(57)【要約】【課題】マニピュレータアームに取り付けられた外科用器具を屈曲させた場合でもその先端部の画像を容易に取得することができる外科手術システムの制御方法および外科手術システムを提供する。【解決手段】外科手術システムは、複数のマニピュレータアームと、操作ユニットと、制御部と、を備え、複数のマニピュレータアームは、器具屈曲部を有する第１外科用器具が器具保持部に保持される第１マニピュレータアームと、内視鏡屈曲部を有し、先端部にカメラが設けられる内視鏡アセンブリが器具保持部に保持される第２マニピュレータアームと、を含み、外科手術システムの制御方法は、動作指令に基づく第１外科用器具の屈曲に追従して内視鏡アセンブリを屈曲させるように制御する。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外科手術システムの制御方法であって、
前記外科手術システムは、
それぞれの先端部に長軸状の外科用器具を保持可能な器具保持部を有し、それぞれの先端部が基端部に対して３次元的に移動する複数のマニピュレータアームと、
操作入力に基づいて前記複数のマニピュレータアームを移動させるための動作指令を生成する操作ユニットと、
前記動作指令に基づいて前記複数のマニピュレータアームの移動を制御する制御部と、を備え、
前記複数のマニピュレータアームは、
器具屈曲部を有する第１外科用器具が前記器具保持部に保持される第１マニピュレータアームと、
内視鏡屈曲部を有し、先端部にカメラが設けられる内視鏡アセンブリが前記器具保持部に保持される第２マニピュレータアームと、を含み、
前記制御方法は、前記動作指令に基づく前記第１外科用器具の屈曲に追従して前記内視鏡アセンブリを屈曲させるように制御する、外科手術システムの制御方法。
【請求項２】
前記第１外科用器具の前記器具屈曲部の屈曲角に応じて前記内視鏡アセンブリの前記内視鏡屈曲部の屈曲角を決定する、請求項１に記載の外科手術システムの制御方法。
【請求項３】
前記外科手術システムは、前記制御部にデータを読み出し可能な記憶部を備え、
前記記憶部は、前記器具屈曲部の屈曲前の状態における前記第１外科用器具の先端部の位置および姿勢と、前記内視鏡屈曲部の屈曲前の状態における前記内視鏡アセンブリの先端部の位置および姿勢とを記憶し、
前記制御方法は、
前記第１外科用器具が屈曲した場合に、前記器具屈曲部の屈曲前の状態における前記第１外科用器具の先端部の位置および姿勢と、前記内視鏡屈曲部の屈曲前の状態における前記内視鏡アセンブリの先端部の位置および姿勢との相対関係を保持するように、前記内視鏡アセンブリの位置および姿勢を決定する第１演算処理を行う、請求項１に記載の外科手術システムの制御方法。
【請求項４】
前記第１演算処理において前記相対関係を保持するような前記内視鏡アセンブリの位置が決定できない場合、前記器具屈曲部の屈曲前の状態における前記第１外科用器具の先端部の姿勢と、前記内視鏡屈曲部の屈曲前の状態における前記内視鏡アセンブリの先端部の姿勢との関係を保持するように、前記内視鏡アセンブリの先端部の姿勢を決定する、請求項３に記載の外科手術システムの制御方法。
【請求項５】
前記第１演算処理において前記相対関係を保持するような前記内視鏡アセンブリの位置が決定できない場合、前記第１外科用器具の前記器具屈曲部の屈曲角に応じて前記内視鏡アセンブリの前記内視鏡屈曲部の屈曲角を決定する、請求項３に記載の外科手術システムの制御方法。
【請求項６】
前記第１演算処理は、前記第１外科用器具の前記器具屈曲部の屈曲角に応じた前記内視鏡アセンブリの前記内視鏡屈曲部の屈曲角を拘束条件として演算を行う、請求項３から５の何れかに記載の外科手術システムの制御方法。
【請求項７】
前記複数のマニピュレータアームは、器具屈曲部を有する第２外科用器具が前記器具保持部に保持される第３マニピュレータアームを含み、
前記制御方法は、
前記動作指令に基づく前記第２外科用器具の屈曲に追従して前記内視鏡アセンブリを屈曲可能とし、
前記内視鏡アセンブリが追従する外科用器具を前記第１外科用器具および前記第２外科用器具から選択可能とする、請求項１から６の何れかに記載の外科手術システムの制御方法。
【請求項８】
それぞれの先端部に長軸状の外科用器具を保持可能な器具保持部を有し、それぞれの先端部が基端部に対して３次元的に移動する複数のマニピュレータアームと、
操作入力に基づいて前記複数のマニピュレータアームを移動させるための動作指令を生成する操作ユニットと、
前記動作指令に基づいて前記複数のマニピュレータアームの移動を制御する制御部と、を備え、
前記複数のマニピュレータアームは、
器具屈曲部を有する第１外科用器具が前記器具保持部に保持される第１マニピュレータアームと、
内視鏡屈曲部を有し、先端部にカメラが設けられる内視鏡アセンブリが前記器具保持部に保持される第２マニピュレータアームと、を含み、
前記制御部は、前記動作指令に基づく前記第１外科用器具の屈曲に追従して前記内視鏡アセンブリを屈曲させるように制御する、外科手術システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、外科手術システムの制御方法および外科手術システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
複数のマニピュレータアームを備え、施術者の操作に基づいて当該複数のマニピュレータアームを動かして外科手術を行うマスタ−スレーブ型のシステムが知られている（例えば特許文献１，２等参照）。このようなシステムにおいて、複数のマニピュレータアームの先端部には鉗子ユニット等の様々な外科用器具が取り付けられる。このようなシステムに取り付けられる外科用器具として、外科用器具自体に屈曲部を有し、基端部から先端部に延びる長手方向が屈曲するもの（例えば特許文献３参照）が想定される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２０１７−５１５５２４号公報
