JP6739544B2 - 医療システムとその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、医療システムとその制御方法に関するものである。

冗長な自由度の関節を有する複数のアームを備えた医療システムが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
この医療システムは、各アームを構成する関節の冗長性を利用して、処置具の姿勢を変更することなくアームの各関節位置を移動させて、アームどうしの干渉やアームと障害物との干渉を回避することとしている。

米国特許出願公開第２０１３／３２５０３１号公報

しかしながら、特許文献１の医療システムにおいて、アームに自動的に干渉回避動作を行わせるために、膨大な計算を高速で行う必要があり、高性能計算機を用いる必要がある。特に、マスタの操作によってアームの先端の処置具をリアルタイムに移動させながら、干渉を回避するには、より多くの計算をリアルタイムに行う必要があり、高コストかつ動作が不安定になるという不都合がある。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、演算負荷を軽減しながら、アームの干渉をより確実に回避することができる医療システムとその制御方法を提供することを目的としている。

本発明の一態様は、冗長な自由度を有する関節群を備え、先端に取り付けた医療デバイスを移動させる複数のアームと、該アームを操作するための操作指令を入力する操作部と、該操作部に入力された前記操作指令に基づいて前記アームを制御する制御部とを備え、該制御部が、前記アームの干渉を予測する干渉予測部と、該干渉予測部により干渉が発生すると予測された場合に、患者に与える影響の大きさに基づいて、前記アームの優先度を算出する優先度算出部とを備え、該優先度算出部により算出された前記優先度が最も高い前記アームを他の前記アームから離間させる方向に動作させる医療システムである。

本態様によれば、操作者が操作部を操作して操作指令を入力すると、入力された操作指令に基づいて、制御部がアームを制御し、アームの先端に取り付けた医療デバイスによって処置対象に対し処置を行うことができる。この場合において、制御部は、冗長な自由度の関節については、これを停止させておくことにより、膨大な演算を行うことなく各関節の動作角度を求めてエンドエフェクタを適切な位置および姿勢に配置することができる。

操作部を操作していずれかのアームを動作させている間に、制御部に設けられた干渉予測部により、複数のアームの干渉が予測される。干渉予測部によって干渉が発生することが予測された場合には、優先度算出部により優先度が算出され、優先度が最も高いアームが、他のアームから離間させる方向に動作させられる。

この場合において、優先度は、患者に与える影響の大きさに基づいて算出されるので、患者に与える影響が小さいものほど高く設定される。これにより、優先度の最も高いアームを他のアームから離間させる方向に動作させることによって、患者に与える影響が大きなアームについて、操作部からの操作指令による動作を行わせるための計算に加えて、干渉回避動作を行わせるためのリアルタイムの計算を行う必要がない。したがって、膨大な計算によって動作が不安定になっても、患者に与える影響を低く抑えることができ、アームの干渉をより確実に回避することができる。

上記態様においては、前記優先度算出部が、前記アームに装着されている前記医療デバイスの種類に基づいて前記優先度を算出してもよい。
このようにすることで、患者に与える影響が大きい種類の医療デバイスが装着されているアームについては優先度を低くし、患者に与える影響が小さい種類の医療デバイスが装着されているアームについては優先度を高く設定することができる。

また、上記態様においては、前記優先度算出部が、前記アームに装着されている前記医療デバイスの作動状態に基づいて前記優先度を算出してもよい。
このようにすることで、同じ医療デバイスであっても、動作状態に応じて患者に与える影響が大きい場合には優先度を低くして、他の患者に与える影響の小さい医療デバイスが装着されているアームを動作させることができる。

また、上記態様においては、前記医療デバイスに加わる外力を検出する外力検出手段を備え、前記優先度算出部が、前記外力検出手段により検出された前記外力の大きさに比例した前記優先度を算出してもよい。
このようにすることで、外力検出手段により検出される外力が大きい場合には、医療デバイスが大きな力で患者に接触している可能性が高く、動作させた場合に患者に与える影響が大きいので、優先度を低く設定して、他の患者に与える影響の小さい医療デバイスが装着されているアームを動作させることができる。

