JP7115493B2 - 手術アームシステム及び手術アーム制御システム - Google Patents
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Description
なお、上記の効果は必ずしも限定的なものではなく、上記の効果とともに、または上記の効果に代えて、本明細書に示されたいずれかの効果、または本明細書から把握され得る他の効果が奏されてもよい。
1.基本構成
1.1.内視鏡システムの構成例
1.2.医療用支持アーム装置の具体的構成例
1.3.制御装置の構成例
2.斜視鏡による斜視回転動作と観察対象物への追従動作
2.1.斜視鏡の回転動作
2.2.視野の中心からの距離に応じた斜視回転速度の変更
2.3.観察対象物への追従動作
2.4.斜視回転動作と追従動作のための制御部の構成例
2.5.追従動作の詳細
2.6.追従動作の具体例
3.斜視鏡の回転を独立して制御する保持ユニットを設けた例
4.まとめ
まず、図1~図4を参照して、本開示の一実施形態に係る内視鏡システムの基本構成を説明する。
図1は、本開示に係る技術が適用され得る内視鏡手術システム5000の概略的な構成の一例を示す図である。図1では、術者(医師)5067が、内視鏡手術システム5000を用いて、患者ベッド5069上の患者5071に手術を行っている様子が図示されている。図示するように、内視鏡手術システム5000は、内視鏡5001と、その他の術具5017と、内視鏡5001を支持する支持アーム装置5027と、内視鏡下手術のための各種の装置が搭載されたカート5037と、から構成される。
支持アーム装置5027は、ベース部5029から延伸するアーム部5031を備える。図示する例では、アーム部5031は、関節部5033a、5033b、5033c、及びリンク5035a、5035bから構成されており、アーム制御装置5045からの制御により駆動される。アーム部5031によって内視鏡5001が支持され、その位置及び姿勢が制御される。これにより、内視鏡5001の安定的な位置の固定が実現され得る。
内視鏡5001は、先端から所定の長さの領域が患者5071の体腔内に挿入される鏡筒5003と、鏡筒5003の基端に接続されるカメラヘッド5005と、から構成される。図示する例では、硬性の鏡筒5003を有するいわゆる硬性鏡として構成される内視鏡5001を図示しているが、内視鏡5001は、軟性の鏡筒5003を有するいわゆる軟性鏡として構成されてもよい。
CCU5039は、CPU(Central Processing Unit)やGPU(Graphics Processing Unit)等によって構成され、内視鏡5001及び表示装置5041の動作を統括的に制御する。具体的には、CCU5039は、カメラヘッド5005から受け取った画像信号に対して、例えば現像処理(デモザイク処理)等の、当該画像信号に基づく画像を表示するための各種の画像処理を施す。CCU5039は、当該画像処理を施した画像信号を表示装置5041に提供する。また、CCU5039は、カメラヘッド5005に対して制御信号を送信し、その駆動を制御する。当該制御信号には、倍率や焦点距離等、撮像条件に関する情報が含まれ得る。
支持アーム装置5027は、基台であるベース部5029と、ベース部5029から延伸するアーム部5031と、を備える。図示する例では、アーム部5031は、複数の関節部5033a、5033b、5033cと、関節部5033bによって連結される複数のリンク5035a、5035bと、から構成されているが、図1では、簡単のため、アーム部5031の構成を簡略化して図示している。実際には、アーム部5031が所望の自由度を有するように、関節部5033a~5033c及びリンク5035a、5035bの形状、数及び配置、並びに関節部5033a~5033cの回転軸の方向等が適宜設定され得る。例えば、アーム部5031は、好適に、6自由度以上の自由度を有するように構成され得る。これにより、アーム部5031の可動範囲内において内視鏡5001を自由に移動させることが可能になるため、所望の方向から内視鏡5001の鏡筒5003を患者5071の体腔内に挿入することが可能になる。
