WO2018088105A1 - 医療用支持アーム及び医療用システム - Google Patents

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WO2018088105A1
WO2018088105A1 PCT/JP2017/036976 JP2017036976W WO2018088105A1 WO 2018088105 A1 WO2018088105 A1 WO 2018088105A1 JP 2017036976 W JP2017036976 W JP 2017036976W WO 2018088105 A1 WO2018088105 A1 WO 2018088105A1
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subject
rotation angle
support arm
perspective mirror
medical
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PCT/JP2017/036976
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長尾　大輔
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ソニー株式会社
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    • G02B23/24—Instruments or systems for viewing the inside of hollow bodies, e.g. fibrescopes
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    • A61B5/0071—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons using light, e.g. diagnosis by transillumination, diascopy, fluorescence by measuring fluorescence emission

Definitions

  • the present disclosure relates to a medical support arm and a medical system.
  • an imaging unit that captures an image of a surgical part and a holding unit that is connected to the imaging unit and is provided with a rotation shaft that can operate with at least 6 degrees of freedom.
  • at least two of the rotating shafts are active shafts whose driving is controlled based on the state of the rotating shaft, and at least one of the shafts rotates according to a direct operation from outside with contact.
  • a configuration that is a passive axis is described.
  • the observation object can be observed without being obstructed by the obstacle by using the perspective mirror.
  • Patent Document 1 describes point lock observation in a medical microscope.
  • the technique described in Patent Document 1 uses a specific part such as an abdominal wall as a constraint when a squint is inserted into a human body. I did not expect to support the squint.
  • the support arm that supports the perspective mirror the first expression that defines the coordinates of the subject in the coordinate system with the insertion port when the perspective mirror is inserted into the human body as the origin, and the perspective mirror
  • the longitudinal axis of the perspective mirror based on the second formula that defines the coordinates of the subject located in the optical axis direction of the objective lens arranged at the distal end of the perspective mirror in a coordinate system with the distal end of the perspective mirror as the origin
  • a medical support arm including a rotation angle around and a calculation unit that calculates the amount of insertion of the squint into the human body.
  • a camera head having an imaging unit that captures an image of a subject, a perspective mirror that is inserted into a human body and is rotatable with respect to the camera head around an axis in the insertion direction, and the perspective mirror
  • a support arm for supporting the support arm, and an arm control device for controlling the support arm, wherein the arm control device is configured to move the object in a coordinate system having an insertion port as an origin when the perspective mirror is inserted into the human body.
  • a medical system having a calculation unit that calculates the rotation angle around the longitudinal axis of the squint mirror and the amount of insertion of the squint mirror into the human body.
  • FIG. 1 It is a figure which shows an example of the schematic structure of the endoscopic surgery system with which the technique which concerns on this indication can be applied.
  • It is a block diagram which shows an example of a function structure of the camera head and CCU shown in FIG. It is a mimetic diagram showing the composition of the perspective mirror concerning one embodiment of this indication.
  • It is a schematic diagram which compares and shows a perspective mirror and a direct-view mirror.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating an example of a schematic configuration of an endoscopic surgery system 5000 to which the technology according to the present disclosure can be applied.
  • an operator (doctor) 5067 is performing an operation on a patient 5071 on a patient bed 5069 using an endoscopic operation system 5000.
  • an endoscopic surgery system 5000 includes an endoscope 5001, other surgical tools 5017, a support arm device 5027 that supports the endoscope 5001, and various devices for endoscopic surgery. And a cart 5037 on which is mounted.
  • trocars 5025a to 5025d are punctured into the abdominal wall.
  • the lens barrel 5003 of the endoscope 5001 and other surgical tools 5017 are inserted into the body cavity of the patient 5071 from the trocars 5025a to 5025d.
  • an insufflation tube 5019, an energy treatment tool 5021, and forceps 5023 are inserted into the body cavity of the patient 5071.
  • the energy treatment device 5021 is a treatment device that performs tissue incision and separation, blood vessel sealing, or the like by high-frequency current or ultrasonic vibration.
  • the illustrated surgical tool 5017 is merely an example, and as the surgical tool 5017, for example, various surgical tools generally used in endoscopic surgery such as a lever and a retractor may be used.
  • the image of the surgical site in the body cavity of the patient 5071 captured by the endoscope 5001 is displayed on the display device 5041.
  • the surgeon 5067 performs a treatment such as excision of the affected part, for example, using the energy treatment tool 5021 and the forceps 5023 while viewing the image of the surgical part displayed on the display device 5041 in real time.
  • the pneumoperitoneum tube 5019, the energy treatment tool 5021, and the forceps 5023 are supported by an operator 5067 or an assistant during surgery.
  • the support arm device 5027 includes an arm portion 5031 extending from the base portion 5029.
  • the arm portion 5031 includes joint portions 5033a, 5033b, and 5033c and links 5035a and 5035b, and is driven by control from the arm control device 5045.
  • the endoscope 5001 is supported by the arm unit 5031, and the position and posture thereof are controlled. Thereby, the stable position fixing of the endoscope 5001 can be realized.
  • the endoscope 5001 includes a lens barrel 5003 in which a region having a predetermined length from the distal end is inserted into the body cavity of the patient 5071, and a camera head 5005 connected to the proximal end of the lens barrel 5003.
  • a lens barrel 5003 in which a region having a predetermined length from the distal end is inserted into the body cavity of the patient 5071, and a camera head 5005 connected to the proximal end of the lens barrel 5003.
  • an endoscope 5001 configured as a so-called rigid mirror having a rigid lens barrel 5003 is illustrated, but the endoscope 5001 is configured as a so-called flexible mirror having a flexible lens barrel 5003. Also good.
  • An opening into which an objective lens is fitted is provided at the tip of the lens barrel 5003.
  • a light source device 5043 is connected to the endoscope 5001, and light generated by the light source device 5043 is guided to the tip of the lens barrel by a light guide extending inside the lens barrel 5003. Irradiation is performed toward the observation target in the body cavity of the patient 5071 through the lens.
  • the endoscope 5001 may be a direct endoscope, a perspective mirror, or a side endoscope.
  • An optical system and an image sensor are provided inside the camera head 5005, and reflected light (observation light) from the observation target is condensed on the image sensor by the optical system. Observation light is photoelectrically converted by the imaging element, and an electrical signal corresponding to the observation light, that is, an image signal corresponding to the observation image is generated.
  • the image signal is transmitted to a camera control unit (CCU) 5039 as RAW data.
  • CCU camera control unit
  • the camera head 5005 is equipped with a function of adjusting the magnification and the focal length by appropriately driving the optical system.
  • a plurality of imaging elements may be provided in the camera head 5005 in order to cope with, for example, stereoscopic viewing (3D display).
  • a plurality of relay optical systems are provided inside the lens barrel 5003 in order to guide observation light to each of the plurality of imaging elements.
  • the CCU 5039 is configured by a CPU (Central Processing Unit), a GPU (Graphics Processing Unit), and the like, and comprehensively controls operations of the endoscope 5001 and the display device 5041. Specifically, the CCU 5039 performs various types of image processing for displaying an image based on the image signal, such as development processing (demosaic processing), for example, on the image signal received from the camera head 5005. The CCU 5039 provides the display device 5041 with the image signal subjected to the image processing. Further, the CCU 5039 transmits a control signal to the camera head 5005 to control the driving thereof.
  • the control signal can include information regarding imaging conditions such as magnification and focal length.
  • the display device 5041 displays an image based on an image signal subjected to image processing by the CCU 5039 under the control of the CCU 5039.
  • the endoscope 5001 is compatible with high-resolution imaging such as 4K (horizontal pixel number 3840 ⁇ vertical pixel number 2160) or 8K (horizontal pixel number 7680 ⁇ vertical pixel number 4320), and / or 3D display
  • the display device 5041 may be a display device capable of high-resolution display and / or 3D display.
  • 4K or 8K high-resolution imaging a more immersive feeling can be obtained by using a display device 5041 having a size of 55 inches or more.
  • a plurality of display devices 5041 having different resolutions and sizes may be provided depending on applications.
  • the light source device 5043 is composed of a light source such as an LED (light emitting diode), for example, and supplies irradiation light to the endoscope 5001 when photographing a surgical site.
  • a light source such as an LED (light emitting diode)
  • the arm control device 5045 is configured by a processor such as a CPU, for example, and operates according to a predetermined program to control driving of the arm portion 5031 of the support arm device 5027 according to a predetermined control method.
  • the input device 5047 is an input interface for the endoscopic surgery system 5000.
  • the user can input various information and instructions to the endoscopic surgery system 5000 via the input device 5047.
  • the user inputs various types of information related to the operation, such as the patient's physical information and information about the surgical technique, via the input device 5047.
  • the user instructs the arm unit 5031 to be driven via the input device 5047 or the instruction to change the imaging conditions (type of irradiation light, magnification, focal length, etc.) by the endoscope 5001. Then, an instruction to drive the energy treatment instrument 5021 is input.
  • the type of the input device 5047 is not limited, and the input device 5047 may be various known input devices.
  • the input device 5047 for example, a mouse, a keyboard, a touch panel, a switch, a foot switch 5057, and / or a lever can be applied.
  • the touch panel may be provided on the display surface of the display device 5041.
  • the input device 5047 is a device worn by the user, such as a glasses-type wearable device or an HMD (Head Mounted Display), and various types of input are performed according to the user's gesture and line of sight detected by these devices. Is done.
  • the input device 5047 includes a camera capable of detecting the user's movement, and various inputs are performed according to the user's gesture and line of sight detected from the video captured by the camera.
  • the input device 5047 includes a microphone that can pick up a user's voice, and various inputs are performed by voice through the microphone.
  • the input device 5047 is configured to be able to input various information without contact, so that a user belonging to a clean area (for example, an operator 5067) can operate a device belonging to an unclean area without contact. Is possible.
  • a user belonging to a clean area for example, an operator 5067
  • the user can operate the device without releasing his / her hand from the surgical tool he / she has, the convenience for the user is improved.
  • the treatment instrument control device 5049 controls the drive of the energy treatment instrument 5021 for tissue cauterization, incision, or blood vessel sealing.
  • the pneumoperitoneum device 5051 gas is introduced into the body cavity via the pneumoperitoneum tube 5019.
  • the recorder 5053 is an apparatus capable of recording various types of information related to surgery.
  • the printer 5055 is a device that can print various types of information related to surgery in various formats such as text, images, or graphs.
  • the support arm device 5027 includes a base portion 5029 as a base and an arm portion 5031 extending from the base portion 5029.
  • the arm portion 5031 includes a plurality of joint portions 5033a, 5033b, and 5033c and a plurality of links 5035a and 5035b connected by the joint portion 5033b.
