JP6270537B2 - 医療用システム - Google Patents
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Description
本発明の一態様は、生体に対して処置をする処置部、前記処置部を移動させる関節部、前記関節部に接続された可撓管部、及び前記可撓管部に接続され前記関節部を変位させる駆動部を備えた処置具と、遠位端と近位端とを有し前記処置部が前記遠位端から突出可能となるように前記処置具を保持する可撓性の外套管、及び少なくとも前記関節部を撮像視野に含む少なくとも1の画像を取得可能な撮像部を備えた内視鏡装置と、前記処置具の動作を前記画像に基づいて制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記関節部を動作させるためのパラメータを有するテーブルと、前記パラメータに基づいて前記駆動部を制御する指令を前記駆動部に対して発する制御器と、前記関節部の位置と姿勢との少なくともいずれかを前記画像に基づいて算出する画像処理部と、前記画像処理部により算出された前記関節部の位置と姿勢との少なくともいずれかに基づいて前記関節部の変位を検出し前記指令と前記関節部の変位との差分を補償する補償値を生成して前記パラメータに前記補償値を繰り入れる補償量演算部と、を備え、前記補償値を用いて前記駆動部の動作量と前記関節部の変位との関係についてキャリブレーションを行う医療用システムである。
前記制御部は、前記画像において前記関節部が特定できない場合に前記関節部が前記撮像部の撮像視野の外に位置していると判定し、前記関節部の特定可能領域を前記画像に重ねた指示画像を前記画像に代えて前記表示装置へ出力し、前記表示装置は、前記画像に代えて前記指示画像を受信したときには前記指示画像を表示し、前記画像処理部は、前記関節部の特定可能領域内に前記関節部が位置した画像を用いて前記関節部の位置と姿勢との少なくともいずれかを算出してもよい。
図1は、第1実施形態の医療用システムの全体構成の概略を示す斜視図である。本実施形態の医療用システムは、いわゆるマスタスレーブ方式のシステムである。すなわち、図1に示すように、医療用システム1は、操作者Opが処置のための操作をするマスタマニピュレータ2と、内視鏡装置3が設けられたスレーブマニピュレータ4と、マスタマニピュレータ2に対する操作に応じてスレーブマニピュレータ4を制御する制御部50(図4参照)とを持つ。
挿入部24は、外套管26と、観察装置23と、を持つ。
外套管26は、患者の体内に挿入される軟性の長尺の部材である。外套管26は、遠位端と近位端とを有し、処置具21が挿通可能な処置具チャンネル29を有している。
照明部30は、撮像部30の撮像視野に向けて照明光を発する。
なお、観察装置23は、外套管26に対して着脱可能であってよい。たとえば、観察装置として公知の内視鏡装置が適用され、外套管26にこの公知の内視鏡装置を挿入可能な内視鏡チャンネルが形成されていてもよい。
モータ35は、関節部22および処置部27の自由度に対して1つずつ配されている。本実施形態では、一つの関節部22を湾曲動作させるための1つのモータ35についてのみ説明する。なお、処置具駆動部32は、不図示の他のモータによって不図示の他の関節部22および不図示の他の処置部27を独立して駆動させることができる。
モータ35のモータ軸は、不図示の減速機構を介して駆動側回転体37に接続されている。モータ35としては、ステッピングモータ等が採用されてもよい。
エンコーダ36(図4参照)は、モータ35の不図示のモータ軸に非接触で取り付けられている。エンコーダ36は、制御部50に電気的に接続される。
また、本実施形態では、処置具21の先端部34は、処置具21の種類を特定するための標識部Xを有する。標識部Xは、たとえば印刷や刻印として腕部40に配されている。
図4に示すように、医療用システム1の制御部50は、マスタ制御部51と、スレーブ制御部52と、キャリブレーション部53と、画像処理部54と、補償量演算部55と、処置具情報記憶部56と、パラメータテーブル57と、制御器7と、を持つ。
スレーブ制御部52は、マスタ制御部51からの指令に基づいて多関節ロボット9と内視鏡装置3と処置具21とに対する駆動信号を出力する。
キャリブレーション部53は、処置具21の動作における補償用のパラメータを生成する。なお、キャリブレーション部53は、マスタ制御部51とスレーブ制御部52とのどちらに属していてもよく、マスタ制御部51とスレーブ制御部52とから独立していてもよい。
制御器7は、キャリブレーション部53において更新されパラメータテーブル57に記憶されたパラメータを利用してモータ35に出力を出す。