【特許文献２】特表２０１７−５１３５５０号公報
【特許文献３】特開２０１３−２２０１０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記外科手術システムにおいては、複数のマニピュレータのうちの１つに、先端部にカメラが設けられる内視鏡アセンブリが取り付けられ、内視鏡アセンブリのカメラで撮像された画像を見ながら他のマニピュレータアームを用いた施術が行われる。
【０００５】
また、上記外科手術システムにおいては、複数のマニピュレータアームが１つのアームベース（またはプラットホームとも呼ばれる）に取り付けられる。また、例えば外科手術システムを用いた腹腔鏡下手術では、患者の施術部位への侵襲性を低減するために、開腹手術を行わず、腹部の１ないし数箇所を開口し、当該開口から外科用器具および内視鏡アセンブリを体内に導入する施術が行われる。患者の施術部位への侵襲性を低減するためには、開口箇所は少ない方が好ましい。
【０００６】
このような制約から、各マニピュレータアームの先端部はだいたい同じ方向を向いている。したがって、通常、内視鏡アセンブリのカメラで撮像される画像は、外科用器具の先端部より奥方向（外科用器具の基端部から先端部を向く方向）を映す画像となる。
【０００７】
ところが、マニピュレータアームに外科用器具として屈曲部を有する器具が取り付けられた場合、その外科用器具の先端部がマニピュレータアームの基端側を向くような位置および姿勢を取り得る。この場合、施術箇所を適切に撮像するためには、内視鏡アセンブリのカメラで撮像される画像を外科用器具の先端部より手前方向を映すことが望ましいが、上記制約のため、屈曲した外科用器具の先端部のその先（例えば外科用器具の基端側）が画像に映るように、内視鏡アセンブリが取り付けられたマニピュレータアームを配置するには限界がある。
【０００８】
上記内視鏡アセンブリの配置を実現するために開口箇所を増やすことは、患者の負担になる。また、外科用器具を屈曲させる際に、内視鏡アセンブリの配置を施術者が一から調整することは煩雑である。
【０００９】
本発明は、以上のような課題を解決すべくなされたものであり、マニピュレータアームに取り付けられた外科用器具を屈曲させた場合でもその先端部の画像を容易に取得することができる外科手術システムの制御方法および外科手術システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一態様は、外科手術システムの制御方法であって、前記外科手術システムは、それぞれの先端部に長軸状の外科用器具を保持可能な器具保持部を有し、それぞれの先端部が基端部に対して３次元的に移動する複数のマニピュレータアームと、操作入力に基づいて前記複数のマニピュレータアームを移動させるための動作指令を生成する操作ユニットと、前記動作指令に基づいて前記複数のマニピュレータアームの移動を制御する制御部と、を備え、前記複数のマニピュレータアームは、器具屈曲部を有する第１外科用器具が前記器具保持部に保持される第１マニピュレータアームと、内視鏡屈曲部を有し、先端部にカメラが設けられる内視鏡アセンブリが前記器具保持部に保持される第２マニピュレータアームと、を含み、前記制御方法は、前記動作指令に基づく前記第１外科用器具の屈曲に追従して前記内視鏡アセンブリを屈曲させるように制御する。
【００１１】
上記制御方法によれば、第１外科用器具および内視鏡アセンブリが屈曲可能に構成されており、第１外科用器具の屈曲に追従して内視鏡アセンブリが追従して屈曲するように制御される。このため、第１外科用器具の先端部の移動に応じて内視鏡アセンブリのカメラが撮像する画像を第１外科用器具の先端部が向く方向に調整し易くすることができる。したがって、第１外科用器具を屈曲させた場合でもその先端部の画像を容易に取得することができる。
【００１２】
前記第１外科用器具の前記器具屈曲部の屈曲角に応じて前記内視鏡アセンブリの前記内視鏡屈曲部の屈曲角を決定してもよい。これによれば、簡単な制御で第１外科用器具の屈曲に内視鏡アセンブリの屈曲を追従させることができる。
【００１３】
前記外科手術システムは、前記制御部にデータを読み出し可能な記憶部を備え、前記記憶部は、前記器具屈曲部の屈曲前の状態における前記第１外科用器具の先端部の位置および姿勢と、前記内視鏡屈曲部の屈曲前の状態における前記内視鏡アセンブリの先端部の位置および姿勢とを記憶し、前記制御方法は、前記第１外科用器具が屈曲した場合に、前記器具屈曲部の屈曲前の状態における前記第１外科用器具の先端部の位置および姿勢と、前記内視鏡屈曲部の屈曲前の状態における前記内視鏡アセンブリの先端部の位置および姿勢との相対関係を保持するように、前記内視鏡アセンブリの位置および姿勢を決定する第１演算処理を行ってもよい。これによれば、第１外科用器具の先端部の位置および姿勢と内視鏡アセンブリの先端部の位置および姿勢との相対関係が保持された状態で第１外科用器具および内視鏡アセンブリの屈曲動作が行われる。したがって、屈曲前後において第１外科用器具の先端部に対する、内視鏡アセンブリのカメラが撮像する画像領域が維持される。これにより、第１外科用器具が屈曲動作した後の内視鏡アセンブリの調整を少なくすることができる。
【００１４】
前記第１演算処理において前記相対関係を保持するような前記内視鏡アセンブリの位置が決定できない場合、前記器具屈曲部の屈曲前の状態における前記第１外科用器具の先端部の姿勢と、前記内視鏡屈曲部の屈曲前の状態における前記内視鏡アセンブリの先端部の姿勢との関係を保持するように、前記内視鏡アセンブリの先端部の姿勢を決定してもよい。これによれば、第１外科用器具の先端部の位置および姿勢と内視鏡アセンブリの先端部の位置および姿勢との相対関係が保持できない場合であっても、第１外科用器具の先端部の姿勢と内視鏡アセンブリの先端部の姿勢との関係が保持されるように動作する。したがって、第１外科用器具の屈曲動作に内視鏡アセンブリを可能な限り追従させることができる。
