JP6234643B2 - 医療システム及びその作動方法 - Google Patents

Description

本発明は、医療システム及びその作動方法に関する。
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。

体内で手術等をするための医療システムが広く知られている。
たとえば、特許文献１は、撮像部を備えた軟性内視鏡のチャンネル内に挿通された内視鏡用処置具を使用することを開示している。特許文献１に開示された軟性内視鏡は、軟性内視鏡の遠位部分の向きを手動で調節するためのノブを有する。特許文献１に開示された技術では、内視鏡のノブを手動で操作することによって、撮像部の可動範囲内において撮像部及び内視鏡用処置具を任意の姿勢とすることができる。
また、特許文献２は、目標物に設定された基準点にエンドエフェクタが向くようにエンドエフェクタの角度を自動で調整することができる医療システムを開示している。特許文献２に開示された技術では、基準点にエンドエフェクタを向ける動作が自動化されているので、操作者の負担が軽減されている。

特開２００９−１９５４８９号公報 特開２０１５−２４０２６号公報

特許文献１に開示された技術では、撮像部を目標物に向けた状態で目標物と撮像部との距離を一定に保つ操作をしようとすると、内視鏡の操作者にとって非常に負担が大きい。また、特許文献２に開示された技術では、エンドエフェクタと目標物との距離の調整を操作者が手作業で行わなければならない。
本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、医療システムの可動範囲内において目標物に対する好適な位置関係となるように自動調整可能な医療システムおよびその作動方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様は、エンドエフェクタ及び前記エンドエフェクタの向き及び位置を変化させる複数の関節を有する遠位端部と、前記関節を動作させるための動力を発生させる駆動部と、前記駆動部を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、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、前記エンドエフェクタと前記目標物との距離を計測する距離計測部と、前記エンドエフェクタが前記目標物に向かい、かつ、前記エンドエフェクタと前記目標物との距離が所定距離となるように、前記関節の動作量を算出する補正量演算部と、前記駆動部を動作させるための駆動信号を前記動作量に基づいて生成して前記駆動部へ出力する駆動信号生成部と、を含む、ことを特徴とする医療システムである。

上記態様の医療システムは、前記制御部に接続されているとともに前記関節が外部から受ける力を検知する力検知部をさらに備え、前記制御部は、前記関節が外部から受ける力が所定値を超えたか否かを判定する外力判定部をさらに備え、前記補正量演算部は、前記外力判定部において前記力が前記所定値を超えたと判定された場合に前記エンドエフェクタと前記目標物との距離を前記所定距離よりも短縮するための補正指令を生成してもよい。

上記態様の医療システムは、前記制御部に接続されているとともに前記関節が外部から受ける力を検知する力検知部をさらに備え、前記遠位端部は、前記関節を３つ以上有し、前記制御部は、複数の前記関節のうち所定値を超える前記力がかかった関節を特定する関節特定部をさらに備え、前記補正量演算部は、前記関節特定部において特定された関節にかかる前記力が前記所定値以下となり、かつ前記エンドエフェクタの位置及び姿勢が維持されるように、前記関節特定部が特定した関節を移動させるための補正指令を生成してもよい。

前記エンドエフェクタは、前記目標物を撮像する撮像部を有し、前記特徴点設定部は、前記撮像部が撮像した画像を用いて前記目標物を認識し、前記補正量演算部は、前記撮像部の画像中心に前記目標物が位置するように前記駆動部の動作量を算出してもよい。

前記撮像部は、前記目標物のステレオ画像を撮像可能であり、前記距離計測部は、前記ステレオ画像を用いて前記目標物と前記撮像部との距離を算出してもよい。

上記態様の医療システムは、前記制御部に操作指令を与えるための操作部をさらに備え、前記操作部は、前記エンドエフェクタに対応する入力部と前記関節に対応する複数のマスタ関節とを有し前記遠位端部に倣った形状をなすマスタアームと、前記制御部に接続され前記マスタ関節の動作を制御するマスタ駆動部と、を有し、前記制御部は、前記マスタ関節の動作量を検知して対応する前記関節の動作量を含む操作指令を生成する操作指令生成部をさらに有し、前記駆動信号生成部は、前記関節と前記マスタアームとが相似関係を維持するように前記マスタ駆動部に駆動信号を出力してもよい。

前記遠位端部は、医療器具を挿通可能なチャンネルを有していてもよい。

上記態様の医療システムは、前記チャンネルに挿通可能な処置具が前記チャンネルに挿通された状態であるか否かを判定するように前記チャンネルに設けられた挿入状態判定機構と、前記挿入状態判定機構における判定状態に基づいて、前記処置具の種別に対応して予め設定された第二の所定距離を取得する挿入状態検出部と、前記エンドエフェクタと前記目標物との距離の制御目標値を前記第二の所定距離に設定する制御目標値設定部と、をさらに有し、前記補正量演算部は、前記エンドエフェクタと前記目標物との距離が前記第二の所定距離となるように、前記関節の動作量を算出してもよい。

本発明の別の態様は、エンドエフェクタ及び前記エンドエフェクタの向き及び位置を変化させる複数の関節を有する遠位端部と、前記関節を動作させるための動力を発生させる駆動部と、前記駆動部を制御する制御部とを有する医療システムの作動方法であって、前記制御部が、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認識ステップと、前記制御部が、前記エンドエフェクタと前記目標物との距離を計測する距離計測ステップと、前記制御部が、前記エンドエフェクタが前記目標物に向かい、かつ前記エンドエフェクタと前記目標物との距離が所定距離となるように、前記関節の動作量を算出する補正量演算ステップと、前記制御部が、前記駆動部を動作させるための駆動信号を前記動作量に基づいて生成して前記駆動部へ出力する駆動信号生成ステップと、を含む、医療システムの作動方法である。

本発明によれば、医療システムの可動範囲内において目標物に対する好適な位置関係となるようにエンドエフェクタの位置及び姿勢を自動調整することができる。

本発明の第１実施形態の医療システムの全体図である。 医療システムのマニピュレータを一部断面で示す図である。 医療システムの操作入力装置を示す模式図である。 医療システムの要部のブロック図である。 医療システムの要部のブロック図である。 医療システムの制御部における制御手順を説明するためのフローチャートである。 医療システムの作用を説明するための図である。 医療システムの作用を説明するための図である。 医療システムの作用を説明するための図である。 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全体図である。 医療システムの要部のブロック図である。 医療システムの制御部における制御手順を説明するためのフローチャートである。 医療システムの作用を説明するための図である。 医療システムの作用を説明するための図である。 同実施形態の変形例の医療システムのマニピュレータの一部を示す模式図である。 医療システムの要部のブロック図である。 医療システムの制御部における制御手順を示すフローチャートである。 医療システムの作用を説明するための図である。

（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、本実施形態の医療システムの全体図である。図２は、医療システムのマニピュレータを一部断面で示す図である。図３は、医療システムの操作入力装置を示す模式図である。図４及び図５は、医療システムの要部のブロック図である。図６は、医療システムの制御部における制御手順を説明するためのフローチャートである。図７から図１０までは、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、操作入力装置２０（操作部）と、関節制御装置５０とを有する。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３０、表示装置３５、及び光源装置４０を含んでいてもよい。

図１及び図２に示すマニピュレータ２は、患者の体腔内や消化管内（以下「体内等」という）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（図１０参照）。図１に示すように、マニピュレータ２は、操作入力装置２０、関節制御装置５０、画像処理装置３０、表示装置３５、及び光源装置４０に接続される。また、本実施形態のマニピュレータ２に、軟性内視鏡に挿入可能な公知の処置具１００を取付けることができる。図２に示すように、処置具１００は、細長の挿入体１０１と、処置具１００の種別が記憶された処置具種別情報記憶部１０２とを有している。処置具種別情報記憶部１０２は、たとえば、関節制御装置５０によって読み出し可能な不揮発記憶媒体を含む。処置具１００の構成は、例えば電動動作可能で操作入力装置２０において遠隔操作できるもの等が適宜採用されてよい。また、マニピュレータ２は、必要に応じて、懸架装置１１０に保持される。
マニピュレータ２は、挿入部３と、駆動部１５と、接続部１６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８と、可撓管形状センサ１３、近位端部１４と、を有する。遠位端部４及び長尺部８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８の挿入方向の先端側に配されている。近位端部１４は、長尺部８の基端側に配されている。挿入部３の内部には、処置具１００を挿通するためのチャンネル１０が配されている。

