WO2021200881A1 - 医療機器、及び医療用プログラム - Google Patents

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WO2021200881A1
WO2021200881A1 PCT/JP2021/013428 JP2021013428W WO2021200881A1 WO 2021200881 A1 WO2021200881 A1 WO 2021200881A1 JP 2021013428 W JP2021013428 W JP 2021013428W WO 2021200881 A1 WO2021200881 A1 WO 2021200881A1
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force
treatment
actuator
medical device
control
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PCT/JP2021/013428
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誠通 下野
浅井 洋
大西 公平
松永 卓也
広尚 小林
中村 雅也
満 八木
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地方独立行政法人神奈川県立産業技術総合研究所
学校法人慶應義塾
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Definitions

  • the present invention relates to medical devices and medical programs.
  • Patent Document 1 and Patent Document 2 Conventionally, in surgery and medical examination, which are medical practices, treatments using various medical devices have been performed. Techniques related to such medical devices are disclosed in, for example, Patent Document 1 and Patent Document 2.
  • a treatment mechanism for opening a living tissue for example, a drill blade that actually cuts
  • a motor operated by a motor, and the current value of the motor fluctuates.
  • the operation of the motor is controlled based on this.
  • Patent Document 1 and Patent Document 2 merely perform operation control based on the current value of the motor.
  • This current value is information that indicates the driving state of the motor to the last, and cannot be said to be information that appropriately indicates the state of the treatment mechanism that is actually performing the treatment.
  • information indicating the state of the treatment mechanism can be acquired more appropriately, it is possible to perform more accurate operation control and notify the user of this appropriate information.
  • an object of the present invention is to acquire information that more appropriately indicates the state of the treatment mechanism at the time of treatment.
  • the medical device is Treatment mechanism for treatment for patients and A treatment actuator that causes the treatment mechanism to perform the treatment, Based on the information about the position detected by the treatment, the control parameters related to the force and tactile sensation are calculated, and the operation for causing the treatment mechanism by the treatment actuator to perform the treatment based on the control parameters related to the force and tactile sensation.
  • Operation control means to control A parameter acquisition means for acquiring control parameters related to force and tactile sensation, and It is characterized by having.
  • the medical device includes at least a treatment mechanism, a treatment actuator, an operation control unit, and a parameter acquisition unit.
  • the treatment mechanism is a mechanism for treatment of a patient.
  • the actuator for treatment causes the treatment mechanism to perform the treatment.
  • the motion control unit calculates the control parameters related to the force and tactile sensation based on the information about the position detected during the treatment, and performs the treatment on the treatment mechanism by the treatment actuator based on the control parameters related to the force and tactile sensation. Control the operation to perform. Then, the parameter acquisition unit acquires control parameters related to this force-tactile sensation.
  • the medical device actually controls the operation of the treatment mechanism based on the control parameters related to force and tactile sensation. Further, the medical device according to each embodiment of the present invention not only uses the control parameter related to the force-tactile sensation for control, but also acquires the control parameter related to the force-tactile sensation.
  • the control parameter related to the force-tactile sensation is information that more appropriately indicates the state of the treatment mechanism at the time of the treatment, as compared with the current value of the motor and the like.
  • the medical device According to the medical device according to each embodiment of the present invention, it is possible to acquire information that more appropriately indicates the state of the treatment mechanism at the time of treatment. Further, according to the medical device according to each embodiment of the present invention, it is possible to perform operation control with higher accuracy based on the appropriate information and to notify the user of the appropriate information.
  • the above is the basic concept of the present invention. Next, each embodiment will be described in detail.
  • FIG. 1 is a schematic view showing a basic configuration of the medical device 1a according to the present embodiment.
  • a side view of the medical device 1a when the moving direction of the medical device 1a (indicated by an arrow in the figure) at the time of performing the treatment is taken as the front is schematically shown, and a movable housing is shown.
  • the internal configuration is shown through the body 10 and the fixed housing 20.
  • the information processing unit 50 wiredly connected to the movable housing 10 and the fixed housing 20 and the treatment target portion 60 to be treated are also schematically shown.
  • the medical device 1a (including the medical device 1b and the medical device 1c described later) includes a drill blade as a treatment mechanism for opening a living tissue. It is assumed that it is a medical drill. Then, an operator such as a doctor who is a user performs a spinal surgery using the medical device 1a (including the medical device 1b and the medical device 1c described later) which is a medical drill, and the operation target site 60. Suppose you want to cut the vertebra.
  • each embodiment can acquire control parameters related to force and tactile sensation, which is information that more appropriately indicates the state of the treatment mechanism at the time of treatment. Then, each embodiment performs motion control (that is, emergency stop) that detects a predetermined state (for example, penetration of the vertebrae) and suppresses further treatment based on the control parameters related to the force and tactile sensation. ..
  • motion control that is, emergency stop
  • a predetermined state for example, penetration of the vertebrae
  • suppresses further treatment based on the control parameters related to the force and tactile sensation. ..
  • This makes it possible to prevent damage to tissues such as nerves. That is, each embodiment can realize the above-mentioned guarantee of safety.
  • each embodiment notifies the user of, for example, a control parameter related to this force-tactile sensation. Thereby, each embodiment can realize the quantitative evaluation of the skill in the cutting training described above.
  • each embodiment is suitable for medical drills that cut the vertebrae. Therefore, in the following description, it is assumed that the medical device 1a (including the medical device 1b and the medical device 1c described later) according to each embodiment is a medical drill for cutting the vertebrae. However, this is only an example for explanation, and the scope of application of each embodiment is not limited to this. For example, the medical device 1a (including the medical device 1b and the medical device 1c described later) according to each embodiment can be applied to all medical devices including a medical drill.
  • the treatment target site 60 may be a vertebral bone of a living body such as a human being, a bone other than the vertebral bone of the living body, or a body part other than the bone, or the inside of the body of the living body.
  • it may be a part of another object (for example, an artificial organ such as an artificial joint or an artificial bone, a gypsum that fixes the body, etc.) arranged outside.
  • the medical device 1a includes a movable housing 10, a fixed housing 20, and an information processing unit 50. Further, a master side unit 11 (including a master side driver 111, a master side actuator 112, and a master side position sensor 113) is arranged inside the movable housing 10, and a switch 12 and a switch are arranged outside the movable housing 10. The lever 13 is arranged. Further, a slave side unit 21 (including a slave side driver 211, a slave side actuator 212, and a slave side position sensor 213), a drill blade rotation motor 22, and a drill blade 23 are arranged inside the fixed housing 20.
  • a master side unit 11 including a master side driver 111, a master side actuator 112, and a master side position sensor 113
  • a switch 12 and a switch are arranged outside the movable housing 10.
  • the lever 13 is arranged.
  • a slave side unit 21 including a slave side driver 211, a slave side actuator 212, and a slave side position sensor 213
  • the movable housing 10 is capable of linear movement (that is, linear movement) along an axis (hereinafter, referred to as a “drill axis”) corresponding to the movement direction of the medical device 1a when performing the treatment. It is connected to the fixed housing 20. Further, the information processing unit 50 is wiredly connected to the movable housing 10 by a cable including a signal line or the like. However, the information processing unit 50 may be arranged inside the movable housing 10 or the fixed housing 20.
  • each part of these medical devices 1a Power is supplied to each part of these medical devices 1a from an external power source or a built-in battery (not shown). Further, each part of the medical device 1a transmits / receives various data, a signal for switching the on / off state of the motor, and the like via a signal line (not shown).
  • the treatment is performed by driving two linear motors, the master side actuator 112 and the slave side actuator 212, and one rotary motor, the drill blade rotary motor 22. Make it executable.
  • the master side actuator 112 is a linear motor that is physically connected to the movable housing 10 and imparts a propulsive force for linear movement along the drill axis to the movable housing 10. ..
  • the master side actuator 112 is realized by, for example, a linear motion shaft motor.
  • the slave side actuator 212 is physically connected to the fixed housing 20 and the drill blade rotation motor 22 (and the drill blade 23 physically connected to the fixed housing 20), and is physically connected to the drill blade rotation motor 22 (and the drill blade rotation motor 22).
  • This is a linear motion motor that applies a propulsive force for linear motion along the drill shaft to the drill blade 23) connected to the drill blade 23).
  • the slave side actuator 212 is realized by, for example, a linear motion voice coil motor.
  • the drill blade rotation motor 22 and the drill blade 23 are connected to the fixed housing 20 in a state where they can move linearly along the drill shaft.
  • the tip end portion of the drill blade 23 (that is, the portion that comes into contact with the treatment target portion 60 to perform cutting) may be exposed from the fixed housing 20 depending on the propulsion direction in the propulsive force applied by the slave side actuator 212. , Shield.
  • the drill blade rotation motor 22 is physically connected to the drill blade 23 and the slave side actuator 212, and imparts a rotational force for rotating the drill blade 23, which is a treatment mechanism, with the drill axis as the rotation axis. It is a rotary motor. It is assumed that the drill blade rotation motor 22 applies a rotational force with a constant strength, but the present invention is not limited to this, and the drill blade rotation motor 22 is not limited to this, and the user operates a foot pedal or the like (not shown). The strength of the rotational force applied by the user may be adjusted by the user.
  • the user first fixes the fixed housing 20 in the vicinity of the treatment target site 60 with either the left or right hand, and the switch lever 13 with the other hand. Hold on.
  • the switch 12 is pressed by the switch lever 13
  • the drill blade rotation motor 22 is switched to the on state, and the drill blade rotation motor 22 starts applying the rotational force to the drill blade 23.
  • the drill blade 23 physically connected to the drill blade rotation motor 22 starts rotating.
  • a bilateral control function in which the master side unit 11 is used as the master device and the slave side unit 21 is used as the slave device is realized by the control by the information processing unit 50. That is, the operation of the master device (here, the movement operation by the user received by the movable housing 10) is transmitted to the slave device, and the reaction force from the object to the slave device (here, the operation target for cutting the drill blade 23).
  • a bilateral control function that feeds back the input of the reaction force from the portion 60 to the master device is realized.
  • the slave side actuator 212 is interlocked with the operation. Directly moves the drill blade rotation motor 22 and the drill blade 23 toward the treatment target site 60. As a result, the rotating drill blade 23 is pressed against the treatment target site 60, and the treatment of cutting the vertebrae, which is the treatment target site 60, is realized.
  • the medical device 1a realizes bilateral control to mutually transmit force and tactile sensation between the movable housing 10 which is the operation mechanism and the drill blade 23 which is the treatment mechanism. Therefore, the user can use the medical device 1a with the same feeling as a general medical drill provided with only one rotary motor without being aware of the existence of the two linear motors.
  • the medical device 1a calculates the control parameters related to the force-tactile sensation and acquires the control parameters related to the force-tactile sensation. This makes it possible to achieve the above-mentioned effects when explaining [the basic concept of the present invention].
  • a general medical drill is equipped with only one rotary motor, only information on the rotary load can be obtained.
  • the two linear motion motors are provided, the information on the disturbance torque applied to the drill blade 23 by cutting by the rotary motor and the information on the linear motion along the drill shaft are synchronized. It is possible to obtain the information provided. This makes it possible to analyze the physical phenomenon of cutting the vertebrae from more angles.
  • the configuration of the medical device 1a has been explained above. Next, the basic principle for realizing the above-mentioned bilateral control function will be described.
  • human movements that is, human physical actions
  • the "movement” refers to an integrated function realized by using individual “functions” of parts in the human body as constituent elements.
  • the operation of moving the master device by the user's hand or the like is an integrated function whose components are the functions of the fingers and wrists of the hand and the joints of the arms and shoulders connected to them.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing the concept of the basic principle of controlling the operation of the controlled device according to each embodiment of the present invention.
  • the basic principle shown in FIG. 2 represents the control rules of an actuator that can be used to achieve human movement, taking the current position of the actuator as an input and in at least one region of position (or velocity) or force.
  • the operation of the actuator is determined by performing an operation. That is, the basic principle of controlling the operation of the control target device in each embodiment of the present invention is the control target system CS, the force / speed allocation conversion block FT for each function, the ideal power source block FC, or the ideal speed (position). It is expressed as a control rule including at least one of the source block PCs and the inverse conversion block IFT.
  • the controlled target system CS is a robot operated by an actuator, and controls the actuator based on acceleration or the like.
  • the controlled target system CS realizes the function of one or a plurality of parts in the human body, but if the control rule for realizing the function is applied, the specific configuration is It does not necessarily have to be a form that imitates the human body.
  • the controlled target system CS can be a robot that causes a link to perform a one-dimensional sliding motion by an actuator.
  • the function-specific force / speed allocation conversion block FT is a block that defines the conversion of control energy into the speed (position) and force regions set according to the function of the controlled system CS.
  • coordinate conversion is defined in which a reference value (reference value) of the function of the controlled target system CS and the current position of the actuator are input.
  • this coordinate conversion converts an input vector having a reference value and a current velocity (position) as elements into an output vector consisting of a velocity (position) for calculating a control target value of the velocity (position), and also converts the reference value.
  • the input vector with the current force as an element is converted into the output vector consisting of the force for calculating the control target value of the force.
  • the coordinate transformation in the function-specific force / velocity allocation conversion block FT is generalized as in the following equations (1) and (2).
  • x '1 ⁇ x' n (n is an integer of 1 or more) is the velocity vector for deriving the state value of the velocity
  • x 'a ⁇ x' m (m is 1 or more
  • Integer is a vector whose elements are the reference value and the velocity based on the action of the actuator (the velocity of the mover of the actuator or the velocity of the object moved by the actuator)
  • h 1a to h nm are elements of the transformation matrix representing the function. Is.
  • f '' 1 ⁇ f '' n (n is an integer of 1 or more) is the force vector for deriving the status value of the force
  • f '' a ⁇ f ' ' m ( m is an integer of 1 or more) is a vector whose elements are the reference value and the force based on the action of the actuator (the force of the mover of the actuator or the force of the object to be moved by the actuator).
  • the function-specific force / speed allocation conversion block FT By setting the coordinate transformation in the function-specific force / speed allocation conversion block FT according to the function to be realized, various operations can be realized and the operation accompanied by scaling can be reproduced. That is, in the basic principle of controlling the operation of the controlled device in each embodiment of the present invention, in the function-specific force / speed allocation conversion block FT, the function of realizing the variable (variable in real space) of the actuator alone is provided. It "converts" to a group of variables (variables in virtual space) of the entire system to be expressed, and allocates control energy to the control energy of speed (position) and the control energy of force. Therefore, it is possible to independently give the control energy of the velocity (position) and the control energy of the force as compared with the case where the control is performed with the variable (variable in the real space) of the actuator alone.
  • the ideal force source block FC is a block that performs operations in the force region according to the coordinate transformation defined by the functional force / velocity allocation conversion block FT.
  • a target value related to the force when performing a calculation based on the coordinate transformation defined by the functional force / velocity allocation conversion block FT is set.
  • This target value is set as a fixed value or a variable value depending on the function to be realized. For example, when realizing a function similar to the function indicated by the reference value, zero is set as the target value, and when scaling is performed, a value obtained by enlarging / reducing the information indicating the function to be reproduced is set. can.
  • the ideal velocity (position) source block PC is a block that performs calculations in the velocity (position) region according to the coordinate transformation defined by the functional force / velocity allocation conversion block FT.
  • a target value regarding the speed (position) when performing a calculation based on the coordinate conversion defined by the function-specific force / speed allocation conversion block FT is set.
  • This target value is set as a fixed value or a variable value depending on the function to be realized. For example, when realizing a function similar to the function indicated by the reference value, zero is set as the target value, and when scaling is performed, a value obtained by enlarging / reducing the information indicating the function to be reproduced is set. can.
