WO2018122946A1

WO2018122946A1 - 医療用マニピュレータの形状取得方法および制御方法

Info

Publication number: WO2018122946A1
Application number: PCT/JP2016/088841
Authority: WO
Inventors: 豪新井
Original assignee: オリンパス株式会社
Priority date: 2016-12-27
Filing date: 2016-12-27
Publication date: 2018-07-05
Also published as: US11478306B2; US20190307517A1

Abstract

本発明に係る医療用マニピュレータシステム（１）は、マニピュレータ（２）と、マニピュレータ用チャネル（１３）と、マニピュレータ用チャネル（１３）に沿う経路（Ａ）と、マニピュレータ用チャネル（１３）の形状情報を検出する形状センサ（４）と、形状センサ（４）を駆動させる形状センサ駆動部（８）と、マニピュレータ（２）を駆動させるマニピュレータ駆動部（１１）と、形状センサ駆動部（８）の駆動量に基づいて形状センサ（４）の位置情報を算出する位置情報算出部（９）と、マニピュレータ用チャネル（１３）の形状情報と位置情報とに基づいてマニピュレータ（２）の湾曲形状を推定する形状推定部（６）と、湾曲形状情報からマニピュレータ（２）の制御パラメータを算出する制御パラメータ算出部（１０）と、制御パラメータに基づいてマニピュレータ２を制御するマニピュレータ制御部（３）と、を備える。

Description

医療用マニピュレータの形状取得方法および制御方法

　本発明は、医療用マニピュレータの形状取得方法および制御方法に関するものである。

　患者の体腔内に挿入される内視鏡の鉗子チャネル等を経由して患者の体内に医療用マニピュレータを挿入し、患部の処置を行う医療用マニピュレータシステムが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
　特許文献１の医療用マニピュレータシステムでは、光ファイバセンサにより検出した曲げに関する情報と運動学的なモデルに関する情報とに基づいて、マニピュレータの運動学的な形状情報、すなわち、マニピュレータの関節角度に関する情報を推定している。

米国特許第７７２０３２２号明細書

　しかしながら、特許文献１に記載の医療用マニピュレータシステムでは、医療用マニピュレータの長手方向に沿う複数箇所での曲げ半径を検出するために多数の光ファイバを束ねたファイババンドルが必要となる。マニピュレータは、低侵襲化のために細径化が求められるが、多数のファイババンドルを用いるとマニピュレータが太径化して細径化が妨げられ、低侵襲化の実現が困難になる。また、医療用マニピュレータ製造のための部品点数が多くなり、コストがかかるという不都合がある。

　本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、マニピュレータの細径化を図りながら、最小限のセンサを用いて医療用マニピュレータの長手方向に沿う軟性形状を継続的に推定することができる医療用マニピュレータの形状取得方法および制御方法を提供することを目的としている。

　本発明の一態様は、軟性部を有し先端に１以上の関節を有する長尺のマニピュレータと、該マニピュレータを貫通させるマニピュレータ用チャネルと、該マニピュレータ用チャネルの長手方向に沿って設けられる経路と、該経路内部を移動可能に設けられ、前記マニピュレータ用チャネルの形状情報を検出する１以上の検出点を有する形状センサと、前記形状センサを前記経路の長手方向に沿って前進後退駆動させる形状センサ駆動部と、前記マニピュレータを駆動させるマニピュレータ駆動部と、前記マニピュレータおよび前記形状センサを制御する制御部と、を備え、該制御部は、該形状センサ駆動部の駆動量に基づいて前記形状センサの長手方向位置情報を算出する位置情報算出部と、検出された前記マニピュレータ用チャネルの形状情報と、算出された前記形状センサの長手方向位置情報とに基づいて、前記マニピュレータの湾曲形状を推定する形状推定部と、推定された前記マニピュレータの湾曲形状の情報から前記マニピュレータの制御パラメータを算出する制御パラメータ算出部と、算出された前記制御パラメータに基づいて、前記マニピュレータの制御を行うマニピュレータ制御部と、を備える医療用マニピュレータシステムである。

　本態様によれば、軟性部を有する長尺のマニピュレータが配置されるマニピュレータ用チャネルの長手方向に沿って設けられる経路に１以上の検出点を有する形状センサを挿通し、形状センサを経路の長手方向に沿って前進後退駆動させながら形状センサによってマニピュレータ用チャネルの形状を検出することにより、検出されたマニピュレータ用チャネルの形状とその長手方向位置情報とに基づいてマニピュレータの湾曲形状を推定することができる。すなわち、手技を行いながら、少ない数の形状センサをリアルタイムで長手方向に前進後退駆動させて長手方向の各位置において形状を検出することができるので、多数の光ファイバを束ねたファイババンドルのような形状センサを用いることなく、最小限のセンサを用いて、マニピュレータ用チャネルの形状、すなわち、該マニピュレータ用チャネルに配置されたときのマニピュレータの長手方向に沿う湾曲形状を推定することができる。

　また、形状センサは１以上の検出点を有しているので、最小限の移動操作で複数の経路情報を検出することができる。
　さらに、推定されたマニピュレータの湾曲形状の情報から制御パラメータ算出部によりマニピュレータの制御パラメータを算出し、算出された制御パラメータに基づいて、マニピュレータの制御を行うので、マニピュレータの駆動力の減衰や関節の干渉を補償し、軟性部の形状によらずマニピュレータを良好に制御することができる。