挿入部３の遠位端部４は、チャンネル遠位部１０Ａと、撮像部５と、照明部６と、関節部７とを有する。遠位端部４は、関節部７によって長尺部８の先端に接続されている。

図２に示すように、チャンネル遠位部１０Ａは、処置具１００を挿通可能なチャンネル１０の一部を構成する。チャンネル遠位部１０Ａは、挿入部３の遠位端部４における最も遠位端に、遠位開口１１を有する。チャンネル遠位部１０Ａの基端は、後述するチャンネルチューブ１０Ｂに接続されている。チャンネル遠位部１０Ａの遠位開口１１から、チャンネル１０に挿入された処置具１００の挿入体１０１を突出させることができる。
チャンネル遠位部１０Ａは、チャンネル１０に挿入された処置具１００の挿入体１０１と係合するストッパ（不図示）と、チャンネル１０に処置具１００が挿入されている場合にオンとなりチャンネル１０に処置具１００が挿入されていない場合にオフとなるスイッチ１０ａ（挿入状態判定機構）とを有している。
ストッパは、チャンネル遠位部１０Ａの遠位開口１１から処置具１００が突出する長さの上限値を規定する。本実施形態では、ストッパと処置具１００とが係合した状態で医療システム１が使用される。このため、本実施形態の医療システム１において、使用中の処置具１００がチャンネル１０の遠位開口１１から突出する長さは既知である。この長さは、処置具１００の種類によって異なっていてもよい。また、異なる処置具１００であっても処置具１００がチャンネル１０の遠位開口１１から突出する長さが互いに等しくなるように、各処置具１００が構成されていてもよい。
なお、軟性の挿入体を備えた公知の内視鏡用処置具をチャンネル１０に挿入して使用することもできる。

撮像部５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５は、遠位端部４の遠位部分に配されている。撮像部５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５の光軸は、挿入部３の遠位端部４の長手軸と平行に延びている。これにより、本実施形態の撮像部５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５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５は、視野内に捉えた物体までの距離を測定するための画像を撮像することができる。たとえば、撮像部５は視差を有する一組の画像（第一画像及び第二画像）を撮像することができる一組の撮像素子を備えている。なお、一組の撮像素子を撮像部５が備えていることに代えて、視差を有する一組の像を１つの撮像素子に結像させる光学系を撮像部５が備えていてもよい。撮像部５が撮像した一組の画像は、後述する制御部５１において、ステレオ計測による距離測定に使用される。なお、撮像部５は距離の測定をするための画像を取得する機能を有していなくてもよい。この場合は、レーザー測距器等の公知の測距機構が挿入部３の遠位端部４に配される。
撮像部５は、取得した一組の画像の信号（画像信号）を後述する接続部１６を通じて画像処理装置３０へ出力する。

照明部６は、光源装置４０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５の撮像視野を照明する。なお、光源装置４０を備えない場合は、照明部６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。

関節部７は、回転軸を有する複数の関節７ａと、各関節７ａに対応して設けられた複数のエンコーダ７ｂと、隣り合う２つの関節７ａを繋ぐアーム７ｃとを有する。

関節７ａは、アーム７ｃの両端部に配されている。これにより、関節部７は、関節７ａの回転軸において屈曲するように変形可能である。関節部７のエンコーダ７ｂは、対応する関節７ａの動作量を検出することができる。本実施形態の関節部７は、対応する関節７ａの動作量を個別に検出する複数のエンコーダ７ｂを、関節７ａに有している。なお、エンコーダ７ｂは、関節７ａを動作させる駆動部１５のモータに設けられていてもよい。駆動部１５のモータにエンコーダ７ｂが配されている場合には、エンコーダ７ｂは駆動部１５のモータの駆動量を検知する。この場合、制御部５１において、モータの駆動量と関節７ａの動作量との関係を示す情報に基づいて関節７ａの動作量を算出することができる。
関節部７は、関節７ａの数に対応した数の自由度を有する。なお、図１から図３までには関節７ａを２つ備えた例が示されているが、関節７ａの数は２つには限定されない。また、関節７ａは、ロール，ピッチ，ヨーの各自由度に対応したものであってもよい。なお、関節７ａは、回転関節には限られず、進退動作するものであってもよい。

長尺部８は、可撓管９と、チャンネルチューブ１０Ｂと、チャンネル近位部１０Ｃとを有する。また、関節部７と駆動部１５とを接続するアングルワイヤが長尺部８の内部に挿通されている。本実施形態では、関節部７の関節７ａを個別に動作させるために、各関節７ａに対応する複数のアングルワイヤが長尺部８の内部に挿通されている。

可撓管９は、挿入部３の遠位端部４と近位端部１４とを繋ぐ柔軟な管状部材である。可撓管９の先端は、関節部７の基端に接続されている。可撓管９は、挿入部３の遠位端部４及び近位端部１４に連通している。

チャンネルチューブ１０Ｂは、可撓管９の内部に配された柔軟な管状部材である。チャンネルチューブ１０Ｂは、処置具１００を挿通可能なチャンネル１０の一部を構成する。チャンネルチューブ１０Ｂの遠位端は、チャンネル遠位部１０Ａの近位端に接続されている。チャンネルチューブ１０Ｂの近位端は、チャンネル近位部１０Ｃの遠位端に接続されている。

チャンネル近位部１０Ｃは、処置具１００を挿通可能なチャンネル１０の一部を構成する。チャンネル近位部１０Ｃは、近位開口１２を有する。チャンネル近位部１０Ｃの近位開口１２から、処置具１００の挿入体１０１を挿入することができる。

可撓管形状センサ１３は、関節制御装置５０によって可撓管９の形状を検出するために、可撓管９の複数個所に磁気センサを有する。たとえば、可撓管形状センサ１３は、可撓管９の形状を算出するための情報（可撓管形状情報）を出力することができる。また、可撓管形状センサ１３は関節制御装置５０に接続されている。

駆動部１５は、挿入部３の近位端部１４に接続されている。駆動部１５は、関節部７に配された各関節７ａを動作させるための動力を発生させるために各関節７ａに対応して設けられた複数のモータ（アクチュエータ）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。駆動部１５が発する動力は、上述したアングルワイヤを通じて関節部７へ伝達される。

接続部１６は、駆動部１５に接続されている。接続部１６は、操作入力装置２０、画像処理装置３０、及び関節制御装置５０にマニピュレータ２を電気的に接続する。
接続部１６は、撮像部５が撮像した画像の信号（画像信号）を画像処理装置３０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１５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７ｂ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１６は、光源装置４０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。

図３に示すように、操作入力装置２０は、マスタアーム２１と、駆動部２４と、モードセレクタ２５とを有する。

マスタアーム２１は、入力部２２と、複数のマスタ関節２３ａと、各マスタ関節２３ａに対応する複数のエンコーダ２３ｂとを有する。マスタアーム２１の入力部２２が操作者によって移動されると、マスタ関節２３ａの姿勢が変化する。
エンコーダ２３ｂは、対応するマスタ関節２３ａに配されている。エンコーダ２３ｂは、対応するマスタ関節２３ａの動作量を検知して、マスタ関節２３ａの角度情報を関節制御装置５０へ出力する。マスタアーム２１に設けられたマスタ関節２３ａは、マニピュレータ２の関節部７に設けられた関節７ａと対応関係を有する。たとえば、マスタアーム２１に設けられたマスタ関節２３ａ及びエンコーダ２３ｂの組と、マニピュレータ２の関節部７に設けられた関節７ａ及びエンコーダ７ｂとの組との対応関係を示す対応関係データベースが、制御部５１の記憶部７０に記憶されている。操作者によるマスタアーム２１の操作に従ってマスタ関節２３ａが動作すると、動作したマスタ関節２３ａに対応するエンコーダ２３ｂがマスタ関節２３ａの動作量を検知して制御部５１へ出力する。制御部５１は、動作量の出力があったエンコーダ２３ｂに対応する関節７ａを、上記の対応関係データベースに基づいて特定する。制御部５１は、特定された関節７ａを動作させるための駆動信号を、エンコーダ２３ｂが検知した動作量に基づいて生成して、駆動部１５へと出力する。

