JPWO2017014301A1 - 医療システム - Google Patents

Abstract

入力機構（３１）は、第一軸（Ｘ）を回転中心として回動可能な第一回動部（３３）と、第一軸（Ｘ）と交差する第二軸（Ｙ）を回転中心として第一回動部（３３）に対して回動可能な第二回動部（３５）と、第一回動部（３３）に固定されているとともに第二回動部（３５）が第二軸（Ｙ）回りに回動可能となるように第二回動部（３５）に連結された第一リンク（３４）と、第二回動部（３５）に固定された第二リンク（３６）と、第一軸（Ｘ）と第二軸（Ｙ）との交点を通る第三軸（Ｌ）を進退軸として進退動作可能となるように第二リンク（３６）に連結された進退入力部（３７）と、第一軸（Ｘ）の回転角度、第二軸（Ｙ）の回転角度、及び進退入力部（３７）の進退移動距離を検知するセンサ部（４０）とを備える。

Description

本発明は、医療システムに対して操作入力をするための入力機構、及びこの入力機構を備えた医療システムに関する。
本願は、２０１５年７月２３日に、アメリカ合衆国に仮出願された米国特許仮出願第６２／１９５，８６９号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

体内で手術等をするための医療システムが広く知られている。
たとえば、特許文献１は、患者に対する処置をするための処置部を２自由度以上に姿勢変更可能な医療用マニピュレータを開示している。特許文献１に開示された医療用マニピュレータにおいて、処置部は、処置部を操作するための操作指令部に棒状の連結部によって連結されている。特許文献１に開示された医療用マニピュレータの処置部は、操作指令部による操作に従って２自由度以上に姿勢変更可能である。さらに、特許文献１に開示された医療用マニピュレータの処置部は、連結部に設定された所定の点を揺動中心として連結部を揺動させることによって移動可能である。

特開２００７−２６０４３１号公報

特許文献１に開示された技術では、処置対象部位に対する処置部のアプローチ方向を変更しようとした場合、処置部を処置対象部位に向ける操作と、処置対象部位に対する処置部の位置を調整する操作との組み合わせが必要となり、操作が複雑である。
本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、処置対象部位に対するアプローチ方向の変更操作を直感的に行うことができる入力機構及び医療システムを提供することを目的とする。

本発明の一態様は、マニピュレータを有する医療システムにおける該マニピュレータを操作入力するための入力機構であって、第一軸を回転中心として回動可能な第一回動部と、前記第一軸と交差する第二軸を回転中心として前記第一回動部に対して回動可能な第二回動部と、前記第一回動部に固定されているとともに前記第二回動部が前記第二軸回りに回動可能となるように前記第二回動部に連結された第一リンクと、前記第二回動部に固定された第二リンクと、前記第一軸と前記第二軸との交点を通る第三軸を進退軸として進退動作可能となるように前記第二リンクに連結された進退入力部と、前記第一軸の回転角度、前記第二軸の回転角度、及び前記進退入力部の進退移動距離を検知するセンサ部と、を備えた入力機構である。

前記第一軸と前記第二軸とは互いに直交していてもよい。

上記態様の入力機構は、前記第一軸及び前記第二軸における回動を禁止可能な第一ロック機構を有していてもよい。

上記態様の入力機構は、前記第三軸に沿った前記進退入力部の進退移動を禁止可能な第二ロック機構を有していてもよい。

前記第一リンクは、くの字状に屈曲した形状の剛体からなっていてもよい。

前記第二リンクは、くの字状に屈曲した形状の剛体からなっていてもよい。

本発明の別の態様は、上記態様の入力機構と、前記センサ部に接続された制御部と、前記制御部に接続されたマニピュレータと、前記マニピュレータを保持する懸架装置と、を備え、前記マニピュレータは、処置対象部位を撮像するための撮像部と、前記撮像部に接続された能動湾曲部と、前記能動湾曲部に接続された軸部と、前記軸部に接続され前記制御部による制御に従って前記能動湾曲部を湾曲動作させる第一駆動部と、を有し、前記懸架装置は、前記マニピュレータに接続されたアーム部と、前記アーム部に接続され前記制御部による制御に従って前記アーム部を動作させる第二駆動部と、を有し、前記制御部は、前記マニピュレータが取り付けられた状態の前記懸架装置に設定された所定の基準座標系において前記マニピュレータの揺動中心となる拘束点を設定する拘束点座標演算部と、前記撮像部が撮像した画像に基づいて前記撮像部の撮像視野内に関心位置を設定する関心位置座標設定部と、前記第一軸と前記第二軸との交点が前記基準座標系における前記関心位置の座標に対応するように前記入力機構に予め設定された入力座標系を前記基準座標系と対応付ける座標変換部と、前記センサ部における検知状態に基づいて、前記第一軸の回転角度、前記第二軸の回転角度、及び前記進退入力部の進退移動距離に対応して前記撮像部が移動し、且つ前記基準座標系において前記拘束点が移動しないように、前記アーム部及び前記能動湾曲部の動作量を算出する操作指令生成部と、前記動作量に基づいて前記第一駆動部及び前記第二駆動部を動作させる駆動信号生成部と、を含む医療システムである。

前記制御部は、前記基準座標系において前記マニピュレータの揺動中心となる拘束点を設定する拘束点座標演算部をさらに備え、操作指令生成部は、前記基準座標系において前記拘束点が移動しないように、前記動作量を算出してもよい。

上記態様の医療システムは、前記関心位置座標設定部、前記座標変換部、前記操作指令生成部、及び前記駆動信号生成部によって前記第一駆動部及び前記第二駆動部を動作させる第一の動作モードと、操作者が前記マニピュレータを直接操作することを可能とする第二の動作モードとを切り替えるための入力を受け付けるために前記制御部に接続されたモードセレクタをさらに備えていてもよい。

本発明によれば、処置対象部位に対するアプローチ方向の変更操作を直感的に行うことができる。

本発明の第１実施形態の入力機構を備えた医療システムの全体図である。 医療システムのマニピュレータの模式図である。 医療システムの操作入力装置の入力機構を示す斜視図である。 医療システムの全体の概略を示すブロック図である。 医療システムの要部を示すブロック図である。 医療システムの制御部の一部及び操作入力装置を示すブロック図である。 医療システムのブレーキ制御パターンを示す表である。 医療システムのブレーキ制御パターンを示す表である。 医療システムの要部のブロック図である。 医療システムの要部のブロック図である。 医療システムの要部のブロック図である。 医療システムの要部のブロック図である。 医療システムの要部のブロック図である。 医療システムを操作する操作者における操作手順を示すフローチャートである。 医療システムの作動方法の要部を示すフローチャートである。 医療システムの作用を示す図である。 医療システムの作用を示す図である。 医療システムの作用を示す図である。 同実施形態の変形例における入力機構を示す斜視図である。 同実施形態の他の変形例における入力機構を示す斜視図である。 同実施形態の他の変形例における入力機構を示す斜視図である。 同実施形態のさらに他の変形例の入力機構における第一リンクと第二リンクとの位置関係の変化を説明するための図である。 本発明の第２実施形態の入力機構を備えた医療システムの要部を示すブロック図である。 医療システムの要部を示すブロック図である。 医療システムのブレーキ制御パターンを示す表である。 医療システムの要部を示すブロック図である。 医療システムの要部を示すブロック図である。 医療システムの作動方法の要部を示すフローチャートである。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について説明する。図１は、本実施形態の入力機構を備えた医療システムの全体図である。図２は、医療システムのマニピュレータの模式図である。図３は、医療システムの操作入力装置の入力機構を示す斜視図である。図４は、医療システムの全体の概略を示すブロック図である。図５は、医療システムの要部を示すブロック図である。図６は、医療システムの制御部の一部及び操作入力装置を示すブロック図である。図７及び図８は、医療システムのブレーキ制御パターンを示す表である。図９から図１３までは、医療システムの要部のブロック図である。図１４は、医療システムを操作する操作者における操作手順を示すフローチャートである。図１５は、医療システムの作動方法の要部を示すフローチャートである。図１６から図１８までは、医療システムの作用を示す図である。

図１に示すように、本実施形態の医療システム１は、マニピュレータ２と、懸架装置２０と、操作入力装置３０と、姿勢制御装置６０と、センシングトロッカ８７を有する。また、本実施形態の医療システム１は、公知の画像処理装置１００、表示装置１１０、及び光源装置１２０を含んでいてもよい。

図１及び図２に示すマニピュレータ２は、患者Ｐの体腔内に挿入されて臓器等の観察や臓器等に対する処置をする装置である（図１６参照）。図１に示すように、マニピュレータ２は、懸架装置２０、操作入力装置３０、姿勢制御装置６０、画像処理装置１００、表示装置１１０、及び光源装置１２０に接続される。
マニピュレータ２は、挿入部３と、駆動部（第一駆動部１５）と、接続部１６とを有する。

図１及び図２に示すように、挿入部３は、体腔内に挿通された状態で使用することができる細長の部材である。挿入部３は、遠位端部４と、軸部８と、挿入量マーカー１３と、近位端部１４と、を有する。遠位端部４及び軸部８は、体腔内へ挿入可能である。遠位端部４は、体腔内へ挿入される軸部８の挿入方向の先端側に配されている。近位端部１４は、軸部８の基端側に配されている。

