JP6177488B2 - マニピュレータ及び医療システム - Google Patents

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Description

本発明は、マニピュレータ及び医療システムに関する。
本願は、２０１５年７月２３日に、アメリカ合衆国に仮出願された米国特許仮出願第６２／１９５，８６９号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
消化管等の管腔組織に挿入される内視鏡等のマニピュレータが広く知られている。
特許文献１は、内視鏡やカテーテル等を管腔組織内で移動させるための推進装置を開示している。特許文献１に開示された推進装置は、内視鏡の中心線を回転中心として内視鏡に対して回転可能となるように内視鏡の挿入部の先端に配された回転部材を有している。回転部材の外周面は、回転中心に対して斜めに配されたリブを有している。特許文献１に開示された推進装置は、回転部材が挿入部に対して回転し、回転部材に配されたリブがインペラとして作用することによって、回転部材の回転中心に沿う方向へ挿入部を進退移動させることができる。
特開平１０−１１３３９６号公報
特許文献１に開示された技術では、内視鏡の先端に配された回転部材を回転させるための動力を伝達するワイヤを、内視鏡の挿入部の内部に、挿入部の基端から先端に亘って有している。このため、特許文献１に開示された技術では挿入部が太径となってしまう。
本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、挿入部が細径であるとともに挿入部の長手軸方向に挿入部を容易に進退させることができるマニピュレータ及び医療システムを提供することを目的とする。
本発明の一態様は、先端と基端とを有し前記先端から体内へ挿入可能な長尺部と、前記長尺部の長手軸を回転中心として前記基端を回転させる回転駆動部と、前記長手軸を中心とする螺旋又は前記長手軸に対してねじれの位置となる直線に沿って前記先端近傍の外周面に配された凹凸部と、前記先端に配され湾曲動作可能な能動湾曲部と、前記能動湾曲部を湾曲動作させる湾曲駆動部と、前記能動湾曲部の湾曲量及び湾曲方向を検知可能な形状センサ部と、前記長手軸を回転中心とした前記長尺部の回転角度及び回転方向を検知可能な回転角センサ部と、前記回転駆動部、前記湾曲駆動部、前記形状センサ部、及び前記回転角センサ部に接続され、前記回転駆動部及び前記湾曲駆動部の動作を制御する制御部と、を備え、前記先端及び前記凹凸部は、前記基端が前記回転駆動部により回転されると前記基端の回転に追従して前記長手軸回りに回転可能であり、前記制御部は、前記形状センサ部における検知に基づいて前記能動湾曲部の形状を取得する形状取得部と、前記長尺部を回転させるための回転駆動指令を生成する回転駆動指令生成部と、前記長尺部が所定角度回転する前において前記形状取得部が取得した前記形状に基づいて前記長尺部が前記所定角度回転した後における前記能動湾曲部の前記湾曲量及び前記湾曲方向を回転前と一致させるための前記能動湾曲部の動作量を算出して前記能動湾曲部の形状を補正するための形状補正指令を生成する形状補正指令生成部と、前記回転駆動指令及び前記形状補正指令に基づいて前記回転駆動部及び前記湾曲駆動部を動作させるための駆動信号を生成して前記回転駆動部及び前記湾曲駆動部へ前記駆動信号を出力する駆動信号生成部と、を備えるマニピュレータを有する医療システム。
上記態様の医療システムは、前記長尺部を挿通可能な筒部を有し前記回転角センサ部が前記筒部内に配されたトロッカをさらに備えていてもよい。
前記能動湾曲部は、２以上のアームと、２つの前記アームを互いに連結する自在継手を有する関節と、を有していてもよい。
上記態様の医療システムは、前記能動湾曲部の先端に配された撮像部をさらに備え、前記制御部は、前記撮像部が撮像した画像から目標物の特徴点を抽出して前記特徴点に基づいて前記目標物を認識する特徴点設定部と、前記撮像部が前記目標物に向かうように前記特徴点に基づいて前記能動湾曲部の動作量を算出する位置ずれ補正演算部と、をさらに備えていてもよい。
前記制御部は、前記回転角センサ部が検知した前記長尺部の回転量の絶対値と同一且つ前記長尺部の回転方向と逆方向に画像上の所定の回転中心を中心として前記画像を回転させる画像処理を行う映像信号生成部をさらに有していてもよい。
