(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
次の要件からなるマニプュレーター（１０）を有する最小侵襲システムの操作方法、
互いに対して垂直な３軸をもつセンサ基準フレーム（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を有する、６自由度(６−ＤＯＦ)応力／トルクセンサ（３０）が取り付けられたエフェクタ装置（１２）、及び
最小侵襲器具（１４）であって、前記エフェクタ装置（１２）へ取り付けられる第一端部（１６）、最小侵襲器具（１４）の動作を制限する外部支点（２３）を超えて定位される第二端部（２０）、及び前記センサ基準フレーム（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の器具軸（Ｚ）に対して同一線上となる長手方向軸を有する器具シャフト（１８）を有する最小侵襲器具（１４）、
前記方法は、前記センサ基準フレーム（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の原点から外部支点（２３）までの初期基準距離ベクトル（ＤＦｕｌｃｒｕｍ  ０）の決定を含む外部支点（２３）に対する前記器具の位置の決定から構成され、
初期基準距離ベクトル（ＤＦｕｌｃｒｕｍ  ０）の決定は、
前記最小侵襲器具（１４）を、前記センサ基準フレーム（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の前記器具軸（Ｚ）に対して垂直となる両軸（Ｘ，Ｙ）に沿って、両軸（Ｘ，Ｙ）に沿った反作用力が一定閾値以下になるまで移動させる操作と、及び
前記器具軸（Ｚ）に沿った外部支点（２３）の位置を、次の（１）〜（３）のような「てこの原理」（lever principle）に基づく操作、
（１）最小侵襲器具（１４）を十分な接触応力に達するまで旋回させ、
（２）前記接触応力に対応するモーメントベクトルモジュール及び応力ベクトルモジュールを測定し、及び
（３）前記モーメントベクトルモジュールを前記応力ベクトルモジュールで割算して前記器具軸（Ｚ）に沿った外部支点（２３）の位置を算出すること、
によって決定することを特徴とする方法。
【請求項２】
外部支点（２３）の位置が前記器具軸（Ｚ）に沿って「てこの原理」を用いて決定されることを特徴とする請求項１項記載の方法であって、
該「てこの原理」が、
最小侵襲器具（１４）を、十分な第一接触応力に達するまで第一方向へ旋回させ、
前記接触応力に対応する第一モーメントベクトルモジュールと第一応力ベクトルモジュールを測定し、
該第一モーメントベクトルモジュールを該第一応力ベクトルモジュールで割算して前記器具軸（Ｚ）に沿った外部支点（２３）の第一位置を算出し、
前記第一方向の反対方向となる第二方向へ器具（１４）を十分な第二接触応力に達するまで旋回させ、
前記接触応力に対応する第二モーメントベクトルモジュールと第二応力ベクトルモジュールを測定し、
該第二モーメントベクトルモジュールを該第二応力ベクトルモジュールで割算して前記器具軸（Ｚ）に沿った外部支点（２３）の第二位置を算出し、及び
前記算出された第一位置と前記算出された第二位置の平均値を用いて前記初期基準距離ベクトル（ＤＦｕｌｃｒｕｍ  ０）を設定する各過程から構成されることを特徴とする前記方法。
【請求項３】
前記初期基準距離ベクトル（ＤＦｕｌｃｒｕｍ  ０）の決定に基いて、前記器具のすべての動作が前記外部支点（２３）に対して為されることを特徴とする請求項１項または２項記載の方法。
【請求項４】
前記エフェクタ装置に６自由度加速度計が備えられること、及び前記方法に、
前記６自由度加速度計を用いて前記６自由度応力／トルクセンサに対して働く重力負荷及び又は動的負荷を測定する工程と、
前記測定された応力及び前記測定されたトルク中に含まれる前記重力負荷及び又は動的負荷を補正する工程がさらに含まれることを特徴とする請求項１項または２項記載の方法。
【請求項５】
外部支点（２３）に対する前記器具の位置決定が、前記距離ベクトル（ＤＦｕｌｃｒｕｍ） 及びマニピュレーター動作情報を用いる連続更新に基づいて行われることを特徴とする請求項３項記載の方法。
【請求項６】
前記与えられる閾値が約０．３Ｎであり、及び又は前記十分な接触応力が約３Ｎであることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の方法。
【請求項７】
線形カルマンフィルターを前記６ＤＯＦ応力／トルクセンサによって測定された応力及びトルクデータに適用する工程がさらに含まれることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の方法。
【請求項８】
前記センサ基準フレーム（Ｘ，Ｙ，Ｚ）から一定基準フレームへの座標変換を経由して、一定基準フレームに対する外部支点（２３）の位置を算出する工程がさらに含まれることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の方法。
【請求項９】
互いに対して垂直な３軸を有し、かつ最小侵襲器具（１４）を把持するように形状化されるセンサ基準フレーム（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を有する、６自由度（６−ＤＯＦ）応力／トルクセンサが取り付けられたエフェクタ装置（１２）を備えるマニピュレーター（１０）から構成される最小侵襲医療システムであって、
該最小侵襲器具（１４）には、前記エフェクタ装置（１２）で支えられる時に、該エフェクタ装置へ取り付けられる第一端部（１６）、前記最小侵襲器具（１４）の動作を制限する外部支点（２３）を超えて定位される第二端部（２０）、及び前記センサ基準フレーム（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の器具軸（Ｚ）と共軸となる長手方向軸をもつ器具シャフト（１８）が備えられ、
前記システムには、
前記センサ基準フレーム（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の原点から外部支点（２３）までの初期基準距離ベクトル（ＤＦｕｌｃｒｕｍ  ０）を決定することを含め、前記最小侵襲器具（１４）の外部支点に対する位置を決定するようにプログラムされるプログラム可能な計算装置が含まれ、
初期基準距離ベクトル（ＤＦｕｌｃｒｕｍ  ０）の決定が、
前記最小侵襲器具（１４）を、前記器具軸（Ｚ）に対してそれぞれ垂直となる前記センサ基準フレーム（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の両軸（Ｘ，Ｙ）に沿って、両軸（Ｘ，Ｙ）に沿った反作用力が一定閾値以下となるまで移動させる操作と、
次の（１）〜（３）のようなてこの原理を用いて、
（１）最小侵襲器具（１４）を十分な接触応力に達するまで旋回させ、
（２）前記接触応力に対応するモーメントベクトルモジュールと応力ベクトルモジュールを測定すること、及び
（３）前記モーメントベクトルモジュールを前記応力ベクトルモジュールで割算することによって前記器具軸（Ｚ）に沿った外部支点（２３）の位置を算出することによって、前記器具軸に沿った外部支点（２３）の位置を決定すること、
から構成されることを特徴とするシステム。
【請求項１０】
てこの原理を用いて前記器具軸（Ｚ）に沿った外部支点（２３）の位置を決定する工程が、
最小侵襲器具（１４）を第一方向へ十分な接触応力に達するまで旋回させ、
前記接触応力に対応する第一モーメントベクトルモジュールと第一応力ベクトルモジュールを測定し、
前記第一モーメントベクトルモジュールを前記第一応力ベクトルモジュールで割算することによって前記器具軸（Ｚ）に沿った外部支点（２３）の第一位置を算出し、
最小侵襲器具（１４）を前記第一方向と反対方向となる第二方向へ十分な接触応力に達するまで旋回させ、
前記接触応力に対応する第二モーメントベクトルモジュールと第二応力ベクトルモジュールを測定し、
前記第二モーメントベクトルモジュールを前記第二応力ベクトルモジュールで割算することによって前記器具軸（Ｚ）に沿った外部支点（２３）の第二位置を算出し、及び
前記算出された第一位置と前記算出された第二位置の平均値を用いて前記初期基準距離ベクトル（ＤＦｕｌｃｒｕｍ  ０）を設定する各操作から構成されることを特徴とする請求項９項記載のシステム。
