WO2021044522A1 - 手術支援装置 - Google Patents

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WO2021044522A1
WO2021044522A1 PCT/JP2019/034636 JP2019034636W WO2021044522A1 WO 2021044522 A1 WO2021044522 A1 WO 2021044522A1 JP 2019034636 W JP2019034636 W JP 2019034636W WO 2021044522 A1 WO2021044522 A1 WO 2021044522A1
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WO
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information
instrument
unit
surgical
target area
Prior art date
Application number
PCT/JP2019/034636
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English (en)
French (fr)
Inventor
直 小林
尚紀 北村
勇太 熊頭
Original Assignee
株式会社インキュビット
直 小林
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 株式会社インキュビット, 直 小林 filed Critical 株式会社インキュビット
Priority to PCT/JP2019/034636 priority Critical patent/WO2021044522A1/ja
Priority to JP2021543844A priority patent/JP7239117B2/ja
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Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/20—Surgical navigation systems; Devices for tracking or guiding surgical instruments, e.g. for frameless stereotaxis

Definitions

  • the present invention relates to a surgical support device.
  • the present invention has been made in view of such a background, and an object of the present invention is to provide a technique for supporting effective operation of surgical instruments.
  • the main invention of the present invention for solving the above problems is a surgical support device, which is an area information acquisition unit that acquires area information including three-dimensional information of a processing target area, and instrument information including three-dimensional information of an instrument.
  • a device information acquisition unit that acquires the device information
  • a state information calculation unit that calculates the state information of the device for the processing target area based on the area information and the device information
  • a presentation unit that presents the calculated state information. And shall have.
  • the present invention has the following configurations.
  • Item 1 is characterized in that the presenting unit presents at least a range of a position, an angle, an orientation, a speed, or a strength of the instrument with respect to the surface of the processing target area, depending on the processing content.
  • the surgical support device according to any one of 3 to 3.
  • the presentation unit directs the presentation to be within the range of the appropriate position, angle, orientation, speed, or strength.
  • Support device The device according to any one of items 1 to 5, wherein the instrument is at least one of an energy device including an electric knife, forceps, scissors, an automatic suturing device, an automatic anastomosis device, a ligation clip, and a tacker.
  • Steps to acquire area information including 3D information of the processing target area Steps to acquire instrument information including 3D information of the instrument, A step of calculating the state information of the device with respect to the processing target area based on the area information and the device information, and The step of presenting the calculated state information and A program to execute.
  • the surgery support system of the present embodiment supports surgery performed by remote control, such as arthroscopic surgery and robotic surgery. Specifically, it shows the ideal state of the surgical instrument to be remotely controlled and outputs a guidance instruction for making the actual state of the surgical instrument ideal.
  • ⁇ Overview> 1 and 2 are schematic views showing elements constituting the surgical support system (hereinafter, simply referred to as “system”) 1 according to the present embodiment. The structure of the figure is an example, and elements other than these may be included.
  • the System 1 includes a surgical device 2 and a surgical support device 3.
  • the surgical device 2 is a device for performing an operation by an operator 5 on an operation target 4.
  • the operator according to the present embodiment is a surgeon or the like for surgery, and the operation target 4 is a patient or the like.
  • the surgical device 2 includes a work unit 20 that actually performs an operation on the operation target 4 (that is, acts directly on the body of the operation target 4), an operation unit 22 that receives an operation from the operator 5 on the work unit 20. It has a control unit 24 that controls a work unit 20 and an operation unit 22.
  • the surgical device 2 according to the present embodiment is not limited to a surgical target area (not limited to a closed space), such as so-called endoscopic surgery, ophthalmic surgery, brain surgery, spinal surgery, artificial joint surgery, and the like. ), It is a device for a minimally invasive surgical method by making a small hole for penetrating a surgical instrument in the area and inserting the surgical instrument into the area through the hole.
  • laryngeal endoscopy, bronchoscopy, gastrointestinal endoscopy, duodenal endoscopy, small intestinal endoscopy, colonoscopy, thoracoscope, laparoscope, cystoscope, biliary tract, arthrioscope, spinal endoscopy examples include, but are not limited to, mirrors, vascular endoscopes, and epidural endoscopy.
  • the work unit 20 includes an instrument unit 200 used for surgery and a sensor unit 202 that grasps at least the state of the surgical field of the surgical target 4 or the state of the instrument unit 200. ing.
  • the sensor unit 202 includes an endoscopic camera unit 202'. A plurality of endoscopic camera units 202'are preferably arranged.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating the instrument unit 200.
  • the surgical instrument 212 is attached to the tip of the movable arm 211 that can be operated. These surgical instruments 212 can be controlled by the operation received by the operating unit 22.
  • Surgical instruments 212 include energy devices such as tweezers, scissors, forceps, needle holders and needles, electric scalpels, automatic sutures, automatic anastomosis devices, ligation clips, tackers, etc. Although it is included, other instruments may be used depending on the intended use. It is assumed that the surgical instrument 212 is set with a unique orientation suitable for use. In the example of FIG.
  • the surgical instrument 212 of tweezers is shown as an example, and the direction indicated by the arrow 213 between the two grip portions 2121 and 2122 can be set as the direction of the surgical instrument 212. In this case, even when the grip portions 2121 and 2122 perform the opening / closing operation, the direction of the surgical instrument 212 can be grasped as the direction of the arrow 213.
  • the surgical instrument 212 is rotatable with three degrees of freedom. The surgical instrument 212 may swing instead of rotating, or its posture may be changed by bending or the like. In the example of FIG. 3, the surgical instrument 212 is rotatable about a shaft 231 parallel to the longitudinal direction of the movable arm 211 and is rotatable about two shafts 232 and 233 orthogonal to the shaft 231. is there.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating the operation of the movable arm 211.
  • the movable arm 211 can be moved in parallel in the longitudinal direction of the movable arm 211 indicated by the arrow 234. Further, the movable arm 211 can be swung around the fulcrum 235.
  • the fulcrum 235 may be inside or outside the surgical object 4, but the skin portion of the surgical object 4 can be used as the fulcrum.
  • the end 2111 of the movable arm 211 is swung in the directions indicated by arrows 236 and 237. Therefore, the surgical instrument 212 provided at the end 2111 can be located at any coordinate in the coordinate system of the plane orthogonal to the longitudinal direction indicated by the arrow 234. In this way, the instrument unit 200 can operate with 6 degrees of freedom.
  • the sensor unit 202 can employ various sensors such as a pressure sensor, a gyro sensor, an acceleration sensor, a temperature sensor, and a camera for detecting the state of the instrument unit 200, for example.
  • a camera an optical camera, an infrared camera, an X-ray camera, or the like can be appropriately adopted depending on the information to be acquired.
  • the sensor unit 202 can grasp the direction 213 of the surgical instrument 212 of the instrument unit 200.
  • the sensor unit 202 detects the longitudinal direction of the operating arm 211, and with respect to the orientation 213 of the surgical instrument 212, detects the angle at which the surgical instrument 212 rotates around the axes 221, 222 and 223, and detects the longitudinal direction. And each angle, the orientation 213 of the surgical instrument 212 may be calculated.
  • the operation unit 22 includes a controller unit 222 that receives an operation of the operator 5, a display unit 224 that displays information to the operator 5, and a speaker unit 226 that provides information by voice or the like to the operator 5.
  • the controller unit 222 can be combined with, for example, a joystick-shaped input device, a foot pedal, or the like.
  • the display unit 224 according to the present embodiment has a so-called VR (Virtual Reality) HMD (Head Mount Display) -like structure, and stereoscopically views the surgical target area by utilizing the parallax between the user's eyes. Is possible.
  • the display unit visually provides the operator with information necessary for performing the surgery, such as information on the work unit 20 and the person to be operated on, such as a correction monitor and AR (Augmented Reality). Anything that can be done is sufficient.
  • Control unit 24 controls information communication between the work unit 20 and the operation unit 22. For example, the operation received by the operation unit 22 is transmitted to the work unit 20, or the image information acquired by the camera unit 202'is displayed on the display unit 224.
  • FIG. 5 is a block diagram illustrating an outline of a hardware configuration example of the surgery support device 3.
  • the surgery support device 3 includes a processor 301, a memory 302, a storage 303, a transmission / reception unit 304, and an input / output unit 305 as main configurations, and these are electrically connected to each other via a bus 306.
  • the processor 301 is an arithmetic unit that controls the operation of the surgery support device 3, controls the transmission and reception of data between each element, and performs processing necessary for executing an application program.
  • the processor 301 is, for example, a CPU (Central Processing Unit), and executes each process by executing an application program or the like stored in the storage 303 and expanded in the memory 302.
  • CPU Central Processing Unit
  • the memory 302 includes a main storage device composed of a volatile storage device such as a DRAM (Dynamic Random Access Memory), and an auxiliary storage device composed of a non-volatile storage device such as a flash memory or an HDD (Hard Disk Drive). .. While this memory 302 is used as a work area of the processor 301, the BIOS (Basic Input / Output System) executed when the operation support device 3 is started, various setting information, and the like are stored.
  • BIOS Basic Input / Output System
  • the storage 303 stores application programs, data used for various processes, and the like.
  • the transmission / reception unit 304 connects the surgery support device 3 to the communication network.