前記制御部は、前記回転角センサ部が検知する回転角と前記長尺部の先端の回転角との大きさの差を取得するねじれ量取得部をさらに備え、前記形状補正指令生成部は、前記ねじれ量取得部が取得した差に基づいて前記長尺部の先端が所定角度回転する前後の前記能動湾曲部の湾曲方向及び湾曲量が一致するように前記形状補正指令を生成してもよい。
本発明によれば、挿入部が細径であるとともに挿入部の長手軸方向に挿入部を容易に進退させることができる。
本発明の第１実施形態のマニピュレータを備えた医療システムの模式図である。 マニピュレータの先端部分の拡大図である。 医療システムの要部のブロック図である。 医療システムの作用を説明するための図である。 本発明の第２実施形態の医療システムのブロック図である。 医療システムの表示装置に表示される画像の模式図である。 本発明の第３実施形態の医療システムのブロック図である。 医療システムの表示部に表示される画像の模式図である。 管腔組織内のマニピュレータの位置関係を示す模式図である。 医療システムの表示部に表示される画像の模式図である。 管腔組織内のマニピュレータの位置関係を示す模式図である。
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について説明する。図１は、本実施形態のマニピュレータを備えた医療システムの模式図である。図２は、マニピュレータの先端部分の拡大図である。図３は、医療システムの要部のブロック図である。図４は、医療システムの作用を説明するための図である。
図１に示すように、本実施形態の医療システム１は、マニピュレータ２と、トロッカ３０と、制御装置５０とを備えている。また、本実施形態の医療システム１は、公知の画像処理装置３５、表示装置４０、及び光源装置４５を含んでいてもよい。
マニピュレータ２は、患者の体腔内や消化管内に挿入されて臓器等の観察や臓器等に対する処置をする装置である。本実施形態のマニピュレータ２は、制御装置５０、画像処理装置３５、表示装置４０、及び光源装置４５に接続されている。
マニピュレータ２は、挿入部３と、駆動部１６と、操作部２５と、接続部２９とを有する。
図１及び図２に示すように、挿入部３は、体内等に挿通された状態で使用することができる細長の部材である。挿入部３は、遠位端部４と、長尺部１５とを有する。遠位端部４及び長尺部１５は、体内等へ挿入可能である。遠位端部４は、体内等へ挿入される長尺部１５の挿入方向の先端側に配されている。挿入部３の内部には、処置具等を挿通するためのチャンネルが配されていてもよい。
遠位端部４は、遠位筒部５と、撮像部８と、照明部９と、能動湾曲部１０とを有する。
遠位筒部５は、図２に示すように、円筒状の本体部６と、本体部６の外周面に配された凹凸部７とを有している。撮像部８の対物光学系及び照明部９の窓部が本体部６の先端に配されている。本体部６の基端は能動湾曲部１０の先端に連結されている。
凹凸部７は、本体部６の外周面から本体部６の径方向外側へ向かって突出している。凹凸部７は、本体部６の中心線（長尺部１５の長手軸Ｌ１と同軸状の直線）を中心とするらせん状をなして本体部６の外周面に沿って延びている。
撮像部８は、処置対象となる目標物の画像を取得するエンドエフェクタである。撮像部８の光軸は、遠位端部４における最も遠位端から、遠位端部４の前方へ延びている。たとえば、撮像部８の光軸は、遠位筒部５の中心線（長尺部１５の長手軸Ｌ１と同軸状の直線）と同軸状をなしている。これにより、本実施形態の撮像部８は、挿入部３の遠位端部４から前方の領域に撮像視野を有する。撮像部８については、ＣＣＤ撮像素子など公知の内視鏡における観察手段の構造を適宜選択して採用することができる。
撮像部８は、取得した画像の信号（画像信号）を後述する接続部２９を通じて画像処理装置３５へ出力する。
照明部９は、光源装置４５から不図示の光ファイバを通じて伝えられた光を用いて撮像部８の撮像視野を照明する。なお、光源装置４５を備えない場合は、照明部９は、遠位端部４の前方へ向けて照明光を発するＬＥＤ等の発光素子を有していてもよい。
能動湾曲部１０は、回転軸を有する複数の関節１０ａと、各関節１０ａに対応して設けられた複数のエンコーダ１０ｂ（形状センサ部）と、隣り合う２つの関節１０ａを繋ぐアーム１０ｃとを有する。