また、上記態様においては、前記制御部は、前記優先度算出部により算出された前記優先度が最も高い前記アームの冗長な関節を動作させて、他の前記アームから離間させる方向に動作させてもよい。
このようにすることで、アームの先端に取り付けた医療デバイスの姿勢および位置を変化させずにアームを動作させることができる。これにより、処置対象に対する医療デバイスの状態を変化させることなく、アームどうしの干渉を回避することができる。

また、本発明の他の態様は、冗長な自由度を有する関節群を備え、先端に取り付けた医療デバイスを移動させる複数のアームの干渉を予測する予測ステップと、該予測ステップにおいて干渉が発生すると予測された場合に、患者に与える影響の大きさに基づいて前記アームの優先度を算出する優先度算出ステップと、該優先度算出ステップにおいて、最も高い優先度が算出された前記アームを他の前記アームから離間させる方向に動作させる干渉回避動作ステップとを含む医療システムの制御方法である。

本発明によれば、演算負荷を軽減しながら、アームの干渉をより確実に回避することができるという効果を奏する。

本発明の一実施形態に係る医療システムを示す全体構成図である。 図１の医療システムを示すブロック図である。 図１の医療システムの制御方法を説明するフローチャートである。

以下、本発明の一実施形態に係る医療システム１とその制御方法について、図面を参照して以下に説明する。
本実施形態に係る医療システム１は、図１に示されるように、患者Ｏを寝かせるベッド２と、該ベッド２の脇に配置された手術用ロボット３と、操作者によって操作される操作部４と、制御部５とを備えている。

手術用ロボット３は、複数、例えば４つのアーム（第１アームから第４アーム）６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄと、各アーム６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄを支持するベース７とを備えている（図１では手前側にアーム６ａ、奥行側にアーム６ｄを表示している。）。図１に示す例では、ベース７は、ベッド２の側方にフロアから立ち上がる構造を有しているが、これに限定されるものではなく、天井に固定される構造のものでもよい。

各アーム６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄは、それぞれ７軸以上の冗長な自由度を有する関節群８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄを備えている。
第１アーム６ａの先端には、内視鏡（以下、医療デバイスとも言う。）９が装着されており、他の３つのアーム（第２アームから第４アーム）６ｂ，６ｃ，６ｄの先端にはそれぞれ処置具（以下、医療デバイスとも言う。）１０が装着されている。

各アーム６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄには、図２に示されるように、該アーム６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄを構成している各関節を動作させるモータ等の駆動部１１と、該駆動部１１により動作させられる各関節の角度を検出する位置・姿勢センサ１２と、各アーム６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄに取り付けた医療デバイス９，１０の状態を検出する状態センサ（外力検出手段）２１とが備えられている。

位置・姿勢センサ１２は、各アーム６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄを構成している各関節の角度を検出して、位置・姿勢演算部１８にフィードバックするようになっている。
状態センサ２１は、例えば、医療デバイス９，１０の先端部に取り付けた歪みゲージ等の医療デバイス９，１０の先端部に作用する外力等を検出する力覚センサおよび／または医療デバイス９，１０が作動しているか否かを検出するセンサである。また、状態センサ２１が、医療デバイス９，１０の種類の情報を出力してもよい。

操作部４は、図１および図２に示されるように、操作者によって操作される操作入力部１４と、アーム６ａに装着された内視鏡９による患者Ｏの体内の画像を表示するモニタ１３とを備えている。操作入力部１４は、例えば、図２に示されるように、操作者が両手でそれぞれ把持する２つのハンドル（左ハンドルおよび右ハンドル）１５，１６と、切替スイッチ１７とを備えていて、切替スイッチ１７によって４つのアーム６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄの内のいずれか１つまたは２つのアーム、例えば、第２アーム６ｂおよび第３アーム６ｃを選択して、２つのハンドル１５，１６の操作により選択されたアーム６ｂ，６ｃを動作させることができるようになっている。

切替スイッチ１７により選択されたアーム６ｂ，６ｃが操作対象となり、選択されなかったアーム６ａ，６ｄは非操作対象となる。
操作者はモニタ１３上に表示された患者Ｏの体内の画像において、患部とアーム６ｂ，６ｃに取り付けられた処置具１０の先端部とを見ながら操作入力部１４を操作してアーム６ｂ，６ｃおよび処置具１０を動作させ患部を処置することができるようになっている。