操作入力装置２０の駆動部２４は、関節制御装置５０及びマスタ関節２３ａに接続されている。操作入力装置２０の駆動部２４は、関節制御装置５０から出力される駆動信号に従ってマスタ関節２３ａを動作させることができる。

モードセレクタ２５は、医療システム１の動作モードを切り替えるための切替スイッチ２６と、撮像部と目標物との距離を手動で設定するための距離入力機構２７とを有している。切替スイッチ２６及び距離入力機構２７は、関節制御装置５０に接続されている。距離入力機構２７は、たとえば、撮像部５と目標物Ｔとの距離の制御目標値の設定を再実行するためのスイッチである。
モードセレクタ２５は、操作者による操作に従って、制御部５１へモード情報を出力する。モード情報の例として、例えば、医療システム１の動作モードを指定するための情報、制御目標値の設定を再実行するための情報が挙げられる。

画像処理装置３０は、撮像部５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３０は、撮像部５から出力された画像信号に基づいて、画像信号に含まれる一組の画像（第一画像及び第二画像）のうちの所定の一方の画像（例えば本実施形態では第一画像）を、表示装置３５における表示に適合した形式の映像信号に変換する。画像処理装置３０は、映像信号を表示装置３５へ出力する。
また、画像処理装置３０は、撮像部５から出力された画像信号に基づいて、画像信号に含まれる第一画像の信号を第一画像データにエンコードし、画像信号に含まれる第二画像の信号を第二画像データにエンコードする。画像処理装置３０は、第一画像データ及び第二画像データを含む一組の画像データを制御部５１へ出力する。

表示装置３５は、画像処理装置３０から出力された映像信号の入力を受け付ける。表示装置３５は、例えば液晶モニタ３６を有する。

図１及び図４に示す関節制御装置５０は、マニピュレータ２の駆動部１５及び操作入力装置２０の駆動部２４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７０とを有する。

図４及び図５に示すように、制御部５１は、画像データ受付部５２、特徴点設定部５３、距離計測部５４、制御目標値設定部５５、距離比較部５６、判定部５７、姿勢演算部５８、特徴点抽出部５９、特徴点位置演算部６０、姿勢ずれ演算部６１、距離ずれ演算部６２、補正量演算部６３、操作指令生成部６４、駆動信号生成部６５、及び挿入状態検出部６６を有する。

画像データ受付部５２は、画像処理装置３０から出力された一組の画像データの入力を受け付ける。画像データ受付部５２は、一組の画像データを特徴点設定部５３に出力する。また、画像データ受付部５２は、一組の画像データのうちの第一画像データを特徴点抽出部５９及び距離計測部５４へ出力する。

特徴点設定部５３は、画像データ受付部５２が出力した一組の画像データの入力を受け付ける。特徴点設定部５３は、後述する所定の特徴点設定タイミングにおいて、一組の画像データのうちの第一画像データに基づいて、第一画像の中央を含む所定の範囲に対して、形状や色等に基づいて複数の特徴点を抽出する。本実施形態における第一画像の中央は、後述するロックオンモードにおける関心位置Ｔｓに対応する。特徴点設定部５３は、抽出した特徴点を示す特徴点データと第一画像の中央を示す中央点データとを含む情報を、特徴点パターンとして記憶部７０へ出力する。また、特徴点設定部５３は、特徴点パターンを距離計測部５４へ出力する。

距離計測部５４は、画像データ受付部５２が出力した一組の画像データの入力を受け付ける。また、距離計測部５４は、記憶部７０に記憶された特徴点パターンを読み込む。距離計測部５４は、一組の画像データの第二画像データにおいて特徴点パターンに対応する領域を特徴点マッチングの手法を用いて抽出する。距離計測部５４は、第一画像データと第二画像データとにおける特徴点パターンに対応する領域のずれ量の大きさを、特徴点パターンが設定された部位までの距離値に換算する。距離計測部５４における上記の換算において、距離計測部５４は、撮像部５において予め規定された基準点から特徴点が設定された部位までの距離値を取得する。距離計測部５４は、取得された距離値を制御目標値設定部５５及び距離比較部５６へ出力する。

制御目標値設定部５５は、距離計測部５４から出力された距離値の入力を受け付ける。制御目標値設定部５５は、後述するロックオンモードにおける初回の距離計測の後、及び距離入力機構２７への入力に基づく距離計測の後において、距離値を制御目標値として記憶部７０へ出力する。

距離比較部５６は、距離計測部５４が出力した距離値の入力を受け付ける。また、距離比較部５６は、記憶部７０に記憶された制御目標値を読み込む。
距離比較部５６は、距離計測部５４が出力した距離値と、（制御目標値−閾値）の値とを比較する。たとえば、距離比較部５６は、｛距離値−（制御目標値−閾値）｝の値を比較結果として判定部５７へ出力する。
また、距離比較部５６は、距離計測部５４が出力した距離値と、（制御目標値＋閾値）の値とを比較する。たとえば、距離比較部５６は、｛距離値−（制御目標値＋閾値）｝の値を比較結果として判定部５７へ出力する。
閾値は、制御目標値に対して誤差として許容できる距離に基づいた所定の値である。各閾値の絶対値は、互いに等しくてもよいし、互いに異なっていてもよい。
なお、記憶部７０に制御目標値が記憶されていない場合には距離比較部５６は動作しない。

判定部５７は、距離比較部５６が出力した比較結果の入力を受け付ける。判定部５７は、比較結果に基づいて、距離ずれ演算部６２への演算開始指令及び差分情報の出力の可否、並びに補正量演算部６３への距離補正開始指令の出力の可否を判定する。
一例として、判定部５７は、距離値が、（制御目標値−閾値）以下、又は（制御目標値＋閾値）以上であると判定した場合に、演算開始指令及び差分情報を、距離ずれ演算部６２へ出力する。演算開始指令とは、距離ずれ演算部６２において後述する距離ずれ量の算出のための演算を開始させるための指令である。差分情報とは、距離計測部５４によって計測された現在の距離値と、制御目標値との差分を示す情報である。
さらに、判定部５７は、この場合に、補正量演算部６３へ距離補正開始指令を出力する。判定部５７は、距離値が、（制御目標値−閾値）を超え、且つ（制御目標値＋閾値）未満である場合には、距離ずれ演算部６２への指令等や補正量演算部６３への指令の出力を行わない。

姿勢演算部５８は、マニピュレータ２の可撓管形状センサ１３が出力した可撓管形状情報の入力を受け付ける。また、姿勢演算部５８は、マニピュレータ２のエンコーダ７ｂが出力した角度情報の入力を受け付ける。姿勢演算部５８は、可撓管形状情報に基づいて、マニピュレータ２の可撓管９の姿勢を算出する。さらに、姿勢演算部５８は、エンコーダ７ｂからの角度情報に基づいて、関節部７の姿勢を算出する。姿勢演算部５８は、可撓管９及び関節部７の姿勢の算出結果に基づいて、関節部７の先端部分に位置する撮像部５の姿勢を示す情報（姿勢情報）を算出する。姿勢演算部５８において算出される姿勢情報は、例えば、可撓管９と関節部７との境界における可撓管９の中心を原点とする三次元直交座標系（以下、「基準座標系」という）における可撓管９及び関節部７の姿勢を示す座標等のデータを含む。また、姿勢情報は、関節部７の先端に配された撮像部５の姿勢を示す座標等のデータを含む。
姿勢演算部５８は、撮像部５の姿勢情報を、特徴点位置演算部６０、姿勢ずれ演算部６１、及び距離ずれ演算部６２へと出力する。

特徴点抽出部５９は、画像データ受付部５２が出力した第一画像データの入力を受け付ける。また、特徴点抽出部５９は、特徴点パターンを記憶部７０から読み込む。
特徴点抽出部５９は、第一画像データに対して特徴点パターンを用いて特徴点マッピングを行う。これにより、特徴点抽出部５９は、第一画像データに基づく第一画像において特徴点に対応する領域を抽出することができる。特徴点抽出部５９による抽出結果は、例えば、第一画像上において、特徴点パターンに含まれる中央点データに対応する点の位置（関心位置の現在位置）の情報を含む。
特徴点抽出部５９は、特徴点抽出結果を特徴点位置演算部６０へ出力する。

