設定情報をメモリから読み込む(ステップS603)。この設定情報は、図6(a)で示したような場面に対応した設定情報である。設定情報の読み込み後、スレーブ制御回路40は、図12の処理を終了させて図7のステップS110以後の処理を実行する。
図13は、場面変化判断処理Cの詳細について示すフローチャートである。図13において、スレーブ制御回路40は、画像処理回路80から取得した術具付近の画像より、術具の把持部が何らかの対象物を把持しているか否かを判定する(ステップS701)。この判定も、例えばテンプレートマッチングによって行うことができる。即ち、把持部を構成する顎部の間に針等既知の対象物があると認識された場合、把持部がそれらの対象物を把持していると判定する。ステップS701の判定において、術具の把持部がそれらの対象物を把持している場合、スレーブ制御回路40は、把持部が対象物を把持している場合に対応した設定情報をメモリから読み込む(ステップS702)。この設定情報は、図6(c)で示したような場面に対応した設定情報である。設定情報の読み込み後、スレーブ制御回路40は、図13の処理を終了させて図7のステップS111以後の処理を実行する。
術具の把持部が針等既知の対象物を把持していない場合、スレーブ制御回路40は、把持部が対象物を把持していない場合に対応した設定情報をメモリから読み込む(ステップS703)。この設定情報は、図6(a)で示した場面及び図6(b)で示した場面の何れかに対応した設定情報である。設定情報の読み込み後、スレーブ制御回路40は、図13の処理を終了させて図7のステップS111以後の処理を実行する。
ここで、図7に戻って説明を続ける。図11〜図13で示した各種の場面変化判断処理を行った後、スレーブ制御回路40は、読み込んだ設定情報に従って、操作入力値を修正する(ステップS111)。例えば、修正後の操作入力値は、修正前の操作入力値(ステップS107で読み込んだ操作入力値)に、設定情報判断の結果として読み込まれた設定情報と場面変化判断の結果として読み込まれた設定情報とを加算したものである。
実際には、設定情報としての基準の目標部位からの距離情報は、3次元空間における距離情報である。この場合、術具の姿勢が変化した場合には、その姿勢変化に応じて基準の目標部位に対する修正後の目標部位の方向が変化する。このため、術具の姿勢変化に応じて設定情報を変換する必要がある。例えば、操作入力値が6自由度(位置の自由度3+姿勢の自由度3)の場合で、かつ修正後の目標部位が基準の目標部位に対してX軸方向の位置に存在している場合には、操作入力値のX成分に設定情報としての距離情報を加算する。
操作入力値を修正した後、スレーブ制御回路40は、競合時処理を行う(ステップS112)。例えば、設定情報判断と場面変化判断の何れかのみで設定情報が読み込まれた場合には、その設定情報を採用する。両方が読み込まれた場合には、場面変化判断の結果として読み込まれた(即ち設定情報判断の結果として読み込まれた設定情報を修正した後の)設定情報を採用する。
その後、スレーブ制御回路40は、修正後の目標部位の位置・姿勢を修正後の操作入力値によって指令された位置・姿勢とするために必要なスレーブアームの各関節の駆動量を逆運動学演算によって算出する(ステップS113)。逆運動学演算の詳細は周知の技術であるのでここではその説明を省略する。その後、スレーブ制御回路40は、算出した駆動量に従ってスレーブアームの各関節を駆動する(ステップS114)。ここで、術具の開閉指令等がなされていた場合には、術具の駆動も行う。
その後、スレーブ制御回路40は、例えば入力処理回路70の出力から、本手術用システムの操作が終了されたか否かを判定する(ステップS115)。例えば、入力処理回路70から入力信号としての操作入力値が所定の時間、入力されなかった場合に、手術用システムの操作が終了されたと判定する。ステップS115の判定において、手術用システムの操作が終了されていない場合、スレーブ制御回路40は、処理をステップS107に戻して次の操作入力値を読み込む。
一方、ステップS115の判定において、手術用システムの操作が終了された場合、スレーブ制御回路40は、本手術システムの動作を終了するか否かを判定する(ステップS116)。例えば、本手術システムの電源がオフされた場合やフットスイッチがオンされた場合にシステムの動作を終了すると判定する。ステップS116の判定において、手術システムの動作を終了しない場合に、スレーブ制御回路40は、処理をステップS102に戻して設定情報判断処理A以後の処理を再び実行する。使用者の交代や術具交換、各種設定変更等は動作停止中に行われる。また、ステップS116の判定において、手術システムの動作を終了する場合に、スレーブ制御回路40は、終了処理を行った後、図7の処理を終了させる(ステップS117)。