【００１５】
前記第１演算処理において前記相対関係を保持するような前記内視鏡アセンブリの位置が決定できない場合、前記第１外科用器具の前記器具屈曲部の屈曲角に応じて前記内視鏡アセンブリの前記内視鏡屈曲部の屈曲角を決定してもよい。これによれば、第１外科用器具の先端部の位置および姿勢と内視鏡アセンブリの先端部の位置および姿勢との相対関係が保持できない場合であっても、第１外科用器具の器具屈曲部の屈曲角に応じて内視鏡アセンブリの内視鏡屈曲部の屈曲角が決定される。したがって、第１外科用器具の屈曲動作に内視鏡アセンブリを可能な限り追従させることができる。
【００１６】
前記第１演算処理は、前記第１外科用器具の前記器具屈曲部の屈曲角に応じた前記内視鏡アセンブリの前記内視鏡屈曲部の屈曲角を拘束条件として演算を行ってもよい。これにより、内視鏡アセンブリの屈曲を前提とした内視鏡アセンブリの位置および姿勢演算を行うことができ、演算量を低減させることができる。
【００１７】
前記複数のマニピュレータアームは、器具屈曲部を有する第２外科用器具が前記器具保持部に保持される第３マニピュレータアームを含み、前記制御方法は、前記動作指令に基づく前記第２外科用器具の屈曲に追従して前記内視鏡アセンブリを屈曲可能とし、前記内視鏡アセンブリが追従する外科用器具を前記第１外科用器具および前記第２外科用器具から選択可能としてもよい。これにより、外科用器具が取り付けられたマニピュレータアームが複数ある場合に、施術者が見たい箇所の画像をより容易に取得することができる。
【００１８】
本発明の他の態様に係る外科手術システムは、それぞれの先端部に長軸状の外科用器具を保持可能な器具保持部を有し、それぞれの先端部が基端部に対して３次元的に移動する複数のマニピュレータアームと、操作入力に基づいて前記複数のマニピュレータアームを移動させるための動作指令を生成する操作ユニットと、前記動作指令に基づいて前記複数のマニピュレータアームの移動を制御する制御部と、を備え、前記複数のマニピュレータアームは、器具屈曲部を有する第１外科用器具が前記器具保持部に保持される第１マニピュレータアームと、内視鏡屈曲部を有し、先端部にカメラが設けられる内視鏡アセンブリが前記器具保持部に保持される第２マニピュレータアームと、を含み、前記制御部は、前記動作指令に基づく前記第１外科用器具の屈曲に追従して前記内視鏡アセンブリを屈曲させるように制御する。
【００１９】
上記構成によれば、第１外科用器具および内視鏡アセンブリが屈曲可能に構成されており、第１外科用器具の屈曲に追従して内視鏡アセンブリが追従して屈曲するように制御される。このため、第１外科用器具の先端部の移動に応じて内視鏡アセンブリのカメラが撮像する画像を第１外科用器具の先端部が向く方向に調整し易くすることができる。したがって、第１外科用器具を屈曲させた場合でもその先端部の画像を容易に取得することができる。
【００２０】
本発明の上記目的、他の目的、特徴、及び利点は、添付図面参照の下、以下の好適な実施態様の詳細な説明から明らかにされる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明は、マニピュレータアームに取り付けられた外科用器具を屈曲させた場合でもその先端部の画像を容易に取得することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】図１は、本発明の一実施の形態に係る外科手術システムの全体的な構成を示す概略図である。
【図２】図２は、図１に示す外科手術システムの制御系の構成を示すブロック図である。
【図３】図３は、本実施の形態における外科用器具の一例を示す図である。
【図４】図４は、本実施の形態における内視鏡アセンブリの一例を示す図である。
【図５】図５は、本実施の形態の第２の制御態様における第１外科用器具および内視鏡アセンブリの屈曲前の状態を示す部分拡大図である。
【図６】図６は、本実施の形態の第２の制御態様における第１外科用器具の屈曲動作に対して内視鏡アセンブリが追従した後の状態を示す部分拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。また、以下では、全ての図を通じて、同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。
【００２４】
図１は、本発明の一実施の形態に係る外科手術システムの全体的な構成を示す概略図である。また、図２は、図１に示す外科手術システムの制御系の構成を示すブロック図である。図１に示すように、外科手術システム１００は、ロボット支援手術やロボット遠隔手術などのように、医師などの施術者Ｏが操作ユニット２を操作することにより動作する動作ユニット１を用いて患者Ｐに内視鏡外科手術を施すシステムである。
【００２５】
外科手術システム１００は、動作ユニット１と、この動作ユニット１を操る操作ユニット２とを備えている。操作ユニット２は動作ユニット１から離れて配置され、動作ユニット１は操作ユニット２によって遠隔操作される。施術者Ｏは動作ユニット１に行わせる動作を操作ユニット２に入力し、操作ユニット２はその動作指令を動作ユニット１に送信する。そして、動作ユニット１は、操作ユニット２から送信された動作指令を受け取り、この動作指令に基づいて動作ユニット１が具備する内視鏡アセンブリ４２や外科用器具４１などを動作させる。
【００２６】