特徴点位置演算部６０は、姿勢演算部５８が出力した姿勢情報の入力を受け付ける。さらに、特徴点位置演算部６０は、特徴点抽出部５９から出力された抽出結果の入力を受け付ける。特徴点位置演算部６０は、姿勢情報及び抽出結果に基づいて、撮像部５に対する関心位置の現在位置を示す情報（位置関係情報）を算出する。
特徴点位置演算部６０は、位置関係情報を、姿勢ずれ演算部６１及び距離ずれ演算部６２へ出力する。

姿勢ずれ演算部６１は、姿勢演算部５８が出力した姿勢情報の入力を受け付ける。さらに、姿勢ずれ演算部６１は、特徴点位置演算部６０が出力した位置関係情報の入力を受け付ける。
姿勢ずれ演算部６１は、姿勢情報と位置関係情報とに基づいて、基準座標系における撮像部５の姿勢ずれ量を算出する。
姿勢ずれ演算部６１は、算出した姿勢ずれ量を補正量演算部６３へ出力する。

距離ずれ演算部６２は、姿勢演算部５８が出力した姿勢情報の入力を受け付ける。さらに、距離ずれ演算部６２は、特徴点位置演算部６０が出力した位置関係情報の入力を受け付ける。また、距離ずれ演算部６２は、記憶部７０に記憶された制御目標値を読み込む。
距離ずれ演算部６２は、判定部５７が出力した演算開始指令に従って、距離ずれ量の算出を開始する。まず、距離ずれ演算部６２は、姿勢情報と位置関係情報とに基づいて、撮像部５に対する関心位置の現在位置と撮像部５とを結ぶ直線方向を撮像部５の移動方向に設定する。次に、距離ずれ演算部６２は、演算開始指令の引数として判定部５７が出力した距離差分を撮像部５の移動方向における撮像部５の進退量に設定する。距離ずれ演算部６２は、撮像部５の移動方向と進退量とを含む情報を距離ずれ量として補正量演算部６３へ出力する。

補正量演算部６３は、姿勢ずれ演算部６１が出力する姿勢ずれ量の入力を受け付ける。また、補正量演算部６３は、判定部５７が出力する距離補正開始指令の入力を受け付ける。補正量演算部６３は、距離補正開始指令が入力されている状態において、距離ずれ量の入力を受け付けることができる。
補正量演算部６３は、姿勢ずれ量に基づいて、関節部７の各関節７ａを動作させるための補正指令（姿勢補正指令）を生成する。一例として、補正量演算部６３は、動作させる対象となる関節７ａを特定し、特定した関節７ａの動作量を示す角度情報を姿勢ずれ量に基づいて算出し、補正指令を生成する。
また、補正量演算部６３は、距離ずれ量に基づいて、関節部７の各関節７ａを動作させるための補正指令（距離補正指令）を生成する。一例として、補正量演算部６３は、動作させる対象となる関節７ａを特定し、特定した関節７ａの動作量を示す角度情報を距離ずれ量に基づいて算出し、補正指令を生成する。距離補正指令は、距離補正開始指令の入力があった場合に生成される。
補正量演算部６３は、距離補正開始指令の入力があった場合には補正指令として距離補正指令を生成し、距離補正開始指令の入力がなければ姿勢ずれ量の入力に基づいて補正指令として姿勢補正指令を生成する。補正量演算部６３は、姿勢補正指令の生成後、距離補正開始指令の入力がない場合には、姿勢補正指令を操作指令生成部６４へ出力する。補正量演算部６３は、距離補正開始指令の入力があった場合には、姿勢補正指令及び距離補正指令の生成後、姿勢補正指令及び距離補正指令を操作指令生成部６４へ出力する。

操作指令生成部６４は、補正量演算部６３が出力した補正指令の入力を受け付ける。また、操作指令生成部６４は、操作入力装置２０のエンコーダ２３ｂが出力した角度情報の入力を受け付ける。さらに、操作指令生成部６４は、操作入力装置２０のモードセレクタ２５が出力したモード情報の入力を受け付ける。
操作指令生成部６４は、モード情報に従って、マニュアルモードとロックオンモードとのいずれか一方を選択する。マニュアルモードで動作する操作指令生成部６４は、操作入力装置２０のエンコーダ２３ｂが出力する角度情報に基づいて操作指令を生成して駆動信号生成部６５へ出力する。ロックオンモードで動作する操作指令生成部６４は、操作入力装置２０のエンコーダ２３ｂが出力する角度情報と、補正指令に基づく角度情報とに基づいて操作指令を生成して駆動信号生成部６５へ出力する。

駆動信号生成部６５は、操作指令生成部６４が出力した操作指令の入力を受け付ける。駆動信号生成部６５は、操作指令に基づいて、マニピュレータ２の駆動部１５を駆動させるための駆動信号を生成する。また、駆動信号生成部６５は、マスタアーム２１が関節部７と相似形状を維持するように、操作入力装置２０の駆動部２４を駆動させるための駆動信号を生成する。

図５に示すように、挿入状態検出部６６は、スイッチ１０ａが出力するオンオフ信号の入力を受け付ける。
挿入状態検出部６６は、スイッチ１０ａからオン信号が入力されたときに、処置具１００の種別を特定する情報（種別情報）を処置具種別情報記憶部１０２から読み出す。本実施形態では、処置具種別情報記憶部１０２から挿入状態検出部６６が読み出した種別情報に基づいて、チャンネル１０の遠位開口１１から処置具１００が突出する長さを挿入状態検出部６６が算出又は取得する。たとえば、チャンネル１０の遠位開口１１から処置具１００が突出する長さが処置具１００の種別情報と対応付けされた状態でデータベースとして記憶部７０に予め記憶されており、挿入状態検出部６６は、種別情報に基づいて、チャンネル１０の遠位開口１１から処置具１００が突出する長さを記憶部７０から読み込む。挿入状態検出部６６は、種別情報に基づいて読み込まれた長さを新たな制御目標値（所定距離ｄ２）に設定し、所定距離ｄ２を引数として、制御目標値を所定距離ｄ２更新する指令（更新指令）を制御目標値設定部５５に出力する。
挿入状態検出部６６は、スイッチ１０ａからオフ信号が入力されたときに、制御目標値が再び距離値に基づく値となるように、制御目標値を更新する指令を制御目標値設定部５５に出力する。

なお、制御部５１は、体内への挿入部３の挿入量を計測可能なトロッカやマウスピースから、挿入部３の挿入量等の情報を取得できるようになっていてもよい。この場合には、体内における挿入部３の進退や回転をトロッカ若しくはマウスピースに接続された制御部５１を用いて計測した結果を、制御部５１において撮像部５の位置及び姿勢の変化の算出に利用できる。

制御部５１の動作について説明する。
制御部５１は、マニピュレータ２の駆動部１５を動作させるための動作モードとして、マニュアルモード（ノーマルモード）とロックオンモードとの２つの動作モードを有している。

マニュアルモードでは、使用者によるマスタアーム２１の操作に基づいて制御部５１が駆動信号を生成し、マニピュレータ２の駆動部１５に送信する。その結果、マニピュレータ２の関節部７は、マスタアーム２１の形状に倣った姿勢とされる。

ロックオンモードは、目標物を撮像部５の撮像視野の中心に捉え続けるように関節部７の動作を自動制御するモードである。ロックオンモードは、操作者がモードセレクタ２５の切替スイッチ２６を用いて動作モードをロックオンモードに設定する操作に従って開始する。

ロックオンモードでは、撮像部５が撮像する対象となる目標物の位置（関心位置Ｔｓ）が撮像部５の視野中心に常に位置するように駆動信号生成部６５が駆動信号を自動生成し、マニピュレータ２の駆動部１５に送信する。したがって、例えば使用者が挿入部３を動かすと、動かした後も撮像部５が関心位置Ｔｓに向くように、制御部５１によって関節部７の動作が制御される。すなわち、ロックオンモード中は、使用者がマニピュレータ２をどのように動かしても、撮像部５が関心位置Ｔｓに向くように駆動部１５が制御部５１により自動的に駆動される。ロックオンモード中、制御部５１は、撮像部５の視野中心に関心位置Ｔｓが位置するように、撮像部５の位置及び姿勢を自動制御する。これにより、ロックオンモード中、関心位置Ｔｓは、表示装置３５のモニタ３６（図１参照）に表示される視野画像の中心に常に位置する。