挿入部３の遠位端部４は、撮像部５と、照明部６と、能動湾曲部７とを有する。能動湾曲部７は、軸部８の先端に接続されている。能動湾曲部７は、後述するように湾曲形状を能動的に変更可能である。また、撮像部５及び照明部６は、能動湾曲部７よりも遠位側に配されている。したがって、撮像部５及び照明部６は、能動湾曲部７の湾曲形状に応じて位置及び向きを変更可能とされている。

撮像部５は、処置対象となる目標物の画像を取得するエンドエフェクタである。撮像部５の光軸は、遠位端部４における最も遠位端から、遠位端部４の前方へ延びている。たとえば、撮像部５の光軸は、挿入部３の遠位端部４の長手軸と平行に延びている。これにより、本実施形態の撮像部５は、挿入部３の遠位端部４から前方の領域に撮像視野を有する。撮像部５については、ＣＣＤ撮像素子など公知の内視鏡における観察手段の構造を適宜選択して採用することができる。
撮像部５は、視野内に捉えた物体までの距離を測定するための画像を撮像することができる。たとえば、撮像部５は視差を有する一組の画像（第一画像及び第二画像）を撮像することができる一組の撮像素子を備えている。なお、一組の撮像素子を撮像部５が備えていることに代えて、視差を有する一組の像を１つの撮像素子に結像させる光学系を撮像部５が備えていてもよい。撮像部５が撮像した一組の画像は、後述する制御部６１において、ステレオ計測による距離測定に使用される。なお、撮像部５は距離の測定をするための画像を取得する機能を有していなくてもよい。この場合は、レーザー測距器等の公知の測距機構が挿入部３の遠位端部４に配される。
撮像部５は、取得した一組の画像の信号（画像信号）を後述する接続部１６を通じて画像処理装置１００へ出力する。

照明部６は、光源装置１２０から不図示の光ファイバを通じて伝えられた光を用いて撮像部５の撮像視野を照明する。なお、光源装置１２０を備えない場合は、照明部６は、遠位端部４の前方へ向けて照明光を発するＬＥＤ等の発光素子を有していてもよい。

能動湾曲部７は、筒状をなす複数の節輪７ａ（湾曲駒）を有している。
複数の節輪７ａは、一列に並べられている。複数の節輪７ａのうち隣り合う２つの節輪７ａは、節輪の中心線と直交する軸を屈曲軸として屈曲動作可能となるように互いに連結されている。
複数の節輪７ａのうち能動湾曲部７の最も先端側に位置する節輪７ａは、能動湾曲部７を湾曲動作させるためのアングルワイヤｗの遠位端に連結されている。本実施形態では、能動湾曲部７を上下左右の４方向に湾曲させるために、節輪７ａの中心線回りに９０°おきに計４本のアングルワイヤｗが配されている。したがって、能動湾曲部７は、４本のアングルワイヤｗを選択的に牽引することで、節輪７ａ同士が屈曲動作をして所望の向きに所望の湾曲量で湾曲変形することが可能である。

軸部８は、硬質な筒状部材からなる。また、能動湾曲部７と第一駆動部１５とを接続するアングルワイヤｗが軸部８の内部に挿通されている。軸部８は、挿入部３の遠位端部４及び近位端部１４に連通している。

挿入量マーカー１３は、センシングトロッカ８７によって検出可能な複数のマーカーを含んでいる。たとえば、本実施形態では、挿入量マーカー１３とセンシングトロッカ８７とによって、軸部８の中心線方向への軸部８の進退量を検出可能なリニアエンコーダが構成されている。挿入量マーカー１３の構成は、センシングトロッカ８７の構成に合わせて適宜選択されてよい。
また、挿入量マーカー１３とセンシングトロッカ８７を備えることに代えて、マニピュレータ２の位置および姿勢を検出する構成（手段）が設けられていてもよい。この場合、検出された位置および姿勢の値から軸部８の中心線方向への軸部８の進退量を算出することができる。

第一駆動部１５は、挿入部３の近位端部１４に接続されている。第一駆動部１５は、４本のアングルワイヤｗを個別に牽引するための動力を発する４つのアクチュエータ（例えばモータ）１５ａと、各アクチュエータ１５ａが発する動力をアングルワイヤｗに伝達するために各アクチュエータ１５ａの出力軸に接続された不図示のプーリと、各アクチュエータ１５ａの動作量を検出するエンコーダ１５ｂとを有している。
第一駆動部１５が発する動力は、上述したアングルワイヤを通じて能動湾曲部７へ伝達される。本実施形態の第一駆動部１５は、能動湾曲部７を湾曲させる方向や湾曲量を操作者が指定して第一駆動部１５を動作させるためのレバー１５ｃ等を有している。

図１に示す接続部１６は、駆動部１５に接続されている。接続部１６は、操作入力装置３０、及び姿勢制御装置６０、画像処理装置１００にマニピュレータ２を電気的に接続する。
接続部１６は、撮像部５が撮像した画像の信号（画像信号）を画像処理装置１００へ出力するための信号線と、後述する制御部６１からマニピュレータ２の第一駆動部１５へ駆動信号を出力するための信号線と、後述する制御部６１から懸架装置の第二駆動部２２へ駆動信号を出力するための信号線と、マニピュレータ２のエンコーダ（不図示）が検知した角度情報を後述する制御部６１へ出力するための信号線とを有する。
また、接続部１６は、光源装置１２０からマニピュレータ２へと照明光を伝送する光ファイバを有する。

図１に示すように、懸架装置２０は、マニピュレータ２の第一駆動部１５に連結されたアーム部２１と、アーム部２１を駆動する駆動部（第二駆動部２２）とを有している。アーム部２１は少なくとも３自由度を有する。
第二駆動部２２は、姿勢制御装置６０に接続されている。本実施形態の懸架装置２０として、硬性鏡を保持して動作させることができる公知の電動ホルダの構成を適宜選択して採用可能である。第二駆動部２２は、姿勢制御装置６０からの駆動信号に従ってアーム部２１を駆動するアクチュエータ２２ａと、アクチュエータ２２ａの動作量を姿勢制御装置６０に出力するエンコーダ２２ｂとを有している。

図１及び図４に示すように、操作入力装置３０は、入力機構３１と、モードセレクタ４９とを有している。
図３に示すように、入力機構３１は、ベース部３２と、第一回動部３３と、第一リンク３４と、第二回動部３５と、第二リンク３６と、進退入力部３７と、センサ部４０と、ブレーキ部４５とを有する。

第一回動部３３は、所定の第一軸Ｘを回転中心としてベース部３２に対して回動可能となるように、ベース部３２に連結されている。第一回動部３３は、第一回動部３３に外力がかかっていない状態で後述の第一ブレーキ４６が開放状態となっている場合に所定の中立位置に復帰するバネなどの不図示の中立機構を有している。

第一リンク３４は、第一回動部３３に固定されている。第一リンク３４は、くの字状（Ｌ字状）に屈曲した形状の剛体からなる。一例として、第一リンク３４は、第一回動部３３から第一軸Ｘと垂直な方向へ延び、第一回動部３３から離れるように９０°屈曲し、屈曲部位から第一軸Ｘと平行に延びている。第一リンク３４において第一回動部３３が固定された側の端と反対側の端は、第二回動部３５に連結されている。

第二回動部３５は、第一軸Ｘと直交する第二軸Ｙを回転中心として第一リンク３４に対して回動可能となるように、第一リンク３４に連結されている。第二回動部３５は、第二回動部３５に外力がかかっていない状態で後述の第二ブレーキ４７が開放状態となっている場合に所定の中立位置に復帰するバネなどの不図示の中立機構を有している。

第二リンク３６は、第二回動部３５に固定されている。第二リンク３６は、くの字状（Ｌ字状）に屈曲した剛体からなる。一例として、第二リンク３６は、第二回動部３５から第二軸Ｙと垂直な方向へ延び、第二軸Ｙと平行となるように９０°屈曲して延びている。第二リンク３６において第二回動部３５が固定された側の端と反対側の端は、進退入力部３７に接続されている。

進退入力部３７は、第二リンク３６に固定された保持部３８と、保持部３８に連結された入力部材３９とを有している。
保持部３８は、第一軸Ｘと第二軸Ｙとの交点を通る直線を中心線とする筒状部材である。
入力部材３９は、保持部３８に挿通された棒状部材である。入力部材３９は、保持部３８の中心線に沿って自在に進退移動することができる。入力部材３９は、第一軸Ｘと第二軸Ｙとの交点を通る直線状の第三軸Ｌを進退軸として進退可能である。入力部材３９の形状は、操作者による持ちやすさを考慮して適宜決定されてよい。
進退入力部３７は、進退入力部３７に外力がかかっていない状態で後述の第三ブレーキ４８が開放状態となっている場合に所定の中立位置に復帰するバネなどの不図示の中立機構を有している。

本実施形態では、ベース部３２、第一回動部３３、第一リンク３４、第二回動部３５、第二リンク３６、及び進退入力部３７によって、入力部材３９の移動は、第一軸Ｘと第二軸Ｙの交点を中心とした揺動と、第一軸Ｘと第二軸Ｙの交点に向かう直線に沿った進退に制限される。