  • the inverse conversion block IFT is a block that converts the values in the region of velocity (position) and force into the values in the region of input to the controlled system CS (for example, voltage value or current value). Based on such a basic principle, when the position information in the actuator of the controlled target system CS is input to the function-specific force / speed allocation conversion block FT, the speed (position) and force information obtained based on the position information is obtained. In the function-specific force / velocity allocation conversion block FT, control rules for each position and force region according to the function are applied. Then, in the ideal power source block FC, the force is calculated according to the function, and in the ideal speed (position) source block PC, the speed (position) is calculated according to the function, and the force and the speed (position) are calculated. Control energy is distributed to each.
  • the calculation results in the ideal power source block FC and the ideal speed (position) source block PC are information indicating the control target of the controlled target system CS, and these calculation results are used as the input values of the actuators in the inverse conversion block IFT for control. It is input to the target system CS.
  • the actuator of the controlled target system CS executes an operation according to the function defined by the function-specific force / speed allocation conversion block FT, and the desired robot operation is realized. That is, in each embodiment of the present invention, the robot can more appropriately realize the human movement at the time of a predetermined action.
  • the force in the actuator is represented by the product of mass and acceleration
  • the velocity (position) in the actuator is represented by the integral of acceleration. Therefore, by controlling the velocity (position) and the force through the region of acceleration, the current position of the actuator can be acquired and the desired function can be realized.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing the concept of control when the force / tactile transmission function is defined in the function-specific force / speed allocation conversion block FT.
  • FIG. 4 is a schematic diagram showing the concept of a master / slave system including a master device and a slave device to which the force / tactile transmission function is applied.
  • the operation of the master device is transmitted to the slave device, and the input of the reaction force from the object to the slave device is operated. It is possible to realize a function (bilateral control function) of feeding back to the master device as a reaction force.
  • the coordinate transformation in the functional force / velocity allocation conversion block FT is expressed by the following equations (3) and (4).
  • x 'p is the rate
  • x for deriving the state value of the velocity (position)' is f is the velocity on the status value of the force.
  • x' x s is the current speed of the slave device (differential value of the current position).
  • f p is a force related to the state value of the velocity (position)
  • f f is a force for deriving the state value of the force.
  • f m is the force of the reference value (input from the master device)
  • f s is the current force of the slave device.
  • the scaling function is a function that enlarges or reduces the scale of the output position, force, or time with respect to the reference control.
  • the scaling function for example, the magnitude of the movement of the master device can be reduced and reproduced on the slave device, the strength (force) of the movement of the master device can be increased and reproduced on the slave device, or the movement of the master device can be reproduced. It can be reproduced by a slave device by reducing the speed of.
  • a configuration example for realizing the scaling function will be described.
  • the position of the slave device is multiplied by ⁇ ( ⁇ is a positive number)
  • the force of the slave device is multiplied by ⁇ ( ⁇ is a positive number)
  • the master device is used. Be transmitted.
  • a scaling function for example, during the treatment, the force and tactile sensation associated with the user's operation can be suppressed or emphasized, so that more delicate work or work requiring more force can be performed. It becomes effective for.
  • the slave device and the master device can be obtained by applying the coordinate transformations of the equations (7) and (8). Is controlled to a similar position.
  • the scaling function is activated by applying the coordinate transformations of the equations (9) and (10) so that the slave device does not exceed the position of (1 / b + a). Be controlled. With such a scaling function, for example, it is possible to suppress the movement of the slave device due to the operation of the user during the treatment.
  • FIG. 5 is a schematic diagram showing a basic configuration of a master side unit 11 and a slave side unit 21 in the medical device 1a.
  • the master side unit 11 and the slave side unit 21 are communicably connected to the information processing unit 50.
  • the master-side unit 11 includes a master-side driver 111, a master-side actuator 112, and a master-side position sensor 113. Further, the master side unit 11 operates the operation mechanism 70 by the master side actuator 112. As described above, in the medical device 1a, the movable housing 10 corresponds to the operation mechanism 70.
  • the slave-side unit 21 includes a slave-side driver 211, a slave-side actuator 212, and a slave-side position sensor 213. Further, the slave side unit 21 operates the treatment mechanism 80 by the slave side actuator 212. As described above, in the medical device 1a, the drill blade 23 (and the drill blade rotary motor 22 connected to the drill blade 23) corresponds to the treatment mechanism 80. In the following description, when the master side and the slave side are not distinguished from each other, some of the names and symbols are omitted, and simply "unit”, “driver”, “actuator”, and “position sensor” are used. ".
  • the information processing unit 50, the master side unit 11, and the slave side unit 21 cooperate with each other based on the above-mentioned basic principle of operation control with reference to FIGS. 2 to 4, thereby mastering.
  • the side unit 11 operates as a master device
  • the slave side unit 21 operates as a slave device.
  • the actuator that is, the master side actuator 112 or the slave side
  • the unit operating as the other device that is, the master side unit 11 or the slave side unit 21
  • the detection result of the position sensor that is, the master side position sensor 113 or the slave side position sensor 213) installed in the actuator 212
  • the functions implemented in the medical device 1a can be variously changed by switching the coordinate conversion defined by the function-specific force / speed allocation conversion block FT realized by the information processing unit 50. Can be done.
  • the information processing unit 50 controls the entire medical device 1a, and is composed of a processor such as a CPU (Central Processing Unit) and an information processing device including a storage device such as a memory or a hard disk.
  • the information processing unit 50 has functions of a function-specific force / speed allocation conversion block FT, an ideal power source block FC, an ideal speed (position) source block PC, and an inverse conversion block IFT in FIGS. 2 and 3. There is. Then, the information processing unit 50 controls to operate as one of the master device and the slave device by these functions.
  • the information processing unit 50 acquires a reference value (hereinafter, referred to as "reference value”) for each function provided in the medical device 1a.
  • This reference value is, for example, a time-series detection value output from a position sensor installed in an actuator of a unit operating as the other device when operating as one device of the master device and the slave device.
  • the information processing unit 50 may be configured by a communication interface (communication I / F). can.
  • a detection value along the time series detected by the position sensor of the unit operating as the other device (that is, information on the position detected by the treatment) is input to the information processing unit 50 as a reference value. Will be done.
  • the detected value along this time series represents the operation of the unit operating as the other device, and the information processing unit 50 has the velocity (position) and the force derived from the input detected value (position). Apply the coordinate transformation set according to the function to the information.
  • the information processing unit 50 performs an operation in the area of the velocity (position) with respect to the velocity (position) for deriving the state value of the velocity (position) obtained by the coordinate conversion. Similarly, the information processing unit 50 performs an operation in the force region with respect to the force for deriving the state value of the force obtained by the coordinate transformation. Further, the information processing unit 50 performs dimensional unification processing such as acceleration on the calculation result in the calculated velocity (position) region and the calculation result in the force region, and is set according to the function. Apply the inverse transformation of the existing coordinate transformation. As a result, the information processing unit 50 converts the calculation result in the calculated velocity (position) region and the calculation result in the force region into the value in the region of the input to the actuator.
  • a functional block for performing a process for controlling the treatment by the medical device 1a also functions. This functional block will be described later with reference to FIG.
  • the driver converts the value in the region of input to the actuator, which is inversely converted by the information processing unit 50, into a specific control command value (voltage value, current value, etc.) for the actuator, and outputs the control command value to the actuator. ..
  • the actuator is driven according to a control command value input from the driver, and is driven by the position of the controlled device (that is, the position of the movable housing 10 corresponding to the operation mechanism 70, or the drill blade 23 (and this) corresponding to the treatment mechanism 80.
  • the position) of the drill blade rotary motor 22) connected to is controlled.
  • the position sensor detects the position of the controlled target device controlled by the actuator and outputs the detected value to the information processing unit 50.
  • the medical device 1a changes the velocity (position) and force obtained from the position of the actuator detected by the position sensor into the state of the velocity (position) region and the force region by coordinate conversion according to the function. Convert to a value.
  • control energy is distributed to each of the velocity (position) and the force according to the function.
  • each state value is inversely transformed into a control command value, and the actuator is driven by the driver according to this control command value.
  • the medical device 1a can calculate the speed (position) and force state values required to realize the desired function by detecting the positions of one of the actuators of the master device and the slave device. By driving the other actuator of the master device and the slave device based on these state values, the position and force of the master device and the slave device can be controlled to the desired state.
  • the medical device 1a can realize different functions by switching the coordinate conversion according to the function in the information processing unit 50.
  • the storage device provided in the medical device 1a stores the coordinate transformations corresponding to various functions corresponding to a plurality of functions, and selects the coordinate transformations according to one of the functions according to the purpose. By doing so, it becomes possible to realize various functions in the medical device 1a.
  • the medical device 1a when realizing the above-mentioned function as (force / tactile transmission function), the medical device 1a inputs the reference value input to the information processing unit 50 in real time from the unit operating as the other device. It can be the acquired value of position and force. In this case, one device can be controlled in real time in conjunction with the operation of the unit operating as the other device. That is, in this case, since the coordinate transformation represented by the equation (2) is defined in the information processing unit 50, the position of the master side actuator 112 operating as the master device and the slave side actuator 212 operating as the slave device It is controlled so that the difference from the position is zero.
  • the force / tactile sensation in the operation applied by the operator to the master side actuator 112 operating as the master device is transmitted to the slave device, and the slave operates as the slave device.
  • the reaction force from the object (for example, the treatment target portion 60) acting on the side actuator 212 is fed back to the master side actuator 112 operating as the master device as the operation reaction force.
  • the operation performed on the master device can be appropriately reproduced in the slave device, and the reaction force from the object input to the slave device can be appropriately transmitted to the master device as the operation reaction force.
  • the medical device 1a reduces the magnitude of movement of the unit operating as one device, for example, as the other device by the scaling function. It can be reproduced with a unit that operates, it can be reproduced with a unit that operates as the other device by increasing the strength (force) of the movement of the unit that operates as one device, or it can be reproduced with a unit that operates as one device. It can be reproduced with a unit that slows down and operates as the other device.
  • the information processing unit 50 controls the operation of the master side unit 11 as a master device and the operation of the slave side unit 21 as a slave device, and further performs "medical device control processing".
  • the medical device control process is a series of processes for controlling the treatment by the medical device 1a.
  • FIG. 6 is a block diagram showing an example of hardware and functional blocks of the information processing unit 50 for realizing this medical device control process.
  • the information processing unit 50 includes a processor 51, a ROM 52, a RAM 53, a communication unit 54, a storage unit 55, an input unit 56, an output unit 57, and a drive 58.
  • a driver and a position sensor are connected to the information processing unit 50. Each of these parts is connected by a signal line and sends and receives signals to and from each other.
  • the processor 51 executes various processes according to the program recorded in the ROM 52 or the program loaded from the storage unit 55 into the RAM 53. Data and the like necessary for the processor 51 to execute various processes are also appropriately stored in the RAM 53.
  • the processor 51 is shown as a single processor, but this is only an example.
  • the processor 51 may be realized by a plurality of processors.
  • the above-mentioned function of controlling the operation as a master device or a slave device (corresponding to "motion control unit 511" and “parameter acquisition unit 512" in the figure) and medical device control in cooperation with the function.
  • the function of performing processing (corresponding to "state detection unit 513" and "notification unit 514" in the figure) may be realized by different processors.
  • the processor is composed of a single information arithmetic processing unit, and also includes these arithmetic processing units and a processing circuit such as an ASIC (Application Specific Integrated Circuit) or an FPGA (Field-Programmable Gate Array).
  • a processing circuit such as an ASIC (Application Specific Integrated Circuit) or an FPGA (Field-Programmable Gate Array).
  • the ROM 52, the RAM 53, and the like may be provided for each processor.
  • the information processing unit 50 is, for example, a unit that controls the operation as a master device or a slave device (for example, an integrated circuit for force / tactile transmission control) and a unit that performs medical device control processing (for example, medical device control). It may be realized by being distributed to a plurality of units, such as a personal computer in which a processing program is incorporated). again,
  • the communication unit 54 controls communication for the processor 51 to communicate with the master side unit 11, the slave side unit 21, and other devices.
  • the storage unit 55 is composed of a semiconductor memory such as a DRAM (Dynamic Random Access Memory) and stores various data.
  • the input unit 56 is composed of an input device provided in the medical device 1a such as various buttons or an external input device such as a mouse and a keyboard, and inputs various information according to a user's instruction operation.
  • the output unit 57 is composed of a display, a speaker, or the like, and outputs an image, a voice, a warning sound, or the like.
  • a removable medium (not shown) made of a magnetic disk, an optical disk, a magneto-optical disk, a semiconductor memory, or the like is appropriately mounted on the drive 58.
  • the program read from the removable media by the drive 58 is installed in the storage unit 55 as needed.
  • the processor 51 includes an operation control unit 511, a parameter acquisition unit 512, a state detection unit 513, and a notification unit 514. , Works. Further, in the case of realizing the medical device control process in such a hardware configuration, the parameter storage unit 551 is set in one area of the storage unit 55 as shown in FIG. Data necessary for realizing processing is appropriately transmitted and received between these functional blocks at appropriate timings, even if not specifically mentioned below.
  • the motion control unit 511 controls the motion of the master unit 11 operating as the master device and the slave unit 21 operating as the slave device by applying the force / tactile transmission function. That is, the motion control unit 511 functions as a function-specific force / speed allocation conversion block FT, an ideal power source block FC, an ideal speed (position) source block PC, and an inverse conversion block IFT in FIGS. 2 and 3. Realize. Further, in this case, the motion control unit 511 defines the force / tactile transmission function in the function-specific force / speed allocation conversion block FT as described above with reference to FIG. 3, and applies the force / tactile transmission function. Control the operation. Further, in this case, the motion control unit 511 realizes a different function by switching the coordinate conversion according to the function.
  • the parameter acquisition unit 512 acquires "control parameters related to force and tactile sensation" which are control parameters used in the operation control to which the force and tactile transmission function applied by the motion control unit 511 is applied.
  • control parameters related to force and tactile sensation are control parameters used in the operation control to which the force and tactile transmission function applied by the motion control unit 511 is applied.
  • the parameter acquisition unit 512 acquires a value indicating a position and a value indicating a force obtained from the position of the actuator detected by the position sensor as control parameters related to force and tactile sensation. do.
  • the force in the actuator can be calculated as the product of the mass and the acceleration, and the velocity (position) in the actuator can be calculated by integrating the acceleration. Therefore, for example, the parameter acquisition unit 512 integrates in real time based on the position of each actuator detected by each position sensor and the information corresponding to the coordinate conversion results of the above equations (3) and (4). By performing the calculation of, the value indicating the position and the value indicating the force are calculated, and the control parameters related to these force and tactile sensations are acquired.
  • the parameter acquisition unit 512 stores the acquired control parameters related to the force and tactile sensation in the parameter storage unit 551. That is, the parameter storage unit 551 functions as a storage unit that stores control parameters related to force and tactile sensation.
  • the state detection unit 513 detects that the state of the treatment by the treatment mechanism 80 is a predetermined state based on the control parameters related to the force and tactile sensation acquired by the parameter acquisition unit 512. Then, when the state detection unit 513 detects this predetermined state, the motion control unit 511 switches the control of the motion to which the force / tactile transmission function is applied.
  • the state detection unit 513 detects that the treatment mechanism 80 has penetrated the vertebrae, which is the treatment target site 60, as a predetermined state. Then, the motion control unit 511 switches the motion control to which the force / tactile transmission function is applied so as to suppress the operation performed by the operation mechanism 80 when the state detection unit 513 detects the penetration of the vertebrae. This makes it possible to prevent damage to tissues such as nerves along the vertebrae. As a result, the above-mentioned security assurance can be realized.
  • FIG. 7 is a graph showing the test results when a penetration test is actually performed with a medical drill having a configuration corresponding to the medical device 1a.
