JPH0966056A - 医療用マニピュレータシステム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】複数の医療用マニピュレータを使用した手術に
おいてマニピュレータに何等かの動作不良が生じた場
合、それに対して速やかに対処できる安全性および操作
性に優れた医療用マニピュレータシステムの提供を目的
としている。 【解決手段】本発明の医療用マニピュレータシステム
は、生体内組織部位の観察と処置の少なくとも一方を行
なう器具４，６を保持する複数の多関節手術用マニピュ
レータ５，７と、多関節手術用マニピュレータ５，７を
操作するための操作手段８，９と、操作手段８，９から
の操作情報に基づいて多関節手術用マニピュレータ５，
７の動作を制御する制御手段１１と、多関節手術用マニ
ピュレータ５，７の少なくとも１つの動作を強制的に停
止させる手段１２ｂとを具備している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の属する技術分野】本発明は、生体の例えば体
腔内に挿入したマニピュレータを操作手段によって遠隔
的に操作し、診断・処置等の手術を行なう医療用マニピ
ュレータシステムに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、医療施設の省人化を図るため、ロ
ボットによる医療処置の研究が行なわれている。特に、
外科分野では、多自由度マニピュレータによって患者の
人口股関節置換を精密に処置する手術用ロボットシステ
ムが提案されている（特開平４−２３１０３４号公報
等）。また、患者の体腔内の位置情報を正確に得るため
に、内視鏡的に手術を行なうロボットシステムも提案さ
れている。（特願平５−９０９８９号）。

【０００３】また、近年、腹腔等の体壁に挿入孔を開
け、この挿入孔を通じて内視鏡や処置具を経皮的に体腔
内に挿入することにより、体腔内で様々な処置を行なう
内視鏡下外科手術が盛んに行なわれている。こうした術
式は、大きな切開を要しない低侵襲なものとして、胆嚢
摘出手術や肺の一部を摘出除去する手術等で広く行なわ
れている。そして、こうした術式における操作性を向上
させるために、マスタースレーブ方式による医療用マニ
ピュレータが考案されている。例えば、特願平５−３５
４０３９号に開示されたマスタースレーブ方式のマニピ
ュレータでは、その操作手段を携帯可能なものとし、こ
れによって、操作者による操作の自由度を増大させてい
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、複雑多岐に
わたる手術では、複数の医療用マニピュレータが使用さ
れることとなる。しかしながら、複数の医療用マニピュ
レータを使用した手術では、例えば一部のマニピュレー
タが意図しない動作を行なった場合、そのマニピュレー
タが暴走して術者や患者に無理な力を加えないよう何等
かの処置を講じる必要がある。例えば、どのマニピュレ
ータ制御装置をシステムダウンするべきかを術者が判断
しなければならない。このような判断を術中に行なうこ
とは、非常に煩雑である。また、刻々と進行する手術に
おいては、術者の速やかな対処が必要となる。

【０００５】本発明は上記事情に着目してなされたもの
であり、その目的とするところは、複数の医療用マニピ
ュレータを使用した手術においてマニピュレータに何等
かの動作不良が生じた場合、それに対して速やかに対処
できる安全性および操作性に優れた医療用マニピュレー
タシステムを提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の医療用マニピュレータシステムは、生体内
組織部位の観察と処置の少なくとも一方を行なう器具を
保持する複数の多関節手術用マニピュレータと、前記多
関節手術用マニピュレータを操作するための操作手段
と、前記操作手段からの操作情報に基づいて前記多関節
手術用マニピュレータの動作を制御する制御手段と、前
記多関節手術用マニピュレータの少なくとも１つの動作
を強制的に停止させる手段とを具備している。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しつつ本発明の
実施形態について説明する。図１ないし図３は本発明の
第１の実施形態を示している。図２は本実施形態の医療
用マニピュレータシステムの一例を示すものである。図
２中、１は患者の観察・処置を行なうための手術台であ
り、２は患者である。手術台１の両側にはベッドサイド
レール３が設けられている。このベッドサイドレール３
には、処置具４およびスコープ６を患者の体腔内におい
て位置決めするための処置用アーム５および観察用アー
ム７が着脱自在に取り付けられている。なお、処置具４
およびスコープ６は、患者２の体壁に開けられた挿入孔
２ａから体腔内に挿入される。

【０００８】処置用アーム５と処置具４との接続および
観察用アーム７とスコープ６との接続は、複数の自由度
を有する関節部であるフリー関節機構１９によって行な
われる。これは、患者が例えば術中に動いて挿入孔２ａ
の位置がずれるようなことがあっても、挿入孔２ａに無
理な力が加わらないようにするためである。

【０００９】処置用アーム５および観察用アーム７は、
上下伸縮動作（図２中に示すａ方向）、回転動作（図２
中に示すｂ方向）あるいは、左右伸縮動作（図２中に示
すｃ方向）を機構的に行なうことができるように構成さ
れている。このような動きを実現するために、アーム内
にはアクチュエータ（図示しない）が配置されている。
なお、このアクチュエータとしては、ロボットの位置決
めに用いられているサーボモータを使用している。

【００１０】処置用アーム５の先端に取り付けられてい
る処置具４の挿入部４ａと観察用アーム７の先端に取り
付けられているスコープ６の挿入部６ａはそれぞれ、そ
の先端部が図１中に示すａ方向及びｂ方向に湾曲駆動で
きるようになっている。このような湾曲駆動は、処置具
４のサーボモータ収納部４ｂおよびスコープ６のサーボ
モータ収納部６ｂ内にそれぞれ設けられたサーボモータ
（図示しない）を駆動させて挿入部４ａ，６ａ内に挿通
配置されたワイヤー（図示しない）を牽引することによ
って行なわれる。

【００１１】また、処置具４とスコープ６は図１中に示
すｃ方向に回転駆動できるようになっている。このよう
な回転駆動は、フリー関節アームジョイント部４ｃ，６
ｃ内に設けられたサーボモータ４ｄ，６ｄを駆動させて
図示しない回転機構を作動させることにより行なわれ
る。特に、処置具４の先端鉗子部４ｅにはこの鉗子部４
ｅを開閉させる開閉機構が設けられており、この開閉機
構は、サーボモータ収納部４ｂ内に設けられたサーボモ
ータ（図示しない）を駆動させて挿入部４ａ内に挿通配
置されたロッドもしくはワイヤ部材を押し引き操作する
ことにより作動される。