【請求項１１】
前記プログラム可能な計算装置が、前記初期基準距離ベクトル（ＤＦｕｌｃｒｕｍ  ０）の決定に際して、前記外部支点（２３）に対して前記最小侵襲器具があらゆる動作を行えるようにさらにプログラムされることを特徴とする請求項９項または１０項記載のシステム。
【請求項１２】
前記エフェクタ装置に６−ＤＯＦ加速度計が備えられ、及び前記プログラム可能な計算装置が、前記６−ＤＯＦ加速度計を用いて行われる前記６−ＤＯＦ応力／トルクセンサに対して課される重力負荷及び又は動的負荷の測定を処理し、及び前記測定された応力及び前記測定されたトルク中の重力負荷及び又は動的負荷を補正するようにさらにプログラムされることを特徴とする請求項９項、１０項または１１項記載のシステム。
【請求項１３】
前記プログラム可能な計算装置がさらに、前記最小侵襲器具の支点（２３）に対する位置の決定が前記距離ベクトル（ＤＦｕｌｃｒｕｍ）及びマニピュレーター動作情報を用いての連続更新に基づいて行われるようにプログラムされることを特徴とする請求項１０項記載のシステム。
【請求項１４】
前記プログラム可能な計算装置がさらに、前記センサ基準フレーム（Ｘ，Ｙ，Ｚ）から一定基準フレームまでの座標変換を経由して外部支点（２３）の一定基準フレームに対する位置が算出されるようにプログラムされることを特徴とする請求項１１〜１３のいずれかに記載のシステム。
【請求項１５】
プログラム可能な計算装置及び、互いに対して垂直な３軸をもつセンサ基準フレーム（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を有し、かつ最小侵襲器具（１４）を把持するように形状化される６自由度（６−ＤＯＦ）応力／トルクセンサ（３０）が取り付けられる、エフェクタ装置（１２）を有するマニピュレーター（１０）から構成される最小侵襲医療システムに用いられるソフトウェアプログラムであって、
前記最小侵襲器具（１４）には、前記エフェクタ装置（１２）によって把持される時に、前記エフェクタ装置へ取り付けられる第一端部（１６）、前記器具の動作を制限する外部支点（２３）を超えて定位される第二端部（２０）、及び前記センサ基準フレーム（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の器具軸と同一線上にある長手方向軸をもつ器具シャフト（１８）が備えられ、
前記ソフトウェアプログラムには、前記プログラム可能計算装置を作動させた時に、前記センサ基準フレーム（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の原点から外部支点への初期基準距離ベクトル（ＤＦｕｌｃｒｕｍ  ０）を決定することを含め、前記器具の外部支点（２３）に対する位置を決定する方法を前記システムに遂行させるプログラムコードが含まれ、
該初期基準距離ベクトル（ＤＦｕｌｃｒｕｍ  ０）の決定は、
それぞれ前記器具軸（Ｚ）に対して垂直となる前記センサ基準フレーム（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の両軸（Ｘ，Ｙ）に沿って、両軸（Ｘ，Ｙ）に沿った反作用力が一定閾値以下となるまで前記最小侵襲器具（１４）を動作させ、及び
次の（１）〜（３）のようなてこの原理を用いて、
（１）最小侵襲器具（１４）を十分な接触応力に達するまで旋回させ、
（２）前記接触応力に対応するモーメントベクトルモジュール及び応力ベクトルモジュールを測定し、及び
（３）前記モーメントベクトルモジュールを前記応力ベクトルモジュールで割算することによって前記器具軸（Ｚ）に沿った外部支点（２３）の位置を算出することによって、前記器具軸（Ｚ）に沿った外部支点（１４）の位置を決定すること、
によって為されることを特徴とするソフトウェアプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、広義には手術及び診断処置を含めた最小侵襲医療処置に関する。本発明は、より詳細には、特に最小侵襲器具の先端によって加えられる応力、さらには患者の身体中へ挿入される器具のアクセスポートレベルにおける応力の測定が可能な応力推定方法及びシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
診断あるいは手術操作中に無関係な組織の損傷量を減少させるために最小侵襲方式による介入（外科的侵襲）が有益なことは周知である。この方式によれば、患者の回復期間短縮、苦痛減少、有害副作用の減少、及び入院費低減が齎される。今日、外科、泌尿器科、婦人科、心臓病科など広範な専門分野において、腹腔鏡技術等の最小侵襲技術によって介入を行うケースが増加している。
【０００３】
手動による最小侵襲技術全般において、特に腹腔鏡の場合、手術を行う外科医には厳格な要求が課せられる。外科医は、楽ではない疲れ易い態勢で、視界が制限され、機敏性や触覚等の知覚が低下した状態で手術を実施する。このような問題に加え、外科医は１日に数回の介入を連続して行わなければならず、しかもそれぞれの介入には例えば３０分から数時間の時間を要している。本来的な困難性にも拘わらず、最小侵襲処置は平均年齢の高齢化と医療分野でのコスト面からの圧力によって今後数年中にさらに増加する傾向にあることが予測されている。
【０００４】
例えば腹腔鏡の場合、外科医にはその動作が開腹手術の場合と同様に正確であることが当然要求される。器具アクセスポート（トロカールとも呼ばれる）の支柱（旋回点）を中心に４段階の自由度で減じられる動作機敏性を備えた長軸器具を操作することは外科医の仕事を軽減することにはなっていない。必要とされる姿勢が厄介であり、また器具と組織間の相互作用応力の知覚に既に限界があるのにさらに減じられることによって複雑な問題が生ずる。その結果として、特に震え、正確性の喪失、触覚による感覚の喪失が起こり、外科医の活動能力は通常２０〜３０分後には衰えて、患者にとって危険な状態となる。それゆえ、最小侵襲ロボット手術（ＭＩＲＳ）のような新しいコンピュータ及び又はロボット補助技術が出現してきている。このような技術は介入の効率、質及び安全性を向上させることを目的としているものである。
【０００５】
上述した観点から、過去１０年間においてＭＩＲＳは大きく発展してきている。２つの代表的な市販ロボットシステムとして、Intuitive Surgical Inc., Sunnyvale, Californiaによって開発された登録商標「ＤＡ ＶＩＮＣＩ」で知られるシステムと、Computer Motion Inc., Goleta, Californiaによって当初開発された登録商標「ＺＥＵＳ」で知られるシステムがある。名称「ＤＡ ＶＩＮＣＩ」で知られるシステムに関しては、特にＵＳ６，６５９，９３９、ＵＳ６，８３７，８８３及び同一譲受人による他の特許書類においてMoll et al.によって説明されている。名称「ＺＥＵＳ」で知られるシステムに関しては、ＵＳ６，１０２，８５０、ＵＳ５，８５５，５８３、ＵＳ５，７６２，４５８、ＵＳ５，５１５，４７８、及びComputer Motion Inc., Goleta, Californiaへ譲渡された他の特許書類においてWang et al.によって説明されている。
【０００６】
これらのデレビロボットシステムによれば、通常２次元または３次元視覚フィードバックだけを用いて手術シアターあるいは遠隔地から直接手術介入を制御することが可能である。また、いずれの場合においても、外科医が疲れ易い姿勢をとる必要性は取り除かれる。さらに、これらのシステムによれば、外科医に例えば開腹手術のような開放的条件を感じさせ、また上述した苦しい姿勢を取り除くことができる。
【０００７】
最新の有効なテレビＭＩＳシステムでは、一般的に外科医がロボットに指令を出すために用いるコンソールに対して真の触覚による応力フィードバック（以下においては応力フィードバックと記載する）は与えられない。そのため、外科医は器官及び組織に対して加えられる応力について真の触覚による感覚が得られない。このようなシステムによる場合、外科医は器具と患者内環境との相互作用を特定しようとするために、視覚によるフィードバックと自身の経験に頼らざるを得ない。これに関連して、手動によるＭＩＳ処置を専門とする外科医ができることを再現することが可能なコンピュータ補助型の無センサ型応力フィードバックシステムについて研究が為されている。このような試みの一例は、Kennedy, C.及びDesai, J.P.による「視覚による応力フィードバック」、International Conference on Advanced Robotics, Colmbra, Portugal, 2003に見ることが出来る。しかしながら、このようなシステムは未だ商業的に利用できる状況には至っていない。
