JP6858750B2 - 医療用観察装置、駆動制御方法、医療用観察システム及び支持アーム装置 - Google Patents
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Description
1.第1の実施形態
1−1.観察システムの構成
1−1−1.全体構成
1−1−2.アクチュエータの構成
1−2.ケーブルの剛性に起因する外乱について
1−3.観察装置の機能構成
1−4.駆動制御方法
1−5.変形例
2.第2の実施形態
2−1.第2の実施形態に想到した背景
2−2.第2の実施形態の詳細
2−3.変形例
2−3−1.補償トルクτc’の大きさについて
2−3−2.第1及び第2の実施形態の組み合わせ
3.第1及び第2の実施形態についてのまとめ
4.補足
(1−1.観察システムの構成)
(1−1−1.全体構成)
図1を参照して、本開示の第1の実施形態に係る観察システムの構成について説明するとともに、当該観察システムを構成する観察装置の構成について説明する。図1は、第1の実施形態に係る観察システムの構成を示す図である。
表示装置20は、後述する観察装置10の制御装置450からの制御により、上述したように、観察装置10によって撮影された患者の術部の映像を表示する。表示装置20は、例えば手術室の壁面等、手術室内において術者によって視認され得る場所に設置される。表示装置20の種類は特に限定されず、表示装置20としては、例えばCRT(Cathode Ray Tube)ディスプレイ装置、液晶ディスプレイ装置、プラズマディスプレイ装置、EL(Electro−Luminescence)ディスプレイ装置等、各種の公知の表示装置が用いられてよい。また、表示装置20は、必ずしも手術室内に設置されなくてもよく、ヘッドマウントディスプレイ(HMD:Head Mounted Display)や眼鏡型のウェアラブルデバイスのように、術者が身に付けて使用するデバイスに搭載されてもよい。
観察装置10は、患者の術部を拡大観察するための顕微鏡部440と、顕微鏡部440を支持するアーム部420と、アーム部420の一端が接続され顕微鏡部440及びアーム部420を支持するベース部410と、観察システム1及び観察装置10の動作を制御する制御装置450と、を備える。
ベース部410は観察装置10の基台であり、ベース部410からアーム部420が延伸される。ベース部410にはキャスターが設けられており、観察装置10は、当該キャスターを介して床面と接地し、当該キャスターによって床面上を移動可能に構成されている。ただし、第1の実施形態に係る観察装置10の構成はかかる例に限定されず、例えば、ベース部410が設けられず、手術室の天井又は壁面にアーム部420が直接取り付けられて観察装置10が構成されてもよい。例えば、天井にアーム部420が取り付けられる場合には、観察装置10は、アーム部420が天井から吊り下げられて構成されることとなる。
顕微鏡部440は、患者の術部を拡大観察するための顕微鏡鏡体によって構成される。図示する例では、顕微鏡部440の光軸方向は、鉛直方向と略一致している。顕微鏡部440は、電子撮像式の顕微鏡に対応する構成を有しており、略円筒形状を有する筒状部442と、筒状部442内に設けられる撮像部441と、から構成される。撮像部441は、対物レンズ、ズームレンズ及びフォーカスレンズ等のレンズやミラー等の光学素子からなる光学系と、当該光学系を通過した光により観察対象である術部の像を撮影する撮像素子と、から構成される。
アーム部420は、顕微鏡部440を3次元的に移動させるとともに、移動後の顕微鏡部440を、その位置及び姿勢を固定的に支持する。具体的には、アーム部420は、複数の関節部421a、421b、421c、421d、421e、421fと、関節部421a〜421eによって互いに回動可能に連結される複数のリンク422a、422b、422c、422dと、から構成される。アーム部420には、これら6つの関節部421a〜421fに対応する6つの回転軸(第1軸O1、第2軸O2、第3軸O2、第4軸O4、第5軸O5及び第6軸O6)が設けられており、顕微鏡部440の移動に関して6自由度が実現されている。
制御装置450は、例えばCPU(Central Processing Unit)やDSP(Digital Signal Processor)等のプロセッサ、又はこれらのプロセッサとメモリ等の記憶素子がともに搭載された制御基板等によって構成される。制御装置450を構成するプロセッサが所定のプログラムに従って演算処理を実行することにより、制御装置450における各機能が実現される。