光源装置5043は、内視鏡5001に術部を撮影する際の照射光を供給する。光源装置5043は、例えばLED、レーザ光源又はこれらの組み合わせによって構成される白色光源から構成される。このとき、RGBレーザ光源の組み合わせにより白色光源が構成される場合には、各色(各波長)の出力強度及び出力タイミングを高精度に制御することができるため、光源装置5043において撮像画像のホワイトバランスの調整を行うことができる。また、この場合には、RGBレーザ光源それぞれからのレーザ光を時分割で観察対象に照射し、その照射タイミングに同期してカメラヘッド5005の撮像素子の駆動を制御することにより、RGBそれぞれに対応した画像を時分割で撮像することも可能である。当該方法によれば、当該撮像素子にカラーフィルタを設けなくても、カラー画像を得ることができる。
図2を参照して、内視鏡5001のカメラヘッド5005及びCCU5039の機能についてより詳細に説明する。図2は、図1に示すカメラヘッド5005及びCCU5039の機能構成の一例を示すブロック図である。
次に、本開示の実施の形態に係る医療用支持アーム装置の具体的構成例について詳細に説明する。以下に説明する支持アーム装置は、アーム部の先端に内視鏡を支持する支持アーム装置として構成された例であるが、本実施形態は係る例に限定されない。
ここまで、本実施形態に係る支持アーム装置1400の構成について説明した。以下、本実施形態に係る支持アーム装置1400におけるアーム部1420の駆動制御、すなわち、能動関節部1421a~1421fに設けられたアクチュエータ1430の回転駆動を制御するための制御装置の構成例について説明する。
<2.1.斜視鏡の回転動作>
本実施形態では、上述した内視鏡5001(内視鏡装置423)として、斜視鏡を用いる。図5は、斜視鏡100の外観を示す模式図である。斜視鏡100では、対物レンズの被写体への向き(C1)は、斜視鏡100の長手方向(スコープ軸C2)に対して所定の角度φを有している。つまり、斜視鏡100では、スコープの接眼光学系に対して対物光学系が角度を成している。斜視鏡100では、観察のために斜視鏡100をスコープ軸C2を回転軸として回転(以下、斜視回転という)させる動作が行われる。斜視回転を行うことで、回り込んだ視野や上下左右の周辺視野を得ることが可能である。
ここでは、視野200の中心から観察対象物210までの距離に応じた斜視回転速度の変更について説明する。図8は、視野200の中心から観察対象物210までの距離を算出する手法を示す模式図である。図8に示すように、斜視回転速度をω[rad/s]、画面中央Oから観察対象物210の位置pまでのピクセル数を(x,y)[pixels]としたとき、画面中央から観察対象物210の位置までのピクセル数lは、l=√(x2+y2)で得られる。ここから斜視回転速度ω=f(l)の関数で調整することで実現する。例えば画面中央から対角の画面頂点までのピクセル数をlmax[pixels]、斜視回転速度の最高速をωmaxとしたとき、
ω=ωmax*(lmax-l)=ωmax*(lmax-√(x2+y2))
とする。
これにより、観察対象物210の位置が画面中央のときω=ωmax、観察対象物210の位置が対角の画面頂点のときω=0という形で調整される。この例では、線形な計算としているが、高次の関数等を使用してもよい。また、カメラから被写体までの距離Z[mm]、画角θが既知であれば、画面中央から観察対象物210までの距離L[mm]を計算して、ω=f(L)としてもよい。
<2.3.観察対象物への追従動作>
[観察対象物を画面中央に移動させるアームの動かし方]
図11は、斜視鏡100の長軸中心の回転(斜視回転)により対物光学系の光軸の向きが変化する様子を示している。図10に示すように、斜視回転によって術者が見る方向を変えることが可能であるが、図7で説明したように視野も移動してしまう。一方、図12は、トロッカ点中心の光学軸の回転やそれに近い動きを与えることで、XY方向の移動を行った場合を示している。なお、トロッカ点とは、トロッカが人体に挿入される位置をいうものとする。図12に示すように、トロッカ点を中心として斜視鏡100に回転の動き(斜視鏡ピボットの動き)を加えると、視野を外さずに斜視回転角を変えることができる。このような動きを行う場合は、斜視回転角とXY移動を連動させて動かす。
