WO2016136346A1

WO2016136346A1 - マニピュレータシステム及び医療システム

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Publication number: WO2016136346A1
Application number: PCT/JP2016/051894
Authority: WO
Inventors: 啓能並木
Original assignee: オリンパス株式会社
Priority date: 2015-02-25
Filing date: 2016-01-22
Publication date: 2016-09-01
Also published as: US20170239008A1; EP3263290A1; EP3263290A4; JPWO2016136346A1; CN107073704A; US9974620B2; JP6084344B2

Abstract

【課題】小さいスペースで多様な操作を実現可能なマニピュレータシステム及び医療システムを提供する。【解決手段】マニピュレータシステム（１）は、操作者が操作する操作部（２）と、操作部（２）によって操作されるマニピュレータ（３）と、操作部（２）の操作に応じてマニピュレータ（３）を制御するシステム制御部（４）と、操作者のタップ操作を検出するタップ操作検出部（２２）と、を備え、システム制御部（４）は、タップ操作検出部（２２）が検出する情報に応じて制御を切り替えることを特徴とする。

Description

マニピュレータシステム及び医療システム

　本発明は、外科手術等において患者に挿入され、観察、処置等を行うことのできるマニピュレータシステム及び医療システムに関するものである。

　患者の体腔内に処置具を挿入して、処置具先端をワイヤ等で牽引することで、体腔内臓器を観察したり、治療をおこなったりする医療機器が広く用いられている。近年、このような医療機器は、様々な処置を行う必要があるため構造が複雑化及び高度化している。また、構造の複雑化及び高度化に伴い、操作も複雑化及び高度化している。

　特許文献１には、ジョイスティック型操作装置、アーム型操作装置、タッチパッド型操作装置、及びフットスイッチ等を用いて、操作性を向上したマニピュレータシステムが記載されている。

特開２００９－２６２２９１号公報

　しかしながら、操作装置が多くなると、それらを配置するための大きなスペースが必要となり、そのスペースを確保することが困難となっていた。また、例えば、医療行為を行う際には、感染防止等の理由からゴム製の手袋等を着用することになっているが、手袋等を着用した状態で操作装置を操作することは使い勝手が悪かった。

　本発明は上記課題に着目してなされたものであり、小さいスペースで多様な操作を実現可能なマニピュレータシステム及び医療システムを提供することにある。

　本発明の一実施形態に係るマニピュレータシステムは、
　操作者が操作する操作部と、
　前記操作部によって操作されるマニピュレータと、
　前記操作部の操作に応じて前記マニピュレータを制御するシステム制御部と、
　前記操作者のタップ操作を検出するタップ操作検出部と、
を備え、
　前記システム制御部は、前記タップ操作検出部が検出する情報に応じて制御を切り替える
ことを特徴とする。

　本発明の一実施形態に係るマニピュレータシステムは、
　前記タップ操作検出部が検出する情報は、タップ操作の方向、強さ、又は回数を含み、
　前記システム制御部は、前記タップ操作検出部が検出する情報に応じて前記情報毎に設定された制御を行う。

　本発明の一実施形態に係るマニピュレータシステムは、
　前記操作部は、前記マニピュレータを連動させるマスターアームを有し、
　前記タップ操作検出部は、前記マスターアームに設けられる。

　本発明の一実施形態に係るマニピュレータシステムは、
　前記システム制御部は、前記タップ操作検出部が検出する情報に応じて、前記マニピュレータの作動を断接するクラッチ制御を含む。

　本発明の一実施形態に係るマニピュレータシステムを用いた医療システムは、
　前記操作部を有し、操作指令を発するためのマスタ入力部と、
　スレーブアーム及び前記マニピュレータを含むスレーブマニピュレータと、
を備え、
　前記マスターアームの操作に追従させるようにして前記スレーブアームを遠隔制御する
ことを特徴とする。