図2を参照して、図1に示す観察装置10の関節部421a〜421fに搭載されるアクチュエータの構成について説明する。図2は、図1に示す観察装置10の関節部421a〜421fに搭載されるアクチュエータの一構成例を示す断面図である。図2では、第1の実施形態に係るアクチュエータを、回転軸を通る平面で切断した場合における断面図を図示している。
図3−図6を参照して、ケーブルの剛性に起因する外乱について説明する。なお、第1の実施形態では、アーム部420を構成する関節部421a〜421fのうち、その回転軸が自身に接続されるリンクの延伸方向と平行な(すなわち、自身に接続されるリンクを当該リンクの延伸方向と平行な回転軸まわりに回転させる)捻転回転軸として機能する関節部における、ケーブルの剛性に起因する外乱を抑制の対象としている。図1に示す構成であれば、第1軸O1に対応する関節部421a、第3軸O3に対応する関節部421c、及び第6軸O6に対応する関節部421fが捻転関節部に対応する。ここでは、一例として、図1に示す関節部421cの駆動制御における、ケーブルの剛性に起因する外乱について説明する。
図7を参照して、図1に示す観察装置10の機能構成について説明する。図7は、第1の実施形態に係る観察装置10の機能構成の一例を示すブロック図である。
関節部130は、その機能として、関節駆動部131と、関節状態検出部132と、を有する。
制御部210は、図1に示す制御装置450によって構成され得る。制御部210は、その機能として、全身協調制御部240と、理想関節制御部250と、駆動制御部260と、補償トルク算出部270と、を有する。制御部210を構成するプロセッサが所定のプログラムに従って演算処理を実行することにより、これらの機能が実現される。
全身協調制御部240は、全身協調制御に関する各種の演算を行う。ここで、全身協調制御とは、多リンク構造体において、当該多リンク構造体に全体として所望の動作をさせるために必要な各関節部の制御値を算出し、当該制御値に従って各関節部を互いに協調させて動作させる制御のことをいう。具体的には、第1の実施形態では、全身協調制御部240は、アーム部110及び顕微鏡部140が全体として所望の動作(例えば術者による操作に従った動作)を行うために必要な、各関節部130の制御値である発生トルクの値(制御トルク、後述する数式(2)に示す発生トルクτaに対応)を算出する。全身協調制御部240が算出した制御トルクに従って各関節部130が互いに協調して動作することによりアーム部110及び顕微鏡部140が全体として所望の動作を行うことが可能になる。
理想関節制御部250は、理想関節制御に関する各種の演算を行う。ここで、理想関節制御とは、各関節部130が理論モデルに従った理想的な応答を行うような、各関節部130の駆動制御のことをいう。
補償トルク算出部270は、理想関節制御部250がトルク指令値τを算出する際に用いる補償トルクτcの値(上記数式(2)に示す補償トルクτcの値)を算出する。第1の実施形態では、補償トルク算出部270は、各関節部130のうち、捻転関節部として機能する関節部421a、421c、421fの回転に起因してこれらの関節部421a、421c、421fに作用するケーブル495の復元力に対応するトルク値を、補償トルクτcとして算出する。
駆動制御部260は、指令値算出部252によって算出されたトルク指令値τに基づいて、当該トルク指令値τに対応するトルクが関節部130において発生するように、関節部130の関節駆動部131の駆動を制御する。具体的には、駆動制御部260は、トルク指令値τを対応する電流指令値に変換し、当該電流指令値に従った電流で、関節駆動部131を構成するモータ424を駆動させるように、関節駆動部131を構成するモータドライバ425に対して指示を出すことができる。
図10を参照して、第1の実施形態に係る観察装置10の駆動制御方法の処理手順について説明する。図10は、第1の実施形態に係る観察装置10の駆動制御方法の処理手順の一例を示すフロー図である。なお、図10では、第1の実施形態に係る観察装置10の駆動制御方法のうち、捻転関節部として機能する関節部421a、421c、421fの駆動を制御する際の駆動制御方法の処理手順を示している。他の関節部421b、421d、421eの駆動制御方法では、後述するステップS107における処理が行われず、ステップS109において、補償トルクを加味せずにトルク指令値が算出され得る。
