JP6091370B2 - 医療システム及び医療用器具制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、外科手術において患者の体内に挿入し、患者体内での処置、観察などを行うことのできる医療用器具を使用する医療システム及び医療用器具の制御方法に関するものである。

現在、患者の体表に体表と体内を挿通するトロッカを差し込み、トロッカから各種医療器具を挿入し、患者の体内において各種施術、検診を行う腹腔鏡手術が行われている。この腹腔鏡手術は、患者の体表における切開部が小さくてすむため、患者に対する負担が少なくてすむ一方、患者の体内を内視鏡で観察しつつ施術を行う必要があるため、内視鏡での視認性、医療用器具の操作性の向上が必要とされている。

特許文献１には、処置部と操作部の自由度配置を一致させ、処置部での姿勢が操作部の姿勢と同じになるように、処置部の駆動部を駆動することで、医療用器具の操作性の向上を図ることが開示されている。

特許文献２には、医療用器具の関節を自由に動作可能なフリー状態と、固定するロック状態とに切換える動作切換え手段を設けるとともに、トロッカの外周壁面に圧力検知手段を設け、その検知結果に基いて動作切換え手段を制御する手術ロボットが開示されている。

特許第４０１４７９２号公報 特許第３６８３５５４号公報

本発明に係る医療システムは、
使用者が把持する把持部に連結したシャフトと、
前記シャフトの先端に配設されたエンドエフェクタと、
前記シャフトに対する前記エンドエフェクタの角度を調整する可動関節と、
前記可動関節を駆動する駆動部と、を備える医療用器具と、
前記医療用器具が挿入される挿通孔を有するトロッカと、
基準座標系における前記シャフトの角度を少なくとも含んだセンサ信号を出力するセンサと、
前記センサが出力するセンサ信号に基づいて、前記基準座標系における追従基準に前記エンドエフェクタの角度が追従するように前記駆動部を駆動する追従処理を実行可能とするコントローラと、を備える。

さらに本発明に係る医療システムにおいて、
前記追従基準は、前記基準座標系に対して設定されている基準面であり、
前記追従処理は、前記エンドエフェクタが前記基準面に対して所定の配置関係となるように前記駆動部を駆動する。

さらに本発明に係る医療システムにおいて、
前記センサは、前記トロッカもしくは前記医療用器具に配設された傾斜角検出センサである。

さらに本発明に係る医療システムにおいて、
前記センサは、前記基準座標系におけるエンドエフェクタの位置を特定可能なセンサ信号を出力し、
前記追従基準は、前記基準座標系に対して設定されている基準点であり、
前記追従処理は、前記エンドエフェクタが前記基準点に対して所定の配置関係となるように前記駆動部を駆動する。

さらに本発明に係る医療システムにおいて、
前記センサは、前記トロッカに対する前記医療用器具の直進方向の移動量を検出する進退量検出センサを含む。

さらに本発明に係る医療システムにおいて、
前記センサは、前記トロッカに対する前記医療用器具の回転量を検出する回転量検出センサを含む。

さらに本発明に係る医療システムにおいて、
操作に基づく操作信号を出力する方向操作部を備え、
前記コントローラは、前記方向入力部からの操作信号に基づいて、前記駆動部を駆動し、前記エンドエフェクタの角度を調整する操作処理を実行可能とする。

さらに本発明に係る医療システムにおいて、
操作に基づく切替信号を出力するモード入力部を備え、
前記コントローラは、前記モード入力部からのモード信号に基づいて、前記追従処理と前記操作処理を切り替える切替処理を実行可能とする。

さらに本発明に係る医療システムにおいて、
前記コントローラは、前記切替処理において、前記操作処理から前記追従処理に切り替える際、前記追従基準を設定する設定処理を実行可能とする。

さらに本発明に係る医療システムにおいて、
前記コントローラは、前記センサの出力するセンサ信号に基づいて、前記追従処理と前記操作処理とを切り替える自動切替処理を実行可能とする。

さらに本発明に係る医療システムにおいて、
操作に基づく設定信号を出力する設定入力部を備え、
前記コントローラは、前記設定入力部からの設定信号に基づいて、前記追従基準を設定する設定処理を実行可能とする。

また本発明に係る医療用器具制御方法は、
使用者が把持する把持部に連結したシャフトと、
前記シャフトの先端に配設されたエンドエフェクタと、
前記シャフトに対する前記エンドエフェクタの角度を調整する可動関節と、
前記可動関節を駆動する駆動部と、を備える医療用器具を、
トロッカの挿通孔に挿入して操作する際、
基準座標系における前記シャフトの角度を少なくとも含んだセンサ信号に基づいて、前記基準座標系における追従基準に前記エンドエフェクタの角度が追従するように前記駆動部を駆動する。

医療用器具（鉗子）を使用した腹腔鏡手術の様子を示す図 本発明の実施形態に係るトロッカの外観を示す図 本発明の実施形態に係るトロッカの内部構成を示す図 本発明の実施形態に係るトロッカセンサの構成を示す模式図 本発明の実施形態に係る医療用器具（鉗子）の構成、制御形態を示す図 本発明の実施形態に係る医療システムの制御構成を示すブロック図 本発明の実施形態に係る医療用器具の制御形態（実施例１）を示す図 本発明の実施形態に係る医療システムの制御フロー図 本発明の実施形態に係る医療用器具（内視鏡）の構成、制御形態を示す図 本発明の実施形態に係る医療用器具の制御形態（実施例２）を示す図