　上記態様においては、前記形状推定部は、形状センサにより検出された前記マニピュレータ用チャネルの前記形状情報と、Ｎ＋１サイクル（Ｎ≧０）前に検出された同一の前記マニピュレータ用チャネルの形状情報とを比較し、その差分が第１の閾値以上となる場合には前記マニピュレータの形状情報を更新することとしてもよい。

　このようにすることで、検出されたマニピュレータ用チャネルの形状情報と事前に検出されたマニピュレータ用チャネルの形状情報とを比較して、その差分が第１の閾値以上となる場合にのみマニピュレータの形状情報を更新することとしたので、誤差やぶれ等の場合にマニピュレータが不用意に操作されることを防ぎ、精度よくマニピュレータを制御することができる。

　また、上記態様においては、前記形状センサ駆動部が、前記マニピュレータの基端付近に配置され、回転駆動により該形状センサを前進後退駆動させる動力を発生するモータと、前記マニピュレータの先端付近に配置され、前記形状センサの一部が掛け回されこれにより該形状センサをガイドするガイド部材と、を備え、前記モータの回転駆動に伴い前記形状センサを牽引及び繰出すことにより、前記形状センサを前進後退駆動させることとしてもよい。

　このようにすることで、形状センサが、マニピュレータ用チャネルに平行に設けられた経路内において、マニピュレータの基端付近に配置されたモータとマニピュレータの先端付近に配置されたガイド部材との間を前進後退駆動可能となる。したがって、マニピュレータ用チャネルに配置されたマニピュレータ（特に軟性部）の全長にわたってマニピュレータの湾曲形状を推定することができる。また、マニピュレータにより手技を行っている場合であっても、マニピュレータ用チャネルに平行に配置された経路内において形状センサを前進後退駆動させることができるので、手技中にリアルタイムでマニピュレータの湾曲形状を推定することができる。

　また、上記態様においては、前記形状センサの先端には該形状センサよりも細径の牽引用ワイヤが接続され、前記形状センサ駆動部が、前記マニピュレータの基端付近に配置され、回転駆動により前記牽引用ワイヤを介して該形状センサを前進後退駆動させる動力を発生するモータと、前記マニピュレータの先端付近に配置され、前記牽引用ワイヤの一部が掛け回されこれにより該引用ワイヤをガイドするガイド部材と、を備え、前記モータの回転駆動に伴い前記形状センサを牽引及び繰出すことにより、前記形状センサを前進

　このようにすることで、形状センサが、マニピュレータ用チャネルに平行に設けられた経路内において、マニピュレータの基端付近に配置されたモータとマニピュレータの先端付近に配置されたガイド部材との間を前進後退駆動可能となる。このとき、形状センサの先端には牽引用ワイヤが接続されており、ガイド部材にはこの牽引用ワイヤの一部が掛け回される。したがって、形状センサがガイド部材に掛け回されないため、形状センサの折れや破損を防ぐことができる。また、牽引用ワイヤは形状センサよりも細径であるので、ガイド部材のＲ部の径を小さくすることができる。したがって、形状センサが挿通される経路の内径を小さくすることができ、医療用マニピュレータシステムの寸法を小さくすることができる。

　また、上記態様においては、前記牽引用ワイヤにおける前記形状センサが接続されている側とは反対側の端部には、前記形状センサに並列して配置される副形状センサが接続されることとしてもよい。
　このようにすることで、１以上の検出点を有する形状センサと、副形状センサの２本の形状センサにより、経路の長手方向の各位置において、２方向のマニピュレータ用チャネルの形状情報を同時に検出することができ、より精密かつ迅速にマニピュレータの湾曲形状を推定することができる。

　また、上記態様においては、前記形状センサと前記ガイド部材との間には、前記形状センサの前記ガイド部材への侵入を防止するストッパを設けることとしてもよい。
　このようにすることで、形状センサがガイド部材に掛け回されることを防ぐことができ、形状センサの折れ曲がりや破損を簡易に防ぐことができる。

　また、上記態様においては、前記形状センサの先端には、前記経路内径と略同径に拡張可能な受圧部材が設けられ、形状センサ駆動部は、前記受圧部材に対して長手方向に圧力を付加することで前記形状センサを前進後退駆動させる送圧手段が設けられていてもよい。
　このようにすることで、形状センサが柔軟な素材から形成されている場合であっても、形状センサの先端に設けられた受圧部材に対し、送圧手段により長手方向に圧力を付加することで、形状センサを容易に長手方向に前進後退駆動させることができる。
　また、形状センサの一部を掛け回してガイドするガイド部材とモータとにより形状センサを駆動させる構造に比べ、形状センサが挿通される経路の内径を小さくすることができ、したがって、医療用マニピュレータシステムの寸法を小さくすることができる。

　また、上記態様においては、前記形状推定部が、前記形状センサにより検出された前記マニピュレータ用チャネルの形状情報が第２の閾値以上となる場合に異常と判断し、再度、前記形状センサによる前記マニピュレータ用チャネルの形状情報の検出を行わせることとしてもよい。
　このようにすることで、マニピュレータ用チャネルの形状情報が第２の閾値以上となる場合には、通常の使用ではあり得えないほどの位置ずれ等、何らかの異常があると判断して、再度、形状センサにマニピュレータ用チャネルの形状情報を検出させる。したがって、異常な値に基づいてマニピュレータの無理な制御や駆動が行わることを防き、安全性を確保することができる。

　また、上記態様においては、前記マニピュレータ制御部が、前記制御パラメータ算出部が算出した前記マニピュレータの制御パラメータと、１サイクル前に算出された前記マニピュレータの制御パラメータとを比較し、その差分が第３の閾値以上となる場合には、前記マニピュレータ制御部に保存された高域遮断フィルタにより補正された補正後制御パラメータを、前記マニピュレータ駆動部に出力するよう制御することとしてもよい。