センサ部４０は、ベース部３２に対する第一回動部３３の回転角を検知するために第一回動部３３に配された第一センサ４１と、第一リンク３４に対する第二回動部３５の回転角を検知するために第二回動部３５に配された第二センサ４２と、保持部３８に対する入力部材３９の進退移動量を検知するために進退入力部３７に配された第三センサ４３と、入力部材３９に対する操作者の接触の有無を検知することによって操作者が入力部材３９を把持しているか否かを判定するために入力部材３９に配された把持センサ４４とを有している。
図９に示すように、第一センサ４１、第二センサ４２、第三センサ４３、は、制御部６１の操作量演算部７２に接続さされている。
図６に示すように、把持センサ４４は、制御部６１のモード設定部６２に接続されている。

図３に示すように、ブレーキ部４５は、第一回動部３３に配された第一ブレーキ４６と、第二回動部３５に配された第二ブレーキ４７と、進退入力部３７に配された第三ブレーキ４８とを有している。第一ブレーキ４６、第二ブレーキ４７及び第三ブレーキ４８は、例えば電磁ブレーキにより構成されている。

第一ブレーキ４６は、姿勢制御装置６０による制御に従って、ベース部３２に対して第一回動部３３が回動可能な状態と、ベース部３２に対して第一回動部３３が回動不能な状態とを切り替える。

第二ブレーキ４７は、姿勢制御装置６０による制御に従って、第一リンク３４に対して第二回動部３５が回動可能な状態と、第一リンク３４に対して第二回動部３５が回動不能な状態とを切り替える。

第三ブレーキ４８は、姿勢制御装置６０による制御に従って、保持部３８に対して入力部材３９が進退可能な状態と、保持部３８に対して入力部材３９が進退不能な状態とを切り替える。

図４及び図６に示すように、モードセレクタ４９は、姿勢制御装置６０に接続されている。モードセレクタ４９は、姿勢制御装置６０の動作モードを選択するための複数のスイッチ（ロックオンモード選択スイッチ５０、自在モードスイッチ５１、及び見回しモードスイッチ５２、近接俯瞰モードスイッチ５３）を有している。
ロックオンモード選択スイッチ５０は、ロックオンモードとマニュアルモードとを切り替えるためのスイッチである。ロックオンモードとは、マニピュレータ２の撮像部５の撮像視野内における関心位置に撮像部５が常に向かうように、マニピュレータ２を自動的に動作させるために医療システム１に設定される第一の動作モードである。ロックオンモードの詳細は後述する。また、マニュアルモードとは、操作者がマニピュレータ２を直接移動させたり撮像部５の撮像視野を所望の方向へむけたりするために医療システム１に設定される第二の動作モードである。ロックオンモード選択スイッチ５０は、押されるたびに、姿勢制御装置６０における動作モードをロックオンモード又はマニュアルモードに交互に切り替えるための切替信号を出力する。

図７及び図８は、ロックオンモード及びマニュアルモードにおけるブレーキ部４５のブレーキ制御パターンを示している。

図７及び図８に示すように、自在モードスイッチ５１は、ロックオンモードにおいて、入力部材３９（図３参照）を操作者が把持している間はブレーキ部４５の全てのブレーキを解放し、入力部材３９を操作者が離したときにブレーキ部４５の全てのブレーキを動作させるようにブレーキ部４５が制御される「自在モード」で姿勢制御装置６０を動作させるためのスイッチである。すなわち、自在モードでは、入力部材３９を操作者が手に持っている場合には操作者が自在に入力部材３９を移動させることができ、入力部材３９から操作者が手を離すとその場で入力部材３９の位置及び姿勢が保持される。自在モードスイッチ５１は、押されるたびに、姿勢制御装置６０における動作モードを自在モードに切り替えるための自在モード選択信号を出力する。

見回しモードスイッチ５２は、ロックオンモードにおいて、第三ブレーキ４８を常時動作させるとともに、入力部材３９を操作者が把持している間は他のブレーキ（第一ブレーキ４６及び第二ブレーキ４７）を解放し、入力部材３９を操作者が離したときにブレーキ部４５の全てのブレーキを動作させるようにブレーキ部４５が制御される「見回しモード」で姿勢制御装置６０を動作させるためのスイッチである。すなわち、見回しモードでは、入力部材３９を操作者が手に持っている場合には操作者が自在に入力部材３９を揺動させることができるが入力部材３９を進退させることはできない。また、見回しモードでは、入力部材３９から操作者が手を離すとその場で入力部材３９の位置及び姿勢が保持される。見回しモードスイッチ５２は、押されるたびに、姿勢制御装置６０における動作モードを見回しモードに切り替えるための見回しモード選択信号を出力する。本実施形態では、見回しモードが選択された場合に、制御部６１及びブレーキ部４５は、第一軸Ｘ及び第二軸Ｙにおける回動を禁止する第一ロック機構として構成される。

近接俯瞰モードスイッチ５３は、ロックオンモードにおいて、第一ブレーキ４６及び第二ブレーキ４７を常時動作させるとともに、入力部材３９を操作者が把持している間は第三ブレーキ４８を解放し、入力部材３９を操作者が離したときにブレーキ部４５の全てのブレーキを動作させるようにブレーキ部４５が制御される「近接俯瞰モード」で姿勢制御装置６０を動作させるためのスイッチである。すなわち、近接俯瞰モードでは、入力部材３９を操作者が手に持っている場合には操作者が自在に入力部材３９を進退させることができるが入力部材３９を揺動させることはできない。また、近接俯瞰モードでは、入力部材３９から操作者が手を離すとその場で入力部材３９の位置及び姿勢が保持される。近接俯瞰モードスイッチ５３は、押されるたびに、姿勢制御装置６０における動作モードを近接俯瞰モードに切り替えるための近接俯瞰モード選択信号を出力する。本実施形態では、近接俯瞰モードが選択された場合に、制御部６１及びブレーキ部４５は、第三軸Ｌにおける入力部材３９の進退を禁止する第二ロック機構として構成される。

自在モードスイッチ５１、見回しモードスイッチ５２、近接俯瞰モードスイッチ５３（図５参照）は、１つのスイッチが押されてオンになると他のスイッチが自動的にオフになるように連動している。このため、モードセレクタ４９において、ロックオンモード中は、自在モード、見回しモード、または近接俯瞰モードのいずれか１つが選択される。

また、本実施形態では、ロックオンモード選択スイッチ５０の操作によって動作モードがマニュアルモードに設定されると、全てのブレーキが開放され、入力部材３９が中立位置に復帰する。また、マニュアルモードに設定されると、自在モードスイッチ５１、及び見回しモードスイッチ５２、近接俯瞰モードスイッチ５３はオフになる。

図４に示すように、画像処理装置１００は、撮像部５から出力された画像信号の入力を受け付ける。画像処理装置１００は、画像信号を映像信号にエンコードする映像信号生成部１０１を有する。映像信号生成部１０１は、撮像部５から出力された画像信号に基づいて、画像信号に含まれる一組の画像（第一画像及び第二画像）のうちの所定の一方の画像（例えば本実施形態では第一画像）を、表示装置１１０における表示に適合した形式の映像信号に変換する。画像処理装置１００は、映像信号生成部１０１が生成した映像信号を表示装置１１０へ出力する。

また、画像処理装置１００は、画像信号を画像データにエンコードする画像データ生成部１０２を有している。画像データ生成部１０２は、撮像部５から出力された画像信号に基づいて、画像信号に含まれる第一画像の信号を第一画像データにエンコードし、画像信号に含まれる第二画像の信号を第二画像データにエンコードする。画像処理装置１００は、第一画像データ及び第二画像データを含む一組の画像データを制御部６１へ出力する。

表示装置１１０は、画像処理装置１００の映像信号生成部１０１から出力された映像信号の入力を受け付ける。表示装置１１０は、例えば液晶モニタ１１１を有する。

図１に示す姿勢制御装置６０は、マニピュレータ２、懸架装置２０、操作入力装置３０、及び画像処理装置１００に接続可能である。姿勢制御装置６０は、マニピュレータ２及び懸架装置２０の位置及び姿勢を制御する制御部６１と、制御部６１が生成するデータや制御部６１が参照するパラメータ等を記憶する記憶部８５とを有する。

姿勢制御装置６０の記憶部８５に記憶されたパラメータは、図９に示すように、マニピュレータ２の構成に対応するマニピュレータ構造パラメータと、懸架装置２０の構成に対応する懸架装置構造パラメータとを含んでいる。これらのパラメータは、順運動学計算及び逆運動学計算に使用可能な関節座標系及び関節間距離等のデータを含んでいる。また、本実施形態では、マニピュレータ構造パラメータは、マニピュレータ２の撮像部５の一か所に規定される撮像部基準点（不図示）に対して関節座標系が定められている。撮像部５が撮像する対象物に対する距離測定によって取得される距離値は、撮像部基準点から対象物までの距離に基づいて算出される。