以上の第1の実施形態についての説明では、補償トルクτcの値は、事前に例えば人手により実験等によって取得され、観察装置10に設けられる記憶部に記憶されていた。ただし、第1の実施形態はかかる例に限定されず、補償トルクτcの値は、観察装置10によって自動的に取得され、上記記憶部に記憶されてもよい。つまり、観察装置10の補償トルク算出部270には、補償トルクτcの値を自動的に更新する機能が設けられてもよい。
(2−1.第2の実施形態に想到した背景)
本開示の第2の実施形態について詳細に説明するに先立ち、本発明者らが第2の実施形態に想到した背景について説明する。
第2の実施形態に係る観察システム及び観察装置の構成は、図1に示す第1の実施形態に係る観察システム1及び観察装置10の構成と同様である。従って、ここでは、これらについての説明を省略する。
(2−3−1.補償トルクτc’の大きさについて)
以上の第2の実施形態についての説明では、摩擦負荷に対応する補償トルクτc’は、その符号は変化するものの、その大きさは一定であった。ただし、第2の実施形態はかかる例に限定されず、補償トルクτc’の大きさは、所定の条件に応じて適宜変更されてもよい。つまり、観察装置10の補償トルク算出部270には、所定の条件に応じて異なる大きさの補償トルクτc’を算出する機能が設けられてもよい。
第1の実施形態では、補償トルクτcとして、ケーブル495の復元力に対応するトルク値を用いていた。また、第2の実施形態では、補償トルクτc’として、摩擦負荷に対応するトルク値を用いていた。ここで、関節部130の回転においては、ケーブル495の復元力が作用し得る捻転関節部として機能する関節部130に対して、摩擦負荷を付与したい場合も存在し得る。従って、関節部130の駆動制御に際して、第2の実施形態に対して第1の実施形態が組み合わされてもよい。具体的には、上記数式(3)に対してケーブル495の復元力に係る補償トルクτcが更に導入された理論モデルを用いて、関節部130の駆動が制御されてもよい。この場合、図7に示す理想関節制御部250は、上記数式(3)の代わりに、下記数式(4)を制御対象である関節部130における応答の理論モデルとして用いて、トルク指令値τを算出する。
以上説明した第1及び第2の実施形態は、いずれも、関節部130の応答を示す理論モデルに補償トルクの項を導入することにより、術者の操作性を向上させるものである。具体的には、第1の実施形態では、術者の操作に対するケーブル495の復元力による影響をキャンセルするような補償トルクτcを導入していた。また、第2の実施形態では、術者の操作に対して摩擦負荷を与えるような補償トルクτc’を導入していた。ケーブル495の復元力及び摩擦負荷は、トルク指令値τの計算においては、いずれも外乱とみなすことができるものであるから、第1及び第2の実施形態では、トルク指令値τを算出する際に、術者の操作に対して、ケーブル495の復元力という外乱の影響をキャンセルするような、及び摩擦負荷という外乱の影響を付与するような、補償トルクτc、τc’を導入していると言える。
以上、添付図面を参照しながら本開示の好適な実施形態について詳細に説明したが、本開示の技術的範囲はかかる例に限定されない。本開示の技術分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。
(1)
観察対象を拡大観察するために前記観察対象を撮影する撮像部と、
前記撮像部を支持し、複数のリンクが関節部によって互いに連結されて構成されるアーム部と、
複数の前記関節部のうち、制御対象である少なくとも1つの関節部における発生トルクを制御することにより、前記少なくとも1つの関節部の駆動を制御する駆動制御部と、
を備え、
前記駆動制御部は、前記アーム部に対する操作に応じて前記少なくとも1つの関節部に作用する外トルクが一定の範囲に収まるように、前記少なくとも1つの関節部の駆動を制御する、
医療用観察装置。
(2)
前記駆動制御部は、前記少なくとも1つの関節部内に延設されるケーブルの剛性に起因する外乱の影響を補償して前記関節部における発生トルクを制御することにより、前記外トルクが一定の範囲に収まるように前記少なくとも1つの関節部の駆動を制御する、