　このようにすることで、マニピュレータの制御パラメータと、１サイクル前に算出されたマニピュレータの制御パラメータとの差分が第３の閾値以上となる場合には、高域遮断フィルタにより補正された補正後制御パラメータに基づいてマニピュレータが駆動されるので、マニピュレータの駆動量を一定範囲内に抑えることができる。したがって、急激にパラメータが変化することによるマニピュレータの動作の不安定化を回避し、マニピュレータを安定して駆動させることができる。

　また、上記態様においては、前記マニピュレータ制御部が、前記制御パラメータ算出部が算出した前記マニピュレータの制御パラメータと、１サイクル前に算出された前記マニピュレータの制御パラメータとを比較し、その差分が第４の閾値よりも大きい場合には、異常と判断し、再度、前記形状センサに前記マニピュレータ用チャネルの形状情報の検出を行わせるよう制御することとしてもよい。

　このようにすることで、マニピュレータの制御パラメータと、１サイクル前に算出されたマニピュレータの制御パラメータとの差分が第４の閾値よりも大きい場合には、何らかの異常があると判断されるので、異常な値に基づいてマニピュレータが無理に制御されることを防ぐことができ、安全に操作を行うことができる。

　また、上記態様においては、前記異常との判断が所定の回数以上検知された場合に異常状態であることを操作者に警告する警告部をさらに備えていてもよい。
　このようにすることで、異常が所定回数以上検知された場合には、視覚や聴覚等を介して異常を操作者に確実に認識させることができ、安全性を高めることができる。

　また、上記態様においては、前記マニピュレータ駆動部は、前記形状センサにより取得した前記マニピュレータの形状情報に基づいて前記関節の制御を行うこととしてもよい。
　このようにすることで、マニピュレータの関節は、マニピュレータの軟性部の形状情報に基づいて制御されるので、マニピュレータの先端部の角度の制御性を向上させることができる。

　また、本発明の一態様は、軟性部を有し先端に1以上の関節をする長尺のマニピュレータが配置されるマニピュレータ用チャネルの長手方向に沿って、1点以上の検出点を有する形状センサを前進後退させる形状センサ駆動ステップと、前記形状センサの駆動量に基づいて前記形状センサの長手方向位置情報を算出する位置情報算出ステップと、検出された形状センサの形状情報と、算出された前記形状センサの長手方向位置において前記形状センサにより検出された前記マニピュレータ用チャネルの形状情報とに基づいて、前記マニピュレータの湾曲形状を推定する形状推定ステップとを含む医療用マニピュレータの湾曲形状推定方法である。

　また、本発明の一態様は、上記の医療用マニピュレータの湾曲形状推定方法により推定された前記マニピュレータの湾曲形状の情報から前記マニピュレータの制御パラメータを算出する制御パラメータ算出ステップと、算出された前記制御パラメータに基づいて、前記マニピュレータの制御を行うマニピュレータ制御ステップと、を含む医療用マニピュレータの制御方法である。

　本発明によれば、マニピュレータの細径化を図りながら、最小限のセンサを用いて医療用マニピュレータの長手方向に沿う軟性形状を継続的に推定することができるという効果を奏する。

本発明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の先端部分を示す部分拡大図である。図１の医療用マニピュレータシステムの機能ブロック図である。図１の医療用マニピュレータシステムに用いられる形状センサと形状センサ駆動部の一例を示す図である。図４Ａの形状センサと形状センサ駆動部の第１変形例を示す図である。図４Ａの形状センサと形状センサ駆動部の第２変形例を示す図である。図４Ａの形状センサと形状センサ駆動部の第３変形例を示す図である。図４Ａの形状センサと形状センサ駆動部の第４変形例を示す図である。本発明の実施形態に係る医療用マニピュレータの制御方法を示すフローチャートである。本発明の実施形態に係る医療用マニピュレータの他の制御方法を示すフローチャートである。本発明の実施形態に係る医療用マニピュレータの他の制御方法を示すフローチャートである。本発明の実施形態に係る医療用マニピュレータの他の制御方法を示すフローチャートである。

　本発明の一実施形態に係る医療用マニピュレータシステム１およびマニピュレータ２の形状取得方法および制御方法について、図面を参照して以下に説明する。
　本実施形態に係る医療用マニピュレータシステム１は、図１から図３に示されるように、可撓性を有する材質からなる細長いチューブであるオーバーチューブ５と、該オーバーチューブ５に設けられたマニピュレータ用チャネル１３に挿通され、先端に１以上の関節を有する長尺のマニピュレータ２と、該マニピュレータ２が挿入されるマニピュレータ用チャネル１３の長手方向に沿って平行に設けられる経路Ａに挿通され、マニピュレータ用チャネル１３の曲率半径（形状情報）を検出するための形状センサ４と、該形状センサ４を経路Ａの長手方向に沿って前進後退駆動させる形状センサ駆動部８と、マニピュレータ２および形状センサ４を制御する制御部１００を備えている。