また、制御部５１は、ロックオンモード中、制御部５１に電気的に接続された距離入力機構２７に対する操作者による入力に従って、関心位置Ｔｓを再度設定することができる。たとえば、制御部５１は、撮像部５が撮像した画像を画像処理装置３０から取得し、距離入力機構２７に対する入力があった時点における撮像部５の視野中心Ｐ（図８参照）を、関心位置Ｔｓとして認識する。この場合、距離入力機構２７に対する操作者による入力があった時点が、上述の特徴点設定タイミング及び距離設定タイミングである。
このとき、制御部５１は、撮像部５の視野中心（関心位置Ｔｓ）の特徴点を認識することによって、関心位置Ｔｓが視野中心から移動した場合でも関心位置Ｔｓを識別することができる。特徴点は、例えば体内の臓器の表面形状、狭帯域光観察により撮像部５が取得する画像における血管走行、臓器に散布された色素による着色状態、臓器に対する焼灼により臓器表面に付されたマーキングなどに基づいて、SIFT (Scale-invariant feature transform)、やSURF (Speed-Upped Robust Feature)などの公知の特徴点認識技術により、画像中から得ることができる。

また、ロックオンモード中、マニピュレータ２の関節部７は制御部５１によって自動制御される。このとき、マスタ関節２３ａの動作可能範囲は、自動制御によって変更されたマニピュレータ２の関節部７の姿勢を反映するように、制御部５１によって制限される（制限ステップ）。たとえば、制御部５１は、ロックオンモード中の制御部５１によるマニピュレータ２の関節部７の自動制御に対応してマスタアーム２１を動作させるための駆動信号を、操作入力装置２０の駆動部２４へ送信する機能を有する。これにより、ロックオンモード中に、マニピュレータ２の関節部７とマスタアーム２１との相似関係は維持される。ロックオンモード中におけるマスタアーム２１は、関節部７とマスタアーム２１との相似関係が維持される範囲内において操作者によって操作されることができる。このため、ロックオンモード中に操作者が視点位置を変更することが可能であり、且つ、視点位置の変更後も撮像部５が関心位置Ｔｓに向くようにマニピュレータ２の関節部７が制御部５１によって自動制御される。

本実施形態の医療システム１の作動方法について、医療システム１の作用とともに説明する。

（処置対象となる目標物の観察）
まず、本実施形態の医療システム１を用いて処置対象を観察する場合における医療システム１の作動方法について説明する。

医療システム１の起動時には、医療システム１はマニュアルモードで動作する。すなわち、モードセレクタ２５における切替スイッチ２６の初期状態は、制御部５１をマニュアルモードに設定するようになっている。制御部５１は、切替スイッチ２６に対する入力によってロックオンモードに設定されていない場合（ステップＳ１においてＮｏ）には、マニュアルモードで動作し続ける（ステップＳ１３）。

図８に示すように、操作者は、マニュアルモードにおいて、表示装置３５のモニタ３６に表示される画像に処置対象として所望する部位（目標物）が表示されるように、マスタアーム２１を用いてマニピュレータ２の遠位端部４を動作させる。
そして、表示装置３５のモニタ３６に表示される画像の中央近傍に目標物Ｔが位置したとき（図８参照）に、操作者は、モードセレクタ２５の切替スイッチ２６を操作してロックオンモードを開始する。

操作者が、切替スイッチ２６を操作してロックオンモードを開始すると、モードセレクタ２５が出力するモード情報に基づいて、制御部５１の動作モード（医療システム１全体の動作モード）がロックオンモードに設定される（ステップＳ１においてＹｅｓ）。
制御部５１の動作モードがロックオンモードに設定されると、制御部５１はロックオンモードでの動作を開始する（ステップＳ２）。
制御部５１がロックオンモードで動作開始すると、特徴点設定部５３は、撮像部５の視野中心Ｐの位置（撮像部５の光軸の延長線上にある位置、図８参照）にある物体の特徴点を取得し、この特徴点を有する部位を、撮像部５が追尾する対象となる目標物として認識し、関心位置Ｔｓとして設定する（特徴点認識ステップ、ステップＳ３）。
続いて、距離計測部５４は、関心位置Ｔｓと撮像部５との距離を算出する（距離計測ステップ、ステップＳ４）。

続いて、距離計測部５４が計測した距離に基づいて、制御目標値となる所定距離ｄを制御目標値設定部５５が設定する（ステップＳ５）。
ロックオンモードでの動作開始後に最初に制御部５１の距離計測部５４が測った上記の距離は、ロックオンモードにおいて維持される制御目標値（所定距離ｄ）として、記憶部７０に記憶される。また、必要に応じて、操作者が所定距離ｄを数値等で直接入力することもできる。この場合には、制御部５１に記憶された所定距離ｄは、操作者が入力した値となる。

ロックオンモードで医療システム１が動作している状態において、操作者は、必要に応じて、操作入力装置２０のマスタアーム２１を動作させることによって、マニピュレータ２の関節部７を動作させるための入力を行うことができる。
操作者がマスタアーム２１を動作させると、マスタアーム２１に設けられたエンコーダ２３ｂから操作指令生成部６４へ角度情報が出力される。さらに、ロックオンモードで動作する制御部５１は、姿勢ずれ演算部６１において、光軸を中心とする所定範囲内に目標物が位置しているか否かを繰り返し判定する。光軸を中心とする所定範囲内に目標物が位置していないと姿勢ずれ演算部６１が判定した場合には、制御部５１は、画像上における目標物の位置が画像の中心（撮像部５の光軸の位置）に近づくように、駆動部１５を動作させるための補正指令を補正量演算部６３において生成する。補正量演算部６３は、補正指令を操作指令生成部６４へ出力する。

操作指令生成部６４は、マスタアーム２１のエンコーダ２３ｂから操作指令生成部６４へ出力された角度情報と、補正量演算部６３から操作指令生成部６４へ出力された補正指令とに基づいて、関節部７を動作させる操作指令を生成する（ステップＳ６）。操作指令生成部６４は、操作指令を駆動信号生成部６５へ出力する。

続いて、駆動信号生成部６５が、操作指令に基づいて駆動信号を生成して、マニピュレータ２の関節部７を動作させる駆動部１５へ駆動信号を出力する（ステップＳ７）。

続いて、制御部５１は、関心位置Ｔｓと撮像部５との距離値を算出する（ステップＳ８）。制御部５１は、所定間隔おきに、目標物（関心位置Ｔｓ）と撮像部５との距離を距離計測部５４において算出している。

続いて、制御部５１は、関心位置Ｔｓと撮像部５との距離が（制御目標値−閾値）を超えるか否か、及び、関心位置Ｔｓと撮像部５との距離が（制御目標値＋閾値）未満となるか否かを判定する（ステップＳ９）。本実施形態の制御部５１は、距離比較部５６において、距離計測部５４が出力した距離値と、（制御目標値−閾値）の値とを比較し、さらに、距離値と、（制御目標値＋閾値）の値とを比較する。さらに、本実施形態の制御部５１は、判定部５７において、関心位置と撮像部との距離値が、（制御目標値−閾値）を超え、（制御目標値＋閾値）未満となっているか否かを判定する（ステップＳ９）。

ステップＳ９において、関心位置Ｔｓと撮像部５との距離値が、（制御目標値−閾値）を超え、且つ（制御目標値＋閾値）未満となっていると判定部５７が判定した場合には、関心位置Ｔｓと撮像部５との距離は制御目標値に対して閾値以下の範囲の誤差を有する距離である。このため、制御部５１は、関心位置Ｔｓと撮像部５との距離の制御（ステップＳ１０及びステップＳ１１）をスキップする（ステップＳ９においてＹｅｓ）。

