WO2017122322A1 - 医療用マニピュレータシステム - Google Patents

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WO2017122322A1
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external force
manipulator
pseudo
unit
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卓未 磯田
満彰 長谷川
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オリンパス株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a medical manipulator system.
  • a medical manipulator system treats an affected area with a treatment tool attached to a manipulator inserted into the body while observing an image acquired by an endoscope inserted into the body (see, for example, Patent Document 1). .)
  • the medical manipulator system of Patent Document 1 displays an auxiliary image obtained by superimposing a manipulator obtained by calculation on a real image obtained by an endoscope in a superimposed manner.
  • the auxiliary image displays the position of the manipulator that should be originally arranged based on the operation command from the control unit.
  • the medical manipulator system of Patent Document 1 has a case where the transparency of the semitransparent auxiliary image is low because the auxiliary image of the synthesized translucent manipulator is superimposed on the manipulator of the actual image acquired by the endoscope In some cases, a part of the actual image is obstructed by the auxiliary image, which disturbs the operation. On the other hand, when the transparency of the semi-transparent auxiliary image is low enough not to interfere with the observation of the actual image, it is difficult to visually recognize the auxiliary image, and there is no point in superimposing and displaying the auxiliary image.
  • the present invention has been made in view of the above-described circumstances, and provides a medical manipulator system capable of presenting necessary information using an auxiliary image while minimizing the blockage of the actual image using the auxiliary image.
  • the purpose is that.
  • One embodiment of the present invention detects a manipulator having a treatment section at the tip, a control section that controls the manipulator, an endoscope that images a treatment state of the treatment section by the manipulator, and an external force applied to the manipulator.
  • An external force detection unit an image generation unit that generates a pseudo image of the manipulator at a position based on a control signal from the control unit; and generates a composite image superimposed on an actual image acquired by the endoscope; and the image generation
  • a medical manipulator for changing the display mode of the pseudo image based on the magnitude of the external force detected by the external force detection unit.
  • the actual image of the acquired endoscope is displayed.
  • the pseudo image of the manipulator generated by the image generation unit is superimposed on the actual image and displayed on the display unit. Since the pseudo image is generated at a position based on a control signal from the control unit, when an external force is applied to the manipulator and movement is restricted, a deviation occurs between the manipulator in the actual image and the pseudo image.
  • the image generation unit changes the display mode of the pseudo image according to the magnitude of the external force detected by the external force detection unit, the display mode is different depending on whether the external force is large or small. Can do. Thereby, when the external force applied to the manipulator is large, it can be displayed so that it can be recognized, and the operator can be alerted. In addition, when the external force applied to the manipulator is small, the actual image can be prevented from being blocked by the pseudo image by displaying the image so as not to stand out.
  • the display mode of the pseudo image may be changed so that the image generation unit is more conspicuous in the composite image as the magnitude of the external force detected by the external force detection unit is larger.
  • the greater the external force applied to the manipulator the more the manipulator in the actual image is separated from the pseudo image, so that the pseudo image is conspicuous and the operator can be alerted.
  • the external force applied to the manipulator is small, it is possible to prevent the pseudo image from interfering with the actual image by displaying the image so as not to stand out.
  • the said image generation part may make transparency of the said pseudo image low, so that the magnitude
  • the said image generation part may change the color of the said pseudo image to a conspicuous color, so that the magnitude
  • the said image generation part produces
  • the line of the pseudo image consisting of the line drawing becomes thick, so that the pseudo image can be conspicuous and the operator can be alerted.
  • the pseudo image can be prevented from interfering with the real image by thinning the line of the pseudo image.
  • the external force detection unit detects the position of the manipulator by processing the real image, and calculates the external force based on a difference from the position of the pseudo image of the manipulator generated by the image generation unit. It may be detected.
  • the actual image acquired by the endoscope is processed by the external force detection unit to detect the position of the manipulator, and the difference from the position of the manipulator pseudo image generated by the image generation unit is calculated.
  • the magnitude of the external force is detected according to the magnitude of the difference.
  • the said manipulator may be driven with a wire, and the said external force detection part may detect the said external force based on the tension
  • the present invention it is possible to present necessary information using the auxiliary image while minimizing the blockage of the actual image using the auxiliary image.
  • FIG. 1 is an overall configuration diagram showing a medical manipulator system according to a first embodiment of the present invention. It is a perspective view which shows the front-end
  • the medical manipulator system 1 includes an endoscope 2, a manipulator 4 having a treatment section 3 at the tip, a control section 5 that controls the manipulator 4, and a display section 6. And.
  • the endoscope 2 and the manipulator 4 are respectively inserted into lumens 8 and 9 of an overtube 7 that is inserted into a patient's body.