図５に示すように、制御部６１は、マニュアルモード及びロックオンモードにおいて共通して使用される機能部として、モード設定部６２、拘束点座標演算部６９、姿勢取得部６７、パラメータ取得部６８、及び駆動信号生成部７１を含む。
また、制御部６１は、マニュアルモードのみにおいて使用される機能部として、倣い動作指令部７０を含む。
また、制御部６１は、ロックオンモードにおいてロックオン機能を提供する機能部として、操作量演算部７２、撮像部５が撮像した画像を用いた処理を行う画像処理系ブロックと、各種の座標を演算によって算出する座標演算系ブロックと、ロックオンモードにおける操作指令を生成する逆運動学演算部８２を含む。
画像処理系ブロックは、画像データ受付部７５、特徴点設定部７６、距離計測部７７、及び関心位置抽出部８０を含む。
座標演算系ブロックは、撮像部座標演算部７９と、関心位置座標演算部７８と、関心位置ずれ量演算部８１と、座標変換部８３とを含む。

制御部６１の各構成要素について、制御部６１による制御動作の流れに沿って以下に説明する。

図６に示すように、モード設定部６２は、制御部６１の動作モードの設定及び各種の初期設定を行う。モード設定部６２は、初期化部６３と、制限状態選択部６４とを含む。

初期化部６３は、ロックオンモード選択スイッチ５０が出力した切替信号の入力を受け付ける。
初期化部６３は、ブレーキ部４５の全てのブレーキ（第一ブレーキ４６、第二ブレーキ４７、及び第三ブレーキ４８）を解放するための解放信号を、切替信号の入力を受け付けた場合にブレーキ状態切替部６６へ出力する。
また、初期化部６３は、切替信号の入力を受け付けた場合に、第一センサ４１、第二センサ４２、及び第三センサ４３をリセットする。

制限状態選択部６４は、モードセレクタ４９に対する操作に対応して入力機構３１の各ブレーキの動作状態を選択する。制限状態選択部６４は、判定部６５と、ブレーキ状態切替部６６とを含む。

判定部６５は、自在モードスイッチ５１、見回しモードスイッチ５２、及び近接俯瞰モードスイッチ５３が出力した信号の入力を受け付けることができる。本実施形態では、自在モードスイッチ５１、見回しモードスイッチ５２、及び近接俯瞰モードスイッチ５３のうちの１つのみがオンになるように連動しているので、判定部６５は、自在モードスイッチ５１、見回しモードスイッチ５２、及び近接俯瞰モードスイッチ５３のうちのいずれか１つから信号を受け付ける。
判定部６５は、判定部６５へ出力された信号の種類に対応してブレーキ制御パターンをブレーキ状態切替部６６へ出力する。

ブレーキ状態切替部６６は、判定部６５が出力したブレーキ制御パターンの入力を受け付ける。ブレーキ状態切替部６６は、ブレーキ制御パターンに従ってブレーキ部４５を動作させるための駆動信号をブレーキ部４５へ出力する。

図１０に示すように、姿勢取得部６７は、マニピュレータ２の第一駆動部１５のエンコーダ１５ｂが出力した角度情報の入力を受け付ける。さらに、姿勢取得部６７は、懸架装置２０の第二駆動部２２のエンコーダ２２ｂが出力した角度情報の入力を受け付ける。
姿勢取得部６７は、エンコーダ１５ｂが出力した角度情報と、エンコーダ１５ｂを特定するための所定の識別番号（関節番号）とを対応付ける。また、姿勢取得部６７は、エンコーダ２２ｂが出力した角度情報と、エンコーダ２２ｂを特定するための所定の識別番号（関節番号）とを対応付ける。
姿勢取得部６７は、関節番号及び対応する角度情報を拘束点座標演算部６９へ出力する。

パラメータ取得部６８は、記憶部８５に記憶された懸架装置構造パラメータ及びマニピュレータ構造パラメータを、所定の読み出し命令に従って読み出す。
パラメータ取得部６８が取得した各種パラメータは、制御部６１において順運動学計算又は逆運動学計算を行う場合に利用される。

拘束点座標演算部６９は、姿勢取得部６７が出力した関節番号及び対応する角度情報の入力を受け付ける。さらに、拘束点座標演算部６９は、センシングトロッカ８７が出力した軸部位置情報の入力を受け付ける。
また、拘束点座標演算部６９は、パラメータ取得部６８が出力したマニピュレータ構造パラメータ及び懸架装置構造パラメータの入力を受け付ける。
拘束点座標演算部６９は、角度情報及び軸部位置情報に基づいて、例えば順運動学計算によって拘束点の座標の情報（拘束点座標）を演算する。拘束点の座標は、懸架装置２０に固有の基準座標系における座標である。
拘束点座標演算部６９は、拘束点座標を記憶部８５へ出力する。

制御部６１は、拘束点座標が記憶部８５に記憶された後、マニュアルモードでの動作を開始する。

図５に示す倣い動作指令部７０は、マニュアルモードで動作する制御部６１における操作指令を生成するための機能部である。倣い動作指令部７０は、姿勢取得部６７が取得した角度情報及び対応する関節番号の入力を受け付ける。
倣い動作指令部７０は、角度情報に対応する関節番号に該当する関節に対して、角度情報に含まれる関節動作方向と同方向へ関節を動作させるための操作指令を生成する
倣い動作指令部７０は、操作指令を駆動信号生成部７１へ出力する。

駆動信号生成部７１は、倣い動作指令部７０が出力した操作指令の入力を受け付ける。本実施形態では、マニュアルモードで制御部６１が動作している場合には、駆動信号生成部７１は倣い動作指令部７０から操作指令の入力を受け付ける。
また、駆動信号生成部７１は、ロックオンモードで制御部６１が動作している場合には、逆運動学演算部８２から操作指令の入力を受け付ける。
駆動信号生成部７１は、操作指令に基づいて、第一駆動部１５のアクチュエータ１５ａに対する駆動信号を生成する。また、駆動信号生成部７１は、操作指令に基づいて、第二駆動部２２のアクチュエータ２２ａに対する駆動信号を生成し、生成した駆動信号を、対応する駆動部（第一駆動部１５及び／又は第二駆動部２２）へ出力する（たとえば図１２参照）。

次に、ロックオンモードにおいて機能する各構成の説明を行う。

図９に示すように、操作量演算部７２は、ロックオンモードにおいて操作者が入力機構３１に対して行う操作入力に基づいて、操作量を算出する。操作量演算部７２は、第一センサ４１、第二センサ４２、及び第三センサ４３が出力した情報を受け付ける。また、操作量演算部７２は、第一センサ４１、第二センサ４２、及び第三センサ４３から出力された信号をリセットするためにモード設定部６２の初期化部６３が出力するリセット信号の入力を受け付ける。
操作量演算部７２は、倍率補正部７３と、順運動学演算部７４とを有する。

倍率補正部７３は、第三センサ４３が出力した情報の入力を受け付ける。
倍率補正部７３は、第三センサ４３が出力した情報に対して所定の係数をかけて進退量情報を算出し、算出された進退量情報を順運動学演算部７４へ出力する。この係数は、入力部材の進退操作量に対する撮像部５の進退移動量の大きさを規定する。

順運動学演算部７４は、第一センサ４１及び第二センサ４２が出力した角度情報と、倍率補正部７３が出力した進退量情報との入力を受け付ける。
また、順運動学演算部７４は、記憶部８５に記憶されたマニピュレータ構造パラメータ及び懸架装置構造パラメータの入力を受け付ける。
順運動学演算部７４は、上記の角度情報、進退量情報、マニピュレータ構造パラメータ、及び懸架装置構造パラメータを用いて、順運動学計算によって、入力部材の座標と入力部材の姿勢を含む情報（入力部材位置姿勢データ）を算出する。入力部材位置姿勢データは、第一軸Ｘと、第二軸Ｙと、第一軸Ｘ及び第二軸Ｙに対して直交する垂直軸Ｚとによって規定される三次元直交座標系（以下、入力座標系という。）における、入力部材３９の所定の一点（基準点）の座標と、基準点から入力部材３９の先端へ向かう方向（基準点から入力座標系の原点へ向かう方向ベクトル）を含む。なお、本実施形態では、入力部材３９が中立位置にあるときには、入力部材３９は入力座標系の垂直軸Ｚに沿って延びている。
順運動学演算部７４は、入力部材位置姿勢データを記憶部８５へ出力する。

図１１に示すように、画像データ受付部７５は、ロックオンモードにおける制御に使用する画像の入力を受け付ける。具体的には、画像データ受付部７５は、画像処理装置が出力した一組の画像データの入力を受け付ける。画像データ受付部７５は、特徴点設定部７６、距離計測部７７、関心位置抽出部８０、及び関心位置ずれ量演算部８１に対して、一組の画像データを出力する。

特徴点設定部７６は、画像データ受付部７５が出力した一組の画像データの入力を受け付ける。特徴点設定部７６は、一組の画像データのうちの第一画像データに基づいて、第一画像の中央を含む所定の範囲に対して、形状や色等に基づいて複数の特徴点を抽出する。本実施形態における第一画像の中央は、ロックオンモードにおける関心位置Ｔｓに対応する。特徴点設定部７６は、抽出した特徴点を示す特徴点データと第一画像の中央を示す中央点データとを含む情報を、特徴点パターンとして記憶部８５へ出力する。また、特徴点設定部７６は、特徴点パターンを距離計測部７７へ出力する。