【００１２】ここで、処置具４と処置用アーム５とを組
み合わせたものを処置用スレーブマニピュレータと称
し、スコープ６と観察用アーム７とを組み合わせたもの
を観察用スレーブマニピュレータと称することにする。

【００１３】処置用スレーブマニピュレータの入力手段
であるマスターアーム８と、観察用スレーブマニピュレ
ータの入力手段であるヘッドマウントディスプレイ９
（以下、ＨＭＤという。）とが図２に示されている。

【００１４】マスターアーム８は複数のリンク機構で構
成されている。リンク機構を構成する各リンクには位置
検知用のエンコーダ（図示しない）が設けられている。
このエンコーダによって各リンクの動作を検知すること
で、マスターアーム８の移動量を検知できる。

【００１５】また、操作者がマスターアーム８から手を
離した場合にマスターアーム８がその自重によって勝手
に動作しないように、マスターアーム８の各アームリン
クには電磁クラッチ（図示しない）が取り付けられてい
る。つまり、マスターアーム８は、この電磁クラッチに
よって、必要以外の時には動かないようにその動作が制
限される。また、マスタースレーブモードで実際に処置
用スレーブマニピュレータを動かす際、前記電磁クラッ
チは、フットスイッチ１２を踏む動作によって、その作
動が制御される。つまり、マスターアーム８の動作のロ
ック及びこのロック状態の解除がフットスイッチ１２に
よって行なえるようになっている。なお、フットスイッ
チ１２は例えば２つのスイッチ１２ａ，１２ｂを有して
いる。

【００１６】ここで、マスタースレーブモードとは、入
力手段であるマスターアーム８の動きが処置用スレーブ
マニピュレータに伝達され得るモード、すなわち、処置
用スレーブマニピュレータがマスターアーム８の動きに
追従できるモードをいう（後述するＨＭＤ９と観察用ス
レーブマニピュレータとの場合についても同様。）。

【００１７】一方、ＨＭＤ９は、スコープ６によって観
察された映像を表示するディスプレイ（図示しない）を
備えている。このディスプレイは、ＨＭＤ９を術者の頭
部に装着した際に術者の目の位置にセットされるように
設けられている。また、ＨＭＤ９は、術者の頭がどのよ
うに動いても、スコープ６の先端でとらえられた映像を
前記ディスプレイによって常に観察できるような構成に
なっている。このような構成のＨＭＤ９によれば、従来
のように処置中に術者が手術室に設置されたＴＶモニタ
ーの方に視線を移すといった煩わしい動作を行なわなく
て済むため、操作性が向上する。また、患部から視線を
外すことなく常に患部の映像を明確に観察することがで
きるから、安全な手術を行なうことができる。

【００１８】術者の頭部の空間的な移動量は磁気センサ
ー１０によって検知される。磁気センサー１０は、一様
な磁場を発生する磁気センサーソース部１０ｂと、磁気
センサーソース部１０ｂからの磁場を検知する磁気セン
サーセンス部１０ａとからなる。このうち磁気センサー
センス部１０ａがＨＭＤ９のほぼ中央部に取り付けられ
ている。

【００１９】術者の頭部の動きはこうした磁気センサー
１０によって検知されるが、その検知方法を簡単に説明
すると、ＨＭＤ９以外の所定の場所にセットされた磁気
センサーソース部１０ｂから発生される一様な磁場を磁
気センサーセンス部１０ａで検知し、頭部の動きに伴う
磁場の変化分の情報を処理することによって、ソース部
１０ｂとセンス部１０ａとの空間的絶対移動量およびセ
ンス部１０ａの傾斜であるオイラー角（ロール、ピッ
チ、ヨー）を求めて、術者の頭部の移動量および傾き量
を検知するというものである。

【００２０】次に、処置用スレーブマニピュレータと観
察用スレーブマニピュレータの動作を制御する制御装置
１１について説明する。図２に示すように、制御装置１
１は、前記各スレーブマニピュレータを動作させるため
に必要ないくつかの機能モジュールを具備している。す
なわち、図中、１１ａは、制御装置１１の機能モジュー
ルを統括制御する上位ＣＰＵであるマイクロコントロー
ラである。１１ｅはマスターアーム８に設けられた前記
エンコーダの動作量を保持しておくためのアップダウン
カウンタである。当然のことながら、このアップダウン
カウンタ１１ｅは、マスターアーム８に取り付けられた
エンコーダ分の入力ポートを有している。また、このア
ップダウンカウンタ１１ｅは、具体的には、マスターア
ーム８のエンコーダからの相対的移動量に対して初期設
定時（制御装置１１の電源を立ち上げた時）に予め設定
したカウンタ値の増減を行なわすものである。

【００２１】１１ｄは、ＨＭＤ９に取り付けられた磁気
センサーセンス部１０ａからの情報を検知するための磁
気センサーデータインターフェイス回路である。この磁
気センサーインターフェイス回路１１ｄには磁気センサ
ー１０の絶対位置情報とオイラー角の情報とが磁気セン
サーセンス部１０ａから入力される。

【００２２】１１ｆは、キーボード１３から入力された
情報を受け取るためのキーボードインターフェイス部で
ある。１１ｉは、本実施例におけるマニピュレータシス
テムの動作情報をフロッピーディスクに記憶するための
フロッピーディスクドライブである。１１ｈはフロッピ
ィディスクドライブ１１ｉをコントロールするためのフ
ロッピィディスクコントローラである。なお、フロッピ
ィディスクに保存される情報としては、観察用・処置用
スレーブマニピュレータの教示データや、スケール比、
感度等の制御パラメータが挙げられる。ここでは、フロ
ッピィディスクに保存する例を示しているが、当然のこ
とながら、ハードディスク、光磁気ディスクの情報処理
装置周辺機器で使用される記憶媒体、あるいは、簡単な
素子レベルのＥＥＰＲＯＭ、バッテリバックアップ付き
ＲＡＭ等を用いても構わない。