　本発明の一実施形態に係る医療システムは、
　前記マニピュレータは、処置具と内視鏡を有し、
　前記マスタ入力部は、前記内視鏡が撮像した映像を表示する表示部を有し、
　前記システム制御部は、前記タップ操作検出部が検出する情報に応じて、少なくとも前記処置具、前記内視鏡、及び前記表示部の制御を切り替える。

　この態様に係るマニピュレータシステム及び医療システムによれば、小さいスペースで多様な操作を実現することが可能となる。

本実施形態のマニピュレータシステムを示す。本実施形態のタップ操作検出部の一例として用いられる３軸加速度センサを示す。本実施形態のマニピュレータシステムの操作部の操作の一例を示す。本実施形態のマニピュレータシステムの操作部の操作の他の例を示す。本実施形態のマニピュレータシステム１を用いた医療システム１０を示す。本実施形態のオーバーチューブ３３の先端のマニピュレータ３の構成を示す。本実施形態の医療システムの制御フローチャートを示す。本実施形態の医療システムのタップ操作モードの制御フローチャートの一例を示す。クラッチモードの制御フローチャートの一例を示す。クラッチモードのモード遷移の一例を示す。

　以下、実施形態について説明する。

　図１は、本実施形態のマニピュレータシステム１を示す。図２は、本実施形態のタップ操作検出部２２の一例として用いられる３軸加速度センサを示す。

　本実施形態のマニピュレータシステム１は、操作者が操作する操作部２と、操作部２によって操作されるマニピュレータ３と、操作部２の操作に応じてマニピュレータ３を制御するシステム制御部４と、を備える。

　操作部２は、操作者が操作するマスターアーム２１と、振動又は動きを検出するタップ操作検出部２２と、衝撃等を検出する衝撃検出部２３と、を有する。マニピュレータ３は、マニピュレータ本体３１と、駆動部３２と、を有する。

　マスターアーム２１は、マニピュレータ本体３１に対応した形状であって、マニピュレータ本体３１の操作及び駆動部３２の駆動を指示する。操作者がマスターアーム２１を動かすことで、マニピュレータ本体３１がマスターアーム２１と同様の動きをするようにシステム制御部４が駆動部３２を制御する。

　タップ操作検出部２２は、３軸の動きを検出する３軸加速度センサ又は動きの様子を撮像することで振動の有無を検出する撮像センサ等からなる。例えば、３軸加速度センサの場合、図２に示すように、±ｘ方向、±ｙ方向、及び±ｚ方向の振動を検出することが可能である。

　衝撃検出部２３は、操作者の肘に対応する位置に配置され、操作者が肘で叩くことで入力を検出する。例えば、１軸加速度センサ又は接触したことを検出するセンサ等でよい。

　図３は、本実施形態のマニピュレータシステム１の操作部２の操作の一例を示す。図４は、本実施形態のマニピュレータシステム１の操作部２の操作の他の例を示す。

　操作者は、操作部２のマスターアーム２１を握り操作する。操作者がマスターアーム２１を動かすことで、マニピュレータ本体３１がマスターアーム２１と同様の動きをする。

　本実施形態の操作部２では、この操作とは別に、操作者がマスターアーム２１をタップすることによってタップ操作検出部２２に振動を与えることで、マニピュレータ本体３１の設定変更やモード変換等を行うことができる。

　タップ操作検出部２２は、図３に示すように、操作者がマスターアーム２１を上方から人差し指等でタップした場合、－ｙ方向からの入力を検出する。また、操作者がマスターアーム２１を左手や人差し指等で正面からタップした場合、－ｘ方向からの入力を検出する。さらに、操作者がマスターアーム２１を親指等で左側面からタップした場合、＋ｚ方向からの入力を検出する。

