(57)【要約】【課題】高価な光学式３次元測定装置を使用することなく、簡易に、かつ、安価に、複数のマニピュレータの座標系を制御装置に認識させる。【解決手段】患者に対して任意の位置に設置され術部に対して処置を行う１以上のマニピュレータ３，４と、該マニピュレータ３，４を制御する制御装置とを備える手術マニピュレータシステムにおけるマニピュレータ４のキャリブレーション方法であって、マニピュレータ４の動作範囲内に既知の異なる座標を有する複数のマーカ９ｄを配置し、各マーカ９ｄにマニピュレータ４の先端位置を一致させたときに、マニピュレータ４の基準点Ｑから先端位置までの距離を半径として描かれる複数の円の交差する座標位置を算出し、算出された座標位置をマニピュレータ４の基準点Ｑの座標位置として制御装置に認識させる手術マニピュレータシステムにおけるマニピュレータ４のキャリブレーション方法を提供する。【選択図】図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
患者に対して任意の位置に設置され術部に対して処置を行う１以上のマニピュレータと、該マニピュレータを制御する制御装置とを備える手術マニピュレータシステムにおけるマニピュレータのキャリブレーション方法であって、
前記マニピュレータの動作範囲内に既知の異なる座標を有する複数のマーカを配置し、
各マーカに前記マニピュレータの先端位置を一致させたときに、前記マニピュレータの基準点から前記先端位置までの距離を半径として描かれる複数の円の交差する座標位置を算出し、
算出された座標位置をマニピュレータの基準点の座標位置として制御装置に認識させる手術マニピュレータシステムにおけるマニピュレータのキャリブレーション方法。
【請求項２】
前記マーカが、前記制御装置の座標系の３つの座標軸により規定される３次元方向に異なる座標位置に配置されている請求項１に記載の手術マニピュレータシステムにおけるマニピュレータのキャリブレーション方法。
【請求項３】
前記マーカが、３以上備えられている請求項１または請求項２に記載の手術マニピュレータシステムにおけるマニピュレータのキャリブレーション方法。
【請求項４】
前記いずれかのマニピュレータが、前記術部を観察するためのカメラを固定した観察用マニピュレータであり、
前記カメラの座標系が前記制御装置の座標系に一致し、
前記マーカがカメラに対して固定されている請求項１から請求項３のいずれかに記載の手術マニピュレータシステムにおけるマニピュレータのキャリブレーション方法。
【請求項５】
複数のリンクを備える前記マニピュレータの先端位置を前記各マーカに一致させる際に、前記マニピュレータの最先端のリンクの軸方向を前記各マーカに備えられた基準方向に一致させ、
そのときの前記マニピュレータの座標系におけるリンクの角度と、制御装置の座標系における前記マーカの基準方向の角度との差により、マニピュレータの座標系の方向を制御装置に認識させる請求項１から請求項４のいずれかに記載の手術マニピュレータシステムにおけるマニピュレータのキャリブレーション方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、手術マニピュレータシステムにおけるマニピュレータのキャリブレーション方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、操作部の入力に従って動作するマスタースレーブ方式の複数のマニピュレータを備える手術マニピュレータシステムが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
この手術マニピュレータシステムにおいては、術部を観察するためのカメラにより観察される画像の方向とマニピュレータの動作方向とを一致させるために、各マニピュレータに取り付けたマーカを外部に配置された光学式３次元測定装置により検出して各マニピュレータの座標系を特定することとしている。
【０００３】
【特許文献１】特許第３７６６８０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の手術マニピュレータシステムにおいては、各マニピュレータに取り付けたマーカを検出するための光学式３次元測定装置を必要とするため、以下の不都合がある。
第１に、全てのマニピュレータを光学式３次元測定装置の検出可能範囲内に配置する必要があり、光学式３次元測定装置として検出可能範囲の大きなものを採用する必要がある。
第２に、光学式３次元測定装置とマニピュレータのマーカとの間の光路を遮る障害物を取り除く必要があるが、手術室内の設備や機器、医師や看護士等のスタッフが多く存在するため、困難な場合が多い。
第３に、光学式３次元測定装置自体が高価である。