図１は、鉗子２を使用した腹腔鏡手術の様子を示したものである。腹腔鏡手術では、患者の腹部などに複数の穴を開け、撮像部、鉗子、（電気）メスといった各種医療用器具を挿入し、撮像部で撮像された映像を確認することで、患部の観察、施術が行われる。この腹腔鏡手術は、切開領域が少なくて済むため、患者に対する負担を軽減することが可能である。

腹腔鏡手術では、患者の体壁に開けた穴にトロッカ（チャネル）１ａ〜１ｄと呼ばれる管を差し込み、このトロッカ１ａ〜１ｄを介して患者の体内に各種医療用器具が挿入される。図に示されるトロッカー１ｄには、鉗子２（医療用器具）が差し込まれた状態が示されている。トロッカー１ｄを介して患者の体内に差し込まれた鉗子２の先端部分には、エンドエフェクタとしての先端把持部２６が設けられており、施術者（使用者）は鉗子２を操作することで、この先端把持部２６を開閉し、患部に対する施術を行う。

従来、医療用器具において、先端把持部２６などのエンドエフェクタは、施術者の操作性向上を図るため、患者の体内において角度調整を行うことが可能となっている。エンドエフェクタの角度調整は、施術者の操作によって行われている。患者体内において行われる腹腔鏡術では、施術者は内視鏡などで患者体内の様子を視認しつつ、医療用器具の操作を行う必要があるが、内視鏡を含む医療用器具でのエンドエフェクタの角度調整操作は、困難であり、熟練を必要とするものであった。本発明は、医療用器具の角度調整について改善を図ることを目的とするものである。医療用器具（括弧内は医療用器具のエンドエフェクタ）には、図１に示す鉗子２（先端把持部２６）の他、内視鏡（撮像部）、電気メス（レーザヘッド）など、各種形態を採用することが可能である。

図２には、本発明の実施形態の医療システムで使用するトロッカ１の外観が示されている。本実施形態のトロッカ１は、上部筐体１１１、下部筐体１１２、筒部１１３を有して構成されている。上部筐体１１１には、各種医療用器具を挿入するための挿通孔１１５が設けられている。筒部１１３は、患者の体内に挿入される部分である。挿通孔１１５から挿入された医療用器具は、下部筐体１１２、筒部１１３の内部を通過して、筒部１１３の下端から患者体内に挿入され、患者体内の観察、あるいは、患者体内での処置を行う。

上部筐体１１１内部には、トロッカ１の状態、そして、挿通孔１１５から挿入された医療用器具の状態を検出するための各種センサが配置されている。各種センサからの出力信号は、ケーブル１１４を介してコントローラ３へ送信される。なお、ケーブル１１４は、各種センサに対する電源供給機能も有している。各種センサとコントローラ３との通信は、このような有線通信としてもよいが、無線通信、並びに、バッテリ駆動を採用することで、トロッカ１からケーブル１１４を排除することも可能である。

図３には、本発明の実施形態に係るトロッカ１の内部構成を示す断面図が示されている。図２において上部筐体１１１には、挿通孔１１５が設けられていることを説明したが、この断面図において、挿通孔１１５から筒部１１３の下端まで示される褐色部分は、連通する部分であり、各種医療用器具が挿入される部分である。上部筐体１１１と下部筐体１１２は、クリップ状の結合部材１１６Ｒ、１１６Ｌにて連結、取り外しが可能となっている。トロッカ１の使用時には、図３（Ａ）に示されるように上部筐体１１１と下部筐体１１２を連結した状態で使用し、清掃など行う際には、図３（Ｂ）に示されるように上部筐体１１１を下部筐体１１２から取り外した状態とすることが可能である。このような構成により、筒部１１３及び筒部１１３清掃、消毒、あるいは、交換を容易にするとともに、各種センサを有する上部筐体１１１部分のメンテナンスを容易に行うことが可能となっている。なお、トロッカ１は、上部筐体１１１と下部筐体１１２が一体化した１つの筐体とすることも可能である。

本実施形態のトロッカ１は、上部筐体１１１内に各種センサ（トロッカセンサ１２）を有している。本実施形態では、トロッカセンサ１２として、傾斜角検出センサ１２１、進退量検出センサ１２２、回転量検出センサ１２３を有して構成している。傾斜角検出センサ１２１は、トロッカ１が、基準座標系に対してどの方向を向いているか傾斜角を検出するためのセンサである。ここで、基準座標系とは、患者あるいは地面といった固定物に対して定義される座標系であり（図７の符号Ｃ参照）、傾斜角検出センサ１２１としては、加速度センサなどの各種センサ使用することが可能である。加速度センサは、自己にかかる加速度を検出することで、トロッカ１がどの方向を向いているか、すなわち、基準座標系に対する傾斜角を検出することが可能である。