関節１０ａは、アーム１０ｃの両端部に配されている。これにより、能動湾曲部１０は、関節１０ａの回転軸において屈曲するように変形可能である。本実施形態の関節１０ａは、隣り合う２つのアーム１０ｃがこれらのアーム１０ｃの間にある関節１０ａを揺動中心として揺動するように、互いに直交する２軸をそれぞれ回転軸とする自在継手を有する。
能動湾曲部１０のエンコーダ１０ｂは、対応する関節１０ａの動作量を検出することができる。たとえば、エンコーダ１０ｂは、隣接する２つのアーム１０ｃにおける基端側のアーム１０ｃの中心線と直交し関節１０ａの揺動中心を通る２軸（本実施形態における関節１０ａの２つの回転軸）における屈曲角度をそれぞれ検知することによって、基端側のアーム１０ｃに対する先端側のアーム１０ｃの屈曲角度及び屈曲方向を検知することができる。本実施形態の能動湾曲部１０は、対応する関節１０ａの動作量を個別に検出する複数のエンコーダ１０ｂを、関節１０ａに有している。
本実施形態の複数のアーム１０ｃにおいて、アーム１０ｃの両端の関節１０ａの揺動中心間の距離は、互いに等しい。
長尺部１５は、可撓性を有し長手軸Ｌ１方向に延びる筒状部材である。長尺部１５の先端は、能動湾曲部１０の基端に接続されている。長尺部１５の基端は、駆動部１６に接続されている。また、能動湾曲部１０と駆動部１６とを接続する不図示のアングルワイヤが長尺部１５の内部に挿通されている。
図１に示すように、駆動部１６は、長尺部１５の基端に連結されている。駆動部１６は、筐体１７と、長尺部１５に接続された湾曲駆動部１８と、長尺部１５を湾曲駆動部１８と共に回転させる回転駆動部１９とを有している。
湾曲駆動部１８は、上述のアングルワイヤに接続されている。湾曲駆動部１８は、能動湾曲部１０に配された各関節１０ａを動作させるための動力を発生させために各関節１０ａに対応して設けられた複数のモータと、モータが発する動力をアングルワイヤに伝達するプーリとを有している。湾曲駆動部１８が発する動力は、アングルワイヤを通じて能動湾曲部１０へ伝達される。
回転駆動部１９は、長尺部１５及び湾曲駆動部１８を、長尺部１５の長手軸Ｌ１を回転中心として、筐体１７に対して回転させる。回転駆動部１９は、長尺部１５及び湾曲駆動部１８を回転させるための動力を発生させるモータを有している。
操作部２５は、能動湾曲部１０の湾曲方向及び湾曲量の入力をするための入力機構２６と、体内への挿入部３の挿入及び抜去をするためのスイッチ部２８とを有している。
入力機構２６は、操作者によって操作される入力部材２７と、所定の中立位置から入力部材２７が傾倒する方向に基づいて能動湾曲部１０の湾曲方向を制御装置５０へ出力し、中立位置から入力部材２７が傾倒する角度に対応して能動湾曲部１０の湾曲量を制御装置５０へ出力するためのエンコーダとを有している。
スイッチ部２８は、体内へ挿入部３を挿入するための第一スイッチ２８ａと、体内から挿入部３を抜去するための第二スイッチ２８ｂと、挿入部３の挿入及び抜去を停止するための第三スイッチ２８ｃとを有している。第一スイッチ２８ａ、第二スイッチ２８ｂ、及び第三スイッチ２８ｃは、制御装置５０に接続されている。第一スイッチ２８ａ、第二スイッチ２８ｂ、及び第三スイッチ２８ｃは、操作者による操作に従って、制御装置５０に対してオンオフ信号を出力する。
接続部２９は、駆動部１６に接続されている。接続部２９は、画像処理装置３５及び制御装置５０にマニピュレータ２を電気的に接続する。
接続部２９は、撮像部８が撮像した画像の信号（画像信号）を画像処理装置３５へ出力するための信号線と、後述する制御部５１からマニピュレータ２の駆動部１６へ駆動信号を出力するための信号線と、マニピュレータ２のエンコーダ１０ｂが検知した角度情報を後述する制御部５１へ出力するための信号線とを有する。
また、接続部２９は、光源装置４５からマニピュレータ２へと照明光を伝送する光ファイバを有する。
トロッカ３０は、マニピュレータの長尺部１５を挿通可能な筒部３１と、筒部３１内に配された回転角センサ部３２とを有している。
回転角センサ部３２は、長尺部１５の外面に接触可能となるように筒部３１に支持された転動体と、転動体の動作量を検知するエンコーダとを有している。回転角センサ部３２のエンコーダは、転動体の回転のうち、筒部３１の中心線と平行な直線を軸とする回転を検知する。これにより、回転角センサ部３２は、筒部３１に挿通された長尺部１５が筒部３１の中心線を軸として回転したときの長尺部１５の回転を検知することができる。回転角センサ部３２のエンコーダは、制御装置５０に接続されている。