  • FIG. The configuration of the arm portion 5031 is shown in a simplified manner. Actually, the shape, number and arrangement of the joint portions 5033a to 5033c and the links 5035a and 5035b, the direction of the rotation axis of the joint portions 5033a to 5033c, and the like are appropriately set so that the arm portion 5031 has a desired degree of freedom. obtain.
  • the arm portion 5031 can be preferably configured to have 6 degrees of freedom or more. Accordingly, the endoscope 5001 can be freely moved within the movable range of the arm portion 5031. Therefore, the barrel 5003 of the endoscope 5001 can be inserted into the body cavity of the patient 5071 from a desired direction. It becomes possible.
  • the joint portions 5033a to 5033c are provided with actuators, and the joint portions 5033a to 5033c are configured to be rotatable around a predetermined rotation axis by driving the actuators.
  • the arm control device 5045 By controlling the driving of the actuator by the arm control device 5045, the rotation angles of the joint portions 5033a to 5033c are controlled, and the driving of the arm portion 5031 is controlled. Thereby, control of the position and orientation of the endoscope 5001 can be realized.
  • the arm control device 5045 can control the driving of the arm unit 5031 by various known control methods such as force control or position control.
  • the arm control device 5045 appropriately controls the driving of the arm unit 5031 according to the operation input.
  • the position and posture of the endoscope 5001 may be controlled.
  • the endoscope 5001 at the tip of the arm portion 5031 can be moved from an arbitrary position to an arbitrary position, and then fixedly supported at the position after the movement.
  • the arm portion 5031 may be operated by a so-called master slave method.
  • the arm unit 5031 can be remotely operated by the user via the input device 5047 installed at a location away from the operating room.
  • the arm control device 5045 When force control is applied, the arm control device 5045 receives the external force from the user and moves the actuators of the joint portions 5033a to 5033c so that the arm portion 5031 moves smoothly according to the external force. You may perform what is called power assist control to drive. Accordingly, when the user moves the arm unit 5031 while directly touching the arm unit 5031, the arm unit 5031 can be moved with a relatively light force. Therefore, the endoscope 5001 can be moved more intuitively and with a simpler operation, and user convenience can be improved.
  • an endoscope 5001 is supported by a doctor called a scopist.
  • the position of the endoscope 5001 can be more reliably fixed without relying on human hands, so that an image of the surgical site can be stably obtained. It becomes possible to perform the operation smoothly.
  • the arm control device 5045 is not necessarily provided in the cart 5037. Further, the arm control device 5045 is not necessarily a single device. For example, the arm control device 5045 may be provided in each joint portion 5033a to 5033c of the arm portion 5031 of the support arm device 5027, and the plurality of arm control devices 5045 cooperate with each other to drive the arm portion 5031. Control may be realized.
  • the light source device 5043 supplies irradiation light to the endoscope 5001 when photographing a surgical site.
  • the light source device 5043 is composed of a white light source composed of, for example, an LED, a laser light source, or a combination thereof.
  • a white light source is configured by a combination of RGB laser light sources, the output intensity and output timing of each color (each wavelength) can be controlled with high accuracy. Adjustments can be made.
  • each RGB light source is controlled by irradiating the observation target with laser light from each of the RGB laser light sources in a time-sharing manner and controlling the driving of the image sensor of the camera head 5005 in synchronization with the irradiation timing. It is also possible to take the images that have been taken in time division. According to this method, a color image can be obtained without providing a color filter in the image sensor.
  • the driving of the light source device 5043 may be controlled so as to change the intensity of the output light every predetermined time.
  • the driving of the image sensor of the camera head 5005 is controlled to acquire images in a time-sharing manner, and the images are synthesized, so that high dynamics without so-called blackout and overexposure are obtained. A range image can be generated.
  • the light source device 5043 may be configured to be able to supply light of a predetermined wavelength band corresponding to special light observation.
  • special light observation for example, by utilizing the wavelength dependence of light absorption in body tissue, the surface of the mucous membrane is irradiated by irradiating light in a narrow band compared to irradiation light (ie, white light) during normal observation.
  • narrow band imaging is performed in which a predetermined tissue such as a blood vessel is imaged with high contrast.
  • fluorescence observation may be performed in which an image is obtained by fluorescence generated by irradiating excitation light.
  • the body tissue is irradiated with excitation light to observe fluorescence from the body tissue (autofluorescence observation), or a reagent such as indocyanine green (ICG) is locally administered to the body tissue and applied to the body tissue.
  • a reagent such as indocyanine green (ICG) is locally administered to the body tissue and applied to the body tissue.
  • ICG indocyanine green
  • the light source device 5043 can be configured to be able to supply narrowband light and / or excitation light corresponding to such special light observation.
  • FIG. 2 is a block diagram illustrating an example of functional configurations of the camera head 5005 and the CCU 5039 illustrated in FIG.
  • the camera head 5005 has a lens unit 5007, an imaging unit 5009, a drive unit 5011, a communication unit 5013, and a camera head control unit 5015 as its functions.
  • the CCU 5039 includes a communication unit 5059, an image processing unit 5061, and a control unit 5063 as its functions.
  • the camera head 5005 and the CCU 5039 are connected to each other via a transmission cable 5065 so that they can communicate with each other.
  • the lens unit 5007 is an optical system provided at a connection portion with the lens barrel 5003. Observation light captured from the tip of the lens barrel 5003 is guided to the camera head 5005 and enters the lens unit 5007.
  • the lens unit 5007 is configured by combining a plurality of lenses including a zoom lens and a focus lens. The optical characteristics of the lens unit 5007 are adjusted so that the observation light is condensed on the light receiving surface of the image sensor of the imaging unit 5009. Further, the zoom lens and the focus lens are configured such that their positions on the optical axis are movable in order to adjust the magnification and focus of the captured image.
  • the imaging unit 5009 is configured by an imaging element, and is disposed in the subsequent stage of the lens unit 5007.
  • the observation light that has passed through the lens unit 5007 is collected on the light receiving surface of the image sensor, and an image signal corresponding to the observation image is generated by photoelectric conversion.
  • the image signal generated by the imaging unit 5009 is provided to the communication unit 5013.
  • CMOS Complementary Metal Oxide Semiconductor
  • the imaging element for example, an element capable of capturing a high-resolution image of 4K or more may be used.
  • the image sensor that configures the image capturing unit 5009 is configured to include a pair of image sensors for acquiring right-eye and left-eye image signals corresponding to 3D display. By performing the 3D display, the operator 5067 can more accurately grasp the depth of the living tissue in the surgical site.
  • the imaging unit 5009 is configured as a multi-plate type, a plurality of lens units 5007 are also provided corresponding to each imaging element.
  • the imaging unit 5009 is not necessarily provided in the camera head 5005.
  • the imaging unit 5009 may be provided inside the lens barrel 5003 immediately after the objective lens.
  • the driving unit 5011 includes an actuator, and moves the zoom lens and the focus lens of the lens unit 5007 by a predetermined distance along the optical axis under the control of the camera head control unit 5015. Thereby, the magnification and focus of the image captured by the imaging unit 5009 can be adjusted as appropriate.
  • the communication unit 5013 is configured by a communication device for transmitting and receiving various types of information to and from the CCU 5039.
  • the communication unit 5013 transmits the image signal obtained from the imaging unit 5009 as RAW data to the CCU 5039 via the transmission cable 5065.
  • the image signal is preferably transmitted by optical communication.
  • the surgeon 5067 performs the surgery while observing the state of the affected area with the captured image, so that a moving image of the surgical site is displayed in real time as much as possible for safer and more reliable surgery. Because it is required.
  • the communication unit 5013 is provided with a photoelectric conversion module that converts an electrical signal into an optical signal.
  • the image signal is converted into an optical signal by the photoelectric conversion module, and then transmitted to the CCU 5039 via the transmission cable 5065.
  • the communication unit 5013 receives a control signal for controlling driving of the camera head 5005 from the CCU 5039.
  • the control signal includes, for example, information for designating the frame rate of the captured image, information for designating the exposure value at the time of imaging, and / or information for designating the magnification and focus of the captured image. Contains information about the condition.
  • the communication unit 5013 provides the received control signal to the camera head control unit 5015.
  • the control signal from the CCU 5039 may also be transmitted by optical communication.
  • the communication unit 5013 is provided with a photoelectric conversion module that converts an optical signal into an electric signal.
  • the control signal is converted into an electric signal by the photoelectric conversion module, and then provided to the camera head control unit 5015.
  • the imaging conditions such as the frame rate, exposure value, magnification, and focus are automatically set by the control unit 5063 of the CCU 5039 based on the acquired image signal. That is, a so-called AE (Auto Exposure) function, AF (Auto Focus) function, and AWB (Auto White Balance) function are mounted on the endoscope 5001.
  • AE Auto Exposure
  • AF Automatic Focus
  • AWB Automatic White Balance
  • the camera head control unit 5015 controls driving of the camera head 5005 based on a control signal from the CCU 5039 received via the communication unit 5013. For example, the camera head control unit 5015 controls driving of the imaging element of the imaging unit 5009 based on information indicating that the frame rate of the captured image is specified and / or information indicating that the exposure at the time of imaging is specified. For example, the camera head control unit 5015 appropriately moves the zoom lens and the focus lens of the lens unit 5007 via the drive unit 5011 based on information indicating that the magnification and focus of the captured image are designated.
  • the camera head control unit 5015 may further have a function of storing information for identifying the lens barrel 5003 and the camera head 5005.
  • the communication unit 5059 is configured by a communication device for transmitting and receiving various types of information to and from the camera head 5005.
  • the communication unit 5059 receives an image signal transmitted from the camera head 5005 via the transmission cable 5065.
  • the image signal can be suitably transmitted by optical communication.
  • the communication unit 5059 is provided with a photoelectric conversion module that converts an optical signal into an electric signal.
  • the communication unit 5059 provides the image processing unit 5061 with the image signal converted into the electrical signal.
  • the communication unit 5059 transmits a control signal for controlling the driving of the camera head 5005 to the camera head 5005.
  • the control signal may also be transmitted by optical communication.
  • the image processing unit 5061 performs various types of image processing on the image signal that is RAW data transmitted from the camera head 5005. Examples of the image processing include development processing, high image quality processing (band enhancement processing, super-resolution processing, NR (Noise reduction) processing and / or camera shake correction processing, etc.), and / or enlargement processing (electronic zoom processing). Various known signal processing is included.
  • the image processing unit 5061 performs detection processing on the image signal for performing AE, AF, and AWB.
  • the image processing unit 5061 is configured by a processor such as a CPU or a GPU, and the above-described image processing and detection processing can be performed by the processor operating according to a predetermined program.