【０００５】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、高価な光学式３次元測定装置を使用することなく、簡易に、かつ、安価に、複数のマニピュレータの座標系を制御装置に認識させることができる手術マニピュレータシステムにおけるマニピュレータのキャリブレーション方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明は、以下の手段を提供する。
本発明は、患者に対して任意の位置に設置され術部に対して処置を行う１以上のマニピュレータと、該マニピュレータを制御する制御装置とを備える手術マニピュレータシステムにおけるマニピュレータのキャリブレーション方法であって、前記マニピュレータの動作範囲内に既知の異なる座標を有する複数のマーカを配置し、各マーカに前記マニピュレータの先端位置を一致させたときに、前記マニピュレータの基準点から前記先端位置までの距離を半径として描かれる複数の円の交差する座標位置を算出し、算出された座標位置をマニピュレータの基準点の座標位置として制御装置に認識させる手術マニピュレータシステムにおけるマニピュレータのキャリブレーション方法を提供する。
【０００７】
本発明によれば、患者に対して任意の位置にマニピュレータを配置し、該マニピュレータを動作させて、既知の異なる座標を有する複数のマーカにその先端位置を一致させると、そのマーカの座標位置を中心としてマニピュレータの基準点が存在する可能性のある円を描くことができる。複数のマーカに対してそれぞれ同一の操作を行って複数の円を描き、それらの円の交差する座標位置を算出することにより、マニピュレータの基準点の座標位置を特定することができる。そして、特定された座標位置を制御装置に認識させることにより、制御装置によって所望の方向にマニピュレータを作動させることができる。これにより、任意の位置に配置された１以上のマニピュレータを、高価な光学式３次元測定装置を使用することなく、簡易に、かつ、安価に所望の方向に操作することができる。
【０００８】
上記発明においては、前記マーカが、前記制御装置の座標系の３つの座標軸により規定される３次元方向に異なる座標位置に配置されていてもよい。
このようにすることで、マニピュレータの基準点の３次元の座標位置を特定して制御装置に認識させることができ、制御装置によって所望の３次元方向にマニピュレータを操作することができる。
【０００９】
また、上記発明においては、前記マーカが、３以上備えられていてもよい。
このようにすることで、マニピュレータの基準点の単一の座標位置を特定することができる。
【００１０】
また、上記発明においては、前記いずれかのマニピュレータが、前記術部を観察するためのカメラを固定した観察用マニピュレータであり、前記カメラの座標系が前記制御装置の座標系に一致し、前記マーカがカメラに対して固定されていてもよい。
このようにすることで、観察用マニピュレータに固定されたカメラによって撮影している術部の観察座標系に合わせて、マニピュレータを作動させることができる。
【００１１】
また、上記発明においては、複数のリンクを備える前記マニピュレータの先端位置を前記各マーカに一致させる際に、前記マニピュレータの最先端のリンクの軸方向を前記各マーカに備えられた基準方向に一致させ、そのときの前記マニピュレータの座標系におけるリンクの角度と、制御装置の座標系における前記マーカの基準方向の角度との差により、マニピュレータの座標系の方向を制御装置に認識させることとしてもよい。
このようにすることで、１以上のマニピュレータの基準点を原点として設定されている座標系の方向が異なっていても、制御装置の座標系にマニピュレータの座標系の方向を一致させて、制御装置により所望の方向にマニピュレータを作動させることができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、高価な光学式３次元測定装置を使用することなく、簡易に、かつ、安価に、複数のマニピュレータの座標系を制御装置に認識させることができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の一実施形態に係る手術マニピュレータシステムにおけるマニピュレータのキャリブレーション方法について、図１〜図１４を参照して以下に説明する。
本実施形態に係るキャリブレーション方法は、図１および図２に示されるような手術マニピュレータシステム１に適用される。
【００１４】
この手術マニピュレータシステム１は、図１および図２に示されるように、患者Ａを寝かせるベッド２の周囲にキャスタＢにより移動可能に配置される複数（図に示す例では３つ）のマニピュレータ３，４と、該マニピュレータ３，４に接続される制御装置５と、該制御装置５に対しマニピュレータ３，４の操作信号を入力する操作部６とを備えている。