画像処理装置３５は、撮像部８から出力された画像信号の入力を受け付ける。画像処理装置３５は、撮像部８から出力された画像信号に基づいて映像信号を生成して表示装置４０へ出力する。
表示装置４０は、画像処理装置３５から出力された映像信号の入力を受け付ける。表示装置４０は、例えば液晶モニタ４１を有する。
図１及び図３に示すように、制御装置５０は、マニピュレータ２の駆動部１６を制御する制御部５１と、制御部５１において生成されたデータを記憶する記憶部５７とを有する。また、記憶部５７には、マニピュレータ２の能動湾曲部１０の形状に関するパラメータが記憶されている。このパラメータは、例えば、関節１０ａに固有の関節座標系の情報や、関節１０ａ同士を繋ぐアーム１０ｃの長さ（リンク長）などを含む。
制御部５１は、図３に示すように、回転駆動部１９、湾曲駆動部１８、能動湾曲部１０の形状センサ部を構成するエンコーダ１０ｂ、及び回転角センサ部３２に接続されている。
制御部５１は、湾曲指令生成部５２と、回転駆動指令生成部５３と、形状取得部５４と、形状補正指令生成部５５と、駆動信号生成部５６とを有している。
湾曲指令生成部５２は、操作部２５の入力機構２６が出力する信号の入力を受け付ける。湾曲指令生成部５２は、入力機構２６のエンコーダが出力する情報に基づいて、能動湾曲部１０の湾曲方向及び湾曲量を算出する。本実施形態の湾曲指令生成部５２は、入力機構２６のエンコーダが出力する情報に基づいて、能動湾曲部１０に含まれる各関節１０ａの屈曲角度が互いに等しくなるように、各関節１０ａの屈曲角度を設定する。これにより、本実施形態の湾曲指令生成部５２は、能動湾曲部１０の中心線Ｌ２が略円弧状をなして所定の方向に所定量だけ湾曲するように、各関節１０ａの屈曲角度を設定する。湾曲指令生成部５２は、能動湾曲部１０の湾曲方向及び湾曲量の情報を含む湾曲指令を駆動信号生成部５６へ出力する。
回転駆動指令生成部５３は、スイッチ部２８の第一スイッチ２８ａ、第二スイッチ２８ｂ、及び第三スイッチ２８ｃが出力するオンオフ信号に基づいて、回転駆動部１９のモータの回転開始及び停止並びにモータの回転方向の情報を含む回転駆動指令を駆動信号生成部５６へ出力する。
形状取得部５４は、能動湾曲部１０に配されたエンコーダ１０ｂが出力した情報の入力を受け付ける。形状取得部５４は、能動湾曲部１０の各関節１０ａにおける揺動中心を原点とする関節座標系の情報を記憶部５７から読み込む。本実施形態における各関節１０ａの関節座標系は、各関節１０ａの揺動中心を通り各関節の基端側に接続されるアーム１０ｃの長手軸（アーム１０ｃの回転軸）を第一軸Ｘとする三次元直交座標系である。
形状取得部５４は、１つの関節１０ａに接続された２つのアーム１０ｃのなす角、及び、基端側のアーム１０ｃに対する先端側のアーム１０ｃの屈曲方向を規定する関節１０ａの姿勢情報を算出する。さらに、形状取得部５４は、各関節１０ａをつなぐアーム１０ｃの長さの情報を記憶部５７から読み込み、さらに能動湾曲部１０における最も基端に位置する関節１０ａ（基端関節１０ａ１）の関節座標系を能動湾曲部１０における基準座標系として、基準座標系における各関節の位置及び姿勢を算出する。基端関節１０ａ１の関節座標系（すなわち能動湾曲部１０の基準座標系）は、長尺部１５の長手軸Ｌ１と、基端関節１０ａ１の揺動中心を通り長尺部１５の長手軸Ｌ１と直交する２つの回転軸とによって構成される三次元直交座標系である。
形状取得部５４は、基準座標系における各関節の位置及び姿勢を含む情報と、関節１０ａを特定するための関節番号とを関連付けて関節姿勢情報を生成し、形状補正指令生成部５５へ出力する。
形状補正指令生成部５５は、形状取得部５４が取得した関節姿勢情報の入力を受け付ける。さらに、形状補正指令生成部５５は、回転角センサ部３２のエンコーダが出力した情報の入力を受け付ける。形状補正指令生成部５５は、回転角センサ部３２のエンコーダから出力される所定の微小な角度変化ごとに、能動湾曲部１０に含まれるすべての関節１０ａについて、基準座標系における各関節１０ａの位置が角度変化の前後で一致するように、関節１０ａの姿勢を変更するための形状補正指令を生成して駆動信号生成部５６へ出力する。形状補正指令は、長尺部１５が所定角度回転した後における能動湾曲部１０の湾曲方向及び湾曲量を回転前と一致させるための能動湾曲部１０の動作量を特定することによって能動湾曲部の形状を補正する指令である。なお、形状補正指令は、長尺部１５が所定角度回転した後における能動湾曲部１０の湾曲方向及び湾曲量を回転前と厳密に一致させるための能動湾曲部１０の動作量を特定するものでなくてもよい。例えば、能動湾曲部１０の湾曲方向及び湾曲量が回転前と比較して所定の閾値の範囲内（許容範囲内）になるように形状補正指令生成部５５が形状補正指令を生成するようになっていてもよい。
