JPWO2016151770A1 - 軟性マニピュレータ制御装置および医療用マニピュレータシステム - Google Patents

Abstract

軟性マニピュレータの湾曲状態を低コストで高精度に推定し、軟性マニピュレータを精度よく制御することを目的として、軟性マニピュレータ制御装置（２）は、体内に挿入される軟性の挿入部の先端に可動部（７）を有し、基端に該可動部（７）を駆動する駆動手段（８）を有する軟性マニピュレータ（４）の駆動手段（８）を、制御パラメータに従って制御する軟性マニピュレータ制御装置（２）であって、挿入部が挿入される患者の身体情報を記憶する身体情報記憶部（１２）と、患者に挿入された状態の可動部（７）の位置情報を入力する位置情報入力部（１４）と、身体情報記憶部（１２）に記憶された身体情報と位置情報入力部（１４）に入力された位置情報とに基づいて制御パラメータを調節するパラメータ調節部（１６）とを備える。

Description

本発明は、軟性マニピュレータ制御装置および医療用マニピュレータシステムに関するものである。

軟性内視鏡において、挿入部の湾曲状態に応じて処置具の制御パラメータを変更する技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。この特許文献１においては、挿入部の先端の湾曲部を湾曲駆動するワイヤの張力を検出することにより、挿入部の湾曲状態を検出することとしている。
また、挿入部の湾曲状態を検出するためにＵＰＤ装置を使用する技術も知られている（例えば、特許文献２参照。）。

特許第４５８０９７３号公報 特開２００９−１３１４０６号公報

特許文献１のようにワイヤの張力により挿入部の湾曲状態を検出する方法では、使用に伴うワイヤの伸びや弛みが生じた場合に、湾曲状態を精度よく検出することが困難になる。また、ＵＰＤ装置によれば、検出精度の劣化は少ないが、装置が大がかりとなりコストがかかる。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、軟性マニピュレータの湾曲状態を低コストで高精度に推定し、軟性マニピュレータを精度よく制御することができる軟性マニピュレータ制御装置および医療用マニピュレータシステムを提供することを目的としている。

本発明の一態様は、体内に挿入される軟性の挿入部の先端に可動部を有し、基端に該可動部を駆動する駆動手段を有する軟性マニピュレータの前記駆動手段を、制御パラメータに従って制御する軟性マニピュレータ制御装置であって、前記挿入部が挿入される患者の身体情報を記憶する身体情報記憶部と、患者に挿入された状態の前記可動部の位置情報を入力する位置情報入力部と、前記身体情報記憶部に記憶された身体情報と前記位置情報入力部に入力された位置情報とに基づいて前記制御パラメータを調節するパラメータ調節部とを備える軟性マニピュレータ制御装置である。

本態様によれば、身体情報記憶部に記憶されている患者の身体情報と、位置情報入力部に入力された可動部の位置情報とに基づいて、軟性マニピュレータの先端に位置する可動部を駆動するために軟性マニピュレータの基端に配置された駆動手段を制御するための制御パラメータが調節される。身体情報は、挿入部を挿入していく体内の挿入経路の形状を表し、可動部の位置情報は、挿入口からの挿入長さを表しているので、これら２つの情報に基づけば、挿入部の湾曲の程度を推定することができる。その結果、湾曲した挿入部の先端に配置されている可動部を挿入部の基端に配置されている駆動手段によって精度よく制御することができる。

上記態様においては、前記身体情報記憶部に複数の患者の身体情報が各患者の識別情報と対応づけて記憶され、患者の識別情報を入力する識別情報入力部と、該識別情報入力部により入力された患者の識別情報に基づいて、前記身体情報記憶部に記憶されている対応する患者の身体情報を選択する身体情報選択部とを備え、前記パラメータ調節部が、前記身体情報選択部により選択された身体情報と前記位置情報入力部に入力された位置情報とに基づいて前記制御パラメータを調節してもよい。