前記(1)に記載の医療用観察装置。
(3)
前記ケーブルの剛性に起因する外乱は、前記少なくとも1つの関節部の回転に伴い前記ケーブルが捻転されることによって生じる復元力が、前記少なくとも1つの関節部に対して与えるトルクである、
前記(2)に記載の医療用観察装置。
(4)
前記駆動制御部は、前記外トルクに対して抵抗となるようなトルクを補償して前記関節部における発生トルクを制御することにより、前記外トルクが一定の範囲に収まるように前記少なくとも1つの関節部の駆動を制御する、
前記(1)〜(3)のいずれか1項に記載の医療用観察装置。
(5)
前記外トルクに対して抵抗となるようなトルクは、前記少なくとも1つの関節部の回転速度に向きが依存し、大きさが一定のトルクである、
前記(4)に記載の医療用観察装置。
(6)
前記外トルクに対して抵抗となるようなトルクの大きさは、前記少なくとも1つの関節部の回転角度が可動範囲の限界に近付くにつれて大きくなる、
前記(4)に記載の医療用観察装置。
(7)
前記外トルクに対して抵抗となるようなトルクの大きさは、前記撮像部が前記観察対象を撮影する際のズーム倍率に応じて変化する、
前記(4)に記載の医療用観察装置。
(8)
プロセッサが、観察対象を拡大観察するために前記観察対象を撮影する撮像部を支持し複数のリンクが関節部によって互いに連結されて構成されるアーム部、における複数の前記関節部のうち、制御対象である少なくとも1つの関節部における発生トルクを制御することにより、前記少なくとも1つの関節部の駆動を制御すること、
を含み、
前記アーム部に対する操作に応じて前記少なくとも1つの関節部に作用する外トルクが一定の範囲に収まるように、前記少なくとも1つの関節部の駆動を制御する、
駆動制御方法。
(9)
観察対象を撮影する医療用観察装置と、
前記医療用観察装置によって撮影された前記観察対象の映像を表示する表示装置と、
を備え、
前記医療用観察装置は、
観察対象を拡大観察するために前記観察対象を撮影する撮像部と、
前記撮像部を支持し、複数のリンクが関節部によって互いに連結されて構成されるアーム部と、
複数の前記関節部のうち、制御対象である少なくとも1つの関節部における発生トルクを制御することにより、前記少なくとも1つの関節部の駆動を制御する駆動制御部と、
を有し、
前記駆動制御部は、前記アーム部に対する操作に応じて前記少なくとも1つの関節部に作用する外トルクが一定の範囲に収まるように、前記少なくとも1つの関節部の駆動を制御する、
医療用観察システム。
(10)
複数のリンクが関節部によって互いに連結されて構成されるアーム部と、
複数の前記関節部のうち、制御対象である少なくとも1つの関節部における発生トルクを制御することにより、前記少なくとも1つの関節部の駆動を制御する駆動制御部と、
を備え、
前記駆動制御部は、前記アーム部に対する操作に応じて前記少なくとも1つの関節部に作用する外トルクが一定の範囲に収まるように、前記少なくとも1つの関節部の駆動を制御する、
支持アーム装置。
10 観察装置
110、420 アーム部
130、421a〜421f 関節部
131 関節駆動部
132 関節状態検出部
133 回転角度検出部
134 トルク検出部
140、440 顕微鏡部
210 制御部
240 全身協調制御部
241 アーム状態取得部
242 演算条件設定部
243 制御トルク算出部
250 理想関節制御部
251 外乱推定部
252 指令値算出部
260 駆動制御部
270 補償トルク算出部
410 ベース部
422a〜422d リンク
430 アクチュエータ
424、611 モータ
425 モータドライバ
426、612 減速機
427、613 エンコーダ
428、614 トルクセンサ
450 制御装置
Claims (10)
- 観察対象を拡大観察するために前記観察対象を撮影する撮像部と、
前記撮像部を支持し、複数のリンクが関節部によって互いに連結されて構成されるアーム部と、
複数の前記関節部のうち、制御対象である少なくとも1つの関節部における発生トルクを制御することにより、前記少なくとも1つの関節部の駆動を制御する駆動制御部と、
を備え、
前記駆動制御部は、前記少なくとも1つの関節部内に延設されるケーブルに起因する外乱の影響を補償して前記関節部における発生トルクを制御することにより、前記アーム部に対する操作に応じて前記少なくとも1つの関節部に作用する外トルクが一定の範囲に収まるように、前記少なくとも1つの関節部の駆動を制御し、