【０００８】
正確な応力フィードバックは、手術の安全を確保し、また最小侵襲システムをもつ装置を用いて実施される処置の質を向上させるために重要であることが理解されよう。従って、応力フィードバックは遠隔操作による介入にとって最も重要であると考えられる。
【０００９】
器具先端部において応力感知を行うことにより、例えば診断処置において、また例えば動脈などの重要部分を確認する際に極めて望ましい器官及び組織の触診を行うことが可能である。また、応力感知により、介入のタイプ及び具体的段階に従って、縫合部に対する引き伸ばし張力の制限や組織へ加えられる応力の制限などにおける精度を高めることも可能である。実用場面において、動作目盛りを大きくし、マニピュレーター動作を停止させ、あるいはマスター装置における応力フィードバックを増加させることにより、接触応力を一定閾値以下に保持することが可能である。さらに、応力感知を行うことにより、内視鏡の視覚外である場合や、例えば外科医アシスタントが手術対象部分から離れて器官を支えている場合であっても、器具を用いて直覚的に作業を行うことが可能となる。
【００１０】
アクセスポートレベルでは、応力感知はアクセスポートとなる切開部において器具によって加えられる応力をモニターし、次いで該応力を減ずる点で有益であると考えられる。このような応力は、腹圧の消失、トロカールの離脱、及びそれらの事態を回復させるために介入時間の増加を引き起こす可能性のある切開部せん断の主要な原因となるものである。これらの不利益な応力は、主としてシステムによって決定され、また腹腔内圧の変化によって変えられる器具支点（旋回点）の患者切開部に対する不正確な位置取りだけでなく、その位置の不正確さによるマニピュレーター（ロボット）の動作ズレにも基因して生ずるものである。手動による介入の場合、このようなせん断応力は、切開部中の最適な旋回点に対して手動作を直覚的に調整する人間の能力にてそれほど著しいものではない。
【００１１】
トロカールが離脱する問題を解消するために、例えば前記DA VINCIシステムでは、器具挿入／引抜スライド末端部においてマニピュレーターリストへ取り付けられたトロカールが用いられる。しかしながら、この方法によっても切開部せん断のリスクは減じられず、また腹圧消失の改善も為されない。
【００１２】
トロカールレベルにおける後者の問題点を解消するため、患者の腹部に接する平面上へロボットマニピュレーターの支点を自動的に調節することができる応力フィードバック適応型コントローラが開発されている。このコントローラについては、Proceedings of the 2002 IEEE Intern. Conference on Robotics and Automation; Washington D.C., May 2002におけるKrupa, A. Morel, G.De Mathellinによる論文「適応型応力調整を介した高精度腹腔鏡操作の達成」に記載されている。このアプローチにおいて、応力コントローラと結合されたロボットの先端エフェクタ上のセンサを用いてトロカールに対して加えられる横方向応力が直接調節され、これによって支点が腹壁と共にゼロ方向へ限定される。この方法及びシステムを用いてこのトロカールを通して挿入された器具の先端における応力を測定することはできない。その代わり、器具先端における相互応力は無視できる程度のものと仮定される。従って、この方法は、患者と他に接触点をもたない内視鏡マニピュレーターを用いる場合にのみ満足される状態で使用可能である。
【００１３】
B.Kuebler, U. Seibold, G. Hirzingerによる論文「最小侵襲ロボット手術のための動力式センサ一体型ピンセットの開発」、Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft fur Computer- und Roboterassistierte Chirurgie (CURAC), October 2004には別のアプローチが記載されている。この論文には最小侵襲器具の先端に取り付けられる小型の６ＤＯＦ応力／トルクセンサについて記載がある。このセンサによれば、器具先端によって加えられる応力と対応する応力フィードバックを正確に感知することが可能である。しかしながら、この発明にはいくつかの欠点がある。すなわち、製造コスト及び設置コストが高いこと、オートクレーブ殺菌に対して耐久性がないこと、動力式器具と連結した場合にＥＭＩシールディングの問題があることである。このようなアプローチでは、各器具ごとに専用センサを備えなければならないことが理解されよう。また、Berkelman, P. J., Whitcomb, L. L., Taylor, R. H. 及びJensen, P.による論文「ロボット補助操作中の応力フィードバック増大のための小型微小手術器具先端応力センサ」、IEEE Transactiona on Robotics and Automation, October 2003には、類似のアプローチに関する記載がある。
【００１４】
各器具の先端にセンサを必要としない別の取り組みもZemiti N., Ortmaier T. et Morel Gによる論文「最小侵襲手術において応力コントロールを行う新型ロボット」、IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, Japan, 2004に記載されている。この論文では、ロボットと、トロカール上へ取り付けられたセンサを用いてデジタルで器官・器具相互作用を測定することができる応力センサ配置について説明されている。この取り組みでは、センサが器具自体上へ取り付けられていないため小型化及び滅菌に関しては良いものの、この方法では滅菌に耐え得るセンサ装置を備えた修正型トロカールが猶必要とされる。特許出願ＷＯ２００５／０３９８３５に開示されたＭＩＳ用に設計された別の取り組みでは、SensAble Technologies, Woburn, Massachusettsによって開発されたPHANTOM（登録商標）触覚装置を２台備えたマスター／スレーブ設計が用いられている。このシステムにはスレーブサブシステム中へ一体化された第一PHANTOM装置が含まれ、この第一PHANTOM装置はグラスパ、解剖器具、ハサミ等の最小侵襲器具の既製器具先端部を第一PHANTOM装置へ保持し及び取り付けるように形状化されているエフェクタサブアセンブリと組み合わされて器具用マニピュレーターとして用いられる。操作に際して、最小侵襲器具は、エフェクタサブアセンブリーへ取り付けられた第一端部と、器具の動作を制限する外部支点を越えて配置される第二端部を有する。器具先端部末端において応力ベクトル（ｆｘ，ｆｙ，ｆｚ）及びモーメント（τｚ）を測定するためにカスタムメードによる配列の種々歪みゲージが与えられる。さらに、システムには、スレーブサブシステムの第一ＰＨＡＮＴＯＭ装置及びマスターシステムの第二ＰＨＡＮＴＯＭ装置を制御し、及びこれらの要求を満たすアプリケーションプログラムを有する１または２以上のパソナルコンピュータが含まれる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明は、トロカール及び又は器具先端へセンサを取り付ける必要性を排除して、コスト効率性が高く、かつ効率的な方法で器具先端へ加えられる応力を推定することが可能な応力推定方法及び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】
【００１６】
上記目的を達成するため、本発明では、応力推定方法、及びこの方法の実施に適合する最小進入医療システム、特に腹腔鏡手術システムが提供される。このシステムには６自由度（６−ＤＯＦまたは６−軸）型応力／トルクセンサが装備されたエフェクタ装置をもつマニピュレーター、例えばロボットマニピュレータが含まれる。このエフェクタ装置は、そこへ取り付けられる最小侵襲器具を保持できるように構造化されている。通常の使用において、器具の第一端部はエフェクタ装置へ取り付けられ、器具の第二端部は器具の動作を制限する外部支点（旋回点動作止め）を越えた位置に置かれる。一般的には、支点は患者身体の切開部に据え付けられるアクセスポート（例えばトロカール）内、例えば腹壁中に配置される。本発明に従った方法は、