　同様に、タップ操作検出部２２は、図４に示すように、操作者がマスターアーム２１を右側面から人差し指等でタップした場合、－ｚ方向からの入力を検出する。また、操作者がマスターアーム２１を下方から中指等でタップした場合、＋ｙ方向からの入力を検出する。なお、＋ｘ方向のように操作者がマスターアーム２１をタップすることが難しい方向の場合には、図１に示した衝撃検出部２３を＋ｘ方向の入力に割り当てればよい。

　なお、タップ操作の方向だけでなく、タップ操作の強さ、回数、又は間隔等によって、マニピュレータ本体３１の設定変更やモード変換等を行ってもよい。

　次に、本実施形態のマニピュレータシステム１を用いた医療システム１０について説明する。

　図５は、本実施形態のマニピュレータシステム１を用いた医療システム１０を示す。図６は、本実施形態のオーバーチューブ３３の先端のマニピュレータ３の構成を示す。

　本実施形態の医療システム１０は、マスタスレーブ方式が好ましい。医療システム１０は、操作部２がマスターアーム２１を有し、操作指令を発するためのマスタ入力部５と、スレーブアーム６１を有するスレーブマニピュレータ６とを備え、操作者Ｏｐによるマスターアーム２１の操作に追従させるようにしてスレーブアーム６１やマニピュレータ３を遠隔制御するものである。マスターアーム２１を介した操作指令は、システム制御部４のマスタ制御部４１に送信され、必要に応じて適宜変換処理が施された後、スレーブアーム制御部４３やマニピュレータ制御部４２に入力される。その後、マニピュレータ制御部４２からスレーブマニピュレータ６へ動作信号が送られ、スレーブアーム６１やマニピュレータ３が動作する。また、電気メス制御部４４は電気メスの出力設定などの制御をおこない、表示部制御部４５は内視鏡３１ｃや表示部５１の設定変更などの制御をおこなう。これらの制御部は一つの筺体にまとめても良いし、既存の製品を組み合わせるなどして構成しても良い。

　図５に示すように、スレーブマニピュレータ６は、患者Ｐが載置される手術台１１に設置されている。スレーブアーム６１は複数の多自由度関節を有して構成されており、多軸動作可能である。各多自由度関節は、図示しない動力部によって個別に駆動される。動力部としては、例えばインクリメンタルエンコーダや減速器等を備えたサーボモータ等を用いることができる。

　スレーブアーム６１の先端部には、患者Ｐの体内に挿入されて手技を行うマニピュレータ３が取り付けられる。図６に示すように、マニピュレータ３は、処置具３１ａ，３１ｂと内視鏡３１ｃを有し、オーバーチューブ３３に挿入される。オーバーチューブ３３の先端は、患者Ｐの体内に挿入される。処置具３１ａ，３１ｂは、手技によって使い分けるため、先端側の処置部の構造や形状が異なる複数種類が用意されており、これをスレーブアーム６１の先端部に着脱することで交換したり、オーバーチューブ３３に設けられたチャンネル内を挿入・抜去することで交換し、各種手技を行う。内視鏡３１ｃは、患者Ｐの体内で処置具３１ａ，３１ｂによって手技が行われる手技対象部位を含む術野の映像を取得する。

　マスタ入力部５は、操作者Ｏｐが操作する複数のマスターアーム２１と、内視鏡３１ｃにより取得された映像が表示される表示部５１とを備えている。各マスターアーム２１は、多軸動作可能な公知の構成を有し、操作者Ｏｐに近い先端側に、術者が把持して操作指令を発する。

　本実施形態の挿入部分は、可撓性を有する長尺のオーバーチューブ３３と、オーバーチューブ３３のマニピュレータ挿入孔に挿入される処置具３１ａ，３１ｂ及び内視鏡３１ｃを有する。なお、処置具３１ａ，３１ｂ及び内視鏡３１ｃは、本実施形態のマニピュレータシステム１に適用可能な構造である。