前記ケーブルに起因する外乱は、前記少なくとも1つの関節部の回転に伴い前記ケーブルが捻転されることによって生じる復元力が、前記少なくとも1つの関節部に対して与えるトルクである、
医療用観察装置。 - 前記駆動制御部は、前記外トルクに対して抵抗となるようなトルクを補償して前記関節部における発生トルクを制御することにより、前記外トルクが一定の範囲に収まるように前記少なくとも1つの関節部の駆動を制御する、
請求項1に記載の医療用観察装置。 - 前記外トルクに対して抵抗となるようなトルクは、前記少なくとも1つの関節部の回転速度に向きが依存し、大きさが一定のトルクである、
請求項2に記載の医療用観察装置。 - 前記外トルクに対して抵抗となるようなトルクの大きさは、前記少なくとも1つの関節部の回転角度に応じて変化する、
請求項2に記載の医療用観察装置。 - 前記外トルクに対して抵抗となるようなトルクの大きさは、前記少なくとも1つの関節部の回転角度が可動範囲の限界に近付くにつれて大きくなる、
請求項4に記載の医療用観察装置。 - 前記外トルクに対して抵抗となるようなトルクの大きさは、前記撮像部が前記観察対象を撮影する際のズーム倍率に応じて変化する、
請求項2に記載の医療用観察装置。 - 前記外トルクに対して抵抗となるようなトルクは、前記ズーム倍率が大きいほど大きいトルクであり、前記ズーム倍率が小さいほど小さいトルクである、
請求項6に記載の医療用観察装置。 - プロセッサが、観察対象を拡大観察するために前記観察対象を撮影する撮像部を支持し複数のリンクが関節部によって互いに連結されて構成されるアーム部、における複数の前記関節部のうち、制御対象である少なくとも1つの関節部における発生トルクを制御することにより、前記少なくとも1つの関節部の駆動を制御すること、
を含み、
前記少なくとも1つの関節部内に延設されるケーブルに起因する外乱の影響を補償して前記関節部における発生トルクを制御することにより、前記アーム部に対する操作に応じて前記少なくとも1つの関節部に作用する外トルクが一定の範囲に収まるように、前記少なくとも1つの関節部の駆動を制御し、
前記ケーブルに起因する外乱は、前記少なくとも1つの関節部の回転に伴い前記ケーブルが捻転されることによって生じる復元力が、前記少なくとも1つの関節部に対して与えるトルクである、
駆動制御方法。 - 観察対象を撮影する医療用観察装置と、
前記医療用観察装置によって撮影された前記観察対象の映像を表示する表示装置と、
を備え、
前記医療用観察装置は、
観察対象を拡大観察するために前記観察対象を撮影する撮像部と、
前記撮像部を支持し、複数のリンクが関節部によって互いに連結されて構成されるアーム部と、
複数の前記関節部のうち、制御対象である少なくとも1つの関節部における発生トルクを制御することにより、前記少なくとも1つの関節部の駆動を制御する駆動制御部と、
を有し、
前記駆動制御部は、前記少なくとも1つの関節部内に延設されるケーブルに起因する外乱の影響を補償して前記関節部における発生トルクを制御することにより、前記アーム部に対する操作に応じて前記少なくとも1つの関節部に作用する外トルクが一定の範囲に収まるように、前記少なくとも1つの関節部の駆動を制御し、
前記ケーブルに起因する外乱は、前記少なくとも1つの関節部の回転に伴い前記ケーブルが捻転されることによって生じる復元力が、前記少なくとも1つの関節部に対して与えるトルクである、
医療用観察システム。 - 複数のリンクが関節部によって互いに連結されて構成されるアーム部と、
複数の前記関節部のうち、制御対象である少なくとも1つの関節部における発生トルクを制御することにより、前記少なくとも1つの関節部の駆動を制御する駆動制御部と、
を備え、
前記駆動制御部は、前記少なくとも1つの関節部内に延設されるケーブルに起因する外乱の影響を補償して前記関節部における発生トルクを制御することにより、前記アーム部に対する操作に応じて前記少なくとも1つの関節部に作用する外トルクが一定の範囲に収まるように、前記少なくとも1つの関節部の駆動を制御し、
前記ケーブルに起因する外乱は、前記少なくとも1つの関節部の回転に伴い前記ケーブルが捻転されることによって生じる復元力が、前記少なくとも1つの関節部に対して与えるトルクである、
支持アーム装置。
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