器具の支点に対する位置を決定する（ここでは特に、器具の挿入深度あるいはセンサ（の基準フレーム）と支点との間の間隔を連続的に更新することを意味している）工程、
６ＤＯＦ応力／トルクセンサを用いて、器具の第一端部によってエフェクタ装置へ加えられる応力及びトルクを測定する工程、及び
重ね合わせの原理を用いて、決定された位置、測定された応力及び測定されたトルクに基づいて器具の第二端部へ加えられる応力の推定値を算出する工程から構成される。
【００１７】
前記システムには、標準的コンピュータ、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、あるいはフィールドプログマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）等の器具の位置を決定し、６ＤＯＦ応力／トルクセンサによって得られた測定値を処理し、及び上述したように応力推定値を算出するようにプログラム化されたプログラム化可能な計算装置が含まれる。
【００１８】
上記方法及び装置によれば、トロカール等のアクセスポートを通して患者の身体中へ侵入的に挿入される器具第二端部、すなわち器具先端部によって患者の組織あるいは器官に加えられる応力の推定（ここでは特に小さな不正確性によって影響される可能性のある数値の決定を意味する）が可能となる。実際には、後者の応力は本発明方法（反作用）によって推定される対立応力の作用と同等である。理解されるように、この方法により、６ＤＯＦ応力／トルクセンサを含み、マニピュレーター上、すなわち患者の身体外に取り付けられるセンサ装置１個しか必要としないシステム設計を行うことが可能となる。便宜上、前記センサ装置は、エフェクタ装置上の器具用接続インタフェースとエフェクト装置を支持するマニピュレーターの末端リンク／部材との間にある応力伝達装置中に取り付けられる。別な言い方をすれば、６ＤＯＦ応力／トルクセンサは器具の第一端部（取り付けられた末端部）によってエフェクタ装置へ加えられる応力及びトルクを感知するために配置される。
【００１９】
それゆえ、器具先端部に加わる応力を正確に測定するためには応力測定感覚装置は器具先端部及び又はトロカールのレベルに備えなければならないという確立された一般的見解が本発明によって覆される。これにより、すべての器具の先端部やトロカールへ高価な専用センサ装置を備える必要性が排除され、小型化及び滅菌に関する制約も取り除かれる。本発明方法及びシステムを用いることにより、後者の制約は解消され、同時に器具先端部における驚くほど正確な接触応力の推定が達成可能となる。
【００２０】
上記示された方法及びシステムを手動操作型マニピュレーター（器具位置決めスタンド）、あるいはより一般的にはロボットマニピュレーターと接続して使用可能なことが理解されよう。上記方法及び装置により、特に応力フィードバック実施の容易化と、最小侵襲ロボット手術及び診断システム等の遠隔装置医療システムの安全自動化が可能となる。例えば、外科医用手術台の応力反映型（触覚型）マスターアームにおける触覚感知や、器具先端部によって患者の器官及び組織に対して加えられる最大応力を制限する自動化処置を本発明方法及びシステムによって得られた情報を用いて実施することが可能である。
【００２１】
好ましい実施態様によれば、本発明方法には支点に対する器具の初期基準位置を決定する操作が含まれる。この実施態様では、支点に対する器具の位置決め操作は、決定された初期基準位置及びマニピュレーター動作情報を用いた継続的更新に基づいて行われる。この方法は、ロボットマニピュレーターの直接動作によって座標情報等の情報を効率的に得る点において有利である。
【００２２】
好ましくは、本発明方法にはさらに、重ね合わせの原理を用いて、支点において器具によって例えばトロカールに対して加えられる応力の推定値を決定された位置、測定された応力、及び測定されたトルクに基づいて算出する工程が含まれる。切開面において患者組織に対して加わる応力、その中でも支点において加わる応力が（対応徴候を伴った）反作用力であることを知ることにより、特に支点座標の自動調節、例えば切開面において患者組織に対して加わるストレス及び負荷を減ずるためにロボットコントローラによって行われる自動調節を実施することが可能となる。さらに、アクセスポート面において加わる最大応力を制限するための自動操作を行うことも可能である。
【００２３】
好ましくは、エフェクタ装置にはさらに、６−ＤＯＦ加速度計が備えられる。このような場合、本発明方法には好ましくはさらに、
６−ＤＯＦ加速度計を用いて６−ＤＯＦ応力／トルクセンサに対して加わる重力負荷及び動的負荷を測定する操作、及び
測定応力及び測定トルクにおいて前記重力負荷及び動的負荷を補正する操作が含められる。
このような補正を行うことにより、器具先端部及び又は支点面において所望される応力推定値の精度を高めることが可能となる。
【００２４】
本発明方法のさらに有利な態様においては、下記の追加工程、すなわち、
エフェクタ装置をマニピュレーターの作動空間、特に方向作動空間に亘って分布される一連のポーズ（ｐｏｓｅ）を経て通過させる工程、
各ポーズについて、測定された応力及び測定されたトルクを記録する工程、及び
記録された応力及びトルク測定値に基づいて応力及びトルク測定値の片寄りを判定する工程を含む較正操作がさらに含まれる。
さらに好ましい実施態様において、６−ＤＯＦ加速度計が与えられる場合、前記較正操作にはさらに、
各ポーズについて、測定された線形加速度及び測定された角加速度を記録する操作、及び
記録された線形及び角加速度測定値に基づいて線形及び角加速度の片寄りを判定する操作が含まれる。
かかる較正操作を行うことにより、センサによって与えられる測定信号中の片寄り、及び所望される応力推定値の精度をさらに高めることを可能とするさらに有益なシステムパラメータを決定することが可能となる。
【００２５】
本発明方法においては、測定信号ノイズを減ずるため、推定される応力値を算出し、あるいは線形カルマンフィルターを算出された応力推定値へ適用する前に、すなわち応力推定値が算出された後に、（例えば非線形拡張カルマン式に対立する原理に従った）線形カルマンフィルターを６−ＤＯＦ応力／トルクセンサによって測定された応力及びトルクへ適用することが有利である。多くの入手可能なフィルター種の中でも、測定成分中の信号ノイズを取り除くためには基本線形カルマンフィルターが簡略かつ信頼性があり、さらに迅速であることが認められた。
【００２６】
加速度計が与えられている場合、本発明方法へ好ましくは、
６−ＤＯＦ応力／トルクセンサによって測定された応力データ及びトルクデータ及び、６−ＤＯＦ加速度計によって測定された線形加速度データ及び角加速度データへ第一線形カルマンフィルターを適用する操作、
第一線形カルマンフィルターの適用後に重力負荷及び動的負荷による障害を補正する操作、及び
補正された応力データ及びトルクデータへ第二線形カルマンフィルターを適用する操作を含めることも可能である。
応力／トルク成分及び加速度成分用のすべてのカルマンフィルターは同様なフィルター由来の反応遅延を生ずる筈である。（加速度信号のノイズが応力／トルク測定のノイズよりもさらに大きいことによって）補正後に応力成分推定値中に過剰なノイズがある場合は、障害の補正後に第二フィルターを適用することが好ましい。第一フィルターによって補正中にノイズによって誘発される歪曲が減じられ、他方第二フィルターによって補正結果の平滑化が可能とされる。
【００２７】
好ましくは、第一カルマンフィルター及び又は第二カルマンフィルターのそれぞれは、カスケードに構成され、またこれらフィルターには、高い数値、好ましくは０．１〜１の範囲内に設定された処理ノイズ共分散パラメータを用いる第一線形カルマンフィルターステージと、低い数値、好ましくは０．００１〜０．１の範囲内に設定された処理ノイズ共分散パラメータを用いる第二線形カルマンフィルターステージが設けられる。一定の測定ノイズ共分散において、カスケード型フィルター構成とすることにより、ノイズを一定量減少させる性能をもつ単一ステージフィルターに比較して全反応遅延をさらに低下させることが可能となる。