以下では、拘束点300を中心に斜視鏡100を動かす場合に、観察対象物210が視野200の中央に位置するように追従を行う例について、説明する。画面内の対象物の位置を画像認識等によって認識し、その情報に基づいて観察対象物を画面内で移動するようなアームの制御方法を用いてもよい。また、視線検出によって術者の観察対象点を定め、観察対象点を視野の中央に移動させることもできる。
図21は、上述した斜視回転動作と追従動作を行うための支持アーム装置1400の制御部1351の構成を示す模式図である。図21に示すように、制御部1351は、観察対象物210を撮像して得られる視野200内で、視野の中心から観察対象物210の位置までの距離を取得する距離取得部1351aと、視野の中心から観察対象物210の位置までの距に基づいて、斜視鏡100の斜視回転の速度又は斜視鏡100の移動速度を算出する速度算出部1351bと、を備える。距離取得部1351aによる視野の中心から観察対象物210の位置までの距離の取得は、CCU5039の制御部5063が観察対象物210を画像認識した結果に基づいて行われる。
続いて、図17を参照して、上述した内視鏡制御を実現する処理を説明する。
本実施形態によれば、内視鏡手術システム5000は、内視鏡映像から術具を認識して自動で追従する機能を実現可能である。以下では、画像処理部分(マーカ検出)および検出結果からアームが内視鏡を操作して、トロッカ点を考慮しつつ画面中心に術具がくるように移動させるための計算方法を説明する。
内視鏡手術システム5000は、画像処理により術具(例えば、術具の先端位置及び/又は姿勢)を検出する。
内視鏡手術システム5000は、目標計算を行う。目標計算は、位置及び姿勢の二つを計算して、移動を指示するための計算である。
図19は、本実施形態に係る目標位置計算を説明するための図である。図19に示すように、画像処理結果は、カメラ先端の画面中心を(0.5,0.5)としたカメラ座標系から見た位置が、[0.0-1.0]に正規化された値で通知される。そのままでは無次元の値のため、内視鏡手術システム5000は、最初にメートル単位系に変換する。ただし、内視鏡手術システム5000は、画像処理結果は2Dで奥行き方向の情報がないため、変換の際に奥行きを例えば50[mm]と仮定して、画角と組み合わせて仮想的な位置とする。
内視鏡手術システム5000は、目標位置が決まったあとに目標姿勢を求める。制御部1351は、目標位置及び目標姿勢に基づいて、アーム部これにより、アーム部1420を制御する。
図20A~図20Dは、本実施形態による斜視鏡の制御により、斜視を左に向けた場合の具体例を説明するための模式図である。図20A~図20Dにおいても、図7と同様に、様々な臓器215の中にユーザ(術者)が見ようとする観察対象物210が存在する状態を示している。ここで、図20Aは、スコープ軸Cの位置に対して対物光学系の光軸が視野200の下側(術具220を操作する術者側)に向いている状態(斜視下の状態)を示している。図20Bは、図20Aの視野200を拡大して示している。この場合に、視野200の左側を見ようとして斜視回転を行うと、図20Cに示すように、観察対象物210への追従動作を行わない既存の技術では、図20Bに比べて斜視回転により観察対象物210の左側が観察できるようになる反面、観察対象物210が見えなくなってしまう。
上述した図3に示した構成例では、アーム部1420の能動関節部1421a~1421fの制御のみで斜視鏡100の姿勢と位置を変更する例を示した。一方、アーム部1420の先端に斜視鏡の回転を独立して制御する、アクチュエータ内蔵の保持ユニットが設けられていても良い。この場合、斜視鏡100の回転は保持ユニットで行い、斜視鏡全体の位置や術部に対する姿勢はアームの能動関節部で制御することが可能となる。
次のステップS510では、
