JPWO2017175320A1 - 医療用マニピュレータシステムおよびマニピュレータの湾曲形状推定方法 - Google Patents

Abstract

最小限のセンサを用いて医療用マニピュレータの長手方向に沿う湾曲形状を測定することを目的として、本発明に係る医療用マニピュレータシステム（１）は、軟性部（７）を有する長尺のマニピュレータ（２）と、マニピュレータ（２）が配置される経路の長手方向に沿って移動可能に設けられ、各位置において経路の形状情報を検出する形状センサ（４）と、該形状センサ（４）により検出された形状情報と、該形状センサ（４）の経路の長手方向位置情報とに基づいて、マニピュレータ（２）の湾曲形状を推定する形状推定部（６）とを備える。

Description

本発明は、医療用マニピュレータシステムおよびマニピュレータの湾曲形状推定方法に関するものである。

患者の体腔内に挿入される内視鏡の鉗子チャネル等を経由して患者の体内に医療用マニピュレータを挿入し、患部の処置を行う医療用マニピュレータシステムが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
医療用マニピュレータは、曲がりくねった患者の体腔の形状に倣って湾曲させられるが、湾曲形状は医療用マニピュレータの操作性に影響を与えるため、精度よく検出する必要がある。

特許文献１の医療用マニピュレータシステムは、医療用マニピュレータの長手方向に沿って複数の光ファイバを束ねたファイババンドルからなる光ファイバセンサを配置し、医療用マニピュレータの長手方向に沿う複数箇所において、医療用マニピュレータの曲げ半径を検出している。

米国特許第７７２０３２２号明細書

特許文献１においては、医療用マニピュレータの長手方向に沿う複数箇所での曲げ半径を検出するために、多数の光ファイバを束ねたファイババンドルを採用しているので、部品点数が多く、コストがかかるという不都合がある。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、最小限のセンサを用いて医療用マニピュレータの長手方向に沿う湾曲形状を測定することができる医療用マニピュレータシステムおよびマニピュレータの湾曲形状推定方法を提供することを目的としている。

本発明の一態様は、軟性部を有する長尺のマニピュレータと、該マニピュレータが配置される経路の長手方向に沿って移動可能に設けられ、各位置において前記経路の形状情報を検出する形状センサと、該形状センサにより検出された形状情報と、該形状センサの前記経路の長手方向位置情報とに基づいて、前記マニピュレータの湾曲形状を推定する形状推定部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、軟性部を有する長尺のマニピュレータが配置される経路に形状センサを配置し、形状センサを経路の長手方向に移動させながら形状センサによって経路の形状を検出することにより、検出された経路の形状とその長手方向位置情報とに基づいて形状推定部によりマニピュレータの湾曲形状を推定することができる。すなわち、少ない数の形状センサを長手方向に移動させて長手方向の各位置において形状を検出することにより、多数の光ファイバを束ねたファイババンドルのような形状センサを用いることなく、最小限のセンサを用いて、経路の形状、すなわち、該経路に配置されたときのマニピュレータの長手方向に沿う湾曲形状を測定することができる。

上記態様においては、前記形状センサが、前記経路の曲率半径を検出してもよい。
このようにすることで、長手方向の各位置における経路の曲率半径が形状センサにより検出されることにより、複数の位置における経路の曲率半径によって、経路の湾曲形状、すなわち、該経路に配置されたときのマニピュレータの湾曲形状を簡易に測定することができる。

また、上記態様においては、前記形状センサを、前記経路の長手軸回りに回転させる回転駆動部を備えていてもよい。
このようにすることで、形状センサが長手軸回りの特定の方向の曲率半径のみを検出可能なセンサであっても、回転駆動部によって長手軸回りに回転させることにより、長手軸回りの複数方向の曲率半径を検出することができる。したがって、経路の３次元的な湾曲形状を推定し、該経路に配置されたマニピュレータの湾曲形状することができる。

また、上記態様においては、前記形状センサが、前記経路の３次元位置を検出してもよい。
このようにすることで、経路の長手方向に沿って複数の地点において形状センサにより検出された３次元位置情報に基づいて、経路の３次元的な湾曲形状を簡易に推定することができる。

また、上記態様においては、前記形状センサを前記経路の長手方向に移動させる駆動部を備え、該駆動部の駆動量に基づいて前記形状センサの長手方向位置情報を算出する位置情報算出部を備えていてもよい。
このようにすることで、駆動部による形状センサの経路の長手方向に沿う駆動量と、形状センサにより検出された経路の形状情報との組み合わせを複数検出することにより、経路の３次元的な形状を簡易に推定することができる。