　制御部１００は、形状センサ駆動部８の駆動量（挿入量）に基づいて形状センサ４の長手方向位置情報を算出する位置情報算出部９と、検出されたマニピュレータ用チャネル１３の形状情報（曲率半径）と、算出された形状センサ４の長手方向位置情報とに基づいて、マニピュレータ２の湾曲形状を推定する形状推定部６と、推定されたマニピュレータ２の湾曲形状の情報からマニピュレータ２の制御パラメータを算出する制御パラメータ算出部１０と、算出された制御パラメータに基づいて、マニピュレータ２の制御を行うマニピュレータ制御部３と、を備えている。
形状センサ駆動部８は、マニピュレータ２の基端付近に配置され、回転駆動により形状センサ４を前進後退駆動させる動力を発生するモータ１８と、マニピュレータ２の先端付近に配置され、形状センサ４の一部が掛け回され、これにより形状センサ４をガイドするガイド部材１７とを備えている（図４Ａ参照）。

　マニピュレータ２は、図２に示されるように、細長い軟性部７と、該軟性部７の先端に配置された把持鉗子のような処置部１５と、該処置部１５の姿勢を変化させる関節１６とを備えている。軟性部７の基端には、図１に示されるように、マニピュレータ２を駆動させるマニピュレータ駆動部１１が備えられ、後述するマニピュレータ制御部３からの指令に基づいてマニピュレータ２を駆動させる動力を発生させるようになっている。マニピュレータ駆動部１１は、動力を発生させる図示しないモータを備え、モータの回転によってワイヤなどの動力伝達部材を介して処置部１５および関節１６を動作させるようになっている。

　形状センサ４は、例えば、可撓性を有する細長い長尺部材の光ファイバセンサ等のセンサであって、長手方向に沿って設けられた１以上の検出点Ｐにおいて、形状センサ４の長手軸を含む一平面に沿う方向の曲率半径に応じた信号を検出するようになっている。図2に示されるように、形状センサ４は、マニピュレータ用チャネル１３の長手方向に沿って平行に設けられている経路Ａに挿通されるようになっており、形状センサ４の基端に設けられた形状センサ駆動部８の回転駆動により、経路Ａの長手方向に沿って形状センサ４を前進後退駆動できるようになっている。より具体的には、図４Ａに示されるように、長尺部材からなる形状センサ４は、マニピュレータ２の先端付近に配置されたガイド部材１７に掛け回されて折り返されており、その基端部がマニピュレータ２の基端付近に配置されたモータ１８に接続されている。言い換えると、形状センサ４は形状センサ駆動部８のモータ１８とガイド部材１７との間でループ状に形成されており、モータ１８の回転駆動に伴い、モータ１８とガイド部材１７との間で形状センサ４が牽引及び繰出されることで前進後退するようになっている。

　位置情報算出部９は、形状センサ駆動部８により挿入された形状センサ４の駆動量（挿入量）に基づいて形状センサ４の長手方向の移動量（長手方向位置情報）を算出する。形状センサ４の長手方向の移動量は、例えば、モータ１８の回転量を換算することで算出することができる。また、これに代えて、形状センサ４の外面に接触し、形状センサ４の長手方向の移動によって回転させられる図示しないローラ等の回転部材を配置し、この回転部材の回転量に基づいて形状センサ４の長手方向の移動量を算出する等、その他の方法を採ることとしてもよい。

　形状推定部６は、マニピュレータ２の配置されるマニピュレータ用チャネル１３の長手方向に沿って並列して設けられる経路Ａ内において形状センサ４を移動させながら、位置情報算出部９により算出された形状センサ４の挿入量と、形状センサ４によって検出された曲率半径に応じた信号とに基づいて経路Ａの湾曲形状を推定するようになっている。形状センサ４が挿通される経路Ａは、マニピュレータ２が挿通されるマニピュレータ用チャネル１３の長手方向に沿って平行に設けられているので、マニピュレータ用チャネル１３内にマニピュレータ２を挿入すると、マニピュレータ用チャネル１３の形状に倣ってマニピュレータ２の軟性部７の形状が変化し、経路Ａに挿通される形状センサ４の形状が変化する。したがって、経路Ａの形状情報とマニピュレータ用チャネル１３の形状情報はほぼ等しく、経路Ａの湾曲形状をマニピュレータ用チャネル１３の湾曲形状とみなすことができる。

　形状センサ４を挿通させる経路Ａは、マニピュレータ２を挿入する内視鏡やオーバーチューブに設けられたチャネルの他、マニピュレータ２自体に設けられたチャネル、或いは、マニピュレータ２の外面に併走するように配置されたチューブの内孔等であり、特に、患者の曲がりくねった体腔内にマニピュレータ２を挿入して体内の患部を処置する場合に、体腔内に挿入された状態のマニピュレータ２の湾曲形状を表す任意の経路としてもよい。

　制御パラメータ算出部１０は、形状推定部６により推定されたマニピュレータ２の湾曲形状の情報からマニピュレータ２の制御パラメータを算出するようになっている。マニピュレータ制御部３は、制御パラメータ算出部１０により算出されたマニピュレータ２の制御パラメータに基づいてマニピュレータ２を制御する。

　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を用いて患者の体腔内の患部を処置するには、まず、患者の曲がりくねった体腔に沿って患部近傍までオーバーチューブ５を挿入する。オーバーチューブ５は可撓性を有するので、患者の体腔の形状に倣って湾曲する。そして、オーバーチューブ５に設けられたマニピュレータ用チャネル１３に、処置に応じて選択したマニピュレータ２を挿入する。

　次に、形状センサ４を、オーバーチューブ５に設けられた経路Ａに挿入する。そして、モータ１８により、該モータ１８とガイド部材１７との間で形状センサを長手方向に前進後退駆動させながら、１以上の検出点Ｐの各位置における曲率半径の測定と、形状センサ４の長手方向への移動とを繰り返し、得られた複数の曲率半径の情報と長手方向位置の情報とを対応づけたデータに基づいて、形状推定部６によりマニピュレータ用チャネル１３の湾曲形状が推定される。これにより、マニピュレータ用チャネル１３の湾曲形状を形状センサ４によってトレースするようにして推定することができる。