  • the transmission / reception unit 304 may be provided with a short-range communication interface such as Bluetooth (registered trademark) or BLE (Bluetooth Low Energy).
  • the surgery support device 3 is connected to the surgery device 2 via the transmission / reception unit 304.
  • the bus 306 transmits, for example, an address signal, a data signal, and various control signals between the connected processor 301, memory 302, storage 303, transmission / reception unit 304, and input / output unit 305.
  • FIG. 6 is a block diagram illustrating an outline of a software configuration example of the surgery support device 3.
  • the operation support device 3 includes a target area information acquisition unit 311, an instrument information acquisition unit 312, an instrument state information calculation unit 313, an instrument state information calculation unit 313, an instrument state information output unit 314, an advice information creation unit 315, and an advice information output.
  • Each functional unit of unit 316, each storage unit of the target area information storage unit 331, and the reference information storage unit 332 are provided.
  • the target area information acquisition unit 311 acquires information on the target area for surgery (hereinafter referred to as target area information).
  • the surgical target area is a surface portion of a surgical target (for example, an organ) to be treated by the surgical instrument 212.
  • the target area information includes at least information regarding the shape of the target area.
  • the target area information can be surface information such as polygons of a three-dimensional model.
  • the target area information includes the coordinate information in the three-dimensional coordinate system in the three-dimensional space.
  • the target area information acquisition unit 311 can create target area information based on, for example, a plurality of images from a plurality of cameras.
  • the target area information acquisition unit 311 creates target area information based on the image from the endoscopic camera unit 202'.
  • the target area information acquisition unit 311 can identify and follow the operation target area by using, for example, a known image recognition processing method, and can continue to acquire the target area information in real time.
  • the target area information acquisition unit 311 registers the acquired target area information in the target area information storage unit 331.
  • the target area information storage unit 331 may store only the latest target area information and may be updated every time the target area information acquisition unit 311 acquires the target area information, or may accumulate the history of the target area information. You may try to do it.
  • the instrument information acquisition unit 312 acquires information about the instrument unit 200 (hereinafter referred to as instrument information). In the present embodiment, the instrument information acquisition unit 312 acquires states such as the position, posture, and moving speed of the surgical instrument 212. The instrument information acquisition unit 312 acquires the position and posture of the movable arm 211 and the position, posture, and moving speed of the surgical instrument 212 in the coordinate system of the three-dimensional space, for example, based on the signal from the sensor unit 202. Can be done.
  • the instrument information acquisition unit 312 acquires the orientation of the movable arm 211 toward the surgical target area in the longitudinal direction (hereinafter referred to as the orientation of the movable arm 211) and the position of the end portion 2111 of the operating arm 211, and also acquires the surgical instrument.
  • the rotation angles around the axes 231, 232, and 233, which are the rotation centers of the 212, can be acquired, and the orientation 213 of the surgical instrument 212 can be calculated from the acquired rotation angles.
  • the reference information storage unit 332 stores information (hereinafter, referred to as reference information) regarding the reference state of the surgical instrument 212.
  • the reference information is information indicating a suitable state according to the type of surgical instrument 212 and the processing content such as the surgical procedure, and is a suitable range of the angle of the surgical instrument 212 with respect to the surgical target area and the surgical instrument. It includes the posture of 212 (which can be represented by the degree of rotation about each of the axes 231, 232 and 233), a suitable range of position, speed and strength.
  • FIG. 7 is a diagram showing a configuration example of reference information registered in the reference information storage unit 332.
  • the reference information includes the type of surgical instrument 212, the object to be operated on (for example, an organ, etc.), the surgical procedure, the angle range and posture range, the position range, the velocity range, and the strength.
  • the range is included.
  • the angle range is a range of angles (hereinafter, also referred to as operating angles) with respect to the surgical target area of the orientation 213 of the surgical instrument 212.
  • the posture range is a condition for the posture of the surgical instrument 212. In the present embodiment, it is possible to specify within the range of rotation angles for each of the shafts 231 and 232 and 233.
  • the position range is a condition relating to the position between the surgical instrument 212 and the surgical target area.
  • the speed range is a condition relating to the speed at which the surgical instrument 212 is moved during processing, and corresponds to, for example, the operating speed of the instrument used for incision at the time of incision, the speed of pulling an organ, and the like.
  • the strength range includes conditions related to the pressure exerted by the surgical instrument 212 on the surgical target area, and corresponds to, for example, a force for pushing an organ, a force for grasping an organ, and the like.
  • the strength range also includes conditions relating to the strength of the output in the case of energy devices.
  • the reference information may include necessary information among angles, postures, positions, speeds, and strengths, and does not necessarily have all the information.
  • FIG. 12 is a diagram illustrating a dissection operation (surgical procedure) of a processable area (surgical target area) by a monopolar electric knife.
  • the surgical instrument 212 is a monopolar electrosurgical knife
  • the object is the processable area between the excised organ, such as the stomach, and the conserving organ, and the appropriate angular range is relative to the surface of the processable area.
  • the posture range is that the flat surface of the spatula of the electric knife is horizontal to the direction of expansion of the processable area, and the electric knife
  • the position where the scalpel acts on the target organ is within the processable region, and the distance from the blood vessel of the preservation region is within a predetermined distance or more.
  • FIG. 13 is a diagram for explaining the dissection operation (surgical procedure) of the processable area (surgical target area) by the sealing device.
  • the surgical instrument 212 is a sealing device and the object is a processable area between the excised organ, such as the stomach, and the conserving organ.
  • the appropriate angle range is set to an angle range that is efficient (the tissue can be sandwiched vertically) with respect to the expansion of the processable area.
  • the outside of the active blade does not touch the tissue (preserving organ), and the position where the sealing device acts on the target organ (intersection point 214) is within the processable area, and is from the conserving organ or blood vessel.
  • the posture is set so that the distance is equal to or more than a predetermined value and the gripping amount by the sealing device is equal to or more than an appropriate amount according to the tissue to be separated.
  • FIG. 14 is a diagram illustrating a technique for sealing a blood vessel with a sealing device.
  • the surgical instrument 212 is a sealing device and the object is a clipped blood vessel, which is within the sealing capacity.
  • the appropriate angle range is set at an angle perpendicular to the orientation 213 of the sealing device with respect to the blood vessel running. In the posture range, the outside of the active blade does not touch other tissues, the blood vessel can be vertically sandwiched, and the position where the sealing device acts on the target organ (intersection 214, not shown) is the root of the clip or treated blood vessel.
  • a posture is set such that the position is separated from the bifurcation by a predetermined value or more and the blood vessel is included in the working area of the device (the tip of the sealing device is protruding).
  • This posture can be specified, for example, by the position in the direction parallel to the direction of the surgical instrument 212 indicated by the arrow 501 and the rotation angle about the longitudinal axis of the surgical instrument 212 indicated by the arrow 502.
  • FIG. 15 is a diagram illustrating a surgical procedure for blood vessel clipping.
  • the surgical instrument 212 is a clipping device
  • the object is a blood vessel (blood vessel diameter of about 5 to 10 mm) that can be clipped.
  • the angle range is set to an angle at which the orientation 213 of the clipping device is perpendicular to the blood vessel running.
  • the position where the clipping device acts on the target organ is at a distance of a predetermined value or more from the root or bifurcation of the treated blood vessel, and the blood vessel is within the action area of the device.
  • the posture is set so that is included (the tip is protruding).
  • the posture of the clipping device can be specified, for example, by the position in the direction parallel to the direction of the clipping device indicated by the arrow 501 and the rotation angle about the longitudinal axis of the clipping device indicated by the arrow 502.
  • FIG. 16 and 17 are diagrams illustrating a surgical procedure for organ transection using an automatic suturing device.
  • the surgical instrument 212 is an automatic suturing device
  • the objects are organs (esophagus, stomach, small intestine, large intestine, pancreas, trachea, major blood vessels, lungs, etc.).
  • the orientation 213 of the device is perpendicular to the edge of the target organ on the start point 504 side (the separation line 505 is the minimum distance). The angle is set.
  • the posture range is set so that the automatic suturing machine follows the operator's arbitrary dissection line (in the example of FIG.
  • the posture can be specified from the orientation 503 of the automatic suture device indicated by the arrow 503 and the rotation angle centered on the orientation of the automatic suture device indicated by the arrow 502.
  • the range of action of the automatic suture device exceeds the target organ. That is, the posture in which the tip 506 of the automatic suturing device exceeds the target organ can be specified.
  • a posture in which the working range of the automatic suturing device is functioning to the maximum that is, a posture in which the starting point 504 of the cutting is inserted to the vicinity of the automatic suturing device is set. Is preferable.
  • FIG. 18 is a diagram illustrating a surgical procedure for partial resection of an organ using an automatic suturing device.
  • the surgical instrument 212 is an automatic suturing device
  • the objects are organs (esophagus, stomach, small intestine, large intestine, pancreas, trachea, major blood vessels, lungs, etc.).
  • the appropriate angle range is set so that the orientation of the automatic suturing device is kept constant from the lesion site 511 and along the line 512 for minimal partial resection of the organ.
  • the posture range should be set so that the range of action of the automatic suture device functions to the maximum (the posture in which the starting point 504 of the cutting is inserted to the vicinity of the automatic suture device). Since it may be refused, any posture can be set.