進退量検出センサ１２２は、トロッカ１に挿入された医療用器具がトロッカ１の挿通方向（図３では上下方向）に対する進退量を検出するセンサである。図１で説明したように医者などの施術者は、トロッカ１に対して医療用器具を抜き差しすることで、患者体内において医療用器具を操作して適切な位置に移動させる。進退量検出センサ１２２は、トロッカ１に対する医療用器具の挿入位置を進退量として検出することが可能である。図３（Ａ）には、トロッカ１の挿通方向の中心軸Ｃが一点鎖線で示されている。進退量検出センサ１２２は、この中心軸Ｃに平行な移動量を進退量として検出する。本実施形態における進退量検出センサ１２２は、進退量検出ローラ１２２ａとフォトセンサ１２２ｂの組み合わせで構成されている。

回転量検出センサ１２３は、施術者などの操作に応じて回転する医療用器具の回転量を検出するセンサである。挿通孔１１５に挿入された医療用器具に対して、中心軸Ｃを軸とする回転操作を行うことで、医療用器具の先端に設けられたエンドエフェクタの向きを患者体内で変更することが可能である。回転量検出センサ１２３は、この回転量を検出することで、医療用器具のエンドエフェクタがどの向きを向いているかを検出することが可能である。本実施形態における回転量検出センサ１２３は、回転量検出ローラ１２３ａとフォトセンサ１２３ｂの組み合わせで構成されている。

以上、トロッカ１の内部構成について説明したが、トロッカ１内に配設されたトロッカセンサ１２は、図３中には示さない通信部１３を介して、検出信号をコントローラ３へ出力する。本実施形態のトロッカセンサ１２の動作について、図４に示したトロッカセンサ１２の構成を示す模式図を用いて説明を行う。図４は、図３のトロッカ１内部に配設されるトロッカセンサ１２の構成を模式的に示した図面であり、トロッカ１に対して医療用器具の第１シャフト２４が挿入された状態が示さされている。なお、図４には、医療用器具の先端に設けられたエンドエフェクタなどは省略して記載している。

トロッカ１の挿通孔１１５の径は、医療用器具の挿入を可能とするように第１シャフト２４など、医療用器具の挿入部分よりも若干余裕を有して設定されている。トロッカ１は、患者の体表付近に固定されることとなるが、医療用器具の操作に連動して、ある点を基準として回動するピボット回動を行うこととなる。トロッカ１の筐体に固定された傾斜角検出センサ１２１は、トロッカ１のピボット回動を検出することで、基準座標系におけるトロッカ１の方向、すなわち、医療用器具の方向を検出することを可能としている。

本実施形態の進退量検出センサ１２２は、図３で説明したように進退量検出ローラ１２２ａとフォトセンサ１２２ｂの組み合わせで構成されている。進退量検出ローラ１２２ａは、図４の面内に垂直な方向を回転軸として有するローラである。この進退量検出ローラ１２２ａは、スプリングなどの弾性部材によって挿通孔１１５側に付勢され、挿通孔１１に挿入された医療用器具（第１シャフト２４）の表面と接触し、医療用器具の進退量をその回転量に変換する。進退量検出ローラ１２２ａの回転軸には、エンコーダが設けられており、進退量検出ローラ１２２ａの回転量を進退量として出力する。本実施形態では、進退量をキャリブレート（初期値に設定）するため、挿通孔１１５内に面したフォトセンサ１２２ｂが設けられている。このフォトセンサ１２２ｂは、医療用器具（第１シャフト２４など）側に設けられた進退位置検出マーク２４１を検知することで、進退量検出ローラ１２２ａで検出された進退量をキャリブレートする。したがって、医療用器具が挿通孔１１５内で進退を行う際、この進退位置検出マーク２４１がフォトセンサ１２２ｂ部分を通過する毎に、進退量はキャリブレート（初期値に設定）されることとなり、トロッカ１に対する医療用器具の正確な進退量を検出することを可能としている。

本実施形態の回転量検出センサ１２２は、図３で説明したように回転量検出ローラ１２３ａとフォトセンサ１２３ｂの組み合わせで構成されている。回転量検出ローラ１２３ａは、図４の上下方向に向く回転軸を有するローラである。この回転量検出ローラ１２３ａは、スプリングなどの弾性部材によって挿通孔１１５側に付勢され、挿通孔１１に挿入された医療用器具（第１シャフト２４）の表面と接触し、医療用器具の回転量を回転検出ローラ１２３ａの回転量に変換する。なお、回転量検出ローラ１２３ａの接触面には、医療用器具の挿入方向に対する移動を阻害しない部材（ベアリングなど）を設けておくことが好ましい。回転量検出ローラ１２３ａの回転軸には、エンコーダが設けられており、回転量検出ローラ１２３ａの回転量を医療用器具の回転量として出力する。本実施形態では、回転量をキャリブレート（初期値に設定）するため、挿通孔１１５内に面したフォトセンサ１２３ｂが設けられている。このフォトセンサ１２３ｂは、医療用器具（第１シャフト２４など）側に設けられた回転位置検出マーク２４２を検知することで、進退量検出センサ１２２の場合と同様、回転量検出ローラ１２３ａで検出された回転量をキャリブレートする。