  • the horizontal axis indicates time.
  • the vertical axis represents a position (slave) as a control parameter value related to force and tactile sensation of the slave-side linear motor (here, the slave-side actuator 212 in the medical device 1a) that changes with time series.
  • the position associated with the action of the side actuator 212) and the value indicating the force (here, the reaction force from the treatment target site 60) are shown.
  • the value indicating the position and the value indicating the force do not fluctuate significantly and maintain a constant value.
  • the value indicating the force fluctuates greatly at the timing when the treatment target site 60 penetrates (indicated by the text "penetration" in the figure), and suddenly becomes a small value.
  • the value indicating the position fluctuates greatly at the same timing, and suddenly becomes a large value. This is because the penetration of the treatment mechanism 80 eliminates the reaction force from the treatment target site 60 and increases the linear motion distance of the treatment mechanism 80 that receives almost no reaction force.
  • the state detection unit 513 detects that the treatment mechanism 80 has penetrated the treatment target site 60 based on a large fluctuation in the value indicating such a force (indicated by the text "penetration detection” in the figure). Therefore, for example, the state detection unit 513 calculates the fluctuation amount per unit time for the force value, and detects that the force has penetrated when the fluctuation amount per unit time is larger than a predetermined threshold value.
  • the predetermined threshold value for this fluctuation amount may be set as an absolute value in advance based on, for example, the physical characteristics of the treatment target site 60 and the physical characteristics of the treatment mechanism 80, or the fluctuation amount before the unit time ( That is, it may be set as a relative value based on the amount of fluctuation during cutting).
  • a predetermined threshold value is set for the instantaneous value of the value indicating the force, and penetration is detected based on the instantaneous value of the value indicating the force. It may be. Further, as described above, since the value indicating the position also fluctuates greatly at the time of penetration, a threshold value may be set for the value indicating the position instead of the value indicating the force to detect the penetration.
  • the state detection unit 513 When the state detection unit 513 detects that the treatment mechanism 80 has penetrated the treatment target site 60, the state detection unit 513 outputs to the motion control unit 511 that the penetration has been detected. Then, when the state detection unit 513 detects the penetration, the motion control unit 511 switches the control of the motion to which the force / tactile transmission function is applied so as to suppress the treatment performed by the treatment mechanism 80. For example, the operation control unit 511 switches the control for the master side unit 11 and the slave side unit 21 from the bilateral control to the position control for fixing the slave side unit 21.
  • the operation control unit 511 applies the above-mentioned (scaling function) in the operation control.
  • the motion control unit 511 applies the above-mentioned (force / tactile transmission function accompanied by scaling) in the motion control, and outputs the motion control unit 511 to the slave unit 21 in the control based on the motion of the master unit 11.
  • the scale of the position is extremely reduced.
  • the motion control unit 511 applies the above-mentioned (force / tactile transmission function with position limitation by scaling) in the motion control, and sets the position where the penetration is detected as the position limit.
  • the motion control unit 511 controls the slave side actuator 212 regardless of the movement of the master side unit 11, and forcibly stops the slave side actuator 212. It may be controlled so as to be operated, or the treatment mechanism 80 may be controlled to move linearly in a direction away from the treatment target site 60 by the slave side actuator 212.
  • the slave side actuator 212 does not move the treatment mechanism 80 any more.
  • the value indicating the force is controlled to be substantially zero, and the value indicating the position remains a constant value. That is, the position of the treatment mechanism 80 is fixed, and the treatment is not performed any more, which means that the treatment is suppressed.
  • the operation control unit 511 controls the operation control unit 511 to stop the rotation by the drill blade rotation motor 22 regardless of whether the switch lever 13 presses the switch 12. May be done. This makes it possible to further enhance safety.
  • the state detection unit 513 may detect a predetermined state other than penetration. For example, when the treatment target site 60 is a relatively soft biological tissue, it is determined that the treatment target site 60 has come into contact with a relatively hard biological tissue, a relatively hard artificial organ, or the like other than the treatment target site 60. May be detected as. In this case, for example, it is considered that the value indicating the force fluctuates greatly and suddenly becomes a large value, and the value indicating the position fluctuates greatly at the same timing and suddenly becomes a small value. The state detection unit 513 may detect a predetermined state based on such a change in the value.
  • the notification unit 514 presents to the user various information regarding the treatment using the medical device 1a. For example, the notification unit 514 notifies the user of the control parameters related to the force and tactile sensation acquired by the parameter acquisition unit 512 in real time or after the treatment is completed. In addition, for example, the notification unit 514 notifies in real time or after the treatment is completed that the penetration has been detected by the state detection unit 513. With reference to these notifications, the user can, for example, adjust his / her own operation (for example, the strength of the operation with respect to the operation mechanism 70 and the amount of movement) in real time, or quantitatively evaluate the skill in cutting training after the treatment is completed. It can be used as an index for doing.
  • his / her own operation for example, the strength of the operation with respect to the operation mechanism 70 and the amount of movement
  • the notification by the notification unit 514 is realized, for example, by displaying the graph as illustrated in FIG. 7 on the display included in the output unit 57.
  • the value indicating the force or the position of the slave side actuator 212 may be further displayed.
  • the parameters related to the force and tactile sensation of the actuator 112 on the master side in this way, it is possible to grasp, for example, that the user has continued the operation without canceling the operation by the operation mechanism 70 even though the user has penetrated the actuator 112. be able to.
  • the notification by the notification unit 514 includes, for example, the output of a warning sound or voice from the speaker included in the output unit 57, or the blinking of a light emitting unit such as an LED (Light Emitting Diode) included in the output unit 57. It may be realized by such as.
  • the notification of the notification unit 514 it is possible to notify the user of the control parameters related to force and tactile sensation as quantitative data to assist the analysis by the user. For example, it is possible to assist the user in identifying the cutting layer and analyzing the mechanical information of the living body.
  • FIG. 8 is a flowchart illustrating the flow of the medical device control process.
  • the medical device control process is executed when the user starts the treatment using the medical device 1a.
  • step S11 the drill blade rotation motor 22 starts applying a rotational force to the drill blade 23 based on the operation of pressing the switch 12 with the switch lever 13 from the user. In conjunction with this, the drill blade 23 physically connected to the drill blade rotation motor 22 starts rotating.
  • step S12 the motion control unit 511 moves the movable housing 10 and the master side unit 11 connected to the movable housing 10 directly toward the treatment target site 60 along the drill axis from the user.
  • the operation control to which the force / tactile transmission function is applied to the master side unit 11 operating as the master device and the slave side unit 21 operating as the slave device is started.
  • step S13 the parameter acquisition unit 512 starts acquiring control parameters related to force and tactile sensation used in the operation control to which the force / tactile transmission function is applied by the motion control unit 511.
  • step S14 the notification unit 514 starts notifying the user of the control parameters and the like related to the force and tactile sensation acquired by the parameter acquisition unit 512.
  • step S15 the state detection unit 513 determines whether or not a predetermined state (here, penetration of the vertebrae) in the treatment has been detected based on the control parameters related to the force and tactile sensation acquired by the parameter acquisition unit 512.
  • a predetermined state here, penetration of the vertebrae
  • a predetermined state is not detected, it is determined as No in step S15, and the process proceeds to step S17.
  • step S16 the motion control unit 511 switches the motion control to which the force / tactile transmission function is applied so as to suppress the operation performed by the operation mechanism 80.
  • step S17 the motion control unit 511 determines whether or not the end condition is satisfied. For example, it is determined that the end condition is satisfied when the operation for the treatment by the user is completed or when the process of suppressing the treatment is performed in step S16. If the end condition is satisfied, it is determined as Yes in step S17, and this process ends. On the other hand, if the end condition is not satisfied, it is determined as No in step S17, and the process is repeated from step S15.
  • the medical device control process described above it is possible to acquire information that more appropriately indicates the state of the treatment mechanism at the time of treatment. Further, according to the medical device control process, it is possible to perform motion control that suppresses the treatment with higher accuracy based on the appropriate information, and to notify the user of the appropriate information.
  • FIG. 9 is a schematic diagram showing the basic configuration of the medical device 1b according to the present embodiment.
  • a side view of the medical device 1b when the moving direction of the medical device 1b (indicated by an arrow in the figure) at the time of performing the treatment is the front is schematically shown.
  • the internal configuration is shown through the housing 30.
  • the information processing unit 50 wiredly connected to the housing 30 and the treatment target portion 60 to be treated are also schematically shown. ..
  • the medical device 1b includes a single housing called a housing 30, unlike the medical device 1a which includes a movable housing 10 and a fixed housing 20. Then, inside the housing 30, the master side unit 11 (including the master side driver 111, the master side actuator 112, and the master side position sensor 113) and the slave side unit 21 (slave side driver 211, the slave side actuator 212, and the slave) (Including the side position sensor 213), the drill blade rotary motor 22, and the drill blade 23 are arranged. Further, outside the housing 30, a rack and pinion 14 and a switch lever 15 are arranged in place of the switch 12 and the switch lever 13 provided in the medical device 1a.
  • the master side actuator 112 is physically connected to the movable housing 10 and directly gives the movable housing 10 a propulsive force for linear movement along the drill axis. It was supposed to be a dynamic motor. Instead, in the medical device 1b, the master side actuator 112 is a rotary motor that is physically connected to the housing 30 and applies a rotational force to the rack and pinion 14 with the drill axis as the rotary axis. I assume there is.
  • the rack and pinion 14 converts the rotational force applied by the master side actuator 112 with the drill axis as the rotation axis into a propulsion force for the switch lever 15 to move linearly with respect to the axis orthogonal to the drill axis. That is, for the user, the operating reaction force is transmitted by pushing up the switch lever 15 (that is, the switch lever 15 tries to open) as the master side actuator 112 rotates.
  • the switch lever 15 functions as the operating mechanism 70 instead of the movable housing 10.
  • the bilateral control function in which the master side unit 11 is the master device and the slave side unit 21 is the slave device is provided by the control by the information processing unit 50. It will be realized. That is, the operation of the master device (here, the operation of gripping the switch lever 15 by the user) is transmitted to the slave device, and the reaction force from the object to the slave device (here, from the treatment target portion 60 for cutting the drill blade 23). A bilateral control function that feeds back the input of (reaction force) to the master device is realized.
  • the slave side actuator 212 directly moves the drill blade rotation motor 22 and the drill blade 23 toward the treatment target site 60 in conjunction with this operation. As a result, the rotating drill blade 23 is pressed against the treatment target site 60, and the treatment of cutting the vertebrae, which is the treatment target site 60, is realized.
  • the medical device 1b realizes bilateral control to mutually transmit force and tactile sensation between the switch lever 15 which is the operation mechanism 70 and the drill blade 23 which is the treatment mechanism 80. Therefore, the user can use the medical device 1a with the same feeling as a general medical drill provided with only one rotary motor without being aware of the existence of the two linear motors.
  • the medical device 1b calculates the control parameter related to the force-tactile sensation and acquires the control parameter related to the force-tactile sensation. This makes it possible to achieve the above-mentioned effects when explaining [the basic concept of the present invention]. That is, the same effect as that of the medical device 1a can be obtained depending on the configuration of the medical device 1b.
  • FIG. 10 is a schematic view showing a basic configuration of the medical device 1c according to the present embodiment. Similar to FIGS. 1 and 9, in FIG. 10, a side view of the medical device 1c when the moving direction of the medical device 1c (indicated by an arrow in the figure) at the time of performing the treatment is the front is shown. In addition to being schematically shown, the internal configuration is shown through the housing 40. Further, similarly to FIGS. 1 and 9, in FIG. 10, the information processing unit 50 wiredly connected to the housing 40 and the treatment target portion 60 to be treated are also schematically shown. Has been done.
  • the medical device 1c includes a single housing called a housing 40, unlike the medical device 1a that includes the movable housing 10 and the fixed housing 20.
  • a slave-side unit 21 (including a slave-side driver 211, a slave-side actuator 212, and a slave-side position sensor 213), a drill blade rotation motor 22, and a drill blade 23 are arranged inside the housing 40.
  • the master side unit 11 (including the master side driver 111, the master side actuator 112, and the master side position sensor 113), the switch 12, and the switch lever 13 are omitted. ..
  • the medical device 1c can be used as a medical device such as the medical device 1a and the medical device 1b that the user directly holds and performs the treatment.
  • the tip of the robot arm (not shown) is omitted. It is assumed that it is a medical device that is placed and used in such places.
  • the operation control by the bilateral control function which has been performed in the medical device 1a and the medical device 1b based on the user's operation, is realized by the information processing unit 50 as follows.
  • the information processing unit 50 when the information processing unit 50 performs operation control by the bilateral control function, it is necessary to acquire a reference value which is a reference value for each function.
  • This reference value is output from the master side position sensor 113 installed in the master side actuator 112 of the master side unit 11 that operates as the master device, for example, when the slave device is controlled by the medical device 1a and the medical device 1b described above. It is a detected value of the time series to be performed.
  • the information processing unit 50 in the medical device 1c, the information processing unit 50 generates this reference value. That is, in the medical device 1c, the information processing unit 50 virtually realizes the functions of the operation mechanism 70 and the master device in order to realize the operation control of the slave side unit 21 that operates as the slave device. In this way, even when the information processing unit 50 generates the reference value, the operation control with the slave side unit 21 as the slave device is realized based on the basic principle in the above-mentioned [operation control for the controlled device]. be able to.
  • the reference value is, for example, the acquired value of the speed (position) and the force input in real time from the virtual master device when the virtual master device performs a predetermined operation.
  • the operation control unit 511 sets the predetermined force in the above equation (3). Substitute the corresponding force value for f m (ie, the force of the reference value (input from the virtual master device)), and in equation (4) above, the value of zero is x'm (ie, the reference value). Substitute for the velocity (differential value of the current position of the virtual master device) of (input from the virtual master device).
  • the operation control unit 511 may perform the operation of the above-mentioned equation (3).
  • a value of zero f m i.e., a reference value (input force) from the virtual master device
  • m a value corresponding to the predetermined speed (position) x '
  • Substitute m that is, the velocity of the reference value (input from the virtual master device) (differential value of the current position of the virtual master device)).
  • the operation control unit 511 realizes the operation control with the slave side unit 21 as the slave device based on this reference value.
  • the motion control unit 511 first starts the rotation of the drill blade rotation motor 22.
  • the operation control unit 511 performs operation control assuming that the virtual master device has performed a predetermined operation.
  • the slave side actuator 212 directly moves the drill blade rotation motor 22 and the drill blade 23 toward the treatment target portion 60.
  • the rotating drill blade 23 is pressed against the treatment target site 60, and the treatment of cutting the vertebrae, which is the treatment target site 60, is realized.
  • the medical device 1c performs operation control by realizing bilateral control, assuming that the virtual master device has performed a predetermined operation.
  • the medical device 1c calculates the control parameter related to the force-tactile sensation and acquires the control parameter related to the force-tactile sensation.
  • each embodiment is realized by a medical drill in which the drill blade 23 is rotated by the drill blade rotation motor 22.
  • each embodiment may be realized by a medical device provided with a treatment mechanism that does not require rotation. That is, each embodiment may be realized by a medical device in which the slave side actuator 212 directly moves the treatment mechanism.
  • each embodiment is realized by a medical device having a treatment mechanism such as a drill blade 23 that requires rotation, and the slave side actuator 212 as a rotary motor that applies a rotational force to the drill blade 23. It may be. In either case, it is not necessary to provide the drill blade rotation motor 22 in addition to the slave side actuator 212.
  • the information processing unit 50 function as a virtual master device as in the third embodiment, it is not necessary to provide the master side unit 11, and a single drive of the slave side actuator 212 is eliminated. It can also be applied to medical devices consisting only of devices.