距離計測部７７は、画像データ受付部７５が出力した一組の画像データの入力を受け付ける。また、距離計測部７７は、記憶部８５に記憶された特徴点パターンを読み込む。距離計測部７７は、一組の画像データの第二画像データにおいて特徴点パターンに対応する領域を特徴点マッチングの手法を用いて抽出する。距離計測部７７は、第一画像データと第二画像データとにおける特徴点パターンに対応する領域のずれ量の大きさを、特徴点パターンが設定された部位までの距離値に換算する。距離計測部７７における上記の換算において、距離計測部７７は、撮像部５において予め規定された基準点から特徴点が設定された部位までの距離値を取得する。距離計測部７７は、取得された距離値を関心位置座標演算部７８へ出力する。

関心位置座標演算部７８は、距離計測部７７が出力した距離値の入力を受け付ける。さらに、関心位置座標演算部７８は、姿勢取得部６７が出力した関節番号及び対応する角度情報の入力を受け付ける。
また、関心位置座標演算部７８は、パラメータ取得部６８が出力したマニピュレータ構造パラメータ及び懸架装置構造パラメータの入力を受け付ける。
関心位置座標演算部７８は、角度情報及び軸部位置情報に基づいて、例えば順運動学計算によって、画像データにおける中央に位置する部位（関心位置）の座標の情報（関心位置座標）を演算する。関心位置座標は、懸架装置２０に固有の基準座標系における座標である。関心位置座標は、撮像部５の光軸方向に沿って撮像部５の前方に上記の距離値分だけ離れた点の座標である。
関心位置座標演算部７８は、関心位置座標を記憶部８５へ出力する。

撮像部座標演算部７９は、姿勢取得部６７が出力した関節番号及び対応する角度情報の入力を受け付ける。さらに、撮像部座標演算部７９は、パラメータ取得部６８が出力したマニピュレータ構造パラメータ及び懸架装置構造パラメータの入力を受け付ける。
撮像部座標演算部７９は、マニピュレータ２のエンコーダ１５ｂから得られた角度情報及びマニピュレータ構造パラメータに基づいて、能動湾曲部７の湾曲角度を算出する。本実施形態では、アングルワイヤｗの牽引によって能動湾曲部７は一様に湾曲される。このため、アングルワイヤｗの牽引量に対応するエンコーダ１５ｂの角度情報を用いて、能動湾曲部７の湾曲量及びこのときの能動湾曲部７の曲率中心を取得することができる。
撮像部座標演算部７９は、順運動学計算を用いて、基準座標系における撮像部基準点座標を算出する。
撮像部座標演算部７９は、撮像部基準点座標を記憶部８５へ出力する。

図１２に示すように、関心位置抽出部８０は、ロックオンモードでの動作中に撮像部５が取得した画像から関心位置の座標を取得するための機能部である。
関心位置抽出部８０は、画像データ受付部７５が出力した一組の画像データの入力を受け付ける。また、関心位置抽出部８０は、特徴点パターンを記憶部８５から読み込む。
関心位置抽出部８０は、一組の画像データに対して特徴点パターンを用いて特徴点マッピングを行う。これにより、関心位置抽出部８０は、一組の画像データに含まれる特徴点を抽出し、基準座標系における関心位置の現在位置の座標を、一組の画像データの視差を用いて算出する。
関心位置抽出部８０は、関心位置の現在位置の座標情報を関心位置ずれ量演算部８１へ出力する。

関心位置ずれ量演算部８１は、関心位置抽出部８０が出力した関心位置の現在位置の座標情報の入力を受け付ける。さらに、関心位置ずれ量演算部８１は、記憶部８５から、関心位置座標を読み込む。
関心位置ずれ量演算部８１は、記憶部８５から読み込んだ関心位置座標と、関心位置抽出部８０が出力した座標とを比較して、関心位置のずれ量を算出する。関心位置ずれ量演算部８１は、
関心位置ずれ量演算部８１は、関心位置のずれ量を逆運動学演算部８２へ出力する。

逆運動学演算部８２は、関心位置ずれ量演算部８１が出力した関心位置のずれ量の入力を受け付ける。さらに、逆運動学演算部８２は、パラメータ取得部６８が出力した懸架装置構造パラメータ及びマニピュレータ構造パラメータの入力を受け付ける。また、逆運動学演算部８２は、撮像部基準点座標及び拘束点座標を記憶部８５から読み込む。
逆運動学演算部８２は、撮像部基準点座標を始点とし、関心位置のずれ量が０となるまで撮像部５を平行移動させた点を終点として、終点の座標から逆運動学計算により移動後のマニピュレータ及び懸架装置の姿勢を演算する。本実施形態では、撮像部５を平行移動させるように逆運動学演算部８２が演算を行うことによって、入力部材の姿勢と撮像部５の姿勢との対応関係が維持される。
逆運動学演算部８２は、演算結果に基づいてマニピュレータ２及び懸架装置２０を動作させるための操作指令を生成して、駆動信号生成部７１へ操作指令を出力する。
なお、マニピュレータ２及び懸架装置２０の可動域の限界の影響で関心位置のずれ量が０となるまで撮像部５を平行移動させることができない場合には、その旨のエラーを出力してロックオンモードを終了してもよい。

次に、ロックオンモードにおいて操作者が入力機構３１に対して行った入力に基づいて動作する機能部について説明する。

図１３に示すように、座標変換部８３は、ロックオンモードにおいて操作者が入力装置へ入力した操作に基づいて操作量演算部７２が算出した入力部材位置姿勢データを記憶部８５から読み込む。さらに、座標変換部８３は、関心位置座標を記憶部８５から読み込む。
座標変換部８３は、入力部材位置姿勢データを、関心位置座標を原点とするように座標変換する。さらに、座標変換部８３は、関心位置座標を原点とするように座標変換された入力部材位置姿勢データを、基準座標の原点を原点とするように平行移動する。これにより、基準座標系において入力部材位置姿勢データに対応する位置及び方向が算出される。
座標変換部８３は、算出された位置及び方向を逆運動学演算部８２へ出力する。

逆運動学演算部８２は、座標変換部８３から出力された位置及び方向の入力を受け付ける。座標変換部８３から出力された位置及び方向の入力を受け付けた逆運動学演算部８２は、上記の関心位置のずれ量に基づく演算の終了後、次の演算を開始する前に、座標変換部８３から出力された位置及び方向に基づいて、撮像部５を移動させるための操作指令を生成する。
逆運動学演算部８２は、操作指令を駆動信号生成部７１へ出力する。その後、駆動信号生成部７１は操作指令に基づいて駆動信号を生成して第一駆動部１５及び第二駆動部２２へ出力する。
これにより、入力機構３１の入力部材に対する操作者による操作に対応して撮像部５が動作する。

本実施形態において、制御部６１にはセンシングトロッカ８７が電気的に接続されている。センシングトロッカ８７は、拘束点座標演算部６９に対して、センシングトロッカ８７への軸部８の挿入量の情報を出力する。

本実施形態の入力機構３１を備えた医療システム１の作用について説明する。
医療システム１を用いた処置の前に、操作者は、医療システム１のマニピュレータ２を懸架装置２０に取り付ける（図１参照）。また、操作者は、懸架装置２０を患者に対して所定の位置に配置して、マニピュレータ２を体内へ挿入する。医療システム１の制御部６１は、センシングトロッカ８７に挿入された軸部８の挿入量に基づいて、患者へのマニピュレータ２の刺入点の位置として、拘束点Ｒの座標（拘束点座標）を記憶部８５に記憶させる（図１０及び図１５参照、ステップＳ１１）。

操作者は、表示装置１１０のモニタ１１１（図１参照）に表示される画像に処置対象として所望する部位（目標物）が表示されるように、マニピュレータ２を移動させる。必要に応じて、操作者は、第一駆動部１５のレバー１５ｃ等を用いて能動湾曲部７を湾曲させてもよい。表示装置１１０のモニタ１１１に表示される画像の中央近傍に目標物Ｔが位置したときに、モードセレクタ４９を操作者が操作して、ロックオンモードを開始する（図１４参照、ステップＳ１）。たとえば、操作者は、ロックオンモード選択スイッチ５０及び自在モードスイッチ５１を押す。

制御部６１がロックオンモードで動作開始（図１２においてYes）すると、制御部６１は、第一駆動部１５及び第二駆動部２２の動作を一時的に停止させる（図１５参照、ステップＳ１４）。その後、制御部６１は、ロックオンモードの開始のために必要な初期化及び演算を行う（図１５参照、ステップＳ１５からステップＳ１８）。まず、制御部６１の初期化部６３（図６参照）は、ブレーキ部４５の全てのブレーキを解放するようにブレーキ状態切替部６６に対して解放信号を出力して、入力部材３９を中立位置に移動させる。これにより、入力機構３１が初期化される（ステップＳ１５）。
また、制御部６１の特徴点設定部７６（図１１参照）は、画像データから特徴点を抽出して特徴点パターンを記憶部８５に記憶させる（ステップＳ１６）。続いて、関心位置座標演算部７８は、距離計測部７７が計測した距離値並びにマニピュレータ２及び懸架装置２０の姿勢に基づいて、関心位置座標を取得して記憶部８５に記憶させる（ステップＳ１７）。
また、制御部６１の撮像部座標演算部７９（図１１参照）は、マニピュレータ２及び懸架装置２０の姿勢に基づいて撮像部基準点座標を取得して記憶部８５に記憶させる（ステップＳ１８）。