【００１５】
マニピュレータ３，４は、図３および図４に示されるように、先端位置を任意の方向に向けることができる多関節型（例えば、６軸多関節型等）のものであり、複数の関節３ａ，４ａにより連結された複数のリンク３ｂ，４ｂを備えている。各関節３ａ，４ａには、図２に示されるように、駆動部（モータおよび減速機）３ｃ，４ｃと、リンク３ｂ，４ｂの回転角度を検出するセンサ３ｄ，４ｄとが備えられている。図２に示す例では、複数の関節３ａ，４ａ毎に設けられた駆動部３ｃ，４ｃおよびセンサ３ｄ，４ｄをまとめて示している。
【００１６】
３つのマニピュレータ３，４の内、１つのマニピュレータ３は、図３に示されるように、最先端のリンクとしてカメラ７を備えた観察用マニピュレータ（以下、観察用マニピュレータ３とも言う。）である。観察用マニピュレータ３を作動させると、カメラ７の先端を任意の３次元方向に向けることが可能となり、患者Ａの術部の撮影範囲を任意に変更することができるようになっている。
【００１７】
他の２つのマニピュレータ４は、図４に示されるように、最先端のリンクとして鉗子等の処置具８を備えた操作用マニピュレータ（以下、操作用マニピュレータ４とも言う。）である。操作用マニピュレータ４を作動させると、処置具８を任意の３次元姿勢に配置することが可能となり、患者Ａの術部に所望の方向からアクセスして処置することができるようになっている。
【００１８】
操作部６には、術者Ｘが操作するジョイスティック等の入力手段６ａと、カメラ７により取得された画像を表示する表示手段６ｂとが備えられている。入力手段６ａは、マニピュレータ３，４毎に、あるいは、スイッチ（図示略）により切り替えることによって、全てのマニピュレータ３，４に対応できるように設けられている。
【００１９】
制御装置５には、入力手段６ａからの入力に応じた各関節３ａ，４ａの回転角度を演算する演算手段５ａと、該演算手段５ａにより演算された回転角度に基づいて、駆動部３ｃ，４ｃに対する指令信号を算出して出力する駆動手段５ｂと、カメラ７により取得された画像データを処理して表示手段６ｂに表示するための画像情報を生成する画像処理部５ｃとを備えている。
【００２０】
術者Ｘは表示手段６ｂに表示されたカメラ７により取得された画像を見ながら入力手段６ａを操作するので、観察用マニピュレータ３の操作に際しては、入力手段６ａによる操作結果を画像によって直接確認できる。したがって、制御装置５の座標系に対して、観察用マニピュレータ３の座標系を直接的に対応づけることができる。
【００２１】
一方、操作用マニピュレータ４の操作に際しては、術者Ｘは、表示手段６ｂに表示された画像に操作用マニピュレータ４の処置具８が表示されている場合には、画像を見ながら入力手段６ａを操作することにより、入力手段６ａによる操作結果を画像によって直接確認できる。しかしながら、操作用マニピュレータ４は、キャスタＢによって任意の位置に設置することができるものであるため、キャリブレーションを行わない場合には、その座標系は観察用マニピュレータ３の座標系とは一致していない。したがって、表示手段に表示された画像に操作用マニピュレータ４の処置具８が表示されていない場合には、適切な操作を行うことができない。
【００２２】
以下に本実施形態に係るキャリブレーション方法について説明する。
本実施形態に係るキャリブレーション方法は、まず、図５（ａ）に示されるマーカセット９を、同図（ｂ）に示されるように、カメラ７の先端に固定する。マーカセット９は、カメラ７を嵌合させる円筒状の嵌合部９ａと、該嵌合部９ａから軸方向に延びる棒状部９ｂと、該棒状部９ｂの先端から分岐する３本の枝部９ｃと、各枝部９ｃの先端に設けられた３つのマーカ９ｄとを備えている。
【００２３】
マーカ９ｄは球体状に形成され、キャリブレーションを行う際の目標とし易くなるように構成されている。
キャリブレーションを行う際には、マーカセット９を取り付けたカメラ７を略水平にして所定の位置に設定する。このようにすることにより、マーカセット９の各マーカ９ｄが、図６および図７に示されるように水平方向および鉛直方向に異なる既知の座標位置にそれぞれ配置されるようになる。この場合に、各マーカ９ｄの座標位置は、観察用マニピュレータ３の各関節３ａの回転角度をセンサ３ｄによって検出することにより観察用マニピュレータ３の基準点Ｐの座標位置からの相対的な座標位置として制御装置５に認識させることができるようになっている。
【００２４】
この状態で、入力手段６ａを操作して、操作用マニピュレータ４を作動させ、図８に示されるように、該操作用マニピュレータ４の最先端の処置具８の先端位置が前記マーカセット９のいずれかのマーカ９ｄの位置に一致するまで移動させる。このとき、マーカ９ｄの位置に処置具８の先端位置が一致したか否かの判断は、目視により行う。