制御部５は、操作入力部１４のハンドル操作により入力された操作指令に基づいて、操作対象となっているアーム６ｂ，６ｃの各関節の目標角度（動作目標位置）を演算する位置・姿勢演算部１８と、該位置・姿勢演算部１８により演算された各関節の目標角度に基づいて、操作対象となっていないアーム６ａ，６ｄとの干渉を予測する干渉予測部１９とを備えている。また、制御部５は、状態センサ２１により検出された医療デバイス９，１０の状態および干渉予測部１９による予測結果に基づいて、アーム６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄの優先度を算出し、優先度の最も高いアームの情報を出力する優先駆動設定部（優先度算出部）２２と、該優先駆動設定部２２から出力された情報に基づいて、いずれかのアーム６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄを動作させる駆動指令生成部２０とを備えている。

位置・姿勢演算部１８は、操作対象となっているアーム６ｂ，６ｃの冗長な自由度を構成する関節を除く６軸の関節群８ｂ，８ｃによって、操作入力部１４により入力された操作指令通りの医療デバイス９，１０の位置および姿勢を達成する場合の各関節の目標角度を演算するようになっている。これにより、操作指令に対応するアーム６ｂ，６ｃの各関節の角度は一義的に決定されるので、少ない演算量で目標角度を演算することができる。

また、干渉予測部１９は、位置・姿勢演算部１８により演算された操作対象となっているアーム６ｂ，６ｃの各関節の目標角度と、操作対象となっていないアーム６ａ，６ｄの現在の各関節の角度とに基づいて、アーム６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄの機構部（図示略）どうしの干渉の有無を予測するようになっている。機構部の寸法等は予め定まっているので、各関節の角度を決定することにより、アーム６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄの機構部どうしの干渉の有無を容易に予測することができる。

干渉予測部１９により、干渉することが予測された場合には、状態センサ２１から出力された医療デバイス９，１０の状態に基づいて、優先駆動設定部２２において優先度が算出され、最も高い優先度を有する医療デバイス９，１０が装着されているアーム６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄに干渉回避動作を行わせるように、駆動指令生成部２０が、駆動指令信号を生成するようになっている。
優先度は、例えば、医療デバイス９，１０の状態毎に設定されたスコアを合計することにより算出することにすればよい。

駆動指令生成部２０は、操作対象となっているアーム６ｂ，６ｃについては、位置・姿勢演算部１８において演算された各関節の目標角度に基づいて、各関節を駆動するための駆動指令信号を生成し、駆動部１１に送るようになっている。また、駆動指令生成部２０は、優先駆動設定部２２により、優先して干渉回避動作を行うように設定されたアーム６ａ，６ｄについては、冗長な自由度を構成する関節を含めた関節群８ａ，８ｄを動作させることにより、装着している処置具１０または内視鏡９の位置および姿勢を保持したまま、他のアーム６ｂ，６ｃから離間させる方向に移動させるよう、各関節の動作指令信号を生成するようになっている。

すなわち、駆動指令生成部２０は、干渉が予測され、優先して干渉回避動作を行うように設定されたアームが、操作対象となっていないアーム６ａ，６ｄである場合には、当該アーム６ａ，６ｄに干渉回避動作のみを実施させる駆動指令信号を生成するようになっている。一方、駆動指令生成部２０は、優先して干渉回避動作を行うように設定されたアームが操作対象となっているアーム６ｂ，６ｃである場合には、当該アーム６ｂ，６ｃに、各関節への目標角度に基づいて関節を駆動させる駆動指令信号と、干渉回避動作を行わせる駆動指令信号とを合成した駆動指令信号を生成するようになっている。

このように構成された本実施形態に係る医療システム１の制御方法について、以下に説明する。
本実施形態に係る医療システム１の制御方法においては、図３に示されるように、操作入力部１４の切替スイッチ１７によっていずれか１つまたは２つのアーム６ｂ，６ｃが操作対象に設定され（ステップＳ１）、操作入力部１４の左ハンドル１５または右ハンドル１６により操作指令が入力されたか否かが判定される（ステップＳ２）。