このようにすることで、患者の識別情報を入力して、身体情報記憶部に記憶されている複数の身体情報の中から、手術を行う患者に適した身体情報を選択するので、適正な制御パラメータに調節して軟性マニピュレータを精度よく制御することができる。

また、上記態様においては、前記身体情報が、前記挿入部の前記体内への挿入経路の形状に関する情報であってもよい。
このようにすることで、挿入部の体内への挿入経路の形状に関する情報と、挿入された可動部の位置情報とに基づくことにより、より正確に挿入部の湾曲状態を推定することができ、可動部を精度よく制御することができる。

また、上記態様においては、前記可動部の位置情報が、前記体内への前記挿入部の挿入量であってもよい。
このようにすることで、挿入量と身体情報とに基づいてより正確に挿入部の湾曲状態を推定することができ、可動部を精度よく制御することができる。

また、上記態様においては、前記位置情報入力部が、前記挿入部の挿入量を検出するセンサを備えていてもよい。
このようにすることで、センサにより挿入部の挿入量が検出され、検出された挿入量が入力されるので、手入力を行うことなく簡易に精度よく挿入部の湾曲状態を推定することができる。

また、上記態様においては、前記駆動手段を制御するための異なる制御パラメータが設定され、択一的に選択可能な複数の制御ユニットを備え、前記パラメータ調節部が、前記身体情報と前記位置情報とに基づいて、前記制御ユニットを切り替えてもよい。
このようにすることで、患者の身体情報および位置情報に基づいて、最適な制御パラメータが設定された制御ユニットが選択され、簡易に精度よく可動部を制御することができる。

また、上記態様においては、前記パラメータ調節部が、前記位置情報入力部に入力された位置情報に基づいて前記挿入部の形状を推定し、推定された挿入部の形状に基づいて前記制御パラメータを調節してもよい。
このようにすることで、患者の身体情報および位置情報に基づいて挿入部の形状が推定されるので、より詳細に挿入部の湾曲状態を把握することができ、より精度よく可動部を制御することができる。

また、本発明の他の態様は、前記軟性マニピュレータと、オペレータにより操作される操作部から入力された操作量に基づいて前記駆動手段を制御する上記軟性マニピュレータ制御装置とを備える医療用マニピュレータシステムである。
本態様によれば、オペレータが操作部を操作すると、操作部に入力された操作量に応じて軟性マニピュレータ制御装置から軟性マニピュレータの駆動手段への駆動指令信号が出力される。軟性マニピュレータ制御装置は、挿入部の湾曲状態に応じて制御パラメータが調節されることにより、操作部からの操作量に基づいて適正な駆動指令信号を駆動手段に出力することができ、精度よく可動部を制御することができる。

本発明によれば、軟性マニピュレータの湾曲状態を低コストで高精度に推定し、軟性マニピュレータを精度よく制御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用マニピュレータシステムを示す全体構成図である。 図１の医療用マニピュレータシステムに備えられる本発明の一実施形態に係る軟性マニピュレータ制御装置を示すブロック図である。 大腸に挿入したときの軟性マニピュレータの形状の一例を示す図である。 図３の軟性マニピュレータの形状を、直線と円弧でモデル化し、湾曲部分を含む複数のセクションを設定した状態を示す図である。 図２の医療用マニピュレータ制御装置の変形例を示す図である。 図２の医療用マニピュレータ制御装置の他の変形例を示す図である。

本発明の一実施形態に係る医療用マニピュレータシステム１および軟性マニピュレータ制御装置２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用マニピュレータシステム１は、例えば、図１に示されるように、オペレータＡにより操作されるマスタ装置（操作部）３と、患者Ｏの体腔内に挿入される軟性マニピュレータ４と、マスタ装置３への操作入力に基づいて軟性マニピュレータ４を制御する軟性マニピュレータ制御装置２と、モニタ５とを備えている。