　このようにしてマニピュレータ用チャネル１３の湾曲形状が推定されるので、マニピュレータ用チャネル１３にマニピュレータ２が挿入された状態であっても、マニピュレータ用チャネル１３について推定された湾曲形状に基づいてマニピュレータ２がマニピュレータ制御部３により制御され、マニピュレータ２の操作性を向上させることができる。

　一の患部を処置している状態から異なる患部を処置するためにオーバーチューブ５を移動させたり、患者の体位が変更されたり、或いは、臓器が動く等した場合には、患者の体腔の形状が変更され、変更された体腔の形状に倣ってオーバーチューブ５も湾曲させられる場合がある。このような場合には、再び経路Ａ内に形状センサ４を長手方向に前進後退させながらマニピュレータ用チャネル１３の湾曲形状を推定し、推定されたマニピュレータ用チャネル１３の湾曲形状に合わせてマニピュレータ２を湾曲させる動作を繰り返せばよい。
　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では、手義の最中に患部を移動させたり患者の体位等が変更された場合であっても、形状センサ４をオーバーチューブ５の経路Ａから抜き差しすることなく配置したままで、マニピュレータ用チャネル１３内においてマニピュレータ２を制御することができる。

　また、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、少ない数の形状センサ４を経路Ａの長手方向に移動させながら、１以上の検出点Ｐにより各位置で複数の形状情報を検出してマニピュレータ用チャネル１３の湾曲形状を推定するので、多数の形状センサ４が不要であり、最小限の形状センサ４を用いてマニピュレータ２の長手方向に沿う湾曲形状を測定することができるという利点がある。
　さらに、形状センサ４を経路Ａから抜き差しすることなく配置したまま手技を行うことができるので、リアルタイムでマニピュレータ用チャネル１３に配置されたときのマニピュレータ２の長手方向に沿う湾曲形状を推定することができる。
　さらにまた、推定されたマニピュレータ２の湾曲形状の情報から算出された制御パラメータに基づいてマニピュレータ２の制御を行うので、マニピュレータ２の駆動力の減衰や関節の干渉を補償し、軟性部７の形状によらずマニピュレータ２を良好に制御することができるという利点もある。

　なお、本実施形態においては、形状推定部６は、検出されたマニピュレータ用チャネル１３の形状情報と、事前に検出されたマニピュレータ用チャネル１３の形状情報とを比較し、その差分が所定の閾値以上となる場合には形状情報を更新することとしてもよい。
　具体的には、図５に示されるように、形状センサ４により検出されたマニピュレータ用チャネル１３の形状情報と、Ｎ＋１サイクル（Ｎ≧０）前に検出されたマニピュレータ用チャネル１３の形状情報とを比較し（ステップＳＡ１）、この差分Ｄ_Ｒが第１の閾値Ｔｈ１以上となる場合（ステップＳＡ２）には、マニピュレータ用チャネル１３の形状が変化したものと判断してマニピュレータ２の形状情報を更新する（ステップＳＡ３）。そして、制御パラメータ算出部１０は、更新された形状情報に基づいてマニピュレータ２の制御パラメータを算出し（ステップＳＡ４）、マニピュレータ制御部３は、この算出された制御パラメータに基づいて、マニピュレータ２の制御を行う（ステップＳＡ５）。
　また、マニピュレータ用チャネル１３の形状情報と、Ｎ＋１サイクル（Ｎ≧０）前に検出されたマニピュレータ用チャネル１３の形状情報との差分Ｄ_Ｒが第１の閾値Ｔｈ１以下となる場合には（ステップＳＡ２）、形状情報がそのまま制御パラメータ算出部１０に送信され、この形状情報に基づいてマニピュレータ２の制御パラメータが算出される（ステップＳＡ４）。マニピュレータ制御部３は、制御パラメータ算出部１０により算出された制御パラメータに基づいて、マニピュレータ２の制御を行う（ステップＳＡ５）。
　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、誤差やぶれ等の場合にマニピュレータ２が不用意に操作されることを防ぎ、精度よくマニピュレータ２を制御することができるという利点がある。

　また、形状センサ駆動部８による形状センサ４の駆動、形状推定部６によるマニピュレータ２の湾曲形状の推定および、制御パラメータ算出部１０によるマニピュレータ２の制御パラメータの算出は、リアルタイムで行うこととしてもよい。
　このように、リアルタイムでマニピュレータ２の形状を推定して、マニピュレータ２の制御パラメータを継続的に算出・更新することで、制御パラメータが変化したとしても、マニピュレータ２の制御をスムーズに行うことができる。
　例えば、形状センサ駆動部８による形状センサ４の駆動、形状推定部６によるマニピュレータ２の湾曲形状の推定および、制御パラメータ算出部１０によるマニピュレータ２の制御パラメータの算出を、マニピュレータ制御部３によるマニピュレータ２の制御周期の１００００倍以下、例えば、マニピュレータの制御周期が１００μｓ、形状推定からパラメータ算出を１ｓ以下の制御周期で行うことにより、マニピュレータ２の制御性を向上させることができる。