  • the overtube 7 is inserted into the body so that the tip of the overtube 7 faces the affected part X
  • the endoscope 2 is projected from the opening of the lumen 9 provided at the tip of the overtube 7, as shown in FIG.
  • an in-vivo image including the affected part X is acquired, and the affected part X can be treated by the treatment part 3 of the manipulator 4 which is also projected from the opening of the lumen 8.
  • the manipulator 4 includes, for example, a flexible insertion portion 10 that is inserted into the lumen 8 of the overtube 7, a movable portion 13 having one or more joints 11 and 12 provided at the distal end of the insertion portion 10, and a movable portion. 13 is provided with a treatment section 3 provided at the distal end of 13 and a drive section 14 provided at the proximal end of the insertion section 10 and driving the movable section 13 with a wire (not shown).
  • control unit 5 generates a control signal generation unit (control unit) that generates a control signal for operating the drive unit 14 based on an operation input input via the operation unit 15 operated by the operator.
  • An image generation unit 17 that generates a composite image superimposed on the actual image, and an image processing unit (external force detection unit) 18 that processes the actual image acquired by the endoscope 2 and detects an external force applied to the manipulator 4.
  • image processing unit external force detection unit
  • the image generation unit 17 calculates the positions of the joints 11 and 12 of the manipulator 4 from the kinematic equation based on the control signal, and the manipulator 4 and the treatment unit 3 in which the joints 11 and 12 are arranged at the calculated positions.
  • a pseudo image representing the shape is generated by computer graphics.
  • the image processing unit 18 performs image processing on the actual image acquired by the endoscope 2, extracts the positions of the joints 11 and 12 of the manipulator 4 existing on the actual image, and extracts the joints of the extracted manipulator 4. The difference between the positions 11 and 12 and the positions of the joints 11 and 12 of the manipulator 4 calculated by the image generation unit 17 is calculated.
  • the image processing unit 18 detects and outputs the magnitude of the external force based on the magnitude of the difference between the calculated positions of the joints 11 and 12.
  • the image generation unit 17 sets the transparency of the pseudo image of the manipulator 4 according to the magnitude of the external force applied to the manipulator 4 output from the image processing unit 18. It is supposed to change. That is, the image generation unit 17 sorts the magnitude of the external force output from the image processing unit 18 into a plurality of stages based on the threshold value, and when it is determined that the minimum is the smallest, the image generation unit 17 determines the transparency of the pseudo image. It is set to the highest value, and as the magnitude of the external force becomes larger, the transparency of the pseudo image is changed to be lowered.
  • the endoscope 2 and the manipulator 4 are passed through the lumens 8 and 9 of the overtube 7 having the tip inserted into the body. Is inserted and exposed from the tip of the overtube 7.
  • the affected part X When the affected part X is disposed within the visual field range of the endoscope 2, an actual image acquired by the endoscope 2 is displayed on the display unit 6. By inserting the manipulator 4 and disposing the tip within the field of view of the endoscope 2, the tip of the manipulator 4 is displayed on the display unit 6, so that the operator looks at the display unit 6 while operating the operation unit 15. By operating the manipulator 4, the affected part X can be treated.
  • a control signal is generated by the control signal generation unit 16, the movable unit 13 of the manipulator 4 is operated by the operation of the drive unit 14, and the image generation unit 17 performs the operation.
  • a pseudo image of the manipulator 4 is generated based on the control signal.
  • the manipulator 4 on the actual image and the pseudo image of the manipulator 4 generated from the control signal are displayed at substantially the same position.
  • the image generation unit 17 determines that the external force applied to the manipulator 4 is small, and the generated pseudo image is set to have high transparency, and a composite image superimposed on the real image is generated in a display form in which the pseudo image is not conspicuous. The As a result, the pseudo image displayed at a position that completely overlaps the manipulator 4 on the actual image does not block the actual image, so that the treatment is not disturbed.
  • the image generation unit 17 determines that the external force applied to the manipulator 4 is large, the transparency of the generated pseudo image is set to be low, and the synthesized image is generated by superimposing the pseudo image on the actual image. .
  • the pseudo image with low transparency is displayed at a position shifted from the manipulator 4 on the actual image, and the operator can recognize that the external force applied to the manipulator 4 has increased.
  • the medical manipulator system 1 by changing the display mode of the pseudo image, when the external force applied to the manipulator 4 is small, the real image is not blocked, and the pseudo image is increased as the external force increases.
  • the pseudo image is increased as the external force increases.
  • the transparency of the pseudo image is switched to a plurality of levels by a plurality of thresholds. Instead, according to the position difference between the manipulator 4 of the real image and the manipulator 4 of the pseudo image.