【００２３】１１ｇはフットスイッチ１２の入力情報を
検知するためのフットスイッチインターフェイス部であ
る。１１ｂは、スレーブ側の各構成要素である処置用ア
ーム５、観察用アーム７、処置具４、スコープ６のそれ
ぞれを駆動するためのサーボインターフェイスであり、
サーボの高速演算処理を行なうためのディジタルシグナ
ルプロセッサ（以下、ＤＳＰという。）を有する。ま
た、１１ｃは、前記ＤＳＰ１１ｂの処理結果の信号を実
際にモータを駆動するために必要なパワーまで増幅する
ためのサーボドライバである。

【００２４】次に、各機能モジュールのインターフェイ
スについて説明する。図２中、制御装置１１内に示され
ている１１ｍはデータバスラインである。このデータバ
スライン１１ｍは、マイクロコントローラ１１ａからＤ
ＳＰ１１ｂに位置指令を送ったり、スレーブアーム側の
サーボ部のエンコーダフィードバック情報を読みとった
り、アップダウンカウンタ１１ｅ、磁気センサー移動量
インターフェイス１１ｄ、キーボードインターフェイス
部１１ｆ、フットスイッチインターフェイス部１１ｇ、
フロッピーディスクインターフェイス部１１ｈのそれぞ
れからのデータをマイクロコントローラ１１ａに取り込
んだりするラインである。

【００２５】１１ｊは、ＤＳＰ１１ｂで得られた制御演
算結果をサーボドライバ１１ｃに送るためのアナログ指
令ラインである。１１ｋは、サーボドライバ１１ｃから
のパワー信号を供給するラインおよびサーボ部フィード
バックエンコーダラインである。１１ｕは、フロッピー
ディスクドライブ１１ｉとフロッピーディスクドライブ
コントローラ１１ｈとの間でのデータのやりとりを行な
うためのデータラインである。１１ｔは、フットスイッ
チ１２とフットスイッチインターフェイス部１１ｇとの
間でのデータラインである。１１ｓは、キーボード１３
とキーボードインターフェイス部１１ｆとの通信を行な
うためのデータラインである。

【００２６】なお、前記インターフェイスにおいては、
データの受け渡しを行なうデータバスライン１１ｍしか
示さなかったが、前記各機能モジュールを選択するため
のアドレスバスやコントロールライン等が付加されてい
ることはいうまでもない。また、観察用スレーブマニピ
ュレータと処置用スレーブマニピュレータのサーボ系を
駆動するための１１ｊラインおよび１１ｋラインは、ア
ナログ指令ラインのものしか示さなかったが、ＤＳＰ１
１ｂでＰＩＤ制御則などの制御アルゴリズムを実行する
ためのエンコーダフィードバック信号ラインも存在す
る。

【００２７】以上の構成によって、術者の頭の動き（Ｈ
ＭＤ９の動き）に追従（対応）して観察用スレーブマニ
ピュレータが動作されるマスタースレーブ動作が行なわ
れ、マスターアーム８の操作に追従（対応）して処置用
スレーブマニピュレータが動作されるマスタースレーブ
動作が行なわれる。

【００２８】すなわち、処置用のマスタースレーブ側で
は、マスターアーム８に設けられたエンコーダの情報が
データライン１１ｑを介してアップダウンカウンタ１１
ｅで読み取られる。このアップダウンカウンタ１１ｅで
は、初めにアップダウンカウンタ１１ｅに設定されたデ
ータに対して移動量を増減させるので、絶対的な移動量
（マスターアーム８の移動量）が検知できる。このアッ
プダウンカウンタ１１ｅ内に保持されているデータはサ
ンプリング毎にマイクロコントローラ１１ａ内にデータ
バス１１ｍを介して取り込まれる。マイクロコントロー
ラ１１ａ内では、前記移動量に対して処置用スレーブマ
ニピュレータの各軸をどのように動作させるかを決定す
るための座標変換処理が行なわれる。

【００２９】一方、観察用のマスタースレーブ側でも、
ＨＭＤ９からの情報がデータライン１１ｒを介して磁気
センサーデータインターフェイス回路１１ｄに送られ、
処置用のマスタースレーブ側とほぼ同様の処理がなされ
る。

【００３０】さて、このような医療用マニピュレータシ
ステムを腹腔内外科手術に適用した例が図３に示されて
いる。図３は、手術室内における器材のレイアウトを示
している。実際には患者の腹腔内を膨らませるための気
腹器等の器具が備え付けてあるが、ここでは省略して示
している。

【００３１】図示のように、患者２が載置された手術台
１のレール３には、手術を行なうために必要な１組の観
察用スレーブマニピュレータ２７と、２組の処置用スレ
ーブマニピュレータ２５ａ，２５ｂの合計３つのスレー
ブマニピュレータが設置されている。観察用マニピュレ
ータ２７の先端には、先端が電動湾曲する内視鏡６が接
続されており、各処置用マニピュレータ２５ａ，２５ｂ
の先端には、先端が電動で湾曲し且つ開閉動作する処置
具４ａ，４ｂが接続されている。

【００３２】このような３組のスレーブマニピュレータ
を制御するために、制御装置１１´，１１´´が図３に
示すように配置されている。すなわち、制御装置１１
´，１１´´は、操作者３８によって操作されるマスタ
ーマニピュレータ８ａ，８ｂおよびＨＭＤ９の動作に追
従するように、駆動ライン３６ａ，３６ｂを介して各ス
レームマニピュレータ２５ａ，２５ｂ，２７の動作を制
御している。

【００３３】制御装置１１´は、操作者の右手によって
操作されるマスターマニピュレータ８ａの動きを判断し
て処置用スレーブマニピュレータ２５ａを制御するとと
もに、ＨＭＤ９によって操作者３８の頭の動きを判断し
て観察用スレーブマニピュレータ２７を制御する。ま
た、制御装置１１´´は、操作者の左手によって操作さ
れるマスターマニピュレータ８ｂの動きを判断して処置
用スレーブマニピュレータ２５ｂを制御する。

【００３４】すなわち、操作者３８の頭にはＨＭＤ９が
装着されており、このＨＭＤ９には磁気センサのセンス
部１０ａが取り付けられている。磁気センサのソース部
１０ｂはマスターマニピュレータ８ａの所定部位に配置
されている。この構成によって、操作者３８の頭の動き
が検知され、検知された位置情報が信号ライン３５を介
して制御装置１１´に送られる。また、操作者３８の右
手の動きは、マスターマニピュレータ８ａの各関節に設
けられたエンコーダ情報としてライン３７ａを介して制
御装置１１´に取り込まれる。操作者３８の左手の動き
は、マスターマニピュレータ８ｂの各関節に設けられた
エンコーダ情報としてライン３７ｂを介して制御装置１
１´´に取り込まれる。