  • the image processing unit 5061 is configured by a plurality of GPUs, the image processing unit 5061 appropriately divides information related to the image signal, and performs image processing in parallel by the plurality of GPUs.
  • the control unit 5063 performs various controls relating to imaging of the surgical site by the endoscope 5001 and display of the captured image. For example, the control unit 5063 generates a control signal for controlling driving of the camera head 5005. At this time, when the imaging condition is input by the user, the control unit 5063 generates a control signal based on the input by the user. Alternatively, when the endoscope 5001 is equipped with the AE function, the AF function, and the AWB function, the control unit 5063 determines the optimum exposure value, focal length, and the like according to the detection processing result by the image processing unit 5061. A white balance is appropriately calculated and a control signal is generated.
  • control unit 5063 causes the display device 5041 to display an image of the surgical site based on the image signal subjected to the image processing by the image processing unit 5061.
  • the control unit 5063 recognizes various objects in the surgical unit image using various image recognition techniques. For example, the control unit 5063 detects the shape and color of the edge of the object included in the surgical part image, thereby removing surgical tools such as forceps, specific biological parts, bleeding, mist when using the energy treatment tool 5021, and the like. Can be recognized.
  • the control unit 5063 displays various types of surgery support information on the image of the surgical site using the recognition result. Surgery support information is displayed in a superimposed manner and presented to the operator 5067, so that the surgery can be performed more safely and reliably.
  • the transmission cable 5065 for connecting the camera head 5005 and the CCU 5039 is an electric signal cable corresponding to electric signal communication, an optical fiber corresponding to optical communication, or a composite cable thereof.
  • communication is performed by wire using the transmission cable 5065, but communication between the camera head 5005 and the CCU 5039 may be performed wirelessly.
  • communication between the two is performed wirelessly, there is no need to install the transmission cable 5065 in the operating room, so that the situation where the movement of the medical staff in the operating room is hindered by the transmission cable 5065 can be eliminated.
  • the endoscopic surgery system 5000 to which the technology according to the present disclosure can be applied has been described.
  • the endoscopic surgery system 5000 has been described as an example, but a system to which the technology according to the present disclosure can be applied is not limited to such an example.
  • the technology according to the present disclosure may be applied to a testing flexible endoscope system or a microscope operation system.
  • FIG. 3 is a schematic diagram illustrating a configuration of a perspective mirror 100 according to an embodiment of the present disclosure.
  • the perspective mirror 100 is attached to the tip of the camera head 200.
  • the perspective mirror 100 corresponds to the lens barrel 5003 described in FIGS. 1 and 2
  • the camera head 200 corresponds to the camera head 5005 described in FIGS. 1 and 2.
  • the perspective mirror 100 and the camera head 200 are rotatable independently of each other. Actuators are provided between the perspective mirror 100 and the camera head 200 in the same manner as the joints 5033a, 5033b, and 5033c, and the perspective mirror 100 rotates relative to the camera head 200 by driving the actuator. Thus, the rotation angle theta Z to be described later is controlled.
  • the perspective mirror 100 is supported by a support arm device 5027.
  • the support arm device 5027 has a function of holding the squint mirror 100 instead of the scopist and moving the squint mirror 100 so that a desired part can be observed by an operator or an assistant.
  • FIG. 4 is a schematic diagram showing the perspective mirror 100 and the direct-view mirror 150 in comparison.
  • the direction (C1) of the objective lens toward the subject coincides with the longitudinal direction (C2) of the direct-view mirror 150.
  • the direction (C1) of the objective lens toward the subject has a predetermined angle ⁇ with respect to the longitudinal direction (C2) of the perspective mirror 100.
  • FIGS. 5 and 6 are schematic views showing a state in which the observing object 300 is observed by inserting the perspective mirror 100 from the abdominal wall 320 into the human body.
  • the trocar point T is a position where the trocar 5025a is disposed, and indicates the insertion position of the perspective mirror 100 into the human body.
  • the C3 direction shown in FIGS. 5 and 6 is a direction connecting the trocar point T and the observation object 300.
  • FIG. 5 shows a state 400 in which the insertion direction of the perspective mirror 100 is different from the C3 direction using the perspective mirror 100, and a captured image 410 captured by the perspective mirror 100 in the state 400. Even when the perspective mirror 100 is used, the observation object 300 is behind the obstacle 310 in the state 400 shown in FIG.
  • FIG. 6 shows a state 420 in which the insertion direction of the perspective mirror 100 is changed from the state 400 in FIG. 5 and the direction of the objective lens is changed in addition to the state in FIG. Yes.
  • the perspective mirror 100 may be manually moved from the state 400 where the observation object 300 is blocked by the obstacle 310 to the state 420 where the observation object 300 is not blocked by the obstacle 310.
  • the existing endoscope support arm is intended only for the operation of the direct endoscope 150 and does not correspond to the operation using the perspective mirror 100 in the first place.
  • FIG. 7 is a schematic diagram showing a state in which the perspective mirror 100 is inserted into the human body through the abdominal wall 320.
  • a trocar 5025a (not shown) is disposed at a penetrating position (trocar point T) of the abdominal wall 320 of the perspective mirror 100, and the perspective mirror 100 is inserted into the human body so as to penetrate the trocar 5025a.
  • FIG. 7 shows the setting of the coordinate system in the body.
  • a coordinate system in the body a coordinate system T with the trocar point T as the origin is set.
  • a coordinate system H is set along the optical axis direction (imaging direction) in which the objective lens is directed, with the tip of the perspective mirror 100 as the origin H.
  • the center point of the captured image as viewed from the trocar point T (the center point of the object) when the P coordinates and P T, coordinates P T be represented by homogeneous transformation matrix as shown in the following (1) Can do.
  • the equation (1) shows a homogeneous coordinate expression of P T ⁇ R 4 , and ⁇ x, ⁇ y, ⁇ z are angles indicating the insertion posture of the perspective mirror at the trocar point T, and the subscripts x, y, z Is the angle rotated around each axis.
  • the x axis, the y axis, and the z axis can be defined as an example in which the z axis is a vertical direction and the xy plane is a plane orthogonal to the z axis.
  • the z-axis can be defined as the initial insertion direction of the perspective mirror 100
  • the xy plane can be defined as a plane orthogonal to the z-axis.
  • L is the length of insertion of the perspective mirror 100 from the trocar point T into the human body
  • ⁇ is the angle of perspective of the objective lens
  • l is the distance from the objective lens to the shooting point. Since ⁇ x, ⁇ y, ⁇ z, L, and l at the start of this control calculation can be determined from the configuration of the support arm device, the observation target coordinate PT can be specifically obtained by applying the equation (1). Is possible.
  • Yaw, Roll, Pitch, and Transfer represent the following homogenous transformation matrix, respectively.
  • Yaw ( ⁇ z), Roll ( ⁇ x), and Pitch ( ⁇ y) in the equation (1) indicate how much the perspective mirror 100 is tilted with respect to the x axis, the y axis, and the z axis.
  • Transfer indicates how much the perspective mirror 100 is inserted into the human body.
  • ⁇ x and ⁇ y among the parameters of the equation (1) are given as new posture parameters from the outside (surgeon).
  • ⁇ x and ⁇ y are set to known values, and the remaining parameters are obtained so as to maintain the target subject (observation target 300) at the center of the screen.
  • the insertion amount L of the perspective mirror 100 from the trocar point T into the human body and the rotation angle ⁇ Z of the perspective mirror 100 around the Z axis in the coordinate system T are obtained, and the insertion amount L and the rotation angle ⁇ are obtained.
  • the support arm device 5027 is operated. As a result, when the surgeon gives the movement of rotating the perspective mirror 100 around the trocar point T, the observation object 300 is always located at the center of the screen.
  • the coordinate P T of the center point P of the captured image shown in the equation (1) is the coordinate when viewed from the coordinate system T, but the coordinate P H of the center point P of the captured image viewed from the coordinate system H is shown.
  • the expression is expressed by a homogeneous transformation matrix, but it is mathematically obvious that the same calculation can be expressed using a 3 ⁇ 3 rotation matrix and a three-dimensional vector.
  • the arm control device 5045 includes an operation amount acquisition unit 5045a, a calculation unit 5045b, and an arm control unit 5045c.
  • the configuration of the arm control device 5045 shown in FIG. 8 can be configured by a circuit (hardware) or a central processing unit such as a CPU and a program (software) for causing it to function.
  • the medical support arm according to the present embodiment includes a support arm device 5027 and an arm control device 5045 that support the perspective mirror 100.
  • the support arm device 5027 is assumed to have an active shaft (actuator) having seven or more degrees of freedom.
  • the operation amount acquisition unit 5045a acquires the rotation angles ⁇ x and ⁇ y.
  • the actuator provided in each joint part 5033a, 5033b, 5033c is provided with the encoder which detects the rotation angle of each joint part 5033a, 5033b, 5033c. Further, the rotation angle of the perspective mirror 100 with respect to the camera head 200 is also detected by the encoder. Thereby, the arm control device 5045 can detect the optical axis direction of the objective lens of the perspective mirror 100.
  • the operation amount acquisition unit 5045a can acquire the rotation angles ⁇ x and ⁇ y based on the rotation angles detected by the encoders of the joint portions 5033a, 5033b, and 5033c.
  • Calculation unit 5045b the rotation angle [theta] x, based on the [theta] y, the equation (1), calculates the insertion amount L and the rotation angle theta Z using equation (2).
  • the observation object 300 may not be disposed at the center of the captured image, and may be disposed at a position shifted from the center. In this case, the values of x H and y H may be set to arbitrary values.
  • Insertion amount L and the rotation angle [theta] x, [theta] y, if theta Z is known, the drive control of the arm portion 5031 of the support arm device 5027 may be carried out force control or position control, etc., by various known control method.
  • the insertion amount L and the rotation angle [theta] x, [theta] y, the driving of the support arm device 5027 based on the theta Z is insertion amount L and the rotation angle [theta] x, [theta] y, theta Z surgeon may be performed manually as a manipulated variable.
  • a forward kinematic model of the strabismus mirror 100 in the body can be constructed, and imaging can be performed from various directions while maintaining a desired location at the center of the screen.
  • the degree of freedom in the body (Degree OF Freedom, DOF) is 6 degrees of freedom, but in reality, the problem of 4 degrees of freedom is centered on the screen It was possible to solve the equation analytically by setting and modeling the conditions for the target point to come.
  • FIG. 9 shows a state 440 in which the operator has moved the state in the direction of pulling out the perspective mirror 100 from the state 420 shown in FIG. 6 and a captured image 450 in the case of the state 440. Even when the perspective mirror 100 is moved as shown in FIG. 9 by the calculations based on the expressions (1) and (2), the observation object 300 can be positioned at the center of the captured image 450.