  • the transparency may be switched continuously.
  • the color of the pseudo image may be changed.
  • the manipulator 4 of the pseudo image may be changed to a conspicuous color, and when the external force is small, the color may be changed to an inconspicuous color.
  • a pseudo image can be made conspicuous by increasing the intensity of green, which is a complementary color of red.
  • the transparency of the line and the color of the line may be changed according to the magnitude of the external force applied to the manipulator 4. It is also possible to make the line thicker as the external force increases.
  • a pseudo image of the manipulator 4 of the portion displayed on the display unit 6 is generated and the display form of the entire pseudo image is changed.
  • the magnitude of the external force is increased for each of the joints 11 and 12. Therefore, the display form may be changed for each of the joints 11 and 12.
  • an arrow may be displayed in the direction in which the external force is applied, and the length and thickness of the arrow may be changed according to the magnitude of the external force.
  • the image processing unit 18 performs image processing on the real image to extract the position of the manipulator 4 on the real image, and calculates a difference from the position of the pseudo image generated by the image generation unit 17.
  • the magnitude of the external force applied to the manipulator 4 may be detected.
  • the magnitude of the external force may be detected by any other method. For example, when the external force applied to the manipulator 4 increases, the tension of the wire driving the movable portion 13 increases. Therefore, the magnitude of the external force may be estimated from the magnitude of the tension.
  • a sensor such as an angle sensor or a strain gauge can be disposed at each joint 11, 12 of the manipulator 4, an external force applied to the manipulator 4 may be detected based on the output of the sensor.
  • the medical manipulator system 20 according to the present embodiment is different from the medical manipulator system 1 of the first embodiment in that a rigid manipulator 21 is employed as shown in FIG. Therefore, in the present embodiment, the configuration of the medical manipulator system 20 will be mainly described, and the configuration common to the first embodiment will be denoted by the same reference numerals and description thereof will be omitted.
  • the medical manipulator system 20 includes an endoscope 2, a manipulator 21, a retraction device 22 that excludes the organ B in the abdominal cavity (body cavity) A, a retraction device 22, and the endoscope 2. And a trocar 23 for inserting the manipulator 21, articulated electric arms 24, 25, and 26 that hold the base end portions of the retraction tool 22, the endoscope 2, and the manipulator 21 outside the body, and are operated by an operator.
  • An operation unit 15, a control unit 5, and a display unit 6 are provided.
  • the manipulator 21 includes an elongated insertion portion 28 that can be inserted into the abdominal cavity A, a movable portion 13, and a drive portion 14.
  • the control signal generation unit 16 of the control unit 5 generates a control signal for operating the joints of the electric arms 24, 25, and 26 based on the operation input input to the operation unit 15.
  • a signal corresponding to the operation input is transmitted to the control signal generation unit 16 of the control unit 5, and the joint is selected based on the signal received by the control signal generation unit 16.
  • a control signal to be operated is generated, and the electric arms 24, 25, and 26 are operated based on the generated control signal.
  • the operator can remotely operate the retraction tool 22, the endoscope 2, and the manipulator 21 inserted into the body cavity via the operation unit 15.
  • control signal generation unit 16 receives detection values from an encoder (not shown) provided in the electric arms 24, 25, and 26 that detects the rotation angle of each joint, and based on the received detection values of the encoder, The positions and postures of the retraction tool 22, the endoscope 2, and the manipulator 21 are calculated. Then, the control signal generation unit 16 operates the joint of the electric arm 24 holding the exclusion device 22 so as to move the displacement device 22 based on the calculated position and posture of the endoscope 2 and the manipulator 21. A control signal to be generated is generated.
  • the retraction device 22 A control signal for operating the joint of the electric arm 24 is generated so as to move in the direction away from the endoscope 2 or the manipulator 21.
  • the retraction device 22 when the manipulator 21 approaches the retraction device 22 while operating the endoscope 2 and the manipulator 21 in the abdominal cavity A and performing treatment, the retraction device By moving automatically so that 22 moves away from the manipulator 21, the organ B located in the vicinity of the manipulator 21 is further excluded, and a treatment space for the manipulator 21 is newly secured.
  • the retraction tool 22 automatically moves so as to move away from the endoscope 2, and the visual field of the endoscope 2 is secured.
  • the efficiency of the surgery can be further improved by moving the exclusion tool 22 so as to cooperate with the operation of another medical instrument used simultaneously with the exclusion tool 22.
  • the image generation unit 17 generates pseudo images of the manipulator 21 and the exclusion device 22 based on the control signal. Then, the transparency of the pseudo image is set based on the difference between the positions of the manipulator 21 and the exclusion device 22 on the actual image and the positions of the manipulator 21 and the exclusion device 22 of the pseudo image, which are calculated by the image processing unit 18.