【００３５】操作者３８の足元付近には、２連のフット
スイッチ１２が配置されている。このフットスイッチ１
２はライン３３を介して制御装置１１´に電気的に接続
されており、フットスイッチ１２の一方のスイッチ１２
ａを踏むことによってマスターマニピュレータ８ａ，８
ｂの動作が可能となるうような制御が制御装置１１´に
よってなされている。また、フットスイッチ１２の他方
のスイッチ１２ｂは緊急停止用のスイッチであり、この
スイッチ１２ｂを踏むことによって制御装置１１´がシ
ステムダウンされ、各スレーブマニピュレータ２５ａ，
２５ｂ，２７の動作が強制的に停止されるようになって
いる。

【００３６】こうしたスイッチ１２ａ，１２ｂのＯＮ／
ＯＦＦ信号は、信号ライン３３を介して制御装置１１´
に送られ、制御装置１１´内の処理回路（図示しない）
で解析処理される。そして、制御装置１１´は、例えば
緊急停止状態が生じた時（スイッチ１２ｂが踏まれた
時）には、各スレーブマニピュレータ２５ａ，２５ｂ，
２７を同時に停止させるために、信号ライン３４を介し
て制御装置１１´をシステムダウンさせる。これによっ
て、制御装置１１´によって制御されるスレーブマニピ
ュレータ２５ａ，２７の動作は勿論、制御装置１１´´
によって制御されるスレーブマニピュレータ２５ｂの動
作も強制的に停止される。

【００３７】以上説明したように、本実施形態の医療用
マニピュレータシステムによれば、観察・処置中にスレ
ーブマニピュレータ２５ａ，２５ｂ，２７のいずれかが
動作不良や暴走を起こした場合に、単なるフットスイッ
チ１２ｂの踏み操作のみで全てのスレーブマニピュレー
タ２５ａ，２５ｂ，２７を確実に停止させることができ
る。したがって、安全性および操作性が向上する。

【００３８】すなわち、一般に、マニピュレータは、観
察・処置中に操作者３８の動きに対応して忠実に動作す
るので、操作者３８が意図しない動作を行なった場合
に、患者に負担をかけてしまう可能性がある。その場合
には、マスタースレーブ動作を行なわせるためのフット
スイッチ１２ａをＯＦＦにすれば良いが、例えば、動作
中に各スレーブマニピュレータ２５ａ，２５ｂ，２７が
干渉し合った場合、マスタースレーブモード（フットス
イッチ１２ａ）をＯＦＦにしても、マニピュレータのサ
ーボ処理の都合上、指令偏差が残ってしまうため、スレ
ーブマニピュレータ２５ａ，２５ｂ，２７が動作を行な
ってしまう可能性がある。しかしながら、こうした場
合、本実施形態の医療用マニピュレータシステムでは、
フットスイッチ１２の緊急スイッチ１２ｂを踏むことに
よって、全てのスレーブマニピュレータ２５ａ，２５
ｂ，２７の動作を制御している制御装置１１´，１１´
´を強制的にシステムダウンしてしまうため、スレーブ
マニピュレータ２５ａ，２５ｂ，２７の干渉による暴走
を避けることができるようになる。

【００３９】なお、本実施形態では、緊急停止スイッチ
がフットスイッチ１２の他方のスイッチ１２ｂであった
が、操作者が操作するマスターマニピュレータ８ａ，８
ｂの操作把持部に設けられたハンドスイッチであっても
良い。

【００４０】また、各スレーブマニピュレータ２５ａ，
２５ｂ，２７を別個に停止させる複数のフットスイッチ
を設ければ、全てのスレーブマニピュレータを停止させ
る必要がなくなり、各スレーブマニピュレータのシステ
ムダウンからの復帰作業に時間をかけなくても済むよう
になる。この場合、警告ランプ（例えば、緊急停止が生
じた時に赤点滅するランプ）を、操作者が見やすい位
置、例えば、マニピュレータの近傍や制御装置の近傍等
に設置しても良い。また、警告ランプでは大げさである
という場合には、ＬＥＤによる表示を行なうようにして
も良い。

【００４１】図４は、本発明の第２の実施形態を示すも
のである。本実施形態の医療用マニピュレータシステム
は、第１の実施形態の構成および作用効果に加え、操作
者の意図しない動きを制限するもでき、これによって、
安全性を向上させることができる。以下、具体的に説明
する。

【００４２】図４に示すように、本実施形態の医療用マ
ニピュレータシステムは、第１の実施形態で示した構成
（図２および図３参照）に加え、画像処理回路１４を備
えている。この画像処理回路１４は、ペン入力モニター
１５からの入力情報によって、モニター１５の画面上に
表示されている範囲内外での処置具４の動作範囲を制限
させ、安全性を向上させようとするものである。

【００４３】ペン入力モニター１５には、観察用スレー
ブマニピュレータのスコープ６から信号ライン１４ａを
介して体腔内の画像が写し出される。操作者は、この表
示された画像に対し、入力ペン１５ａでモニター１５の
画面上をなぞることによって、制限範囲を設定する。た
だし、この制限範囲を画像処理回路１４に正確に認識さ
せるため、操作者は、制限範囲を示す線（以下、制限線
という。）が閉じるようにペン入力する必要がある。

【００４４】このようにして描かれた制限線の情報は、
信号ライン１５ｃを介して、画像処理回路１４に送信さ
れる。画像処理回路１４は、この情報に基づいて、制限
線によって示された制限範囲がペン入力モニター１５の
どこの画面の画素に対応しているかを認識するととも
に、制限対象となる領域（動作可能領域）がその閉じた
制限線の内側の領域か或いは外側の領域かを判断する。
これによって、処置用スレーブマニピュレータの先端の
動作範囲が制限される。

【００４５】処置具４の先端にはマーキングがついてお
り、画像処理回路１４は、これを色抽出することによ
り、処置具４のマーキング部が画面のどの場所にきてい
るかを認識する。そして、このマーキングの位置が動作
可能領域であるか否か（制限線によって囲まれた領域の
内側か外側か）を判断し、設定の条件に応じて処置具４
を動作・停止させる。それ以外の構成および作用効果は
第１の実施形態と同一である。