  • FIG. 19 and 20 are diagrams illustrating a technique for lateral anastomosis of the gastrointestinal tract using an automatic suturing device.
  • the surgical instrument 212 is an automatic suturing device
  • the object is an organ such as the esophagus, stomach, small intestine, and large intestine
  • FIG. 19 shows an example of lateral anastomosis between the small intestine and the small intestine.
  • an angle is set in which the direction of the automatic suturing device is parallel to the long axis direction of the digestive tract (the digestive tract wall is vertically sandwiched).
  • the points of action 214-1 and 214-2 of the automatic suturing device on the target organ are located contralateral to the mesentery of the small intestine and the degree of insertion according to the organ to be anastomosed (in the example of FIG. 19, suture). (It is inserted up to the fork of the vessel) can be set. Auxiliary lines 521 and 522 for suturing can also be displayed on the display unit 224.
  • FIGS. 21 to 25 are diagrams illustrating a surgical procedure for closure and organ reconstruction by suturing using a needle thread and a needle holder.
  • the surgical instrument 212 is a needle holder
  • the objects are organs such as the esophagus, stomach, small intestine, large intestine, bile duct, pancreatic duct, trachea, major blood vessels, uterus, bladder, and ureter.
  • FIG. 24, which is not FIG. 21, shows an example of closing the mechanical insertion port of the small intestine-small intestine anastomosis.
  • the angle of the needle holder can be set such that the insertion angle of the needle with respect to each organ is preferably 90 degrees, and the range is 80 to 100 degrees or the like.
  • the posture range the orientation of the needle holder at which the needle has an ideal insertion angle of 531 is specified, and the posture in which the action point is 214 at a position away from the mouth where the suture is closed by a predetermined range (for example, 5 mm-10 mm). Can be set.
  • the optimum angle and posture change each time the sewing is performed, so that a different angle range and posture range can be set according to the progress of the treatment. For example, in the state of FIG.
  • the angle of the direction of the needle holder can be set so that the needle sticking angle 534 becomes an ideal angle (for example, 80 to 100 degrees).
  • the planned suture line 533 can be displayed on the display unit 224 so that the planned suture line 533 is sewn so as to be the middle line between the insertion point and the puncture point.
  • the angle of the needle holder can be set so that the insertion angle of the needle is an ideal angle (for example, 80 to 100 degrees)
  • the posture range can be set. Can be inserted at a distance of 5 to 10 mm from the first suture at a distance of 535, and a posture can be set so as to penetrate the small intestinal wall.
  • the posture range is set so that the insertion position and the needle ejection position are at an equal distance of 536 from the first suture.
  • FIG. 25 shows a state in which the above-mentioned process is repeated.
  • dissection with a monopolar electric scalpel as described above, dissection with a sealing device, sealing of blood vessels with a sealing device, clipping of blood vessels, organ transection by an automatic suturing device, Optimal orientation and posture of surgical instrument 212 for various surgical procedures such as partial resection of organs with an automatic suturing device, lateral anastomosis of the digestive tract with an automatic suturing device, closure by suturing with a needle thread and needle holder, and organ reconstruction.
  • surgical procedures such as partial resection of organs with an automatic suturing device, lateral anastomosis of the digestive tract with an automatic suturing device, closure by suturing with a needle thread and needle holder, and organ reconstruction.
  • the instrument state information calculation unit 313 obtains the state of the surgical instrument 212.
  • the instrument state information calculation unit 313 calculates, for example, an operation angle based on the instrument information.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating an operation angle.
  • the operating angle is calculated as, for example, an angle 252 between the plane 251 in contact with the surgical target area 41 at the intersection of the straight line extending the orientation 213 of the surgical instrument 212 and the surgical target area 41 and the orientation 213 of the surgical instrument 212. be able to.
  • the instrument state information calculation unit 313 may calculate the orientation 213 of the surgical instrument 212 from the rotation angles around the axes 231, 232, and 233, respectively.
  • the instrument status information output unit 314 outputs information regarding the surgical instrument 212.
  • the instrument information output unit 313 outputs the current state of the surgical instrument 212 and the suitable state of the surgical instrument 212.
  • the instrument information output unit 313 may also output the current position of the surgical instrument 212.
  • the instrument information output unit 313 can display on the display unit 224 as a message such as "The female is 30 degrees with respect to the liver. The ideal angle is 85 to 90 degrees.” Further, the instrument information output unit 313 may calculate and output the position from the surgical instrument 212 to the surgical target area.
  • the advice information creation unit 315 creates advice information for the condition of the surgical instrument 212.
  • the advice information is an instruction regarding the operation of the surgical instrument 212.
  • the advice information can be created based on the instrument posture information and the posture reference information. For example, when the operation angle is smaller than the lower limit value of the angle range of the reference information, the advice information creation unit 315 raises the surgical instrument 212 by the angle obtained by subtracting the operation angle from the lower limit value. You can create a message such as "Please wake up 60 degrees more" as advice information.
  • the advice information creation unit 315 lays the surgical instrument 212 by the angle obtained by subtracting the upper limit value from the operation angle, for example, "forceps”. You can create a message such as "Please let me lie down 50 degrees more.” As advice information.
  • the advice information output unit 316 outputs advice information.
  • the advice information output acquisition 316 can display the advice information on the display unit 224.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating the operation of the surgery support device 3.
  • the target area information acquisition unit 311 creates a three-dimensional model (target area information) including coordinate information in the three-dimensional space of the surgical target area based on an image taken by the endoscopic camera unit 202'(S401).
  • the instrument information acquisition unit 312 acquires instrument information such as the position and posture of the movable arm 211 and the position and posture of the surgical instrument 212 in the coordinate system of the three-dimensional space based on the signal from the sensor unit 202, for example, and acquires the instrument information.
  • the state information calculation unit 313 can calculate the state (position and posture) of the surgical instrument 212 (S402).
  • the instrument state information calculation unit 313 calculates the position from the surgical instrument 212 to the surgical target area (S403), and also calculates the operating angle (angle of the surgical instrument 212 orientation 213 with respect to the surface of the surgical target area) (S404). ..
  • the instrument state information output unit 314 reads out the reference information corresponding to the type of the surgical instrument 212 attached and the surgical object from the reference information storage unit 332 (S405), and converts the calculated position and operation angle into the reference information. Outputs the set angle range (S406).
  • the instrument state information output unit 314 may output a suitable posture of the surgical instrument 212, which is set in the posture range of the reference information.
  • FIG. 10 is a diagram showing an output example by the instrument state information output unit 314.
  • the surgical target area 41 and the surgical instrument 212 are displayed.
  • a scalpel 212a and a forceps 212b are shown as an example of the surgical instrument 212 are displayed.
  • the instrument state information output unit 314 can draw a straight line or an arrow indicating the orientation 213 of the surgical instrument 212 (for example, the orientation 213a of the scalpel 212a) in the three-dimensional space and superimpose it on the surgical target area 41.
  • the instrument state information output unit 314 can also superimpose and display the intersection 214a between the orientation 213a and the surgical target area 41.
  • the instrument state information output unit 314 can superimpose and display the angle range 215 of the reference information.
  • FIG. 10 shows an example in which the upper limit value 215a and the lower limit value 215b of the angle range are superimposed and displayed as a straight line passing through the intersection 214a. In this way, the suitable posture can be superimposed and displayed on the surgical target area as augmented reality according to the surgical instrument 212, so that efficient and effective operation of the surgical instrument 212 can be realized.
  • the instrument state information output unit 314, as a message 41 indicates the distance (53 mm) from the surgical instrument 212 to the surgical target area, the angle 252 (60 degrees) of the surgical instrument 212 with respect to the surgical target area.
  • a suitable angle range (85 degrees-90 degrees) is displayed. In this way, since the situation relating to the surgical instrument 212 and the surgical target area 41 can be explained to the operator 5 on the screen as a message, the operator 5 can quickly grasp the surgical field.
  • the advice information creation unit 315 creates advice information including instructions for setting the surgical instrument 212 in a suitable posture (S315).
  • the advice information creation unit 315 for example, when the operating angle between the current orientation 213 of the surgical instrument 212 and the surgical target area is not within the angle range of the reference information, the operating angle is less than the lower limit of the angle range. For example, a message that subtracts the operation angle from the lower limit value, and if the operation angle exceeds the upper limit value of the angle range, calculates the value obtained by subtracting the upper limit value from the operation angle as the instruction angle and moves it by the instruction angle. Can be created.
  • the advice information creation unit 315 can include instructions in the direction of movement in the advice information when moving the surgical instrument 212 by the indicated angle.
  • the operating angle is calculated as an angle with respect to the normal direction of the plane 251 tangent to the intersection 214a between the current direction 213 of the surgical instrument 212 and the surgical target area 41, and is based on the normal direction. Then, it is difficult for the operator 5 who is visually recognizing the display unit 224 to grasp the direction. Therefore, as for the moving direction, it is possible to set the direction in the coordinate system of the three-dimensional space.
  • the advice information creation unit 315 for example, in a coordinate system in three-dimensional space, has a predetermined angle (which may be an upper limit value or a lower limit value) within an angle range from a straight line indicating the orientation 213 of the surgical instrument 212. Alternatively, it may be a value between the upper limit value and the lower limit value.)