以上説明したように、本実施形態によれば、マスタスレーブ方式の手術用システムにおいて、使用者毎や術具毎、術具の使用場面の変化といった種々の条件に応じてスレーブアームの位置及び姿勢の制御対象とする目標部位を変化させている。これにより、操作性を向上させることが可能である。
ここで、場面変化に応じて目標部位を変化させる場合、使用者は、現在の目標部位がどの部位か分からずに混乱する可能性がある。このため、図14に示すように、使用者用ディスプレイ90aに表示される画像上に、現在の目標部位を示す指標203を重畳表示しておくことが望ましい。また、術具自体に指標204を設けておくようにしても良い。このような指標204は、上述の画像による術具の開閉判定の際の目印とすることもできる。さらに、画像による術具の開閉判定は、術具のエッジを検出することで判定するようにしても良い。この場合、臓器や血液等で術具が隠れてしまう可能性を考慮して、複数個所のエッジから判定することがより望ましい。
また、設定情報は、必ずしもスレーブ制御回路40のメモリに記憶させておく必要はない。スレーブ制御回路40とは別体の記憶装置に記憶させておき、必要に応じて読み出せるようにしても良い。
以上実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形や応用が可能なことは勿論である。
さらに、上記した実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件の適当な組合せにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、上述したような課題を解決でき、上述したような効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成も発明として抽出され得る。
10…手術台、20a〜20d…スレーブアーム、22a〜22b…手術用動力伝達アダプタ(アダプタ)、24a〜24d…術具、24e…交換用術具、30…ドレープ、40…スレーブ制御回路、50a,50b…マスタアーム、60…操作部、70…入力処理回路、80…画像処理回路、90a…使用者用ディスプレイ、90b…助手用ディスプレイ、100…持針器、110…把持鉗子、200…リトラクタ、210…スタビライザ、300…鋏、310…電気メス

Claims (17)

  1. 遠隔操作装置からの位置及び姿勢の操作入力値に従って、スレーブアームに装着された術具上の目標部位の位置及び姿勢を制御する手術用システムの制御装置であって、
    前記目標部位の位置を設定するための設定情報に従って前記操作入力値を修正して前記目標部位の位置を修正し、修正された前記操作入力値に従って前記術具における修正後の目標部位の位置及び姿勢を制御する制御部を具備し、
    前記設定情報は、前記目標部位の位置を、基準位置から前記遠隔操作装置の使用者の個人差に応じた前記術具上の位置に修正するように前記操作入力値を修正するための情報であることを特徴とする手術用システムの制御装置。
  2. 前記制御部は、前記修正された前記操作入力値に従って、前記術具における修正後の目標部位の位置及び姿勢を前記修正された操作入力値によって示される位置及び姿勢にするために必要な前記スレーブアームの駆動量を逆運動学計算によって算出することを特徴とする請求項1に記載の手術用システムの制御装置。
  3. 前記設定情報は、前記目標部位の位置を、基準位置から前記術具毎に定められた所定の位置に修正するように前記操作入力値を修正するための情報であることを特徴とする請求項1又は2に記載の手術用システムの制御装置。
  4. 前記術具には、対象物を把持する把持部が設けられており、
    前記設定情報は、前記目標部位の位置を、基準位置から前記把持部における前記対象物を把持する位置に修正するように前記操作入力値を修正するための情報であることを特徴とする請求項3に記載の手術用システムの制御装置。
  5. 前記術具には、対象物に当接して該対象物を抑える当接部が設けられており、
    前記設定情報は、前記目標部位の位置を、基準位置から前記当接部における前記対象物に当接される位置に修正するように前記操作入力値を修正するための情報であることを特徴とする請求項3に記載の手術用システムの制御装置。