　また、形状センサ駆動部８、形状推定部６、制御パラメータ算出部１０および、マニピュレータ制御部３を、それぞれ別個独立した動作モードで動作可能に構成することとしてもよい。
　このすることで、例えば、マニピュレータ2の制御をおこなわず、形状センサ４によりマニピュレータ用チャネル１３の形状情報を検出してマニピュレータ２の制御パラメータを算出するパラメータ算出モードと、マニピュレータ用チャネル１３の形状情報の検出および制御パラメータの算出を行わず、マニピュレータ２を制御して処置を行うマニピュレータ制御モードとに切り替えられるようになっている。したがって、パラメータ算出モードでは、マニピュレータ２は停止状態となるので、マニピュレータ２が不要に駆動されることが無く、安全に操作することができる。

　また、本実施形態においては、形状センサ４により検出されたマニピュレータ用チャネル１３の形状情報が第２の閾値以上となる場合には異常と判断し、形状推定部６が、再度、形状センサ４にマニピュレータ用チャネル１３の形状情報の検出を行わせることとしてもよい。具体的には、図６に示されるように、形状センサ４により検出されたマニピュレータ用チャネル１３の形状情報Ｒが第２の閾値Ｔｈ２以上となる場合には、通常の使用ではあり得えないほどの位置ずれ等、何らかの異常があると判断し、再度、形状推定部６が、形状センサ４にマニピュレータ用チャネル１３の形状情報を検出させる（ステップＳＢ１）。
　また、形状センサ４により検出されたマニピュレータ用チャネル１３の形状情報Ｒが第２の閾値Ｔｈ２よりも小さい場合には、位置ずれ等の異常がないものと判断し、検出された形状情報Ｒを制御パラメータ算出部に出力する（ステップＳＢ２）。制御パラメータ算出部１０は、出力された形状情報Ｒに基づいてマニピュレータ２の制御パラメータを算出し（ステップＳＢ３）、この算出された制御パラメータに基づいて、マニピュレータ制御部３はマニピュレータ２の制御を行う（ステップＳＢ４）。
　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、異常な値に基づいてマニピュレータ２の無理な制御や駆動が行わることを防ぎ、安全性を確保することができる。

　また、本実施形態においては、マニピュレータ制御部３が、制御パラメータ算出部１０が算出したマニピュレータ２の制御パラメータと、１サイクル前に算出されたマニピュレータ２の制御パラメータとを比較し、その差分が第３の閾値以上となる場合には、マニピュレータ制御部３に保存された高域遮断フィルタにより補正された補正後制御パラメータをマニピュレータ駆動部１１に出力することとしてもよい。

　具体的には、図７に示されるように、形状センサ４により検出されたマニピュレータ用チャネル１３の形状情報が形状推定部６に入力され（ステップＳＣ１）、この形状情報に基づいてマニピュレータ２の制御パラメータが制御パラメータ算出部１０により算出される（ステップＳＣ２）。次いで、マニピュレータ制御部３が、算出された制御パラメータを１サイクル前に算出されたマニピュレータ２の制御パラメータと比較し（ステップＳＣ３）、その差分Ｄ_ｋが第３の閾値Ｔｈ３以上となる場合には（ステップＳＣ４）、マニピュレータ制御部３に保存された高域遮断フィルタにより補正された補正後制御パラメータをマニピュレータ駆動部１１に出力する（ステップＳＣ５）。そして、この補正された補正後制御パラメータに基づいて、マニピュレータ駆動部１１によりマニピュレータ２が駆動される（ステップＳＣ７）。

　また、算出された制御パラメータと１サイクル前に算出されたマニピュレータ２の制御パラメータとの差分Ｄ_ｋが第３の閾値Ｔｈ３よりも小さい場合には、制御パラメータがそのままマニピュレータ駆動部１１に出力され（ステップＳＣ６）、出力された制御パラメータに基づいて、マニピュレータ２がマニピュレータ駆動部１１により駆動される（ステップＳＣ７）。
　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、マニピュレータ２の制御パラメータと、１サイクル前に算出されたマニピュレータ２の制御パラメータとの差分Ｄ_ｋが第３の閾値Ｔｈ３以上となる場合には補正後制御パラメータに基づいてマニピュレータ２が駆動されるので、急激にパラメータが変化してもマニピュレータ２の駆動量を一定範囲内に抑えることができ、したがって、マニピュレータ２を安定して駆動させることができる。

　また、本実施形態においては、マニピュレータ制御部３が、制御パラメータ算出部１０が算出したマニピュレータ２の制御パラメータと、１サイクル前に算出されたマニピュレータ２の制御パラメータとを比較し、その差分が第４の閾値Ｔｈ４よりも大きい場合には、異常と判断し、再度、形状センサ４にマニピュレータ用チャネル１３の形状情報の検出を行わせることとしてもよい。

　具体的には、図８に示されるように、形状センサ４により検出されたマニピュレータ用チャネル１３の形状情報が形状推定部６に出力され（ステップＳＤ１）、この形状情報に基づいてマニピュレータ２の制御パラメータが制御パラメータ算出部１０により算出される（ステップＳＤ２）。次いで、マニピュレータ制御部３が、算出された制御パラメータを１サイクル前に算出されたマニピュレータ２の制御パラメータと比較し（ステップＳＤ３）、その差分Ｄ_ｋが第４の閾値Ｔｈ４よりも大きい場合には異常と判断し（ステップＳＤ４）、再度、形状センサ４にマニピュレータ用チャネル１３の形状情報の検出を行わせる。
　また、差分Ｄ_ｋが第４の閾値Ｔｈ４以下の場合には、制御パラメータがそのままマニピュレータ駆動部１１に出力され（ステップＳＤ５）、出力された制御パラメータに基づいて、マニピュレータ２がマニピュレータ駆動部１１により駆動される（ステップＳＤ６）。