  • a function that can be converted into a straight line is obtained, and the coordinates are obtained from the coordinates of any one point on the straight line indicating the direction 213.
  • the straight line to the coordinates given to the function can be obtained as a vector in the moving direction.
  • the advice information creation unit 315 calculates the angle with respect to each of the three axes in the coordinate system of the three-dimensional space visually recognized by the display unit 224 with respect to the vector of the movement direction, and xs the screen left-right direction of the display unit 224.
  • the axis and the vertical direction are the y-axis and the depth direction is the z-axis, "upward” or “downward” depending on the angle with respect to the x-axis, and “rightward” or “leftward” depending on the angle with respect to the z-axis.
  • the "back side” or “front side” instruction message can be created depending on the angle with respect to the y-axis.
  • FIG. 11 is a diagram showing an example of advice information regarding the moving direction of the surgical instrument 212.
  • the advice information 42 includes an instruction to move the surgical instrument 212 in the vertical direction.
  • the advice information creation unit 315 may include, for example, instructions in only one or two directions in the advice information. The operator 5 who visually recognizes the advice information 42 on the display unit 224 can immediately grasp how to operate the surgical instrument 214 to be effective, and can improve the efficiency of the operation.
  • the current angle, suitable angle, etc. of the surgical instrument 212 can be superimposed and displayed on the image of the surgical field, so that the operator 5 can superimpose the surgical field. It is possible to quickly and intuitively grasp the state of the surgical instrument 212 in the above.
  • the operator 5 visually recognizes the surgical target area through a display or the like to perform surgery, but compared to the case of directly visually observing the target through the display, the relationship between the three-dimensional position and posture of the target and the instrument. Where it is difficult to recognize the sex, according to the surgical support system of the present embodiment, it is possible to easily grasp the three-dimensional position and posture of the surgical instrument 212.
  • the operation of the controller unit 222 is generally difficult as compared with the operation of a normal surgical instrument, and it is difficult to move the instrument to the ideal posture.
  • the operation is performed by remote operation. It is possible to guide how to operate the controlled surgical instrument 214 to obtain the ideal posture. Therefore, it can be brought into contact with the surgical target area at an appropriate angle according to the surgical instrument 212. This makes it possible to perform remote surgery so as to effectively bring out the performance of the surgical instrument 212, and it is expected that efficient and effective surgery will be realized.
  • the surgical support device 3 and the surgical device 2 are separate devices, but the control unit 24 and the operation unit 22 of the surgical support device 2 are provided with the functions of the surgical support device 3.
  • the surgical device 2 may have the function of the surgical support device 3 as a unit separate from the work unit 20, the operation unit 22, and the control unit 24.
  • the surgery support device 3 is assumed to be one computer, but the present invention is not limited to this, and it can be realized by a plurality of computers.
  • a storage unit may be provided in a database server and accessed via a network, or the functions of the surgery support device 3 may be distributed and deployed on a plurality of computers.
  • one virtual computer may be mounted by a plurality of computers, and the function of the surgery support device 3 may be provided to the virtual computer.
  • the posture range of the reference information is specified by the rotation angle of the surgical instrument 212 with three degrees of freedom (rotation angle centered on each of the axes 231, 232 and 233).
  • a numerical range can be set for any posture of the surgical instrument 212.
  • the range of the orientation in the coordinate system of the three-dimensional space may be specified, or the range of the orientation with respect to the plane in contact with the surface of the surgical target range may be specified.
  • the advice information creation unit 315 uses the surgical instrument so that the posture of the surgical instrument 212 is included in the posture range when the current posture of the surgical instrument 212 is not included in the posture range of the reference information. Advice on operation for each of the 212 degrees of freedom may be proposed.