  • the medical device for realizing each of the above-described embodiments is not particularly limited, and each of the above-described embodiments can be realized by various medical devices. Further, for example, the number of drive devices for configuring such various medical devices and the presence / absence of a mechanism for converting rotational force into propulsive force such as a rack and pinion and a ball screw are not particularly limited. Needs to include at least a single drive for operating the treatment mechanism.
  • the operation mechanism can be controlled by the bilateral control function.
  • this bilateral control function in realizing this bilateral control function, the control parameters related to the force-tactile sensation are calculated, and the control parameters related to the force-tactile sensation are acquired. That is, even in the case of such a configuration, the above-mentioned effect can be obtained in the explanation of [the basic concept of the present invention].
  • each housing such as the movable housing 10, the fixed housing 20, the housing 30, and the housing 40. You may.
  • each of the medical device 1a, the medical device 1b, and the medical device 1c includes the treatment mechanism 80, the slave side actuator 212, the motion control unit 511, and the parameter acquisition unit 512.
  • the treatment mechanism 80 is a mechanism for treating a patient.
  • the slave-side actuator 212 causes the treatment mechanism 80 to perform the treatment.
  • the motion control unit 511 calculates the control parameters related to the force and tactile sensation based on the information about the position detected during the treatment, and performs the treatment on the treatment mechanism 80 by the slave side actuator 212 based on the control parameters related to the force and tactile sensation. Control the action to be taken.
  • the parameter acquisition unit 512 acquires control parameters related to force and tactile sensation.
  • each of the medical device 1a, the medical device 1b, and the medical device 1c acquires the control parameters related to the force and tactile sensation.
  • the control parameter related to the force-tactile sensation is information that more appropriately indicates the state of the treatment mechanism at the time of the treatment, as compared with the current value of the motor and the like.
  • each of the medical device 1a, the medical device 1b, and the medical device 1c it is possible to acquire information that more appropriately indicates the state of the treatment mechanism at the time of the treatment.
  • Each of the medical device 1a and the medical device 1b includes an operation mechanism 70 and a master side actuator 112.
  • the operation mechanism 70 is a mechanism that accepts the operation of the operator.
  • the master side actuator 112 applies an operating reaction force to the operating mechanism 70.
  • the motion control unit 511 controls the motion for applying the operation reaction force to the operation mechanism 70 by the master side actuator 112 based on the control parameter related to the force tactile sensation, and also controls the motion for applying the operation reaction force to the operation mechanism 70 by the master side actuator 112, and based on the control parameter related to the force tactile sensation.
  • Force and tactile sensations are transmitted to each other between the slave side actuator 212 and the master side actuator 112. As a result, by realizing bilateral control of transmitting force and tactile sensation, it is possible to apply an operation reaction force to the operation mechanism used by the operator.
  • Each of the medical device 1a and the medical device 1b is connected to an actuator that applies a rotational force to the treatment mechanism 80 and an actuator that applies the rotational force, and is to be treated by the actuator that applies the rotational force and the treatment mechanism 80. It is provided with an actuator that applies a propulsive force in the direction of the part of the vehicle.
  • the motion control unit 511 controls the actuator that applies the propulsive force as the slave side actuator 212.
  • Each of the medical device 1a, the medical device 1b, and the medical device 1c includes an actuator that gives the treatment mechanism 80 a propulsive force in the direction of the site to be treated, or a propulsive force or a rotational force of the rotational force.
  • the motion control unit 511 controls an actuator that applies either a propulsive force or a rotational force in the direction of the treatment target to the treatment mechanism 80 as the slave side actuator 212.
  • Each of the medical device 1a, the medical device 1b, and the medical device 1c includes a state detection unit 513.
  • the state detection unit 513 detects that the state of the treatment by the treatment mechanism 80 is a predetermined state based on the control parameters related to the force and tactile sensation acquired by the parameter acquisition unit 512.
  • the motion control unit 511 suppresses the operation performed by the operation mechanism 80 when the state detection unit 513 detects that the state is in a predetermined state. As a result, when a state in which the treatment should be suppressed is detected, it is possible to control the treatment to be suppressed.
  • the treatment mechanism 80 includes a treatment mechanism for cutting the treatment target portion.
  • the state detection unit 513 detects the reaction force received by the treatment mechanism from the treatment target site based on the control parameters related to the force and tactile sensation, and performs the treatment based on the fluctuation of the reaction force along the time series. It is detected as a predetermined state that the mechanism has penetrated the treatment target site. As a result, it is possible to control the treatment to be suppressed when the treatment target site is penetrated.
  • the programs constituting the software are installed in the computer via a network or a recording medium.
  • the computer may be a computer in which dedicated hardware is incorporated, or a general-purpose computer capable of performing a predetermined function by installing a program (for example, a general-purpose personal computer or the like).
  • a program for example, a general-purpose personal computer or the like.
  • the step of writing a program may include only processes performed in chronological order in that order, but may include processes executed in parallel or individually.
  • the steps for describing the program may be executed in any order within a range that does not deviate from the gist of the present invention.
  • the recording medium on which such a program is recorded may be provided to the user by being distributed separately from the computer main body, or may be provided to the user in a state of being preliminarily incorporated in the computer main body.
  • the storage medium distributed separately from the computer main body is composed of, for example, a magnetic disk (including a floppy disk), an optical disk, a magneto-optical disk, or the like.
  • the optical disk is composed of, for example, a CD-ROM (Compact Disc-Read Only Memory), a DVD (Digital Paris Disc), a Blu-ray (registered trademark) Disc (Blu-ray disc), or the like.
  • the magneto-optical disk is composed of, for example, MD (Mini Disc) or the like.
  • the storage media are attached to, for example, the drive 58 of FIG. 6 and incorporated into the computer body.
  • the recording medium provided to the user in a state of being incorporated in the computer body in advance is composed of, for example, the ROM 52 of FIG. 6 in which the program is recorded, the hard disk included in the storage unit 55 of FIG. ..
  • 1a, 1b, 1c medical equipment 10 movable housing, 11 master side unit, 12 switch, 14 rack and pinion, 13, 15 switch lever, 20 fixed housing, 21 slave side unit, 22 drill blade rotation motor, 23 drill Blade, 30, 40 housing, 50 information processing unit, 51 processor, 52 ROM, 53 RAM, 54 communication unit, 55 storage unit, 56 input unit, 57 output unit, 58 drive, 60 treatment target part, 70 operation mechanism, 80 Treatment mechanism, 111 Master side driver, 112 Master side actuator (motor), 113 Master side position sensor, 211 Slave side driver, 212 Slave side actuator (motor), 213 Slave side position sensor, 511 Operation control unit, 512 Parameter acquisition Unit, 513 state detection unit, 514 notification unit, 551 parameter storage unit, CS control target system, FT force / speed allocation conversion block, FC ideal power source block, PC ideal speed (position) source block, IFT inverse conversion block