　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、マニピュレータ２の制御パラメータと、１サイクル前に算出されたマニピュレータ２の制御パラメータとの差分Ｄ_ｋが第４の閾値Ｔｈ４よりも大きい場合には、何らかの異常があると判断されるので、異常な値に基づいてマニピュレータ２が無理に駆動されることを防ぎ、安全に処置を行うことができる。

　なお、本実施形態においては、異常との判断が所定の回数以上検知された場合に、音声等により異常状態であることを操作者に警告する警告部（図示略）を備えることとしてもよい。
　このようにすることで、通常の使用ではあり得えないほどの位置ずれ等、何らかの異常がある場合には、異常な値に基づいてマニピュレータ２の無理な制御や駆動が行われないよう対応することができる。

　また、本実施形態においては、形状センサ４により検出されたマニピュレータ２の形状情報に基づいて、マニピュレータ駆動部１１により関節１６の制御が行われることとしてもよい。
　マニピュレータ２の関節がマニピュレータの形状情報に基づいて制御されるので、マニピュレータ２の先端部の角度の制御性を向上させることができるという利点がある。

　本実施形態においては、形状センサ駆動部８が、マニピュレータ２の基端付近に配置されたモータ１８と、マニピュレータ２の先端付近に配置されたガイド部材１７とを備え、ループ状に形成された形状センサ４をモータ１８とガイド部材１７との間で前進後退駆動させるもの例示して説明したが、これに代えて、第１変形例として、例えば、図４Ｂに示すように、形状センサ４の先端に該形状センサ４よりも細径の牽引用ワイヤ１２を接続し、形状センサ４と牽引用ワイヤ１２により形成されたループをモータ１８とガイド部材１７との間で前進後退駆動させることとしてもよい。このようにすることで、ガイド部材１７には牽引用ワイヤ１２を掛け回すこととすれば、形状センサ４の折れや破損を防ぐことができ、また、形状センサよりも細径の牽引用ワイヤを採用することで、形状センサ４が挿通される経路Ａの内径を小さくすることができる。

　また、第２変形例として、図４Ｃに示されるように、牽引用ワイヤ１２の一端に形状センサ４を接続するとともに牽引用ワイヤ１２の他端に、形状センサ４に並列して配置される副形状センサ１９を接続し、形状センサ４、牽引用ワイヤ１２および、副形状センサ１９により形成されたループをモータ１８とガイド部材１７との間で前進後退駆動させることとしてもよい。このようにすることで、２本の形状センサにより２方向のマニピュレータ用チャネル１３の形状情報を同時に検出することができるので、より精密かつ迅速にマニピュレータ２の湾曲形状を推定することができる。

　また、第３変形例として、図４Ｄに示されるように、形状センサ４とガイド部材１７との間に、形状センサ４のガイド部材１７への侵入を防止するストッパ２０を設けることとしてもよい。このようにすることで、形状センサ４がガイド部材１７に掛け回されることを防ぎ、形状センサ４の折れ曲がりや破損を簡易な構成で防ぐことができる。
　なお、図４Ｄにおいて、ストッパ２０は、その内径が形状センサ４の外径よりも小さい筒状体を例示しているが、形状センサ4の先端がガイド部材１７に侵入することを防ぐことができる形状であれば、どのような部材を用いても構わない。

　また、第４変形例として、図４Ｅに示されるように、形状センサ４の先端に、経路Ａ内径と略同径に拡張可能な、例えばバルーン等からなる受圧部材２１を設け、モータ１８とガイド部材１７から成る形状センサ駆動部８の代わりに、受圧部材２１に対して長手方向に圧力を付加することで形状センサ４を前進後退駆動させる送圧手段２２を設けることとしてもよい。送圧手段２２は、受圧部材２１に対して水圧や空気圧などを付加して推進力を与えるポンプ等を用いることができる。
　形状センサ４が柔軟な素材等から形成されている場合であっても、送圧手段からの圧力が受圧部材２１に与えられることにより形状センサ４を容易に長手方向に前進後退駆動させることができる。また、形状センサ駆動部８がガイド部材１７とモータ１８とから構成されるものに比べ、経路Ａの内径を小さくすることができるので、医療用マニピュレータシステム１を細径化することができる。

　１　医療用マニピュレータシステム
　２　マニピュレータ
　３　制御部（マニピュレータ制御部）
　４　形状センサ
　５　オーバーチューブ
　６　形状推定部
　７　軟性部
　８　形状センサ駆動部
　９　位置情報算出部
　１０　制御パラメータ算出部
　１１　マニピュレータ駆動部
　１２　牽引用ワイヤ
　１３　マニピュレータ用チャネル
　１４　内視鏡用チャネル
　１５　処置部
　１６　関節
　１７　ガイド部材（形状センサ駆動部）
　１８　モータ（形状センサ駆動部）
　１９　副形状センサ
　２０　ストッパ
　２１　受圧部材
　２２　送圧手段
　１００　制御部
　Ａ　経路
　Ｐ　検出点