  • the advice information output unit 316 outputs the advice information to the display unit 224, but instead of or in addition to this, the advice information is output as voice by, for example, voice synthesis.
  • the output may be made from the speaker unit 226.
  • the operation under the laparoscope is assumed, but the operation is not limited to this, and can be widely applied to the operation in the form of remotely controlling the instrument unit 200.
  • the present embodiment can be applied even in a form in which the brain is exposed to the outside air and this is operated with a microscope.
  • control unit 24 is arranged separately from the work unit 20 and the operation unit 22, but the present invention is not limited to this, and control is performed by at least one of the work unit 20 and the operation unit 22.
  • the unit 24 may be incorporated.

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Abstract

【課題】手術器具を効果的に操作することを支援することができるようにする。 【解決手段】手術支援装置は、処理対象領域の３次元情報を含む領域情報を取得する領域情報取得部と、器具の３次元情報を含む器具情報を取得する器具情報取得部と、領域情報と器具情報とに基づいて、器具の処理対象領域に対する状態情報を算出する状態情報算出部と、算出した状態情報を提示する提示部と、を有する。本実施形態の手術支援システムによれば、術野の画像に対して手術器具２１２の現在の角度や好適な角度などを重畳表示することができるので、オペレータ５は術野における手術器具２１２の状態を迅速かつ直感的に把握することが可能となる。

Description

手術支援装置
　本発明は、手術支援装置に関する。
　ロボットを用いた遠隔手術が行われている（特許文献１参照）。
特表２００９－５１２５１４号公報
　手術器具には様々な種類があるところ、その種類によって最適な操作は異なる。
　本発明はこのような背景を鑑みてなされたものであり、手術器具を効果的に操作することを支援する技術を提供することを目的とする。
　上記課題を解決するための本発明の主たる発明は、手術支援装置であって、処理対象領域の３次元情報を含む領域情報を取得する領域情報取得部と、器具の３次元情報を含む器具情報を取得する器具情報取得部と、前記領域情報と前記器具情報とに基づいて、前記器具の前記処理対象領域に対する状態情報を算出する状態情報算出部と、算出した前記状態情報を提示する提示部と、を有することとする。
　その他本願が開示する課題やその解決方法については、発明の実施形態の欄及び図面により明らかにされる。
　本発明によれば、手術器具を効果的に操作することを支援することができる。
本実施の形態による手術支援システムの構成例を示す図である。 本実施の形態による手術支援システムの構成例を示す図である。 インスツルメント部２００を説明する図である。 可動アーム２１１の動作を説明する図である。 手術支援装置３のハードウェア構成例の概略を説明するブロック図である。 手術支援装置３のソフトウェア構成例の概略を説明するブロック図である。 姿勢基準情報記憶部３３２に登録される姿勢基準情報の構成例を示す図である。 角度範囲について説明する図である。 手術支援装置３の動作を説明する図である。 器具状態情報出力部３１４による出力例を示す図である。 手術器具２１２の移動方向についてのアドバイス情報の一例を示す図である。 モノポーラー電気メスによる処理可能領域（手術対象領域）の切離手術（術式）を説明する図である。 シーリングデバイスによる処理可能領域（手術対象領域）の切離手術（術式）を説明する図である。 シーリングデバイスによる血管のシーリングの術式を説明する図である。 血管クリッピングの術式を説明する図である。 自動縫合器による臓器離断の術式を説明する図である。 自動縫合器による臓器離断の術式を説明する図である。 自動縫合器による臓器部分切除の術式を説明する図である。 自動縫合器による消化管の側々吻合の術式を説明する図である。 自動縫合器による消化管の側々吻合の術式を説明する図である。 針糸、持針器を用いた縫合による閉鎖、臓器再建の術式を説明する図である。 針糸、持針器を用いた縫合による閉鎖、臓器再建の術式を説明する図である。 針糸、持針器を用いた縫合による閉鎖、臓器再建の術式を説明する図である。 針糸、持針器を用いた縫合による閉鎖、臓器再建の術式を説明する図である。 針糸、持針器を用いた縫合による閉鎖、臓器再建の術式を説明する図である。
　本発明の実施形態の内容を列記して説明する。本発明は、以下のような構成を備える。
［項目１］
　処理対象領域の３次元情報を含む領域情報を取得する領域情報取得部と、
　器具の３次元情報を含む器具情報を取得する器具情報取得部と、
　前記領域情報と前記器具情報とに基づいて、前記器具の前記処理対象領域に対する状態情報を算出する状態情報算出部と、
　算出した前記状態情報を提示する提示部と、
を有することを特徴とする、手術支援装置。
［項目２］
　前記状態情報は、少なくとも前記器具の前記処理対象領域表面に対する位置、角度、向き、速さ、又は強さのいずれかを含むことを特徴とする、項目１に記載の手術支援装置。
［項目３］
　前記提示部は、前記状態情報を表示部に表示させることを特徴とする、項目１または２に記載の手術支援装置。
［項目４］
　前記提示部は、前記処理内容に応じて、少なくとも前記器具の前記処理対象領域表面に対する位置、角度、向き、速さ、又は強さのいずれかの範囲を提示することを特徴とする、項目１～３のいずれかに記載の手術支援装置。
［項目５］
　前記提示部は、前記器具が、前記適切な位置、角度、向き、速さ、又は強さの範囲内となるように指示することを特徴とする、項目１～４のいずれかに記載の手術支援装置。
［項目６］
　前記器具は、少なくとも電気メスを含むエネルギーデバイス、鉗子、剪刀、自動縫合器、自動吻合器、結紮用クリップ、タッカーのいずれかであることを特徴とする、項目１～５のいずれかに記載の手術支援装置。
［項目７］
　コンピュータに、
　処理対象領域の３次元情報を含む領域情報を取得するステップと、
　器具の３次元情報を含む器具情報を取得するステップと、
　前記領域情報と前記器具情報とに基づいて、前記器具の前記処理対象領域に対する状態情報を算出するステップと、
　算出した前記状態情報を提示するステップと、
　を実行させる為のプログラム。
　以下、本発明の一実施形態に係る手術支援システムについて説明する。本実施形態の手術支援システムは、たとえば、鏡視下手術やロボット手術のように遠隔操作により行う手術を支援するものである。具体的には、遠隔操作の対象となる手術器具の理想的な状態を示すとともに、実際の手術器具の状態を理想的にするための誘導指示を出力する。
＜概要＞
　図１および図２は、本実施の形態による手術支援システム（以下、単に「システム」と呼ぶ）１を構成する要素を示す概略図である。なお、図の構成は一例であり、これら以外の要素が含まれていてもよい。
　システム１は、手術装置２と手術支援装置３とを備えている。手術装置２は、手術対象４に対してオペレータ５による手術を実施するための装置である。本実施の形態によるオペレータは手術の執刀医等であり、手術対象４は患者等である。
＜手術装置２＞
　手術装置２は、手術対象４に対し実際に手術を行う（即ち、手術対象４の身体に直接に作用する）作業ユニット２０と、作業ユニット２０に対するオペレータ５からの操作を受け付ける操作ユニット２２と、作業ユニット２０及び操作ユニット２２を制御する制御ユニット２４を有している。本実施の形態による手術装置２は、所謂鏡視下で行うことができる手術、眼科手術、脳外科手術、脊髄手術、人口関節手術等のように、手術対象領域（閉じられた空間に限られない）に対して、当該領域に手術器具を貫通させるための小さな孔を作り、当該孔から手術器具を領域へと挿入することによって低侵襲で行う手術方法のための装置である。例示すれば、喉頭内視鏡、気管支鏡、消化管内視鏡、十二指腸内視鏡、小腸内視鏡、大腸内視鏡、胸腔鏡、腹腔鏡、膀胱鏡、胆道鏡、関節鏡、脊椎内視鏡、血管内視鏡、硬膜外腔内視鏡等が挙げられるがこれに限られない。
＜作業ユニット２０＞
　図２に示されるように、作業ユニット２０は、手術に利用するインスツルメント部２００と、少なくとも手術対象４の手術野の状態又はインスツルメント部２００の状態を把握するセンサ部２０２とを備えている。センサ部２０２には内視鏡カメラ部２０２’が含まれている。内視鏡カメラ部２０２’は好適には複数配される。
　図３は、インスツルメント部２００を説明する図である。インスツルメント部２００は、操作可能な可動アーム２１１の先端に手術器具２１２が取付られる。これらの手術器具２１２は操作ユニット２２によって受け付けた操作によって制御することができる。手術器具２１２としては、鑷子、剪刀、鉗子、持針器及び針、電気メス等のエネルギーデバイス、自動縫合器、自動吻合器、結紮用クリップ、タッカー等やこれらと同等の機能を発揮するものが含まれるが、用途に応じてこれ以外の器具を使用されていてもよい。手術器具２１２は、使用時に適切とされる固有の向きが設定されているものとする。図３の例では、一例としてピンセットの手術器具２１２を示しており、２つの把持部２１２１および２１２２の間の矢印２１３が示す方向を、手術器具２１２の向きとして設定することができる。この場合、把持部２１２１および２１２２が開閉動作を行った場合でも、手術器具２１２の向きは矢印２１３の方向として把握することができる。また、手術器具２１２は、３自由度で回動可能である。なお、手術器具２１２は、回動ではなく揺動するようにしてもよいし、湾曲するなどによりその姿勢を変化させるようにしてもよい。図３の例では、手術器具２１２は、可動アーム２１１の長手方向に並行な軸２３１を中心に回動可能であるとともに、軸２３１に直交する２つの軸２３２および２３３を中心に回動可能である。