また、上記態様においては、前記形状センサの長手方向位置を検出する位置センサを備えていてもよい。
このようにすることで、位置センサにより検出された形状センサの複数の長手方向位置と、各長手方向位置において形状センサにより検出された経路の形状情報とに基づいて、経路の３次元的な形状を簡易に推定することができる。

また、上記態様においては、前記形状センサが、軟性の長尺部材の先端に配置され、該長尺部材に、前記経路に対する挿入量を測定可能なマーカが設けられていてもよい。
このようにすることで、形状センサを取り付けた長尺部材のマーカによって読み取った挿入量と、各挿入量の位置で形状センサにより検出された形状情報とに基づいて、簡易に経路の３次元的形状を推定することができる。

また、上記態様においては、前記経路の入口に、前記形状センサの挿入開始を検出する挿入センサを備えていてもよい。
このようにすることで、挿入センサにより形状センサの挿入開始が検出された後からの挿入量によって、形状センサの位置を精度よく検出し、経路の湾曲形状をより精度よく推定することができる。

また、上記態様においては、前記形状センサが、前記経路の長手軸に直交しかつ相互に交差する２方向の前記経路の曲率半径を検出し、前記形状センサにより検出された２方向の曲率半径に基づいて前記経路の曲率半径を算出する曲率半径算出部を備えていてもよい。
このようにすることで、経路の長手方向に直交しかつ相互に交差する２方向の経路の曲率半径を検出し、検出された２方向の曲率半径を成分とする経路の３次元的な曲率半径を曲率半径算出部により算出することができる。

また、本態様は、軟性部を有する長尺のマニピュレータが配置される経路の長手方向に沿って、形状センサを移動させ、各長手方向位置と、その長手方向位置において前記形状センサにより検出された前記経路の形状情報とに基づいて、前記マニピュレータの湾曲形状を推定するマニピュレータの湾曲形状推定方法である。

本発明によれば、最小限のセンサを用いて医療用マニピュレータの長手方向に沿う湾曲形状を測定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を用いたマニピュレータの湾曲形状推定方法を説明するための、（ａ）第１位置、（ｂ）第２位置、（ｃ）第３位置および（ｄ）第４位置に形状センサのセンサ部が配置された状態をそれぞれ示す図である。 図１の医療用マニピュレータシステムの形状センサの駆動および位置検出を行う第１の変形例を示す図である。 図１の医療用マニピュレータシステムの形状センサの駆動および位置検出を行う第２の変形例を示す図である。 図２の医療用マニピュレータシステムの形状センサの第３の変形例であって、軟性部にマーカを設けたものを示す図である。 図１の医療用マニピュレータシステムの形状センサの移動方法の変形例を示す斜視図である。 図１の医療用マニピュレータシステムの形状センサの移動方法の変形例を示す斜視図である。 図１の医療用マニピュレータシステムの形状センサの変形例であって、２つのセンサ部を有する場合の形状センサの移動軌跡の一例を示す斜視図である。

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およびマニピュレータ２の湾曲形状推定方法について、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、図１および図２に示されるように、マニピュレータ２と、該マニピュレータ２を制御する制御部３と、経路Ａの曲率半径（形状情報）を検出するための形状センサ４と、形状センサ４の経路Ａ内への挿入量を検出する挿入量検出部５と、該形状センサ４により検出された曲率半径および挿入量検出部５により検出された挿入量に基づいて、マニピュレータ２の湾曲形状を推定する形状推定部６とを備えている。

マニピュレータ２は、細長い軟性の挿入部７と、該挿入部７の先端に配置された可動部８と、挿入部７の基端に設けられた駆動部９と、該駆動部９の動力を可動部８に伝達するワイヤ１０のような動力伝達部材とを備えている。
可動部８は、先端に配置された把持鉗子のような処置部１１と、該処置部１１の姿勢を変化させる関節１２とを備えている。
駆動部９は、動力を発生させる図示しないモータを備え、モータの回転によってワイヤ１０に張力を発生させ、張力によって処置部１１および関節１２を動作させるようになっている。