軟性マニピュレータ４は、患者Ｏの体腔内に挿入される軟性内視鏡の鉗子チャネル、あるいはオーバーチューブ４０（図３参照。）等を経由して患者Ｏの体腔内に挿入される挿入部６と、該挿入部６の先端に配置される把持部（可動部）７と、挿入部６の基端に配置される駆動部（駆動手段）８と、駆動部８と把持部７とを連結し、張力によって把持部７を動作させるワイヤ２０とを備えている。

把持部７は、例えば、把持鉗子であり、ワイヤ２０の張力によって開閉動作させられるようになっている。
駆動部８は、モータ９と、モータ９の駆動力をワイヤ２０の張力に変換するプーリのような変換機構１０とを備えている。
ワイヤ２０は、挿入部６内に形成された経路に沿って把持部７と駆動部８とを連結している。

本実施形態に係る軟性マニピュレータ制御装置２は、患者Ｏの識別情報を入力する識別情報入力部１１と、患者Ｏの識別情報と身体情報とを対応づけて記憶している記憶部（身体情報記憶部）１２と、識別情報入力部１１に入力された識別情報に関連する患者Ｏの身体情報を選択する選択部（身体情報選択部）１３と、患者Ｏの体腔内に挿入された状態の把持部７の位置情報を入力する位置情報入力部１４と、マスタ装置３への操作入力に応じて駆動部８を制御する駆動制御部１５と、選択部１３により選択された身体情報と位置情報入力部１４に入力された位置情報とに基づいて、駆動制御部１５の制御パラメータを調節するパラメータ調節部１６とを備えている。

患者Ｏの身体情報としては、患者Ｏの臓器形状、特に、挿入部６が挿入されていく挿入経路となる体腔を有する臓器の形状を示す情報を挙げることができる。例えば、患者ＯのＢＭＩ、慎重、体重、国籍、性別、年齢、体型、手術歴などが挙げられる。これらの身体情報は、挿入部６が挿入されていく挿入経路となる体腔の状態、例えば、体腔の口径、長さ、曲率等を間接的に表している。

位置情報入力部１４は、挿入部６の体腔内への挿入量をオペレータＡが入力する入力装置である。挿入部６の体腔内への挿入量は、挿入部６を挿入している内視鏡の挿入部あるいはオーバーチューブ４０の外面に目盛Ｍを設けておくことで、患者Ｏの体外において容易に確認することができる。軟性マニピュレータ４を体腔内に直接挿入する場合には、図２に示されるように、軟性マニピュレータ４の挿入部６に目盛Ｍを設けておき、目盛Ｍによって挿入量を確認してもよい。

駆動制御部１５は、初期状態では挿入部６が真っ直ぐに伸びた状態で、マスタ装置３への操作入力に応じて把持部７を開閉するための必要十分な駆動力を駆動部８のモータ９に発生させるような制御パラメータを保持している。

パラメータ調節部１６は、以下の手順で駆動制御部１５の制御パラメータを調節するようになっている。
すなわち、身体情報選択部１３により選択された患者Ｏの身体情報によって、挿入部６が挿入されていく挿入経路となる体腔を有する臓器の形状が特定されるとともに、挿入量が入力されることによって、挿入部６の先端の把持部７が臓器のどの位置まで達しているのかを推定することができる。

図３に示されるように、臓器内に挿入されていく挿入部６の実際の形状を、図４に示されるように直線と一定の曲率の円弧との組み合わせにより表現される形状であると仮定する。図３に示す例では、軟性マニピュレータ４を挿入する臓器として大腸を示している。挿入部６の先端に配される把持部７の位置は、挿入部６の挿入量Ｐによって設定する。

そして、図３に示されるように、設定された挿入部６の形状において、単一の円弧で近似できる湾曲部分毎にセクションＳ１からＳ４を設定する。この後に、各セクションＳ１からＳ４に含まれる挿入部６の湾曲部分の曲げ角度θ１からθ４を算出する。この例では、挿入量Ｐから挿入部６の先端に配置されている把持部７はセクションＳ４まで達しているので、セクションＳ１からＳ３における曲げ角度θ１からθ３は９０°であり、セクションＳ４における曲げ角度θ４は９０°より小さい角度が挿入量Ｐから算出される。そして、挿入部６の全長にわたる合計曲げ角度θ（＝θ１＋θ２＋θ３＋θ４）が算出される。