そして、更新されたヒステリシス値を用いてキャリブレーションが行われることになる。なお、ヒステリシス幅は、図7に示すフローチャートによって得られる。
図7に示すように、ヒステリシス幅の計測においては、撮像部30によって、少なくとも関節部22を撮像視野に含む少なくとも1の画像が取得される[画像取得開始](ステップST201)。たとえば、撮像部30により取得された画像は、関節部22を画像内に含んだ状態で表示装置6に表示される。
ここで、関節部22に動きがあったか否かが検出される[処置先端部が動いた](ステップST204)。
このとき、関節部22に動きがない場合、処置具先端角度情報が繰り返し検出される[処置具先端角度情報を検出](ステップST203)。
これに対して、関節部22に動きがあった場合、モータ35の駆動が一旦停止される[モータ駆動停止](ステップST205)。
なお、先端部34の初期値が既知である場合には、先端部34を一方向へ移動させることでヒステリシス幅を算出可能である。先端部34の初期値が不明である場合には、対向する2方向(たとえば左右方向)へ先端部34を往復移動させることで初期値不明のままヒステリシス幅を算出可能である。たとえば、先端部34を所定の一方向に移動させるためにモータ35を動作させ、先端部34の微小動作が検出されたときのモータ35の動作量を記憶し、続いて上記所定の一方向と反対方向に移動させるためにモータ35を動作させ、先端部34の微小動作が検出されたときのモータ35の動作量を記憶する。この過程で取得された2つの動作量の情報から、ヒステリシス幅を算出できる。
そして、補償量演算部55によって、指令が発せられてから関節部22の変位が開始するまでの間に、処置具駆動部32が駆動された量に基づくヒステリシス幅を算出して、ヒステリシス値を確定し、補償値uとする[ヒステリシス幅を算出](ステップST206)。このように、関節部22が微小動作するまでモータ35が駆動され、処置具駆動部32が駆動された量に基づいてヒステリシス幅が算出される。
図8に示すように、まず、内視鏡装置3の撮像部30によって画像情報59が取得される[内視鏡画像を取得](ステップST301)。
次に、標識部Xに基づいてあらかじめ設定されているパターンを参照したパターンマッチングにより、取得された画像情報59から処置具21の画像情報59が抽出される[パターンマッチにより画像から処置具を抽出](ステップST302)。
続いて、抽出された画像情報59から特徴点が抽出される[特徴点を抽出](ステップST303)。
そして、抽出された特徴点から処置具21の先端部34の角度情報が算出される[処置具先端角度情報を算出](ステップST304)。
次に、処置具21の先端部34の角度の変位量が算出される[処置具先端部の角度の変位量を算出](ステップST402)。
なお、上記実施形態では、パターンマッチングとオプティカルフローとのいずれかが採用される例を示したが、パターンマッチングとオプティカルフローとの両方の画像処理が可能な構成を有していてもよい。たとえば、標識部Xが識別可能でありパターンマッチング画像がある場合にはパターンマッチングが採用され、標識部Xが識別不能である場合や適切なパターンマッチング画像がない場合にはオプティカルフローが採用されてよい。すなわち、パターンマッチングとオプティカルフローとのどちらを採用するかが状況に応じて選択される構成を有していてもよい。
次に、本発明の第2実施形態について説明する。
図10は、第2実施形態の医療用システムのキャリブレーションを説明するフローチャートである。なお、以下の各実施形態において、第1実施形態と同一の部位には同一の符号を付してその説明は省略し、異なる点についてのみ説明する。
図10に示すように、本実施形態では、制御部50におけるキャリブレーション手順が上記実施形態と異なっている。本実施形態におけるキャリブレーションでは、処置具21の先端部34の切り返しの指令が発生してから、この指令に応じて処置具21の先端部34が切り返しを始めた遅れ時間を用いている。なお、本実施形態において、「切り返し」とは、所定の一方向に先端部34が変位している状態から先端部34が逆方向に変位するように変位方向が切り替わることをいう。
次に、切り返しの指令によって処置具21の先端部34が切り返しを始めた時のカウント値が取得される[処置具切り返し時カウント取得](ステップST502)。処置具21の先端部34が切り返しを始めたことは、上記第1実施形態で説明したパターンマッチングやオプティカルフローを用いて先端部34の変位を検出することで検出可能である。
そして、パラメータテーブル57が参照され[テーブル参照](ステップST504)、続いて遅れ時間に対する補償値が更新される[遅れ時間に対する補償値を更新](ステップST505)。ここで、遅れ時間は、以下の数式(2)によって表される位相進みフィルタ、数式(3)によって表される制御補償によって補償することができる。なお、時定数から位相進みフィルタを設定してもよい。