　図４は、可動アーム２１１の動作について説明する図である。可動アーム２１１は、矢印２３４が示す可動アーム２１１の長手方向に並行に移動させることができる。また、可動アーム２１１は、支点２３５を中心として揺動させることができる。支点２３５は、手術対象４の内側であっても外側であってもよいが、手術対象４の皮膚部を支点とすることができる。可動アーム２１１の端部２１１１は、矢印２３６および２３７が示す方向に揺動される。したがって、端部２１１１に設けられる手術器具２１２は、矢印２３４が示す長手方向と直交する平面の座標系の任意の座標に位置することができる。このようにして、インスツルメント部２００は６自由度で動作可能である。
　センサ部２０２は、例えば、インスツルメント部２００の状態を検知するための圧力センサ、ジャイロセンサ、加速度センサ、温度センサ、カメラ等、各種のセンサを採用可能である。カメラとしては、光学カメラ、赤外線カメラ、Ｘ線カメラ等取得したい情報に応じて適宜採用可能である。本実施形態では、センサ部２０２により、インスツルメント部２００の手術器具２１２の方向２１３を把握することができるものとする。なお、センサ部２０２は稼働アーム２１１の長手方向を検出し、手術器具２１２の向き２１３については、手術器具２１２が各軸２２１、２２２および２２３を中心に回動した角度を検出して、長手方向と各角度とに基づいて、手術器具２１２の向き２１３を算出するようにしてもよい。
＜操作ユニット２２＞
　操作ユニット２２は、オペレータ５の操作を受けるコントローラ部２２２と、オペレータ５へ情報を表示するディスプレイ部２２４と、オペレータ５へ音声等による情報を提供するスピーカ部２２６とを備えている。コントローラ部２２２は、例えば、ジョイスティック状の入力機器やフットペダル等を組み合わせることができる。本実施の形態によるディスプレイ部２２４は、所謂ＶＲ（Ｖｅｒｔｕａｌ　Ｒｅａｌｉｔｙ；仮想現実）のＨＭＤ（Ｈｅａｄ　Ｍｏｕｎｔ　Ｄｉｓｐｌａｙ）状の構造を有しており、ユーザの両目による視差を利用して手術対象領域の立体視が可能である。なお、ディスプレイ部は、依正モニタや、ＡＲ（Ａｕｇｍｅｎｔｅｄ　Ｒｅａｌｉｔｙ；拡張現実）等、オペレータに対して作業ユニット２０や手術対象者の情報等、手術の実施にあたって必要な情報を視覚的に提供することができるものであればよい。
＜制御ユニット２４＞
　制御ユニット２４は、作業ユニット２０と操作ユニット２２との情報通信を制御する。例えば、操作ユニット２２が受け付けた操作を作業ユニット２０に伝達したり、カメラ部２０２’で取得した画像情報をディスプレイ部２２４表示したりする。
＜手術支援装置３＞
　図５は、手術支援装置３のハードウェア構成例の概略を説明するブロック図である。図示のように、手術支援装置３は、プロセッサ３０１、メモリ３０２、ストレージ３０３、送受信部３０４、及び入出力部３０５を主要構成として備え、これらが互いにバス３０６を介して電気的に接続される。
　プロセッサ３０１は、手術支援装置３の動作を制御し、各要素間におけるデータの送受信の制御や、アプリケーションプログラムの実行に必要な処理等を行う演算装置である。このプロセッサ３０１は、本実施の形態では例えばＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ）であり、ストレージ３０３に格納されてメモリ３０２に展開されたアプリケーションプログラム等を実行して各処理を行う。
　メモリ３０２は、ＤＲＡＭ（Ｄｙｎａｍｉｃ　Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ）等の揮発性記憶装置で構成される主記憶装置、及びフラッシュメモリやＨＤＤ（Ｈａｒｄ　Ｄｉｓｃ　Ｄｒｉｖｅ）等の不揮発性記憶装置で構成される補助記憶装置を備える。このメモリ３０２は、プロセッサ３０１の作業領域として使用される一方、手術支援装置３の起動時に実行されるＢＩＯＳ（Ｂａｓｉｃ　Ｉｎｐｕｔ／Ｏｕｔｐｕｔ　Ｓｙｓｔｅｍ）、及び各種の設定情報等が格納される。
　ストレージ３０３は、アプリケーションプログラムや各種の処理に用いられるデータ等が格納される。
　送受信部３０４は、手術支援装置３を通信ネットワークに接続する。この送受信部３０４は、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）やＢＬＥ（Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ　Ｌｏｗ　Ｅｎｅｒｇｙ）といった近距離通信インターフェースを具備するものであってもよい。本実施の形態では、この送受信部３０４を介して、手術支援装置３が手術装置２と接続される。
　入出力部３０５には、必要に応じて、キーボードやマウスといった情報入力機器やディスプレイ等の出力機器が接続される。バス３０６は、接続したプロセッサ３０１、メモリ３０２、ストレージ３０３、送受信部３０４及び入出力部３０５の間において、例えばアドレス信号、データ信号及び各種の制御信号を伝達する。
　図６は、手術支援装置３のソフトウェア構成例の概略を説明するブロック図である。手術支援装置３は、対象領域情報取得部３１１、器具情報取得部３１２、器具状態情報算出部３１３、器具状態情報算出部３１３、器具状態情報出力部３１４、アドバイス情報作成部３１５、およびアドバイス情報出力部３１６の各機能部と、対象領域情報記憶部３３１、および基準情報記憶部３３２の各記憶部とを備える。
　対象領域情報取得部３１１は、手術対象領域に関する情報（以下、対象領域情報という。）を取得する。手術対象領域とは、手術の対象物（たとえば、臓器など）のうち、手術器具２１２が処置を行う表面部分である。対象領域情報は、少なくとも対象領域の形状に関する情報を含む。たとえば、対象領域情報は、３次元モデルのポリゴンなどのサーフェイス情報とすることができる。本実施形態では、対象領域情報は、３次元空間における３次元座標系における座標情報を含むものとする。対象領域情報取得部３１１は、たとえば、複数のカメラからの複数の画像に基づいて対象領域情報を作成することができる。本実施形態では、内視鏡カメラ部２０２’が複数存在し、対象領域情報取得部３１１は、内視鏡カメラ部２０２’からの画像に基づいて対象領域情報を作成することを想定する。対象領域情報取得部３１１は、たとえば、公知の画像認識処理の手法を用いて手術対象領域を特定して追随し、リアルタイムに対象領域情報を取得し続けることができる。
　対象領域情報取得部３１１は、取得した対象領域情報を対象領域情報記憶部３３１に登録する。対象領域情報記憶部３３１は、最新の対象領域情報のみを記憶し、対象領域情報取得部３１１が対象領域情報を取得するたびに更新されるようにしてもよいし、対象領域情報の履歴を蓄積するようにしてもよい。
　器具情報取得部３１２は、インスツルメント部２００に関する情報（以下、器具情報という。）を取得する。本実施形態では、器具情報取得部３１２は、手術器具２１２の位置、姿勢、移動速度等の状態を取得する。器具情報取得部３１２は、たとえばセンサ部２０２からの信号に基づいて、３次元空間の座標系における、可動アーム２１１の位置および姿勢と、手術器具２１２の位置、姿勢、移動速度とを取得することができる。器具情報取得部３１２は、可動アーム２１１の長手方向の手術対象領域に向かう向き（以下、可動アーム２１１の向きという。）と、稼働アーム２１１の端部２１１１の位置とを取得するとともに、手術器具２１２の回動中心となる軸２３１、２３２および２３３のそれぞれを中心とした回転角度を取得し、取得した回転角度から手術器具２１２の向き２１３を算出することができる。
　基準情報記憶部３３２は、手術器具２１２の基準となる状態に関する情報（以下、基準情報という。）を記憶する。本実施形態では、基準情報は、手術器具２１２の種別及び術式等の処理内容に応じた好適な状態を示す情報であり、手術対象領域に対する手術器具２１２の角度の好適な範囲と、手術器具２１２の姿勢（軸２３１、２３２および２３３のそれぞれを中心に回動した度合で表現することができる。）、位置、速さ、強さの好適な範囲とが含まれる。図７は、基準情報記憶部３３２に登録される基準情報の構成例を示す図である。同図に示すように、基準情報には、手術器具２１２の種別、手術対象となる対象物（たとえば、臓器等）、手術の術式、角度範囲および姿勢範囲、位置範囲、速度範囲、強さ範囲が含まれる。角度範囲は、手術器具２１２の向き２１３の手術対象領域に対する角度（以下、操作角度ともいう。）の範囲である。姿勢範囲は、手術器具２１２の姿勢に対する条件である。本実施形態では、軸２３１、２３２および２３３のそれぞれについての回転角度の範囲で指定することができるものとする。位置範囲は、手術器具２１２と手術対象領域との間の位置に関する条件である。速度範囲は、手術器具２１２を処理中に移動させる場合の速度に関する条件であり、例えば切開に用いる器具の切開時の動作速度や、臓器を引っ張る速さ等が該当する。強さ範囲は、手術器具２１２が手術対象領域に対して与える圧力に関する条件が含まれ、例えば臓器を押す力や臓器をつかむ力等が該当する。また、強さ範囲には、エネルギーデバイスの場合に出力の強さに関する条件も含まれる。基準情報は、角度、姿勢、位置、速度、強さのうち必要な情報を含んでいればよく、必ずしもすべての情報を有する必要はない。
　ここで、基準情報の例を示す。たとえば、図１２は、モノポーラー電気メスによる処理可能領域（手術対象領域）の切離手術（術式）を説明する図である。この場合、手術器具２１２はモノポーラー電気メスであり、対象物は、たとえば胃などの切除臓器と温存臓器との間の処理可能領域であり、適切な角度範囲は、処理可能領域の面に対して６０～９０度（電気メスの先端がピンポイントで作用する様にコンタクトする。）、姿勢範囲は、電気メスのヘラの平手面が、処理可能領域の拡がりの方向と水平であり、電気メスが対象臓器に作用する位置（交点２１４）が、処理可能領域内であり、かつ、温存領域の血管からの距離が所定距離以上である範囲である。
　また、図１３は、シーリングデバイスによる処理可能領域（手術対象領域）の切離手術（術式）を説明する図である。この場合、手術器具２１２はシーリングデバイスであり、対象物は、たとえば胃などの切除臓器と温存臓器との間の処理可能領域である。適切な角度範囲には、処理可能領域の拡がりに対して、効率的（垂直に組織を挟み込むことが可能）な角度の範囲が設定される。また、姿勢範囲は、アクティブブレードの外側が、組織（温存臓器）に触れず、シーリングデバイスが対象臓器に作用する位置（交点２１４）が、処理可能領域内であって、温存臓器や血管からの距離が所定値以上であり、シーリングデバイスによる把持量が切離する組織に合わせて適切と設定された量以上となるような姿勢が設定される。