形状センサ４は、例えば、１本の光ファイバセンサであって、細長い軟性部（長尺部材）１３の先端に配置されたセンサ部（形状センサ）１４において、軟性部１３の長手軸を含む一平面に沿う方向の曲率半径に応じた信号を検出するようになっている。
挿入量検出部５は、形状センサ４の軟性部１３の外面に接触し、軟性部１３の長手方向の移動によって回転させられるローラ（駆動部）１５と、該ローラ１５の回転量を検出するエンコーダ（位置センサ）１６と、該エンコーダ１６が検出した回転量に基づいて形状センサ４の長手方向の移動量（長手方向位置情報）を検出する位置情報算出部（図示略）を備えている。

形状推定部６は、マニピュレータ２の配置される経路Ａの長手方向に沿って形状センサ４を移動させながら、挿入量検出部５により検出された挿入量と、形状センサ４によって検出された曲率半径に応じた信号とに基づいて経路Ａの湾曲形状を推定するようになっている。
ここで、経路Ａとは、マニピュレータ２を挿入する内視鏡やオーバーチューブに設けられたチャネルの他、マニピュレータ２自体に設けられたチャネル、あるいは、マニピュレータ２の外面に併走するように配置されたチューブの内孔等を意味している。特に、患者の曲がりくねった体腔内にマニピュレータ２を挿入して体内の患部を処置する場合に、体腔内に挿入された状態のマニピュレータ２の湾曲形状を表す任意の経路を意味している。

形状推定部６を用いた経路Ａの湾曲形状の推定は、図２（ａ）に示されるように、形状センサ４を経路Ａ内に挿入した状態で、図２（ｂ）から図２（ｄ）に示されるように、形状センサ４を経路Ａの長手方向に沿って経路Ａから引き出す方向に移動させ、センサ部１４が配置される長手方向の各位置において、曲率半径に応じた信号を検出し、検出された曲率半径に応じた信号と長手方向位置の情報とを対応づけることにより行われる。これにより、経路Ａの湾曲形状をセンサ部１４によってトレースするようにして推定することができる。

制御部３は、形状推定部６により推定されたマニピュレータ２の湾曲形状に基づいて駆動部９の制御パラメータを調節するようになっている。具体的には、マニピュレータ２の総湾曲角度の大きさが大きくなるほど、ワイヤ１０に大きな張力を発生させるように駆動部９を制御す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システム１を用いて患者の体内の処置を行うには、例えば、患者の曲がりくねった体腔に沿って患部近傍まで挿入した内視鏡の鉗子チャネル内に、形状センサ４をセンサ部１４側から挿入する。例えば、内視鏡の対物レンズの視野内にセンサ部１４が入る第１位置まで挿入する。

この状態から本発明の一実施形態に係るマニピュレータ２の湾曲形状推定方法を実施する。本実施形態に係る湾曲形状推定方法は、形状センサ４による曲率半径の測定（形状測定ステップ）と、形状センサ４の長手方向への移動（移動ステップ）とを繰り返し、得られた複数の長手方向位置と曲率半径とを対応づけたデータに基づいて経路Ａの湾曲形状を推定するステップ（形状推定ステップ）とを含んでいる。

すなわち、まず、第１位置で、形状センサ４を構成する光ファイバセンサの基端側から検出光を入射し、基端側に戻る光を分析することにより、センサ部１４における鉗子チャネルの曲率半径を求める（形状測定ステップ）。次いで、形状センサ４を所定量だけ経路Ａから引き出す方向に、長手方向に沿って移動させ（移動ステップ）、第２位置で、曲率半径を求める（形状測定ステップ）。第１位置から第２位置までの曲率半径は第１位置における曲率半径の大きさで一定であると仮定すると、式（１）を用いて湾曲角度θを算出することができる。

θ＝Ｓ／Ｒ （１）
ここで、Ｓは第１位置と第２位置との間の弧の長さ、Ｒは曲率半径である。

弧の長さＳは、挿入量検出部５により検出された第１位置と第２位置との間の長手方向の移動量（挿入量）に等しく、曲率半径Ｒは形状センサ４により検出することができる。
したがって、求められたＳ，Ｒを用いて第１位置と第２位置との間の湾曲角度θを算出することができる（形状推定ステップ）。

次に、形状センサ４を所定量だけ経路Ａから引き出す方向に、長手方向に沿って移動させ（移動ステップ）、第３位置で、曲率半径を求める（形状測定ステップ）。第２位置から第３位置までの曲率半径は第２位置における曲率半径の大きさで一定であると仮定して、第２位置から第３位置までの湾曲角度θを式（１）を用いて算出する。
これを繰り返して、複数の区画のそれぞれについて湾曲角度θを求め、それを合計することにより総湾曲角度を求めることができる（形状推定ステップ）。