　本実施形態のマニピュレータ３は、第１処置具３１ａと第２処置具３１ｂを有し、エンドエフェクタとして、第１処置具３１ａは電気メスを有し、第２処置具３１ｂは把持部を有する。マニピュレータ３の先端側は、オーバーチューブ３３から突出可能であって、それぞれ複数の節輪を軸線方向に並べて配置された湾曲部で構成される。最も先端側の節輪には、湾曲部を駆動するための操作ワイヤの両端部が固定されており、操作ワイヤを駆動することで湾曲部を湾曲させることができる。また、軸方向に回転させることも可能である。同様に、オーバーチューブ３３自体も湾曲及び軸方向に回転可能であることが好ましい。

　本実施形態の医療システム１０は、操作部２のマスターアーム２１によって、スレーブアーム６１及びマニピュレータ３等を制御することができる。本実施形態のマスターアーム２１には、図１に記載されたタップ操作検出部２２が設けられており、操作者Ｏｐがマスターアーム２１をタップすることによって、スレーブアーム６１、マニピュレータ３、第１処置具３１ａの電気メス、又は表示部５１等を制御する制御モードにそれぞれ切り替えることが可能となっている。例えば、＋ｙ方向にタップした場合、スレーブアーム６１を制御するモード、－ｙ方向にタップした場合、マニピュレータ３を制御するモード等に切り替える。表示部５１には、モードに応じた情報が表示されることが好ましい。なお、タップ操作検出部２２は、スレーブアーム６１等に設けてもよく、第２の操作者Ｏａが操作してもよい。

　図７は、本実施形態の医療システムのタップ制御フローチャートを示す。

　まず、ステップ１で、タップ操作モードか否かを判定する（ＳＴ１）。

　ステップ１において、タップ操作モードの場合、ステップ２で、タップ操作モードのサブルーチンに進む（ＳＴ２）。タップ操作モードのサブルーチンについては後述する。ステップ１において、タップ操作モードでない場合、ステップ３に進む。

　次に、ステップ３で、マニピュレータシステム１が動作中か否かを判定する（ＳＴ３）。ステップ３において、マニピュレータシステム１が動作中でない場合、ステップ１に戻る。ステップ３において、マニピュレータシステム１が動作中である場合、ステップ４で、マスタスレーブ操作を行う（ＳＴ４）。

　図８は、本実施形態の医療システムのタップ操作モードの制御フローチャートの一例を示す。

　図７に示したステップ２において、タップ操作モードのサブルーチンに進むと、まず、ステップ１１で、タップの方向が±ｚ方向か否かを判定する（ＳＴ１１）。ステップ１１において、タップの方向が－ｚ方向の場合、ステップ１２で、処置具の断接を行う処置用のクラッチモードに移行し（ＳＴ１２）、その後ステップ１１に戻る。ステップ１１において、タップの方向が＋ｚ方向の場合、ステップ１３で、内視鏡のズーム操作を行う観察用のズームモードに移行し（ＳＴ１３）、その後ステップ１１に戻る。。

　ステップ１１において、タップの方向が±ｚ方向でない場合、ステップ１４で、タップの方向が±ｘ方向か否かを判定する（ＳＴ１４）。ステップ１４において、タップの方向が－ｘ方向の場合、ステップ１５で、マスターアームとスレーブアームの動作比率を変更するスケーリング機能を選定する処置用のスケーリングモードに移行し（ＳＴ１５）、その後ステップ１１に戻る。ステップ１４において、タップの方向が＋ｘ方向の場合、ステップ１６で、照明光を選定する観察用の特殊光モードに移行し（ＳＴ１６）、その後ステップ１１に戻る。

　ステップ１４において、タップの方向が±ｘ方向でない場合、ステップ１７で、タップの方向が±ｙ方向か否かを判定する（ＳＴ１７）。ステップ１７において、タップの方向が－ｙ方向の場合、ステップ１８で、電気メスなどのエナジー処置具用の出力などを設定する焼灼・切開モードに移行し（ＳＴ１８）、その後ステップ１１に戻る。ステップ１７において、タップの方向が＋ｙ方向の場合、ステップ１９で、モード解除し（ＳＴ１９）、図７に示した制御フローに戻る。ステップ１７において、タップの方向が±ｙ方向でない場合、ステップ１１に戻る。