　また、図１４は、シーリングデバイスによる血管のシーリングの術式を説明する図である。この場合、手術器具２１２はシーリングデバイスであり、対象物は、クリッピングされた血管であって、シーリング能力内の血管である。適切な角度範囲には、血管走行に対してシーリングデバイスの向き２１３と垂直になる角度が設定される。姿勢範囲には、アクティブブレードの外が、他の組織に触れず、血管を垂直にはさみこむことができ、シーリングデバイスが対象臓器に作用する位置（交点２１４、不図示）がクリップや処理血管の根部または分岐部から所定値以上離れた位置であり、かつ、デバイスの作用領域内に血管が含まれている（シーリングデバイスの先端が出ている）ような姿勢が設定される。この姿勢は、たとえば、矢印５０１で示す手術器具２１２の向きに平行な方向での位置と、矢印５０２で示す手術器具２１２の長手軸を中心とした回転角度とにより指定することが可能である。
　また、図１５は、血管クリッピングの術式を説明する図である。この場合、手術器具２１２はクリッピングデバイスであり、対象物は、クリッピング可能な血管（血管径５ないし１０ｍｍ程度）である。角度範囲には、血管走行に対してクリッピングデバイスの向き２１３が垂直となる角度が設定される。姿勢範囲には、クリッピングデバイスが対象臓器に作用する位置（交点２１４、不図示）が、処理血管の根部または分岐部から所定値以上の距離以上離れた位置であり、デバイスの作用領域内に血管が含まれている（先端が出ている）ような姿勢が設定される。クリッピングデバイスの姿勢は、たとえば、矢印５０１で示すクリッピングデバイスの向きに平行な方向での位置と、矢印５０２で示すクリッピングデバイスの長手軸を中心とした回転角度とにより指定することが可能である。
　図１６および図１７は、自動縫合器による臓器離断の術式を説明する図である。この場合、手術器具２１２は自動縫合器であり、対象物は、臓器（食道、胃、小腸、大腸、膵臓、気管、主要血管、肺など）である。適切な角度範囲には、図１６に示す切断開始前に状態については、デバイスの向き２１３が、対象臓器の始点５０４側の辺縁に対して垂直となる（切離線５０５が最小距離になる）角度が設定される。姿勢範囲には、自動縫合機が術者任意の切離ライン（図１６の例では、胃の噴門直下を示している。）に沿うような姿勢が設定される。姿勢は、矢印５０３が示す自動縫合器の向き５０３と、矢印５０２が示す、自動縫合器の向きを中心とする回転角度とから指定することができる。なお、一度で臓器離断する場合、あるいは図１７に示すように、１回または複数回の切断処理後に切離を完了する場合には、自動縫合器の作用範囲が対象臓器をこえている姿勢、すなわち、自動縫合器の先端５０６が対象臓器を超えている姿勢を指定することができる。また、効率的な切離作業のため、自動縫合器の作用範囲が最限に機能している姿勢、すなわち、切断の始点５０４が、自動縫合器の又近傍まで挿入されている姿勢を設定することが好適である。
　図１８は、自動縫合器による臓器部分切除の術式を説明する図である。この場合、手術器具２１２は自動縫合器であり、対象物は、臓器（食道、胃、小腸、大腸、膵臓、気管、主要血管、肺など）である。適切な角度範囲には、自動縫合器の向きが、病変箇所５１１から一定の距離を保ち、臓器を最小範囲部分切除するためのライン５１２に沿うような角度が設定される。また、姿勢範囲には、自動縫合器の作用範囲を最大限機能させる姿勢（切断の始点５０４が、自動縫合器の又近傍まで挿入されている姿勢）を設定することが原則だが、小刻みに離断することもあるため、任意の姿勢を設定することができる。
　図１９および図２０は、自動縫合器による消化管の側々吻合の術式を説明する図である。この場合、手術器具２１２は自動縫合器であり、対象物は、食道、胃、小腸、大腸などの臓器（図１９は小腸と小腸の側々吻合の例を示している。）である。角度範囲には、自動縫合器の向きが消化管の長軸方向に平行となる（消化管壁を垂直にはさみこむ）角度が設定される。姿勢範囲には、自動縫合器の対象臓器への作用点２１４－１および２１４－２が、小腸の間膜対側となる位置および吻合する臓器に合わせた挿入度合（図１９の例では、縫合器の又まで挿入している）を設定することができる。ディスプレイ部２２４には、縫合の補助線５２１および５２２を表示することもできる。
　図２１ないし図２５は、針糸、持針器を用いた縫合による閉鎖、臓器再建の術式を説明する図である。この場合、手術器具２１２は持針器であり、対象物は、食道、胃、小腸、大腸、胆管、膵管、気管、主要血管、子宮、膀胱、尿管などの臓器である。図２１ない図２４では、小腸-小腸吻合の機械挿入口の閉鎖の例を示している。角度範囲には、それぞれ臓器に対して針の刺入角度が好適には９０度、範囲としては８０－１００度等となるような持針器の角度を設定することができる。姿勢範囲には、針が理想的な刺入角度５３１となる持針器の向きが指定され、縫合閉鎖する口から、所定範囲（たとえば５ｍｍ－１０ｍｍ）の離れた位置を作用点２１４となる姿勢を設定することができる。なお、当該術式では、縫い進めるごとに最適な角度および姿勢が変化するため、施術の進行に応じて異なる角度範囲および姿勢範囲を設定することができる。たとえば、図２２の状態において、角度範囲としては、針の刺出角度５３４が理想の角度（たとえば、８０－１００度）となるような持針器の向きの角度を設定することができる。また、予定縫合線５３３が刺入点と刺出点の中線となるように縫合するように、ディスプレイ部２２４には、予定縫合線５３３を表示することができる。さらに、図２３の状態では、角度範囲には、針の刺入角度が理想の角度（たとえば、８０－１００度）となるような持針器の向きの角度を設定することができ、姿勢範囲には、第一縫合から５ないし１０ｍｍの距離５３５で刺入ができ、小腸壁を貫通させるような姿勢を設定することができる。さらに図２４の状態では、姿勢範囲として、第一縫合から刺入位置と針出位置が均等な距離５３６となるような姿勢が設定される。なお、図２５は、上述したプロセスを繰り返した状態を示している。
　以上のような基準情報が設定されることにより、上述したようなモノポーラー電気メスによる切離、シーリングデバイスによる切離、シーリングデバイスによる血管のシーリング、血管のクリッピング、自動縫合器による臓器離断、自動縫合器による臓器部分切除、自動縫合器による消化管の側々吻合、針糸、持針器を用いた縫合による閉鎖、臓器再建などの各種術式について、最適な手術器具２１２の向きや姿勢を設定することができる。
　器具状態情報算出部３１３は、手術器具２１２の状態を求める。器具状態情報算出部３１３は、器具情報に基づいて、例えば操作角度を算出する。図８は、操作角度について説明する図である。操作角度は、たとえば、手術器具２１２の向き２１３を延長した直線と手術対象領域４１との交点において手術対象領域４１に接する平面２５１と、手術器具２１２の向き２１３との間の角度２５２として算出することができる。なお、器具状態情報算出部３１３が、軸２３１、２３２および２３３のそれぞれを中心とした回転角度から手術器具２１２の向き２１３を算出するようにしてもよい。
　器具状態情報出力部３１４は、手術器具２１２に関する情報を出力する。本実施形態では、器具情報出力部３１３は、手術器具２１２の現在の状態と、当該手術器具２１２の好適な状態とを出力する。器具情報出力部３１３は、手術器具２１２の現在の位置を併せて出力するようにしてもよい。器具情報出力部３１３は、たとえば、「メスは肝臓に対して３０度です。理想的な角度は８５度から９０度です。」というようなメッセージとしてディスプレイ部２２４に表示することができる。また、器具情報出力部３１３は、手術器具２１２から手術対象領域までの位置を算出して出力してもよい。
　アドバイス情報作成部３１５は、手術器具２１２の状態に対するアドバイス情報を作成する。本実施形態では、アドバイス情報は、手術器具２１２の操作についての指示であることを想定している。アドバイス情報作成部３１５は、例えば姿勢に関するアドバイス情報を作成する場合、器具姿勢情報と姿勢基準情報とに基づいてアドバイス情報を作成することができる。たとえば、アドバイス情報作成部３１５は、操作角度が基準情報の角度範囲の下限値よりも小さい場合には、当該下限値から操作角度を引いた角度だけ手術器具２１２を起こすように、たとえば「メスをあと６０度起こして下さい。」というようなメッセージをアドバイス情報として作成することができる。同様に、アドバイス情報作成部３１５は、操作角度が基準情報の角度範囲の上限値よりも大きい場合には、操作角度から当該上限値を引いた角度だけ手術器具２１２を寝かせるように、たとえば「鉗子をあと５０度寝かせて下さい。」というようなメッセージをアドバイス情報として作成することができる。
　アドバイス情報出力部３１６は、アドバイス情報を出力する。本実施形態では、アドバイス情報出力得３１６は、ディスプレイ部２２４にアドバイス情報を表示することができる。
＜動作＞
　図９は、手術支援装置３の動作を説明する図である。
　対象領域情報取得部３１１は、内視鏡カメラ部２０２’が撮影した画像などに基づいて手術対象領域の３次元空間における座標情報を含む３次元モデル（対象領域情報）を作成する（Ｓ４０１）。器具情報取得部３１２は、たとえばセンサ部２０２からの信号に基づいて、３次元空間の座標系における、可動アーム２１１の位置および姿勢や手術器具２１２の位置および姿勢などの器具情報を取得し、器具状態情報算出部３１３は、手術器具２１２の状態（位置および姿勢）を計算することができる（Ｓ４０２）。器具状態情報算出部３１３は、手術器具２１２から手術対象領域までの位置を計算するとともに（Ｓ４０３）、操作角度（手術器具２１２の向き２１３の手術対象領域の表面に対する角度）を計算する（Ｓ４０４）。
　器具状態情報出力部３１４は、装着されている手術器具２１２の種別および手術対象物に対応する基準情報を基準情報記憶部３３２から読み出し（Ｓ４０５）、算出された位置および操作角度と、基準情報に設定されている角度範囲とを出力する（Ｓ４０６）。なお、器具状態情報出力部３１４は、基準情報の姿勢範囲に設定されている、手術器具２１２の好適な姿勢を出力するようにしてもよい。
　図１０は、器具状態情報出力部３１４による出力例を示す図である。ディスプレイ部２２４には、手術対象領域４１および手術器具２１２（図１０では、手術器具２１２の一例として、メス２１２ａと鉗子２１２ｂが示されている。）が表示される。
　器具状態情報出力部３１４は、手術器具２１２の向き２１３（たとえば、メス２１２ａの向き２１３ａ）を示す直線または矢印を３次元空間内に描画して手術対象領域４１に重畳表示させることができる。また、器具状態情報出力部３１４は、向き２１３ａと手術対象領域４１との交点２１４ａも重畳表示させることができる。さらに、器具状態情報出力部３１４は、基準情報の角度範囲２１５を重畳表示させることもできる。図１０では、角度範囲の上限値２１５ａと下限値２１５ｂとを、交点２１４ａを通る直線として重畳表示させた例を示している。このようにして、手術器具２１２に応じて好適な姿勢を拡張現実として手術対象領域に重畳表示させることができるので、効率的かつ効果的な手術器具２１２の操作を実現することができる。