第2実施形態によれば、切り返しの指令が発生してから、処置具21の先端部34が切り返しを始めた時までの遅れ時間がパラメータテーブル57によって参照されて、遅れ時間に対する補償値が更新されることにより、ワイヤ38の特性変動があったとしても、キャリブレーションを行うことができる。
次に、本発明の第3実施形態について説明する。
図11は、第3実施形態の医療用システムのキャリブレーションを説明するフローチャートである。本実施形態では、制御部50におけるキャリブレーション手順が上記実施形態と異なっている。図11に示すように、本実施形態におけるキャリブレーションでは、指令により処置具21の先端部34を変位させる振幅と、実際に処置具21の先端部34が変位した振幅(角度応答)との比に基づいて補償量が変更される。
次に、処置具21の先端部34の振幅量が計測される[処置具先端部振幅計測](ステップST602)。
続いて、計測された振幅量がパラメータテーブル57で参照され[テーブル参照](ステップ603)、補償係数が更新される[補償係数を更新](ステップST604)。補償係数に基づいた補償値は、下記の数式(4)に定義された式におけるuとして表される。
次に、本発明の第4実施形態について説明する。
図12は、第4実施形態の医療用システムのキャリブレーションを説明するフローチャートである。本実施形態では、制御部50におけるキャリブレーション手順が上記実施形態と異なっている。
また、先端部34の検出が位置の場合もあり、この場合、以下の数式(6)、数式(7)において、θは先端部3の位置、θmはモータ35の位置、θ’は先端部34の速度、Jは先端部34の質量、Jmはモータ35の質量、Fはモータ35が発生する力、keは先端部34の並進方向の環境剛性、cは並進方向の粘性摩擦係数、fdは先端部34にかかる摩擦力、kはワイヤ38の剛性を示す。
モデル内のパラメータは、画像情報から得た先端角度情報と、モデル出力とを一致させるように繰り返し計算を行うことで得ることができる。
補償値uは、モデル内のパラメータを用いて、下記の数式(8)、数式(9)により求めることができる。
この場合、モデルの出力と指令出力とを一致させることにより、補償量を決定することができる。
なお、上記数式(6),数式(7)により表されるモデルは一例であり、他の関数によりモデルが定義されてもよい。
次に、本発明の第5実施形態について説明する。
図13は、第5実施形態の医療用システムのキャリブレーションを行う場合の先端部の斜視図である。本実施形態では、処置具チャンネル29の中心線方向における先端部34の進退量に対するキャリブレーションを制御部50が行う点で上記実施形態と異なっている。
図13に示すように、処置部27は、処置具駆動部32によって位置A1と位置A2との間のストローク長さL1で進退移動される。
次に、パターンマッチングにより内視鏡装置3の画像情報59から処置具21が検出される[パターンマッチングにより画像から処置具を検出](ステップST802)。
続いて、検出された処置具21において識別部(特徴点)Xが抽出される[特徴点を抽出](ステップST803)。
そして、抽出された識別部Xを用いて処置具21の進退量が算出される[処置具進退量を算出](ステップST804)。
本実施形態におけるキャリブレーションは、上記第1実施形態で説明したオプティカルフローを利用してもよい。すなわち、図15に示すように、まず、内視鏡装置3の最新の画像情報59が取得される。その後に、直前の内視鏡装置3の画像情報59が取得され、両画像情報59の偏差が算出されることにより、内視鏡先端の移動方向と移動距離が算出される[最新の内視鏡画像情報と直前の内視鏡画像情報の差分から内視鏡先端の移動方向と移動距離を算出](ステップST901)。
次に、処置具21の先端部34の進退量が算出される[処置具進退量を算出](ステップST902)。
次に、本発明の第6実施形態について説明する。
図16は、第6実施形態の医療用システムのキャリブレーションを行う場合の先端部の斜視図である。本実施形態では、処置具チャンネル29の中心線に直交する方向における先端部34の平行移動量に対するキャリブレーションを制御部50が行う点で上記実施形態と異なっている。
次に、パターンマッチングにより内視鏡装置3の画像情報59から処置具21が検出される[パターンマッチングにより画像から処置具を検出](ステップST1102)。
続いて、検出された処置具21において識別部(特徴点)Xが抽出される[特徴点を抽出](ステップST1103)。
そして、抽出された識別部Xを用いて処置具21の平行移動量が算出される[処置具平行移動を算出](ステップST1104)。