このように、本実施形態に係る医療用マニピュレータシステム１およびマニピュレータ２の湾曲形状推定方法によれば、少ない数の形状センサ４を経路Ａの長手方向に移動させながら、各位置で形状情報を検出することにより、経路Ａの湾曲形状を推定するので、多数の形状センサ４が不要であり、最小限の形状センサ４を用いてマニピュレータ２の長手方向に沿う湾曲形状を測定することができるという利点がある。

そして、このようにして形状センサ４を移動させて湾曲形状が推定された経路Ａに、形状センサ４に代えてマニピュレータ２を挿入することにより、マニピュレータ２が経路Ａの湾曲形状に合わせて湾曲させられる。これにより、経路Ａについて推定された湾曲形状に基づいて制御部３がマニピュレータ２を制御することによって、マニピュレータ２の操作性を向上することができるという利点がある。

なお、本実施形態においては、形状センサ４を内視鏡の先端まで挿入した状態から測定を開始し、形状センサ４を鉗子チャネルの長手方向に沿って引き抜きながら湾曲形状を求めることとしたが、これに代えて、形状センサ４を鉗子チャネルの長手方向に沿って挿入しながら湾曲形状を求めることにしてもよい。この場合、鉗子チャネルの入口に挿入開始を検出する挿入センサ（図示略）を配置し、挿入開始位置を検出することにしてもよい。これにより、鉗子チャネルの形状をより精度よく推定することができる。

また、形状センサ４の軟性部１３の長手方向の移動量を、軟性部１３の外面を転がるローラ１５によって回転量に変換し、エンコーダ１６によって回転量を検出することで形状センサ４の長手方向の移動量を検出することとしたが、これに代えて、形状センサ４の長手方向に間隔をあけて複数の磁石（図示略）を配置しておき、鉗子チャネルの入口近傍に配置したホール素子（図示略）によって磁力を検出して計数することにより、形状センサ４の長手方向の移動量を検出することにしてもよい。

また、軟性部１３の外面を転がるローラ１５に代えて、図３に示されるように、形状センサ４の軟性部１３を巻き取るプーリ（駆動部）１７を設け、エンコーダ１６により検出されたプーリ１７の回転量によって軟性部１３の長手方向の移動量を検出することにしてもよい。このようにすることで、形状センサ４の移動についてもプーリ１７の回転によって自動で行うことができる。

また、本実施形態においては、形状センサ４の長手方向の移動は、手動で行ってもよいし、図３のプーリ１７によって自動で巻き取ることにしてもよいが、図４に示されるように、形状センサ４の軟性部１３を径方向に挟むローラ（駆動部）１８の回転によって自動的に鉗子チャネルに挿入したり引き出したりしてもよい。

また、形状センサ４の長手方向の移動量は、エンコーダ１６によって検出してもよいし、図５に示されるように、軟性部１３に長手方向に沿ってメモリとなるマーカ１９を設けておき、操作者がマーカ１９を読み取って入力することにしてもよい。

また、本実施形態においては、形状センサ４が単一の光ファイバセンサによって構成され、センサ部１４の位置における軟性部１３の長手軸を含む一平面に沿う方向の曲率半径を検出することとした。
しかしながら、マニピュレータ２を挿入する経路Ａは一平面内において湾曲していることはなく、３次元的に湾曲しているので、一平面方向の曲率半径を検出するだけでは十分ではない。

そこで、例えば、図６に示されるように、センサ部１４を配置した経路Ａの長手方向の各位置において、形状センサ４を経路Ａの長手軸回りに回転させる回転駆動部（図示略）を用いて、形状センサ４をその長手軸回りに９０°回転させて、周方向に９０°間隔をあけた２方向の曲率半径をそれぞれ求めることにしてもよい。図６は、第１位置において、Ｘ方向とＹ方向の曲率半径を検出した後、第２位置に移動して、Ｙ方向とＸ方向の曲率半径を検出し、その後は順次同じ動作を繰り返した場合の形状センサ４の動作軌跡を示している。

これにより、長手方向の各位置において、相互に交差する２方向の曲率半径が求められるので、これらの曲率半径を成分に有する３次元的な曲率半径を計算により求めることができる。
これに代えて、図７に示されるように、形状センサ４を長手方向に移動させながら、回転駆動部を用いてその長手軸回りに回転させて、センサ部１４を螺旋状に移動させ、各長手方向位置において異なる径方向の曲率半径を測定することにしてもよい。図６の場合よりも精度は劣るが、短時間で測定を行うことができるという利点がある。