以上説明したように本実施形態によれば、モニタの視野200の中央から離れるほど斜視回転の速度を遅くするようにしたため、斜視鏡100の斜視回転を用いて周囲を視認しようとした場合に、観察対象物210が視野200から外れてしまうことを抑制できる。
(1) 複数の関節部が複数のリンクにより回動可能に連結され、先端に斜視鏡を支持可能な多関節アームと、
前記斜視鏡の位置及び姿勢を変更するように前記多関節アームを制御する制御システムと、
を備え、
前記制御システムは、前記斜視鏡を通して撮像される視野内で、前記視野内の観察対象物の位置に基づいて、前記斜視鏡の回転速度または移動速度の少なくとも一方を制御する、手術アームシステム。
(2) 前記制御システムは、前記斜視鏡の長軸周りの回転角及び回転速度を制御する、前記(1)に記載の手術アームシステム。
(3) 前記制御システムは、前記視野内で前記観察対象物の位置を移動するように前記多関節アームの姿勢と移動速度を制御する、前記(1)又は(2)に記載の手術アームシステム。
(4) 前記制御システムは、前記視野内で、前記視野の中心から前記観察対象物の位置までの距離に基づいて、前記斜視鏡の回転速度または移動速度の少なくとも一方を制御する、前記(1)~(3)のいずれかに記載の手術アームシステム。
(5) 前記制御システムは、前記視野の中心から前記観察対象物の位置までの距離が長いほど前記回転速度を遅くする、前記(1)~(4)のいずれかに記載の手術アームシステム。
(6) 前記制御システムは、前記観察対象物の位置を判別した結果に基づいて、前記観察対象物が前記視野の中心に位置するように前記斜視鏡を支持する多関節アームを制御する、前記(1)~(5)のいずれかに記載の手術アームシステム。
(7) 前記制御システムは、前記観察対象物を画像認識した結果に基づいて、前記観察対象物が前記視野の中心に位置するように前記斜視鏡を支持する多関節アームを制御する、前記(6)に記載の手術アームシステム。
(8) 前記制御システムは、前記観察対象物が前記視野の端に位置する場合は、前記回転速度を0にする、前記(1)~(7)のいずれかに記載の手術アームシステム。
(9) 前記制御システムは、前記距離の増加量に対する前記回転速度の減少量が線形の関係になるように前記回転速度を制御する、前記(5)に記載の手術アームシステム。
(10) 前記制御システムは、前記距離が所定範囲内の場合は、前記回転速度を前記中心と前記観察対象物の位置が一致する場合の前記回転速度と同一とする、前記(5)に記載の手術アームシステム。
(11) 前記制御システムは、前記距離が所定範囲を超える場合は、前記回転速度を一定値とする、前記(5)に記載の手術アームシステム。
(12) 前記制御システムは、前記斜視鏡の回転を制御する第1の制御部と前記多関節アームを制御する第2の制御部を備える、前記(1)~(11)のいずれかに記載の手術アームシステム。
(13) 前記多関節アームは、前記斜視鏡とカメラヘッドをそれぞれ独立して回転制御可能に保持する保持ユニットを備える、前記(12)に記載の手術アームシステム。
(14) 前記保持ユニットは前記第1の制御部を含み、
前記第2の制御部は、前記カメラヘッドと接続された画像処理部を介して、前記第1の制御部が取得した前記斜視鏡の回転角情報を取得し、前記回転角情報に基づいて前記多関節アームを制御する、前記(13)に記載の手術アームシステム。
(15) 複数の関節部が複数のリンクにより回動可能に連結され、先端に斜視鏡を支持可能な多関節アームを制御し、前記斜視鏡の位置及び姿勢を変更するように前記多関節アームを制御する手術アーム制御システムであって、
前記斜視鏡を通して撮像される視野内で、前記視野内の観察対象物の位置に基づいて、前記斜視鏡の回転速度または移動速度の少なくとも一方を制御する、手術アーム制御システム。
200 視野
210 観察対象物
350 制御装置
351 制御部
351a 距離取得部
351b 速度算出部
400 支持アーム装置
Claims (15)
- 複数の関節部が複数のリンクにより回動可能に連結され、先端に斜視鏡を支持可能な多関節アームと、
前記斜視鏡の位置及び姿勢を変更するように前記多関節アームを制御する制御システムと、
を備え、
前記制御システムは、