次に、処置具21の先端部34の平行移動量が算出される[処置平行移動量を算出](ステップST1202)。
また、上述の各実施形態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。
2 マスタマニピュレータ
3 内視鏡装置
4 スレーブマニピュレータ
5 マスタアーム
6 表示装置
7 載置台
8 多関節ロボット
21 処置具
22 関節部
23 観察装置
24 挿入部
25 外套管駆動部(駆動部)
26 外套管
27 処置部
29 処置具チャンネル
30 撮像部
31 照明部
32 処置具駆動部(駆動部)
33 軟性部
34 先端部
35 モータ
36 エンコーダ
37 駆動側回転体
38 ワイヤ
39 従動側回転体
40 腕部
50 制御部
51 マスタ制御部
52 スレーブ制御部
53 キャリブレーション部
54 画像処理部
55 補償量演算部
56 処置具情報記憶部
57 パラメータテーブル(テーブル)
58 入力(操作入力)
59 画像情報
Op 操作者
X 標識部
Claims (8)
- 生体に対して処置をする処置部、前記処置部を移動させる関節部、前記関節部に接続された可撓管部、及び前記可撓管部に接続され前記関節部を変位させる駆動部を備えた処置具と、
遠位端と近位端とを有し前記処置部が前記遠位端から突出可能となるように前記処置具を保持する可撓性の外套管、及び少なくとも前記関節部を撮像視野に含む少なくとも1の画像を取得可能な撮像部を備えた内視鏡装置と、
前記処置具の動作を前記画像に基づいて制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記関節部を動作させるためのパラメータを有するテーブルと、
前記パラメータに基づいて前記駆動部を制御する指令を前記駆動部に対して発する制御器と、
前記関節部の位置と姿勢との少なくともいずれかを前記画像に基づいて算出する画像処理部と、
前記画像処理部により算出された前記関節部の位置と姿勢との少なくともいずれかに基づいて前記関節部の変位を検出し前記指令と前記関節部の変位との差分を補償する補償値を生成して前記パラメータに前記補償値を繰り入れる補償量演算部と、
を備え、
前記補償値を用いて前記駆動部の動作量と前記関節部の変位との関係についてキャリブレーションを行う
医療用システム。 - 請求項1に記載の医療用システムであって、
前記画像処理部は前記画像を用いたパターンマッチングにより前記関節部の関節角度を算出する
医療用システム。 - 請求項1に記載の医療用システムであって、
前記画像処理部は前記画像において、最新の画像と時系列で直前に取得された画像との差分から前記関節部の変位を算出する
医療用システム。 - 請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の医療用システムであって、
前記制御部は、前記画像において前記関節部が特定できない場合に、前記画像に前記関節部が表示されるまで前記関節部を変位させる
医療用システム。 - 請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の医療用システムであって、
前記画像を表示可能な表示装置をさらに備え、
前記制御部は、前記画像において前記関節部が特定できない場合に前記関節部が前記撮像部の撮像視野の外に位置していると判定し、前記関節部の特定可能領域を前記画像に重ねた指示画像を前記画像に代えて前記表示装置へ出力し、
前記表示装置は、前記画像に代えて前記指示画像を受信したときには前記指示画像を表示し、
前記画像処理部は、前記関節部の特定可能領域内に前記関節部が位置した画像を用いて前記関節部の位置と姿勢との少なくともいずれかを算出する
医療用システム。 - 請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の医療用システムであって、
前記処置具は、前記処置具の構成を特定するための標識部を処置部と関節部との少なくともいずれかに有し、
前記制御部は、前記標識部に基づいて前記処置具を判別する
医療用システム。 - 請求項1から請求項6のいずれか一項に記載の医療用システムであって、
前記補償量演算部は、前記指令が発せられてから前記関節部の変位が開始するまでの間に前記駆動部が駆動された量に基づくヒステリシス幅を算出して前記補償値とする
医療用システム。 - 請求項6に記載の医療用システムであって、
前記制御部は、前記標識部に基づいて判別された前記処置具に対応して前記パラメータを変更する
医療用システム。
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