　なお、図８に示した本実施形態の医療システムの各モードは、この例に限らず、他のモードを用いてもよい。

　このように、本実施形態の医療システムでは、タップ操作によって容易に各モードに移行することが可能となる。

　次に、モード内での制御について説明する。本実施形態では、一例としてクラッチモードを説明する。

　図９は、クラッチモードの制御フローチャートの一例を示す。

　クラッチモードでは、まず、ステップ２１で、タップの方向が±ｘ方向か否かを判定する（ＳＴ２１）。ステップ２１において、タップの方向が－ｘ方向の場合、ステップ２２で、前の選択項目に移動させ（ＳＴ２２）、その後ステップ２１に戻る。ステップ２１において、タップの方向が＋ｘ方向の場合、ステップ２３で、次の選択項目に移動させ（ＳＴ２３）、その後ステップ２１に戻る。

　図１０は、クラッチモードのモード遷移の一例を示す。

　クラッチモードでは、例えば、マスターアーム２１を±ｘ方向にタップすることによって断接する部分の選択が順次切り替わる。一例として図１０に示すように、タップする毎に処置具及び内視鏡の断接を選択することができる。現段階で内視鏡が制御可能なＯＮに選択されている場合、マスターアーム２１の＋ｘ方向にタップが検出されると、右腕用と左腕用の処置具が制御可能なＯＮに選択される。また、マスターアーム２１の－ｘ方向にタップが検出されると、左腕用の処置具が制御可能なＯＮに選択される。

　ステップ２１において、タップの方向が±ｘ方向でない場合、ステップ２４で、タップの方向が±ｙ方向か否かを判定する（ＳＴ２４）。
ステップ２４において、タップの方向が－ｙ方向の場合、ステップ２５で、選択した項目を決定する（ＳＴ２５）。その後、図８に示したステップ１１に戻る。ステップ２４において、タップの方向が＋ｙ方向の場合、ステップ２６で、選択した項目をキャンセルする（ＳＴ２６）。その後、図８に示したステップ１１に戻る。

　なお、他のモードであっても図９に示すようなフローで制御すればよい。その際、タップ操作の判定基準は異なるものであってもよい。例えば、本実施形態では、タップ操作の方向で判定したが、タップ操作の回数又は強さ等であってもよい。また、図１０のモード内での遷移は、それぞれのモードで設定すればよい。

　このように、本実施形態の医療システムでは、操作者のタップ操作によって容易に各モード内での選択操作を行うことが可能となる。

　以上、本実施形態のマニピュレータシステム１によれば、操作者が操作する操作部２と、操作部２によって操作されるマニピュレータ３と、操作部２の操作に応じてマニピュレータ３を制御するシステム制御部４と、操作者のタップ操作を検出するタップ操作検出部２２，２３と、を備え、システム制御部４は、タップ操作検出部２２が検出する情報に応じて制御を切り替えるので、小さいスペースで多様な操作を実現することが可能となる。

　また、本実施形態のマニピュレータシステム１によれば、タップ操作検出部２２が検出する情報は、タップ操作の方向、強さ、又は回数を含み、システム制御部４は、タップ操作検出部２２，２３が検出する情報に応じて情報毎に設定された制御を行うので、操作者のタップ操作によって容易に制御を行うことができ、操作性を向上させることが可能となる。

　また、本実施形態のマニピュレータシステム１によれば、操作部２は、マニピュレータ３を連動させるマスターアーム２１を有し、タップ操作検出部２２は、マスターアーム２１に設けられるので、より操作性を向上させることが可能となる。