【００４６】なお、制御装置１１のフロッピィディスク
Ｆに今回の情報（観察用マニピュレータの位置や動作制
限範囲等の情報）を記憶させても良い。これによって、
使用毎に設定し直すという煩わしさを解消することがで
きる。また、情報記憶媒体は、フロッピィディスクＦで
ある必要はなく、例えばメモリカードや光ＣＤ等の媒体
であっても良い。

【００４７】以上説明したように、本実施形態の医療用
マニピュレータシステムは、処置用スレーブマニピュレ
ータを選択された領域でのみ動作させることによって、
操作者の意図しない動作により対象部位以外の生体部位
に無理な力をかけてしまうといった事態を回避すること
ができる。したがって、術中の安全性が確保される。

【００４８】図５ないし図９は本発明の第３の実施形態
を示すものである。第２の実施形態では、ペン入力によ
って動作範囲を制限できたが、本実施形態では、画像処
理のエッジ検出を用いることによって、対象臓器等の部
位での動作限定を行なわすことができる。

【００４９】図５は本実施形態の医療用マニピュレータ
システムの構成を示している。図示のように、この医療
用マニピュレータシステムには画像処理回路３９が設け
られており、スコープ６で検出された画像データが画像
処理回路３９に直接に入力されるようになっている。そ
れ以外の構成は第１の実施形態と同一である。

【００５０】スコープ６で得られた画像データは信号ラ
イン３９ａを介して画像処理回路３９に取り込まれる。
取り込まれた画像データは、画像処理の領域分割法（原
画像上におけるクラスタリング）によって処理される。
この処理は、画像全体を開始点として一定の特徴を持た
ない領域を細分化していくものであり、最終的に均一な
領域になった時点で領域の細分化を停止する。具体的に
は、４分木（Quad tree)の方法を用い、画像をそれぞれ
の節点が最大４個の子を持つ木によって表現するもので
ある。なお、これは、画像領域の分割を行なう極めて一
般的な方法であるが、その他、原画像上のクラスタリン
グによるもの、特徴空間におけるクラスタリングによる
もの、エッジ検出、さらにはテクスチャ解析によるもの
等を用いても構わない。

【００５１】図６に原画像が示されている。この原画像
には画像処理回路３９によって前述した領域分割が施さ
れ、領域分割された画像には各領域に対して番号が付与
される。この状態は、信号ライン３９ｂを介して、ＨＭ
Ｄ８の画面に図７のように表示される。

【００５２】次に、領域のどの部分（臓器や血管等）に
対して動作範囲の制限を行なうかを選択決定するため
に、領域選択が行なわれる。ここでは、図７に示した番
号と同じ数値をキーボード入力することによって領域の
選択が行なわれる。例えば領域４の選択がなされると、
処置具４の先端に配置されたマーキングの位置が図８に
示された斜線部領域内（領域４内）に入るように、すな
わち、処置具４の先端が図８の矢印の方向に移動するよ
うに、処置用スレーブマニピュレータの動作を制御す
る。なお、この移動は、操作者の操作によるマスタース
レーブ動作であっても良いし、制御装置１１側のプログ
ラムによる自動的なものであっても良い。

【００５３】以上の作業が終了したら、第２の実施形態
と同様に、画像上の処置具４の先端のマーキングの位置
と選択された分割領域の範囲位置とを比較することによ
って、処置用スレーブマニピュレータの動作範囲が限定
される。

【００５４】なお、以上は一つの領域部位における動作
制限について説明したが、図９に示すように、複数の領
域部位を選択し、かつ、斜線領域外でのみ処置用スレー
ブマニピュレータを動作させるようにすることもでき
る。

【００５５】以上の一連の動作の一例を以下に示す。 （１）操作者が、キーボード入力により本実施形態で示
す動作のコマンドを選択する。その後、画像の領域分割
が行なわれ、操作者が装着しているＨＭＤの画面に、分
割された画像が表示される。操作者は、その画像を観察
し、キーボードの数値キー入力によって、選択したい領
域を選択する。

【００５６】（２）次に、操作者が処置用スレーブマニ
ピュレータを動作させ、選択した領域に処置具４の先端
のマーキングが入るように処置具４を誘導する。 （３）指定領域に処置具４を挿入した後、マスタースレ
ーブ動作を開始させる。

【００５７】以上説明したように、本実施形態の医療用
マニピュレータシステムによれば、任意の臓器を選択
し、その臓器の輪郭内外で処置用マニピュレータを動作
させることができ、目的とする部位へのアプローチのみ
を行なうことが可能になる。したがって、意図しない動
きを防止することができ、安全性が向上する。

【００５８】図１０は本発明の第４の実施形態を示すも
のである。図１０の（ａ）は、処置用スレーブマニピュ
レータの先端の処置具４がステープラである場合を示し
ている。この実施例形態のマニピュレータシステムは、
画像処理によって胆管の太さを認識し、その胆管にあっ
たステープラ（処置具４）を自動的に選択して処置を行
なおうとするものである。

【００５９】本実施形態では、第３の実施形態で示した
と同一の画像処理によって形状認識がなされるが、それ
に加え、胆管Ｓの太さを抽出することが行なわれる。ま
ず、胆管のどのあたりを切除するかを選択するために、
図１０の（ｂ）に示すようにＨＭＤ９の画面上に表示さ
れた円状のポインタＰを所望の部位まで誘導する。この
ポインタＰは、例えば制御装置１１のキーボードの矢印
キーによって、画面の上下左右に移動される。

【００６０】このポインタＰが胆管Ｓの所望の部位を囲
むような場所に位置したら、そのポインタＰの円の内部
にある胆管Ｓに対してエッジ検出を行なう。そして、こ
のエッジ検出情報から、エッジで囲まれ斜線部分（図１
０の（ｄ）参照）の矢印で示された方向の距離（胆管Ｓ
の太さ）を求める。これは、画面において何画素分であ
るかを求めることによって実現される。なお、この画素
情報では、実際の距離が求められないため、予め決めら
れた尺度と比較する必要がある。そのため、例えば、図
１０の（ｂ）に示すように、処置具４の鉗子部のグリッ
パ４ａの長さａを画像処理によって抽出し、その時の長
さａが何画素分かを求める。この場合、グリッパ４ａの
長さａは既知であるので、１画素に対してどのくらいの
長さであるかを計算することによって現在の胆管Ｓの太
さがおおよそどのくらいかを認識することができる。