  6. 前記術具には、対象物に接触して該対象物を切断する切断部が設けられており、
    前記設定情報は、前記目標部位の位置を、基準位置から前記切断部における前記対象物に接触される位置に修正するように前記操作入力値を修正するための情報であることを特徴とする請求項3に記載の手術用システムの制御装置。
  7. 前記制御部は、前記術具の使用場面が変化する毎に異なる前記設定情報に従って前記操作入力値を修正することを特徴とする請求項1乃至の何れか1項に記載の手術用システムの制御装置。
  8. 前記術具における修正後の目標部位の位置を表示する表示部をさらに具備することを特徴とする請求項1乃至の何れか1項に記載の手術用システムの制御装置。
  9. 遠隔操作装置からの位置及び姿勢の操作入力値に従って、スレーブアームに装着された術具上の目標部位の位置及び姿勢を制御する手術用システムの制御装置であって、
    前記目標部位の位置を設定するための設定情報に従って前記操作入力値を修正して前記目標部位の位置を修正し、修正された前記操作入力値に従って前記術具における修正後の目標部位の位置及び姿勢を制御する制御部を具備し、
    前記制御部は、前記術具の使用場面が変化する毎に異なる前記設定情報に従って前記操作入力値を修正することを特徴とする手術用システムの制御装置。
  10. 前記制御部は、前記修正された前記操作入力値に従って、前記術具における修正後の目標部位の位置及び姿勢を前記修正された操作入力値によって示される位置及び姿勢にするために必要な前記スレーブアームの駆動量を逆運動学計算によって算出することを特徴とする請求項9に記載の手術用システムの制御装置。
  11. 前記設定情報は、前記目標部位の位置を、基準位置から前記術具毎に定められた所定の位置に修正するように前記操作入力値を修正するための情報であることを特徴とする請求項9又は10に記載の手術用システムの制御装置。
  12. 前記術具には、対象物を把持する把持部が設けられており、
    前記設定情報は、前記目標部位の位置を、基準位置から前記把持部における前記対象物を把持する位置に修正するように前記操作入力値を修正するための情報であることを特徴とする請求項11に記載の手術用システムの制御装置。
  13. 前記術具には、対象物に当接して該対象物を抑える当接部が設けられており、
    前記設定情報は、前記目標部位の位置を、基準位置から前記当接部における前記対象物に当接される位置に修正するように前記操作入力値を修正するための情報であることを特徴とする請求項11に記載の手術用システムの制御装置。
  14. 前記術具には、対象物に接触して該対象物を切断する切断部が設けられており、
    前記設定情報は、前記目標部位の位置を、基準位置から前記切断部における前記対象物に接触される位置に修正するように前記操作入力値を修正するための情報であることを特徴とする請求項11に記載の手術用システムの制御装置。
  15. 前記術具における修正後の目標部位の位置を表示する表示部をさらに具備することを特徴とする請求項9乃至14の何れか1項に記載の手術用システムの制御装置。
  16. マスタアームからの位置及び姿勢の操作入力値に従って、スレーブアームに装着された術具上の目標部位の位置及び姿勢を制御する手術用システムの制御方法であって、
    前記目標部位の位置を設定するための設定情報に従って前記操作入力値を修正することで前記目標部位の位置を修正し、
    修正された前記操作入力値に従って前記術具における修正後の目標部位の位置及び姿勢を制御し、
    前記設定情報は、前記目標部位の位置を、基準位置から遠隔操作装置の使用者の個人差に応じた前記術具上の位置に修正するように前記操作入力値を修正するための情報であることを特徴とする手術用システムの制御方法。
  17. マスタアームからの位置及び姿勢の操作入力値に従って、スレーブアームに装着された術具上の目標部位の位置及び姿勢を制御する手術用システムの制御方法であって、
    前記目標部位の位置を設定するための設定情報に従って前記操作入力値を修正することで前記目標部位の位置を修正し、
    修正された前記操作入力値に従って前記術具における修正後の目標部位の位置及び姿勢を制御し、
    前記目標部位の位置を修正するときに、前記術具の使用場面が変化する毎に異なる前記設定情報に従って前記操作入力値を修正することを特徴とする手術用システムの制御方法。
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