以上、トロッカ１に配設されたトロッカセンサについて説明したが、センサの構成は、各種形態を採用することが可能である。例えば、本実施形態では、進退量、回転量を検出するため、ローラを使用する機械センサの構成を採用しているが、進退量、回転量は、レーザマウスに用いられる表面の移動量、移動方向を検出可能な光学センサを採用することも可能である。その場合、１つのの光学センサにて進退量及び回転量を検出することも可能である。本実施形態に係る医療システムは、患者体内に挿入される医療用器具の方向、あるいは、方向と位置が必要とされる。本実施形態では、これらを検出するため、各種センサをトロッカ１内に配設することで取り扱いを容易にしているが、医療用器具の方向、あるいは、方向と位置を検出は、トロッカ１外部に配設されたセンサを使用することとしてもよい。例えば、トロッカ１に配設された傾斜角検出センサ１２１は、直接、医療用器具側に配設することとしてもよい。

本発明に係る医療用システムで使用する医療用器具について説明する。図５には、本発明の実施形態に係る医療用器具２（鉗子）の構成、制御形態が示されている。本実施形態の医療用器具２は、患者体内において各種処置を行うものであって、エンドエフェクタとして先端把持部２６を有して構成されている。この先端把持部２６は、把持部材２７ａ、２７ｂとストリング（ワイヤや糸）などで連動動作可能となっている。図５（Ａ）に示すように把持部材２７ａ、２７ｂ間が離間した状態では開いた状態となり、図５（Ｂ）に示すように、把持部材２７ａ、２７ｂ間が近接した状態では閉じた状態となる。施術者は、把持部材２７ａ、２７ｂを把持した状態で開閉することで、先端把持部２６の開閉状態を操作することが可能である。

また、本実施形態の鉗子２は、可動関節２５で回動可能に構成された第１シャフト２４ａと第２シャフト２４ｂを備えている。可動関節２５を医療用器具２の本体内に内蔵された駆動部２２を使用して回動させることで、先端把持部２６（エンドエフェクタ）が配設された第２シャフト２４ｂを第１シャフト２４ａに対して回動させることが可能である。駆動部２２には、モータなどコントローラ３からの制御信号に応じて駆動力を発生する各種形態を採用することが考えられる。駆動部２２で発生した駆動力は、ギヤ、ワイヤ、糸などの駆動力伝達手段にて可動関節２５に伝達され、先端把持部２６が設けられた第２シャフト２４ｂを回動させる。本実施形態では、駆動部２２を医療器具２の本体内に内蔵することとしているが、駆動部２２は、医療器具２の本体外部に設ける形態であってもよい。図５（Ａ）には、医療用器具２とコントローラ３の接続形態が示されている。コントローラ３との接続形態は、図５（Ｂ）、（Ｃ）においても同様（図示せず）である。本実施形態では、把持部材２７ｂ上に方向入力部２１ａが設けられており、この方向入力部２１ａを操作することで、コントローラ３に操作信号が送信され、コントローラ３が駆動部２２を駆動することで、可動関節２５の回動を制御している。また、本実施形態では、コントローラ３の自発的制御、すなわち、方向入力部２１ａの操作を必要としない駆動部２２の制御形態も可能としている。図５（Ｃ）に示されるように、スティック状の方向入力部２１ａを操作することで、その操作方向に応じて駆動部が可動関節２５を回動させ、先端把持部２６の向く方向が変更される。可動関節２５は、紙面上での２次元動作で示しているが、紙面に直交する方向を含む３次元動作を可能としてもよい。

なお、本実施形態の医療用器具２（鉗子）では、１つの可動関節２５を使用して、先端把持部２６（エンドエフェクタ）の向く方向を制御可能とした形態を説明したが、先端把持部２６の向く方向の制御は、複数の可動関節を使用した形態にて、先端把持部２６の方向制御を行うこととしてもよい。

図６には、本発明の実施形態に係る医療システムの制御構成を示すブロック図が示されている。この医療システムは、図２〜図４で説明したトロッカ１、図５で説明した医療用器具２、コントローラ３を有して構成されている。トロッカ１は、トロッカセンサ１２として傾斜角検出センサ１２１、進退量検出センサ１２２、回転量検出センサ１２３、そして、通信部を備えて構成されている。なお、制御の形態によっては、トロッカセンサ１２が有する全て（３つ）のセンサを必要としない場合が考えられる。制御の形態については後で説明を行う。一方、医療用器具２は、操作入力部２１として、図５で説明した方向入力部２１ａ、そして、モード入力部２１ｂ、駆動部２２を有して構成されている。モード入力部２１は、図５に示されるように把持部材２７ｂ上に設けられる操作部であり、本実施形態では、医療システムで実行する各種モードを切り替えるために使用される。駆動部２２は、医療用器具の可動関節２５に対する駆動力を発生させるモータなどの部材である。

トロッカ１、医療用器具２は、コントローラ３に接続されている。コントローラ３は、ＣＰＵなどで構成された制御部３１、記憶部としてのメモリ３２を備えて構成されている。メモリ３２には、医療システムで実行する各種プログラムを記憶するとともに、プログラム実行のために必要な各種信号、データを記憶することが可能である。