ステップＳ９において、関心位置Ｔｓと撮像部５との距離値が、（制御目標値−閾値）以下、又は（制御目標値＋閾値）以上となっていると判定部５７が判定した場合には、関心位置Ｔｓと撮像部５との距離は制御目標値に対して閾値を超える誤差を有する距離である。このため、制御部５１は、関心位置Ｔｓと撮像部５との距離の制御をするためにステップＳ１０へ進む（ステップＳ９においてＮｏ）。

ステップＳ１０において、制御部５１は、関心位置Ｔｓと撮像部５との距離値を制御目標値とするように撮像部５を移動させるための駆動部１５の動作量を算出する（補正量演算ステップ）。本実施形態の制御部５１は、距離ずれ演算部６２において距離ずれ量を算出し、続いて、関節部７の各関節７ａの動作量（角度情報）を含む補正指令を補正量演算部６３において生成し、操作指令生成部６４へと出力する。操作指令生成部６４は、補正量演算部６３が出力した補正指令（距離補正指令）に基づいて操作指令を生成し、駆動信号生成部６５へ出力する。

続いて、駆動信号生成部６５は、操作指令に基づいて駆動信号を生成してマニピュレータ２の駆動部１５へと駆動信号を出力する（ステップＳ１１）。
ステップＳ１１の終了後、制御部５１は、制御部５１の現在の動作モードを参照して、動作モードがロックオンモードであるか否かを判定する（ステップＳ１２）。ステップＳ１２において動作モードがロックオンモードと判定された場合（ステップＳ１２においてＹｅｓ）には、上記のステップＳ６へ進む。ロックオンモードでの制御部５１の動作が続いている間は、ステップＳ６からステップＳ１２までの各ステップが繰り返される。また、ステップＳ１２において動作モードがロックオンモードでない（ステップＳ１２においてＮｏ）と判定された場合には、ステップＳ１へ進む。

ステップＳ１からステップＳ１２までの各ステップによって、制御部５１は、図７及び図９に示すように、マニピュレータ２と目標物Ｔ（関心位置Ｔｓ）との位置関係が変わっても、目標物Ｔが画像の中央の所定範囲内に位置し、かつ目標物Ｔと撮像部５との距離が所定距離ｄに維持されるように、関節部７を移動させることができる。

このように、本実施形態では、目標物の観察をしているときにロックオンモードとすると、制御部５１は、目標物Ｔとマニピュレータ２との相対移動に対応して撮像部５が目標物を追尾するように関節部７の動作を制御して、観察に適した視点及び距離で目標物を観察し続けることを可能とする。

（目標物に対する処置）
次に、目標物を撮像部５の視野に捉えた状態で目標物を処置する場合における医療システム１の作動方法について、図１、図２、及び図１０を参照して説明する。
目標物に対する処置をする場合に、操作者は、図１０に示すように、所望の処置具１００をチャンネル１０に挿通する。チャンネル１０の遠位開口１１から処置具１００の遠位端が突出した状態で、処置具１００が使用される。

目標物に対して処置具１００を用いて処置をする場合には、処置具１００の遠位端に配された処置部１０１ａ（図１０参照）が目標物の位置に届く必要がある。本実施形態では、チャンネル１０に挿通された処置具１００がチャンネル１０の遠位開口１１から突出する長さは、チャンネル１０に配されたストッパが処置具１００と係合することによって一定となる。遠位開口１１からの処置具１００の突出長さは処置具１００の種別によって異なる場合があるが、本実施形態では、処置具種別情報記憶部１０２から挿入状態検出部６６が読み出した種別情報に基づいて、チャンネル１０の遠位開口１１から処置具１００が突出する長さを挿入状態検出部６６が取得する。このため、チャンネル１０の遠位開口１１から処置具１００が突出する長さは既知である。制御部５１は、処置具１００がチャンネル１０に挿通された場合に、チャンネル１０の遠位開口１１から処置具１００が突出する長さに基づいた所定の距離を、ロックオンモードにおいて維持される制御目標値（所定距離ｄ２）として設定する。

なお、観察に適した所定距離ｄの範囲は、撮像部５の光学系の特性によって決まる。処置時に適した所定距離ｄ２の範囲は、処置具１００の構成によって決まる。

本実施形態では、撮像部５とチャンネル１０の遠位開口１１とがいずれも遠位端部４の遠位端に配されているので、撮像部５とチャンネル１０の遠位開口１１とは、撮像部５の光軸方向において略同じ位置にある。したがって、撮像部５と目標物との距離を上記の所定距離ｄ２とすることによって、チャンネル１０の遠位開口１１から目標物までの距離も、ほぼ所定距離ｄ２となる。このため、目標物と処置具１００との位置関係は、目標物に対して好適に処置をすることができる位置関係に維持される。

以上に説明したように、本実施形態の医療システム１によれば、マニピュレータ２の挿入部３の遠位端部４と目標物との距離を一定に保ち、且つマニピュレータ２が目標物に向かう状態を維持することができる。

本実施形態では、撮像部５が撮像した画像の中心に目標物が位置し、且つ目標物と撮像部５との距離を一定とするように制御部５１が駆動部１５の動作を制御する。したがって、本実施形態の医療システム１によれば、目標物を撮像部５の視野中心に捉え続けながら、目標物と撮像部５との距離を、目標物の観察に適した一定距離に維持することができる。

さらに本実施形態の医療システム１は、処置具１００を用いて目標物を処置するために好適な距離となるように、挿入部３の遠位端部４と目標物との距離を、制御部５１によって自動制御することができる。

（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１１は、本実施形態の医療システムの全体図である。図１２は、医療システムの要部のブロック図である。図１３は、医療システムの制御部における制御手順を説明するためのフローチャートである。図１４及び図１５は、医療システムの作用を説明するための図である。

図１１に示すように、本実施形態の医療システム１のマニピュレータ２は、関節部７に配された複数の関節７ａが外部から受ける力を検知する力検知部７ｄをさらに備えている。一例として、力検知部７ｄは、複数の関節７ａに個別に対応して各関節７ａに配されたトルクセンサを有する。図１２に示すように、力検知部７ｄは、制御部５１Ａに接続されている。

本実施形態の医療システム１の制御部５１Ａは、力検知部７ｄによる力の検知状態に応じてマニピュレータ２の駆動部１５の動作を変更する機能をさらに有する点で第１実施形態に開示された制御部５１と異なっている。

本実施形態の制御部５１Ａは、図１２に示すように、力検知部７ｄのトルクセンサが検知するトルクの大きさが所定値を超えたか否かを判定する外力判定部６７と、外力判定部６７においてトルクが所定値を超えたと判定された場合に撮像部５と関心位置Ｔｓとの距離を短縮する機能を有する補正量演算部６３Ａとをさらに含んでいる。補正量演算部６３Ａは、撮像部５と関心位置Ｔｓとの距離を短縮する機能を有している点以外は上記の第１実施形態の補正量演算部６３と同様である。

本実施形態の制御部５１Ａは、ロックオンモードの開始（図１３に示すステップＳ２１）後、関節部７が受ける外力の大きさを力検知部７ｄが検知して、外力の大きさ（本実施形態ではトルクの値）を外力判定部６７へ出力する。外力判定部６７は、力検知部７ｄから出力された外力の大きさ（トルクの値）に基づいて、所定値を超える外力を関節部７が受けているか否かを判定する（ステップＳ２２）。

ステップＳ２２において、所定値を超える外力を関節部７が受けていると判定された場合には、ステップＳ２３へ進み、撮像部５と関心位置Ｔｓとの距離が、現在の距離よりもわずかに短い距離となるように、マニピュレータ２の駆動部１５の動作量が補正されて、新たな動作量が算出される。たとえば、図７に示すように撮像部５と関心位置Ｔｓとの距離が制御目標値として設定された距離と一致している場合に、図１４に示すようにマニピュレータ２が移動すると、関節部７と臓器とが接触する。このとき、力検知部７ｄは、所定値を超える外力を関節部７が受けていることを、トルクセンサ（力検知部７ｄ）が所定値を超えるトルクを検知することによって、検知する。

撮像部５と関心位置Ｔｓとの距離が制御目標値として設定された距離と一致している場合に関節部７が所定値を超える外力を受けると、補正量演算部６３Ａは、撮像部５と関心位置Ｔｓとの距離が制御目標値よりもわずかに短い距離となるように、マニピュレータ２の駆動部１５の新たな動作量を算出することによって、駆動部の動作量を補正する。補正量演算部６３Ａは、補正された動作量を含む補正指令を操作指令生成部６４へ出力する。