【００２８】
本発明システムは無センサ型の最小侵襲器具への使用に適合されたものであることが理解されよう。本システムにさらに、好ましくは磁気式の空気弁をもち、及び特にプラスチックキャップのない無センサ型トロカールが含まれると有利である。さらに、本システムに、ガスタップが無く、重量を軽くするために好ましくは大部分がプラスチックで作製されたトロカールが備えられると有利である。
【００２９】
本システムへ、プログラム可能な計算装置上でソフトウェアプログラムが作動した時に、本発明方法のいずれかの実施態様のすべての工程を実施するためのプログラムコードを含み、またプログラム可能な計算装置に記憶されるソフトウェアプログラムを備えることも可能である。本発明はさらに、機械で読む取れる記憶媒体へ記憶されるプログラムコードをから成るソフトウエアプログラム製品にも関する。このソフトウエアプログラム製品が、プログラム可能な計算装置上で実行されれば、あるいはプログラム可能な計算装置上へロードされれば、プログラム可能な計算装置によって本発明方法の前記実施態様のいずれかのすべての工程が実施される。
【００３０】
本特許出願は、添付された特許請求の範囲に限定された発明に関するものであるが、当業者にとっては、本願の補正クレームのサブジェクトマターとして、あるいは分割出願及び又は継続出願のクレームのサブジェクトマターとして特許請求が可能な他発明の基盤が本願に含まれていることを容易に理解することが可能である。このようなサブジェクトマターは、本願において開示されているいずれかの特徴あるいはそれら特徴の組み合わせによって画定可能である。
本発明のさらなる詳細及び利点は、添付図面を参照する限定を意図しない以下に示した詳細な説明から明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の好ましい実施態様に従った最小侵襲医療システムに用いられるロボットマニピュレーターの透視図である。
【図２】支点応力及び先端応力を説明するために、最小侵襲器具の先端が患者身体中へ挿入され、該先端の対向端部が図１のロボットマニピュレーターのエフェクタ装置へ取り付けられている最小侵襲器具の部分透視図である。
【図３】図２に示されたエフェクタ装置の拡大透視図であって、エフェクタ装置上へ取り付けられた応力／トルクセンサ及び加速度センサの基準座標フレームを説明するための図である。
【図４】カスケード型線形カルマンフィルターの略ブロック図である。
【図５】本発明に従った方法を実施するためのソフトウエア設計の略ブロック図である。
【図６】図５の設計の主要タスク（ＦＳＳタスク）の状態遷移図である。
【図７】図６のAPPLICATION_LOADS_EVALUATION状態中に周期的に実施される一連のプログラムステップのフローチャートである。
【図８】図６のAPPLICATION_LOADS_EVALUATION状態中に周期的に実施される別の一連のプログラムステップのフローチャートである。
【発明を実施するための手段】
【００３２】
システム構成要素及び機械的構成
図１は本発明に従った最小侵襲医療システムの主要な機械的要素を示した図である。本システムにはロボットマニピュレーターが含まれ、このマニピュレーターは全体を通して符号１０で示されている。マニピュレーター１０のフランジにはエフェクタ装置１２が連結されている。図１に示すように、最小侵襲器具１４は、第一端部１６を用いてエフェクタ装置へ取り付けられる。器具１４はその第二端部となる先端部２０をもつ細長いシャフト１８として成っている。その先端部において、器具１４には通常特別なツール、例えばグラスパ、ハサミ、フック、凝固薬等が装着される。ロボットマニピュレーター１０には、エフェクタ装置１２の位置決めと方向決めを行うＰＲＰ−ＲＲＲ連結配列によって６自由度（ＤＯＦ）が与えられている。エフェクタ装置１２は、器具１４の縦シャフト軸と同一空間を占める６番目のＤＯＦにあるマニピュレーター１０を中心として最小侵襲器具１４を回転させる一番先の回転ジョイントへ取り付けられる。理解されるように、ロボットマニピュレーター１０によってエフェクタ装置１２を動かすことにより、外科医の手の動きに対応可能な６軸位置定位・定方向装置が提供されることが理解されよう。
【００３３】
図２には、ロボットマニピュレーター１０のエフェクタ装置１２へ取り付けられた器具１４が、最小侵襲医療処置を行う操作位置にある状態で示されている。図２に破線で示されているように、器具１２のシャフト１８はその一部が患者の身体中、例えば患者の腹内へ挿入されている。この器具は、以後トロカール２２として記載されるアクセスポートを通してスライド可能に侵入する。器具１４の第一端部、すなわち先端部２０は、患者の腹壁の切開部の中へ挿入され、そこへ固定されるトロカール２２によって画定される符号２３の十字状破線で示される支点（旋回点とも称される）を越えて配置される。
【００３４】
通常の使用において、前記支点は３軸（例えば２つの直交旋回方向と１つの器具軸を中心とする回転、すなわち以下において定義するＳＲＦ中のＺ軸）を中心とする回転を可能とするが、（例えばトロカール２２−以下において定義するＳＲＦ中のＺの）侵入軸に沿った方向への器具１４の移行については制約となる。この支点は、アクセスポート、例えばトロカール２２、及び又は例えば患者の複壁のような、切開部が与えられる患者の組織によって画定される。
【００３５】
図２には、２つの応力ＦFulcrum及びＦTipが模式的に示されている。ＦTipは器具先端部２０に対して加えられる応力であり、従って器具先端部２０が患者の体内器官あるいは組織に対して加える（対向）応力（作用）に対応した反作用に相当するものである。他方ＦFulcrumはトロカール２２に対して加わる応力であり、従って器具シャフト１８によって加えられる負荷を受けたトロカール２２が患者の腹壁に対して加える（対向）応力（作用）に対応した反作用に当たるものである。ＦTipとＦFulcrumの双方を決定するための提案方法について以下に述べる。
【００３６】
図面には示されていないが、本システムにはさらに、マニピュレーターコントローラ、すなわち１または２以上のロボットマニピュレーター１０を操作するためのソフトウエアがプログラム化されたメインコンピュータがハードウエアとして含まれる。さらに、オペレータ、例えば外科医によって応力反映マスターアーム、すなわち応力フィードバック用の触覚インタフェースを用いた遠隔操作指令コンソールが操作され、マニピュレーターコントローラを介してロボットマニピュレーター１０へ命令が送られる。理解されるように、ＦTipの推定値は応力フィードバックを行う触覚インタフェースと安全機能を果たす動作コントローラへ送られる。安全機能を果たし、さらに支点２３の推定座標を再調節するために用いられるＦFulcrumの推定値はこの動作コントローラによっても利用される。
【００３７】
図３は、器具１４の第一端部１６（図３には図示せず）が機械的固定状態で支持されるように配置され、さらに何らかの種類の器具を作動させるための作動手段と、器具１４をシステムへ電気的に接続させるための信号及び動力接続手段が備えられたエフェクタ装置１２の拡大図である。エフェクタ装置１２は、作動手段及び接続手段と、さらに器具１４（図示せず）の第一端部１６においてアダプタを固定接続することが可能なソケット２６を含む剛性のあるメインボディー２４から成っている。その後端部において、メインボディー２４には接続フランジ２８が設けられ、この接続フランジ２８によってエフェクタ装置は、以下においてＦ／ＴＡＳ３０として記載される１２−ＤＯＦ（すなわち１２軸）応力／トルク及び加速度センサ３０の感知プレートへしっかりと固定される。Ｆ／ＴＡＳ３０は、３直交軸上の応力及びトルクを感知するための６−ＤＯＦ応力／トルクセンサ（以下においてＦ／Ｔセンサと記載する）、及び前記３直交軸を中心とする線形加速度及び角加速度を感知するための内蔵６−ＤＯＦ加速度計を含んだ単一センサ装置として構成可能である。あるいは前記に代えて、６−ＤＯＦ応力／トルクセンサを適切に連携した６−ＤＯＦ加速度計を用いることも可能である。図１から理解されるように、続いてＦ／ＴＡＳ３０はロボットマニピュレーター１０へしっかりと固定される。上述のＦ／ＴＡＳ３０に代えて、６−ＤＯＦ Ｆ／Ｔセンサ（すなわち加速度計の無いもの）だけを備えるセンサ装置を用いることも可能である。この場合、例えば結合位置を用いた直接運動計算によって得られた端部−エフェクタ（例えばエフェクタ装置１２）の位置座標の二次導関数を用いて加速度成分を決定することが可能である。従って、以下において述べるように動的負荷の補正は加速度計なしで実施可能である。重力ベクトルは既知であり、またＦ／Ｔセンサに付属するペイロードの重量の方向及び中心は決定可能であることから、重力の影響は加速度計がなくても補正可能である。