操作ユニット２は、外科手術システム１００と施術者Ｏのインターフェースを構成し、動作ユニット１を操作するための装置である。操作ユニット２は、手術室内において手術台１１１の傍らにまたは手術台１１１から離れて、あるいは、手術室外に設置されている。操作ユニット２は、施術者Ｏが動作指令を入力するための操作用マニピュレータアーム５１および操作ペダル５２などの操作入力部を含む。本実施の形態において、操作用マニピュレータアーム５１は、施術者Ｏが右手で操作する第１ハンドユニット５１ａと、左手で操作する第２ハンドユニット５１ｂとを有している。
【００２７】
さらに操作ユニット２は、内視鏡アセンブリ４２のカメラで撮像された画像を表示するモニタ５３を含む。モニタ５３は、操作入力部が設けられた操作ユニット２とは別のユニット（表示ユニット）として構成されてもよい。施術者Ｏは、モニタ５３で患部を視認しながら、操作入力部を操作して操作ユニット２に動作指令を入力する。操作ユニット２に入力された動作指令は、有線または無線により動作ユニット１の後述するコントローラ６に伝達される。
【００２８】
動作ユニット１は、外科手術システム１００と患者Ｐとのインターフェースを構成する。動作ユニット１は、手術室内において患者Ｐが横たわる手術台１１１の傍らに配置されている。手術室内は滅菌された滅菌野である。
【００２９】
動作ユニット１は、ポジショナ７と、ポジショナ７の先端部に取り付けられたプラットホーム５と、プラットホーム５に着脱可能に取り付けられた複数の患者側マニピュレータアーム（以下、単に「アーム３」という）とを備えている。ポジショナ７は、多軸ロボットとして構成されており、手術室の所定位置に載置されたベース７０に対してプラットホーム５の位置を３次元的に移動させることができる。アーム３およびプラットホーム５は、滅菌ドレープ（図示せず）で覆われ、アーム３およびプラットホーム５が手術室内の滅菌野から遮蔽される。
【００３０】
上記の動作ユニット１において、プラットホーム５は、複数のアーム３の拠点となる「ハブ」としての機能を有している。本実施形態では、ポジショナ７およびプラットホーム５によって、複数のアーム３を移動可能に支持するマニピュレータアーム支持体Ｓが構成されている。ただし、マニピュレータアーム支持体Ｓは少なくともプラットホーム５を含んでいればよく、例えば、ポジショナ７に代えて直動レール、昇降装置、あるいは、天井または壁に取り付けられたブラケットに支持されたプラットホーム５によってマニピュレータアーム支持体Ｓが構成されてもよい。
【００３１】
上記の動作ユニット１では、ポジショナ７から内視鏡アセンブリ４２または各外科用器具４１まで、要素が一連に繋がっている。本明細書では、上記一連の要素において、ポジショナ７（より詳細には、ポジショナ７の手術室の床との接触部）へ向かう側の端部を「基端部」といい、その反対側の端部を「先端部」ということとする。
【００３２】
アーム３は、プラットホーム５に対し着脱可能に構成されている。アーム３は、洗浄処理及び滅菌処理のための耐水性、耐熱性、及び耐薬品性を備えている。アーム３の滅菌処理には様々な方法があるが、例えば、高圧蒸気滅菌法、ＥＯＧ滅菌法、消毒薬による化学滅菌法などが選択的に用いられ得る。
【００３３】
詳しくは図示しないが、アーム３は、プラットホーム５に着脱可能に取り付けられるベースと、ベースから先端部に向けて順次連結された第１リンク〜第６リンクとを含む。アーム３は、冗長軸を含む７軸関節アームとして構成される。したがって、アーム３は、基端部に対し先端部を３次元空間内で移動させることができるように構成されている。さらに、アーム３は、冗長軸を有することにより、当該アーム３の先端部の位置を変化させることなく姿勢を変えることができる。なお、本実施の形態では、動作ユニット１が具備する複数のアーム３はいずれも同様または類似の構成を有するが、複数のアーム３のうち少なくとも１本が他のアームと異なる構成を有してもよい。
【００３４】
アーム３の外殻は、主にステンレスなどの耐熱性および耐薬品性を有する部材で形成されている。また、リンク同士の連結部には、耐水性を備えるためのシール（図示せず）が設けられている。このシールは、高圧蒸気滅菌法に対応する耐熱性や、消毒薬に対する耐薬品性を備えている。なお、リンク同士の連結部において、連結される一方のリンクの端部の内側に他方のリンクの端部が挿入されており、これらのリンクの端部同士の間を埋めるようにシールが配置されることによって、シールが外観から隠蔽されている。これにより、シールとリンクとの間から水、薬液、蒸気の浸入が抑制されている。
【００３５】
各アーム３の先端部には、後述する外科用器具４１または内視鏡アセンブリ４２を保持可能なホルダ（器具保持部）３６（後述する図３および図４参照）が設けられる。アーム３の第６リンクの先端部には並進アーム（図示せず）が取り付けられていてもよい。この場合、ホルダ３６は、並進アームの先端部に設けられる。これにより、並進アームのホルダ３６を長軸方向に並進移動させることにより、ホルダ３６に取り付けられた外科用器具４１または内視鏡アセンブリ４２を長軸方向に並進移動させることができる。
【００３６】
図２に示すように、複数のアーム３のうち、第１アーム３Ａの先端部には、第１外科用器具４１ａが着脱可能に保持される。また、複数のアーム３のうち、第２アーム３Ｂの先端部には、内視鏡アセンブリ４２が保持される。また、複数のアーム３のうち、第３アーム３Ｃの先端部には、第２外科用器具４１ｂが着脱可能に保持される。図示しないが、その余のアーム３にも外科用器具が着脱可能に保持され得る。
【００３７】
図３は、本実施の形態における外科用器具の一例を示す図である。外科用器具４１（第１外科用器具４１ａおよび第２外科用器具４１ｂを含む）は、その基端部に設けられた駆動ユニット４５と、その先端部に設けられたエンドエフェクタ（処置具）４４と、駆動ユニット４５とエンドエフェクタ４４の間を繋ぐ細長いシャフト４３とを有している。外科用器具４１の基端部は、各アーム３のホルダ３６に着脱可能に構成されている。