  • the perspective mirror 100 when the perspective mirror 100 is inserted into the human body and the position and orientation of the perspective mirror 100 are changed, the subject can always be positioned at the center of the captured image. Accordingly, it is possible to greatly improve the operability of the squint mirror 100 by the operator.
  • a support arm that supports the perspective mirror;
  • a first formula that defines the coordinates of the subject in a coordinate system with the insertion port when the squint is inserted into the human body as the origin, and a tip of the squint mirror in the coordinate system with the tip of the squint as the origin
  • a computing unit for computing A medical support arm comprising: (2) An operation amount acquisition unit that acquires the rotation of the perspective mirror with the insertion port as a fulcrum as an operation amount of an operator, The medical support arm according to (1), wherein the calculation unit calculates the rotation angle and the insertion amount based on the operation amount.
  • the calculation unit calculates the rotation angle and the insertion amount based on a condition that the subject is positioned at the center of the optical axis of the objective lens.
  • the calculation unit calculates the rotation angle and the insertion amount based on a condition that the subject is located within a predetermined distance from the center of the optical axis of the objective lens.
  • the medical support arm according to (1) or (2).
  • a camera head having an imaging unit for imaging a subject;
  • a perspective mirror inserted into the human body and rotatable with respect to the camera head around an axis in the insertion direction;
  • a support arm that supports the perspective mirror;
  • An arm control device for controlling the support arm includes: a first expression that defines the coordinates of the subject in a coordinate system having an insertion point when the squint is inserted into the human body as an origin; And a rotation angle around the longitudinal axis of the perspective mirror and the perspective mirror based on the second equation that defines the coordinates of the subject located in the optical axis direction of the objective lens disposed at the tip of the perspective mirror in FIG.
  • the medical system which has a calculating part which calculates the amount of insertion in the human body.
  • the arm control device includes an operation amount acquisition unit that acquires rotation of the perspective mirror using the insertion port as a fulcrum as an operation amount of the operator, The medical system according to (7), wherein the calculation unit calculates the rotation angle and the insertion amount based on the operation amount. (9) In the second formula, the calculation unit calculates the rotation angle and the insertion amount based on a condition that the subject is positioned at the center of the optical axis of the objective lens. The medical system according to 8). (10) In the second equation, the calculation unit calculates the rotation angle and the insertion amount based on a condition that the subject is located within a predetermined distance from the center of the optical axis of the objective lens. The medical system according to (7) or (8).

Abstract

【課題】斜視鏡を人体内部に挿入して操作した場合に、観察対象物を常に撮像画像の領域に収める。 【解決手段】本開示に係る医療用支持アームは、斜視鏡を支持する支持アームと、前記斜視鏡を人体内部へ挿入した際の挿入口を原点とする座標系において被写体の座標を規定した第１の式と、前記斜視鏡の先端を原点とする座標系において前記斜視鏡の先端に配置された対物レンズの光軸方向に位置する前記被写体の座標を規定した第２の式とに基づき、前記斜視鏡の長手方向の軸周りの回転角と前記斜視鏡の人体内部への挿入量を演算する演算部と、を備える。

Description

医療用支持アーム及び医療用システム
　本開示は、医療用支持アーム及び医療用システムに関する。
　従来、例えば下記の特許文献１には、医療用観察装置において、術部の画像を撮影する撮像部と、前記撮像部が接続され、少なくとも６自由度で動作可能に回転軸が設けられる保持部と、を備え、前記回転軸のうち、少なくとも２軸は当該回転軸の状態に基づいて駆動が制御される能動軸であり、少なくとも１軸は接触を伴う外部からの直接的な操作に従って回転する受動軸である構成が記載されている。
国際公開第２０１６／０１７５３２号
　ところで、人体内部に挿入される内視鏡において、観察対象物の前に障害物があったとしても、斜視鏡を用いることで、障害物に遮られることなく観察対象物の観察が可能となる。しかしながら、術者が斜視鏡を操作しながら、観察対象物を撮像画像の中心に位置させることは、非常な困難が伴う。
　上記特許文献１には医療用顕微鏡におけるポイントロック観察に関して記載されているが、特許文献１に記載された技術は、斜視鏡を人体内部に挿入した場合に、腹壁などの特定箇所を制約条件として斜視鏡を支持することは何ら想定していなかった。
　そこで、斜視鏡を人体内部に挿入して操作した場合に、観察対象物を常に撮像画像の領域に収めることが望まれていた。
　本開示によれば、斜視鏡を支持する支持アームと、前記斜視鏡を人体内部へ挿入した際の挿入口を原点とする座標系において被写体の座標を規定した第１の式と、前記斜視鏡の先端を原点とする座標系において前記斜視鏡の先端に配置された対物レンズの光軸方向に位置する前記被写体の座標を規定した第２の式とに基づき、前記斜視鏡の長手方向の軸周りの回転角と前記斜視鏡の人体内部への挿入量を演算する演算部と、を備える、医療用支持アームが提供される。
　また、本開示によれば、被写体を撮像する撮像部を有するカメラヘッドと、人体内部に挿入され、挿入方向の軸周りに前記カメラヘッドに対して回転可能とされた斜視鏡と、前記斜視鏡を支持する支持アームと、前記支持アームを制御するアーム制御装置と、を備え、前記アーム制御装置は、前記斜視鏡を人体内部へ挿入した際の挿入口を原点とする座標系において前記被写体の座標を規定した第１の式と、前記斜視鏡の先端を原点とする座標系において前記斜視鏡の先端に配置された対物レンズの光軸方向に位置する前記被写体の座標を規定した第２の式とに基づき、前記斜視鏡の長手方向の軸周りの回転角と前記斜視鏡の人体内部への挿入量を演算する演算部を有する、医療用システムが提供される。
　以上説明したように本開示によれば、斜視鏡を人体内部に挿入して操作した場合に、観察対象物を常に撮像画像の領域に収めることが可能となる。
　なお、上記の効果は必ずしも限定的なものではなく、上記の効果とともに、または上記の効果に代えて、本明細書に示されたいずれかの効果、または本明細書から把握され得る他の効果が奏されてもよい。