【００３８】
図３にはさらに、３つの直交軸Ｘ、Ｙ及びＺと共にＦ／ＴＡＳ３０のデカルト基準座標フレーム（以下においてＳＲＦ（センサ基準フレーム）と記載される）が示されている。理解されるように、Ｆ／ＴＡＳ３０中のＦ／Ｔセンサの６−ＤＯＦは、Ｘ、Ｙ及びＺ応力成分それぞれに対する３ＤＯＦと、ＳＲＦ中のＸ、Ｙ及びＸ軸それぞれを中心とするモーメント（トルク値）に対する３ＤＯＦに対応している。Ｆ／ＴＡＳ３０を与えるために６−ＤＯＦ Ｆ／Ｔセンサへ別個の６−ＤＯＦ加速度計が取り付けられる場合、加速度計の基準座標フレームは好ましくはＦ／Ｔセンサの基準座標フレームと一致するようにされる。そうでない場合には、以下において述べる計算において、これら２つのデカルトフレーム間へ追加の変換が加えられなければならない。図１〜３に示した実施態様において、１２軸Ｆ／ＴＡＳ３０には内蔵６−ＤＯＦ加速度計が含まれている。この加速度計の６−ＤＯＦは、図３に示したＳＲＦ中のＸ、Ｙ及びＸ軸それぞれに沿った線形加速度成分と、Ｘ、Ｙ及びＸ軸を中心とした角加速度成分に対応している。
【００３９】
理解されるように、エフェクタ装置１２は、Ｆ／ＴＡＳ３０の感知プレートにしっかりと固定され、また好ましくは取り付けられた器具１４（図２参照）の長手（シャフト）軸がＦ／ＴＡＳ３０のＳＲＦの一軸、好ましくは図３に示したＺ軸と同一線形で並ぶように形状化される。さもなければ、上述した計算へ追加の変換を加えなければなない。
【００４０】
主たる障害源及びその分析
本項においては、図１〜３に示したシステムを用いた場合において、器具先端部２０において所望される応力推定値に影響を与える主要障害源について概略的に述べる。
【００４１】
本発明システムにおいては、他の既知の応力感知システム（例えば器具先端部上へ取り付けられるＦ／Ｔセンサ）とは異なり、センサの片寄り、電気的ノイズ、及び温度のずれ等の固有のＦ／Ｔセンサ障害以外に、さらに多数の障害要因及びマスキング要因についても考慮しなければならない。測定された応力及びモーメント情報に関し、主たる要因としては、
・Ｆ／Ｔセンサに対して加えられる静的負荷及び動的負荷、静的負荷は重力（Ｆ／ＴＡＳ３０が取り付けられたマニピュレーターに付属する質量体の重量）に基因するものであり、動的負荷はＦ／Ｔセンサに付属するペイロードの速度及び加速度によるものである、及び
・最小侵襲医療処置に関する障害源：トロカールガスタップ及び空気弁による侵入及び取出し方向へのトロカール摩擦応力、トロカールガスタップによる旋回抵抗、腹部への吹込み圧の変化による支点（旋回点）２３の変化、支点２３の不正確な限定、移動中におけるマニピュレーター１０の不正確性による支点２３の変動が挙げられる。
【００４２】
トロカール摩擦によって生成される障害応力：トロカール２２によって侵入／取出し軸に沿った摩擦が生成される。この摩擦強度は、トロカール２２中で用いられる空気弁の種類（例えば磁気スプリング方式あるいはプラスチック膜型式）、プラスチックキャップの着用、器具軸１８の材料、及び潅注水および粘性腹内液による内部潤滑に依存して異なる。研究室での試験によれば、磁気スプリング方式空気弁によって生ずる摩擦はクーロン摩擦によって０．５Ｎ〜０．９Ｎの範囲内であると推定でき、潤滑条件には左右されない。実用的に見た場合、スプリング方式空気弁による摩擦はその着用状態に僅かに依存し、磁気空気弁による摩擦よりも約０．３Ｎ高い。プラスチック膜空気弁およびプラスチックキャップによってクーロン摩擦が生成される他、器具を逆方法にした時にインパルス状の反作用応力が生成される。この反作用成分は動作方向と逆方向に働き、主としてプラスチックカラー反転によって生ずる。膜摩擦およびキャップ摩擦は膜切断形状及び材料タイプに依存して異なるが、介入時間と共に器具動作を介して増加するトロカール２２の潤滑によって減衰される。標準型トロカールを用いた乾燥実験室での試験では、プラスチックキャップによって生じるクーロン摩擦は１Ｎ〜１．５Ｎの範囲内であり、プラスチック膜空気弁によって生ずるクーロン摩擦は６Ｎ〜１０Ｎの範囲内である。さらに、摩擦の大きさは侵入および取出し方向に対して非対称であることが見出されている。プラスチック膜弁の場合、侵入方向においてより小さな摩擦振幅が観察される。従って、トロカール２２における侵入及び取出し摩擦を可能な限り減じるためには、可能であればプラスチックキャップのない磁気方式空気弁が好ましい。
【００４３】
トロカールガスタップによって生じる障害応力：数種のトロカールにはガス吹き込み用のタップが備えられている。このタップおよび連結ガス管はトロカール２２が旋回するときに障害となる可能性があり、旋回方向と逆方向の障害抵抗応力が生ずる。この応力の大きさは腹壁の硬さによって異なり、実験室での試験によれば一般的に２Ｎ〜５Ｎの範囲内である。それゆえ、ガスタップを備えたトロカールの使用は本発明システムにおいては回避されなければならない。
【００４４】
トロカール重量によって生ずる障害応力：多用途型トロカールは通常３０ｇ〜８０ｇと軽量であり、数箇所がプラスチック製である他はステンレススチール製である。ガスタップを備えるトロカールには円筒形の貯水器があり、重量は重く１００ｇ〜１８０ｇの範囲内である。トロカール重量はＳＲＦ中の縦軸ＸおよびＹ軸に沿った障害応力として把握可能であり、この応力はトロカール２２の重量ベクトルに対する配向に依存する。それゆえ、本発明システムにおいては好ましくはプラスチック部品からなる軽量型トロカールが用いられる。
【００４５】
低腹腔内圧によって生ずる障害応力：名目的な腹腔鏡条件においては、腹壁はトロカール２２が取り付けられる比較的硬い面である。腹腔内圧が低い場合、トロカール摩擦の大きさは腹壁によって与えられる抵抗よりも高くなることがある。この場合、器具の侵入または取り出しによって腹壁張力がトロカール摩擦を超える箇所までトロカール２２を内側または外側へ動かすことが可能である。負の副作用としては、第一に腹壁に対する支点２３の位置が変えられ、それによって旋回中の障害負荷が器具と腹壁との相互作用によって増加すること、及び第二に器具の動きと反対方向に（トロカール摩擦と最大値が等しい）スプリング様負荷が加えられることである。このような障害応力を回避するため、腹腔内圧は好ましくは継続してモニターされ、かつ維持される。前期内圧が低下した場合、マニピュレーターコントローラにおいて支点位置を調整する等の適切な動作を取るように警告が発せられる。
【００４６】
支点位置の決定の不正確性から生ずる障害応力：手動による腹腔鏡手術においては、外科医は当然に、トロカール２２内部における腹壁の最も硬い層とほぼ同じ高さに位置される理想的支点２３（旋回点）である最小傾き抵抗点に対して器具を移動させる。支点２３に関して特別に設計された機械的コンプライアンスなしに器具１４の操作にロボットマニピュレーター１０を使用する場合は、支点位置は適切な手順を踏んで決定され、またマニピュレーターコントローラへ伝えられなければならない。支点位置が不正確に限定されている場合、器具１４の旋回によって腹壁との相互作用応力が発生し、この応力によって器具先端部２０及び又は支点２３における望ましい応力／トルク値がマスクされる可能性がある。このようなマスキング応力は支点位置の不正確性が大きくなるほど増大する。さらに、このような不正確性によって切開部に対するせん断力が生じ、これによりトロカール２２の離脱が起こり、次いで腹圧の消失が引き起こされ、かかる状況の回復に時間を要することから介入時間が不必要に増大される。
【００４７】
支点２３の位置の限定正確性は、その位置を確認するために用いる処置だけではなく、ロボットマニピュレーター１０の静的および動的精度にも左右される。支点及びマニピュレーターの全体精度が推定値±２．５ｍｍであれば、腹壁の切開部の大きさ及び弾性を考慮して許容可能と思われる。実験的設定によれば、支点２３に関して限定が不正確であれば、トロカール２２のレベルにおいて２Ｎ〜１０Ｎの障害を引き起こす可能性がある。