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Abstract

【課題】施術時における施術機構の状態を、より適切に示す情報を取得する。 【解決手段】医療機器1a、医療機器1b及び医療機器1cのそれぞれは、施術機構80と、スレーブ側アクチュエータ212と、動作制御部511と、パラメータ取得部512と、を備える。施術機構80は、患者に対する施術用の機構である。スレーブ側アクチュエータ212は、施術機構80に施術を行わせる。動作制御部511は、スレーブ側アクチュエータ212の作用に伴う位置に関する情報に基づいて、力触覚に関する制御パラメータを算出すると共に、該力触覚に関する制御パラメータに基づいて、スレーブ側アクチュエータ212による施術機構80に施術を行わせるための動作を制御する。パラメータ取得部512は、力触覚に関する制御パラメータを取得する。

Description

医療機器、及び医療用プログラム
 本発明は、医療機器、及び医療用プログラムに関する。
 従来、医療行為である手術や検診において、様々な医療機器を用いた施術が行われている。このような医療機器に関する技術が、例えば、特許文献1や特許文献2に開示されている。
 これら特許文献1や特許文献2に開示の技術では、生体組織を開孔するための施術機構(例えば、実際に切削を行うドリル刃)をモータで動作させると共に、このモータの電流値の変動に基づいてモータの動作制御を行っている。
特許第5692702号公報 特開2004-298559号公報
 しかしながら、特許文献1や特許文献2に開示されているような一般的な技術は、モータの電流値に基づいて動作制御を行っているに過ぎない。この電流値は、あくまでモータの駆動の状態を示す情報であって、実際に施術を行っている施術機構の状態を適切に示す情報とは言い難い。
 この点、施術機構の状態を、より適切に示す情報を取得することができれば、より精度高い動作制御を行ったり、ユーザに対してこの適切な情報を通知したりすることができる。
 本発明は、このような状況に鑑みてなされたものである。そして、本発明の課題は、施術時における施術機構の状態を、より適切に示す情報を取得することである。
 上記課題を解決するため、本発明の一実施形態に係る医療機器は、
 患者に対する施術用の施術機構と、
 前記施術機構に施術を行わせる施術用アクチュエータと、
 前記施術に伴い検出された位置に関する情報に基づいて、力触覚に関する制御パラメータを算出すると共に、該力触覚に関する制御パラメータに基づいて、前記施術用アクチュエータによる前記施術機構に施術を行わせるための動作を制御する動作制御手段と、
 前記力触覚に関する制御パラメータを取得するパラメータ取得手段と、
 を備えることを特徴とする。
 本発明によれば、施術時における施術機構の状態を、より適切に示す情報を取得することができる。
本発明の第1の実施形態に係る医療機器の全体構成の一例を示すブロック図である。 制御対象装置の動作の制御の基本的原理の概念を示す模式図である。 力・触覚伝達機能が定義された場合の制御の概念を示す模式図である。 マスタ・スレーブシステムの概念を示す模式図である。 マスタ側ユニット及びスレーブ側ユニットの基本的構成を示す模式図である。 医療機器制御処理を実現するための、情報処理ユニットのハードウェア及び機能ブロックの一例を示すブロック図である。 本発明の第1の実施形態に係る医療機器に相当する構成の医療用ドリルにて、実際に貫通試験を行った際の、試験結果を示すグラフである。 医療機器制御処理の流れを説明するフローチャートである。 本発明の第2の実施形態に係る医療機器の全体構成の一例を示すブロック図である。 本発明の第3の実施形態に係る医療機器の全体構成の一例を示すブロック図である。
 以下、添付の図面を参照して本発明の実施形態の一例について説明する。
[本発明の基本的概念]
 以下では、本発明の実施形態の一例として、第1の実施形態、第2の実施形態、及び第3の実施形態という3つの実施形態について説明をする。まず前提として、これら3つの実施形態に共通する本発明の基本的概念について説明する。
 本発明の各実施形態に係る医療機器は、少なくとも、施術機構と、施術用アクチュエータと、動作制御部と、パラメータ取得部と、を備える。
 施術機構は、患者に対する施術用の機構である。そして、施術用アクチュエータは、施術機構に施術を行わせる。この場合に、動作制御部は、施術に伴い検出された位置に関する情報に基づいて、力触覚に関する制御パラメータを算出すると共に、該力触覚に関する制御パラメータに基づいて、施術用アクチュエータによる施術機構に施術を行わせるための動作を制御する。そして、パラメータ取得部は、この力触覚に関する制御パラメータを取得する。
 このように、本発明の各実施形態に係る医療機器は、力触覚に関する制御パラメータに基づいて施術機構の動作を実際に制御する。また、本発明の各実施形態に係る医療機器は、この力触覚に関する制御パラメータを単に制御に用いるのみならず、この力触覚に関する制御パラメータを取得する。ここで、この力触覚に関する制御パラメータは、モータの電流値等と比較して、施術時における施術機構の状態を、より適切に示す情報である。
 すなわち、本発明の各実施形態に係る医療機器によれば、施術時における施術機構の状態を、より適切に示す情報を取得することができる。
 また、本発明の各実施形態に係る医療機器によれば、この適切な情報に基づいてより精度高く動作制御を行ったり、ユーザに対してこの適切な情報を通知したりすることもできる。
 以上が、本発明の基本的概念である。次に、各実施形態について詳細に説明をする。
<第1の実施形態>
[構成]
 図1は、本実施形態に係る医療機器1aの基本的構成を示す模式図である。なお、図1においては、施術を行う際の医療機器1aの移動方向(図中では矢印にて表す)を正面とした場合の、医療機器1aの側面図が模式的に示されると共に、可動筐体10及び固定筐体20を透過して内部構成が示されている。また、図1においては、これら可動筐体10及び固定筐体20に有線接続されている情報処理ユニット50と、施術の対象となる施術対象部位60と、についても模式的に示されている。
 本実施形態を含む各実施形態では、説明のための一例として、医療機器1a(後述の医療機器1b及び医療機器1cを含む)が、生体組織を開孔するための施術機構としてドリル刃を備えた医療用ドリルであることを想定する。そして、ユーザである医師等の操作者が、この医療用ドリルである医療機器1a(後述の医療機器1b及び医療機器1cを含む)を用いて、脊椎外科手術を行い、施術対象部位60である脊椎骨を切削することを想定する。
 ここで、医療用ドリルを用いた脊椎骨等の骨の切削では、骨の付近に通っている神経等の組織を損傷しないように留意して切削をする必要がある。しかしながら、このような切削手術は現状、医師の経験や感覚のみに基づいて行われているのが現状であり、より安全性の担保が望まれる。そこで、医師の経験の増加や感覚の向上を目的として、模擬骨やシミュレータを用いた切削トレーニング等も行われている。しかしながら、このような切削トレーニングでは技量の定量的な評価が困難であり、その効果を実感出来ないこともある。
 この点、各実施形態は、上述したように、施術時における施術機構の状態を、より適切に示す情報である力触覚に関する制御パラメータを取得することができる。そして、各実施形態は、この力触覚に関する制御パラメータに基づいて、所定の状態(例えば、脊椎骨の貫通)を検出し、それ以上の施術を抑制するような動作制御(すなわち、エマージェンシーストップ)を行う。これにより、神経等の組織の損傷を防止することができる。すなわち、各実施形態は、上述した安全性の担保を実現することができる。また、各実施形態は、例えば、この力触覚に関する制御パラメータをユーザに通知する。これにより、各実施形態は、上述した切削トレーニングでの技量の定量評価を実現することができる。
 このように、各実施形態は、脊椎骨を切削する医療用ドリルに好適である。そのため、以下では、各実施形態に係る医療機器1a(後述の医療機器1b及び医療機器1cを含む)が、脊椎骨を切削する医療用ドリルであることを想定して説明する。
 ただし、これは説明のための一例に過ぎず、各実施形態の適用範囲は、これに限られない。例えば、各実施形態に係る医療機器1a(後述の医療機器1b及び医療機器1cを含む)は、医療用ドリルを含む医療機器全般に適用できる。また、各実施形態において、施術対象部位60は、人間等の生体の脊椎骨であってもよいが、生体の脊椎骨以外の骨や骨以外の身体部位であってもよいし、生体の身体の内部又は外部に配置された他の物体(例えば、人工関節や人工骨といった人工的な器官や、身体を固定するギプス等)の部位であってもよい。
 図1に戻り、医療機器1aは、可動筐体10と、固定筐体20と、情報処理ユニット50とを備える。また、可動筐体10内部にはマスタ側ユニット11(マスタ側ドライバ111、マスタ側アクチュエータ112、及びマスタ側位置センサ113を含む)が配置されると共に、可動筐体10外部にはスイッチ12及びスイッチレバー13が配置される。さらに、固定筐体20内部には、スレーブ側ユニット21(スレーブ側ドライバ211、スレーブ側アクチュエータ212、及びスレーブ側位置センサ213を含む)、ドリル刃回転モータ22、及びドリル刃23が配置される。
 可動筐体10は、施術を行う際の医療機器1aの移動方向に対応する軸(以下、「ドリル軸」と称する。)に沿って直動(すなわち、直線的な移動)可能な状態で、固定筐体20に接続されている。また、情報処理ユニット50は、信号線等を含んだケーブルで可動筐体10に有線接続されている。ただし、情報処理ユニット50は、可動筐体10又は固定筐体20の内部に配置されてもよい。
 これら医療機器1aが備える各部には、図示を省略した外部電源又は内蔵バッテリ等から電源が供給される。また、これら医療機器1aが備える各部は、図示を省略した信号線を介して、様々なデータや、モータのオンオフの状態等を切り替えるための信号等を送受する。
 このような構成の医療機器1aでは、2基の直動モータであるマスタ側アクチュエータ112及びスレーブ側アクチュエータ212と、1基の回転モータであるドリル刃回転モータ22とが駆動することにより、施術を実行可能とする。
 ここで、マスタ側アクチュエータ112は、可動筐体10と物理的に連結されると共に、可動筐体10に対してドリル軸に沿った直動をするための推進力を付与する直動モータである。このマスタ側アクチュエータ112は、例えば、直動シャフトモータにより実現される。
 スレーブ側アクチュエータ212は、固定筐体20及びドリル刃回転モータ22(及びこれに物理的に連結されたドリル刃23)と物理的に連結されると共に、ドリル刃回転モータ22(及びこれに物理的に連結されたドリル刃23)に対してドリル軸に沿った直動をするための推進力を付与する直動モータである。このスレーブ側アクチュエータ212は、例えば、直動ボイスコイルモータにより実現される。
 ここで、ドリル刃回転モータ22及びドリル刃23は、ドリル軸に沿って直動可能な状態で固定筐体20と接続されている。従って、ドリル刃23の先端部(すなわち、施術対象部位60に接触して切削を行う部分)は、スレーブ側アクチュエータ212が付与する推進力における推進方向に応じて、固定筐体20から露出したり、遮蔽したりする。
 ドリル刃回転モータ22は、ドリル刃23及びスレーブ側アクチュエータ212と物理的に連結されると共に、施術機構であるドリル刃23に対してドリル軸を回転軸とした回転をするための回転力を付与する回転モータである。なお、ドリル刃回転モータ22は、一定の強さで回転力を付与することを想定するが、これに限らず、図示を省略したフットペダル等をユーザが操作することにより、ドリル刃回転モータ22が付与する回転力の強さをユーザが調整できるようにしてもよい。
 これらモータが駆動して、実際に施術が行われる場合、まずユーザは、左右の何れか一方の手で固定筐体20を施術対象部位60の近傍に固定すると共に、他方の手でスイッチレバー13を握る。これに伴い、スイッチレバー13によりスイッチ12が押下されると、ドリル刃回転モータ22がオン状態に切り替わり、ドリル刃回転モータ22はドリル刃23に対する回転力の付与を開始する。これに連動し、ドリル刃回転モータ22に物理的に連結されているドリル刃23は回転を開始する。
 次に、ユーザは、他方の手で、操作機構である可動筐体10及びこれに連結されているマスタ側ユニット11をドリル軸に沿って施術対象部位60に向けて直動させるという操作を行う。
 ここでその詳細については後述するが、医療機器1aでは、情報処理ユニット50による制御によって、マスタ側ユニット11をマスタ装置とし、スレーブ側ユニット21をスレーブ装置としたバイラテラル制御機能が実現される。すなわち、マスタ装置の動作(ここでは、可動筐体10が受け付けたユーザによる移動操作)がスレーブ装置に伝達すると共に、スレーブ装置に対する物体からの反力(ここでは、ドリル刃23の切削に対する施術対象部位60からの反力)の入力をマスタ装置にフィードバックするバイラテラル制御機能が実現される。
 そのため、ユーザが可動筐体10及びこれに連結されているマスタ側ユニット11をドリル軸に沿って施術対象部位60に向けて直動させるという操作を行うと、これに連動し、スレーブ側アクチュエータ212が、ドリル刃回転モータ22及びドリル刃23を施術対象部位60に向けて直動させる。これにより、回転しているドリル刃23は施術対象部位60に押し当てられ、施術対象部位60である脊椎骨を切削する施術が実現される。
 このように、医療機器1aは、バイラテラル制御を実現することで、操作機構である可動筐体10と、施術機構であるドリル刃23との間で相互に力触覚の伝達を行う。そのため、ユーザは、2基の直動モータの存在を意識することなく、1基の回転モータのみを備える一般的な医療用ドリルと同様の感覚で、医療機器1aを使用することができる。
 それに加えて、医療機器1aは、このバイラテラル制御機能を実現するにあたり、力触覚に関する制御パラメータを算出して、この力触覚に関する制御パラメータを取得する。これにより[本発明の基本的概念]の説明の際に上述した効果を奏することが可能となる。
 また、一般的な医療用ドリルでは、1基の回転モータのみが装着されているため、回転負荷に関する情報しか取得することができない。これに対して、本実施形態では、2基の直動モータを備えたことによって、回転モータによる切削でドリル刃23にかかる外乱トルクの情報と、ドリル軸に沿った直動に関する情報とが同期された情報を取得することができる。これにより、脊椎骨の切削という物理現象をより多角的に分析することが可能となる。
 以上、医療機器1aの構成について説明した。次に、上述したバイラテラル制御機能を実現するための基本的原理について説明する。
[制御対象装置に対する動作制御]
 次に、上述した各実施形態に係る医療機器1での具体的な処理の説明の前提として、本実施形態における、制御対象装置(ここでは、各実施形態に係る医療機器1)に対する動作制御の基本的原理について説明する。
 なお、人間の動作(すなわち、人間の身体的行為)は、1つの関節等の個別の「機能」が単独で、あるいは組み合わされて構成されるものである。
 したがって、本発明の各実施形態において、「動作」とは、人間の身体における部位の個別の「機能」を構成要素として実現される統合的な機能を表すものとする。例えば、ユーザの手等によってマスタ装置を移動させる操作は、手の各指や手首、及びこれらに連結する腕や肩の関節等の機能を構成要素とする統合的な機能である。
(基本的原理)
 本発明の各実施形態における動作の制御の基本的原理は、どのような動作も力源と速度(位置)源及び動作を表す変換の三要素で数理的に表現できることから、変換及び逆変換により定義される変数群に対し、双対関係にある理想力源及び理想速度(位置)源より制御エネルギーを制御対象のシステムに供給することで、抽出した動作を構造化し、再構築あるいは拡張増幅し動作を可逆的に自動実現(再現)する、というものである。
 図2は、本発明の各実施形態における制御対象装置の動作の制御の基本的原理の概念を示す模式図である。
 図2に示す基本的原理は、人間の動作を実現するために利用可能なアクチュエータの制御則を表しており、アクチュエータの現在位置を入力として、位置(又は速度)あるいは力の少なくとも一方の領域における演算を行うことにより、アクチュエータの動作を決定するものである。
 すなわち、本発明の各実施形態における制御対象装置の動作の制御の基本的原理は、制御対象システムCSと、機能別力・速度割当変換ブロックFTと、理想力源ブロックFCあるいは理想速度(位置)源ブロックPCの少なくとも1つと、逆変換ブロックIFTとを含む制御則として表される。
 制御対象システムCSは、アクチュエータによって作動するロボットであり、加速度等に基づいてアクチュエータの制御を行う。ここで、制御対象システムCSは、人間の身体における1つ又は複数の部位の機能を実現するものであるが、その機能を実現するための制御則が適用されていれば、具体的な構成は必ずしも人間の身体を模した形態でなくてもよい。例えば、制御対象システムCSは、アクチュエータによってリンクに一次元のスライド動作を行わせるロボットとすることができる。
 機能別力・速度割当変換ブロックFTは、制御対象システムCSの機能に応じて設定される速度(位置)及び力の領域への制御エネルギーの変換を定義するブロックである。具体的には、機能別力・速度割当変換ブロックFTでは、制御対象システムCSの機能の基準となる値(基準値)と、アクチュエータの現在位置とを入力とする座標変換が定義されている。この座標変換は、一般に、基準値及び現在速度(位置)を要素とする入力ベクトルを速度(位置)の制御目標値を算出するための速度(位置)からなる出力ベクトルに変換すると共に、基準値及び現在の力を要素とする入力ベクトルを力の制御目標値を算出するための力からなる出力ベクトルに変換するものである。具体的には、機能別力・速度割当変換ブロックFTにおける座標変換は、次式(1)及び(2)のように一般化して表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 ただし、式(1)において、x’1~x’n(nは1以上の整数)は速度の状態値を導出するための速度ベクトルであり、x’a~x’m(mは1以上の整数)は、基準値及びアクチュエータの作用に基づく速度(アクチュエータの移動子の速度又はアクチュエータが移動させる対象物の速度)を要素とするベクトル、h1a~hnmは機能を表す変換行列の要素である。また、式(2)において、f’’1~f’’n(nは1以上の整数)は力の状態値を導出するための力ベクトルであり、f’’a~f’’m(mは1以上の整数)は、基準値及びアクチュエータの作用に基づく力(アクチュエータの移動子の力又はアクチュエータが移動させる対象物の力)を要素とするベクトルである。