前記斜視鏡を通して撮像される視野内で、前記視野内の観察対象物の位置に基づいて、前記斜視鏡の回転速度または移動速度の少なくとも一方を制御し、
前記視野の中心から前記観察対象物の位置までの距離が長いほど前記回転速度を遅くする、手術アームシステム。 - 複数の関節部が複数のリンクにより回動可能に連結され、先端に斜視鏡を支持可能な多関節アームと、
前記斜視鏡の位置及び姿勢を変更するように前記多関節アームを制御する制御システムと、
を備え、
前記制御システムは、
前記斜視鏡を通して撮像される視野内で、前記視野内の観察対象物の位置に基づいて、前記斜視鏡の回転速度または移動速度の少なくとも一方を制御し、
前記観察対象物が前記視野の端に位置する場合は、前記回転速度を0にする、手術アームシステム。 - 前記制御システムは、前記斜視鏡の長軸周りの回転角及び回転速度を制御する、請求項1又は2に記載の手術アームシステム。
- 前記制御システムは、前記視野内で前記観察対象物の位置を移動するように前記多関節アームの姿勢と移動速度を制御する、請求項1から3のいずれか一項に記載の手術アームシステム。
- 前記制御システムは、前記視野内で、前記視野の中心から前記観察対象物の位置までの距離に基づいて、前記斜視鏡の回転速度または移動速度の少なくとも一方を制御する、請求項1から4のいずれか一項に記載の手術アームシステム。
- 前記制御システムは、前記観察対象物の位置を判別した結果に基づいて、前記観察対象物が前記視野の中心に位置するように前記斜視鏡を支持する多関節アームを制御する、請求項1から5のいずれか一項に記載の手術アームシステム。
- 前記制御システムは、前記観察対象物を画像認識した結果に基づいて、前記観察対象物が前記視野の中心に位置するように前記斜視鏡を支持する多関節アームを制御する、請求項6に記載の手術アームシステム。
- 前記制御システムは、前記距離の増加量に対する前記回転速度の減少量が線形の関係になるように前記回転速度を制御する、請求項1に記載の手術アームシステム。
- 前記制御システムは、前記距離が所定範囲内の場合は、前記回転速度を前記中心と前記観察対象物の位置が一致する場合の前記回転速度と同一とする、請求項1に記載の手術アームシステム。
- 前記制御システムは、前記距離が所定範囲を超える場合は、前記回転速度を一定値とする、請求項1に記載の手術アームシステム。
- 前記制御システムは、前記斜視鏡の回転を制御する第1の制御部と前記多関節アームを制御する第2の制御部を備える、請求項1から10のいずれか一項に記載の手術アームシステム。
- 前記多関節アームは、前記斜視鏡とカメラヘッドをそれぞれ独立して回転制御可能に保持する保持ユニットを備える、請求項11に記載の手術アームシステム。
- 前記保持ユニットは前記第1の制御部を含み、
前記第2の制御部は、前記カメラヘッドと接続された画像処理部を介して、前記第1の制御部が取得した前記斜視鏡の回転角情報を取得し、前記回転角情報に基づいて前記多関節アームを制御する、請求項12に記載の手術アームシステム。 - 複数の関節部が複数のリンクにより回動可能に連結され、先端に斜視鏡を支持可能な多関節アームを制御し、前記斜視鏡の位置及び姿勢を変更するように前記多関節アームを制御する手術アーム制御システムであって、
前記斜視鏡を通して撮像される視野内で、前記視野内の観察対象物の位置に基づいて、前記斜視鏡の回転速度または移動速度の少なくとも一方を制御し、前記視野の中心から前記観察対象物の位置までの距離が長いほど前記回転速度を遅くする、手術アーム制御システム。 - 複数の関節部が複数のリンクにより回動可能に連結され、先端に斜視鏡を支持可能な多関節アームを制御し、前記斜視鏡の位置及び姿勢を変更するように前記多関節アームを制御する手術アーム制御システムであって、
前記斜視鏡を通して撮像される視野内で、前記視野内の観察対象物の位置に基づいて、前記斜視鏡の回転速度または移動速度の少なくとも一方を制御し、前記観察対象物が前記視野の端に位置する場合は、前記回転速度を0にする、手術アーム制御システム。
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