【００４８】
その結果、適切にトロカール２２のタイプを選択することにより、ガスタップ障害を回避し、及び器具シャフト１８の軸に沿った摩擦及び重量障害を人間の手の感覚レベルである０．６Ｎ前後まで減ずることが可能である。初期支点画定時の圧力に対する腹内圧変化をリアルタイムでモニタリングすることにより、吹き込み条件の変化による真の支点位置の変化を検出することが可能となる。しかしながら、支点２３の不正確な画定と、マニピュレーター１０の動作不正確性によるアクセスポートレベル（すなわち支点２３または旋回点）における障害応力を、以下において提案する方法を通してリアルタイムで確認することが可能である。
【００４９】
この提案方法およびシステムによれば、遭遇する障害問題を解消し、正確な応力フィードバックと、マニピュレーター上に取り付けられたセンサ配列だけから、すなわち患者外部だけから得られた応力情報に基づく多数の他の有益な安全関連機能を用いて遠隔操作を行うことが可能である。器具１４上にもトロカール２２上にもそれ以上のセンサは不要である。
【００５０】
器具先端部及び支点レベルにおける応力の計算
本発明の提案方法によれば、器具先端部２０における応力ＦTip及び支点23における応力ＦFulcrumの正確な推定値を得ることが可能である。
【００５１】
本発明方法の主要点は、応力ＦTip及びＦFulcrumそれぞれが加わる箇所から遠隔な箇所に配置されているＦ／ＴＡＳ３０によって測定される応力及びトルク成分を用いて応力ＦTip及びＦFulcrumが算出されることである。この計算では器具１４のトロカール２２に対して決められた位置、例えば支点２３と図３に示したＦ／ＴＡＳ３０のＳＲＦの初期状態との間の間隔がさらに用いられる。この計算は、以下に述べるいくつかの仮定及び前提条件に基づいて行われる。
【００５２】
Ａ）Ｆ／ＴＡＳ３０中の６−ＤＯＦ Ｆ／Ｔセンサにより、図３（ＳＲＦ）に示した右側のデカルトフレーム中のＦ／ＴＡＳ３０に付属する負荷によって生ずる応力３成分（Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ）とモーメント３成分（Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚ）を測定する。
【００５３】
Ｂ）器具１４は、器具動作及び他のサブシステム（すなわち、エフェクタ装置１２）のための１または２以上の作動装置を備えることが可能な支持体を介してＦ／Ｔセンサへ取り付けられる。
【００５４】
Ｃ）記載を容易にするため、６−ＤＯＦ Ｆ／Ｔセンサの有効基準フレーム及びＦ／ＴＡＳ３０の６−ＤＯＦ加速度計は、Ｚ軸が取り付けられた器具１４の縦軸と同一線上にあって器具先端部２０の方へ突き出し、Ｙ軸はメインボディー２４の上面に対して平行であり、及び原点はＦ／ＴＡＳ３０の感知面上に位置している図３に示すＳＲＦと一致するものと仮定する。Ｆ／Ｔセンサによって測定された応力及びトルクを別のフレームに対して表示する場合には、変換を行って測定された応力値及びモーメント値をＳＲＦに対して表示することが可能である。
【００５５】
Ｄ）以下に示す式中に用いられる応力成分及びトルク成分の数値は、フィルタリング処理していない元の６−ＤＯＦ Ｆ／Ｔセンサの測定値を、電気的片寄り、重力及び加速度負荷、及び以下に述べる測定ノイズを減じるための特定フィルタリング処理に関して補正して得られたものである。
【００５６】
Ｅ）図２に示すように、器具１４には、２つの外部接触応力のみ、すなわち腹壁に接していることが仮定される支点２３（ＦＦｕｌｃｒｕｍ）における反作用応応力と、いかなる方向を取ることも、またいかなる感知も可能な器具先端部２０上の接触応力（ＦＴｉｐ）だけが加えられる。
【００５７】
Ｆ）ＳＲＦ中に表示され、ＦＦｕｌｃｒｕｍで示される支点反作用にはＺ成分はなく、また支点２３に対して加えられる外部モーメントもない。
【００５８】
Ｇ）器具先端部２０に加えられる外部応力はＳＲＦ中において表示され、表示されるＦＴｉｐ・ＦＴｉｐは器具先端部に接触する組織/器官へ加えられる応力の逆量に等しい（作用＋反作用＝０）。器具先端部２０へ加えられる外部モーメントはない。
【００５９】
Ｈ）ＳＲＦの起点から支点２３に至る距離ベクトルＤＦｕｌｃｒｕｍは既知であり、このベクトルはＺ軸だけに沿った成分を有する。実用上、器具１４のシャフト１８が曲がっていれば、数ｍｍのＸ及びＹ成分が存在し、それゆえＺ軸に沿った距離はわずかに不正確でありうる。距離ベクトルＤＦｕｌｃｒｕｍは以下において概説する手順を用いて、初期基準から測定、すなわち継続して更新することが可能である。
【００６０】
Ｉ）ＳＲＦの起点から器具先端部２０に至る距離ベクトルＤＴｉｐは既知であり、このベクトルはＺ軸に沿って並べられる。
【００６１】
上記仮定を考慮すれば、ＳＲＦ中の生成トルクＴＳおよび生成モーメントＦＳは、応力及びモーメントへ加えられる重ね合わせの原理を用いて下記方程式から計算可能である。
TS = FTip × DTool + FFulcrum × DFulcrum    (10)
FS = FTip + FFulcrum                           (11)
【００６２】
ＤToolはＳＲＦの原点から器具先端２０までのＳＲＦのＺ軸の同一軸上あるベクトルを示す。
【００６３】
器具先端部２０における接触応力成分はＦＦｕｌｃｒｕｍを（１０）へ置き換えることによって決定される。これにより以下の式が得られる。
【数１】
0005540043.tif 000002
【数２】
0005540043.tif 000003
【数３】
0005540043.tif 000004
【００６４】
同様に、支点２３における応力成分は下記式で表わされる。
【数４】
0005540043.tif 000005
【数５】
0005540043.tif 000006
【００６５】
理解されるように、器具先端部２０及び支点２３のそれぞれにおいて加えられた接触応力ＦＴｉｐおよびＦＦｕｌｃｒｕｍを正確に推定することにより、ロボット補助型最小侵襲医療処置の安全性と質を向上させることが可能である。例えば、ロボットマニピュレーター１０の移動に対する支点２３の推定位置を、ロボットコントロールソフトウェアを用いて処置期間中リアルタイムで、ＦＦｕｌｃｒｕｍを用いる抵抗最小箇所へ向けて継続的に調整することが可能である。さらに、器具先端部２０における接触応力を、外科医がそれを用いて触覚感知ができるように、（従属）ロボットマニピュレーター１０に指令を与える（マスター）アームに反映させることも可能である。
【００６６】
支点に対する器具位置の決定
支点に対する器具の初期基準位置、例えば距離ＤＦｕｌｃｒｕｍ０は、一定の器具１４がトロカール２２中へ初めて挿入される場合には、以下に記載する手順を経て決定可能である。初期基準距離ＤＦｕｌｃｒｕｍ０を用いる場合、ＤＦｕｌｃｒｕｍは、マニピュレーターの動作関数であり、マニピュレーターコントローラから分かる、侵入/取り出し指令を用いて持続的に更新される（すなわち、リアルタイムで決定される）。
【００６７】
初期支点位置（基準距離ＤＦｕｌｃｒｕｍ０）を決定する手順の一例では、支点２３は応力抵抗の少ない箇所にあり、またエフェクタ装置１２上のＦ／Ｔセンサを用いて支点を見つけ出すことができるとの仮定に基づいている。この手順では、ＳＲＦのＸ及びＹ軸はＦ／Ｔセンサの感知面の前面にあり、他方Ｚ成分は器具シャフト１８と同一軸上にあると仮定されている。この手順の概略は下記の通りである。
【００６８】
ステップ１：マニピュレーター１０へ取り付けられた器具１４を、器具先端部２０が内視鏡モニターに見えるまで（すなわち、トロカールスリーブから出るまで）トロカール２２中へ挿入する。
【００６９】
ステップ２：反作用応力が一定閾値、例えば０．３Ｎ以下となるまで器具１４をＳＲＦのＸ及びＹ軸に沿ってスライドさせることにより、これらＸ及びＹ軸に沿った反作用応力が最も小さくなる器具１４の位置を決定する。一旦適当な点が見つかったら、支点２３は器具軸に沿った一定の点、すなわちＺ軸上に位置していると仮定することが可能である。
【００７０】
ステップ３：応力が加えられる間隔が、応力ベクトルモジュール（ベクトルノルム又はベクトルマグニチュード）によって割算されたモーメントモジュールと等しくなる場合における、レバーの原理（ｌｅｖｅｒ  ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ）に基づいて器具軸（Ｚ軸に対応）上における支点２３（Ｚ軸座標）の位置を決定する。