駆動信号生成部５６は、回転駆動指令生成部５３が出力した回転駆動指令の入力を受け付ける。駆動信号生成部５６は、回転駆動指令に基づいて、回転駆動部１９のモータを正転、逆転、又は停止させるための駆動信号を生成して回転駆動部１９へ出力する。
また、駆動信号生成部５６は、湾曲指令生成部５２が出力した湾曲指令の入力を受け付ける。さらに、駆動信号生成部５６は、形状補正指令生成部５５が出力した形状補正指令の入力を受け付ける。駆動信号生成部５６は、湾曲指令及び形状補正指令に基づいて、関節１０ａを動作させるための駆動信号を生成して湾曲駆動部１８へ出力する。
本実施形態の医療システム１の作用について説明する。
本実施形態では、操作者が操作部２５の第一スイッチ２８ａ又は第二スイッチ２８ｂを操作すると、制御装置５０によって、駆動部１６に対して長尺部１５が回転する。すなわち、本実施形態では、第一スイッチ２８ａ又は第二スイッチ２８ｂに対する操作者による操作が行われると、図４に示すように、長尺部１５の長手軸Ｌ１を回転中心として体内で長尺部１５が回転する。ここで、長尺部１５の先端に配された能動湾曲部１０は、基準座標系における各関節１０ａの位置が維持されるように、形状補正指令生成部５５によって、各関節１０ａの姿勢が長尺部１５の回転角度に対応して変更される。このため、長尺部１５の中心線を中心として長尺部１５が回転されたときに、能動湾曲部１０は能動湾曲部１０の中心線を回転中心として自転する。能動湾曲部１０に含まれるすべてのアーム１０ｃは、各アーム１０ｃの中心線を回転中心として回転する。能動湾曲部１０の先端に配された遠位筒部５は、能動湾曲部１０の自転によって、能動湾曲部１０と一体に回転する。これにより、遠位筒部５は、長尺部１５の長手軸Ｌ１を回転中心とした回転操作に従って、遠位筒部５の中心線を回転中心として回転する。
遠位筒部５の本体部６の外周面に配された凹凸部７（図２参照）は、管腔組織の内面に接した状態で遠位筒部５の中心線（長尺部１５の長手軸Ｌ１と同軸の直線）を回転中心として回転する。凹凸部７が管腔組織の内面に引っかかった状態で凹凸部７が回転することによって、遠位筒部５は管腔組織に対して、遠位筒部５の中心線方向へ進退することができる。すなわち、本実施形態では、遠位筒部５の本体部６に設けられた凹凸部７によって、遠位筒部５の回転力が、遠位筒部５の中心線方向への遠位筒部５の推進力に変換される。挿入部３の回転方向をスイッチ部２８を用いて操作者が切り替えることによって、挿入部３の長手軸（長尺部１５の長手軸Ｌ１）方向における挿入部３の進退方向を切り替えることができる。
挿入部３を回転させることによって挿入部３を進退させているときに、必要に応じて、操作者は、能動湾曲部１０の湾曲方向及び湾曲量を操作部２５を用いて変更することができる。この場合、制御装置５０は、操作部２５を用いて変更した能動湾曲部１０の新たな湾曲状態が維持されるように各関節１０ａの姿勢を長尺部１５の回転角に応じて変更する。たとえば、制御装置５０は、能動湾曲部１０の湾曲方向及び湾曲量を挿入部３の回転に対応して自動制御している間の所定間隔おきの複数のタイミングで操作部２５からの入力を繰り返し受け付けて能動湾曲部１０の湾曲状態を入力に対応させる。これにより、操作者は、挿入部３の進行方向として所望する方向へ挿入部３の先端が向くように能動湾曲部１０を操作しながら挿入部３を前進させることができる。
なお、能動湾曲部１０よりも基端に接続された長尺部１５は柔軟であるので、能動湾曲部１０が管腔組織の湾曲した部分を通過した後は、管腔組織の湾曲形状に倣って長尺部１５が変形する。
このように、本実施形態の医療システム１によれば、長尺部１５の長手軸Ｌ１を回転中心として長尺部１５を回転させることによって、挿入部３の先端に配された凹凸部７を回転させることができる。このため、本実施形態の医療システム１では、凹凸部７のみを回転させるためのトルクワイヤなどの構成が不要となり、挿入部３を細径とすることができる。