  • the transparency is set high, and the pseudo image does not obstruct the real image, so that it does not interfere with the treatment.
  • the manipulator 21 and the exclusion device 22 are operated while the tips of the manipulator 21 and the exclusion device 22 are in contact with the affected part X during treatment, the external force received by the manipulator 21 and the exclusion device 22 from the affected part X increases. . For this reason, the difference between the positions of the manipulator 21 and the exclusion device 22 on the actual image and the positions of the manipulator 21 and the exclusion device 22 on the pseudo image, which are calculated by the image processing unit 18, increases.
  • the image generation unit 17 determines that the external force applied to the manipulator 21 and the exclusion device 22 is large, sets the transparency of the generated pseudo image low, makes the pseudo image stand out, and superimposes it on the actual image.
  • the synthesized image is generated.
  • the pseudo image with low transparency is displayed at a position shifted from the manipulator 21 and the exclusion device 22 on the actual image, and the operator can recognize that the external force applied to the manipulator 21 and the exclusion device 22 has increased. it can.

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Abstract

　補助画像による実画像の遮断を最小限に抑えて、補助画像による必要な情報を提示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、先端に処置部（３）を有するマニピュレータ（４）と、マニピュレータ（４）を制御する制御部（５）と、マニピュレータ（４）による処置部（３）の処置状態を撮影する内視鏡（２）と、マニピュレータ（４）に加わる外力を検出する外力検出部と、制御部（５）による制御信号に基づく位置にマニピュレータ（４）の疑似画像を生成し、内視鏡（２）により取得される実画像に重畳した合成画像を生成する画像生成部と、画像生成部により生成された合成画像を表示する表示部（６）とを備え、画像生成部が、外力検出部により検出された外力の大きさに基づいて、疑似画像の表示態様を変化させる。

Description

医療用マニピュレータシステム
　本発明は、医療用マニピュレータシステムに関するものである。
　体内に挿入した内視鏡により取得された画像を観察しながら、体内に挿入したマニピュレータに取り付けられた処置具により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。）。
　特許文献１の医療用マニピュレータシステムは、内視鏡により取得された実画像上に、演算により取得されたマニピュレータを半透明に合成した補助画像を重畳して表示している。補助画像は、制御部による動作指令に基づいて本来配置されるべきマニピュレータの位置を表示する。
米国特許出願公開第２０１４／１３５７９２号公報
　特許文献１の医療用マニピュレータシステムは、内視鏡により取得された実画像のマニピュレータに、合成された半透明のマニピュレータの補助画像が重畳されているため、半透明の補助画像の透明度が低い場合には、補助画像によって実画像の一部が遮られ、手術の邪魔になる。一方、実画像の観察の邪魔にならない程度に半透明の補助画像の透明度が低い場合には、補助画像を視認することが困難になり、補助画像を重畳表示する意味がない。