上記のステップＳ１８までの処理が終了したら、ロックオンモードで操作者が操作を開始することができる。入力部材３９を操作者が把持（図１４参照、ステップＳ２）すると、入力部材３９を操作者が把持したことを把持センサが検知する。入力部材３９が操作者に把持されていることが把持センサに検知されている間は、操作者は、入力部材３９を進退させることができ、また、入力部材３９を揺動させることができる（ステップＳ３）。

入力部材３９を操作者が進退させたり揺動させたりする操作は、図９に示すように、操作量演算部７２において検知され、入力部材位置姿勢データとして記憶部８５に記憶される。

図１３に示すように、制御部６１の座標変換部８３は、入力部材位置姿勢データを記憶部８５から読み込み（図１５参照、ステップＳ１９）、座標変換して逆運動学演算部８２へ出力する（ステップＳ２０）。続いて、逆運動学演算部８２は、座標変換部８３から出力された情報に基づいて操作指令を生成（ステップＳ２１）し、操作指令を駆動信号生成部７１へ出力する。駆動信号生成部７１は、操作指令に従って駆動信号を生成して、第一駆動部１５及び第二駆動部２２へ出力する（ステップＳ２２）。

その後、制御部６１は、関心位置が撮像部５の視野中心に位置するように、撮像部５の位置を補正する（ステップＳ２３）。すなわち、図１２に示すように、関心位置抽出部８０が、撮像部５が撮像した画像から関心位置を抽出し、関心位置ずれ量演算部８１が関心位置のずれ量を算出して、関心位置のずれ量が０となるように逆運動学演算部８２が操作指令を生成する。

このように、本実施形態では、入力部材３９に対する入力に基づいた撮像部５の移動制御と撮像部５の視野中心に関心位置を位置させる撮像部５の移動制御が順次実行されることによって、撮像部５が関心位置を中心として公転し、かつ撮像部５の視野中心がロックオンモード中常に視野中心と一致する。たとえば、本実施形態におけるロックオンモードでは、図１６に示すように撮像部５が目標物Ｔを視野に捉えた状態では、入力部材３９に対する操作に従って、たとえば、目標物Ｔを中心として撮像部５が円弧状に移動する。このとき、マニピュレータ２の軸部８は、拘束点Ｒを中心として揺動しながら軸部８の中心線方向に進退し、さらに能動湾曲部７の湾曲形状も撮像部５の移動に伴って漸次変化する。

図１８に示すように、本実施形態のロックオンモードでは、目標物の位置に対応する関心位置Ｔｓの座標を中心に撮像部５を公転させることができ、さらに、入力部材３９に対する進退操作によって、関心位置Ｔｓと撮像部５との距離を操作者が操作することができる。これにより、本実施形態では、目標物Ｔを見回すように目標物Ｔを観察したり、目標物Ｔに対して撮像部５を近接させて目標物Ｔの画像を拡大して観察したり、目標物Ｔから撮像部５を離間させて目標物Ｔを含む広い領域を俯瞰的に観察したりすることができる。

ロックオンモードが設定されている間（図１５に示すステップＳ２４においてYesであるとき）は、図１５に示すステップＳ１９からステップＳ２４までの各ステップがこの順に繰り返される。

操作者は、モードセレクタ４９を操作することによって、ロックオンモードでの制御部６１の動作を終了してマニュアルモードに戻すことができる（図１５参照、ステップＳ２４においてNo）。この場合、ロックオンモードの終了直前におけるマニピュレータ２及び懸架装置２０の位置及び姿勢で第一駆動部１５及び第二駆動部２２の自動制御が終了する。第一駆動部１５及び第二駆動部２２に対する制御が終了した後、ブレーキ部４５の各ブレーキは解放状態とされて、入力部材３９が中立位置へ復帰する。操作者は、必要に応じて、第一駆動部１５のレバー１５ｃの操作や懸架装置２０の倣い動作などを用いて、マニピュレータ２の位置及び姿勢をマニュアルモードで制御することができる。

以上に説明したように、本実施形態の入力機構３１によれば、進退入力部３７の入力部材３９の動作は、第一軸Ｘと第二軸Ｙとの交点を通る第三軸Ｌを進退軸とするように拘束されている。これは、ロックオンモードにおいて関心位置Ｔｓに撮像部５が向かうように撮像部５の移動が拘束されることに対応している。このため、本実施形態の入力機構３１を使用して進退入力部３７を操作することによって、ロックオンモードにおいて処置対象部位となる関心位置Ｔｓに対するアプローチ方向の変更操作を直感的に行うことができる。

さらに、本実施形態の医療システム１は、関心位置Ｔｓと拘束点Ｒとの二点が拘束された条件下（図１８参照）でマニピュレータ２を自動制御することができるので、関心位置Ｔｓと拘束点Ｒとの二点を拘束するようにマニピュレータ２を手動で操作することと比較して、マニピュレータ２の操作が容易である。

また、第一軸Ｘと第二軸Ｙとが互いに直交しているので、入力機構３１における入力座標系ＣＳ２が三次元の直交座標系となる。これにより、制御部６１における演算が簡単である。
また、第一軸Ｘと第二軸Ｙとが直交しているので、第一軸Ｘ周りの摩擦抵抗及び第二軸Ｙ周りの摩擦抵抗が入力部材３９の操作抵抗に与える影響が互いに同等となる。このため、本実施形態の入力機構３１は、入力部材３９の位置及び姿勢が変化しても入力部材３９の動きやすさの変化を少なくすることができる。

（変形例１）
上記実施形態の変形例について説明する。図１９は、本変形例における入力機構を示す斜視図である。
図１９に示すように、本変形例の入力機構３１は、第１実施形態に開示された第一リンク３４及び第二リンク３６とは形状が異なる第一リンク５７及び第二リンク５８を有している。

本変形例の第一リンク５７は、第一軸Ｘ上に中心を有するリング状をなしている。

本変形例の第二リンク５８は、第一軸Ｘと直交する回転軸において第一リンク５７に連結されたリング状をなしている。第二リンク５８の中心は、第二リンク５８の回転軸上且つ第一軸Ｘ上に位置している。上記の第１実施形態と同様の進退入力部３７が第二リンク５８に連結されている。
本変形例の第一リンク５７及び第二リンク５８も、上記の第１実施形態に開示された第一リンク３４及び第二リンク３６と同様に動作可能である。

なお、図２０に示すように、第一リンク５７及び第二リンク５８の形状は、リング状でなく四角形状でもよい。また、入力機構３１は、第一軸Ｘを含む平面内に中心線が位置するように延びる溝を有して第一リンク５７に取り付けられたガイド５９を有していてもよい。ガイドの溝には進退入力部３７の保持部３８が入り込んでいる。

（変形例２）
上記実施形態の他の変形例について説明する。図２１は、本変形例における入力機構３１を示す斜視図である。
図２１に示すように、本変形例の入力機構３１は、基台部９０と、基台部９０に収容された球体部９４を有している。

基台部９０は、球体部９４を受ける支持体９１と、球体部９４の外周面に接して転動可能なエンコーダ９２，９３とを有している。エンコーダ９２，９３は、球体部の回転方向及び回転量を検出するために、少なくとも２つ設けられている。

球体部９４は、支持体９１及びエンコーダ９２，９３に支持された状態で、基台部９０に収容されている。球体部９４には、進退入力部３７の保持部３８が固定されている。保持部３８の中心線Ｌ２は、球体部９４の球心を通る直線上に位置している。
本変形例の入力機構３１も第１実施形態と同様の効果を奏する。

（変形例３）
上記実施形態のさらに他の変形例について説明する。図２２は、本変形例の入力機構における第一リンクと第二リンクとの位置関係の変化を説明するための図である。
図２２に示すように、本変形例の入力機構３１は、上記の第１実施形態に開示された第一リンク３４及び第二リンク３６（図３参照）とは形状が異なる第一リンク３４Ａ及び第二リンク３６Ａを有している。

本変形例の第一リンク３４Ａは、くの字状（Ｌ字状）に屈曲している。第一リンク３４Ａの屈曲角度は鈍角である。たとえば、第一リンク３４Ａは、第１実施形態と同様の第一回動部３３（図３参照）から第一軸Ｘと垂直な方向へ延び、第一回動部３３から離れるように１２０°屈曲している。第一リンク３４Ａにおいて第一回動部３３が固定された側の端と反対側の端は、第１実施形態と同様の第二回動部３５（図３参照）に連結されている。

本変形例において、第二回動部３５の回動軸である第二軸Ｙ２は、第一軸Ｘと交差しているが直交はしていない。第一軸Ｘと第二軸Ｙ２とのなす角の大きさは６０°である。

本変形例の第二リンク３６Ａは、くの字状（Ｌ字状）に屈曲している。第二リンク３６Ａの屈曲角度は鈍角である。たとえば、第二リンク３６Ａは、第二回動部３５から第二軸Ｙ２と垂直な方向へ延び、第一軸Ｘと第二軸Ｙ２との交点に近付くように１２０°屈曲している。第二リンク３６Ａにおいて第二回動部３５が固定された側の端と反対側の端は、進退入力部３７に接続されている。