本開示に係る技術が適用され得る内視鏡手術システムの概略的な構成の一例を示す図である。 図１に示すカメラヘッド及びＣＣＵの機能構成の一例を示すブロック図である。 本開示の一実施形態に係る斜視鏡の構成を示す模式図である。 斜視鏡と直視鏡を対比して示す模式図である。 斜視鏡を腹壁から人体内部に挿入して観察対象物を観察している様子を示す模式図である。 斜視鏡を腹壁から人体内部に挿入して観察対象物を観察している様子を示す模式図である。 腹壁を貫通して斜視鏡が人体内部に挿入された状態を示す模式図である。 （１）式、（２）式に基づいて挿入量Ｌと回転角度θＺを演算するアーム制御装置５０４５の構成を示す模式図である。 図６に示す状態から術者が斜視鏡を外へ引き抜く方向に動かした状態を示す模式図である。
　以下に添付図面を参照しながら、本開示の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
　なお、説明は以下の順序で行うものとする。
１．内視鏡システムの構成例
２．斜視鏡の基本的構成
３．本実施形態に係る斜視鏡の制御
１．内視鏡システムの構成例
　図１は、本開示に係る技術が適用され得る内視鏡手術システム５０００の概略的な構成の一例を示す図である。図１では、術者（医師）５０６７が、内視鏡手術システム５０００を用いて、患者ベッド５０６９上の患者５０７１に手術を行っている様子が図示されている。図示するように、内視鏡手術システム５０００は、内視鏡５００１と、その他の術具５０１７と、内視鏡５００１を支持する支持アーム装置５０２７と、内視鏡下手術のための各種の装置が搭載されたカート５０３７と、から構成される。
　内視鏡手術では、腹壁を切って開腹する代わりに、トロッカ５０２５ａ～５０２５ｄと呼ばれる筒状の開孔器具が腹壁に複数穿刺される。そして、トロッカ５０２５ａ～５０２５ｄから、内視鏡５００１の鏡筒５００３や、その他の術具５０１７が患者５０７１の体腔内に挿入される。図示する例では、その他の術具５０１７として、気腹チューブ５０１９、エネルギー処置具５０２１及び鉗子５０２３が、患者５０７１の体腔内に挿入されている。また、エネルギー処置具５０２１は、高周波電流や超音波振動により、組織の切開及び剥離、又は血管の封止等を行う処置具である。ただし、図示する術具５０１７はあくまで一例であり、術具５０１７としては、例えば攝子、レトラクタ等、一般的に内視鏡下手術において用いられる各種の術具が用いられてよい。
　内視鏡５００１によって撮影された患者５０７１の体腔内の術部の画像が、表示装置５０４１に表示される。術者５０６７は、表示装置５０４１に表示された術部の画像をリアルタイムで見ながら、エネルギー処置具５０２１や鉗子５０２３を用いて、例えば患部を切除する等の処置を行う。なお、図示は省略しているが、気腹チューブ５０１９、エネルギー処置具５０２１及び鉗子５０２３は、手術中に、術者５０６７又は助手等によって支持される。
　（支持アーム装置）
　支持アーム装置５０２７は、ベース部５０２９から延伸するアーム部５０３１を備える。図示する例では、アーム部５０３１は、関節部５０３３ａ、５０３３ｂ、５０３３ｃ、及びリンク５０３５ａ、５０３５ｂから構成されており、アーム制御装置５０４５からの制御により駆動される。アーム部５０３１によって内視鏡５００１が支持され、その位置及び姿勢が制御される。これにより、内視鏡５００１の安定的な位置の固定が実現され得る。
　（内視鏡）
　内視鏡５００１は、先端から所定の長さの領域が患者５０７１の体腔内に挿入される鏡筒５００３と、鏡筒５００３の基端に接続されるカメラヘッド５００５と、から構成される。図示する例では、硬性の鏡筒５００３を有するいわゆる硬性鏡として構成される内視鏡５００１を図示しているが、内視鏡５００１は、軟性の鏡筒５００３を有するいわゆる軟性鏡として構成されてもよい。
　鏡筒５００３の先端には、対物レンズが嵌め込まれた開口部が設けられている。内視鏡５００１には光源装置５０４３が接続されており、当該光源装置５０４３によって生成された光が、鏡筒５００３の内部に延設されるライトガイドによって当該鏡筒の先端まで導光され、対物レンズを介して患者５０７１の体腔内の観察対象に向かって照射される。なお、内視鏡５００１は、直視鏡であってもよいし、斜視鏡又は側視鏡であってもよい。
　カメラヘッド５００５の内部には光学系及び撮像素子が設けられており、観察対象からの反射光（観察光）は当該光学系によって当該撮像素子に集光される。当該撮像素子によって観察光が光電変換され、観察光に対応する電気信号、すなわち観察像に対応する画像信号が生成される。当該画像信号は、ＲＡＷデータとしてカメラコントロールユニット（ＣＣＵ：Camera　Control　Unit）５０３９に送信される。なお、カメラヘッド５００５には、その光学系を適宜駆動させることにより、倍率及び焦点距離を調整する機能が搭載される。
　なお、例えば立体視（３Ｄ表示）等に対応するために、カメラヘッド５００５には撮像素子が複数設けられてもよい。この場合、鏡筒５００３の内部には、当該複数の撮像素子のそれぞれに観察光を導光するために、リレー光学系が複数系統設けられる。
　（カートに搭載される各種の装置）
　ＣＣＵ５０３９は、ＣＰＵ（Central　Processing　Unit）やＧＰＵ（Graphics　Processing　Unit）等によって構成され、内視鏡５００１及び表示装置５０４１の動作を統括的に制御する。具体的には、ＣＣＵ５０３９は、カメラヘッド５００５から受け取った画像信号に対して、例えば現像処理（デモザイク処理）等の、当該画像信号に基づく画像を表示するための各種の画像処理を施す。ＣＣＵ５０３９は、当該画像処理を施した画像信号を表示装置５０４１に提供する。また、ＣＣＵ５０３９は、カメラヘッド５００５に対して制御信号を送信し、その駆動を制御する。当該制御信号には、倍率や焦点距離等、撮像条件に関する情報が含まれ得る。
　表示装置５０４１は、ＣＣＵ５０３９からの制御により、当該ＣＣＵ５０３９によって画像処理が施された画像信号に基づく画像を表示する。内視鏡５００１が例えば４Ｋ（水平画素数３８４０×垂直画素数２１６０）又は８Ｋ（水平画素数７６８０×垂直画素数４３２０）等の高解像度の撮影に対応したものである場合、及び／又は３Ｄ表示に対応したものである場合には、表示装置５０４１としては、それぞれに対応して、高解像度の表示が可能なもの、及び／又は３Ｄ表示可能なものが用いられ得る。４Ｋ又は８Ｋ等の高解像度の撮影に対応したものである場合、表示装置５０４１として５５インチ以上のサイズのものを用いることで一層の没入感が得られる。また、用途に応じて、解像度、サイズが異なる複数の表示装置５０４１が設けられてもよい。
　光源装置５０４３は、例えばＬＥＤ（light　emitting　diode）等の光源から構成され、術部を撮影する際の照射光を内視鏡５００１に供給する。
　アーム制御装置５０４５は、例えばＣＰＵ等のプロセッサによって構成され、所定のプログラムに従って動作することにより、所定の制御方式に従って支持アーム装置５０２７のアーム部５０３１の駆動を制御する。
　入力装置５０４７は、内視鏡手術システム５０００に対する入力インタフェースである。ユーザは、入力装置５０４７を介して、内視鏡手術システム５０００に対して各種の情報の入力や指示入力を行うことができる。例えば、ユーザは、入力装置５０４７を介して、患者の身体情報や、手術の術式についての情報等、手術に関する各種の情報を入力する。また、例えば、ユーザは、入力装置５０４７を介して、アーム部５０３１を駆動させる旨の指示や、内視鏡５００１による撮像条件（照射光の種類、倍率及び焦点距離等）を変更する旨の指示、エネルギー処置具５０２１を駆動させる旨の指示等を入力する。
　入力装置５０４７の種類は限定されず、入力装置５０４７は各種の公知の入力装置であってよい。入力装置５０４７としては、例えば、マウス、キーボード、タッチパネル、スイッチ、フットスイッチ５０５７及び／又はレバー等が適用され得る。入力装置５０４７としてタッチパネルが用いられる場合には、当該タッチパネルは表示装置５０４１の表示面上に設けられてもよい。
　あるいは、入力装置５０４７は、例えばメガネ型のウェアラブルデバイスやＨＭＤ（Head　Mounted　Display）等の、ユーザによって装着されるデバイスであり、これらのデバイスによって検出されるユーザのジェスチャや視線に応じて各種の入力が行われる。また、入力装置５０４７は、ユーザの動きを検出可能なカメラを含み、当該カメラによって撮像された映像から検出されるユーザのジェスチャや視線に応じて各種の入力が行われる。更に、入力装置５０４７は、ユーザの声を収音可能なマイクロフォンを含み、当該マイクロフォンを介して音声によって各種の入力が行われる。このように、入力装置５０４７が非接触で各種の情報を入力可能に構成されることにより、特に清潔域に属するユーザ（例えば術者５０６７）が、不潔域に属する機器を非接触で操作することが可能となる。また、ユーザは、所持している術具から手を離すことなく機器を操作することが可能となるため、ユーザの利便性が向上する。
　処置具制御装置５０４９は、組織の焼灼、切開又は血管の封止等のためのエネルギー処置具５０２１の駆動を制御する。気腹装置５０５１は、内視鏡５００１による視野の確保及び術者の作業空間の確保の目的で、患者５０７１の体腔を膨らめるために、気腹チューブ５０１９を介して当該体腔内にガスを送り込む。レコーダ５０５３は、手術に関する各種の情報を記録可能な装置である。プリンタ５０５５は、手術に関する各種の情報を、テキスト、画像又はグラフ等各種の形式で印刷可能な装置である。
　以下、内視鏡手術システム５０００において特に特徴的な構成について、更に詳細に説明する。
　（支持アーム装置）
　支持アーム装置５０２７は、基台であるベース部５０２９と、ベース部５０２９から延伸するアーム部５０３１と、を備える。図示する例では、アーム部５０３１は、複数の関節部５０３３ａ、５０３３ｂ、５０３３ｃと、関節部５０３３ｂによって連結される複数のリンク５０３５ａ、５０３５ｂと、から構成されているが、図１では、簡単のため、アーム部５０３１の構成を簡略化して図示している。実際には、アーム部５０３１が所望の自由度を有するように、関節部５０３３ａ～５０３３ｃ及びリンク５０３５ａ、５０３５ｂの形状、数及び配置、並びに関節部５０３３ａ～５０３３ｃの回転軸の方向等が適宜設定され得る。例えば、アーム部５０３１は、好適に、６自由度以上の自由度を有するように構成され得る。これにより、アーム部５０３１の可動範囲内において内視鏡５００１を自由に移動させることが可能になるため、所望の方向から内視鏡５００１の鏡筒５００３を患者５０７１の体腔内に挿入することが可能になる。
　関節部５０３３ａ～５０３３ｃにはアクチュエータが設けられており、関節部５０３３ａ～５０３３ｃは当該アクチュエータの駆動により所定の回転軸まわりに回転可能に構成されている。当該アクチュエータの駆動がアーム制御装置５０４５によって制御されることにより、各関節部５０３３ａ～５０３３ｃの回転角度が制御され、アーム部５０３１の駆動が制御される。これにより、内視鏡５００１の位置及び姿勢の制御が実現され得る。この際、アーム制御装置５０４５は、力制御又は位置制御等、各種の公知の制御方式によってアーム部５０３１の駆動を制御することができる。
　例えば、術者５０６７が、入力装置５０４７（フットスイッチ５０５７を含む）を介して適宜操作入力を行うことにより、当該操作入力に応じてアーム制御装置５０４５によってアーム部５０３１の駆動が適宜制御され、内視鏡５００１の位置及び姿勢が制御されてよい。当該制御により、アーム部５０３１の先端の内視鏡５００１を任意の位置から任意の位置まで移動させた後、その移動後の位置で固定的に支持することができる。なお、アーム部５０３１は、いわゆるマスタースレイブ方式で操作されてもよい。この場合、アーム部５０３１は、手術室から離れた場所に設置される入力装置５０４７を介してユーザによって遠隔操作され得る。