　本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、補助画像による実画像の遮断を最小限に抑えて、補助画像による必要な情報を提示することができる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、先端に処置部を有するマニピュレータと、該マニピュレータを制御する制御部と、前記マニピュレータによる前記処置部の処置状態を撮影する内視鏡と、前記マニピュレータに加わる外力を検出する外力検出部と、前記制御部による制御信号に基づく位置に前記マニピュレータの疑似画像を生成し、前記内視鏡により取得される実画像に重畳した合成画像を生成する画像生成部と、該画像生成部により生成された合成画像を表示する表示部とを備え、前記画像生成部が、前記外力検出部により検出された外力の大きさに基づいて、前記疑似画像の表示態様を変化させ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、マニピュレータおよび内視鏡を体内に挿入して患部に近接させ、内視鏡によってマニピュレータの処置部による患部の処置状態を撮影すると、取得された内視鏡の実画像が表示部に表示されるとともに、画像生成部によって生成されたマニピュレータの疑似画像が、実画像に重畳されて表示部に表示される。疑似画像は、制御部による制御信号に基づく位置に生成されるので、マニピュレータに外力がかかって移動が制限されると、実画像中のマニピュレータと疑似画像との間にズレが発生する。
　この場合において、画像生成部は、外力検出部によって検出された外力の大きさに応じて疑似画像の表示態様を変化させるので、外力が大きい場合と外力が小さい場合とで表示態様を異ならせることができる。これにより、マニピュレータにかかる外力が大きい場合に、それとわかるように表示することができ、操作者に注意を喚起することができる。また、マニピュレータにかかる外力が小さい場合には目立たないように表示することで、疑似画像によって実画像が遮られないようにすることができる。
　上記態様においては、前記画像生成部が、前記外力検出部により検出された外力の大きさが大きいほど、前記合成画像内において目立つように前記疑似画像の表示態様を変化させてもよい。
　このようにすることで、マニピュレータにかかる外力が大きいほど実画像内のマニピュレータと疑似画像とが乖離するので、疑似画像を目立たせて操作者に注意を喚起することができる。また、マニピュレータにかかる外力が小さい場合には目立たないように表示することで、疑似画像が実画像の邪魔にならないようにすることができる。
　また、上記態様においては、前記画像生成部が、前記外力検出部により検出された外力の大きさが大きいほど、前記疑似画像の透明度を低くしてもよい。
　このようにすることで、マニピュレータにかかる外力が大きくなると疑似画像の透明度が低くなるので、疑似画像を目立たせて操作者に注意を喚起することができる。また、マニピュレータにかかる外力が小さい場合には透明度を高くすることで、目立たないように表示することができ、疑似画像が実画像の邪魔にならないようにすることができる。
　また、上記態様においては、前記画像生成部が、前記外力検出部により検出された外力の大きさが大きいほど、前記疑似画像の色を目立つ色に変更してもよい。
　このようにすることで、マニピュレータにかかる外力が大きくなると疑似画像の色が目立つ色になるので、疑似画像を目立たせて操作者に注意を喚起することができる。また、マニピュレータにかかる外力が小さい場合には、疑似画像が目立たない色で表示され、疑似画像が実画像の邪魔にならないようにすることができる。
　また、上記態様においては、前記画像生成部が、前記疑似画像を線画により生成し、前記外力検出部により検出された外力の大きさが大きいほど、前記疑似画像の線を太く変更してもよい。
　このようにすることで、マニピュレータにかかる外力が大きくなると線画からなる疑似画像の線が太くなるので、疑似画像を目立たせて操作者に注意を喚起することができる。また、マニピュレータにかかる外力が小さい場合には、疑似画像の線を細くすることで、疑似画像が実画像の邪魔にならないようにすることができる。
　また、上記態様においては、前記外力検出部が、前記実画像を処理して前記マニピュレータの位置を検出し、前記画像生成部により生成される前記マニピュレータの疑似画像の位置との差分によって前記外力を検出してもよい。
　このようにすることで、内視鏡により取得された実画像が外力検出部によって処理されてマニピュレータの位置が検出され、画像生成部により生成されたマニピュレータの疑似画像の位置との差分が算出され、差分の大きさに応じて外力の大きさが検出される。これにより、特別なセンサを備えることなく、内視鏡画像を処理して、マニピュレータに加わる外力の大きさを検出することができる。
　また、上記態様においては、前記マニピュレータが、ワイヤによって駆動され、前記外力検出部が、前記ワイヤの張力に基づいて、前記外力を検出してもよい。
　このようにすることで、マニピュレータに外力がかかると、マニピュレータを駆動するワイヤの張力が増大するので、その張力を検出することによって外力を検出することができる。
　本発明によれば、補助画像による実画像の遮断を最小限に抑えて、補助画像による必要な情報を提示することができるという効果を奏する。