 機能別力・速度割当変換ブロックFTにおける座標変換を、実現する機能に応じて設定することにより、各種動作を実現したり、スケーリングを伴う動作の再現を行ったりすることができる。
 すなわち、本発明の各実施形態における制御対象装置の動作の制御の基本的原理では、機能別力・速度割当変換ブロックFTにおいて、アクチュエータ単体の変数(実空間上の変数)を、実現する機能を表現するシステム全体の変数群(仮想空間上の変数)に“変換”し、速度(位置)の制御エネルギーと力の制御エネルギーとに制御エネルギーを割り当てる。そのため、アクチュエータ単体の変数(実空間上の変数)のまま制御を行う場合と比較して、速度(位置)の制御エネルギーと力の制御エネルギーとを独立に与えることが可能となっている。
 理想力源ブロックFCは、機能別力・速度割当変換ブロックFTによって定義された座標変換に従って、力の領域における演算を行うブロックである。理想力源ブロックFCにおいては、機能別力・速度割当変換ブロックFTによって定義された座標変換に基づく演算を行う際の力に関する目標値が設定されている。この目標値は、実現される機能に応じて固定値又は可変値として設定される。例えば、基準値が示す機能と同様の機能を実現する場合には、目標値としてゼロを設定したり、スケーリングを行う場合には、再現する機能を示す情報を拡大・縮小した値を設定したりできる。
 理想速度(位置)源ブロックPCは、機能別力・速度割当変換ブロックFTによって定義された座標変換に従って、速度(位置)の領域における演算を行うブロックである。理想速度(位置)源ブロックPCにおいては、機能別力・速度割当変換ブロックFTによって定義された座標変換に基づく演算を行う際の速度(位置)に関する目標値が設定されている。この目標値は、実現される機能に応じて固定値又は可変値として設定される。例えば、基準値が示す機能と同様の機能を実現する場合には、目標値としてゼロを設定したり、スケーリングを行う場合には、再現する機能を示す情報を拡大・縮小した値を設定したりできる。
 逆変換ブロックIFTは、速度(位置)及び力の領域の値を制御対象システムCSへの入力の領域の値(例えば電圧値又は電流値等)に変換するブロックである。
 このような基本的原理により、制御対象システムCSのアクチュエータにおける位置の情報が機能別力・速度割当変換ブロックFTに入力されると、位置の情報に基づいて得られる速度(位置)及び力の情報を用いて、機能別力・速度割当変換ブロックFTにおいて、機能に応じた位置及び力の領域それぞれの制御則が適用される。そして、理想力源ブロックFCにおいて、機能に応じた力の演算が行われ、理想速度(位置)源ブロックPCにおいて、機能に応じた速度(位置)の演算が行われ、力及び速度(位置)それぞれに制御エネルギーが分配される。
 理想力源ブロックFC及び理想速度(位置)源ブロックPCにおける演算結果は、制御対象システムCSの制御目標を示す情報となり、これらの演算結果が逆変換ブロックIFTにおいてアクチュエータの入力値とされて、制御対象システムCSに入力される。
 その結果、制御対象システムCSのアクチュエータは、機能別力・速度割当変換ブロックFTによって定義された機能に従う動作を実行し、目的とするロボットの動作が実現される。
 すなわち、本発明の各実施形態においては、ロボットによって所定の行為時の人間の動作をより適切に実現することが可能となる。
(定義される機能例)
 次に、機能別力・速度割当変換ブロックFTによって定義される機能の具体例について説明する。
 機能別力・速度割当変換ブロックFTでは、入力されたアクチュエータの現在位置に基づいて得られる速度(位置)及び力を対象とした座標変換(実現する機能に対応した実空間から仮想空間への変換)が定義されている。
 機能別力・速度割当変換ブロックFTでは、このような現在位置から速度(位置)及び力と、機能の基準値としての速度(位置)及び力とを入力として、速度(位置)及び力それぞれについての制御則が加速度次元において適用される。
 すなわち、アクチュエータにおける力は質量と加速度との積で表され、アクチュエータにおける速度(位置)は加速度の積分によって表される。そのため、加速度の領域を介して、速度(位置)及び力を制御することで、アクチュエータの現在位置を取得して、目的とする機能を実現することができる。
 以下、各種機能の具体的な例を説明する。
(力・触覚伝達機能)
 図3は、機能別力・速度割当変換ブロックFTにおいて力・触覚伝達機能が定義された場合の制御の概念を示す模式図である。また、図4は、力・触覚伝達機能が適用されるマスタ装置及びスレーブ装置を含むマスタ・スレーブシステムの概念を示す模式図である。
 図3及び図4に示すように、機能別力・速度割当変換ブロックFTによって定義される機能として、マスタ装置の動作をスレーブ装置に伝達すると共に、スレーブ装置に対する物体からの反力の入力を操作反力としてマスタ装置にフィードバックする機能(バイラテラル制御機能)を実現することができる。
 この場合、機能別力・速度割当変換ブロックFTにおける座標変換は、次式(3)及び(4)として表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
 ただし、式(3)において、x’pは速度(位置)の状態値を導出するための速度、x’fは力の状態値に関する速度である。また、x’mは基準値(マスタ装置からの入力)の速度(マスタ装置の現在位置の微分値)、x’sはスレーブ装置の現在の速度(現在位置の微分値)である。また、式(4)において、fpは速度(位置)の状態値に関する力、ffは力の状態値を導出するための力である。また、fmは基準値(マスタ装置からの入力)の力、fsはスレーブ装置の現在の力である。
(スケーリング機能)
 上述の力・触覚伝達機能において、位置、力及び時間のスケーリング機能をさらに実現することができる。
 スケーリング機能とは、基準となる制御に対して、出力される位置、力あるいは時間のスケールを拡大あるいは縮小する機能である。スケーリング機能によって、例えば、マスタ装置の動きの大きさを縮小してスレーブ装置で再現したり、マスタ装置の動きの強さ(力)を強めてスレーブ装置で再現したり、あるいは、マスタ装置の動きの速度を低下させてスレーブ装置で再現したりすることができる。
 以下、スケーリング機能を実現するための構成例について説明する。
(スケーリングを伴う力・触覚伝達機能)
 スケーリングを伴う力・触覚伝達機能が実現される場合、図2における機能別力・速度割当変換ブロックFTにおける座標変換は、次式(5)及び(6)として表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
 式(5)及び式(6)に示す座標変換とした場合、スレーブ装置の位置がα倍(αは正数)、スレーブ装置の力がβ倍(βは正数)されて、マスタ装置に伝達される。
 このようなスケーリング機能によって、例えば、施術の際に、ユーザの操作に伴う力触覚を抑制したり、強調したりすることができるため、より繊細な作業や、より力の必要な作業を行う場合に有効となる。
(スケーリングによる位置の制限を伴う力・触覚伝達機能)
 スケーリングによる位置の制限を伴う力・触覚伝達機能が実現される場合、図2における機能別力・速度割当変換ブロックFTにおける座標変換は、例えば、次式(7)~(10)として表される。
 なお、このような機能を実現する場合、以下のような条件を考慮することが適当である。
・速度次元まで連続であること(ヤコビ行列の存在条件)
・制限後の位置が元の位置の単調増加関数であること(安定性の条件)
・xs<aの時にはxs=xshatもしくはxs≒xshat(xshatは式(9)及び式(10)において機能別力・速度割当変換ブロックFTに含まれるパラメータ)
(安全領域での制御性能を保証する条件)
・飽和関数であること(ポジションリミットを実現する条件)
 これらの条件を満たす他の関数として、atan関数を採用することも可能である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
 式(7)~式(10)に示す座標変換とした場合、スレーブ装置の位置がa未満の場合、式(7)、(8)の座標変換を適用することで、スレーブ装置とマスタ装置とは同様の位置に制御される。一方、スレーブ装置の位置がa以上の場合、式(9)、(10)の座標変換を適用することで、スケーリング機能が作用し、スレーブ装置は(1/b+a)の位置を超えないように制御される。
 このようなスケーリング機能によって、例えば、施術の際に、ユーザの操作に伴うスレーブ装置の移動を抑制したすることが可能となる。
[マスタ側ユニット及びスレーブ側ユニットの構成]
 次に、マスタ側ユニット11及びスレーブ側ユニット21の構成について、図5を参照して説明をする。図5は、医療機器1aにおける、マスタ側ユニット11及びスレーブ側ユニット21の基本的構成を示す模式図である。
 図5に示すように、医療機器1aにおいて、マスタ側ユニット11及びスレーブ側ユニット21は、情報処理ユニット50と通信可能に接続される。
 マスタ側ユニット11は、マスタ側ドライバ111と、マスタ側アクチュエータ112と、マスタ側位置センサ113と、を備える。また、マスタ側ユニット11は、マスタ側アクチュエータ112により、操作機構70を動作させる。上述したように、医療機器1aでは、可動筐体10が操作機構70に相当する。
 同様に、スレーブ側ユニット21は、スレーブ側ドライバ211と、スレーブ側アクチュエータ212と、スレーブ側位置センサ213と、を備える。また、スレーブ側ユニット21は、スレーブ側アクチュエータ212により、施術機構80を動作させる。上述したように、医療機器1aでは、ドリル刃23(及びこれに連結されたドリル刃回転モータ22)が施術機構80に相当する。
 なお、以下の説明において、マスタ側とスレーブ側を区別することなく説明する場合には、名称や符号の一部を省略して、単に「ユニット」、「ドライバ」、「アクチュエータ」、「位置センサ」と称する。
 医療機器1aでは、図2から図4までを参照して上述した動作制御の基本的原理に基づいて、情報処理ユニット50、マスタ側ユニット11、及びスレーブ側ユニット21が協働することにより、マスタ側ユニット11がマスタ装置として動作し、スレーブ側ユニット21がスレーブ装置として動作する。
 各ユニットが、マスタ装置及びスレーブ装置の一方の装置として動作する場合、他方の装置として動作するユニット(すなわち、マスタ側ユニット11又はスレーブ側ユニット21)のアクチュエータ(すなわち、マスタ側アクチュエータ112又はスレーブ側アクチュエータ212)に設置された位置センサ(すなわち、マスタ側位置センサ113又はスレーブ側位置センサ213)の検出結果を入力として、機能に応じた動作を行う。
 また、医療機器1aに実装される機能は、上述したように、情報処理ユニット50にて実現される機能別力・速度割当変換ブロックFTによって定義される座標変換を切り替えることで、種々変更することができる。
 情報処理ユニット50は、医療機器1a全体を制御するものであり、CPU(Central Processing Unit)等のプロセッサと、メモリあるいはハードディスク等の記憶装置を含んだ情報処理装置によって構成される。
 情報処理ユニット50は、図2や図3における機能別力・速度割当変換ブロックFTと、理想力源ブロックFCと、理想速度(位置)源ブロックPCと、逆変換ブロックIFTとの機能を備えている。そして、情報処理ユニット50では、これらの機能により、マスタ装置及びスレーブ装置の一方の装置として動作するための制御を行う。
 そのために、情報処理ユニット50は、医療機器1aに備えられる機能毎の基準となる値(以下、「基準値」と称する。)を取得する。この基準値は、例えば、マスタ装置及びスレーブ装置の一方の装置として動作する場合の、他方の装置として動作するユニットのアクチュエータに設置された位置センサから出力される時系列の検出値である。このように他方の装置として動作するユニットから時系列の検出値をリアルタイムで情報処理ユニット50に基準値として取得する場合、情報処理ユニット50は、通信インターフェース(通信I/F)によって構成することができる。
 すなわち、情報処理ユニット50には、まず、他方の装置として動作するユニットの位置センサによって検出された時系列に沿った検出値(すなわち、施術に伴い検出された位置に関する情報)が基準値として入力される。この時系列に沿った検出値は、他方の装置として動作するユニットの動作を表すものであり、情報処理ユニット50は、入力された検出値(位置)から導出された速度(位置)及び力の情報に対して、機能に応じて設定されている座標変換を適用する。
 そして、情報処理ユニット50は、座標変換によって得られた速度(位置)の状態値を導出するための速度(位置)に対し、速度(位置)の領域における演算を行う。同様に、情報処理ユニット50は、座標変換によって得られた力の状態値を導出するための力に対し、力の領域における演算を行う。さらに、情報処理ユニット50は、算出した速度(位置)の領域における演算結果及び力の領域における演算結果に対して、加速度等への次元統一の処理を施し、また、機能に応じて設定されている座標変換の逆変換を適用する。これにより、情報処理ユニット50は、算出した速度(位置)の領域における演算結果及び力の領域における演算結果がアクチュエータへの入力の領域の値に変換される。
 また、情報処理ユニット50では、さらに、医療機器1aによる施術を制御するための処理を行うための機能ブロックが機能する。この機能ブロックについては、図6を参照して後述する。
 ドライバは、情報処理ユニット50によって逆変換されたアクチュエータへの入力の領域の値をアクチュエータに対する具体的な制御指令値(電圧値又は電流値等)に変換し、その制御指令値をアクチュエータに出力する。
 アクチュエータは、ドライバから入力された制御指令値に従って駆動され、制御対象装置の位置(すなわち、操作機構70に相当する可動筐体10の位置、又は、施術機構80に相当するドリル刃23(及びこれに連結されたドリル刃回転モータ22)の位置)を制御する。
 位置センサは、アクチュエータによって制御される制御対象装置の位置を検出し、検出値を情報処理ユニット50に出力する。
 このような構成により、医療機器1aは、位置センサによって検出されたアクチュエータの位置から得られる速度(位置)及び力を、機能に応じた座標変換によって速度(位置)の領域及び力の領域の状態値に変換する。これにより、機能に応じて速度(位置)及び力それぞれに制御エネルギーが分配される。そして、それぞれの状態値が逆変換されて制御指令値とされ、この制御指令値に従って、ドライバによりアクチュエータが駆動される。
 したがって、医療機器1aは、マスタ装置及びスレーブ装置の一方のアクチュエータの位置を検出することで、目的とする機能を実現するために必要な速度(位置)及び力の状態値を算出することができ、これらの状態値に基づいてマスタ装置及びスレーブ装置の他方のアクチュエータを駆動することで、マスタ装置及びスレーブ装置の位置及び力を目的とする状態に制御することができる。
 また、医療機器1aは、情報処理ユニット50における機能に応じた座標変換を切り替えることで、異なる機能を実現することが可能となる。例えば、医療機器1aに備えられた記憶装置に、複数の機能に対応して、各種機能に応じた座標変換を記憶しておき、目的に応じて、いずれかの機能に応じた座標変換を選択することで、医療機器1aにおいて種々の機能を実現させることが可能となる。
 例えば、(力・触覚伝達機能)として上述した機能を実現する場合、医療機器1aは、情報処理ユニット50に対して入力される基準値を、他方の装置として動作するユニットからリアルタイムに入力される位置及び力の取得値とすることができる。この場合、他方の装置として動作するユニットの動作とリアルタイムに連動して、一方の装置を制御することができる。すなわち、この場合、情報処理ユニット50においては、式(2)として表される座標変換が定義されるため、マスタ装置として動作するマスタ側アクチュエータ112の位置とスレーブ装置として動作するスレーブ側アクチュエータ212の位置との差がゼロとなる状態に制御される。
 また、(力・触覚伝達機能)として上述した機能を実現する場合、マスタ装置として動作するマスタ側アクチュエータ112に操作者が加える操作における力触覚をスレーブ装置に伝達すると共に、スレーブ装置として動作するスレーブ側アクチュエータ212に作用する物体(例えば、施術対象部位60)からの反力を操作反力としてマスタ装置として動作するマスタ側アクチュエータ112にフィードバックする。これにより、マスタ装置に対して行われた操作がスレーブ装置で適切に再現されると共に、スレーブ装置に入力された物体からの反力を操作反力としてマスタ装置に適切に伝達することができる。
 他にも、例えば、(スケーリング機能)として上述した機能を実現する場合、医療機器1aは、スケーリング機能によって、例えば、一方の装置として動作するユニットの動きの大きさを縮小して他方の装置として動作するユニットで再現したり、一方の装置として動作するユニットの動きの強さ(力)を強めて他方の装置として動作するユニットで再現したり、あるいは、一方の装置として動作するユニットの動きの速度を低下させて他方の装置として動作するユニットで再現したりすることができる。
 上述のようにして、情報処理ユニット50は、マスタ側ユニット11のマスタ装置としての動作や、スレーブ側ユニット21のスレーブ装置としての動作を制御すると共に、さらに、「医療機器制御処理」を行なう。ここで、医療機器制御処理は、医療機器1aによる施術を制御する一連の処理である。
 図6は、この医療機器制御処理を実現するための、情報処理ユニット50のハードウェア及び機能ブロックの一例を示すブロック図である。図6に示すように、情報処理ユニット50は、プロセッサ51と、ROM52と、RAM53と、通信部54と、記憶部55と、入力部56と、出力部57と、ドライブ58と、を含む。また、図6では図示を省略しているが、図5において図示したように、情報処理ユニット50には、ドライバと、位置センサとが接続される。これら各部は、信号線により接続されており、相互に信号を送受する。
 プロセッサ51は、ROM52に記録されているプログラム、又は、記憶部55からRAM53にロードされたプログラムに従って各種の処理を実行する。RAM53には、プロセッサ51が各種の処理を実行する上において必要なデータ等も適宜記憶される。