本実施形態のコントローラ３は、２つのモードを実行可能としている。１つ（操作モード）は、医療用器具の方向入力部２１ａの操作によって、可動関節２５を回動させてエンドエフェクタの角度調整を行う操作処理を実行するモードである。このモードでは、図５（Ｃ）で説明したように、施術者が方向入力部２１ａを操作することで、可動関節２５が回動し、先端把持部２６（エンドエフェクタ）の方向を調整することが可能である。施術者は、内視鏡などで体内の患部を観察しつつ、方向入力部２１ａを操作することで、先端把持部２６を適切な方向に向けることが可能である。

もう１つ（追従モード）は、方向入力部２１ａを操作することなく、先端把持部２６（エンドエフェクタ）を適切な方向に角度調整する追従処理を実行するモードである。このモードでは、基準座標系に対して設定されている追従基準（基準面あるいは基準点）に対し、医療用器具のエンドエフェクタ（この場合、先端把持部２６）の角度が追従するように駆動部２２が駆動される。なお、基準座標系とは、トロッカ１のセンサにて説明したように患者あるいは地面といった固定物に対して定義される座標系である。

図７には、図５で説明した医療用器具２（鉗子）について、追従モードの制御形態（実施例１）が示されている。トロッカ１は、患者の体表Ｂに差し込まれた状態であり、患者の体表Ｂと体内を挿通孔１１５にて連通させている。トロッカ１の挿通孔１１５には、医療用器具２（鉗子）が挿入され、患部に対して先端把持部２６による施術が行われる。医療用器具２、トロッカセンサ１２は、コントローラ３に接続され、コントローラ３は、トロッカ１、医療用器具２の各種状態を検出することが可能であり、また、医療用器具２の駆動部２２を駆動制御することが可能となっている。この追従モードの例では、患部表面である基準面Ｓｔが追従基準に設定されており、可動関節２５は、先端把持部２６が、この基準面Ｓｔに対して直交する方向を向くように駆動制御される。エンドエフェクタとしての先端把持部２６の向く方向は、トロッカセンサ１２から出力されるセンサ信号に基づいて判定される。なお、図７中、符号θｂは、第１シャフト２４ａが基準座標系Ｃに対してなす角度を示し、符号θｊは、追従処理における可動関節２５の制御角度を示し、Ｐ１、Ｐ２は、先端把持部２６の向く方向と基準面Ｓｔの交点を示している。

図７（Ａ）から図７（Ｂ）の状態に医療用器具２を移動させた場合、どちらの状態においても、先端把持部２６は、基準面Ｓｔと直交する方向に維持される。コントローラ３は、トロッカセンサ１２で検出されたセンサ信号に基づいて、第１シャフト２４ａの向く方向が判定し、可動関節２５を回動させる駆動部２２を制御することで、基準面Ｓｔに対する、先端把持部２６が所定角度（この場合は直交）となるように駆動部２２を調整制御する。なお、図７では、可動関節２５の動作を紙面上での２次元の動きとして説明しているが、追従処理では、紙面に直交する方向を含む３次元での動きについても対応可能である。

図６の制御構成を用いて説明すると、モード入力部２１ｂにて追従モードが指定されると、コントローラ３は方向入力部２１ａからの操作信号に基づく駆動部２２の制御（可動関節２５の角度調整）に代え、トロッカセンサ１２から出力されるセンサ信号に基づいて、駆動部２２を制御する追従処理を実行する。その際、コントローラ３のメモリ３２には、基準座標系上に設定された追従基準が記憶されており、追従モードでは、センサ信号と追従基準に基づいて、医療用器具２のエンドエフェクタが追従基準に対して所定の位置関係を取るように、駆動部２２の制御を行う。

追従モードに使用する追従基準は、医療用器具２１の状態を検出して設定すること、あるいは、操作入力部２１に追従基準を設定する設定入力部を設け、施術者の操作により設定すること、あるいは、内視鏡など各種センサの検出結果に基づいて設定することなどが考えられる。図８で説明する制御フローでは、操作モードから追従モードに切り替えた際、医療用器具２の状態を取得し、当該状態に基づいて追従基準を設定する形態を採用している。

この制御形態では、患部の表面を基準面Ｓｔに設定した形態となっているが、基準面は、患部の表面のような実面ではなく、仮想面であってもよい。また、エンドエフェクタの角度は、基準面Ｓｔに対して直交ではなく、所定角度だけ傾斜するように設定することも可能である。また、基準面Ｓｔは、平面ではなく曲面であってもよい。例えば、医療用器具２とは、別途、患者体内に挿入された内視鏡で撮影された患部の曲表面を基準面Ｓｔとして設定することが考えられる。

トロッカ１は、回動点Ｐｂを中心にピボット回動を行う。トロッカセンサ１２からのセンサ信号および可動関節２５の回動量情報に基づいて、先端把持部２６の向く方向を検出することが可能である。図６などでは、トロッカセンサ１２として３種類のセンサを説明したが、先端把持部２６の向く方向を検出するためには、少なくとも傾斜角検出センサ１２１が必要となる。また、この制御形態では、傾斜角検出センサ１２１を医療用器具２上に配設することで、先端把持部２６の向く方向を検出することも可能である。第１シャフト２４ａに傾斜角検出センサを設けた場合には、当該傾斜角検出センサおよび可動関節２５の回動量に基づいて、先端把持部２６の向く方向を検出することが可能である。