【００６１】認識された情報により、ステープラの大き
さを選択し、それによって、胆管切除術を行なうことが
できる（図１０の（ｃ）参照）。なお、処置具４のグリ
ッパ４ａの長さａを出来るだけ正確に画面の画素に対応
させるために、処置具４の長手方向のベクトルを画面に
水平になるように配置することが望ましい。

【００６２】以上説明したように、本実施形態の医療用
マニピュレータシステムによれば、対象部位の処置に最
適な処置具を選択することができるため、例えばステー
プラを経験的に選択して処置を行なっていた従来よりも
操作性の向上を図ることができる。

【００６３】図１１および図１２は本発明の第５の実施
形態を示すものである。本実施形態の医療用マニピュレ
ータシステムは、第２および第３の実施形態のように処
置用スレーブマニピュレータの動作範囲を制限すること
もできるが、それ以外の手段によっても安全性の向上を
図ることができる。

【００６４】例えば、マスタースレーブモード動作時
に、モニタ画面に表示されていない生体内領域に処置用
スレーブマニピュレータが位置した場合、操作者は処置
具４がどのような状態にあるのかを認識することができ
ない。そこで、本実施形態では、図１１に示すように、
処置具４の先端に赤外線センサー４１を設け、これによ
って処置具４の位置状態を認識することができる。

【００６５】本実施形態の医療用マニピュレータシステ
ムの構成が図１２に示されている。図１２に示すよう
に、赤外線センサー４１からのデータは、信号ライン５
１を介して、制御装置１１に設けられたセンサー処理回
路５２に入力されるようになっている。それ以外の構成
は第３の実施形態と同一である。

【００６６】赤外線センサー４１は、対象部位の発する
赤外を検知するためのものであり、処置具４の先端が臓
器に近付くと赤外線の量を多く検知することができる。
そこで、本実施形態では、赤外線センサー４１が所定量
の赤外線を検知した場合に、センサー処理回路５２がそ
れを認識し、処置用スレーブマニピュレータの動作が停
止されるようになっている。具体的には、例えば、赤外
線センサー４１からの検知データ値が予め設定された閾
値以上であるとセンサー処理回路５２で判断された場合
には、センサー処理回路５２から処置用スレーブマニピ
ュレータを実際に制御しているサーボ処理回路１１ｂに
停止命令が送られ、処置用スレーブマニピュレータの動
作が停止される。したがって、処置具４の先端が意図し
ない臓器に接触することを防ぐことができる。

【００６７】なお、本実施形態では、赤外線検知によっ
て臓器に対する処置具４の先端の過度の接近を回避する
ようにしているが、例えば超音波センサーを用い、超音
波の反射波から処置具４の先端の臓器に対する接近度を
認識し、処置具４の先端が臓器にある一定距離以上近付
きすぎないように制御しても良い。

【００６８】以上説明したように、本実施形態の医療用
マニピュレータシステムによれば、操作者が観察できな
い領域に処置具４が位置した場合でも、処置用スレーブ
マニピュレータの動作を自動的に停止することができる
ため、安全性が向上する。

【００６９】ところで、一般に、観察・処置を行なうた
めの器具はその種類が無数にあり、それら全てに対応し
たマニピュレータをラインアップすることは極めて困難
である。そこで、以下、スコープおよび処置具の部分だ
けを交換することができる医療用マニピュレータシステ
ムについて説明することとする。

【００７０】図１３の（ａ）は、観察・処置用マニピュ
レータによる内視鏡下外科手術を行なう医療用マニピュ
レータシステムの構成を示している。図中１０１は、観
察用スコープ１０２あるいは処置具１０３を先端に配置
可能なロボットアームである。１０４は患者ベッドで、
１０５は患者である。ロボットアーム１０１には電動で
各関節を駆動させるためのサーボモータが内蔵されてお
り（図示しない）、これらのサーボモータによって、ス
コープ１０２および処置具１０３が所望の位置および方
向に動作できるようになっている。また、図中１０６
は、ロボットアーム１０１とスコープ１０２あるいは処
置具１０３とを連結させるための機構部であり、ネジ止
め式になっている。

【００７１】ところで、ロボットアーム１０１は、サー
ボ処理による位置決めを行なっているが、一般にスコー
プ１０２の重さと処置具１０３の重さとはかなり異なっ
ているため、マニピュレータのサーボゲインを最適にす
るために、ロボットアーム１０１に取り付ける対象器具
によってゲイン調整を行なう必要がある。もし、この調
整を行なわないと、マニピュレータの応答性を向上させ
ることができなくなり、強いては操作性が低下してしま
う。

【００７２】そこで、本実施形態では、ロボットアーム
１０１のサーボ処理系に自動ゲイン調整手段を設け、常
に最適なゲインによるロボットアーム１０１の駆動を行
なわせることができるようにしている。

【００７３】図１３の（ｂ）にロボットアーム１０１の
簡単な制御ブロック線図が示されている。図中ｓはラプ
ラス演算子であり、ＫＰ１は比例ゲイン、ＫＩ１は積分
ゲイン、Ｋ２はアンプゲイン、Ｔは制御対象（ここでは
モータ）時定数である。また、θ１は入力位置指令、θ
２は位置出力値である。図中点線で囲まれた部分は、第
１の実施形態で示したＤＳＰで実現している。そして、
このＤＳＰの内部メモリ（図示しない）には、スコープ
１０２を駆動する場合のループゲイン定数（比例ゲイ
ン、積分ゲイン）と処置具１０３を駆動する場合のルー
プゲイン定数とが予め各々記憶させてあり、動作を行な
わせる際に、ループゲイン定数の選択を行なうようにな
っている。この選択は、制御装置のキーボードからのコ
マンドによって行われる。

【００７４】ループゲイン定数の選択がされると、ＤＳ
Ｐ側でどのコマンドが設定されたかが認識され、そのコ
マンドに合うループゲインが選択される。その後、位置
決めのためのサーボ処理が行なわれる。また、途中で器
具を交換するような事態に対応するために、コマンドの
認識は定期的にＤＳＰ側で確認される。