【００３８】
外科用器具４１には長軸方向Ｄが規定されており、駆動ユニット４５、シャフト４３、およびエンドエフェクタ４４は長軸方向Ｄに沿って配置される。外科用器具４１のエンドエフェクタ４４は、動作する関節を有する器具（例えば、鉗子、ハサミ、グラスパー、ニードルホルダ、マイクロジセクター、ステープルアプライヤー、タッカー、吸引洗浄ツール、スネアワイヤ、および、クリップアプライヤー等）、ならびに、関節を有しない器具（例えば、切断刃、焼灼プローブ、洗浄器、カテーテル、および、吸引オリフィス等）を含む群より選択される。図３においては一対の開閉爪（把持片）を有する鉗子が例示されている。
【００３９】
さらに、本実施の形態において、外科用器具４１は、シャフト４３を長軸方向Ｄに対して屈曲するための器具屈曲部４６を備えている。器具屈曲部４６は、所定の平面（屈曲面）内を屈曲可能なように構成されている。なお、本実施の形態において、器具屈曲部４６が屈曲した場合の長軸方向Ｄは、器具屈曲部４６を含むシャフト４３の延在方向として定義される。すなわち、長軸方向Ｄは、器具屈曲部４６の屈曲により変化する。
【００４０】
さらに、シャフト４３は、基端部において外科用器具４１の基部（駆動ユニット４５）に対して長軸回りに回転可能に構成される（図３において基端側回転軸５０として示す）。したがって、シャフト４３を長軸回りに回転させることにより屈曲面が長軸回りに回転するため、器具屈曲部４６による屈曲方向を３次元的に設定することができる。器具屈曲部４６の屈曲動作は、油圧によるものまたは内部に通された複数のワイヤによる機械的なものなど公知の構成により実現される。
【００４１】
なお、外科用器具４１は、さらに、シャフト４３（器具屈曲部４６）の先端部において先端側回転軸４９を備えている。これにより、エンドエフェクタ４４は、シャフト４３に対して長軸回りに回転可能に構成されている。また、エンドエフェクタ４４が図３に示すような鉗子ユニットである場合、一対の把持片の先端部を開閉させる（把持および把持解除を切り替える）把持片支軸４４ａを備えている。以上より、外科用器具４１は、基端側回転軸５０、器具屈曲部４６、先端側回転軸４９、把持片支軸４４ａを可動部として有している。
【００４２】
図４は、本実施の形態における内視鏡アセンブリの一例を示す図である。内視鏡アセンブリ４２は、上記外科用器具４１におけるエンドエフェクタ４４の代わりに先端部にカメラ４７が取り付けられている。したがって、内視鏡アセンブリ４２は、駆動ユニット４５、基端側回転軸５０、シャフト４３、先端側回転軸４９およびカメラ４７を有している。カメラ４７により撮像された画像が操作ユニット２のモニタ５３に表示される。内視鏡アセンブリ４２の基端部は、アーム３のホルダ３６に着脱可能に構成されている。なお、これに代えて、内視鏡アセンブリ４２は、アーム３のホルダ３６に着脱不能に取り付けられていてもよい。すなわち、動作ユニット１は、内視鏡アセンブリ４２専用のアームを備えていてもよい。
【００４３】
内視鏡アセンブリ４２は、シャフト４３を長軸方向Ｄに対して屈曲するための内視鏡屈曲部４８を備えている。内視鏡屈曲部４８の構成は、外科用器具４１における器具屈曲部４６と同様である。内視鏡アセンブリ４２においても、シャフト４３は、基端部において外科用器具４１の基部（駆動ユニット４５）に対して長軸回りに回転可能に構成される。したがって、シャフト４３を長軸回りに回転させることにより屈曲面が長軸回りに回転するため、内視鏡屈曲部４８による屈曲方向を３次元的に設定することができる。
【００４４】
動作ユニット１は、コントローラ（制御部）６により動作制御される。コントローラ６は、例えばマイクロコントローラ等のコンピュータにより構成される。
【００４５】
上記構成の動作ユニット１を用いた施術において、まず、操作ユニット２から動作指令を受けたコントローラ６が、プラットホーム５と手術台１１１または患者Ｐとが所定の位置関係となるように、ポジショナ７を動作させてプラットホーム５の位置決めを行う。次に、コントローラ６が、患者Ｐの体表に留置されたスリーブ（カニューレスリーブ）１１０と内視鏡アセンブリ４２および各外科用器具４１とが所定の初期位置関係となるように、各アーム３を動作させて内視鏡アセンブリ４２および各外科用器具４１の位置決めを行う。なお、ポジショナ７の位置決め動作と各アーム３の位置決め動作とは同時に行われてもよい。
【００４６】
そして、コントローラ６は、原則としてポジショナ７を静止させた状態で、操作ユニット２からの動作指令に応じて、各アーム３を動作させて内視鏡アセンブリ４２および各外科用器具４１を適宜変位および姿勢変化させつつ、各外科用器具４１を動作させて施術する。
【００４７】
操作ユニット２の第１ハンドユニット５１ａおよび第２ハンドユニット５１ｂにはそれぞれ操作するアーム３が割り当てられる。例えば、第１ハンドユニット５１ａに第１アーム３Ａが割り当てられ、第２ハンドユニット５１ｂに第３アーム３Ｃが割り当てられる。これにより、第１ハンドユニット５１ａへの操作入力により第１外科用器具４１ａが保持された第１アーム３Ａへの動作指令が生成され、第２ハンドユニット５１ｂへの操作入力により第２外科用器具４１ｂが保持された第３アーム３Ｃへの動作指令が生成される。
【００４８】
各ハンドユニット５１ａ，５１ｂに割り当てられるアーム３は、操作ユニット２への操作により複数のアーム３の中から選択される。すなわち、施術中においても、各ハンドユニット５１ａ，５１ｂへの操作によって動作するアーム３を切り替えることができる。例えば、上記例において第２ハンドユニット５１ｂに割り当てられるアーム３が第３アーム３Ｃから第２アーム３Ｂに切り替えられる。これにより、第２ハンドユニット５１ｂへの操作入力により内視鏡アセンブリ４２が保持された第２アーム３Ｂへの動作指令が生成される。
【００４９】