このように、本実施形態の医療システムでは、エンドエフェクタの向く方向を、基準座標系上で設定されている追従基準（この場合、基準面Ｓｔ）に追従させることで、施術者の操作性向上を図ることが可能である。基準面Ｓｔに対するエンドエフェクタの角度を追従させる形態は、先端把持部２６にて臓器の表皮を剥離する、あるいは、メスなどで表皮を切開する場合、特に有効である。また、エンドエフェクタに撮像部を設けた医療業器具２（内視鏡）では、臓器などの広い範囲を観察する場合、撮像部と観察面が一定角度に保たれることで、視認性の向上を図ることが可能である。

図８には、本発明の実施形態に係る医療システムの制御フロー図が示されている。本実施形態では、モード入力部２１ｂを操作することで、操作モードから追従モードへ切替られた際（Ｓ１：Ｙｅｓ）、医療用器具２の状態に基づく追従基準がメモリ３２に記憶される（Ｓ２）。医療用器具２の状態は、トロッカセンサ１２あるいは医療用器具２に配設されたセンサ,可動関節２５の回動量情報などによって検出される。図７の実施例の場合、トロッカセンサ１２のセンサ信号に基づき、先端把持部２６の向く方向が判定され、当該方向に直交する面が基準面Ｓｔとして設定される。

追従モードに設定されている場合（Ｓ３：追従モード）、医療用器具２の状態に基づくセンサ信号（この場合、トロッカセンサ１２から出力されるセンサ信号）が取得され（Ｓ４）、センサ信号に基づいてメモリに設定された追従基準にエンドエフェクタを追従させる追従駆動信号が生成される（Ｓ５）。この追従駆動信号によって駆動部２２が制御される（Ｓ６）ことで、エンドエフェクタは追従基準に対して所定の位置関係を維持する。

一方、操作モードに設定されている場合（Ｓ３：操作モード）では、コントローラ３は、医療用器具２に設けられた方向入力部２１ａから出力される操作信号を取得し（Ｓ７）、操作信号に基づく操作駆動信号を生成する（Ｓ８）。駆動部２２は、操作駆動信号に基づいて駆動され、方向入力部２１ａの操作によるエンドエフェクタの角度調整を行うことが可能となる。

図５では、医療用器具２として鉗子の形態を例に取り説明したが、医療用器具２には、鉗子の他、体内において患部の観察を行う内視鏡を採用することも可能である。図９には、本発明の実施形態に係る医療用器具２（内視鏡）の構成、制御形態が示されている。図９（Ａ）には、コントローラ３との接続関係が示されているが、図９（Ｂ）についても同様（図示せず）である。医療用器具２としての内視鏡は、把持部材２７に連結する第１シャフト２４ａ、第１シャフト２４ａに対し可動関節２５を介して回動可能に連結された第２シャフト２４ｂを備えている。第２シャフト２４ｂの先端には、エンドエフェクタとしての撮像部２８が配設されている。撮像部２８で撮像された撮像信号は、コントローラ３に出力され、施術者はモニタなどの表示部に撮像信号を表示させることで、患者の体内の様子を観察することが可能である。

把持部材２７には、鉗子の場合と同様、方向入力部２１ａとモード入力部２１が設けられており、施術者による撮像部２８の方向調整操作、並びに、モード切り替え操作を行うことが可能である。図９（Ｂ）に示されるように、方向入力部２１ａを操作に基づき可動関節２５が回動し、撮像部２８による撮像方向が調整される。可動関節２５は、紙面上での２次元動作で示しているが、紙面に直交する方向を含む３次元動作を可能としてもよい。

図１０には、本発明の実施形態に係る医療用器具の制御形態（実施例２）が示されている。この制御形態は、医療用器具２として図９で説明した内視鏡を使用した場合である。医療用器具２、トロッカセンサ１２は、コントローラ３に接続され、コントローラ３は、トロッカ１、医療用器具２の各種状態を検出することが可能であり、また、医療用器具２の駆動部２２を駆動制御することが可能となっている。図７の制御形態では、基準面Ｓｔを追従基準として設定していたのに対し、この制御形態では基準点Ｐｔを追従基準として設定している点で異なっている。医療用器具２として内視鏡を採用した場合、エンドエフェクタとしての撮像部２８が、設定された基準点Ｐｔを向くように追従処理をする形態が考えられる。

図１０（Ａ）から図１０（Ｂ）に医療用器具２を移動させた場合、追従処理では、撮像部２８の撮像方向は、常に基準点Ｐｔを向くように可動関節２５の角度が駆動調整される。図７で説明した基準面Ｓｔを追従対象とする形態では、センサの検出対象として、第１シャフト２４ａの方向を必要としたのに対して、基準点Ｐｔを追従対象とする形態では、基準座標系上でのエンドエフェクタの位置が必要となる。