補正量演算部６３Ａが操作指令生成部６４へ出力した補正指令は、駆動信号生成部６５へ出力される。駆動信号生成部６５は、駆動信号を生成して駆動部１５へ出力する。
本実施形態における制御部５１Ａは、関節部７が所定値を超える外力を受けた場合には、撮像部５と関心位置Ｔｓとの距離が現在の距離から僅かに減少するように（図１４及び図１５参照）、マニピュレータ２の駆動部１５に対して駆動信号を送信する。

関節部７に所定値を超える力がかかっていると外力判定部６７において判定されている間は、撮像部５と関心位置Ｔｓとの距離は減少し続ける。そして、外力判定部６７において関節部７に所定値を超える力がかかっていないと判定されたときに、制御部５１は、撮像部５と関心位置Ｔｓとの距離を短縮するためのステップＳ２３をスキップする。これにより、関節部７に所定値を超える力がかからなくなったら撮像部５と関心位置Ｔｓとの距離の減少が停止する（距離ｄ３、図１５参照）。関節部７に所定値を超える力がかからなくなったら、制御部５１は、撮像部５と関心位置Ｔｓとの距離を、制御目標値として設定された距離へ戻すように制御する。このため、所定値と等しいか所定値をごくわずかに超える力が関節部７にかかった状態で、関節部７の姿勢が制御部５１によって維持される。また、撮像部５と関心位置Ｔｓとの距離が制御目標値まで戻された状態では、所定値以下の力が関節部７にかかっている。又は、撮像部５と関心位置Ｔｓとの距離が制御目標値まで戻された状態では、関節部７に外力がかかっていない。また、制御目標値として設定された距離よりも撮像部５と関心位置Ｔｓとの距離を離間させようとすると、制御部５１は、撮像部５と関心位置Ｔｓとの距離を制御目標値に合わせるように、関節部７を自動制御する。

本実施形態の制御部５１は、ロックオンモードにおける関節部７の自動制御中に関節部７が臓器等にかける負荷を所定値近傍以下に抑えることができる。この所定値は、臓器等に対して負担にならない程度の大きさに設定されていることが好ましい。

本実施形態のマニピュレータ２の関節部７は撮像部５の視野外に位置する。このため、本実施形態のマニピュレータ２を用いて操作者が関節部７と臓器等との接触状態を認識しにくい場合がある。本実施形態では、関節部７が臓器等に接触した場合に、撮像部５と関心位置Ｔｓとの距離を短縮することによって、関節部７が臓器等から離間する方向へと関節部７を移動させることができる。また、本実施形態では、撮像部５と関心位置Ｔｓとの距離は、関節部７が受ける外力が所定値を超えない範囲で最長の距離に自動制御される。その結果、本実施形態のマニピュレータ２は、観察及び処置に適した距離の確保と、臓器等に対する負担の軽減とを好適に両立することができる。

関心位置Ｔｓに対して制御目標値として設定された距離が維持された状態で本実施形態の医療システム１が使用されているときに、マニピュレータ２が移動されたり、臓器が移動されたりすることによって、マニピュレータ２と関心位置Ｔｓとの位置関係が変わる場合や、マニピュレータ２の関節部７が臓器等に接する際の押し付け力が変わる場合がある。本実施形態の医療システム１は、これらの場合に、撮像部５が関心位置Ｔｓを視野中心に捉え続けながら、臓器に対する押し付け力による臓器への負担が許容範囲となるように、撮像部５と関心位置Ｔｓとの距離を自動調整する。すなわち、本実施形態の医療システム１は、ロックオンモード中に、撮像部５と関心位置Ｔｓとの距離を制御目標値に維持する状態と、撮像部５と関心位置Ｔｓとの距離を可能な範囲で制御目標値に近い距離とする状態とを、必要に応じて自動的に切り替えることができる。これにより、臓器に対する負担の軽減を優先しつつ、目標物となる臓器等に対する観察や処置も好適に進めることが、本実施形態の医療システム１によって可能となる。

（変形例）
上記の第２実施形態の変形例について説明する。図１６は、本変形例の医療システムのマニピュレータの一部を示す模式図である。図１７は、本変形例の医療システムの制御部の要部を示すブロック図である。図１８は、医療システムの制御部における制御手順を示すフローチャートである。図１９は、医療システムの作用を説明するための図である。
図１６に示す本変形例におけるマニピュレータ２の関節部７は、撮像部５の位置及び姿勢を制御するために必須となる自由度を超える冗長自由度を有する。関節部７に必須となる自由度の数は、マニピュレータ２が挿入される対象となる部位の形状などを考慮して決定されてよい。たとえば、複雑に湾曲した管腔臓器（例えば小腸）にマニピュレータ２が挿入される場合には、管腔臓器の形状に倣って関節部７を湾曲させるための自由度の数が多い方が好ましい。
本変形例のマニピュレータ２の関節部７は、撮像部５の１つの位置及び姿勢に対して様々な形状を取ることができる。たとえば、マニピュレータ２の関節部７は、常用される関節７ａに加えて、冗長自由度を利用する場合にのみ動作される冗長関節７ｅを有する。なお、本変形例の冗長関節７ｅには、第１実施形態と同様のエンコーダ７ｂが配されている。これにより、冗長関節７ｅの利用時には、常用の関節７ａ及び冗長関節７ｅの動作を制御部５１（図１参照）において取得することができる。

図１７に示すように、本変形例の制御部５１は、複数の関節７ａのうち所定値を超える外力がかかった関節７ａを特定する関節特定部６８を含む。
さらに、本変形例の制御部５１は、第２実施形態に開示された補正量演算部６３Ａに代えて、関節特定部６８によって特定された関節７ａ（又は冗長関節７ｅ）にかかる力が所定値以下となり、かつ撮像部５の位置及び姿勢が維持されるように、駆動部１５を補正する新たな動作量を算出する補正量演算部６３Ｂを含んでいる。

本変形例では、医療システム１においてロックオンモードが開始（図１８に示すステップＳ３１）された後、図１７に示す関節特定部６８が、複数の力検知部７ｄ（例えばトルクセンサ）から出力される力の大きさ（トルク）を取得して、所定値を超える外力を関節部７が受けているか否かを判定する（ステップＳ３２）。

所定値を超える外力を関節部７が受けている場合には、関節特定部６８は、複数の関節７ａ（又は冗長関節７ｅ）のうち、所定値を超える外力を受けている関節７ａ（又は冗長関節７ｅ）を特定する情報（移動対象関節）を補正量演算部６３Ｂへ出力する。

補正量演算部６３Ｂは、所定値を超える外力を受けているとして特定された関節７ａ、７ｅの外力を緩和するように関節７ａ、７ｅを移動させるための動作量を含む補正指令を生成して、操作指令生成部６４へ出力する。

操作指令生成部６４は、補正指令に従って操作指令を生成して駆動信号生成部６５へ出力する。

駆動信号生成部６５は、関節特定部６８が特定した関節７ａ（又は冗長関節７ｅ）を移動させるための駆動信号を操作指令に従って生成し、駆動部１５へ出力する。

本変形例では、図１９に示すように、関節部７に設けられた複数の関節７ａ（又は冗長関節７ｅ）のうち、所定値を超える外力がかかっている関節７ａ、７ｅについて、この関節７ａ、７ｅに加わる外力を緩和しつつ、撮像部５の位置及び姿勢を維持するように、制御部５１が、冗長自由度を含むすべての自由度を使用して関節部７の姿勢を自動制御する。また、本変形例では、関節部７が冗長自由度を有しているので、撮像部５の位置及び姿勢を維持するように、制御部５１が、冗長自由度を含むすべての自由度を使用して関節部７の姿勢を自動制御することができる。

なお、撮像部５の位置及び姿勢を維持可能な動作量を制御部５１が算出できない場合には、制御部５１は、上記の第２実施形態と同様に、撮像部５と関心位置Ｔｓとの距離を減少させる。