【００７５】以上のような制御によれば、簡単な構成で
各医療器具に合ったロボットアームのゲイン調整を行な
うことができるようになり、常に最適な応答性でロボッ
トアームを駆動させることができ、操作性が向上する。

【００７６】なお、図１３の構成では、操作者が自分自
身でループゲインの設定を行なわなければならないが、
人間による操作では常にヒューマンエラーによる設定ミ
スが予測されるため、制御装置自身が負荷の推定を行な
い、制御装置自身でループゲインを設定する制御構成に
ついて以下説明することとする。

【００７７】図１４の（ａ）にそのブロック線図を示
す。図中Ｋ２はアンプゲイン、Ｊはモータのイナーシ
ャ、Ｋ１はモータトルク定数である。図中点線で囲まれ
た１１１はモータ部を示している。１１０はＤＳＰであ
る。ただし、アンプは、指令通りの電流をモータに流せ
るようになっている。具体的には、電流フィードバック
が設けられる。図中、θ１が入力指令であり、θ２が出
力値である。図に示すように、θ２はライン１１２を介
してＤＳＰ１１０側にフィードバックされている。

【００７８】図１４（ｂ）は、図１４（ａ）の系のモー
タ電流指令（ｉ）と位置出力との間に、図中点線の部分
のブロック線図を追加してものである。また、図中ｄ
は、モータ軸にかかる外乱を表わしている。

【００７９】この構成において、ライン１１５から出力
される外乱トルクｄは、 （Ｊ／Ｊ）（Ｋ１＋ｄ）−Ｋ１ …………（１） という演算から求められる。ここで、モータ軸換算負荷
がＪからＪ１に変化したとすると、 （Ｊ／Ｊ１）（Ｋ１＋ｄ）−Ｋ１ …………（２） から求められる外乱トルクｄがライン１１５から出力さ
れる。

【００８０】実際には、ブロック線図の点線内は、ＤＳ
Ｐ等による高速サンプリングを行なっているため、外乱
トルクｄが急激に変化しない（ライン１１５の出力が変
わらない）。したがって、モータ軸換算イナーシャは上
式（１）および（２）より、Ｊ＝Ｊ１となる。

【００８１】これによって、負荷がどの程度変わったか
が認識されるため、例えば、ＤＳＰのメモリに各取り付
け器具の換算イナーシャＪを記憶しておき比較すること
によって、自動的に取り付け器具の推定が可能になる。
これによって、ＤＳＰ側で自動的に負荷にあったゲイン
調整が可能となる。

【００８２】以上説明した制御によれば、ヒューマンエ
ラーを自動的になくすことが可能であるため、誤操作に
よる操作性低下を防ぐことができる。なお、以上説明し
てきた態様により、以下の項で示す各種の構成が得られ
る。また、以下の項で示す各種の構成は、任意に組み合
わせても良い。

【００８３】１．生体内組織部位の観察と処置の少なく
とも一方を行なう器具を保持する複数の多関節手術用マ
ニピュレータと、前記多関節手術用マニピュレータを操
作するための操作手段と、前記操作手段からの操作情報
に基づいて前記多関節手術用マニピュレータの動作を制
御する制御手段と、操作者の操作可能な部位に設けら
れ、前記多関節手術用マニピュレータの少なくとも１つ
の動作を強制的に停止させる強制停止手段と、とを具備
することを特徴とする医療用マニピュレータシステム。

【００８４】２．前記強制停止手段は、全てのマニピュ
レータの動作を停止させることを特徴とする第１項に記
載の医療用マニピュレータシステム。 ３．前記強制停止手段は、所望のマニピュレータの動作
を選択的に停止させることを特徴とする第１項に記載の
医療用マニピュレータシステム。

【００８５】４．前記強制停止手段が個々のマニピュレ
ータの近傍に設けられていることを特徴とする第３項に
記載の医療用マニピュレータシステム。 ５．前記強制停止手段が個々のマニピュレータを制御す
る制御装置の近傍に設けられていることを特徴とする第
３項に記載の医療用マニピュレータシステム。

【００８６】６．前記強制停止手段がハンドスイッチで
あることを特徴とする第２項ないし第５項のいずれか１
項に記載の医療用マニピュレータシステム。 ７．前記強制停止手段がフットスイッチであることを特
徴とする第２項ないし第５項のいずれか１項に記載の医
療用マニピュレータシステム。

【００８７】８．マニピュレータが停止した時に点滅す
る警告手段を個々のマニピュレータの近傍に設けたこと
を特徴とする第１項に記載の医療用マニピュレータシス
テム。

【００８８】９．前記警告手段が色付きランプであるこ
とを特徴とする第８項に記載の医療用マニピュレータシ
ステム。 １０．前記警告手段がＬＥＤであることを特徴とする第
８項に記載の医療用マニピュレータシステム。

【００８９】１１．生体内組織部位の観察を行なう観察
器具を保持する観察用多関節マニピュレータと、生体内
組織部位の処置を行なう処置器具を保持する少なくとも
１つの処置用多関節マニピュレータと、前記多関節マニ
ピュレータの両者を操作するための操作手段と、前記操
作手段からの操作情報に基づいて前記多関節マニピュレ
ータの動作を制御する制御手段と、前記観察器具からの
情報を画像情報として出力する表示手段と、前記表示手
段に表示された画像の任意の範囲を選択するための画像
選択手段とを具備し、前記多関節マニピュレータに保持
された少なくとも観察または処置を行うための器具の先
端近傍部が前記画像選択手段によって選択された範囲内
にある時にのみマニピュレータの動作を可能とする動作
判断手段が設けられていることを特徴とする医療用マニ
ピュレータシステム。

【００９０】１２．前記画像選択手段は、前記表示手段
によって表示された観察画像上にペン入力によって選択
することを特徴とする第１１項に記載の医療用マニピュ
レータシステム。

【００９１】１３．前記動作判断手段は、画像処理によ
る色抽出によるものであることを特徴とする第１１項に
記載の医療用マニピュレータシステム。 １４．生体内組織部位の観察器具を保持する多関節手術
用マニピュレータと、この多関節手術用マニピュレータ
を操作するための操作手段と、この操作手段からの操作
情報に基づいて前記多関節手術用マニピュレータの動作
を制御する制御手段と、前記観察器具からの情報を画像
情報として出力する表示手段と、表示手段に表示された
画像の任意の範囲を選択するための画像選択手段とを有
する医療用マニピュレータシステムにおいて、前記画像
選択手段が画像処理の領域選択によるものであることを
特徴とする医療用マニピュレータシステム。