 なお、図中において、プロセッサ51は、単一のプロセッサとして図示されているが、これは一例に過ぎない。例えば、プロセッサ51を、複数のプロセッサにより実現するようにしてもよい。この場合、例えば、上述したマスタ装置やスレーブ装置としての動作を制御する機能(図中における「動作制御部511」や「パラメータ取得部512」に相当)と、これと協働して医療機器制御処理を行う機能(図中における「状態検出部513」や「通知部514」に相当)とを、それぞれ別のプロセッサにより実現してもよい。さらに、この場合、プロセッサは、情報演算処理装置単体によって構成されるものの他、これら演算処理装置と、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)又はFPGA(Field-Programmable Gate Array)等の処理回路を含むものであってもよい。さらに、この場合、ROM52やRAM53等は、プロセッサ毎にそれぞれ設けられていてもよい。すなわち、情報処理ユニット50を、例えば、マスタ装置やスレーブ装置としての動作を制御するユニット(例えば、力・触覚伝達制御用の集積回路)と、医療機器制御処理を行うユニット(例えば、医療機器制御処理用のプログラムを組み込んだパーソナルコンピュータ)というように、複数のユニットに分散して実現してもよい。また、
 通信部54は、プロセッサ51が、マスタ側ユニット11やスレーブ側ユニット21や、他装置との間で通信を行うための通信制御を行う。記憶部55は、DRAM(Dynamic Random Access Memory)等の半導体メモリで構成され、各種データを記憶する。
 入力部56は、各種ボタン等の医療機器1aに備えられる入力装置、又はマウス及びキーボード等の外部入力装置で構成され、ユーザの指示操作に応じて各種情報を入力する。出力部57は、ディスプレイやスピーカ等で構成され、画像や、音声や警告音等を出力する。
 ドライブ58には、磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、あるいは半導体メモリ等よりなる、リムーバブルメディア(図示を省略する。)が適宜装着される。ドライブ58よってリムーバブルメディアから読み出されたプログラムは、必要に応じて記憶部55にインストールされる。
 このようなハードウェア構成において、医療機器制御処理を実現する場合、図8に示すようにプロセッサ51にて、動作制御部511と、パラメータ取得部512と、状態検出部513と、通知部514と、が機能する。
 また、このようなハードウェア構成において、医療機器制御処理を実現する場合、図8に示すように記憶部55の一領域には、パラメータ記憶部551が設定される。
 以下で特に言及しない場合も含め、これら機能ブロック間では、処理を実現するために必要なデータを、適切なタイミングで適宜送受信する。
 動作制御部511は、上述のようにして、マスタ装置として動作するマスタ側ユニット11や、スレーブ装置として動作するスレーブ側ユニット21に対して、力・触覚伝達機能を適用した動作の制御を行う。すなわち、動作制御部511は、図2や図3における機能別力・速度割当変換ブロックFTと、理想力源ブロックFCと、理想速度(位置)源ブロックPCと、逆変換ブロックIFTとの機能を実現する。また、この場合に動作制御部511は、図3を参照して上述したようにして、機能別力・速度割当変換ブロックFTにおいて力・触覚伝達機能を定義して、力・触覚伝達機能を適用した動作の制御を行う。さらに、この場合に動作制御部511は、機能に応じた座標変換を切り替えることで、異なる機能を実現する。
 パラメータ取得部512は、動作制御部511による力・触覚伝達機能を適用した動作の制御で用いた制御パラメータである「力触覚に関する制御パラメータ」を取得する。以下では、説明のための一例として、パラメータ取得部512は、位置センサによって検出されたアクチュエータの位置から得られる位置を示す値及び力を示す値を、力触覚に関する制御パラメータとして取得することを想定する。
 ここで、上述したように、アクチュエータにおける力は質量と加速度との積として算出でき、アクチュエータにおける速度(位置)は加速度の積分によって算出することができる。そこで、例えば、パラメータ取得部512は、各位置センサにより検出される各アクチュエータの位置や、上述した式(3)及び式(4)の座標変換結果に対応する情報に基づいて、リアルタイムに積分等の演算を行うことで位置を示す値及び力を示す値を算出して、これら力触覚に関する制御パラメータを取得する。
 また、パラメータ取得部512は、取得した力触覚に関する制御パラメータをパラメータ記憶部551に記憶させる。すなわち、パラメータ記憶部551は、力触覚に関する制御パラメータを記憶する記憶部として機能する。
 状態検出部513は、パラメータ取得部512が取得した力触覚に関する制御パラメータに基づいて、施術機構80による施術の状態が所定の状態であることを検出する。そして、動作制御部511は、状態検出部513がこの所定の状態を検出した場合に、力・触覚伝達機能を適用した動作の制御を切り替える。
 本実施形態では、説明のための一例として、状態検出部513は、施術機構80が施術対象部位60である脊椎骨を貫通したことを、所定の状態として検出する。そして、動作制御部511は、状態検出部513が脊椎骨の貫通を検出した場合に、施術機構80が行う施術を抑制するように、力・触覚伝達機能を適用した動作の制御を切り替える。これにより、脊椎骨に沿った神経等の組織の損傷を防止することができる。これにより、上述した安全性の担保を実現することができる。
 施術機構80(ここでは、ドリル刃23)が施術対象部位60(ここでは、脊椎骨)を貫通したことを検出する方法の一例について図7を参照して説明する。図7は、医療機器1aに相当する構成の医療用ドリルにて、実際に貫通試験を行った際の、試験結果を示すグラフである。グラフにおいて横軸は、時間を示す。また、グラフにおいて縦軸は、時系列に沿って変化する、スレーブ側直動モータ(ここでは、医療機器1aにおけるスレーブ側アクチュエータ212)の力触覚に関する制御パラメータの値として、位置を示す値(スレーブ側アクチュエータ212の作用に伴う位置)と、力を示す値(ここでは、施術対象部位60からの反力)を示す。
 グラフに示すように施術が開始され、施術対象部位60に対する施術機構80での切削が実行されると、位置を示す値及び力を示す値は、大きく変動することなく、一定の値を保つ。このように切削が継続した後に、施術対象部位60が貫通したタイミング(図中に「貫通」というテキストで示す。)で、力を示す値が大きく変動し、急激に小さな値となる。また、同タイミングで位置を示す値が大きく変動し、急激に大きな値となる。これは、施術機構80の貫通により、施術対象部位60からの反力がほぼなくなると共に、反力をほぼ受けなくなった施術機構80の直動距離が長くなるためである。
 状態検出部513は、このような力を示す値の大きな変動に基づいて、施術機構80が施術対象部位60を貫通したことを検出(図中に「貫通検出」というテキストで示す。)する。そのために、例えば、状態検出部513は力の値について、単位時間あたりの変動量を算出し、直近の単位時間あたりの変動量が所定の閾値以上に大きい場合に、貫通したことを検出する。この変動量についての所定の閾値は、例えば、施術対象部位60の物理特性と施術機構80の物理特性等に基づいて、予め絶対値として設定されていてもよいし、単位時間以前の変動量(すなわち、切削中の変動量)を基準とした相対値として設定されてもよい。
 あるいは、このように変動量に基づいて検出するのではなく、例えば、力を示す値の瞬間値について所定の閾値を設定しておき、力を示す値の瞬間値に基づいて貫通を検出するようにしてもよい。
 また、上述したように、貫通時には、位置を示す値についても大きく変動するので、力を示す値ではなく、位置を示す値について閾値を設定して貫通を検出するようにしてもよい。
 状態検出部513は、施術機構80が施術対象部位60を貫通したことを検出すると、この貫通を検出した旨を動作制御部511に対して出力する。そして、動作制御部511は、状態検出部513が貫通を検出した場合に、施術機構80が行う施術を抑制するように、力・触覚伝達機能を適用した動作の制御を切り替える。例えば、動作制御部511は、マスタ側ユニット11と、スレーブ側ユニット21に対する制御を、バイラテラル制御から、スレーブ側ユニット21を固定する位置制御へ切り替える。
 このようなスレーブ側ユニット21を固定する位置制御を実現するために、例えば、動作制御部511は、動作の制御において、上述した(スケーリング機能)を適用する。例えば、動作制御部511は、動作の制御において、上述した(スケーリングを伴う力・触覚伝達機能)を適用して、マスタ側ユニット11の動きを基準とした制御においてスレーブ側ユニット21にて出力される位置のスケールを極めて縮小する。あるいは、動作制御部511は、動作の制御において、上述した(スケーリングによる位置の制限を伴う力・触覚伝達機能)を適用して、貫通を検出した位置をポジションリミットとして設定する。
 他にも、例えば、動作制御部511は、貫通が検出された場合には、マスタ側ユニット11の動きと関わりなくスレーブ側アクチュエータ212の制御を行うこととし、スレーブ側アクチュエータ212を強制的に停止させるように制御したり、スレーブ側アクチュエータ212により施術機構80が施術対象部位60から遠ざかる方向に直動するように制御したりしてもよい。
 これにより、仮に貫通後にユーザが操作機構70による操作を継続したとしても、スレーブ側アクチュエータ212は、施術機構80をそれ以上移動させることはない。この場合、例えば、図7に示すように、力を示す値はほぼゼロとなるように制御されると共に、位置を示す値が一定値のままとなる。すなわち、施術機構80の位置が固定され、施術がこれ以上行われないという、施術が抑制された状態となる。
 従って、脊椎骨に沿った神経等の組織の損傷を防止することができる。これにより、上述した安全性の担保を実現することができる。すなわち、エマージェンシーストップの機能を実現させることが可能となる。
 なお、他にも、貫通が検出された場合には、動作制御部511は、スイッチレバー13がスイッチ12を押下していることに関わりなく、ドリル刃回転モータ22による回転を停止させるような制御を行うようにしてもよい。これにより、より安全性を高めることが可能となる。また、状態検出部513は、貫通以外の所定の状態を検出するようにしてもよい。例えば、施術対象部位60が比較的柔らかな生体組織である場合に、この施術対象部位60以外の比較的硬い生体組織や比較的硬い人工的な器官等に接触してしまったことを所定の状態として検出してもよい。この場合、例えば、力を示す値が大きく変動し、急激に大きな値となり、同タイミングで位置を示す値が大きく変動し、急激に小さな値となると考えられる。状態検出部513は、このような値の変化に基づいて、所定の状態を検出してもよい。
 通知部514は、ユーザに対して、医療機器1aを用いた施術に関する様々な情報を提示する。例えば、通知部514は、ユーザに対して、パラメータ取得部512が取得した力触覚に関する制御パラメータを、リアルタイムに又は施術完了後等に通知する。他にも、例えば、通知部514は、状態検出部513により貫通が検出されたことを、リアルタイムに又は施術完了後等に通知する。ユーザは、これらの通知を参照して、例えば、ユーザ自身の操作(例えば、操作機構70に対する操作の強さや移動量)をリアルタイムに調整したり、施術完了後に切削トレーニング等での技量の定量評価を行うための指標としたりすることができる。
 ここで、通知部514による通知は、例えば、図7に例示したようなグラフを出力部57に含まれるディスプレイへ表示することにより実現される。この場合に、スレーブ側アクチュエータ212についての力を示す値や位置を示す値のみならず、マスタ側アクチュエータ112についての力を示す値や位置を示す値を、さらに表示するようにしてもよい。このようにマスタ側アクチュエータ112についての力触覚に関するパラメータも表示すれば、例えば、ユーザが、貫通したにも関わらず操作機構70による操作を取りやめず、操作を継続してしまったこと等を把握することができる。
 また、他にも、通知部514による通知は、例えば、出力部57に含まれるスピーカからの警告音や音声の出力や、出力部57に含まれるLED(Light Emitting Diode)等の発光部の点滅等により実現されてもよい。
 このような、通知部514の通知によれば、力触覚に関する制御パラメータを、定量的なデータとしてユーザに通知して、ユーザによる解析を補助することが可能となる。例えば、ユーザによる、切削層識別や生体の力学性情報の解析を補助することが可能となる。
[医療機器制御処理]
 本実施形態に係る医療機器1aが実行する医療機器制御処理の処理内容について、図8のフローチャートを参照して説明する。図8は、医療機器制御処理の流れを説明するフローチャートである。医療機器制御処理は、ユーザによる、医療機器1aを用いた施術の開始に伴い実行される。
 ステップS11において、ユーザからの、スイッチレバー13によりスイッチ12を押下する操作に基づいて、ドリル刃回転モータ22はドリル刃23に対する回転力の付与を開始する。これに連動し、ドリル刃回転モータ22に物理的に連結されているドリル刃23は回転を開始する。
 ステップS12において、ユーザからの、可動筐体10及びこれに連結されているマスタ側ユニット11をドリル軸に沿って施術対象部位60に向けて直動させるという操作に基づいて、動作制御部511は、マスタ装置として動作するマスタ側ユニット11や、スレーブ装置として動作するスレーブ側ユニット21に対して、力・触覚伝達機能を適用した動作の制御を開始する。
 ステップS13において、パラメータ取得部512は、動作制御部511による力・触覚伝達機能を適用した動作の制御で用いた、力触覚に関する制御パラメータの取得を開始する。
 ステップS14において、通知部514は、ユーザに対して、パラメータ取得部512が取得した力触覚に関する制御パラメータ等の通知を開始する。
 ステップS15において、状態検出部513は、パラメータ取得部512が取得した力触覚に関する制御パラメータに基づいて、施術における所定の状態(ここでは、脊椎骨の貫通)を検出したか否かを判定する。所定の状態を検出した場合は、ステップS15においてYesと判定され、処理はステップS16に進む。一方で、所定の状態を検出していない場合は、ステップS15においてNoと判定され、処理はステップS17に進む。
 ステップS16において、動作制御部511は、施術機構80が行う施術を抑制するように、力・触覚伝達機能を適用した動作の制御を切り替える。
 ステップS17において、動作制御部511は、終了条件が充足したか否かを判定する。例えば、ユーザによる施術のための操作が終了した場合や、ステップS16において施術を抑制する処理が行われた場合に、終了条件が充足したと判定される。終了条件が充足した場合は、ステップS17においてYesと判定され、本処理は終了する。一方で、終了条件が充足していない場合は、ステップS17においてNoと判定され、処理はステップS15から繰り返される。
 以上説明した、医療機器制御処理によれば、施術時における施術機構の状態を、より適切に示す情報を取得することができる。
 また、医療機器制御処理によれば、この適切な情報に基づいてより精度高く施術を抑制するような動作制御を行ったり、ユーザに対してこの適切な情報を通知したりすることもできる。
<第2の実施形態>
 次に、第2の実施形態について説明をする。ここで、以下の第2の実施形態の説明及び第3の実施形態の説明では、上述した第1の実施形態と相違する点について詳細に説明する一方で、第1の実施形態と共通する点については、重複する再度の説明を省略する。例えば、第1の実施形態と同様の符号が付された構成要素の詳細や、上述した[制御対象装置に対する動作制御]における基本的原理や、情報処理ユニット50が備える各機能ブロックの機能や、[医療機器制御処理]の処理内容等について、第1の実施形態と共通する点については、重複する再度の説明を省略する。
 図9は、本実施形態に係る医療機器1bの基本的構成を示す模式図である。なお、図1と同様に、図9においては、施術を行う際の医療機器1bの移動方向(図中では矢印にて表す)を正面とした場合の、医療機器1bの側面図が模式的に示されると共に、筐体30を透過して内部構成が示されている。また、これも図1と同様に、図9においては、筐体30に有線接続されている情報処理ユニット50と、施術の対象となる施術対象部位60と、についても模式的に示されている。
 医療機器1bは、可動筐体10と固定筐体20とを備えていた医療機器1aと異なり、筐体30という単一の筐体を備える。そして、筐体30の内部にはマスタ側ユニット11(マスタ側ドライバ111、マスタ側アクチュエータ112、及びマスタ側位置センサ113を含む)スレーブ側ユニット21(スレーブ側ドライバ211、スレーブ側アクチュエータ212、及びスレーブ側位置センサ213を含む)、ドリル刃回転モータ22、及びドリル刃23が配置される。また、筐体30外部には、医療機器1aが備えていたスイッチ12及びスイッチレバー13に代えて、ラックアンドピニオン14及びスイッチレバー15が配置される。
 また、医療機器1aでは、マスタ側アクチュエータ112は、可動筐体10に物理的に接続されると共に、可動筐体10に対してドリル軸に沿った直動をするための推進力を付与する直動モータであることを想定していた。これに代えて、医療機器1bでは、マスタ側アクチュエータ112は、筐体30に物理的に接続されると共に、ラックアンドピニオン14に対してドリル軸を回転軸とした回転力を付与する回転モータであることを想定する。
 ラックアンドピニオン14は、このマスタ側アクチュエータ112が付与するドリル軸を回転軸とした回転力を、スイッチレバー15がドリル軸と直交する軸に対して直動をするための推進力に変換する。すなわち、ユーザにとってみれば、マスタ側アクチュエータ112の回転に伴い、スイッチレバー15が押し上げられる(すなわち、スイッチレバー15が開こうとする)ことによって操作反力が伝達される。これにより、医療機器1bでは、可動筐体10に代えて、スイッチレバー15が操作機構70として機能する。
 このような医療機器1bの構成において、第1の実施形態と同様に、情報処理ユニット50による制御によって、マスタ側ユニット11をマスタ装置とし、スレーブ側ユニット21をスレーブ装置としたバイラテラル制御機能が実現される。すなわち、マスタ装置の動作(ここでは、ユーザによるスイッチレバー15を握る操作)がスレーブ装置に伝達すると共に、スレーブ装置に対する物体からの反力(ここでは、ドリル刃23の切削に対する施術対象部位60からの反力)の入力をマスタ装置にフィードバックするバイラテラル制御機能が実現される。
 そのため、ユーザがスイッチレバー15を握るという操作を行うと、これに連動し、スレーブ側アクチュエータ212が、ドリル刃回転モータ22及びドリル刃23を施術対象部位60に向けて直動させる。これにより、回転しているドリル刃23は施術対象部位60に押し当てられ、施術対象部位60である脊椎骨を切削する施術が実現される。
 このように、医療機器1bは、バイラテラル制御を実現することで、操作機構70であるスイッチレバー15と、施術機構80であるドリル刃23との間で相互に力触覚の伝達を行う。そのため、ユーザは、2基の直動モータの存在を意識することなく、1基の回転モータのみを備える一般的な医療用ドリルと同様の感覚で、医療機器1aを使用することができる。