進退入力部３７の保持部３８（図３参照）は、第一軸Ｘと第二軸Ｙ２との交点を通る直線を中心とする筒状部材である。保持部３８に挿通された入力部材３９は、保持部３８の中心線に沿って自在に進退移動することができる。入力部材３９の進退軸である第三軸Ｌ２と第二軸Ｙ２とのなす角の大きさは６０°である。

本変形例の第一リンク３４Ａ及び第二リンク３６Ａを備えた入力機構３１において、入力部材３９の進退動作は、第一軸Ｘと第二軸Ｙ２との交点を通る第三軸Ｌ２を進退軸とするように拘束されている。さらに、入力部材３９の揺動動作は、第一軸Ｘと第二軸Ｙ２との交点を揺動中心とするように拘束されている。これにより、本変形例の入力機構３１は、第１実施形態と同様の効果を奏する。
なお、第一リンク３４Ａの屈曲角度は１２０°には限られない。また、第二リンク３６Ａの屈曲角度は１２０°には限られない。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。図２３は、本実施形態の入力機構を備えた医療システムの要部を示すブロック図である。図２４は、医療システムの要部を示すブロック図である。図２５は、医療システムのブレーキ制御パターンを示す表である。図２６及び図２７は、医療システムの要部を示すブロック図である。図２８は、医療システムの作動方法の要部を示すフローチャートである。

図２３に示す本実施形態の医療システム１Ａは、第１実施形態と制御内容が異なる制御部６１Ａを有する。本実施形態の制御部６１Ａは、第１実施形態と同様にロックオンモードで動作可能であり、さらに、マニュアルモードにおいて操作入力装置３０を利用することができる。

また、本実施形態の医療システム１Ａは、図２４に示すように、マニュアルモードにおいて操作入力装置３０を利用可能とするために、第１実施形態とは構成が異なるモードセレクタ４９Ａを有している。
本実施形態のモードセレクタ４９Ａは、第１実施形態に開示されたモードセレクタ４９と比較して、マニュアルモード選択スイッチ５４と、全体移動モード選択スイッチ５５と、先端湾曲モード選択スイッチ５６とをさらに有している点が異なっている。

マニュアルモード選択スイッチ５４は、マニュアルモードを操作者が選択する場合に操作する押しボタンスイッチである。本実施形態では、マニュアルモード選択スイッチ５４とロックオンモード選択スイッチ５０とのいずれか一方がオンとなる場合には他方がオフとなるように、互いに連動している。

全体移動モード選択スイッチ５５と、マニュアルモードにおいてマニピュレータ２の全体的な移動操作（全体移動モード）を操作者が選択する場合に操作する押しボタンスイッチである。

先端湾曲モード選択スイッチ５６は、マニュアルモードにおいてマニピュレータ２の能動湾曲部７のみの湾曲操作（先端湾曲モード）を操作者が選択する場合に操作する押しボタンスイッチである。
また、本実施形態では、制限状態選択部６４は、図２５に示すように、マニュアルモードにおいて利用可能なブレーキ部４５の制御パターンを有している。

全体移動モードでは、ブレーキ部４５の動作は自在モードと同様に把持センサに従う。
先端湾曲モードでは、第三ブレーキ４８のみ常時ブレーキをかけるように設定されている。

図２６に示すように、本実施形態の制御部６１Ａの逆運動学演算部８２は、第１実施形態とは異なる入力に基づいて演算を行って演算結果を駆動信号生成部７１へ出力するようになっている。

さらに、本実施形態の制御部６１の姿勢取得部（不図示）は、マニピュレータ構造パラメータ及び懸架装置構造パラメータと、エンコーダ１５ｂ、２２ｂから取得した情報とを用いて、基準座標系における軸部８の位置及び姿勢を示す情報（軸部位置姿勢データ、図２６参照）を算出して記憶部８５に記憶させる。

図２７に示すように、制御部６１Ａは、マニュアルモードにおいてマニピュレータ２を移動させたり能動湾曲部７を湾曲させたりするために、湾曲動作演算部８６をさらに有している。

本実施形態の制御部６１Ａにおいて全体移動モードにおいて動作する機能部の制御動作について説明する。

全体移動モードでは、図２６に示すように、座標変換部８３が、記憶部８５に記憶された入力部材位置姿勢データを読み込み、基準座標系において拘束点座標を原点とするように座標変換して逆運動学演算部８２へ出力する。

逆運動学演算部８２は、軸部位置姿勢データを記憶部８５から読み込む。逆運動学演算部８２は、軸部位置姿勢データに基づいた軸部８の位置及び姿勢を、軸部８の移動の始点とする。さらに、逆運動学演算部８２は、座標変換部８３から出力された情報に基づいて、軸部８の移動先の位置及び姿勢を設定する。逆運動学演算部８２は、始点から終点まで軸部８が移動するような第二駆動部の動作量を含む操作指令を生成して駆動信号生成部７１へ出力する。駆動信号生成部７１は操作指令に従って駆動信号を生成して第二駆動部へ出力する。
これにより、本実施形態では、操作入力装置３０を用いて、拘束点を中心とした軸部８の揺動、軸部８の中心線方向への軸部の進退を行うことができる。

本実施形態の制御部６１Ａにおいて先端湾曲モードにおいて動作する機能部について説明する。

図２７に示すように、湾曲動作演算部８６は、入力部材位置姿勢データを記憶部８５から読み込む。湾曲動作演算部８６は、中立位置からの入力部材傾きの変化を入力部材位置姿勢データから算出して、能動湾曲部７の湾曲角度及び湾曲量の情報を含む操作指令を生成して駆動信号生成部７１へ出力する。
これにより、本実施形態では、操作入力装置３０を用いて、マニュアルモードで能動湾曲部７の湾曲操作を行うことができる。

本実施形態の医療システム１Ａの動作について説明する。
本実施形態では、モードセレクタ４９Ａによってロックオンモードが選択された場合には、第１実施形態と同様にロックオンモードで医療システム１Ａが動作する。

本実施形態では、第１実施形態と同様に拘束点Ｒが設定される（図２８参照、ステップＳ３１）。
本実施形態においてモードセレクタ４９Ａによってマニュアルモードが選択された場合（ステップＳ３２においてNo）には、マニュアルモードでの動作が開始（ステップＳ３３）され、全体移動モードである場合（ステップＳ３４においてYes）には、入力部材位置姿勢データを座標変換部８３が読み込んで逆運動学演算部８２へ出力し（ステップＳ３５）、逆運動学演算部８２が操作指令を生成して駆動信号生成部７１へ出力する（ステップＳ３６）。さらに駆動信号生成部７１は第二駆動部２２へ駆動信号を出力（ステップＳ３７）し、懸架装置２０がマニピュレータ２の全体を移動させる。

ステップＳ３７のあと、ロックオンモードが操作者によって選択されていなければ（ステップＳ３８においてNo）、ステップＳ３４へ進み引き続きマニュアルモードとなる。ステップＳ３７のあと、ロックオンモード選択スイッチ５０が押された場合（ステップＳ３８においてYes）には、ステップＳ４２へ進み、マニュアルモードからロックオンモードへ移行する。

また、マニュアルモードでの動作が開始された後、先端湾曲モードである場合（ステップＳ３４においてNo）には、入力部材位置姿勢データを湾曲量演算部が読み込んで（ステップＳ３９）、操作指令を生成し（ステップＳ４０）、駆動信号生成部７１へと出力する。さらに駆動信号生成部７１が第一駆動部１５へ駆動信号を出力し（ステップＳ４１）、能動湾曲部７が湾曲する。

ロックオンモードにおける本実施形態の医療システム１Ａの動作（ステップＳ４３）は、第１実施形態と同様である。ロックオンモードで動作している場合に、マニュアルモード選択スイッチ５４が押されると、ロックオンモードの選択が解除される。このため、ロックオンモードで医療システム１Ａが動作しているときにマニュアルモード選択スイッチ５４が押された場合（ステップＳ４４においてNo）には、ステップＳ３３へ進み、ロックオンモードからマニュアルモードへ移行する。

本実施形態の医療システム１Ａは、マニュアルモードとロックオンモードとのいずれのモードでも入力機構３１を用いてマニピュレータ２を動作させることができる。このため、本実施形態の医療システム１Ａによれば、マニュアルモードとロックオンモードとを切り替えて医療システム１Ａを操作者が操作する場合の移動や持ち替えの負担が軽減される。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
例えば、マニピュレータ２は、軟性内視鏡に挿入可能な公知の処置具を取付けることができるチャンネルを有していてもよい。また、マニピュレータ２のチャンネルには、処置具に限らず内視鏡が挿入されてもよい。内視鏡がマニピュレータ２のチャンネルに挿入される場合には、マニピュレータ２の撮像部５と内視鏡の撮像部５が併用されてもよい。