このようにして合計曲げ角度θが算出されると、パラメータ調節部１６は、算出された合計曲げ角度θを用いて制御パラメータを算出するようになっている。
制御パラメータとしては、ワイヤ２０のみかけの剛性ｋ_ｄを挙げることができる。
ワイヤ２０のみかけの剛性ｋ_ｄは、合計曲げ角度θによって下式（１）により表される

ｋ_ｄ＝ＥＡμθ／（Ｌ（ｅ^μθ−１）） （１）
ここで、
Ｅはワイヤ２０のヤング率、
Ａはワイヤ２０の横断面積、
μはワイヤ２０と周囲との摩擦係数、
Ｌはワイヤ２０の長さ、
である。

そして、パラメータ調節部１６は、みかけの剛性ｋ_ｄを有するワイヤ２０を用いて把持部７を駆動するための指令信号が出力されるように駆動制御部１５に記憶されている制御パラメータであるワイヤ２０の剛性を、式（１）により計算されたみかけの剛性ｋ_ｄに書き換え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軟性マニピュレータ制御装置２および医療用マニピュレータシステム１の作用について、以下に説明する。
本実施形態に係る医療用マニピュレータを用いて患者Ｏの体腔内に位置する患部を処置するには、オペレータＡは、まず、患者Ｏの識別情報を識別情報入力部１１から入力する。

患者Ｏの識別情報が入力されると、選択部１３により、記憶部１２に記憶されている患者Ｏの身体情報が、識別情報に基づいて検索され、当該識別情報に対応づけられている身体情報が選択される。選択された身体情報は、パラメータ調節部１６に送られる。

次いで、オペレータＡは、内視鏡あるいはオーバーチューブ４０を患者Ｏの体腔内に挿入していき、内視鏡あるいはオーバーチューブ４０の先端が患部に対向する位置まで進行させる。
内視鏡あるいはオーバーチューブ４０は比較的大きな剛性を有しているので、臓器の形状に倣いながら湾曲する反面、臓器の剛性が弱い部分については臓器を変形させながら挿入されていく。

そして、オペレータＡは内視鏡あるいはオーバーチューブ４０の外面に設けられた目盛Ｍにより、内視鏡の挿入部あるいはオーバーチューブ４０の挿入量を確認し、位置情報入力部１４から入力する。位置情報入力部１４から入力された挿入量もパラメータ調節部１６に送られる。

パラメータ調節部１６においては、選択部１３により選択された身体情報に基づいて、挿入部６が挿入されていく挿入経路となる体腔を有する臓器の形状が特定される。そして、位置情報入力部１４から入力された挿入量に基づいて、臓器の形状のどの位置まで挿入部６が挿入されているのかを特定することができる。

これにより、パラメータ調節部１６においては、体腔内に挿入されている状態の挿入部６の形状が推定される。
そして、パラメータ調節部１６においては、推定された挿入部６の形状が、単一の円弧で近似できる湾曲部分毎に複数セクションＳ１からＳ４に区画され、各セクションＳ１からＳ４に含まれる湾曲部分の曲げ角度が合計されて、挿入部６の全長にわたる合計曲げ角度θが算出される。

その後、パラメータ調節部１６においては、合計曲げ角度θを用いて式（１）により、ワイヤ２０のみかけの剛性ｋ_ｄが算出され、算出された剛性ｋ_ｄは駆動制御部１５に送られて、記憶されている剛性と置き換えられる。これにより、ワイヤ２０を介して把持部７を駆動するための駆動部８の制御パラメータが、実体に則した値に置き換えられる。