また、本実施形態の医療システム１では、能動湾曲部１０の中心線Ｌ２を自転の中心として能動湾曲部１０が自転するように各関節１０ａの姿勢が変更されるので、管腔組織に対する能動湾曲部１０の湾曲状態を維持しつつ挿入部３を管腔組織内で進退させることができる。
また、本実施形態の医療システム１は、長尺部１５の回転角を検知する回転角センサ部３２を備えたトロッカ３０を有しているので、トロッカ３０を用いてマニピュレータ２を患者の体内に挿入し、患者に対する長尺部１５の回転角をトロッカ３０を用いて検知することができる。このため、患者とマニピュレータ２との位置関係を精度よく検知することができるので、患者の体内における能動湾曲部１０の位置ずれを低く抑えることができる。
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。図５は、本実施形態の医療システムのブロック図である。図６は、医療システムの表示装置に表示される画像の模式図である。
図５に示す本実施形態の医療システム１は、第１実施形態の画像処理装置３５とは構成が異なる画像処理装置３５Ａを備えている。
本実施形態における画像処理装置３５Ａは、制御装置５０に接続されている。画像処理装置３５は、回転状態受付部３６と、映像信号生成部３７と、映像出力部３８とを有している。
回転状態受付部３６は、回転角センサ部３２が検知した長尺部１５の回転角及び回転方向を、制御装置５０を介して取得する。回転状態受付部３６は、長尺部１５の回転角及び回転方向を含む回転状態情報を、映像信号生成部３７へ出力する。
映像信号生成部３７は、撮像部８が出力した画像信号を受け付けて画像データを生成する。また、映像信号生成部３７は、回転状態受付部３６が出力した長尺部１５の回転角及び回転方向の情報の入力を受け付ける。映像信号生成部３７は、画像データにおける１フレーム分の画像と、回転状態受付部３６が出力した回転状態情報とを対応付ける。さらに、映像信号生成部３７は、回転状態情報に含まれる回転方向と逆方向であり且つ回転状態情報に含まれる回転角の大きさ（回転量の絶対値）と等しくなるように、画像の中心を回転中心として各フレームの画像データを回転させる。映像信号生成部３７は、回転させた画像データに基づいて映像信号を生成して映像出力部３８へ出力する。映像出力部３８は、映像信号を表示装置４０のモニタ４１へ出力する。
本実施形態の医療システム１の作用について説明する。
マニピュレータ２の撮像部８の光軸は、遠位筒部５の中心線と同軸状をなしている。このため、遠位筒部５が回転したときに、撮像部８は光軸を中心として回転する（例えば図６に符号Ｒ１で示す）。画像処理装置３５の映像信号生成部３７は、光軸を中心とした撮像部８の回転方向と反対方向（例えば図６に符号Ｒ２で示す。）に画像を回転させて映像信号を生成する。これにより、表示装置４０のモニタ４１に表示される画像において、撮像部８の回転は相殺されて、表示上の上下左右の関係が維持される。
本実施形態では、挿入部３を管腔組織に挿入しながら管腔組織内を観察する場合に、挿入部３が回転しても表示装置４０に表示される画像が回転しないので、管腔組織内の観察が容易である。
（第３実施形態）
本発明の第３実施形態について説明する。図７は、本実施形態の医療システムのブロック図である。図８及び図１０は、医療システムの表示部に表示される画像の模式図である。図９及び図１１は、管腔組織内のマニピュレータの位置関係を示す模式図である。
図１及び図７に示す本実施形態の医療システム１は、第１実施形態に開示された制御装置５０と構成が異なる制御装置５０Ａを備えている。
また。本実施形態の医療システム１は、第２実施形態に開示された画像処理装置３５Ａを備え、回転後の画像データが制御装置５０Ａへ出力されるように構成されている。
本実施形態の制御装置５０Ａは、撮像部８の撮像視野に含まれる所定の一か所を挿入部３の移動目標として設定することにより、移動目標に向かって自動的に挿入部３が移動するように回転駆動部１９及び湾曲駆動部１８の動作を制御する。
制御装置５０Ａは、制御部５１Ａと、記憶部５７とを有している。
制御部５１Ａは、第１実施形態に開示された制御部５１と比較して、特徴点設定部５８及び位置ずれ補正演算部５９をさらに有している。