図１０（Ａ）では、基準点Ｐｔに対して、第２シャフト２４ｂが直交した状態となっているが、撮像部２８の注視対象となる基準点Ｐｔは、撮像部２８から所定距離Ｌｔ２離れた位置に設定される。この距離Ｌｔ２は、例えば、撮像部２８での焦点位置として設定してもよいし、設定入力部に対する施術者などの操作によって設定することとしてもよいし、距離センサや画像情報を用いて注視対象までの距離を測り設定してもよい。第２シャフト２４ｂの長さＬｔ１は既知であるため、基準点Ｐｔから可動関節２５までの距離Ｌｔは、両者の和（Ｌｔ１＋Ｌｔ２）で算出することが可能である。追従処理における可動関節２５の制御角度θｊは、距離Ｌｔと、第１シャフト２４ａの進退量Ｌｂ、第１シャフト２４ａが基準座標系に対してなす角度θｂを使用して、算出することが可能である。なお、図１０では、可動関節２５の動作を紙面上での２次元の動きとして説明しているが、追従処理では、紙面に直交する方向を含む３次元での動きについても対応可能である。

図１０（Ａ）から図１０（Ｂ）のように医療用器具２の進退量Ｌｂ、第１シャフト２４がなす角度θｂが変化した場合であっても、可動関節２５の角度θｊを駆動制御することで、エンドエフェクタとしての撮像部２８は常に基準点に向けられ、施術者は基準点Ｐｔを観察することが可能である。このような制御形態では、内視鏡の位置を変化させることで、基準点Ｐｔを様々な角度から観察することが可能となる。

さらに、このように基準点Ｐｔを追従基準として使用する形態では、把持部２７で発生する施術者の手振れ抑制に対しても有効に作用する。すなわち、内視鏡に対する追従処理を実行した場合、手振れが発生した場合でも撮像部２８は、基準点Ｐｔに対して追従するため、観察される画像上では手振れが抑制されることとなり、施術者などに対する視認性の向上が図られる。手振れ抑制の効果は、内視鏡のみならず、図５で説明した鉗子など他の医療用器具２に対しても有効である。

図６、図８の制御では、モード入力部２１ｂを操作することで、操作モードと追従モードの切り替えを行うこととしていたが、医療用器具２に対して手振れが発生したことを検出して自動的にモード切り替えを行うこととしてもよい。医療用器具２に対する手振れ検出は、図６の実施形態では、トロッカセンサ１２中の傾斜角検出センサ１２１、進退量検出センサ１２２、回転量検出センサ１２３の何れか１つのセンサ信号、あるいは、複数のセンサ信号を複合して処理することで、医療用器具２の移動量の時間変化を検出し、手振れが発生しているか否かを検出することが可能である。

すなわち、医療用器具２の移動量の時間変化が、所定周波数以内である場合、施術者による移動操作であると判定し、操作モードに設定する。一方、医療用器具２の移動量の時間変化が所定周波数以上の場合、手振れ発生と判定し、追従モードに変更する。このように、トロッカセンサ１２にて検出される医療用器具２の移動量に基づいて、操作モードと追従モードを自動切り替えすることで、施術者に対する操作性向上を図ることが可能である。なお、手振れ検出のための医療用器具２の移動量を検出する移動量検出センサは、上述したようにトロッカセンサ１２で兼用することに代え、医療用器具２に配設されたセンサを使用することも可能である。

以上、本発明のある態様に係る実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態のみに限られるものではなく、それぞれの実施形態の構成を適宜組み合わせて構成した実施形態も本発明の範疇となる。

１…トロッカ、１１１…上部筐体、１１２…下部筐体、１１３…筒部、１１４…ケーブル、１１５…挿通孔、１１６…結合部材、１２…トロッカセンサ、１２１…傾斜角検出センサ、１２２…進退量検出センサ、１２２ａ…直動量検出ローラ、１２２ｂ…フォトセンサ、回転量検出センサ、１２３ａ…回転量検出ローラ、１２３ｂ…フォトセンサ、１３…通信部２…医療用器具、２１…操作入力部、２１ａ…方向入力部、２１ｂ…モード入力部、２２…駆動部、２４ａ…第１シャフト、２４ｂ…第２シャフト、２５…可動関節、２６…先端把持部（エンドエフェクタ）、２７、２７ａ、ｂ、…把持部材、２８…撮像部、３…コントローラ、３１…制御部、３２…メモリ

Claims (18)