すなわち、挿入部６を体腔内に挿入することによる挿入部６の湾曲部分が長くなるほど、ワイヤ２０は摩擦の影響を受けて駆動部８により与えられた張力を伝達しにくくなるが、本実施形態に係る軟性マニピュレータ制御装置２および医療用マニピュレータシステム１によれば、湾曲部分の長さを推定して制御パラメータを書き換えることにより、より大きな駆動力を発生させて把持部７を開閉するのに必要十分な張力を発生させることができる。これにより、駆動部８による把持部７の駆動制御を精度よく行うことができるという利点がある。

また、本実施形態に係る軟性マニピュレータ制御装置２および医療用マニピュレータシステム１によれば、患者Ｏの身体情報と体腔内における把持部７の位置情報とに基づいて、挿入部６の合計曲げ角度が算出されるので、簡易に把持部７の制御精度を向上することができる。
特に、把持部７の位置情報として、挿入部６の挿入量を手入力するだけで済むので、ＵＰＤ装置のような大がかりな装置を使用することなく、低コストに制御精度を向上することができるという利点がある。
また、本実施形態においては、患者Ｏの識別情報を入力して、患者Ｏの身体情報を読み出すので、患者Ｏ毎に最適な駆動制御を行うことができる。

なお、本実施形態においては、軟性マニピュレータ４の挿入部６の湾曲状態を推定するために、複数のセクションＳ１からＳ４に区画して各セクションＳ１からＳ４毎に算出された曲げ角度θ１からθ４を合計して合計曲げ角度θを算出することとしたが、これに代えて、以下の他の方法を採用してもよい。

第１に、身体情報および挿入量の組み合わせと制御パラメータとを予め対応づけたルックアップテーブルを記憶しておき、入力された身体情報と挿入量Ｐとに基づいて制御パラメータをルックアップテーブルから読み出すことにしてもよい。
これにより、迅速に制御パラメータを調節することができるという利点がある。

第２に、身体情報と挿入量Ｐとを引数とする関数の形で制御パラメータを用意しておき、入力された身体情報と挿入量Ｐとを関数に代入して制御パラメータを演算することにしてもよい。
これによっても、迅速に制御パラメータを調節することができるという利点がある。

関数としては、身体情報として臓器形状を患者Ｏに応じて半径の異なる「円弧」と仮定し、挿入量を円弧の長さとして曲げ角度を出力する関数を採用してもよい。これによれば、単純な関数によって迅速に制御パラメータを算出することができる。
また、関数としては、より現実の臓器形状に近い形の線分を表す自由関数を採用してもよい。これによれば、より精度よく挿入部６の湾曲状態を表現することができる。

また、全ての湾曲部分の曲率を一定として合計曲げ角度θを算出することとしたが、これに代えて、臓器の形状をより忠実に表すように各湾曲部分において異なる曲率を設定し、曲率と曲げ角度とから各湾曲部分の円弧長を算出することにしてもよい。

また、位置情報として挿入量を入力することとしたが、例えば、内視鏡によって把持部７の位置を確認できる場合にはその位置を直接特定してもよい。
また、挿入量を目盛Ｍによって読み取ることとしたが、これに代えて、挿入部６の長手方向の移動を検出するセンサを配置し、挿入部６の体腔への挿入開始時からの移動量をセンサによって検出してもよい。

センサとしては、挿入部６の外面を転動させられるローラの回転角度を検出する回転センサや、挿入部６に長手方向に間隔をあけて固定した磁石の磁気を検出するホール素子、あるいは静電容量センサ等を採用してもよい。

また、パラメータ調節部１６において身体情報と挿入量Ｐとから制御パラメータを求めることとしたが、これに加えて、図５に示されるように、曲げ剛性入力部１７により挿入部６の曲げ剛性を入力させ、制御パラメータの算出に使用することにしてもよい。軟性マニピュレータ４は湾曲する際に曲げ剛性の影響を受けるため、より高精度に軟性マニピュレータ４の状態を推定することができる。