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のオーバーチューブの先端部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制御部を説明するブロック図である。 図１の医療用マニピュレータシステムの表示部に表示される画像例であり、外力が小さい場合を示す図である。 図１の医療用マニピュレータシステムの表示部に表示される画像例であり、外力が中くらいの場合を示す図である。 図１の医療用マニピュレータシステムの表示部に表示される画像例であり、外力が大きい場合を示す図である。 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を示す全体構成図である。
　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１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に示されるように、内視鏡２と、先端に処置部３を有するマニピュレータ４と、マニピュレータ４を制御する制御部５と、表示部６とを備えている。
　内視鏡２およびマニピュレータ４は、患者の体内に挿入されるオーバーチューブ７のルーメン８，９にそれぞれ挿入されている。オーバーチューブ７を、その先端が患部Ｘに対向するように体内に挿入すると、図２に示されるように、オーバーチューブ７の先端に設けられたルーメン９の開口から突出させられた内視鏡２により患部Ｘを含む体内の画像を取得し、同じくルーメン８の開口から突出させられたマニピュレータ４の処置部３によって患部Ｘを処置することができるようになっている。
　マニピュレータ４は、例えば、オーバーチューブ７のルーメン８内に挿入される軟性の挿入部１０と、該挿入部１０の先端に設けられた１以上の関節１１，１２を有する可動部１３と、可動部１３の先端に設けられた処置部３と、挿入部１０の基端に設けられ図示しないワイヤによって可動部１３を駆動する駆動部１４とを備えている。
　制御部５は、図３に示されるように、操作者によって操作される操作部１５を介して入力された操作入力に基づいて駆動部１４を動作させる制御信号を生成する制御信号生成部（制御部）１６と、該制御信号生成部１６により生成された制御信号に基づいて、マニピュレータ４の疑似画像（補助画像）を生成するとともに、生成した疑似画像を内視鏡２による撮影により取得された実画像上に重畳した合成画像を生成する画像生成部１７と、内視鏡２により取得された実画像を処理してマニピュレータ４に加わる外力を検出する画像処理部（外力検出部）１８とを備えている。
　画像生成部１７は、制御信号に基づいて、運動学方程式からマニピュレータ４の各関節１１，１２の位置を算出し、算出された位置に各関節１１，１２を配置したマニピュレータ４および処置部３の形状を表す疑似画像をコンピュータグラフィックにより生成するようになっている。
　画像処理部１８は、内視鏡２により取得された実画像を画像処理して、実画像上に存在するマニピュレータ４の各関節１１，１２の位置を抽出し、抽出されたマニピュレータ４の各関節１１，１２の位置と、画像生成部１７により算出されたマニピュレータ４の各関節１１，１２の位置との差分を算出するようになっている。画像処理部１８は、算出されたいずれかの関節１１，１２の位置の差分の大きさによって、外力の大きさを検出して出力するようになっている。
　そして、本実施形態に係る医療用マニピュレータシステム１においては、画像生成部１７は、画像処理部１８から出力された、マニピュレータ４にかかる外力の大きさに応じて、マニピュレータ４の疑似画像の透明度を変化させるようになっている。
　すなわち、画像生成部１７は、画像処理部１８から出力された外力の大きさを閾値によって複数段階に選別し、最も小さいと判断される場合には、画像生成部１７は、疑似画像の透明度を最も高くし、外力の大きさが大きくなるにつれて、疑似画像の透明度を低くするように変化させ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患部Ｘを処置するには、先端を体内に挿入したオーバーチューブ７のルーメン８，９を介して、内視鏡２およびマニピュレータ４を挿入し、オーバーチューブ７の先端から露出させる。
　内視鏡２の視野範囲内に患部Ｘを配置すると、内視鏡２により取得された実画像が表示部６に表示される。マニピュレータ４を挿入して、先端を内視鏡２の視野範囲内に配置することにより、マニピュレータ４の先端が表示部６に表示されるので、操作者は、表示部６を見ながら操作部１５を操作することにより、マニピュレータ４を動作させて、患部Ｘを処置することができる。
　操作部１５が操作されて操作入力が入力されると、制御信号生成部１６によって制御信号が生成され、駆動部１４の作動によってマニピュレータ４の可動部１３が作動させられるとともに、画像生成部１７によって、制御信号に基づいてマニピュレータ４の疑似画像が生成される。
　この場合において、マニピュレータ４の先端の処置部３が患部Ｘに接触していない状態、あるいは、マニピュレータ４の各部が体内の組織等に接触していない場合には、マニピュレータ４には大きな外力が作用しておらず、図４に示されるように、実画像上のマニピュレータ４と、制御信号から生成したマニピュレータ４の疑似画像とはほぼ同じ位置に表示される。
　このため、画像処理部１８において算出される、実画像上のマニピュレータ４の位置と疑似画像のマニピュレータ４の位置との差分はゼロに近い。したがって、画像生成部１７は、マニピュレータ４にかかる外力が小さいと判定し、生成した疑似画像の透明度が高く設定され、疑似画像が目立たない表示形態にして、実画像に重畳した合成画像が生成される。
　その結果、実画像上のマニピュレータ４に完全に重なる位置に表示される疑似画像が実画像を遮らないので、処置の邪魔になることがない。