　また、力制御が適用される場合には、アーム制御装置５０４５は、ユーザからの外力を受け、その外力にならってスムーズにアーム部５０３１が移動するように、各関節部５０３３ａ～５０３３ｃのアクチュエータを駆動させる、いわゆるパワーアシスト制御を行ってもよい。これにより、ユーザが直接アーム部５０３１に触れながらアーム部５０３１を移動させる際に、比較的軽い力で当該アーム部５０３１を移動させることができる。従って、より直感的に、より簡易な操作で内視鏡５００１を移動させることが可能となり、ユーザの利便性を向上させることができる。
　ここで、一般的に、内視鏡下手術では、スコピストと呼ばれる医師によって内視鏡５００１が支持されていた。これに対して、支持アーム装置５０２７を用いることにより、人手によらずに内視鏡５００１の位置をより確実に固定することが可能になるため、術部の画像を安定的に得ることができ、手術を円滑に行うことが可能になる。
　なお、アーム制御装置５０４５は必ずしもカート５０３７に設けられなくてもよい。また、アーム制御装置５０４５は必ずしも１つの装置でなくてもよい。例えば、アーム制御装置５０４５は、支持アーム装置５０２７のアーム部５０３１の各関節部５０３３ａ～５０３３ｃにそれぞれ設けられてもよく、複数のアーム制御装置５０４５が互いに協働することにより、アーム部５０３１の駆動制御が実現されてもよい。
　（光源装置）
　光源装置５０４３は、内視鏡５００１に術部を撮影する際の照射光を供給する。光源装置５０４３は、例えばＬＥＤ、レーザ光源又はこれらの組み合わせによって構成される白色光源から構成される。このとき、ＲＧＢレーザ光源の組み合わせにより白色光源が構成される場合には、各色（各波長）の出力強度及び出力タイミングを高精度に制御することができるため、光源装置５０４３において撮像画像のホワイトバランスの調整を行うことができる。また、この場合には、ＲＧＢレーザ光源それぞれからのレーザ光を時分割で観察対象に照射し、その照射タイミングに同期してカメラヘッド５００５の撮像素子の駆動を制御することにより、ＲＧＢそれぞれに対応した画像を時分割で撮像することも可能である。当該方法によれば、当該撮像素子にカラーフィルタを設けなくても、カラー画像を得ることができる。
　また、光源装置５０４３は、出力する光の強度を所定の時間ごとに変更するようにその駆動が制御されてもよい。その光の強度の変更のタイミングに同期してカメラヘッド５００５の撮像素子の駆動を制御して時分割で画像を取得し、その画像を合成することにより、いわゆる黒つぶれ及び白とびのない高ダイナミックレンジの画像を生成することができる。
　また、光源装置５０４３は、特殊光観察に対応した所定の波長帯域の光を供給可能に構成されてもよい。特殊光観察では、例えば、体組織における光の吸収の波長依存性を利用して、通常の観察時における照射光（すなわち、白色光）に比べて狭帯域の光を照射することにより、粘膜表層の血管等の所定の組織を高コントラストで撮影する、いわゆる狭帯域光観察（Narrow　Band　Imaging）が行われる。あるいは、特殊光観察では、励起光を照射することにより発生する蛍光により画像を得る蛍光観察が行われてもよい。蛍光観察では、体組織に励起光を照射し当該体組織からの蛍光を観察するもの（自家蛍光観察）、又はインドシアニングリーン（ICG）等の試薬を体組織に局注するとともに当該体組織にその試薬の蛍光波長に対応した励起光を照射し蛍光像を得るもの等が行われ得る。光源装置５０４３は、このような特殊光観察に対応した狭帯域光及び／又は励起光を供給可能に構成され得る。
　（カメラヘッド及びＣＣＵ）
　図２を参照して、内視鏡５００１のカメラヘッド５００５及びＣＣＵ５０３９の機能についてより詳細に説明する。図２は、図１に示すカメラヘッド５００５及びＣＣＵ５０３９の機能構成の一例を示すブロック図である。
　図２を参照すると、カメラヘッド５００５は、その機能として、レンズユニット５００７と、撮像部５００９と、駆動部５０１１と、通信部５０１３と、カメラヘッド制御部５０１５と、を有する。また、ＣＣＵ５０３９は、その機能として、通信部５０５９と、画像処理部５０６１と、制御部５０６３と、を有する。カメラヘッド５００５とＣＣＵ５０３９とは、伝送ケーブル５０６５によって双方向に通信可能に接続されている。
　まず、カメラヘッド５００５の機能構成について説明する。レンズユニット５００７は、鏡筒５００３との接続部に設けられる光学系である。鏡筒５００３の先端から取り込まれた観察光は、カメラヘッド５００５まで導光され、当該レンズユニット５００７に入射する。レンズユニット５００７は、ズームレンズ及びフォーカスレンズを含む複数のレンズが組み合わされて構成される。レンズユニット５００７は、撮像部５００９の撮像素子の受光面上に観察光を集光するように、その光学特性が調整されている。また、ズームレンズ及びフォーカスレンズは、撮像画像の倍率及び焦点の調整のため、その光軸上の位置が移動可能に構成される。
　撮像部５００９は撮像素子によって構成され、レンズユニット５００７の後段に配置される。レンズユニット５００７を通過した観察光は、当該撮像素子の受光面に集光され、光電変換によって、観察像に対応した画像信号が生成される。撮像部５００９によって生成された画像信号は、通信部５０１３に提供される。
　撮像部５００９を構成する撮像素子としては、例えばＣＭＯＳ（Complementary　Metal　Oxide　Semiconductor）タイプのイメージセンサであり、Ｂａｙｅｒ配列を有するカラー撮影可能なものが用いられる。なお、当該撮像素子としては、例えば４Ｋ以上の高解像度の画像の撮影に対応可能なものが用いられてもよい。術部の画像が高解像度で得られることにより、術者５０６７は、当該術部の様子をより詳細に把握することができ、手術をより円滑に進行することが可能となる。
　また、撮像部５００９を構成する撮像素子は、３Ｄ表示に対応する右目用及び左目用の画像信号をそれぞれ取得するための１対の撮像素子を有するように構成される。３Ｄ表示が行われることにより、術者５０６７は術部における生体組織の奥行きをより正確に把握することが可能になる。なお、撮像部５００９が多板式で構成される場合には、各撮像素子に対応して、レンズユニット５００７も複数系統設けられる。
　また、撮像部５００９は、必ずしもカメラヘッド５００５に設けられなくてもよい。例えば、撮像部５００９は、鏡筒５００３の内部に、対物レンズの直後に設けられてもよい。
　駆動部５０１１は、アクチュエータによって構成され、カメラヘッド制御部５０１５からの制御により、レンズユニット５００７のズームレンズ及びフォーカスレンズを光軸に沿って所定の距離だけ移動させる。これにより、撮像部５００９による撮像画像の倍率及び焦点が適宜調整され得る。
　通信部５０１３は、ＣＣＵ５０３９との間で各種の情報を送受信するための通信装置によって構成される。通信部５０１３は、撮像部５００９から得た画像信号をＲＡＷデータとして伝送ケーブル５０６５を介してＣＣＵ５０３９に送信する。この際、術部の撮像画像を低レイテンシで表示するために、当該画像信号は光通信によって送信されることが好ましい。手術の際には、術者５０６７が撮像画像によって患部の状態を観察しながら手術を行うため、より安全で確実な手術のためには、術部の動画像が可能な限りリアルタイムに表示されることが求められるからである。光通信が行われる場合には、通信部５０１３には、電気信号を光信号に変換する光電変換モジュールが設けられる。画像信号は当該光電変換モジュールによって光信号に変換された後、伝送ケーブル５０６５を介してＣＣＵ５０３９に送信される。
　また、通信部５０１３は、ＣＣＵ５０３９から、カメラヘッド５００５の駆動を制御するための制御信号を受信する。当該制御信号には、例えば、撮像画像のフレームレートを指定する旨の情報、撮像時の露出値を指定する旨の情報、並びに／又は撮像画像の倍率及び焦点を指定する旨の情報等、撮像条件に関する情報が含まれる。通信部５０１３は、受信した制御信号をカメラヘッド制御部５０１５に提供する。なお、ＣＣＵ５０３９からの制御信号も、光通信によって伝送されてもよい。この場合、通信部５０１３には、光信号を電気信号に変換する光電変換モジュールが設けられ、制御信号は当該光電変換モジュールによって電気信号に変換された後、カメラヘッド制御部５０１５に提供される。
　なお、上記のフレームレートや露出値、倍率、焦点等の撮像条件は、取得された画像信号に基づいてＣＣＵ５０３９の制御部５０６３によって自動的に設定される。つまり、いわゆるＡＥ（Auto　Exposure）機能、ＡＦ（Auto　Focus）機能及びＡＷＢ（Auto　White　Balance）機能が内視鏡５００１に搭載される。
　カメラヘッド制御部５０１５は、通信部５０１３を介して受信したＣＣＵ５０３９からの制御信号に基づいて、カメラヘッド５００５の駆動を制御する。例えば、カメラヘッド制御部５０１５は、撮像画像のフレームレートを指定する旨の情報及び／又は撮像時の露光を指定する旨の情報に基づいて、撮像部５００９の撮像素子の駆動を制御する。また、例えば、カメラヘッド制御部５０１５は、撮像画像の倍率及び焦点を指定する旨の情報に基づいて、駆動部５０１１を介してレンズユニット５００７のズームレンズ及びフォーカスレンズを適宜移動させる。カメラヘッド制御部５０１５は、更に、鏡筒５００３やカメラヘッド５００５を識別するための情報を記憶する機能を備えてもよい。
　なお、レンズユニット５００７や撮像部５００９等の構成を、気密性及び防水性が高い密閉構造内に配置することで、カメラヘッド５００５について、オートクレーブ滅菌処理に対する耐性を持たせることができる。
　次に、ＣＣＵ５０３９の機能構成について説明する。通信部５０５９は、カメラヘッド５００５との間で各種の情報を送受信するための通信装置によって構成される。通信部５０５９は、カメラヘッド５００５から、伝送ケーブル５０６５を介して送信される画像信号を受信する。この際、上記のように、当該画像信号は好適に光通信によって送信され得る。この場合、光通信に対応して、通信部５０５９には、光信号を電気信号に変換する光電変換モジュールが設けられる。通信部５０５９は、電気信号に変換した画像信号を画像処理部５０６１に提供する。
　また、通信部５０５９は、カメラヘッド５００５に対して、カメラヘッド５００５の駆動を制御するための制御信号を送信する。当該制御信号も光通信によって送信されてよい。
　画像処理部５０６１は、カメラヘッド５００５から送信されたＲＡＷデータである画像信号に対して各種の画像処理を施す。当該画像処理としては、例えば現像処理、高画質化処理（帯域強調処理、超解像処理、ＮＲ（Noise　reduction）処理及び／又は手ブレ補正処理等）、並びに／又は拡大処理（電子ズーム処理）等、各種の公知の信号処理が含まれる。また、画像処理部５０６１は、ＡＥ、ＡＦ及びＡＷＢを行うための、画像信号に対する検波処理を行う。
　画像処理部５０６１は、ＣＰＵやＧＰＵ等のプロセッサによって構成され、当該プロセッサが所定のプログラムに従って動作することにより、上述した画像処理や検波処理が行われ得る。なお、画像処理部５０６１が複数のＧＰＵによって構成される場合には、画像処理部５０６１は、画像信号に係る情報を適宜分割し、これら複数のＧＰＵによって並列的に画像処理を行う。