また、制御パラメータを入れ替えることに代えて、図６に示されるように、異なる制御パラメータを保持した複数の駆動制御部（駆動制御部Ａ，Ｂ，Ｃ、制御ユニット）１８を交換可能に設けておき、身体情報と挿入量との組み合わせに応じて、いずれかの駆動制御部Ａ，Ｂ，Ｃを選択的に接続することにしてもよい。同じ制御モデルで制御パラメータを切り替える場合の他、異なる制御モデルを採用することもでき、より精度よく把持部７を制御することができる。

また、制御パラメータの調節は、オペレータＡがキャリブレーションを指令する都度に行うことにしてもよいし、挿入部６の挿入量に応じて逐次実施してもよい。短い周期で調節することにより、より高精度に制御することができる。

１ 医療用マニピュレータシステム
２ 軟性マニピュレータ制御装置
３ マスタ装置（操作部）
４ 軟性マニピュレータ
６ 挿入部
７ 把持部（可動部）
８ 駆動部（駆動手段）
１１ 識別情報入力部
１２ 記憶部（身体情報記憶部）
１３ 選択部（身体情報選択部）
１４ 位置情報入力部
１５，１８ 駆動制御部（駆動制御部Ａ，Ｂ，Ｃ、制御ユニット）
１６ パラメータ調節部
Ａ オペレータ
Ｏ 患者

Claims (8)

1. 体内に挿入される軟性の挿入部の先端に可動部を有し、基端に該可動部を駆動する駆動手段を有する軟性マニピュレータの前記駆動手段を、制御パラメータに従って制御する軟性マニピュレータ制御装置であって、
   前記挿入部が挿入される患者の身体情報を記憶する身体情報記憶部と、
   患者に挿入された状態の前記可動部の位置情報を入力する位置情報入力部と、
   前記身体情報記憶部に記憶された身体情報と前記位置情報入力部に入力された位置情報とに基づいて前記制御パラメータを調節するパラメータ調節部とを備える軟性マニピュレータ制御装置。
2. 前記身体情報記憶部に複数の患者の身体情報が各患者の識別情報と対応づけて記憶され、
   患者の識別情報を入力する識別情報入力部と、
   該識別情報入力部により入力された患者の識別情報に基づいて、前記身体情報記憶部に記憶されている対応する患者の身体情報を選択する身体情報選択部とを備え、
   前記パラメータ調節部が、前記身体情報選択部により選択された身体情報と前記位置情報入力部に入力された位置情報とに基づいて前記制御パラメータを調節する請求項１に記載の軟性マニピュレータ制御装置。
3. 前記身体情報が、前記挿入部の前記体内への挿入経路の形状に関する情報である請求項１または請求項２に記載の軟性マニピュレータ制御装置。
4. 前記可動部の位置情報が、前記体内への前記挿入部の挿入量である請求項１から請求項３のいずれかに記載の軟性マニピュレータ制御装置。
5. 前記位置情報入力部が、前記挿入部の挿入量を検出するセンサを備える請求項４に記載の軟性マニピュレータ制御装置。
6. 前記駆動手段を制御するための異なる制御パラメータが設定され、択一的に選択可能な複数の制御ユニットを備え、
   前記パラメータ調節部が、前記身体情報と前記位置情報とに基づいて、前記制御ユニットを切り替える請求項１から請求項５のいずれかに記載の軟性マニピュレータ制御装置。
7. 前記パラメータ調節部が、前記位置情報入力部に入力された位置情報に基づいて前記挿入部の形状を推定し、推定された挿入部の形状に基づいて前記制御パラメータを調節する請求項１から請求項５のいずれかに記載の軟性マニピュレータ制御装置。
8. 前記軟性マニピュレータと、
   オペレータにより操作される操作部から入力された操作量に基づいて前記駆動手段を制御する請求項１から請求項７のいずれかに記載の軟性マニピュレータ制御装置とを備える医療用マニピュレータシステム。
   

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