本変形例によれば、撮像部５の位置及び姿勢が可能な限り維持されるので、観察や処置に適した状態をより安定して得ることができる。

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、マニピュレータのチャンネルには、処置具に限らず内視鏡が挿入されてもよい。内視鏡がマニピュレータのチャンネルに挿入される場合には、マニピュレータの撮像部と内視鏡の撮像部が併用されてもよい。

また、マニピュレータの関節部が複数の関節を有しているときに、全ての関節に外力がかかっていると制御部が判定した場合に、全ての関節にかかる外力の大きさが所定の上限と下限との間に収まるように、制御部が各関節の配置を決定してもよい。この場合、関節部が局所的に臓器等を圧迫することを避けることで、臓器等にかかる負担を軽減することができる。

また、制御部は、関節部が外部から受ける力の方向を検知できる機能を有していてもよい。この場合、関節部が受ける外力の方向に基づいて、外力を緩和するために関節をどちらへ移動させるかを制御部が容易に判定できる。

また、内視鏡を挿通することができるチャンネルを備えたマニピュレータは、撮像部を備えていなくてもよい。たとえば、マニピュレータは、処置対象部位に対する処置をするための医療器具（たとえば鉗子、ナイフ、クリップ、ステープラなど）をエンドエフェクタとして挿入部の遠位端部に有し、マニピュレータのチャンネルに挿入される内視鏡は、処置対象部位に対する観察用の撮像部を有する。この場合、マニピュレータ及び内視鏡が組み合わせ可能な状態で医療システムが構成される。さらにこの場合、医療システムの関節制御装置は、内視鏡が取得した画像に基づいてマニピュレータの関節部を動作させることによって、ロックオンモードで医療システムを制御することができる。

また、チャンネルに対する処置具の挿入の有無を判定するスイッチに代えて、撮像部の撮像視野内に処置具が位置するか否かに基づいて挿入状態検出部にオンオフ信号を出力する不図示の画像解析部を制御部が有していてもよい。

また、力検知部がトルクセンサを備えることに代えて、力検知部が歪ゲージを備えていてもよい。

また、上述の各実施形態及び変形例において示した構成要素は適宜に組み合わせて構成することが可能である。

本発明は、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 挿入部の遠位端部
５ 撮像部
６ 照明部
７ 関節部
７ａ 関節
７ｂ エンコーダ
７ｃ アーム
７ｄ 力検知部
７ｅ 冗長関節
８ 長尺部
９ 可撓管
１０ チャンネル
１０Ａ チャンネル遠位部
１０Ｂ チャンネルチューブ
１０Ｃ チャンネル近位部
１１ 遠位開口
１２ 近位開口
１３ 可撓管形状センサ
１４ 挿入部の近位端部
１５ 駆動部
１６ 接続部
２０ 操作入力装置
２１ マスタアーム
２２ 入力部
２３ａ マスタ関節
２３ｂ エンコーダ
２４ 駆動部
２５ モードセレクタ
２６ 切り替えスイッチ
２７ 距離入力機構
３０ 画像処理装置
３５ 表示装置
３６ モニタ
４０ 光源装置
５０ 関節制御装置
５１、５１Ａ、５１Ｂ 制御部
５２ 画像データ受付部
５３ 特徴点設定部
５４ 距離計測部
５５ 制御目標値設定部
５６ 距離比較部
５７ 判定部
５８ 姿勢演算部
５９ 特徴点抽出部
６０ 特徴点位置演算部
６１ 姿勢ずれ演算部
６２ 距離ずれ演算部
６３、６３Ａ、６３Ｂ 補正量演算部
６４ 操作指令生成部
６５ 駆動信号生成部
６６ 挿入状態検出部
６７ 外力判定部
６８ 関節特定部
７０ 記憶部
１００ 処置具
１０１ 挿入体
１０２ 処置具種別情報記憶部

Claims (9)

1. エンドエフェクタ及び前記エンドエフェクタの向き及び位置を変化させる複数の関節を有する遠位端部と、
   前記関節を動作させるための動力を発生させる駆動部と、
   前記駆動部を制御する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、
   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、
   前記エンドエフェクタと前記目標物との距離を計測する距離計測部と、
   前記エンドエフェクタが前記目標物に向かい、かつ、前記エンドエフェクタと前記目標物との距離が所定距離となるように、前記関節の動作量を算出する補正量演算部と、
   前記駆動部を動作させるための駆動信号を前記動作量に基づいて生成して前記駆動部へ出力する駆動信号生成部と、
   を含む、
   医療システム。
2. 前記制御部に接続されているとともに前記関節が外部から受ける力を検知する力検知部をさらに備え、
   前記制御部は、前記関節が外部から受ける力が所定値を超えたか否かを判定する外力判定部をさらに備え、
   前記補正量演算部は、前記外力判定部において前記力が前記所定値を超えたと判定された場合に前記エンドエフェクタと前記目標物との距離を前記所定距離よりも短縮するための補正指令を生成する、
   請求項１に記載の医療システム。
3. 前記制御部に接続されているとともに前記関節が外部から受ける力を検知する力検知部をさらに備え、
   前記遠位端部は、前記関節を３つ以上有し、
   前記制御部は、複数の前記関節のうち所定値を超える前記力がかかった関節を特定する関節特定部をさらに備え、
   前記補正量演算部は、前記関節特定部において特定された関節にかかる前記力が前記所定値以下となり、かつ前記エンドエフェクタの位置及び姿勢が維持されるように、前記関節特定部が特定した関節を移動させるための補正指令を生成する、
   請求項１に記載の医療システム。
4. 前記エンドエフェクタは、前記目標物を撮像する撮像部を有し、
   前記特徴点設定部は、前記撮像部が撮像した画像を用いて前記目標物を認識し、
   前記補正量演算部は、前記撮像部の画像中心に前記目標物が位置するように前記駆動部の動作量を算出する
   請求項１に記載の医療システム。
5. 前記撮像部は、前記目標物のステレオ画像を撮像可能であり、
   前記距離計測部は、前記ステレオ画像を用いて前記目標物と前記撮像部との距離を算出する、
   請求項４に記載の医療システム。
6. 前記制御部に操作指令を与えるための操作部をさらに備え、
   前記操作部は、
   前記エンドエフェクタに対応する入力部と前記関節に対応する複数のマスタ関節とを有し前記遠位端部に倣った形状をなすマスタアームと、
   前記制御部に接続され前記マスタ関節の動作を制御するマスタ駆動部と、を有し、
   前記制御部は、前記マスタ関節の動作量を検知して対応する前記関節の動作量を含む操作指令を生成する操作指令生成部をさらに有し、
   前記駆動信号生成部は、前記関節と前記マスタアームとが相似関係を維持するように前記マスタ駆動部に駆動信号を出力する、
   請求項１に記載の医療システム。
7. 前記遠位端部は、医療器具を挿通可能なチャンネルを有する、
   請求項１に記載の医療システム。
8. 前記チャンネルに挿通可能な処置具が前記チャンネルに挿通された状態であるか否かを判定するように前記チャンネルに設けられた挿入状態判定機構と、
   前記挿入状態判定機構における判定状態に基づいて、前記処置具の種別に対応して予め設定された第二の所定距離を取得する挿入状態検出部と、
   前記エンドエフェクタと前記目標物との距離の制御目標値を前記第二の所定距離に設定する制御目標値設定部と、
   をさらに有し、
   前記補正量演算部は、前記エンドエフェクタと前記目標物との距離が前記第二の所定距離となるように、前記関節の動作量を算出する、
   請求項７に記載の医療システム。
9. エンドエフェクタ及び前記エンドエフェクタの向き及び位置を変化させる複数の関節を有する遠位端部と、前記関節を動作させるための動力を発生させる駆動部と、前記駆動部を制御する制御部とを有する医療システムの作動方法であって、
   前記制御部が、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認識ステップと、
   前記制御部が、前記エンドエフェクタと前記目標物との距離を計測する距離計測ステップと、
   前記制御部が、前記エンドエフェクタが前記目標物に向かい、かつ前記エンドエフェクタと前記目標物との距離が所定距離となるように、前記関節の動作量を算出する補正量演算ステップと、
   前記制御部が、前記駆動部を動作させるための駆動信号を前記動作量に基づいて生成して前記駆動部へ出力する駆動信号生成ステップと、
   を含む、
   医療システムの作動方法。

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