　制御部５０６３は、内視鏡５００１による術部の撮像、及びその撮像画像の表示に関する各種の制御を行う。例えば、制御部５０６３は、カメラヘッド５００５の駆動を制御するための制御信号を生成する。この際、撮像条件がユーザによって入力されている場合には、制御部５０６３は、当該ユーザによる入力に基づいて制御信号を生成する。あるいは、内視鏡５００１にＡＥ機能、ＡＦ機能及びＡＷＢ機能が搭載されている場合には、制御部５０６３は、画像処理部５０６１による検波処理の結果に応じて、最適な露出値、焦点距離及びホワイトバランスを適宜算出し、制御信号を生成する。
　また、制御部５０６３は、画像処理部５０６１によって画像処理が施された画像信号に基づいて、術部の画像を表示装置５０４１に表示させる。この際、制御部５０６３は、各種の画像認識技術を用いて術部画像内における各種の物体を認識する。例えば、制御部５０６３は、術部画像に含まれる物体のエッジの形状や色等を検出することにより、鉗子等の術具、特定の生体部位、出血、エネルギー処置具５０２１使用時のミスト等を認識することができる。制御部５０６３は、表示装置５０４１に術部の画像を表示させる際に、その認識結果を用いて、各種の手術支援情報を当該術部の画像に重畳表示させる。手術支援情報が重畳表示され、術者５０６７に提示されることにより、より安全かつ確実に手術を進めることが可能になる。
　カメラヘッド５００５及びＣＣＵ５０３９を接続する伝送ケーブル５０６５は、電気信号の通信に対応した電気信号ケーブル、光通信に対応した光ファイバ、又はこれらの複合ケーブルである。
　ここで、図示する例では、伝送ケーブル５０６５を用いて有線で通信が行われていたが、カメラヘッド５００５とＣＣＵ５０３９との間の通信は無線で行われてもよい。両者の間の通信が無線で行われる場合には、伝送ケーブル５０６５を手術室内に敷設する必要がなくなるため、手術室内における医療スタッフの移動が当該伝送ケーブル５０６５によって妨げられる事態が解消され得る。
　以上、本開示に係る技術が適用され得る内視鏡手術システム５０００の一例について説明した。なお、ここでは、一例として内視鏡手術システム５０００について説明したが、本開示に係る技術が適用され得るシステムはかかる例に限定されない。例えば、本開示に係る技術は、検査用軟性内視鏡システムや顕微鏡手術システムに適用されてもよい。
２．斜視鏡の基本的構成
　図３は、本開示の一実施形態に係る斜視鏡１００の構成を示す模式図である。図３に示すように、斜視鏡１００は、カメラヘッド２００の先端に装着されている。斜視鏡１００は図１及び図２で説明した鏡筒５００３に対応し、カメラヘッド２００は、図１及び図２で説明したカメラヘッド５００５に対応する。斜視鏡１００とカメラヘッド２００は互いに独立して回動可能とされている。斜視鏡１００とカメラヘッド２００の間には、各関節部５０３３ａ，５０３３ｂ，５０３３ｃと同様にアクチュエータが設けられており、斜視鏡１００はアクチュエータの駆動によってカメラヘッド２００に対して回転する。これにより、後述する回転角θＺが制御される。
　斜視鏡１００は支持アーム装置５０２７によって支持される。支持アーム装置５０２７は、スコピストの代わりに斜視鏡１００を保持し、また術者や助手の操作によって斜視鏡１００を所望の部位が観察できるように移動させる機能を有する。
　図４は、斜視鏡１００と直視鏡１５０を対比して示す模式図である。直視鏡１５０では、対物レンズの被写体への向き（Ｃ１）と直視鏡１５０の長手方向（Ｃ２）は一致する。一方、斜視鏡１００では、対物レンズの被写体への向き（Ｃ１）は、斜視鏡１００の長手方向（Ｃ２）に対して所定の角度φを有している。
　図５及び図６は、斜視鏡１００を腹壁３２０から人体内部に挿入して観察対象物３００を観察している様子を示す模式図である。図５及び図６において、トロッカ点Ｔは、トロッカ５０２５ａが配置される位置であり、人体への斜視鏡１００の挿入位置を示している。図５及び図６に示すＣ３方向は、トロッカ点Ｔと観察対象物３００を結ぶ方向である。観察対象物３００の前に臓器などの障害物３１０が存在する場合、直視鏡１５０で図５及び図６に示すＣ３方向から観察対象物３００を観察すると、障害物３１０の陰となって観察対象物３００の全域を観察することができない。図５では、斜視鏡１００を用い、斜視鏡１００の挿入方向がＣ３方向とは異なる状態４００と、状態４００の場合に斜視鏡１００で撮像した撮像画像４１０を示している。斜視鏡１００を用いた場合であっても、図５に示す状態４００では、観察対象物３００は障害物３１０の陰となってしまう。
　一方、図６は、図５の状態に加え、斜視鏡１００の挿入方向を図５の状態４００から変え、対物レンズの向きも変えた状態４２０と、状態４２０の場合の撮像画像４３０を示している。図６の状態４２０のように斜視鏡１００の挿入方向を変え、対物レンズの向きも変えることで、障害物３１０に遮られることなく、視点を変えて観察対象物３００を観察することが可能となる。
　一方で、図６に示すように、観察対象物３００が障害物３１０に遮られてしまう状態４００から、観察対象物３００が障害物３１０によって遮られない状態４２０へ斜視鏡１００を手動で動かそうとする場合に、観察対象物３００を撮像画像の中心に位置させた状態を維持しながら状態４００から状態４２０へ直感的に操作して撮影することは一般的に難しい。また、既存の内視鏡支持アームにおいては、直視鏡１５０の操作のみを対象としており、そもそも斜視鏡１００を使用した操作に対応していない。
３．本実施形態に係る斜視鏡の制御
　本実施形態では、図６に示す状態４００から状態４２０へ遷移させて、観察対象物３００が障害物３１０によって遮られないようにする際に、観察対象物３００が撮像画像の中央に配置されるように斜視鏡１００の向きをアーム指示装置５０２７で自動的に調整する。以下、詳細に説明する。
　図７は、腹壁３２０を貫通して斜視鏡１００が人体内部に挿入された状態を示す模式図である。斜視鏡１００の腹壁３２０の貫通位置（トロッカ点Ｔ）には、トロッカ５０２５ａ（不図示）が配置され、斜視鏡１００はトロッカ５０２５ａを貫通するように人体内部へ挿入される。
　図７では、体内での座標系の設定を示している。体内での座標系として、トロッカ点Ｔを原点とする座標系Ｔを設定する。また、斜視鏡１００の先端を原点Ｈとし、対物レンズが向いている光軸方向（撮影方向）に沿った座標系Ｈを設定する。このとき、トロッカ点Ｔから見た撮影画像の中心点（被写体の中心点）Ｐの座標をＰＴとすると、座標ＰＴは以下の（１）式に示すような同次変換行列で表すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　但し、（１）式ではＰＴ∈Ｒ４の同次座標表現を示しており、θｘ，θｙ，θｚはトロッカ点Ｔでの斜視鏡の挿入姿勢を示す角度であって添字ｘ，ｙ，ｚのそれぞれの軸の周りに回転した角度である。なお、座標系Ｔにおいて、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸は、一例としてｚ軸を鉛直方向とし、ｘｙ平面をｚ軸に直交する平面として規定することができる。または、ｚ軸を斜視鏡１００の初期の挿入方向とし、ｘｙ平面をｚ軸に直交する平面として規定することもできる。また、Ｌはトロッカ点Ｔから斜視鏡１００を人体内部に挿入した長さであり、φは対物レンズの斜視の角度、ｌは対物レンズから撮影点までの距離である。本制御演算開始時のθｘ，θｙ，θｚ，Ｌ，ｌは支持アーム装置の構成から決定可能であるため、式（１）に適用することによって観察対象の座標ＰＴを具体的に求めることが可能である。
　また、（１）式において、Ｙａｗ，Ｒｏｌｌ，Ｐｉｔｃｈ，Ｔｒａｎｓｆｅｒはそれぞれ以下のような同次変換行列を表す。（１）式のＹａｗ（θｚ），Ｒｏｌｌ（θｘ），Ｐｉｔｃｈ（θｙ）は、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸に対して斜視鏡１００をどれだけ傾けたかを示している。また、Ｔｒａｎｓｆｅｒは斜視鏡１００を人体内部にどれだけ挿入したかを示している。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　図６に示す状態４００から状態４２０へ姿勢を変えて観察対象物３００を観察する場合、トロッカ点Ｔでは、斜視鏡１００の腹壁３２０に沿った方向の移動は制限される。このため、術者は、トロッカ点Ｔを中心に斜視鏡１００を回転させる動きを与えることになる。つまり、（１）式のパラメータのうちθｘ，θｙが外部（術者）から新しい姿勢のパラメータとして与えられる。本実施形態では、θｘ，θｙを既知の値として、目的の被写体（観察対象物３００）を画面の中心に維持するように、残りのパラメータを求める。特に、本実施形態では、トロッカ点Ｔから人体内部への斜視鏡１００の挿入量Ｌと、座標系ＴにおけるＺ軸周りの斜視鏡１００の回転角度θＺを求め、挿入量Ｌと回転角度θＺに基づいて支持アーム装置５０２７の操作が行われる。これにより、術者がトロッカ点Ｔを中心に斜視鏡１００を回転させる動きを与えた際に、観察対象物３００が画面の中心に常に位置することになる。
　具体的な手法は以下の通りである。ここで、（１）式に示した撮影画像の中心点Ｐの座標ＰＴは座標系Ｔから見たときの座標であるが、座標系Ｈから見た撮影画像の中心点Ｐの座標ＰＨは、（１）式のＰＴを用いて以下の（２）式で表すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　座標系Ｈにおいて、ｚ軸方向は斜視鏡１００の対物レンズの光軸方向となる。従って、撮像画像はｘｙ平面に相当する画像となる。このため、（２）式において、画面の中心に観察対象物３００が位置する条件は、（ｘＨ，ｙＨ）＝（０，０）に相当する。また、本実施形態では、体内の４自由度であることによる不足した２自由度分の制約として、ｚＨの目標値を設定しないこととした。これによって、解くべき方程式として、ｘＨ＝０，ｙＨ＝０という２つの方程式を解くことで、新しい姿勢のパラメータθｘとθｙに対応した挿入量Ｌと回転角度θＺの解を得ることができる。上述のように、Ｌはトロッカ点Ｔから人体内部への斜視鏡１００の挿入量、θＺは座標系ＴにおけるＺ軸（斜視鏡１００の長手方向軸）周りの斜視鏡１００の回転角度である。他のパラメータは既知であるので、ＬとθＺが求まることで斜視鏡１００の位置と姿勢を一意に決定することができる。
　なお、本実施形態では同次変換行列で式を表現しているが、同様の計算は３行３列の回転行列と３次元のベクトルを用いても表現できることは数学的に自明である。更に、座標の回転の順序として、上記では左からＹａｗ、Ｒｏｌｌ、Ｐｉｔｃｈの順に乗算しているが、この順番を任意に設定しても（ｘＨ，ｙＨ）＝（０，０）を解くことは可能である。また、斜視鏡１００の対物レンズの光軸方向に対する長手方向の角度を便宜上Ｐｉｔｃｈの回転としているが、ＹａｗやＲｏｌｌを選択しても解くことも可能である。