　加えて、図１０の例では、器具状態情報出力部３１４は、メッセージ４１として、手術器具２１２から手術対象領域までの距離（５３ｍｍ）、手術器具２１２の手術対象領域に対する角度２５２（６０度）、好適な角度範囲（８５度－９０度）を表示している。このように、メッセージとして画面上でオペレータ５に手術器具２１２と手術対象領域４１とに係る状況を説明することができるので、オペレータ５は術野の把握を迅速に行うことができる。
　図９に戻り、アドバイス情報作成部３１５は、手術器具２１２が好適な姿勢とするための指示を含むアドバイス情報を作成する（Ｓ３１５）。アドバイス情報作成部３１５は、たとえば、現在の手術器具２１２の向き２１３と手術対象領域との操作角度が、基準情報の角度範囲に入っていない場合に、操作角度が角度範囲の下限値未満であれば、下限値から操作角度を引いた値、操作角度が角度範囲の上限値を超えていれば、操作角度から上限値を引いた値を、指示角度として算出し、指示角度だけ動かすようなメッセージを作成することができる。
　また、アドバイス情報作成部３１５は、指示角度だけ手術器具２１２を動かすにあたり、動かす方向の指示もアドバイス情報に含めることができる。この場合において、操作角度は、現在の手術器具２１２の向き２１３と手術対象領域４１との交点２１４ａに接する平面２５１の法線方向に対する角度として算出されることになるところ、当該法線方向を基準とするとディスプレイ部２２４を視認しているオペレータ５にとっては方向が把握しづらい。そこで、移動方向については、３次元空間の座標系における方向を設定することがっできる。アドバイス情報作成部３１５は、たとえば、３次元空間の座標系において、手術器具２１２の向き２１３を示す直線から、角度範囲内の所定角度（上限値であってもよいし、下限値であってもよいし、上限値と下限値との間の値であってもよい。）を示す直線に変換可能な関数を求め、向き２１３を示す直線上の任意の１点の座標から、当該座標を当該関数に与えた座標への直線を移動方向のベクトルとして求めることができる。アドバイス情報作成部３１５は、この移動方向のベクトルについて、たとえば、ディスプレイ部２２４で視認している３次元空間の座標系における３軸のそれぞれに対する角度を算出し、ディスプレイ部２２４の画面左右方向をｘ軸、上下方向をｙ軸、奥行き方向をｚ軸とした場合に、ｘ軸に対する角度に応じて「上方向」または「下方向」、ｚ軸に対する角度に応じて「右方向」または「左方向」、およびｙ軸に対する角度に応じて「奥側」または「手前側」の指示メッセージを作成することができる。
　図９に戻り、アドバイス情報出力部３１６は、作成されたアドバイス情報を出力する（Ｓ４０８）。図１１は、手術器具２１２の移動方向についてのアドバイス情報の一例を示す図である。図１１の例では、アドバイス情報４２には、上下方向についての手術器具２１２の移動指示が含まれている。このようにアドバイス情報作成部３１５は、たとえば、１つまたは２つの方向についてのみの指示をアドバイス情報に含めるようにしてもよい。アドバイス情報４２をディスプレイ部２２４で視認したオペレータ５は、どのように手術器具２１４を操作すれば効果的であるかを即座に把握することが可能となり、手術の効率化を図ることができる。
　以上説明したように、本実施形態の手術支援システムによれば、術野の画像に対して手術器具２１２の現在の角度や好適な角度などを重畳表示することができるので、オペレータ５は術野における手術器具２１２の状態を迅速かつ直感的に把握することが可能となる。内視鏡やロボット手術では、オペレータ５はディスプレイ等を通して手術対象領域を視認し手術を行うが、ディスプレイ越しでは対象を直接目視する場合に比べ、対象と器具との立体的な位置や姿勢の関係性を認識しづらいところ、本実施形態の手術支援システムによれば、手術器具２１２の立体的な位置や姿勢を容易に把握することができる。
また、通常の手術器具の操作に比べて、コントローラ部２２２の操作は一般に難しく、器具の理想的な姿勢に動かすことは困難であるところ、本実施形態の手術支援システムによれば、遠隔操作により制御される手術器具２１４をどのように操作すれば理想的な姿勢になるかを案内することができる。したがって、手術器具２１２に応じて適切な角度で手術対象領域に当接させるようにすることができる。これにより、手術器具２１２の性能を効果的に引き出すように遠隔手術を行うことが可能となり、効率的かつ効果的な手術の実現が期待される。
　以上、本実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物も含まれる。
　たとえば、本実施形態では、手術支援装置３と手術装置２とは別体の装置であるものとしたが、手術支援装置３の機能を、手術装置２の制御ユニット２４や操作ユニット２２が備えるようにしてもよいし、手術装置２が、作業ユニット２０、操作ユニット２２および制御ユニット２４とは別のユニットとして手術支援装置３の機能を備えるようにしてもよい。
　また、本実施形態では、手術支援装置３は１台のコンピュータであるものとしたが、これに限らず、複数台のコンピュータにより実現するようにすることもできる。たとえば、記憶部をデータベースサーバに設けるようにし、これにネットワーク経由でアクセスするようにしてもよいし、複数台のコンピュータに手術支援装置３の機能を分散させて配備するようにしてもよい。また、複数台のコンピュータにより１台の仮想コンピュータを実装し、当該仮想コンピュータに手術支援装置３の機能を配備してもよい。
　また、本実施形態では、基準情報の姿勢範囲は、手術器具２１２の３自由度の回転角度（軸２３１、２３２および２３３のそれぞれを中心とした回転角度）で指定するものとしたが、これに限らず、手術器具２１２の任意の姿勢についての数値範囲を設定することができる。たとえば、鉗子のように、把持部が対向する第１方向についての数値範囲を設定することができる。この場合に、３次元空間の座標系における向きについての範囲を指定してもよいし、手術対象範囲の表面に接する平面に対する向きの範囲を指定してもよい。
　また、本実施形態では、角度についてのアドバイスのみを提供するものとしたが、姿勢（軸２３１、２３２および２３３のそれぞれを中心とした回転度合）についてのアドバイスを同様の構成により提供することが可能である。この場合にも、アドバイス情報作成部３１５は、手術器具２１２の現在の姿勢が、基準情報の姿勢範囲に含まれていない場合に、手術器具２１２の姿勢が姿勢範囲に含まれるように、手術器具２１２の各自由度についての動作についてのアドバイスを提案すればよい。
　また、本実施形態では、アドバイス情報出力部３１６は、ディスプレイ部２２４にアドバイス情報を出力するものとしたが、これに代えて、またはこれに加えて、たとえば、音声合成等により音声としてアドバイス情報をスピーカ部２２６から出力するようにしてもよい。
　また、本実施形態では、人体に対する手術の支援を想定していたが、これに限らず、動物に対する手術も同様の構成により支援することが可能である。また、自動車や家電製品、ロボットなどの機械に対するメンテナンス作業を遠隔で行う場合において、作業器具の角度や姿勢の制御に本発明の構成を適用することが可能である。
また、本実施形態では、腹腔鏡下における手術を想定していたが、これに限らず、インスツルメント部２００を遠隔操作する形態での手術であれば広く適用可能である。たとえば、脳を外気に触れる状態とし、これを顕微鏡で手術するような形態であっても、本実施形態は適用可能である。
　また、本実施形態では、制御ユニット２４が作業ユニット２０および操作ユニット２２と別体で配置されている構成を示したが、これに限らず、作業ユニット２０および操作ユニット２２の少なくともいずれかに制御ユニット２４を組み入れるようにしてもよい。
　　１　　　　手術支援システム
　　２　　　　手術装置
　　３　　　　手術支援装置
　　４　　　　手術対象
　　５　　　　オペレータ
　　２０　　　作業ユニット
　　２２　　　操作ユニット
　　２４　　　制御ユニット
　　４１　　　対象物
　　２００　　インスツルメント部
　　２０２　　センサ部
　　２０２’　カメラ部
　　２１１　　可動アーム
　　２１２　　手術器具
　　２１３　　方向
　　２２２　　コントローラ部
　　２２４　　ディスプレイ部
　　２２６　　スピーカ部
　　２３１　　軸
　　２３２　　軸
　　２３３　　軸
　　３１１　対象領域情報取得部
　　３１２　器具情報取得部
　　３１３　器具状態情報算出部
　　３１４　器具状態情報出力部
　　３１５　アドバイス情報作成部
　　３１６　アドバイス情報出力部
　　３３１　対象領域情報記憶部
　　３３２　基準情報記憶部
　　２１２１　把持部
　　２１２２　把持部
 
 

Claims (7)

  1. 　処理対象領域の３次元情報を含む領域情報を取得する領域情報取得部と、
    　器具の３次元情報を含む器具情報を取得する器具情報取得部と、
    　前記領域情報と前記器具情報とに基づいて、前記器具の前記処理対象領域に対する状態情報を算出する状態情報算出部と、
    　算出した前記状態情報を提示する提示部と、
    を有することを特徴とする、手術支援装置。
  2. 　前記状態情報は、少なくとも前記器具の前記処理対象領域表面に対する位置、角度、向き、速さ、又は強さのいずれかを含むことを特徴とする、請求項１に記載の手術支援装置。
  3. 　前記提示部は、前記状態情報を表示部に表示させることを特徴とする、請求項１または２に記載の手術支援装置。
  4. 　前記提示部は、前記処理内容に応じて、少なくとも前記器具の前記処理対象領域表面に対する位置、角度、向き、速さ、又は強さのいずれかの範囲を提示することを特徴とする、請求項１～３のいずれかに記載の手術支援装置。
  5. 　前記提示部は、前記器具が、前記適切な位置、角度、向き、速さ、又は強さの範囲内となるように指示することを特徴とする、請求項１～４のいずれかに記載の手術支援装置。
  6. 　前記器具は、少なくとも電気メスを含むエネルギーデバイス、鉗子、剪刀、自動縫合器、自動吻合器、結紮用クリップ、タッカーのいずれかであることを特徴とする、請求項１～５のいずれかに記載の手術支援装置。
  7. 　コンピュータに、
    　処理対象領域の３次元情報を含む領域情報を取得するステップと、
    　器具の３次元情報を含む器具情報を取得するステップと、
    　前記領域情報と前記器具情報とに基づいて、前記器具の前記処理対象領域に対する状態情報を算出するステップと、
    　算出した前記状態情報を提示するステップと、
    　を実行させる為のプログラム。
     
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