【００２５】
操作用マニピュレータ４に取り付けた処置具８の先端の座標位置は、操作用マニピュレータ４の各関節４ａの回転角度をセンサ４ｄによって検出することにより操作用マニピュレータ４の基準点Ｑの座標位置からの相対的な座標位置として制御装置５に認識させることができるようになっている。すなわち、処置具８の先端位置から当該操作用マニピュレータ４の基準点Ｑの位置までの距離は算出することができる。
【００２６】
しかしながら、操作用マニピュレータ４の基準点Ｑの座標位置は、キャスタＢの移動によって任意に設定できるので、観察用マニピュレータ３の基準点Ｐとの位置関係についてはキャリブレーションを行わなければ不明である。
【００２７】
そこで、上記のように操作用マニピュレータ４の処置具８の先端位置をいずれかのマーカ９ｄに一致させることにより、制御装置５が把握しているマーカ９ｄの位置を基準として、操作用マニピュレータ４の処置具８の先端位置から基準点Ｑの位置までの距離を半径とした円周上のいずれかの位置に操作用マニピュレータ４の基準点Ｑを存在させることができる。さらに、図９に示されるように、他のマーカ９ｄに処置具８の先端位置を順次一致させ、その都度、処置具８の先端位置から基準点Ｑの位置までの距離を半径とした円を描くことにより、描かれた３つの円の交点を操作用マニピュレータ４の基準点Ｑとして特定することができる。
【００２８】
すなわち、制御装置５は、まず、観察用マニピュレータ３の各センサ３ｄからの出力に基づく各関節３ａの角度とリンク３ｂの寸法とに基づいて、観察用マニピュレータ３の基準点Ｐに対する各マーカ９ｄの相対的な座標位置を算出する。次いで、各マーカ９ｄに処置具８の先端位置を一致させたときの操作用マニピュレータ４の各センサ４ｄからの出力に基づく各関節４ａの角度とリンク４ｂおよび処置具８の寸法に基づいて、処置具８の先端位置と操作用マニピュレータ４の基準点Ｑとの距離を決定する。
【００２９】
これにより、図９に示されるように、３つのマーカ９ｄの位置座標を中心とした直径の異なる３つの円を水平面内において描くことができ、その交点の位置座標を操作用マニピュレータ４の基準点Ｑの水平面内における位置座標として特定することができる。３つのマーカ９ｄは水平面内のみならず鉛直方向にも異なる位置に配置されているので、操作用マニピュレータ３の基準点Ｑの位置座標の特定は、図９に示されるように水平方向のみならず、図１０，１１に示される鉛直方向の位置座標の特定にも同様の手法を採用することができる。
【００３０】
また、いずれか１箇所のマーカ９ｄに処置具８の先端位置を一致させる際には、図１２に示されるように、処置具８（操作用マニピュレータ４の最先端のリンク）の長手方向をマーカセット９のマーカ９ｄが設けられている枝部９ｃの長手方向に一致させる。このとき、マーカ９ｄの位置および枝部９ｃの長手方向に処置具８の先端位置および長手方向が一致したか否かの判断は、目視により行う。
【００３１】
処置具８の長手方向をマーカセット９のマーカ９ｄが設けられている枝部９ｃの長手方向に一致させることにより、制御装置５が把握している観察用マニピュレータ３の座標系の方向を基準として、操作用マニピュレータ４の座標系の方向を特定することができる。
【００３２】
例えば、図１２に示されるように、観察用マニピュレータ３の座標系（実線で示す）と、操作用マニピュレータ４の座標系（破線で示す）とが水平面（ＸＹ平面）内において角度θＺだけ回転している場合を例に挙げて説明する。観察用マニピュレータ３の座標系におけるマーカ９ｄの枝部９ｃの長手方向の角度θ０Ｚおよび操作用マニピュレータ４の座標系における処置具８の長手方向の角度θＭＺは既知である。マーカ９ｄの枝部９ｃの長手方向と処置具８の長手方向とを一致させることにより、角度θＺは、
θＺ＝θ０Ｚ−θＭＺ
により算出することができる。
【００３３】
これにより、観察用マニピュレータ３の座標系と操作用マニピュレータ４の座標系との関係を対応づけて制御装置５に認識させることができる。
処置具８の長手方向を枝部９ｃの長手方向と、水平面内のみならず鉛直方向にも一致させることにより、図１３および図１４に示されるように、ＸＹ方向のみならず、ＹＺ方向およびＸＺ方向の座標系の相対角度も同様の手法を採用して算出することができる。
【００３４】