特徴点設定部５８は、画像処理装置３５が出力した画像データの入力を受け付けて、画像データにおける画像から特徴点を抽出して記憶部５７へ出力する。本実施形態で特徴点設定部５８が抽出する特徴点は、挿入部３を体内へ挿入する場合の目標位置における特徴的な形状や色彩に基づいている。たとえば、図８及び図９に示すように、管腔組織の走行に沿って挿入部３を管腔組織の深部へと挿入する場合には、撮像部８の撮像視野において所定の明るさ以下の暗部Ｐ１を特徴点として特徴点設定部５８が記憶部５７へ出力することによって、特徴点設定部５８は、挿入部３の移動目標となる部位の特徴点を設定することができる。この場合、特徴点（暗部Ｐ１）は、撮像部８の撮像視野内において照明部９から離れた距離にある部位であって管腔の深部の位置に対応している。
位置ずれ補正演算部５９は、画像処理装置３５が出力した画像データの入力を受け付け、記憶部５７に記憶された特徴点に対応する領域を画像データから抽出する。画像データにおける特徴点の位置が画像の中央から所定距離以上離れた位置にあった場合には、位置ずれ補正演算部５９は、画像の中心が特徴点へ向かって移動するように、撮像部８の移動方向を算出する。さらに、位置ずれ補正演算部５９は、特定された方向へ撮像部８を移動させるための能動湾曲部１０の湾曲方向を算出する。さらに、位置ずれ補正演算部５９は、算出された湾曲方向へ微小な所定量だけ能動湾曲部１０を湾曲させるための湾曲量を、湾曲方向と関連付けて湾曲指令生成部５２へ出力する。
本実施形態では、特徴点設定部５８及び位置ずれ補正演算部５９によって、画像の中心と特徴点との距離が減少するように能動湾曲部１０の動作が制御される。特徴点設定部５８及び位置ずれ補正演算部５９による制御が繰り返されることによって、画像の中心が特徴点と一致する。
本実施形態の医療システム１の作用について説明する。
本実施形態の医療システム１の使用時には、例えば撮像部８が撮像した画像における暗部Ｐ１が特徴点として設定されている場合には、位置ずれ補正演算部５９は、管腔の深部へ能動湾曲部１０の先端が向かうように能動湾曲部１０の湾曲方向及び湾曲量を自動制御する（図９及び図１１参照）。この状態で第１実施形態と同様に遠位筒部５が回転して挿入部３が前方へ推進されると、挿入部３は、管腔組織の湾曲形状に倣って能動的に湾曲しながら管腔組織の湾曲部分を通過する。
さらに、撮像部８が撮像した画像から新たな暗部Ｐ２（図１０参照）が特徴点として特徴点設定部５８によって抽出されることによって、位置ずれ補正演算部５９は、管腔の深部へ能動湾曲部１０の先端が向かうように能動湾曲部１０の湾曲方向及び湾曲量を引き続き自動制御する。その結果、本実施形態では、管腔組織に対して挿入部３をスムーズに挿入することができる。
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
例えば、遠位筒部に配された凹凸部は、一続きのらせん状には限られない。たとえば、凹凸部は、遠位筒部の中心線（長尺部の長手軸Ｌ１の先端側への延長線である。）を中心とする螺旋に沿って所定間隔おきに複数設けられていてもよい。また、凹凸部は、遠位筒部の中心線を中心とする二重螺旋状であってもよい。また、凹凸部は、遠位筒部の外周面において遠位筒部の中心線に対してねじれの位置となるように傾斜して延びる直線状の部分を有していてもよい。
また、制御部は、回転角センサ部が検知する回転角と長尺部の先端の回転角との大きさの差を取得するねじれ量取得部をさらに備えていてもよい。ねじれ量取得部は、長尺部の基端を回転させた場合における長尺部の先端の回転遅れ量を示すパラメータを用いて、回転角センサ部が検知した回転角から長尺部の先端の回転角を推定して出力する。このとき、形状補正指令生成部は、ねじれ量取得部が取得した差に基づいて長尺部の先端が所定角度回転する前後の能動湾曲部の湾曲方向及び湾曲量が一致するように形状補正指令を生成することができる。
また、制御部は、公知のＸ線装置によって体内における挿入部の位置及び姿勢を取得することができるようになっていてもよい。この場合、長尺部の位置及び姿勢や能動湾曲部の湾曲方向及び湾曲量を、Ｘ線画像に基づいて取得することができる。
本発明は、マニピュレータ及び医療システムに利用することができる。
１ 医療システム
２ マニピュレータ
３ 挿入部
４ 遠位端部
５ 遠位筒部
６ 本体部
７ 凹凸部
８ 撮像部