ハンドユニット５１ａ，５１ｂへの操作入力により、外科用器具４１および内視鏡アセンブリ４２の屈曲部４６，４８を動作させる動作指令を生成することも可能である。
【００５０】
コントローラ６は、動作指令に基づいて複数のアーム３の移動を制御する。コントローラ６は、増幅回路などを介してアーム３の各軸を駆動するサーボモータ（図示せず）の回転制御を行う。各サーボモータの回転角は対応するエンコーダにより検出され、当該回転角と動作指令とに基づいてそのサーボモータの駆動指令値が生成される。このようにして、アーム３の先端部が、動作指令に基づく位置および姿勢に到達するように、各サーボモータがサーボ制御される。
【００５１】
外科手術システム１００は、コントローラ６にデータを読み出し可能な記憶部６０を備えている。記憶部６０には、操作ユニット２を介して入力された手術情報が予め記憶されている。この手術情報には、手術で使用される複数のアーム３の組み合わせが含まれている。また、記憶部６０には、アーム３の先端部に保持される外科用器具（内視鏡アセンブリ４２または各外科用器具４１）の長軸方向Ｄに沿った長さ等の情報が記憶されている。これにより、コントローラ６は、アーム３の先端部に保持された外科用器具４１および内視鏡アセンブリ４２の先端部の位置座標を把握可能となっている。
【００５２】
コントローラ６は、動作指令に基づく外科用器具４１の器具屈曲部４６の屈曲に追従して内視鏡アセンブリ４２を屈曲させるように制御する屈曲追従制御を実行可能に構成されている。操作ユニット２は、屈曲追従制御を行うか否かを切り替える操作入力が可能に構成されている。
【００５３】
以下では、施術者Ｏの操作ユニット２への操作入力により第1外科用器具４１ａの屈曲に追従する屈曲追従制御を行うように切り替えられた場合を例示する。この場合、その後の操作入力において、第１外科用器具４１ａの動作指令に器具屈曲部４６への屈曲動作が含まれている場合、コントローラ６は、第１外科用器具４１ａの屈曲に追従して内視鏡アセンブリ４２を屈曲させるように制御する。
【００５４】
このため、第１外科用器具４１aの先端部の移動に応じて内視鏡アセンブリ４２のカメラ４７が撮像する画像を第１外科用器具４１ａの先端部が向く方向に調整し易くすることができる。したがって、第１外科用器具４１ａを屈曲させた場合でもその先端部の画像を容易に取得することができる。以下に屈曲追従制御の具体例を例示する。
【００５５】
［第１の制御態様］
第１の制御態様において、コントローラ６は、第１外科用器具４１ａの器具屈曲部４６の屈曲角θＨに応じて内視鏡アセンブリ４２の内視鏡屈曲部４８の屈曲角θＣを決定する。例えば、θＨ＝θＣの場合、コントローラ６は、第１外科用器具４１ａの器具屈曲部４６の屈曲角θＨと同じ屈曲角で内視鏡屈曲部４８を屈曲させるように第２アーム３Ｂおよび内視鏡アセンブリ４２を制御する。
【００５６】
器具屈曲部４６の屈曲角θＨと内視鏡屈曲部４８の屈曲角θＣとの関係は、上記に限られない。例えば、器具屈曲部４６の屈曲角θＨより小さい屈曲角θＣ（θＣ＜θＨ。例えばθＣ＝θＨ／２等）に設定されてもよい。また、器具屈曲部４６の屈曲角θＨより大きい屈曲角θＣ（θＣ＞θＨ。例えばθＣ＝２θＨ等）に設定されてもよい。また、器具屈曲部４６の屈曲角θＨの大きさに応じて当該屈曲角θＨと内視鏡屈曲部４８の屈曲角θＣとの関係が変化してもよい。例えば、θＣ＝ｋθＨの関係において、器具屈曲部４６の屈曲角θＨが大きくなるほど内視鏡屈曲部４８の屈曲角θＣに掛けられる係数ｋが大きくなる（または小さくなる）としてもよい。
【００５７】
このような態様によれば、簡単な制御で第１外科用器具４１ａの屈曲に内視鏡アセンブリ４２の屈曲を追従させることができる。
【００５８】
なお、上述したように、内視鏡アセンブリ４２およびそれが保持される第２アーム３Ｂは、第１ハンドユニット５１ａまたは第２ハンドユニット５１ｂの操作対象として第２アーム３Ｂを割り当てることにより、施術者Ｏの操作に基づいて動作可能である。したがって、第１外科用器具４１ａの屈曲に追従するように内視鏡アセンブリ４２の屈曲動作を実施した後において、施術者Ｏにとってより望ましい撮像領域がモニタ５３に表示されるように施術者Ｏの操作に基づいて内視鏡アセンブリ４２の位置および姿勢を調整可能である。このように、屈曲追従制御の実行後に操作ユニット２を操作して内視鏡アセンブリ４２の位置および姿勢の調整を行う場合であっても、予め内視鏡アセンブリ４２の追従制御を実行することにより、施術者Ｏの操作による調整量を少なくすることができる。
【００５９】
［第２の制御態様］
第２の制御態様において、コントローラ６は、第１外科用器具４１ａが屈曲した場合に、器具屈曲部４６の屈曲前の状態における第１外科用器具４１ａの先端部の位置および姿勢と、内視鏡屈曲部４８の屈曲前の状態における内視鏡アセンブリ４２の先端部の位置および姿勢との相対関係を保持するように、内視鏡アセンブリ４２の位置および姿勢を決定する第１演算処理を行う。
【００６０】
このために、記憶部６０は、器具屈曲部４６の屈曲前の状態における第１外科用器具４１ａの先端部の位置および姿勢と、内視鏡屈曲部４８の屈曲前の状態における内視鏡アセンブリ４２の先端部の位置および姿勢とを記憶する。
【００６１】
図５は、本実施の形態の第２の制御態様における第１外科用器具および内視鏡アセンブリの屈曲前の状態を示す部分拡大図である。また、図６は、本実施の形態の第２の制御態様における第１外科用器具の屈曲動作に対して内視鏡アセンブリが追従した後の状態を示す部分拡大図である。図５に示す例においては、第１外科用器具４１ａの器具屈曲部４６の屈曲角θＨおよび内視鏡アセンブリ４２の内視鏡屈曲部４８の屈曲角θＣがともに０となっている。
【００６２】