　一方、処置中にマニピュレータ４の先端の処置部３が患部Ｘに接触した状態で、マニピュレータ４を動作させると、患部Ｘからマニピュレータ４が受ける外力が増大する。このため、画像処理部１８において算出される、実画像上のマニピュレータ４の位置と疑似画像のマニピュレータ４の位置との差分が図５および図６に示されるように、増大していく。
　したがって、画像生成部１７は、マニピュレータ４にかかる外力が大きいと判定し、生成した疑似画像の透明度が低く設定され、疑似画像を目立つ表示形態にして、実画像に重畳した合成画像が生成される。その結果、透明度の低い疑似画像が、実画像上のマニピュレータ４からずれた位置に表示され、操作者に、マニピュレータ４にかかる外力が増大したことを認識させることができる。
　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によれば、疑似画像の表示態様を変化させることにより、マニピュレータ４にかかる外力が小さいときには実画像を遮らず、外力が大きくなるに従って疑似画像を目立たせることにより、外力が大きくなったことを強調して操作者に知らせ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、複数の閾値によって疑似画像の透明度を複数段階に切り替えることとしたが、これに代えて、実画像のマニピュレータ４と疑似画像のマニピュレータ４との位置の差分に応じて連続的に透明度を切り替えることにしてもよい。
　また、疑似画像の透明度を変更することに代えて、あるいはこれと共に、疑似画像の色を変化させることにしてもよい。マニピュレータ４にかかる外力が大きい場合には、疑似画像のマニピュレータ４を目立つ色に変えていき、外力が小さい場合には目立たない色に変えていくことにしてもよい。
　例えば、赤色の多い体内の生体組織に対して目立つ色としては、赤の補色である緑色の強度を大きくして行くことにより、疑似画像を目立たせることができる。
　また、疑似画像として、マニピュレータ４の輪郭あるいはマニピュレータ４の骨格を表す線画を採用する場合には、マニピュレータ４にかかる外力の大きさに応じて線の透明度や線の色を変化させることにしてもよいし、外力が大きいほど線を太くすることにしてもよい。
　また、表示部６に表示される部分のマニピュレータ４の疑似画像を生成して、その疑似画像全体の表示形態を変更することとしたが、これに代えて、関節１１，１２毎に外力の大きさを判断して、関節１１，１２毎に表示形態を変更することにしてもよい。
　また、外力のかかっている方向に矢印を表示し、外力の大きさに応じて矢印の長さや太さを変更することにしてもよい。
　また、本実施形態においては、画像処理部１８において、実画像を画像処理して実画像上のマニピュレータ４の位置を抽出し、画像生成部１７において生成された疑似画像の位置との差分を算出することによってマニピュレータ４にかかる外力の大きさを検出することとしたが、これに代えて、他の任意の方法によって外力の大きさを検出することにしてもよい。例えば、マニピュレータ４にかかる外力が増大すると、可動部１３を駆動しているワイヤの張力が増大するので、その張力の大きさから外力の大きさを推定することにしてもよい。
　また、マニピュレータ４の各関節１１，１２に角度センサあるいは歪みゲージ等のセンサを配置できる場合には、センサの出力によってマニピュレータ４にかかる外力を検出することにしてもよい。
　次に、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２０について図７を参照して説明する。
　本実施形態に係る医療用マニピュレータシステム２０は、図７に示されるように、硬性のマニピュレータ２１を採用している点で、第１の実施形態の医療用マニピュレータシステム１と異なっている。したがって、本実施形態においては、医療用マニピュレータシステム２０の構成について主に説明し、第１の実施形態と共通する構成については、同一の符号を付して説明を省略する。
　医療用マニピュレータシステム２０は、図７に示されるように、内視鏡２と、マニピュレータ２１と、腹腔（体腔）Ａ内の臓器Ｂを圧排する圧排具２２と、圧排具２２、内視鏡２およびマニピュレータ２１を挿入するトロッカ２３と、圧排具２２、内視鏡２およびマニピュレータ２１の各々の基端部分を体外において保持する多関節の電動アーム２４，２５，２６と、操作者によって操作される操作部１５と、制御部５と、表示部６とを備えている。
　マニピュレータ２１は、腹腔Ａ内に挿入可能な細長い挿入部２８と、可動部１３と、駆動部１４とを備えている。
　制御部５の制御信号生成部１６は、操作部１５に入力された操作入力に基づいて電動アーム２４，２５，２６の関節を動作させる制御信号を生成するようになっている。
　操作者によって操作部１５に操作入力が入力されると、その操作入力に対応する信号が制御部５の制御信号生成部１６へ送信され、制御信号生成部１６が受信した信号に基づいて関節を動作させる制御信号を生成し、生成された制御信号に基づいて電動アーム２４，２５，２６が作動するようになっている。これにより、操作者は、体腔内に挿入されている圧排具２２、内視鏡２およびマニピュレータ２１を、操作部１５を介して遠隔操作することができるようになっている。