９ 照明部
１０ 能動湾曲部
１０ａ 関節
１０ａ１ 基端関節
１０ｂ エンコーダ
１０ｃ アーム
１５ 長尺部
１６ 駆動部
１７ 筐体
１８ 湾曲駆動部
１９ 回転駆動部
２５ 操作部
２６ 入力機構
２７ 入力部材
２８ スイッチ部
２８ａ 第一スイッチ
２８ｂ 第二スイッチ
２８ｃ 第三スイッチ
２９ 接続部
３０ トロッカ
３１ 筒部
３２ 回転角センサ部
３５，３５Ａ 画像処理装置
３６ 回転状態受付部
３７ 映像信号生成部
３８ 映像出力部
４０ 表示装置
４１ モニタ
４５ 光源装置
５０，５０Ａ 制御装置
５１，５１Ａ 制御部
５２ 湾曲指令生成部
５３ 回転駆動指令生成部
５４ 形状取得部
５５ 形状補正指令生成部
５６ 駆動信号生成部
５７ 記憶部
５８ 特徴点設定部
５９ 補正演算部

Claims (6)

  1. 先端と基端とを有し前記先端から体内へ挿入可能な長尺部と、
    前記長尺部の長手軸を回転中心として前記基端を回転させる回転駆動部と、
    前記長手軸を中心とする螺旋又は前記長手軸に対してねじれの位置となる直線に沿って前記先端近傍の外周面に配された凹凸部と、
    前記先端に配され湾曲動作可能な能動湾曲部と、
    前記能動湾曲部を湾曲動作させる湾曲駆動部と、
    前記能動湾曲部の湾曲量及び湾曲方向を検知可能な形状センサ部と、
    前記長手軸を回転中心とした前記長尺部の回転角度及び回転方向を検知可能な回転角センサ部と、
    前記回転駆動部、前記湾曲駆動部、前記形状センサ部、及び前記回転角センサ部に接続され、前記回転駆動部及び前記湾曲駆動部の動作を制御する制御部と、
    を備え、
    前記先端及び前記凹凸部は、前記基端が前記回転駆動部により回転されると前記基端の回転に追従して前記長手軸回りに回転可能であり、
    前記制御部は、
    前記形状センサ部における検知に基づいて前記能動湾曲部の形状を取得する形状取得部と、
    前記長尺部を回転させるための回転駆動指令を生成する回転駆動指令生成部と、
    前記長尺部が所定角度回転する前において前記形状取得部が取得した前記形状に基づいて前記長尺部が前記所定角度回転した後における前記能動湾曲部の前記湾曲量及び前記湾曲方向を回転前と一致させるための前記能動湾曲部の動作量を算出して前記能動湾曲部の形状を補正するための形状補正指令を生成する形状補正指令生成部と、
    前記回転駆動指令及び前記形状補正指令に基づいて前記回転駆動部及び前記湾曲駆動部を動作させるための駆動信号を生成して前記回転駆動部及び前記湾曲駆動部へ前記駆動信号を出力する駆動信号生成部と、
    を備えるマニピュレータを有する医療システム。
  2. 前記長尺部を挿通可能な筒部を有し前記回転角センサ部が前記筒部内に配されたトロッカをさらに備える、
    請求項１に記載の医療システム。
  3. 前記能動湾曲部は、
    ２以上のアームと、
    ２つの前記アームを互いに連結する自在継手を有する関節と、
    を有する、
    請求項１に記載の医療システム。
  4. 前記能動湾曲部の先端に配された撮像部をさらに備え、
    前記制御部は、
    前記撮像部が撮像した画像から目標物の特徴点を抽出して前記特徴点に基づいて前記目標物を認識する特徴点設定部と、
    前記撮像部が前記目標物に向かうように前記特徴点に基づいて前記能動湾曲部の動作量を算出する位置ずれ補正演算部と、
    をさらに備える、
    請求項１に記載の医療システム。
  5. 前記制御部は、前記回転角センサ部が検知した前記長尺部の回転量の絶対値と同一且つ前記長尺部の回転方向と逆方向に画像上の所定の回転中心を中心として前記画像を回転させる画像処理を行う映像信号生成部をさらに有する、
    請求項４に記載の医療システム。
  6. 前記制御部は、前記回転角センサ部が検知する回転角と前記長尺部の先端の回転角との大きさの差を取得するねじれ量取得部をさらに備え、
    前記形状補正指令生成部は、前記ねじれ量取得部が取得した差に基づいて前記長尺部の先端が所定角度回転する前後の前記能動湾曲部の湾曲方向及び湾曲量が一致するように前記形状補正指令を生成する、
    請求項１に記載の医療システム。
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