　図８は、（１）式、（２）式に基づいて挿入量Ｌと回転角度θＺを演算するアーム制御装置５０４５の構成を示す模式図である。図８に示すように、アーム制御装置５０４５は、操作量取得部５０４５ａ、演算部５０４５ｂ、アーム制御部５０４５ｃを有して構成される。図８に示すアーム制御装置５０４５の構成は、回路（ハードウェア）、またはＣＰＵなどの中央演算処理装置とこれを機能させるためのプログラム（ソフトウェア）から構成することができる。なお、本実施形態に係る医療用支持アームは、斜視鏡１００を支持する支持アーム装置５０２７とアーム制御装置５０４５とを有して構成される。支持アーム装置５０２７は７自由度以上の能動軸（アクチュエータ）を有するものとする。
　操作量取得部５０４５ａは、回転角度θｘ，θｙを取得する。各関節部５０３３ａ，５０３３ｂ，５０３３ｃに設けられたアクチュエータは、各関節部５０３３ａ，５０３３ｂ，５０３３ｃの回転角度を検出するエンコーダを備えている。また、カメラヘッド２００に対する斜視鏡１００の回転角度もエンコーダによって検出される。これにより、アーム制御装置５０４５は、斜視鏡１００の対物レンズの光軸方向を検知可能とされている。操作量取得部５０４５ａは、各関節部５０３３ａ，５０３３ｂ，５０３３ｃのエンコーダが検出する回転角度に基づいて、回転角度θｘ，θｙを取得することができる。
　演算部５０４５ｂは、回転角度θｘ，θｙに基づいて、上述した（１）式、（２）式を用いて挿入量Ｌと回転角度θＺを演算する。この際、演算部５０４５ｂは、（２）式において（ｘＨ，ｙＨ）＝（０，０）の条件を設定することで挿入量Ｌと回転角度θＺを演算する。なお、観察対象物３００は、撮像画像の中心に配置されていなくても良く、中心からずれた位置に配置されても良い。この場合は、ｘＨ，ｙＨの値を任意の値に設定すれば良い。
　アーム制御部５０４５ｃは、演算部５０４５ｂが演算した挿入量Ｌと回転角度θＺに基づいて、また操作量取得部５０４５ａが取得した回転角度θｘ，θｙに基づいて、支持アーム装置５０２７を制御する。挿入量Ｌと回転角度θｘ，θｙ，θＺが既知であれば、支持アーム装置５０２７のアーム部５０３１の駆動制御は、力制御又は位置制御等、各種の公知の制御方式によって行うことができる。なお、挿入量Ｌと回転角度θｘ，θｙ，θＺに基づく支持アーム装置５０２７の駆動は、挿入量Ｌと回転角度θｘ，θｙ，θＺを操作量として術者が手動で行うこともできる。
　以上により本実施形態では、体内での斜視鏡１００の順運動学モデルを構築して所望の場所を画面中心に維持しながら様々な方向から撮影することを可能にした。その際、完全に任意の位置と姿勢から撮影するためには体内での自由度（Ｄｅｇｒｅｅ　ＯＦ　Ｆｒｅｅｄｏｍ，　ＤＯＦ）が６自由度となるが、実際には４自由度である課題について、画面中心に目標点がくるような条件を設定し、モデル化することで方程式を解析的に解くことを可能とした。
　図９は、図６に示す状態４２０から術者が斜視鏡１００を外へ引き抜く方向に動かした状態４４０と、状態４４０の場合の撮像画像４５０を示している。（１）式、（２）式による演算により、図９のように斜視鏡１００を動かした場合であっても、撮像画像４５０の中央に観察対象物３００を位置させることが可能である。
　以上説明したように本実施形態によれば、斜視鏡１００を人体内部に挿入し、斜視鏡１００の位置、向きを変えた場合に、撮像画像の中央に常に被写体を位置させることができる。従って、術者による斜視鏡１００の操作性を大幅に向上することが可能となる。
　以上、添付図面を参照しながら本開示の好適な実施形態について詳細に説明したが、本開示の技術的範囲はかかる例に限定されない。本開示の技術分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。
　また、本明細書に記載された効果は、あくまで説明的または例示的なものであって限定的ではない。つまり、本開示に係る技術は、上記の効果とともに、または上記の効果に代えて、本明細書の記載から当業者には明らかな他の効果を奏しうる。
　なお、以下のような構成も本開示の技術的範囲に属する。
（１）　斜視鏡を支持する支持アームと、
　前記斜視鏡を人体内部へ挿入した際の挿入口を原点とする座標系において被写体の座標を規定した第１の式と、前記斜視鏡の先端を原点とする座標系において前記斜視鏡の先端に配置された対物レンズの光軸方向に位置する前記被写体の座標を規定した第２の式とに基づき、前記斜視鏡の長手方向の軸周りの回転角と前記斜視鏡の人体内部への挿入量を演算する演算部と、
　を備える、医療用支持アーム。
（２）　前記挿入口を支点とする前記斜視鏡の回転を術者の操作量として取得する操作量取得部を備え、
　前記演算部は前記操作量に基づいて前記回転角及び前記挿入量を演算する、前記（１）に記載の医療用支持アーム。
（３）　前記演算部は、前記第２の式において、前記対物レンズの光軸の中心に前記被写体が位置する条件の基に前記回転角及び前記挿入量を演算する、前記（１）又は（２）に記載の医療用支持アーム。
（４）　前記演算部は、前記第２の式において、前記対物レンズの光軸の中心から所定距離の範囲に前記被写体が位置する条件の基に前記回転角及び前記挿入量を演算する、前記（１）又は（２）に記載の医療用支持アーム。
（５）　前記演算部は、前記挿入口を原点とする第１座標系において前記被写体の第１座標を規定した前記第１の式と、前記斜視鏡の先端を原点とする第２座標系において前記第１座標に基づいて前記被写体の座標を規定した前記第２の式とに基づき、前記回転角及び前記挿入量を演算する、前記（１）～（４）のいずれかに記載の医療用支持アーム。
（６）　前記回転角と前記挿入量に基づいて前記支持アームを制御するアーム制御部を更に備える、前記（１）～（５）のいずれかに記載の医療用支持アーム。
（７）　被写体を撮像する撮像部を有するカメラヘッドと、
　人体内部に挿入され、挿入方向の軸周りに前記カメラヘッドに対して回転可能とされた斜視鏡と、
　前記斜視鏡を支持する支持アームと、
　前記支持アームを制御するアーム制御装置と、を備え、
　前記アーム制御装置は、前記斜視鏡を人体内部へ挿入した際の挿入口を原点とする座標系において前記被写体の座標を規定した第１の式と、前記斜視鏡の先端を原点とする座標系において前記斜視鏡の先端に配置された対物レンズの光軸方向に位置する前記被写体の座標を規定した第２の式とに基づき、前記斜視鏡の長手方向の軸周りの回転角と前記斜視鏡の人体内部への挿入量を演算する演算部を有する、医療用システム。
（８）　前記アーム制御装置は、前記挿入口を支点とする前記斜視鏡の回転を術者の操作量として取得する操作量取得部を備え、
　前記演算部は前記操作量に基づいて前記回転角及び前記挿入量を演算する、前記（７）に記載の医療用システム。
（９）　前記演算部は、前記第２の式において、前記対物レンズの光軸の中心に前記被写体が位置する条件の基に前記回転角及び前記挿入量を演算する、前記（７）又は（８）に記載の医療用システム。
（１０）　前記演算部は、前記第２の式において、前記対物レンズの光軸の中心から所定距離の範囲に前記被写体が位置する条件の基に前記回転角及び前記挿入量を演算する、前記（７）又は（８）に記載の医療用システム。
（１１）　前記演算部は、前記挿入口を原点とする第１座標系において前記被写体の第１座標を規定した前記第１の式と、前記斜視鏡の先端を原点とする第２座標系において前記第１座標に基づいて前記被写体の座標を規定した前記第２の式とに基づき、前記回転角及び前記挿入量を演算する、前記（７）～（１０）のいずれかに記載の医療用システム。
（１２）　前記アーム制御装置は、前記回転角と前記挿入量に基づいて前記支持アームを制御するアーム制御部を更に備える、前記（７）～（１１）のいずれかに記載の医療用システム。
　１００　　斜視鏡
　２００　　カメラヘッド
　５０２７　　支持アーム
　５０４５　　アーム制御装置
　５０４５ａ　　操作量取得部
　５０４５ｂ　　演算部
　５０４５ｃ　　アーム制御部

Claims (12)

  1. 　斜視鏡を支持する支持アームと、
    　前記斜視鏡を人体内部へ挿入した際の挿入口を原点とする座標系において被写体の座標を規定した第１の式と、前記斜視鏡の先端を原点とする座標系において前記斜視鏡の先端に配置された対物レンズの光軸方向に位置する前記被写体の座標を規定した第２の式とに基づき、前記斜視鏡の長手方向の軸周りの回転角と前記斜視鏡の人体内部への挿入量を演算する演算部と、
    　を備える、医療用支持アーム。
  2. 　前記挿入口を支点とする前記斜視鏡の回転を術者の操作量として取得する操作量取得部を備え、
    　前記演算部は前記操作量に基づいて前記回転角及び前記挿入量を演算する、請求項１に記載の医療用支持アーム。
  3. 　前記演算部は、前記第２の式において、前記対物レンズの光軸の中心に前記被写体が位置する条件の基に前記回転角及び前記挿入量を演算する、請求項１に記載の医療用支持アーム。
  4. 　前記演算部は、前記第２の式において、前記対物レンズの光軸の中心から所定距離の範囲に前記被写体が位置する条件の基に前記回転角及び前記挿入量を演算する、請求項１に記載の医療用支持アーム。
  5. 　前記演算部は、前記挿入口を原点とする第１座標系において前記被写体の第１座標を規定した前記第１の式と、前記斜視鏡の先端を原点とする第２座標系において前記第１座標に基づいて前記被写体の座標を規定した前記第２の式とに基づき、前記回転角及び前記挿入量を演算する、請求項１に記載の医療用支持アーム。
  6. 　前記回転角と前記挿入量に基づいて前記支持アームを制御するアーム制御部を更に備える、請求項１に記載の医療用支持アーム。
  7. 　被写体を撮像する撮像部を有するカメラヘッドと、
    　人体内部に挿入され、挿入方向の軸周りに前記カメラヘッドに対して回転可能とされた斜視鏡と、
    　前記斜視鏡を支持する支持アームと、
    　前記支持アームを制御するアーム制御装置と、を備え、
    　前記アーム制御装置は、前記斜視鏡を人体内部へ挿入した際の挿入口を原点とする座標系において前記被写体の座標を規定した第１の式と、前記斜視鏡の先端を原点とする座標系において前記斜視鏡の先端に配置された対物レンズの光軸方向に位置する前記被写体の座標を規定した第２の式とに基づき、前記斜視鏡の長手方向の軸周りの回転角と前記斜視鏡の人体内部への挿入量を演算する演算部を有する、医療用システム。
  8. 　前記アーム制御装置は、前記挿入口を支点とする前記斜視鏡の回転を術者の操作量として取得する操作量取得部を備え、
    　前記演算部は前記操作量に基づいて前記回転角及び前記挿入量を演算する、請求項７に記載の医療用システム。
  9. 　前記演算部は、前記第２の式において、前記対物レンズの光軸の中心に前記被写体が位置する条件の基に前記回転角及び前記挿入量を演算する、請求項７に記載の医療用システム。
  10. 　前記演算部は、前記第２の式において、前記対物レンズの光軸の中心から所定距離の範囲に前記被写体が位置する条件の基に前記回転角及び前記挿入量を演算する、請求項７に記載の医療用システム。
  11. 　前記演算部は、前記挿入口を原点とする第１座標系において前記被写体の第１座標を規定した前記第１の式と、前記斜視鏡の先端を原点とする第２座標系において前記第１座標に基づいて前記被写体の座標を規定した前記第２の式とに基づき、前記回転角及び前記挿入量を演算する、請求項７に記載の医療用システム。
  12. 　前記アーム制御装置は、前記回転角と前記挿入量に基づいて前記支持アームを制御するアーム制御部を更に備える、請求項７に記載の医療用システム。
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