1. 使用者が把持する把持部に連結したシャフトと、
   前記シャフトの先端に配設されたエンドエフェクタと、
   前記シャフトに対する前記エンドエフェクタの角度を調整する可動関節と、
   前記可動関節を駆動する駆動部と、を備える医療用器具と、
   前記医療用器具が挿入される挿通孔を有するトロッカと、
   基準座標系における前記シャフトの角度を少なくとも含んだセンサ信号を出力するセンサと、
   操作に基づく操作信号を出力する方向入力部と、
   前記センサが出力するセンサ信号に基づいて、前記基準座標系における追従基準に前記エンドエフェクタの角度が追従するように前記駆動部を駆動させる追従処理と、前記方向入力部からの前記操作信号に基づいて、前記駆動部を駆動し、前記エンドエフェクタの角度を調整するように前記駆動部を駆動させる操作処理と、を実行可能とするコントローラと、
   前記追従処理を実行する追従モードと前記操作処理を実行する操作モードを切替えるための切替え手段と、
   を備える
   医療システム。
2. 前記追従基準は、前記基準座標系に対して設定されている基準面であり、
   前記追従処理は、前記エンドエフェクタが前記基準面に対して所定の配置関係となるように前記駆動部を駆動する
   請求項１に記載の医療システム。
3. 前記センサは、前記トロッカもしくは前記医療用器具に配設された傾斜角検出センサである
   請求項１に記載の医療システム。
4. 前記センサは、前記基準座標系におけるエンドエフェクタの位置を特定可能なセンサ信号を出力し、
   前記追従基準は、前記基準座標系に対して設定されている基準点であり、
   前記追従処理は、前記エンドエフェクタが前記基準点に対して所定の配置関係となるように前記駆動部を駆動する
   請求項１に記載の医療システム。
5. 前記センサは、前記トロッカに対する前記医療用器具の直進方向の移動量を検出する進退量検出センサを含む
   請求項４に記載の医療システム。
6. 前記センサは、前記トロッカに対する前記医療用器具の回転量を検出する回転量検出センサを含む
   請求項４に記載の医療システム。
7. 前記切替え手段は、操作に基づく切替信号を出力するモード入力部を備え、
   前記コントローラは、前記モード入力部からのモード信号に基づいて、前記追従処理と前記操作処理を切り替える切替処理を実行する
   請求項１に記載の医療システム。
8. 前記コントローラは、前記切替処理において、前記操作処理から前記追従処理に切り替える際、前記追従基準を設定する設定処理を実行可能とする
   請求項７に記載の医療システム。
9. 前記切替え手段は、前記センサが出力するセンサ信号に基づいて、前記追従モードと前記操作モードとを切り替え、
   前記コントローラは、前記切替え手段からのモード信号に基づいて、前記追従処理と前記操作処理とを切り替える自動切替処理を実行する
   請求項１に記載の医療システム。
10. 操作に基づく設定信号を出力する設定入力部を備え、
    前記コントローラは、前記設定入力部からの設定信号に基づいて、前記追従基準を設定する設定処理を実行可能とする
    請求項１に記載の医療システム。
11. 使用者が把持する把持部に連結したシャフトと、
    前記シャフトの先端に配設されたエンドエフェクタと、
    前記シャフトに対する前記エンドエフェクタの角度を調整する可動関節と、
    前記可動関節を駆動する駆動部と、
    操作に基づく操作信号を出力する方向入力部と、
    を備える医療用器具の作動方法であって、
    基準座標系における前記シャフトの角度を少なくとも含んだセンサ信号を取得するステップと、
    前記センサ信号に基づき、追従基準に前記エンドエフェクタの角度が追従するための追従駆動信号を生成するステップと、
    前記追従駆動信号に基づき前記駆動部を駆動するステップと、を含む追従処理と、
    前記操作信号を取得するステップと、
    前記操作信号に基づき、操作駆動信号を生成するステップと、
    前記操作駆動信号に基づき前記駆動部を駆動するステップと、を含む操作処理と、
    切替信号に基づき、前記追従処理を実行する前記追従モードまたは前記操作処理を実行する前記操作モードに切り替えるステップと、
    を有する、医療用器具の作動方法。
12. 前記センサ信号は、前記医療用器具が挿入される挿通孔を有するトロッカまたは前記医療用器具に配設された傾斜角検出センサから出力されたものである、
    請求項１１に記載の医療用器具の作動方法。
13. 前記切替信号は、前記追従モードと前記操作モードとを切り替えるモード入力部によって出力される、
    請求項１１に記載の医療用器具の作動方法。
14. 使用者が把持する把持部に連結したシャフトと、
    前記シャフトの先端に配設されたエンドエフェクタと、
    前記シャフトに対する前記エンドエフェクタの角度を調整する可動関節と、
    前記可動関節を駆動する駆動部と、
    基準座標系における前記シャフトの角度を少なくとも含んだセンサ信号を出力するセンサと、
    操作に基づく操作信号を出力する方向入力部と、
    前記センサが出力するセンサ信号に基づいて、前記基準座標系における追従基準に前記エンドエフェクタの角度が追従するように前記駆動部を駆動させる追従処理と、前記方向入力部からの前記操作信号に基づいて、前記駆動部を駆動し、前記エンドエフェクタの角度を調整するように前記駆動部を駆動させる操作処理と、を有するコントローラと、
    前記追従処理を実行する追従モードと前記操作処理を実行する操作モードを切替えるための切替え手段と、
    を備える医療用器具。
15. 前記切替え手段は、
    操作に基づく切替信号を出力するモード入力部を備え、
    前記コントローラは、前記モード入力部からのモード信号に基づいて、前記追従処理と前記操作処理を切り替える切替処理を実行する
    請求項１４に記載の医療用器具。
16. 前記コントローラは、前記切替処理において、前記操作処理から前記追従処理に切り替える際、前記追従基準を設定する設定処理を実行する
    請求項１５に記載の医療用器具。
17. 前記切替え手段は、前記センサが出力するセンサ信号に基づいて、前記追従モードと前記操作モードとを切り替え、
    前記コントローラは、前記切替え手段からのモード信号に基づいて、前記追従処理と前記操作処理とを切り替える自動切替処理を実行する
    請求項１４に記載の医療用器具。
18. 操作に基づく設定信号を出力する設定入力部を備え、
    前記コントローラは、前記設定入力部からの設定信号に基づいて、前記追従基準を設定する設定処理を実行可能とする
    請求項１４に記載の医療用器具。

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