 それに加えて、医療機器1bは、このバイラテラル制御機能を実現するにあたり、力触覚に関する制御パラメータを算出して、この力触覚に関する制御パラメータを取得する。これにより[本発明の基本的概念]の説明の際に上述した効果を奏することが可能となる。
 すなわち、医療機器1bの構成によっても、医療機器1aと同様の効果を奏することが可能となる。
<第3の実施形態>
 次に、第3の実施形態について説明をする。図10は、本実施形態に係る医療機器1cの基本的構成を示す模式図である。なお、図1及び図9と同様に、図10においては、施術を行う際の医療機器1cの移動方向(図中では矢印にて表す)を正面とした場合の、医療機器1cの側面図が模式的に示されると共に、筐体40を透過して内部構成が示されている。また、これも図1及び図9と同様に、図10においては、筐体40に有線接続されている情報処理ユニット50と、施術の対象となる施術対象部位60と、についても模式的に示されている。
 医療機器1cは、可動筐体10と固定筐体20とを備えていた医療機器1aと異なり、筐体40という単一の筐体を備える。そして、筐体40の内部にはスレーブ側ユニット21(スレーブ側ドライバ211、スレーブ側アクチュエータ212、及びスレーブ側位置センサ213を含む)、ドリル刃回転モータ22、及びドリル刃23が配置される。
 一方で、医療機器1cでは、医療機器1aと異なり、マスタ側ユニット11(マスタ側ドライバ111、マスタ側アクチュエータ112、マスタ側位置センサ113を含む)、スイッチ12、及びスイッチレバー13は、省略される。
 医療機器1cは、医療機器1a及び医療機器1bのようにユーザが直接手に持って施術を行う医療機器として利用することもできるが、以下の説明では、例えば、図示を省略したロボットアームの先端等に配置されて利用される医療機器であることを想定する。この場合、医療機器1a及び医療機器1bにおいてユーザの操作に基づいて行っていた、バイラテラル制御機能による動作制御は、情報処理ユニット50によって、以下のように実現される。
 上述したように、情報処理ユニット50は、バイラテラル制御機能による動作制御を行う場合、機能毎の基準となる値である基準値を取得する必要がある。この基準値は、例えば、上述した医療機器1a及び医療機器1bで、スレーブ装置を制御する場合、マスタ装置として動作するマスタ側ユニット11のマスタ側アクチュエータ112に設置されたマスタ側位置センサ113から出力される時系列の検出値である。これに対して、医療機器1cでは、情報処理ユニット50が、この基準値を生成する。すなわち、医療機器1cでは、スレーブ装置として動作するスレーブ側ユニット21の動作制御を実現するために、情報処理ユニット50が操作機構70及びマスタ装置の機能を仮想的に実現する。このように、情報処理ユニット50が基準値を生成することによっても、上述した[制御対象装置に対する動作制御]における基本的原理に基づいて、スレーブ側ユニット21をスレーブ装置とした動作制御を実現することができる。
 ここで、基準値は、例えば、この仮想的なマスタ装置が所定の動作を行った場合に、この仮想的なマスタ装置からリアルタイムに入力される速度(位置)及び力の取得値である。ここで、アクチュエータ単体の変数(実空間上の変数)のまま制御を行う場合と比較して、速度(位置)の制御エネルギーと力の制御エネルギーとを独立に与えることが可能となっている。
 そこで、例えば、この仮想的なマスタ装置が所定の動作として、所定の力を継続するという動作を行うこととする場合、動作制御部511は、上述した式(3)において、この所定の力に対応する力の値をfm(すなわち、基準値(仮想的なマスタ装置からの入力)の力)に代入し、上述した式(4)において、ゼロの値をx’m(すなわち、基準値(仮想的なマスタ装置からの入力)の速度(仮想的なマスタ装置の現在位置の微分値))に代入する。
 他にも、例えば、この仮想的なマスタ装置が所定の動作として、所定の速度(位置)を継続するという動作を行うこととする場合、動作制御部511は、上述した式(3)において、ゼロの値をfm(すなわち、基準値(仮想的なマスタ装置からの入力)の力)に代入し、上述した式(4)において、この所定の速度(位置)に対応する値をx’m(すなわち、基準値(仮想的なマスタ装置からの入力)の速度(仮想的なマスタ装置の現在位置の微分値))に代入する。
 そして、動作制御部511は、この基準値に基づいて、スレーブ側ユニット21をスレーブ装置とした動作制御を実現する。施術を開始するにあたり、動作制御部511は、まずドリル刃回転モータ22の回転を開始する。次に、動作制御部511は、上述したように、この仮想的なマスタ装置が所定の動作を行ったものとして、動作制御を行う。これにより、スレーブ側アクチュエータ212が、ドリル刃回転モータ22及びドリル刃23を施術対象部位60に向けて直動させる。これにより、回転しているドリル刃23は施術対象部位60に押し当てられ、施術対象部位60である脊椎骨を切削する施術が実現される。
 このように、医療機器1cは、バイラテラル制御を実現することで、仮想的なマスタ装置が所定の動作を行ったものとして、動作制御を行う。この場合に、医療機器1cは、このバイラテラル制御機能を実現するにあたり、力触覚に関する制御パラメータを算出して、この力触覚に関する制御パラメータを取得する。これにより[本発明の基本的概念]の説明の際に上述した効果を奏することが可能となる。
 すなわち、医療機器cの構成によっても、医療機器1aや医療機器1bと同様の効果を奏することが可能となる。
[変形例]
 以上、本発明の実施形態について説明したが、この実施形態は例示に過ぎず、本発明の技術的範囲を限定するものではない。本発明は、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、その他の様々な実施形態を取ることが可能である共に、省略及び置換等種々の変形を行うことができる。この場合に、これら実施形態及びその変形は、本明細書等に記載された発明の範囲及び要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
 一例として、以上説明した本発明の実施形態を、以下のようにして変形してもよい。
 上述した各実施形態では、施術機構としてドリル刃23を備え、ドリル刃回転モータ22によりドリル刃23を回転する医療ドリルで各実施形態を実現することを想定していた。これに限らず、回転することを要さない施術機構を備えた医療機器で各実施形態を実現するようにしてもよい。すなわち、スレーブ側アクチュエータ212が直接施術機構を直動させるような医療機器で各実施形態を実現するようにしてもよい。あるいは、ドリル刃23等の回転を要する施術機構を備えており、スレーブ側アクチュエータ212を、ドリル刃23に対して回転力を付与する回転モータとした構成の医療機器で各実施形態を実現するようにしてもよい。何れの場合であっても、スレーブ側アクチュエータ212以外にドリル刃回転モータ22を設ける必要がなくなる。また、これらの場合に、第3の実施形態のように情報処理ユニット50を仮想的なマスタ装置として機能させることにより、マスタ側ユニット11を設ける必要もなくなり、スレーブ側アクチュエータ212という単一の駆動装置のみで構成される医療機器に適用することも可能となる。
 すなわち、上述した各実施形態を実現するための医療機器は、特に限定されず、様々な医療機器により上述した各実施形態を実現することができる。また、例えば、このような様々な医療機器を構成するための駆動装置の数や、ラックアンドピニオンやボールねじ等の、回転力を推進力に変換する機構の有無も特に限定されず、医療機器には、少なくとも施術機構を動作させるための単一の駆動装置が含まれていればよい。
 これらのような構成とした場合であっても、施術機構を、バイラテラル制御機能により、動作制御することができる。この場合に、このバイラテラル制御機能を実現するにあたり、力触覚に関する制御パラメータを算出して、この力触覚に関する制御パラメータを取得する。すなわち、これらのような構成とした場合であっても、[本発明の基本的概念]の説明の際に上述した効果を奏することが可能となる。
 また、他の変形例として、例えば、情報処理ユニット50の一部又は全部を、可動筐体10、固定筐体20、筐体30、及び筐体40といった各筐体の内部に収容するようにしてもよい。
以上のように、各実施形態に係る、医療機器1a、医療機器1b及び医療機器1cのそれぞれは、施術機構80と、スレーブ側アクチュエータ212と、動作制御部511と、パラメータ取得部512と、を備える。
 施術機構80は、患者に対する施術用の機構である。
 スレーブ側アクチュエータ212は、施術機構80に施術を行わせる。
 動作制御部511は、施術に伴い検出された位置に関する情報に基づいて、力触覚に関する制御パラメータを算出すると共に、該力触覚に関する制御パラメータに基づいて、スレーブ側アクチュエータ212による施術機構80に施術を行わせるための動作を制御する。
 パラメータ取得部512は、力触覚に関する制御パラメータを取得する。
 このように、医療機器1a、医療機器1b及び医療機器1cのそれぞれは、力触覚に関する制御パラメータを取得する。ここで、この力触覚に関する制御パラメータは、モータの電流値等と比較して、施術時における施術機構の状態を、より適切に示す情報である。
 すなわち、医療機器1a、医療機器1b及び医療機器1cのそれぞれによれば、施術時における施術機構の状態を、より適切に示す情報を取得することができる。
 医療機器1a、及び医療機器1bのそれぞれは、操作機構70と、マスタ側アクチュエータ112と、を備える。
 操作機構70は、操作者の操作を受け付ける機構である。
 マスタ側アクチュエータ112は、操作機構70に操作反力を付与する。
 この場合、動作制御部511は、力触覚に関する制御パラメータに基づいて、マスタ側アクチュエータ112による操作機構70に操作反力を付与するための動作を制御すると共に、力触覚に関する制御パラメータに基づいて、スレーブ側アクチュエータ212とマスタ側アクチュエータ112との間で、力触覚を相互に伝達する。
 これにより、力触覚を伝達するというバイラテラル制御を実現することで、操作者が利用する操作機構に対して操作反力を付与することができる。
 医療機器1a、及び医療機器1bのそれぞれは、施術機構80に回転力を付与するアクチュエータと、回転力を付与するアクチュエータに連結されると共に、該回転力を付与するアクチュエータ及び施術機構80に施術対象の部位方向への推進力を付与するアクチュエータと、を備える。
 この場合、動作制御部511は、推進力を付与するアクチュエータをスレーブ側アクチュエータ212として制御する。
 これにより、力触覚に関するパラメータとして、施術対象の部位方向への推進力に関する力触覚に関するパラメータを取得することができる。
医療機器1a、医療機器1b及び医療機器1cのそれぞれは、施術機構80に、施術対象の部位方向への推進力、又は回転力の推進力又は回転力の何れかを付与するアクチュエータを備える。
 動作制御部511は、施術機構80に、施術対象の部位方向への推進力、又は回転力の何れかを付与するアクチュエータをスレーブ側アクチュエータ212として制御する。
 これにより、力触覚に関するパラメータとして、施術機構に付与される推進力又は回転力の何れかに関する力触覚に関するパラメータを取得することができる。
医療機器1a、医療機器1b及び医療機器1cのそれぞれは、状態検出部513を備える。
 状態検出部513は、パラメータ取得部512が取得した力触覚に関する制御パラメータに基づいて、施術機構80による施術の状態が所定の状態であることを検出する。
 動作制御部511は、状態検出部513が所定の状態であることを検出した場合に、施術機構80が行う施術を抑制する。
 これにより、施術を抑制すべき状態等を検出した場合に、施術を抑制する制御を行うことができる。
 医療機器1a、医療機器1b及び医療機器1cのそれぞれにおいて、施術機構80は、施術対象部位を切削する施術機構を含んでいる。
 この場合、状態検出部513は、力触覚に関する制御パラメータに基づいて、施術機構が受けた施術対象部位からの反力を検出すると共に、該反力の時系列に沿った変動に基づいて、施術機構が施術対象部位を貫通したことを、所定の状態として検出する。
 これにより、施術対象部位を貫通した場合に、施術を抑制する制御を行うことができる。
[ハードウェアやソフトウェアによる機能の実現]
 上述した実施形態による一連の処理を実行させる機能は、ハードウェアにより実現することもできるし、ソフトウェアにより実現することもできるし、これらの組み合わせにより実現することもできる。換言すると、上述した一連の処理を実行する機能が、各実施形態に係る医療機器1の何れかにおいて実現されていれば足り、この機能をどのような態様で実現するのかについては、特に限定されない。
 例えば、上述した一連の処理を実行する機能を、ソフトウェアにより実現する場合、そのソフトウェアを構成するプログラムは、ネットワーク又は記録媒体を介してコンピュータにインストールされる。この場合、コンピュータは、専用のハードウェアが組み込まれているコンピュータであってもよいし、プログラムをインストールすることで所定の機能を実行することが可能な汎用のコンピュータ(例えば、汎用のパーソナルコンピュータ等の電子機器一般)であってもよい。また、プログラムを記述するステップは、その順序に沿って時系列的に行われる処理のみを含んでいてもよいが、並列的あるいは個別に実行される処理を含んでいてもよい。また、プログラムを記述するステップは、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、任意の順番に実行されてよい。
 このようなプログラムを記録した記録媒体は、コンピュータ本体とは別に配布されることによりユーザに提供されてもよく、コンピュータ本体に予め組み込まれた状態でユーザに提供されてもよい。この場合、コンピュータ本体とは別に配布される記憶媒体は、例えば、磁気ディスク(フロッピディスクを含む)、光ディスク、又は光磁気ディスク等により構成される。光ディスクは、例えば、CD-ROM(Compact Disc-Read Only Memory)、DVD(Digital Versatile Disc)、あるいはBlu-ray(登録商標) Disc(ブルーレイディスク)等により構成される。光磁気ディスクは、例えば、MD(Mini Disc)等により構成される。これら記憶媒体は、例えば、図6のドライブ58に装着されて、コンピュータ本体に組み込まれる。また、コンピュータ本体に予め組み込まれた状態でユーザに提供される記録媒体は、例えば、プログラムが記録されている図6のROM52、あるいは、図6の記憶部55に含まれるハードディスク等により構成される。
1a,1b,1c 医療機器、10 可動筐体、11 マスタ側ユニット、12 スイッチ、14 ラックアンドピニオン、13,15 スイッチレバー、20 固定筐体、21 スレーブ側ユニット、22 ドリル刃回転モータ、23 ドリル刃、30,40 筐体、50 情報処理ユニット、51 プロセッサ、52 ROM、53 RAM、54 通信部、55 記憶部、56 入力部、57 出力部、58 ドライブ、60 施術対象部位、70 操作機構、80 施術機構、111 マスタ側ドライバ、112 マスタ側アクチュエータ(モータ)、113 マスタ側位置センサ、211 スレーブ側ドライバ、212 スレーブ側アクチュエータ(モータ)、213 スレーブ側位置センサ、511 動作制御部、512 パラメータ取得部、513 状態検出部、514 通知部、551 パラメータ記憶部、CS 制御対象システム、FT 力・速度割当変換ブロック、FC 理想力源ブロック、PC 理想速度(位置)源ブロック、IFT 逆変換ブロック

Claims (7)

  1.  患者に対する施術用の施術機構と、
     前記施術機構に施術を行わせる施術用アクチュエータと、
     前記施術に伴い検出された位置に関する情報に基づいて、力触覚に関する制御パラメータを算出すると共に、該力触覚に関する制御パラメータに基づいて、前記施術用アクチュエータによる前記施術機構に施術を行わせるための動作を制御する動作制御手段と、
     前記力触覚に関する制御パラメータを取得するパラメータ取得手段と、
     を備えることを特徴とする医療機器。
  2.  操作者の操作を受け付ける操作機構と、
     前記操作機構に操作反力を付与する操作用アクチュエータと、
     を備え、
     前記動作制御手段は、
     前記力触覚に関する制御パラメータに基づいて、前記操作用アクチュエータによる前記操作機構に操作反力を付与するための動作を制御すると共に、
     前記力触覚に関する制御パラメータに基づいて、前記施術用アクチュエータと前記操作用アクチュエータとの間で、力触覚を相互に伝達する、
     ことを特徴とする請求項1に記載の医療機器。
  3.  前記施術機構に回転力を付与するアクチュエータと、
     前記回転力を付与するアクチュエータに連結されると共に、該回転力を付与するアクチュエータ及び前記施術機構に施術対象の部位方向への推進力を付与するアクチュエータと、
     を備え、
     前記動作制御手段は、前記推進力を付与するアクチュエータを前記施術用アクチュエータとして制御する、
     ことを特徴とする請求項1又は2の何れか1項に記載の医療機器。
  4.  前記施術機構に、施術対象の部位方向への推進力、又は回転力の何れかを付与するアクチュエータを備え、
     前記動作制御手段は、前記施術対象の部位方向への推進力、又は回転力の何れかを付与するアクチュエータを前記施術用アクチュエータとして制御する、
     ことを特徴とする請求項1又は2の何れか1項に記載の医療機器。
  5.  前記パラメータ取得手段が取得した前記力触覚に関する制御パラメータに基づいて、前記施術機構による施術の状態が所定の状態であることを検出する状態検出手段を備え、
     前記動作制御手段は、前記状態検出手段が前記所定の状態であることを検出した場合に、前記施術機構が行う施術を抑制する、
     ことを特徴とする請求項1から4の何れか1項に記載の医療機器。
  6.  前記施術機構は、施術対象部位を切削する施術機構を含んでおり、
     前記状態検出手段は、前記力触覚に関する制御パラメータに基づいて、前記施術機構が受けた前記施術対象部位からの反力を検出すると共に、該反力の時系列に沿った変動に基づいて、前記施術機構が前記施術対象部位を貫通したことを、前記所定の状態として検出する、
     ことを特徴とする請求項5に記載の医療機器。
  7.  患者に対する施術用の施術機構と、前記施術機構に施術を行わせる施術用アクチュエータと、を備える装置に関する処理を行う医療用プログラムであって、
     前記施術に伴い検出された位置に関する情報に基づいて、力触覚に関する制御パラメータを算出すると共に、該力触覚に関する制御パラメータに基づいて、前記施術用アクチュエータによる前記施術機構に施術を行わせるための動作を制御する動作制御機能と、
     前記力触覚に関する制御パラメータを取得するパラメータ取得機能と、
     をコンピュータに実現させることを特徴とする医療用プログラム。
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