操作指令が入力された場合には、入力されたハンドル１５，１６に対応して操作対象に設定されているアーム６ｂ，６ｃを構成している各関節の目標角度が算出される（ステップＳ３）。この場合には、操作対象となっているアーム６ｂ，６ｃにおいては、ハンドル１５，１６から入力された操作指令に対応する医療デバイス１０の位置および姿勢を達成し得る最小限の数の関節の目標角度が算出される。

操作対象となっているアーム６ｂ，６ｃの各関節の目標角度が算出されると、操作対象となっていないアーム６ａ，６ｄとの干渉の有無の予測演算が行われる（予測ステップＳ４）。
予測ステップＳ４による予測の結果が判定され（ステップＳ５）、干渉するとの予測がなされた場合には、アーム６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄの優先度が算出され（優先度算出ステップＳ６）、優先度が最も高いアーム６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄが干渉回避動作を行うアームとして設定される（優先度算出ステップＳ７）。

優先度算出ステップＳ６においては、アーム６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄの先端に設けられた状態センサ２１により検出された医療デバイス９，１０の状態によりアーム６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄの優先度が算出される。
医療デバイス９，１０の状態が医療デバイス９，１０の種類である場合には、内視鏡９のように患部を観察するだけの医療デバイスは優先度が高く、把持鉗子（処置具）１０のように組織に接触して処置する医療デバイスの優先度は内視鏡９より低く、高周波デバイス（処置具）１０のようなエネルギデバイスの優先度が最も低くなるように算出される。

また、医療デバイス９，１０の状態が動作状態である場合には、把持鉗子１０が把持中あるいは高周波デバイス１０が通電中のように動作中の状態である場合に優先度が低くなるように算出される。
さらに、医療デバイス９，１０の状態が外力の大きさである場合には、医療デバイス９，１０の先端に加わる外力が小さいほど優先度が高くなるように算出される。

そして、干渉回避動作を行うアームとして設定されたアーム６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄおよび操作対象となっているアーム６ｂ，６ｃの各関節の駆動指令信号が、駆動指令生成部２０において生成される（ステップＳ８）。操作対象となっていないアーム６ａ，６ｄが干渉回避動作を行うアームとして設定された場合には、駆動指令生成部２０は、先端の医療デバイス９，１０の位置および姿勢を維持したまま基端側の１以上の関節の位置のみを移動させるように、冗長な自由度を有する関節群８ａ，８ｄを動作させる駆動指令信号を生成する。

一方、操作対象となっているアーム６ｂ，６ｃが干渉回避動作を行うアームとして設定された場合には、駆動指令生成部２０は、演算された目標角度を達成するための駆動指令信号と先端の医療デバイス１０の位置および姿勢を維持したまま基端側の１以上の関節を移動させるように、冗長な自由度を有する関節群８ｂ，８ｃを動作させる駆動指令信号とを合成した駆動指令信号を生成する。そして、生成された駆動指令信号に基づいて駆動部１１が駆動される（干渉回避動作ステップＳ９）。

また、予測ステップＳ４による予測の結果、干渉しないとの予測がなされた場合には、ステップＳ８からの処理が実施され、操作対象となっているアーム６ｂ，６ｃのみについて、駆動指令生成部２０により、演算された目標角度を達成するための駆動指令信号が生成され、生成された駆動指令信号に基づいて駆動部１１が駆動される（干渉回避動作ステップＳ９）。

このように、本実施形態に係る医療システム１とその制御方法によれば、干渉することが予測された場合に、優先度が最も高いアーム、すなわち、患者Ｏに与える影響が最も小さい医療デバイス９，１０が備えられたアーム６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄを、他のアーム６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄから離間させる方向に動作させることにより干渉を回避するので、患者Ｏに与える影響が大きいアーム６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄに干渉回避動作をさせずに済むという利点がある。

すなわち、患者Ｏに与える影響が大きいアーム６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄについては、操作入力部１４の左ハンドル１５または右ハンドル１６により入力された操作指令に対応して精度よく動作させる必要があるところ、干渉回避動作を重畳すると計算量が膨大となり、動作の精度が低下することが懸念される。一方、患者Ｏに与える影響が小さいアーム６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄについては、計算量が膨大となって動作の精度が低下しても、患者Ｏに係る負担が小さく問題とならない。
したがって、演算負荷を軽減し、患者Ｏにかかる負担を低減しながら、アーム６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄの干渉をより確実に回避することができるという利点がある。