第１外科用器具４１ａの先端部における座標系（第１外科用器具座標系）をΣＨ１とし、内視鏡アセンブリ４２の先端部における座標系（内視鏡アセンブリ座標系）をΣＣ１とする。このとき、屈曲前における内視鏡アセンブリ４２の先端部の内視鏡アセンブリ座標系ΣＣ１の位置姿勢を表す行列ＰＣ１と、屈曲前における第１外科用器具４１ａの先端部の第１外科用器具座標系ΣＨ１の位置姿勢を表す行列ＰＨ１との相対関係は、以下の式（１）で表せる。ここで、Ｃ１ＴＨ１は、第１外科用器具座標系ΣＨ１の位置姿勢を内視鏡アセンブリ座標系ΣＣ１から見た場合の同次変換行列を示す。
【００６３】
【数１】
2020141833.tif 000003
【００６４】
同次変換行列Ｃ１ＴＨ１は、内視鏡アセンブリ座標系ΣＣ１における第１外科用器具４１ａの先端部の位置座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）、内視鏡アセンブリ座標系ΣＣ１から見た第１外科用器具座標系ΣＨ１のｘ軸単位ベクトル成分（ｎｘ，ｎｙ，ｎｚ）、同じくｙ軸単位ベクトル成分（ｏｘ，ｏｙ，ｏｚ）、同じくｚ軸単位ベクトル成分（ａｘ，ａｙ，ａｚ）を用いて次のように示される。
【００６５】
【数２】
2020141833.tif 000004
【００６６】
上記式（２）のうち、内視鏡アセンブリ座標系ΣＣ１から見た第１外科用器具座標系ΣＨ１の各軸の単位ベクトル成分（ｎｉ，ｏｉ，ａｉ（ｉはｘ，ｙ，ｚ）によって示される３×３行列）が内視鏡アセンブリ４２の先端部から見た第１外科用器具４１ａの先端部の姿勢を示している。
【００６７】
記憶部６０は、上記相対関係としてその同次変換行列Ｃ１ＴＨ１を記憶する。その後、第１外科用器具４１ａに対する動作指令として器具屈曲部４６を屈曲させる屈曲動作を含む動作指令が生成された場合、コントローラ６は、第１外科用器具４１ａの動作に追従する内視鏡アセンブリ４２の先端部の位置姿勢を表す行列ＰＣ２を、屈曲時における第１外科用器具４１ａの先端部の位置姿勢を表す行列ＰＨ２および上記同次変換行列Ｃ１ＴＨ１を用いて以下のように演算する。
【００６８】
【数３】
2020141833.tif 000005
【００６９】
コントローラ６は、内視鏡アセンブリ４２の先端部が、演算された位置姿勢を表す行列ＰＣ２によって示される位置および姿勢となるように、内視鏡アセンブリ４２の内視鏡屈曲部４８の屈曲角θＣおよび内視鏡アセンブリ４２が保持されている第２アーム３Ｂの位置および姿勢（第２アーム３Ｂの各関節軸の変位量）を逆変換により演算して求める。
【００７０】
例えば、コントローラ６は、第１演算処理において、屈曲動作後の第１外科用器具４１ａの器具屈曲部４６の屈曲角θＨ（＝α）に応じた内視鏡アセンブリ４２の内視鏡屈曲部４８の屈曲角θＣ（＝ｋα）を拘束条件として演算を行ってもよい。これにより、内視鏡アセンブリ４２の屈曲を前提とした内視鏡アセンブリ４２の位置および姿勢演算を行うことができ、演算量を低減させることができる。
【００７１】
上記演算後、コントローラ６は、演算結果に基づいて、内視鏡アセンブリ４２の内視鏡屈曲部４８の屈曲動作および第２アーム３Ｂの動作を制御する。この結果、図６に示されるように、第１外科用器具４１ａの屈曲動作前後で、第１外科用器具４１ａの先端部の位置および姿勢と内視鏡アセンブリ４２の先端部の位置および姿勢との相関関係が保持されるように内視鏡アセンブリ４２が追従制御される。
【００７２】
このような、第１演算処理を用いた第２の制御態様によれば、第１外科用器具４１ａの先端部の位置および姿勢と内視鏡アセンブリ４２の先端部の位置および姿勢との相対関係が保持された状態で第１外科用器具４１ａおよび内視鏡アセンブリ４２の屈曲動作が行われる。したがって、屈曲前後において第１外科用器具４１ａの先端部に対する、内視鏡アセンブリ４２のカメラ４７が撮像する画像領域が維持される。
【００７３】
本制御態様においても、第１外科用器具４１ａの屈曲に追従するように内視鏡アセンブリ４２を動作させた後において、施術者Ｏにとってより望ましい撮像領域がモニタ５３に表示されるように施術者Ｏの操作に基づいて内視鏡アセンブリ４２の位置および姿勢を調整可能である。本制御態様によれば、第１外科用器具４１ａが屈曲動作した後の内視鏡アセンブリ４２の施術者Ｏの操作による調整量をより少なくすることができる。
【００７４】
上記第１演算処理において、上記相対関係を保持するような内視鏡アセンブリ４２の位置が決定できない場合がある。例えば、追従動作後の位置姿勢を表す行列ＰＣ２となる第２アーム３Ｂの位置および姿勢と内視鏡屈曲部４８の屈曲角θＣとの組み合わせが複数存在する場合（解が複数存在する場合）には内視鏡アセンブリ４２の位置が決定できない。また、第２アーム３Ｂの移動範囲等の制約、他のアームとの干渉、スリーブ１１の位置（内視鏡アセンブリ４２のシャフト４３が必ず通過しなければいけない位置）等の他の拘束条件により、内視鏡アセンブリ４２の先端部が追従動作後に到達すべき位置に位置させることができない場合（解が存在しない場合）等が生じ得る。
【００７５】
このような場合、コントローラ６は、器具屈曲部４６の屈曲前の状態における第１外科用器具４１ａの先端部の姿勢と、内視鏡屈曲部４８の屈曲前の状態における内視鏡アセンブリ４２の先端部の姿勢との関係を保持するように、内視鏡アセンブリ４２の先端部の姿勢を決定してもよい。この場合、両者の姿勢の関係を保持するように内視鏡アセンブリ４２の内視鏡屈曲部４８の屈曲角θＣおよび第２アーム３Ｂが位置制御され得る。
【００７６】
これによれば、第１外科用器具４１ａの先端部の位置および姿勢と内視鏡アセンブリ４２の先端部の位置および姿勢との相対関係が保持できない場合であっても、第１外科用器具４１ａの先端部の姿勢と内視鏡アセンブリ４２の先端部の姿勢との関係が保持されるように動作する。したがって、第１外科用器具４１ａの屈曲動作に内視鏡アセンブリ４２を可能な限り追従させることができる。
【００７７】