Claims

　軟性部を有し先端に１以上の関節を有する長尺のマニピュレータと、
　該マニピュレータを貫通させるマニピュレータ用チャネルと、
　該マニピュレータ用チャネルの長手方向に沿って設けられる経路と、
　該経路内部を移動可能に設けられ、前記マニピュレータ用チャネルの形状情報を検出する１以上の検出点を有する形状センサと、
　前記形状センサを前記経路の長手方向に沿って前進後退駆動させる形状センサ駆動部と、
　前記マニピュレータを駆動させるマニピュレータ駆動部と、
　前記マニピュレータおよび前記形状センサを制御する制御部と、を備え、
　該制御部は、
　前記形状センサ駆動部の駆動量に基づいて前記形状センサの長手方向位置情報を算出する位置情報算出部と、
　検出された前記マニピュレータ用チャネルの形状情報と、算出された前記形状センサの長手方向位置情報とに基づいて、前記マニピュレータの湾曲形状を推定する形状推定部と、
　推定された前記マニピュレータの湾曲形状の情報から前記マニピュレータの制御パラメータを算出する制御パラメータ算出部と、
　算出された前記制御パラメータに基づいて、前記マニピュレータの制御を行うマニピュレータ制御部と、を備える医療用マニピュレータシステム。
　前記形状推定部は、
　前記形状センサにより検出された前記マニピュレータ用チャネルの形状情報と、Ｎ＋１サイクル（Ｎ≧０）前に検出された同一の前記マニピュレータ用チャネルの形状情報とを比較し、その差分が第１の閾値以上となる場合には前記マニピュレータの形状情報を更新する請求項１に記載の医療用マニピュレータシステム。
　前記形状センサ駆動部が、
　前記マニピュレータの基端付近に配置され、回転駆動により前記形状センサを前進後退駆動させる動力を発生するモータと、
　前記マニピュレータの先端付近に配置され、前記形状センサの一部が掛け回されこれにより該形状センサをガイドするガイド部材と、を備え、
　前記モータの回転駆動に伴い前記形状センサを牽引及び繰出すことにより、前記形状センサを前進後退させる請求項１または２に記載の医療用マニピュレータシステム。
　前記形状センサの先端には該形状センサよりも細径の牽引用ワイヤが接続され、
　前記形状センサ駆動部が、
　前記マニピュレータの基端付近に配置され、回転駆動により前記牽引用ワイヤを介して該形状センサを前進後退駆動させる動力を発生するモータと、
　前記マニピュレータの先端付近に配置され、前記牽引用ワイヤの一部が掛け回されこれにより該引用ワイヤをガイドするガイド部材と、を備え、
　前記モータの回転駆動に伴い前記形状センサを牽引及び繰出すことにより、前記形状センサを前進後退させる請求項１または２に記載の医療用マニピュレータシステム。
　前記牽引用ワイヤにおける前記形状センサが接続されている側とは反対側の端部には、前記形状センサに並列して配置される副形状センサが接続されている請求項４に記載の医療用マニピュレータシステム。
　前記形状センサと前記ガイド部材との間には、前記形状センサの前記ガイド部材への侵入を防止するストッパが設けられている請求項４または５に記載の医療用マニピュレータシステム。
　前記形状センサの先端には、前記経路内径と略同径に拡張可能な受圧部材が設けられ、
　前記形状センサ駆動部には、前記受圧部材に対して長手方向に圧力を付加することで前記形状センサを前進後退駆動させる送圧手段が設けられている請求項１または２に記載の医療用マニピュレータシステム。
　前記形状推定部は、
　前記形状センサにより検出された前記マニピュレータ用チャネルの形状情報が第２の閾値以上となる場合に異常と判断し、再度、前記形状センサに前記マニピュレータ用チャネルの形状情報の検出を行わせる請求項１から７のいずれかに記載の医療用マニピュレータシステム。
　前記マニピュレータ制御部は、
　前記制御パラメータ算出部が算出した前記マニピュレータの制御パラメータと、１サイクル前に算出された前記マニピュレータの制御パラメータとを比較し、その差分が第３の閾値以上となる場合に、前記マニピュレータ制御部に保存された高域遮断フィルタにより補正された補正後制御パラメータを、前記マニピュレータ駆動部に出力するよう制御する請求項１から８のいずれかに記載の医療用マニピュレータシステム。
　前記マニピュレータ制御部は、
　前記制御パラメータ算出部が算出した前記マニピュレータの制御パラメータと、１サイクル前に算出された前記マニピュレータの制御パラメータとを比較し、その差分が第４の閾値よりも大きい場合には、異常と判断し、再度、前記形状センサに前記マニピュレータ用チャネルの形状情報の検出を行わせるよう制御する請求項１から８のいずれかに記載の医療用マニピュレータシステム。
　前記異常との判断が所定の回数以上検知された場合に、異常状態であることを操作者に警告する警告部をさらに備える請求項８または１０に記載の医療用マニピュレータシステム。
　前記マニピュレータ駆動部は、前記形状センサにより取得した前記マニピュレータの形状情報に基づいて前記関節の制御を行う請求項１から１１のいずれかに記載の医療用マニピュレータシステム。
　軟性部を有し先端に１以上の関節をする長尺のマニピュレータが配置されるマニピュレータ用チャネルの長手方向に沿って、1点以上の検出点を有する形状センサを前進後退させる形状センサ駆動ステップと、
　前記形状センサの駆動量に基づいて前記形状センサの長手方向位置情報を算出する位置情報算出ステップと、
　検出された前記形状センサの形状情報と、算出された前記形状センサの長手方向位置において前記形状センサにより検出された前記マニピュレータ用チャネルの形状情報とに基づいて、前記マニピュレータの湾曲形状を推定する形状推定ステップと、を含む医療用マニピュレータの湾曲形状推定方法。
　請求項１３に記載の医療用マニピュレータの湾曲形状推定方法により推定された前記マニピュレータの湾曲形状の情報から前記マニピュレータの制御パラメータを算出する制御パラメータ算出ステップと、
　算出された前記制御パラメータに基づいて、前記マニピュレータの制御を行うマニピュレータ制御ステップと、を含む医療用マニピュレータの制御方法。