なお、本実施形態においては、優先度を算出するための医療デバイス９，１０の状態として、医療デバイス９，１０の種類、医療デバイス９，１０の動作状態および、医療デバイス９，１０の先端にかかる負荷の大きさを例示したが、これら全てを指標としてもよいし、いずれか１つまたは２つを指標としてもよい。
例えば、優先度が低い順に、通電中の高周波デバイス１０、先端負荷の大きな医療デバイス１０、非通電中の高周波デバイス１０、先端負荷の小さな内視鏡９のように予め優先度を設定しておいてもよい。

また、本実施形態においては、４つのアーム６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄを有する場合について例示したが、２以上のアームであれば任意の数のアームを備えていてもよい。また、各アーム６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄの自由度も７軸以上であれば任意でよい。

また、本実施形態においては、優先度の最も高いアーム６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄのみによって干渉回避動作を行わせることとしたが、優先度の高い方から順に複数のアーム６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄによって干渉回避動作を行わせてもよい。また、優先度の最も高いアーム６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄのみによるのでは干渉が回避できない場合には、操作対象となっているアーム６ｂ，６ｃの動作を制限ないし停止させることにしてもよい。

１ 医療システム
４ 操作部
５ 制御部
６ａ 第１アーム（アーム）
６ｂ 第２アーム（アーム）
６ｃ 第３アーム（アーム）
６ｄ 第４アーム（アーム）
８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄ 関節群
９ 内視鏡（医療デバイス）
１０ 処置具（医療デバイス）
１９ 干渉予測部
２１ 状態センサ（外力検出手段）
２２ 優先駆動設定部（優先度算出部）
Ｏ 患者
Ｓ４ 予測ステップ
Ｓ６，Ｓ７ 優先度算出ステップ
Ｓ９ 干渉回避動作ステップ

Claims (8)

1. 冗長な自由度を有する関節群を備え、先端に取り付けた医療デバイスを移動させる複数のアームと、
   該アームを操作するための操作指令を入力する操作部と、
   該操作部に入力された前記操作指令に基づいて前記アームを制御する制御部と、
   前記医療デバイスに加わる外力を検出する外力検出手段と、
   を備え、
   該制御部が、前記アームの干渉を予測する干渉予測部と、該干渉予測部により干渉が発生すると予測された場合に、前記外力検出手段により検出された前記外力の大きさに基づいて、前記アームの優先度を算出する優先度算出部とを備え、該優先度算出部により算出された前記優先度が最も高い前記アームを他の前記アームから離間させる方向に動作させる医療システム。
2. 前記優先度算出部が、前記アームに装着されている前記医療デバイスの種類に基づいて前記優先度を補正する請求項１に記載の医療システム。
3. 前記優先度算出部が、前記アームに装着されている前記医療デバイスの作動状態に基づいて前記優先度を補正する請求項１または請求項２に記載の医療システム。
4. 前記制御部は、前記優先度算出部により算出された前記優先度が最も高い前記アームの冗長な関節を動作させて、他の前記アームから離間させる方向に動作させる請求項１から請求項３のいずれかに記載の医療システム。
5. 冗長な自由度を有する関節群を備え、先端に取り付けた医療デバイスを移動させる複数のアームの干渉を予測する予測ステップと、
   前記医療デバイスに加わる外力を検出するステップと、
   該予測ステップにおいて干渉が発生すると予測された場合に、検出された前記外力の大きさに基づいて前記アームの優先度を算出する優先度算出ステップと、
   該優先度算出ステップにおいて、最も高い優先度が算出された前記アームを他の前記アームから離間させる方向に動作させる干渉回避動作ステップとを含む医療システムの制御方法。
6. 前記優先度算出ステップは、前記アームに装着されている前記医療デバイスの種類に基づいて前記優先度を補正する請求項５に記載の医療システムの制御方法。
7. 前記優先度算出ステップは、前記アームに装着されている前記医療デバイスの作動状態に基づいて前記優先度を補正する請求項５に記載の医療システムの制御方法。
8. 前記干渉回避動作ステップは、算出された前記優先度が最も高い前記アームの冗長な関節を動作させて、他の前記アームから離間させる方向に動作させる請求項５に記載の医療システムの制御方法。

Images