これに代えて、第１演算処理において、上記相対関係を保持するような内視鏡アセンブリ４２の位置が決定できない場合、第１外科用器具４１ａの器具屈曲部４６の屈曲角θＨに応じて内視鏡アセンブリ４２の内視鏡屈曲部４８の屈曲角θＣを決定してもよい。すなわち、コントローラ６は、第２の制御態様において第１演算処理における解が決定できない場合、第１の制御態様に切り替えてもよい。
【００７８】
これによれば、第１外科用器具４１ａの先端部の位置および姿勢と内視鏡アセンブリ４２の先端部の位置および姿勢との相対関係が保持できない場合であっても、第１外科用器具４１ａの器具屈曲部４６の屈曲角θＨに応じて内視鏡アセンブリ４２の内視鏡屈曲部４８の屈曲角θＣが決定される。したがって、第１外科用器具４１ａの屈曲動作に内視鏡アセンブリ４２を可能な限り追従させることができる。
【００７９】
上記例においては、第１アーム３Ａに保持された第１外科用器具４１ａの屈曲動作に内視鏡アセンブリ４２（および第２アーム３Ｂ）が追従するように動作する態様について説明したが、他のアーム３に保持された外科用器具４１の屈曲動作に内視鏡アセンブリ４２（および第２アーム３Ｂ）が追従するように動作可能としてもよい。例えば、第３アーム３Ｃに保持された第２外科用器具４１ｂの屈曲動作に内視鏡アセンブリ４２（および第２アーム３Ｂ）が追従するように動作可能としてもよい。すなわち、内視鏡アセンブリ４２が追従する外科用器具を第１外科用器具４１ａおよび第２外科用器具４１ｂから選択可能としてもよい。
【００８０】
例えば、操作ユニット２には、屈曲追従制御の切り替えスイッチ（図示せず）が設けられていてもよい。切り替えスイッチは、第１ハンドユニット５１ａに割り当てられたアーム３への追従、第２ハンドユニット５１ｂに割り当てられたアーム３への追従、または、非追従を切り替えるように構成されていてもよい。切り替えスイッチにおいて非追従が選択された場合には、第１外科用器具４１ａおよび第２外科用器具４１ｂの何れが屈曲動作を行っても、内視鏡アセンブリ４２の内視鏡屈曲部４８はそれらの屈曲動作に追従しない。ただし、この場合でも、何れかのハンドユニット５１ａ，５１ｂに内視鏡アセンブリ４２が保持された第２アーム３Ｂが割り当てられた場合には、当該ハンドユニット５１ａ，５１ｂの操作によって内視鏡アセンブリ４２を独立して屈曲動作させることは可能である。
【００８１】
切り替えスイッチにおいて、何れかのハンドユニット５１ａ，５１ｂが追従対象として選択された場合、選択されたハンドユニット５１ａ，５１ｂに割り当てられたアーム３が器具屈曲部４６を有する外科用器具４１ａ，４１ｂであれば、コントローラ６は、当該外科用器具４１ａ，４１ｂの屈曲動作に内視鏡アセンブリ４２および第２アーム３Ｂが追従するように、内視鏡アセンブリ４２および第２アーム３Ｂを制御する。
【００８２】
なお、何れか一方のハンドユニット（例えば第１ハンドユニット５１ａ）に第１外科用器具４１ａが保持される第１アーム３Ａが割り当てられ、切り替えスイッチにおいて、第１ハンドユニット５１ａが追従態様として選択されている場合であって、さらに、他方のハンドユニット（例えば第２ハンドユニット５１ｂ）に内視鏡アセンブリ４２が保持される第２アーム３Ｂが割り当てられた場合には、コントローラ６は、第１外科用器具４１ａの器具屈曲部４６における屈曲動作にかかわらず、内視鏡アセンブリ４２および第２アーム３Ｂに対して屈曲追従制御を行わない（自動的に追従を解除する）ように制御してもよい。これに代えて、コントローラ６は、内視鏡アセンブリ４２が保持される第２アーム３Ｂが何れかのハンドユニット５１ａ，５１ｂに割り当てられている場合であっても屈曲追従制御を実行してもよい。
【００８３】
また、コントローラ６は、操作ユニット２による操作に基づいてハンドユニット５１ａ，５１ｂへの割り当てに関係なく内視鏡アセンブリ４２が追従する外科用器具４１ａ，４１ｂを予め設定可能に構成されてもよい。
【００８４】
このような構成によれば、複数の外科用器具４１ａ，４１ｂが対応するアーム３Ａ，３Ｃにそれぞれ保持されている場合、内視鏡アセンブリ４２および第２アーム３Ｂの屈曲追従制御における追従対象を切り替えることができる。これにより、外科用器具４１ａ，４１ｂが取り付けられたアーム３Ａ，３Ｂが複数ある場合に、施術者Ｏが見たい箇所の画像をより容易に取得することができる。
【００８５】
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施の形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造および／または機能の詳細を実質的に変更できる。
【産業上の利用可能性】
【００８６】
本発明に係る外科手術システムの制御方法および外科手術システムは、マニピュレータアームに取り付けられた外科用器具を屈曲させた場合でもその先端部の画像を容易に取得するために有用である。
【符号の説明】
【００８７】
２  操作ユニット
３  アーム（マニピュレータアーム）
３Ａ  第１アーム（第１マニピュレータアーム）
３Ｂ  第２アーム（第２マニピュレータアーム）
３Ｃ  第３アーム（第３マニピュレータアーム）
６  コントローラ（制御部）
３６  ホルダ（器具保持部）
４１  外科用器具
４１ａ  第１外科用器具
４１ｂ  第２外科用器具
４２  内視鏡アセンブリ
４６  器具屈曲部
４７  カメラ
４８  内視鏡屈曲部
６０  記憶部
１００  外科手術システム
【図１】
2020141833.tif 000006
【図２】
2020141833.tif 000007
【図３】
2020141833.tif 000008
【図４】
2020141833.tif 000009
【図５】
2020141833.tif 000010
【図６】
2020141833.tif 000011