　さらに、制御信号生成部１６は、電動アーム２４，２５，２６に設けられた、各関節の回転角度を検出する図示しないエンコーダから検出値を受信し、受信したエンコーダの検出値に基づいて体腔内における圧排具２２、内視鏡２およびマニピュレータ２１の位置および姿勢を計算する。そして、制御信号生成部１６は、算出した内視鏡２およびマニピュレータ２１の位置および姿勢に基づいて圧排具２２を移動させるように、該圧排具２２を保持している電動アーム２４の関節を動作させる制御信号を生成する。具体的には、制御信号生成部１６は、内視鏡２およびマニピュレータ２１が圧排具２２へ接近して該圧排具２２との間の距離が所定の閾値未満になったときに、圧排具２２を内視鏡２またはマニピュレータ２１から遠ざける方向へ移動させるように、電動アーム２４の関節を動作させる制御信号を生成する。
　このように構成された医療用マニピュレータシステム２０によれば、腹腔Ａ内の内視鏡２およびマニピュレータ２１を操作して処置を行っている最中にマニピュレータ２１が圧排具２２に近づくと、圧排具２２がマニピュレータ２１から遠ざかるように自動的に移動することによってマニピュレータ２１の近傍に位置していた臓器Ｂがさらに圧排され、マニピュレータ２１の処置空間が新たに確保される。同様に、内視鏡２が圧排具２２に近づくと、圧排具２２が内視鏡２から遠ざかるように自動的に移動して内視鏡２の視野が確保される。このように、圧排具２２と同時に使用される他の医療器具の動作と協調するように圧排具２２を移動させることによって、手術のさらなる効率化を図ることができるという利点がある。
　この場合において、本実施形態に係る医療用マニピュレータシステムによれば、画像生成部１７によって、制御信号に基づいてマニピュレータ２１および圧排具２２の疑似画像が生成される。そして、画像処理部１８において算出される、実画像上のマニピュレータ２１および圧排具２２の位置と疑似画像のマニピュレータ２１および圧排具２２の位置との差分に基づいて疑似画像の透明度が設定される。
　その結果、実画像上のマニピュレータ２１および圧排具２２に完全に重なる場合には透明度が高く設定されて、疑似画像が実画像を遮らないので、処置の邪魔になることがない。逆に、処置中にマニピュレータ２１および圧排具２２の先端等が患部Ｘに接触した状態で、マニピュレータ２１および圧排具２２を動作させると、患部Ｘからマニピュレータ２１および圧排具２２が受ける外力が増大する。このため、画像処理部１８において算出される、実画像上のマニピュレータ２１および圧排具２２の位置と疑似画像のマニピュレータ２１および圧排具２２の位置との差分が増大していく。
　この場合には、画像生成部１７は、マニピュレータ２１および圧排具２２にかかる外力が大きいと判定し、生成した疑似画像の透明度を低く設定し、疑似画像を目立つ表示形態にして、実画像に重畳した合成画像を生成する。その結果、透明度の低い疑似画像が、実画像上のマニピュレータ２１および圧排具２２からずれた位置に表示され、操作者に、マニピュレータ２１および圧排具２２にかかる外力が増大したことを認識させることができる。
　１，２０　医療用マニピュレータシステム
　２　内視鏡
　３　処置部
　４，２１　マニピュレータ
　２２　圧排具（マニピュレータ）
　６　表示部
　１６　制御信号生成部（制御部）
　１７　画像生成部
　１８　画像処理部（外力検出部）

Claims (7)

  1. 　先端に処置部を有するマニピュレータと、
    　該マニピュレータを制御する制御部と、
    　前記マニピュレータによる前記処置部の処置状態を撮影する内視鏡と、
    　前記マニピュレータに加わる外力を検出する外力検出部と、
    　前記制御部による制御信号に基づく位置に前記マニピュレータの疑似画像を生成し、前記内視鏡により取得される実画像に重畳した合成画像を生成する画像生成部と、
    　該画像生成部により生成された合成画像を表示する表示部とを備え、
    　前記画像生成部が、前記外力検出部により検出された外力の大きさに基づいて、前記疑似画像の表示態様を変化させる医療用マニピュレータシステム。
  2. 　前記画像生成部が、前記外力検出部により検出された外力の大きさが大きいほど、前記合成画像内において目立つように前記疑似画像の表示態様を変化させる請求項１に記載の医療用マニピュレータシステム。
  3. 　前記画像生成部が、前記外力検出部により検出された外力の大きさが大きいほど、前記疑似画像の透明度を低くする請求項２に記載の医療用マニピュレータシステム。
  4. 　前記画像生成部が、前記外力検出部により検出された外力の大きさが大きいほど、前記疑似画像の色を目立つ色に変更する請求項２に記載の医療用マニピュレータシステム。
  5. 　前記画像生成部が、前記疑似画像を線画により生成し、前記外力検出部により検出された外力の大きさが大きいほど、前記疑似画像の線を太く変更する請求項２に記載の医療用マニピュレータシステム。
  6. 　前記外力検出部が、前記実画像を処理して前記マニピュレータの位置を検出し、前記画像生成部により生成される前記マニピュレータの疑似画像の位置との差分によって前記外力を検出する請求項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. 　前記マニピュレータが、ワイヤによって駆動され、
    　前記外力検出部が、前記ワイヤの張力に基づいて、前記外力を検出する請求項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。
    　
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