　また、本実施形態のマニピュレータシステム１によれば、システム制御部４は、タップ操作検出部２２が検出する情報に応じて、マニピュレータ３の作動を断接するクラッチ制御を含むので、緊急時に迅速にマニピュレータ３の作動を止めることが可能となる。

　さらに、本実施形態に係るマニピュレータシステム１を用いた医療システム１０によれば、操作部２を有し、操作指令を発するためのマスタ入力部５と、スレーブアーム６１及びマニピュレータ３を含むスレーブマニピュレータ６と、を備え、マスターアーム２１の操作に追従させるようにしてスレーブアーム６１を遠隔制御するので、より多様な操作を実現することが可能となる。スレーブアーム６１の位置決め時の速度設定などを第２の操作者Ｏａがタップ操作することも可能であり、手術前の設置位置決めや、手術中の患者体位変換に伴う設置位置変更なども容易となる。

　また、本実施形態に係る医療システム１０によれば、マニピュレータ３は、処置具３１ａ，３１ｂと内視鏡３１ｃを有し、マスタ入力部５は、内視鏡３１ｃが撮像した映像を表示する表示部５１を有し、システム制御部４は、タップ操作検出部２２，２３が検出する情報に応じて、少なくとも処置具３１ａ，３１ｂ、内視鏡３１ｃ、及び表示部５１の制御を切り替えるので、操作者のタップ操作によって容易に選択操作を行うことが可能となる。

　なお、この実施形態によって本発明は限定されるものではない。すなわち、実施形態の説明に当たって、例示のために特定の詳細な内容が多く含まれるが、当業者であれば、これらの詳細な内容に色々なバリエーションや変更を加えても、本発明の範囲を超えないことは理解できよう。従って、本発明の例示的な実施形態は、権利請求された発明に対して、一般性を失わせることなく、また、何ら限定をすることもなく、述べられたものである。

１…マニピュレータシステム
１０…医療システム
２…操作部
２１…マスターアーム
２２…タップ操作検出部
２３…衝撃検出部（タップ操作検出部）
３…マニピュレータ
３１…マニピュレータ本体
３２…駆動部
４…システム制御部
５…マスタ入力部
６…スレーブマニピュレータ
６１…スレーブアーム

Claims

　操作者が操作する操作部と、
　前記操作部によって操作されるマニピュレータと、
　前記操作部の操作に応じて前記マニピュレータを制御するシステム制御部と、
　前記操作者のタップ操作を検出するタップ操作検出部と、
を備え、
　前記システム制御部は、前記タップ操作検出部が検出する情報に応じて制御を切り替える
ことを特徴とするマニピュレータシステム。
　前記タップ操作検出部が検出する情報は、タップ操作の方向、強さ、又は回数を含み、
　前記システム制御部は、前記タップ操作検出部が検出する情報に応じて前記情報毎に設定された制御を行う
請求項１に記載のマニピュレータシステム。
　前記操作部は、前記マニピュレータを連動させるマスターアームを有し、
　前記タップ操作検出部は、前記マスターアームに設けられる
請求項１又は２に記載のマニピュレータシステム。
　前記システム制御部は、前記タップ操作検出部が検出する情報に応じて、前記マニピュレータの作動を断接するクラッチ制御を含む
請求項１乃至３のいずれか１つに記載のマニピュレータシステム。
　前記操作部を有し、操作指令を発するためのマスタ入力部と、
　スレーブアーム及び前記マニピュレータを含むスレーブマニピュレータと、
を備え、
　前記マスターアームの操作に追従させるようにして前記スレーブアームを遠隔制御する
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１つに記載のマニピュレータシステムを用いた医療システム。
　前記マニピュレータは、処置具と内視鏡を有し、
　前記マスタ入力部は、前記内視鏡が撮像した映像を表示する表示部を有し、
　前記システム制御部は、前記タップ操作検出部が検出する情報に応じて、少なくとも前記処置具、前記内視鏡、及び前記表示部の制御を切り替える
請求項５に記載の医療システム。