また、上述の各実施形態及び変形例において示した構成要素は適宜に組み合わせて構成することが可能である。

本発明は、医療システムに対して操作入力を行う入力機構及びこの入力機構を備えた医療システムに利用することができる。

１ 医療システム
２ マニピュレータ
３ 挿入部
４ 遠位端部
５ 撮像部
６ 照明部
７ 能動湾曲部
８ 軸部
１３ 挿入量マーカー
１４ 近位端部
１５ 第一駆動部（駆動部）
１５ａ アクチュエータ
１５ｂ エンコーダ
１５ｃ レバー
１６ 接続部
２０ 懸架装置
２１ アーム部
２２ 第二駆動部
２２ａ アクチュエータ
２２ｂ エンコーダ
３０ 操作入力装置
３１ 入力機構
３２ ベース部
３３ 第一回動部
３４，３４Ａ 第一リンク
３５ 第二回動部
３６，３６Ａ 第二リンク
３７ 進退入力部
３８ 保持部
３９ 入力部材
４０ センサ部
４１ 第一センサ
４２ 第二センサ
４３ 第三センサ
４４ 把持センサ
４５ ブレーキ部
４６ 第一ブレーキ
４７ 第二ブレーキ
４８ 第三ブレーキ
４９、４９Ａ モードセレクタ
５０ ロックオンモード選択スイッチ
５１ 自在モードスイッチ
５２ モードスイッチ
５３ 近接俯瞰モードスイッチ
５４ マニュアルモード選択スイッチ
５５ 全体移動モード選択スイッチ
５６ 先端湾曲モード選択スイッチ
５７ 第一リンク
５８ 第二リンク
５９ ガイド
６０ 姿勢制御装置
６１、６１Ａ 制御部
６２ モード設定部
６３ 初期化部
６４ 制限状態選択部
６５ 判定部
６６ ブレーキ状態切替部
６７ 姿勢取得部
６８ パラメータ取得部
６９ 拘束点座標演算部
７０ 倣い動作指令部
７１ 駆動信号生成部
７２ 操作量演算部
７３ 倍率補正部
７４ 順運動学演算部
７５ 画像データ受付部
７６ 特徴点設定部
７７ 距離計測部
７８ 関心位置座標演算部
７９ 撮像部座標演算部
８０ 関心位置抽出部
８１ 関心位置ずれ量演算部
８２ 逆運動学演算部（操作指令生成部）
８３ 座標変換部
８５ 記憶部
８６ 湾曲動作演算部
８７ センシングトロッカ
９０ 基台部
９１ 支持体
９２ エンコーダ
９３ エンコーダ
９４ 球体部
１００ 画像処理装置
１１０ 表示装置
１１１ モニタ
１２０ 光源装置

本発明は、医療システムに対して操作入力をするための入力機構を備えた医療システムに関する。
本願は、２０１５年７月２３日に、アメリカ合衆国に仮出願された米国特許仮出願第６２／１９５，８６９号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

特許文献１に開示された技術では、処置対象部位に対する処置部のアプローチ方向を変更しようとした場合、処置部を処置対象部位に向ける操作と、処置対象部位に対する処置部の位置を調整する操作との組み合わせが必要となり、操作が複雑である。
本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、処置対象部位に対するアプローチ方向の変更操作を直感的に行うことができる入力機構を備えた医療システムを提供することを目的とする。

本発明の一態様は、医療システムにおけるマニピュレータと、前記マニピュレータを操作入力するための入力機構と、前記マニピュレータに接続された制御部と、前記マニピュレータを保持する懸架装置と、を備え、前記入力機構は、第一軸を回転中心として回動可能な第一回動部と、前記第一軸と交差する第二軸を回転中心として前記第一回動部に対して回動可能な第二回動部と、前記第一回動部に固定されているとともに前記第二回動部が前記第二軸回りに回動可能となるように前記第二回動部に連結された第一リンクと、前記第二回動部に固定された第二リンクと、前記第一軸と前記第二軸との交点を通る第三軸を進退軸として進退動作可能となるように前記第二リンクに連結された進退入力部と、前記第一軸の回転角度、前記第二軸の回転角度、及び前記進退入力部の進退移動距離を検知するセンサ部と、を有し、前記マニピュレータは、処置対象部位を撮像するための撮像部と、前記撮像部に接続された能動湾曲部と、前記能動湾曲部に接続された軸部と、前記軸部に接続され前記制御部による制御に従って前記能動湾曲部を湾曲動作させる第一駆動部と、を有し、前記懸架装置は、前記マニピュレータに接続されたアーム部と、前記アーム部に接続され前記制御部による制御に従って前記アーム部を動作させる第二駆動部と、を有し、前記制御部は、前記センサ部に接続されており、前記撮像部が撮像した画像に基づいて前記撮像部の撮像視野内に関心位置を設定する関心位置座標設定部と、前記マニピュレータが取り付けられた状態の前記懸架装置に設定された所定の基準座標系における前記関心位置の座標に前記第一軸と前記第二軸との交点が対応するように、前記入力機構に予め設定された入力座標系を基準座標系と対応付ける座標変換部と、前記センサ部における検知状態に基づいて、前記第一軸の回転角度、前記第二軸の回転角度、及び前記進退入力部の進退移動距離に対応して前記撮像部が移動し、前記アーム部及び前記能動湾曲部の動作量を算出する操作指令生成部と、前記動作量に基づいて前記第一駆動部及び前記第二駆動部を動作させる駆動信号生成部と、を含む医療システムである。

上記態様の医療システムは、前記第一軸及び前記第二軸における回動を禁止可能な第一ロック機構を有していてもよい。

上記態様の医療システムは、前記第三軸に沿った前記進退入力部の進退移動を禁止可能な第二ロック機構を有していてもよい。

Claims (9)

1. マニピュレータを有する医療システムにおける該マニピュレータを操作入力するための入力機構であって、
   第一軸を回転中心として回動可能な第一回動部と、
   前記第一軸と交差する第二軸を回転中心として前記第一回動部に対して回動可能な第二回動部と、
   前記第一回動部に固定されているとともに前記第二回動部が前記第二軸回りに回動可能となるように前記第二回動部に連結された第一リンクと、
   前記第二回動部に固定された第二リンクと、
   前記第一軸と前記第二軸との交点を通る第三軸を進退軸として進退動作可能となるように前記第二リンクに連結された進退入力部と、
   前記第一軸の回転角度、前記第二軸の回転角度、及び前記進退入力部の進退移動距離を検知するセンサ部と、
   を備えた入力機構。
2. 前記第一軸と前記第二軸とは互いに直交している、請求項１に記載の入力機構。
3. 前記第一軸及び前記第二軸における回動を禁止可能な第一ロック機構を有する、請求項１に記載の入力機構。
4. 前記第三軸に沿った前記進退入力部の進退移動を禁止可能な第二ロック機構を有する、請求項１に記載の入力機構。
5. 前記第一リンクは、くの字状に屈曲した形状の剛体からなる、請求項１に記載の入力機構。
6. 前記第二リンクは、くの字状に屈曲した形状の剛体からなる、請求項１に記載の入力機構。
7. 請求項１に記載の入力機構と、
   前記センサ部に接続された制御部と、
   前記制御部に接続されたマニピュレータと、
   前記マニピュレータを保持する懸架装置と、
   を備え、
   前記マニピュレータは、
   処置対象部位を撮像するための撮像部と、
   前記撮像部に接続された能動湾曲部と、
   前記能動湾曲部に接続された軸部と、
   前記軸部に接続され前記制御部による制御に従って前記能動湾曲部を湾曲動作させる第一駆動部と、
   を有し、
   前記懸架装置は、
   前記マニピュレータに接続されたアーム部と、
   前記アーム部に接続され前記制御部による制御に従って前記アーム部を動作させる第二駆動部と、
   を有し、
   前記制御部は、
   前記撮像部が撮像した画像に基づいて前記撮像部の撮像視野内に関心位置を設定する関心位置座標設定部と、
   前記マニピュレータが取り付けられた状態の前記懸架装置に設定された所定の基準座標系における前記関心位置の座標に前記第一軸と前記第二軸との交点が対応するように、前記入力機構に予め設定された入力座標系を前記基準座標系と対応付ける座標変換部と、
   前記センサ部における検知状態に基づいて、前記第一軸の回転角度、前記第二軸の回転角度、及び前記進退入力部の進退移動距離に対応して前記撮像部が移動し、前記アーム部及び前記能動湾曲部の動作量を算出する操作指令生成部と、
   前記動作量に基づいて前記第一駆動部及び前記第二駆動部を動作させる駆動信号生成部と、
   を含む
   医療システム。
8. 前記制御部は、前記基準座標系において前記マニピュレータの揺動中心となる拘束点を設定する拘束点座標演算部をさらに備え、
   操作指令生成部は、前記基準座標系において前記拘束点が移動しないように、前記動作量を算出する、
   請求項７に記載の医療システム。
9. 前記関心位置座標設定部、前記座標変換部、前記操作指令生成部、及び前記駆動信号生成部によって前記第一駆動部及び前記第二駆動部を動作させる第一の動作モードと、操作者が前記マニピュレータを直接操作することを可能とする第二の動作モードとを切り替えるための入力を受け付けるために前記制御部に接続されたモードセレクタをさらに備える、
   請求項７に記載の医療システム。

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