【００９２】１５．前記領域選択手段が原画像上におけ
るクラスタリングを用いることを特徴とする第１４項に
記載の医療用マニピュレータシステム。 １６．前記領域選択手段が特徴空間におけるクラスタリ
ングを用いることを特徴とする第１４項に記載の医療用
マニピュレータシステム。

【００９３】１７．前記領域選択手段が原画像中のエッ
ジを用いることを特徴とする第１４項に記載の医療用マ
ニピュレータシステム。 １８．前記領域選択手段がテクスチャ解析を用いること
を特徴とする第１４項に記載の医療用マニピュレータシ
ステム。

【００９４】１９．生体内組織部位の観察と処置の少な
くとも一方の器具を保持する多関節手術用マニピュレー
タと、この多関節手術用マニピュレータを操作するため
の操作手段と、この操作手段からの操作情報に基づいて
前記多関節手術用マニピュレータの動作を制御する制御
手段とを有する医療用マニピュレータシステムにおい
て、前記処置器具先端近傍が臓器付近に近付いた時にマ
ニピュレータの動作を停止させるための動作制御判断手
段を設けたことを特徴とする医療用マニピュレータシス
テム。

【００９５】２０．前記動作制御判断手段は、処置器具
に取り付けられたセンサーと、センサから出力された情
報が一定値を超えたら動作停止させるための処理回路と
からなることを特徴とする第１９項に記載の医療用マニ
ピュレータシステム。

【００９６】２１．前記センサが圧電素子センサである
ことを特徴とする第２０項に記載の医療用マニピュレー
タシステム。 ２２．前記センサが赤外線検知センサであることを特徴
とする第２０項に記載の医療用マニピュレータシステ
ム。

【００９７】２３．生体内組織部位の観察と処置の少な
くとも一方の器具を保持する多関節手術用マニピュレー
タと、この多関節手術用マニピュレータを操作するため
の操作手段と、この操作手段からの操作情報に基づいて
前記多関節手術用マニピュレータの動作を制御する位置
決めサーボ制御手段とを有する医療用マニピュレータシ
ステムにおいて、前記器具に応じて前記マニピュレータ
のサーボゲインの値に切換え可能なサーボゲイン切換え
手段を有する。

【００９８】２４．生体内組織部位の観察と処置の少な
くとも一方の器具を保持する多関節手術用マニピュレー
タと、この多関節手術用マニピュレータを操作するため
の操作手段と、この操作手段からの操作情報に基づいて
前記多関節手術用マニピュレータの動作を制御する位置
決めサーボ制御手段と、前記器具に応じて前記マニピュ
レータのサーボゲインの値に切換え可能なサーボゲイン
切換え手段とを有する医療用マニピュレータシステムに
おいて、前記マニピュレータのサーボゲイン切換え手段
は、予め設定された観察器具のサーボゲインと処置器具
のサーボゲインとを切り換える切り換え手段であること
を特徴とする医療用マニピュレータシステム。

【００９９】２５．前記切り換え手段は、自動的に切り
換わるように自動識別手段を有していることを特徴とす
る第２３項に記載の医療用マニピュレータシステム。 ２６．前記自動識別手段が負荷の慣性を識別することに
よる識別装置であることを特徴とする第２３項に記載の
医療用マニピュレータシステム。

【０１００】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の医療用マ
ニピュレータシステムによれば、複数の医療用マニピュ
レータを使用した手術においてマニピュレータに何等か
の動作不良が生じた場合でも、それに対して速やかに対
処できる。したがって、安全性および操作性に優れ、手
術時間を短縮でき、患者に対する侵襲を低くすることが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態に係る医療用マニピュ
レータシステムを構成するマニピュレータの処置具およ
びスコープの作動機構を概略的に示す構成図である。

【図２】本発明の第１の実施形態に係る医療用マニピュ
レータシステムの構成図である。

【図３】本発明の第１の実施形態に係る医療用マニピュ
レータシステムの具体例を示す構成図である。

【図４】本発明の第２の実施形態に係る医療用マニピュ
レータシステムの構成図である。

【図５】本発明の第３の実施形態に係る医療用マニピュ
レータシステムの構成図である。

【図６】スコープによって得られた原画像である。

【図７】領域分割された図６の原画像の各領域に対して
番号が付与された表示例を示す図である。

【図８】処置具の先端に配置されたマーキングの位置が
原画像の一定の領域内に入る様子を示す図である

【図９】複数の制限領域が指定された画像表示例を示す
図である。

【図１０】本発明の第４の実施形態を示し、胆管の太さ
を抽出して切除する一連の過程を示す図である。

【図１１】本発明の第５の実施形態に係わり、赤外線セ
ンサを用いた動作制限の態様を示す図である。

【図１２】本発明の第５の実施形態に係る医療用マニピ
ュレータシステムの構成図である。

【図１３】（ａ）はスコープおよび処置具の部分だけを
交換することができる医療用マニピュレータシステムの
一例を示す図、（ｂ）は（ａ）のシステムの制御ブロッ
ク線図である。

【図１４】制御装置自身でループゲインを設定するよう
にしたシステムのブロック線図である。

【符号の説明】

４…処置具、５…処置用アーム（多関節手術用マニピュ
レータ）、６…スコープ、７…観察用アーム（多関節手
術用マニピュレータ）、８…マスターアーム（操作手
段）、９…ＨＭＤ（操作手段）、１２ｂ…フットスイッ
チ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 生体内組織部位の観察と処置の少なくと
   も一方を行なう器具を保持する複数の多関節手術用マニ
   ピュレータと、 前記多関節手術用マニピュレータを操作するための操作
   手段と、 前記操作手段からの操作情報に基づいて前記多関節手術
   用マニピュレータの動作を制御する制御手段と、 操作者の操作可能な部位に設けられ、前記多関節手術用
   マニピュレータの少なくとも１つの動作を強制的に停止
   させる手段と、 とを具備することを特徴とする医療用マニピュレータシ
   ステム。