また、形状センサ４として一方向の曲率半径を検出可能なセンサ部１４を有する場合を例示したが、これに代えて、例えば、軟性部１３の長手軸に直交し、かつ相互に交差（好ましくは直交）する２方向を同時に測定可能なセンサ部１４を有することにしてもよい。この場合、医療用マニピュレータシステム１は、形状センサ４により検出された２方向の曲率半径に基づいて経路Ａの３次元的な曲率半径を算出する曲率半径算出部（図示略）を備える。
このようにすることで、形状センサ４を経路Ａの長手方向に移動した各位置において、２方向の曲率半径成分を同時に検出することができ、３次元的な曲率半径を曲率半径算出部による演算により求めることができる。

特に、形状センサ４を経路Ａの長手方向に沿って移動させる際には、多くの場合、その長手軸回りにローリングしながら移動させられることになるが、２方向の曲率半径成分を同時に検出することにすれば、図８に示されるように、センサ部１４による検出方向が周方向に変化しても、３次元的な曲率半径の大きさについては精度よく算出することができる。これにより、経路Ａに配置されるマニピュレータ２の湾曲形状を精度よく推定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、制御部３が形状推定部６により推定された経路Ａの総湾曲角度に応じて制御パラメータを調節することとしたが、これに代えて、総湾曲角度に基づいてワイヤ１０に発生する摩擦力を算出し、該摩擦力に対抗する張力を発生させるように駆動部９を制御することにしてもよい。また、摩擦力に対抗する張力を発生可能な制御補償量を直接算出して駆動部９を制御することにしてもよい。

また、本実施形態においては、形状センサ４が、経路Ａの曲率半径を検出する光ファイバセンサである場合を例示したが、これに限定されるものではなく、センサ部１４が配置されている３次元位置座標を検出するセンサであってもよい。

１ 医療用マニピュレータシステム
２ マニピュレータ
４ 形状センサ
６ 形状推定部
７ 挿入部
１３ 軟性部（長尺部材）
１４ センサ部（形状センサ）
１５ ローラ（駆動部）
１６ エンコーダ（位置情報算出部、位置センサ）
１７ プーリ（駆動部）
１８ ローラ（駆動部）
１９ マーカ
Ａ 経路

Claims (10)

1. 軟性部を有する長尺のマニピュレータと、
   該マニピュレータが配置される経路の長手方向に沿って移動可能に設けられ、各位置において前記経路の形状情報を検出する形状センサと、
   該形状センサにより検出された形状情報と、該形状センサの前記経路の長手方向位置情報とに基づいて、前記マニピュレータの湾曲形状を推定する形状推定部とを備える医療用マニピュレータシステム。
2. 前記形状センサが、前記経路の曲率半径を検出する請求項１に記載の医療用マニピュレータシステム。
3. 前記形状センサを、前記経路の長手軸回りに回転させる回転駆動部を備える請求項２に記載の医療用マニピュレータシステム。
4. 前記形状センサが、前記経路の３次元位置を検出する請求項１に記載の医療用マニピュレータシステム。
5. 前記形状センサを前記経路の長手方向に移動させる駆動部を備え、
   該駆動部の駆動量に基づいて前記形状センサの長手方向位置情報を算出する位置情報算出部を備える請求項１から請求項４のいずれかに記載の医療用マニピュレータシステム。
6. 前記形状センサの長手方向位置を検出する位置センサを備える請求項１から請求項５のいずれかに記載の医療用マニピュレータシステム。
7. 前記形状センサが、軟性の長尺部材の先端に配置され、
   該長尺部材に、前記経路に対する挿入量を測定可能なマーカが設けられている請求項１から請求項４のいずれかに記載の医療用マニピュレータシステム。
8. 前記経路の入口に、前記形状センサの挿入開始を検出する挿入センサを備える請求項１から請求項７のいずれかに記載の医療用マニピュレータシステム。
9. 前記形状センサが、前記経路の長手軸に直交しかつ相互に交差する２方向の前記経路の曲率半径を検出し、
   前記形状センサにより検出された２方向の曲率半径に基づいて前記経路の曲率半径を算出する曲率半径算出部を備える請求項１に記載の医療用マニピュレータシステム。
10. 軟性部を有する長尺のマニピュレータが配置される経路の長手方向に沿って、形状センサを移動させ、各長手方向位置と、その長手方向位置において前記形状センサにより検出された前記経路の形状情報とに基づいて、前記マニピュレータの湾曲形状を推定するマニピュレータの湾曲形状推定方法。
    
    

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