このように、本実施形態に係る手術マニピュレータシステム１におけるマニピュレータ３，４のキャリブレーション方法によれば、光学的３次元位置測定装置を使用することなく、簡易かつ安価に観察用マニピュレータ３と操作用マニピュレータ４の座標系を対応づけることができる。その結果、制御装置５は、表示手段６ｂに表示される画像の座標系に、操作用マニピュレータ４の座標系を一致させるように座標変換を行うことができる。そして、共通の座標系を構築することにより、表示手段６ｂに表示されている画像の座標系に一致する方向に操作用マニピュレータ４を移動させることができ、入力手段６ａにおける操作を簡単にすることができる。
キャリブレーション終了後には、カメラ７からマーカセット９を取り外すことにすればよい。
【００３５】
なお、本実施形態においては、異なる位置に配置される３つのマーカ９ｄを有するマーカセット９を例示したが、マーカ９ｄを２つにしてもよい。この場合、２つの円の交差点は２箇所となるため、一義的に特定できないが、操作用マニピュレータ４の設置位置に制限がある場合等には、このようなマーカセット９によっても基準点Ｑの位置を特定することができる。
【００３６】
また、本実施形態においては、マーカセット９をカメラ７に固定することとしたが、これに代えて、操作用マニピュレータ４の先端のリンク４ｂに固定することにしてもよい。
また、本実施形態においては、２つの操作用マニピュレータ４を有する手術マニピュレータシステム１に適用することとしたが、これに代えて、１つまたは３以上の操作用マニピュレータ４を有する手術マニピュレータシステム１に適用することにしてもよい。
【００３７】
また、本実施形態においては、観察用マニピュレータ３の基準点Ｐおよび座標系に対する操作用マニピュレータ４の相対的な基準点Ｑの位置座標および座標系の方向の特定を同時に行うこととしたが、これに代えて、キャスタＢによる移動が並進移動に限定され、観察用マニピュレータ３の座標系に対して操作用マニピュレータ４の座標系がずれない場合には、基準点Ｑの位置座標の特定のみを行うことができる。その場合には、処置具８の長手方向と枝部９ｃの長手方向とを一致させる必要がなく、さらに簡易にキャリブレーションを行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の一実施形態に係るキャリブレーション方法を適用する手術マニピュレータシステムを示す斜視図である。
【図２】図１の手術マニピュレータシステムを示すブロック図である。
【図３】図１の手術マニピュレータシステムに備えられた観察用マニピュレータを示す斜視図である。
【図４】図１の手術マニピュレータシステムに備えられた操作用マニピュレータを示す斜視図である。
【図５】図１の手術マニピュレータシステムにおける本実施形態に係るキャリブレーション方法に使用するマーカセットの（ａ）斜視図および（ｂ）カメラに取り付けた斜視図をそれぞれ示す図である。
【図６】図５のマーカセットを水平方向から見たマーカの配置を示す正面図である。
【図７】図５のマーカセットを鉛直方向から見たマーカの配置を示す平面図である。
【図８】本実施形態のキャリブレーション方法における操作用マニピュレータの状態を説明する平面図である。
【図９】図８の状態に設定された操作用マニピュレータの基準点の水平方向の座標位置の特定方法を説明する平面図である。
【図１０】図８の操作用マニピュレータの状態を説明する側面図である。
【図１１】図８の状態に設定された操作用マニピュレータの基準点の鉛直方向の座標位置の特定方法を説明する側面図である。
【図１２】図８のキャリブレーション方法における操作用マニピュレータの座標系の観察用マニピュレータの座標系に対する特定方法を説明するＸＹ平面図である。
【図１３】図９の座標系の特定方法を説明するＸＺ平面図である。
【図１４】図９の座標系の特定方法を説明するＹＺ平面図である。
【符号の説明】
【００３９】
Ａ  患者
Ｑ  基準点
１  手術マニピュレータシステム
３  観察用マニピュレータ（マニピュレータ）
４  操作用マニピュレータ（マニピュレータ）
５  制御装置
７  カメラ
８  処置具（リンク）
９ｄ  マーカ
【図１】
2010082189.tif 000003
【図２】
2010082189.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2010082189.tif 000009
【図８】
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【図９】
2010082189.tif 000011
【図１０】
2010082189.tif 000012
【図１１】
2010082189.tif 000013
【図１２】
2010082189.tif 000014
【図１３】
2010082189.tif 000015
【図１４】
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