【００７１】
ステップ２において、器具は接触応力ＦＦｕｌｃｒｕｍがゼロに近い位置に定位し、器具１４は十分な接触応力（約３Ｎ）に達するまでその先端部２０に対して旋回される。この時点において、前記間隔はレバーの原理に従って計算される。次いで、器具は同じ接触応力値が測定されるまで反対方向へ旋回され、そして前記間隔が再度計算される。次いで、器具１４はステップ２において決められた最初の位置まで旋回される。支点２３と（Ｚ軸に沿った）センサ上のＳＲＦの原点との間の基準間隔ＤＦｕｌｃｒｕｍ０が最後の２測定値の平均値として設定される。
【００７２】
世界座標系（ｗｏｒｌｄ  ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ  ｆｒａｍｅ）中におけるＳＲＦの位置及び定位及び初期基準間隔ＤＦｕｌｃｒｕｍ０の双方は、ステップ２において見出された位置に静止しているＳＲＦ（すなわちセンサ）に対する支点２３の位置を与えるので、世界基準フレームに対する支点位置を基準フレームの単純な変更（座標変換）を経て計算することが可能である。
【００７３】
その後に、支点２３に対するあらゆる動作（旋回及び侵入）が与えられることが可能であり、支点２３に対する器具の位置、例えばＳＲＦの原点と支点２３間の間隔を、例えばマニピュレーターコントローラからの位置情報に従って更新することが可能である。
【００７４】
片寄り、重力、及び動的負荷の補正
理解されるように、ロボットマニピュレーター１０へ取り付けられた例えばＦ／ＴＡＳ３０内の応力／トルクセンサによって、接触応力ＦＴｉｐ、ＦＦｕｌｃｒｕｍだけでなく、センサの感知プレートへ取り付けられた部材に対して加えられる重力負荷や動的（すなわち、動作関連）負荷も測定される。
【００７５】
従って、本発明による応力推定方法においては、６−ＤＯＦ Ｆ／Ｔセンサに連結された６−ＤＯＦ加速度計から得られる追加測定値を用いてこれら負荷に対して補正が為される。
【００７６】
センサ基準フレーム（ＳＲＦ）に対する補正応力ベクトルＦｃｏｍｐは、下記式、
Ｆcomp＝Ｆsensor−Ｆoffsets
−  LoadMass（LinAccsensor−LinAccoffsets）
＋  [(AngAccsensor - AngAccoffsets) × LoadCOG]       (17)
によって与えられる。
式中、Ｆｓｅｎｓｏｒは、Ｆ／Ｔセンサによって測定された場合における、ＳＲＦ中の応力ベクトルを表す。
LinAccsensor は、ＳＲＦ中の６−ＤＯＦ加速度計によって測定された重力加速度を含む線形加速度を表す。
AngAccsensorはＳＲＦ中において６-ＤＯＦ加速度計によって測定される角加速度である。
LoadCOGは、以下において概説されるように推定される、ＳＲＦ中の６-ＤＯＦ Ｆ/Ｔセンサーに付属する負荷の重量中心のベクトルである。
Foffsets・LinAccoffsets及びAngAccoffsetsは、以下において概説される較正処置期間中に推定されるセンサー片寄りベクトルである。
【００７７】
センサ基準フレーム（ＳＲＦ）に対する補正トルクベクトルTcompは以下の式によって与えられる。
【数６】
0005540043.tif 000007
式中、
Tsensorは、Ｆ/Ｔセンサーによって測定されるＳＲＦ中のモーメントベクトルである。
TOffsetは、以下において概説されるように推定されるモーメント片寄りベクトルである。
FTは、Ｆ/ＴＡＳ３０の感知プレートに対してトルクを加える重力の影響及び加速度関連負荷の影響によって生成される応力を表す式（１７）の右辺の３番目の項に等しい。
LoadInertiaは、オフライン分析における視覚的整調によって、すなわち慣性ベクトルの種々数値の測定プロットにおける補正精度の改善を観察することによって推定可能なＳＲＦ軸Ｘ，Ｙ及びＺを中心とする負荷慣性ベクトルである。
【００７８】
固定フレームに対する移動フレームの角加速度及び線形速度に依存するコリオリ加速度の影響に関し、この影響は本発明システムに関しては考慮する必要がないことが理解されるであろう。何故なら応力及びトルクは、Ｆ/Ｔセンサ（ＳＲＦ）の移動基準フレームに対して測定されるからである。
【００７９】
本発明システムにおける器具主軸、すなわちＳＲＦのＺ軸に沿った遠心加速度の影響は、最小侵襲処置において、一般的な器具の移動については０．２Ｎ未満であり、早い移動については０．４Ｎ未満であることが経験的に見出された。さらに完全を期すために述べたが、この影響は無視可能であることが実験的に見出されたので、前記式（１７）及び（１８）においては考慮されない。
【００８０】
一般的なシステム設計を行う場合、非接触であるが速い移動の場合、すなわち縦揺れ及び偏揺れ旋回ＤＯＦが約６０度/秒、及び侵入/方向が１５０ｍｍ/秒における実験結果によれば、応力は±０．２５Ｎ領域内で補正され、及びモーメントは約±０．０３Ｎｍ領域内で補正されることが示されている。
【００８１】
理解されるように、補正された応力およびトルクベクトルは「器具先端部及び支点レベルにおける応力計算」の項において説明した計算、すなわち、
Fcomp = FS  及び  Tcomp = Tsにおいて用いられる。
【００８２】
較正手順
測定精度及び応力推定値計算に影響を与えるシステム関連パラメータを決定するため、適当な寸法合わせ技術、例えば最小二乗法が一連の測定データへ適用される。最小二乗法を適用するための連続データを得るため、ロボットマニピュレーター１０は、該ロボットマニピュレーター１０の作動空間の全体に亘って分布する予め適切に定められた一連の測定ポーズを経るように連続配置される。各ポーズにおいて、６−ＤＯＦ構成の異なるマニピュレーター１０を通してのＦ／ＴＡＳ３０の種々位置及び定位に対応して、ロボットマニピュレーター１０は、Ｆ／ＴＡＳ３０のセンサから測定データが読み取られる時に静止状態となる。前記一連のポーズは、好ましくは十分な範囲（定位作動空間）に亘るその後の定位角度、すなわち、ＳＲＦ（ロール）のＺ軸を中心とする回転や、（例えば、重力に対するセンサの定位を変えるリスト関節／ジョイントを用いる）縦揺れ及び偏揺れ旋回軸を中心とした回転が含まれるように選定される。
【００８３】
適切な選定が為されれば、Ｆ／ＴＡＳ３０が工場較正済みなこと、及びセンサの精度及び分解能が適用要求を遥かに超えていると推定しても安全である。この場合、一連の測定データへこの寸法合わせ技術を適用することにより、特に各軸における応力及びトルク成分測定の（電気的）片寄りと、さらに各軸における線形加速度の（電気的）片寄りについて正確に確認することが可能となる。さらに、以下において説明する較正手順を用いてＦ／ＴＡＳ３０の感知プレートに付属する負荷の大きさLoadMass及び重力中心を正確に測定することが可能である。
【００８４】
応力測定片寄り(Foffsets)、有効負荷質量(LoadMass)、及び線型加速度片寄り(LinAccoffset)を決定するために、下記式;
Fsensor = Foffsets + LoadMass*(LinAccsensor - LinAccoffset)   (21)
が用いられる。前記式において、
Fsensorは、ＳＲＦにおいてＦ/Ｔセンサーによって測定される場合における応力ベクトルである。
(LinAccsensor - LinAccoffset)によってＳＲＦに対する重力応力の方向が与えられる。線形加速度測定には動作関連加速度（静止時は０）及び電気的片寄り(LinAccoffset)に加えて重力加速度条件が含まれるためである。
LoadMass*(LinAccsensor - LinAccoffset)は、Ｆ/ＴＡＳ３０に付属するペイロードの質量及びＳＲＦに対するその方向によって与えられる重力応力ベクトルである。
【００８５】
モーメント測定片寄り(Toffsets)及びＳＲＦに対するペイロードの重力中心の座標(LoadCOG)を決定するため、下記式;
Tsensor = LoadCOG×LoadMass*(LinAccsensor - LinAccoffset) + Toffsets (22) が用いられる。
【００８６】
上記式において、LoadMass, LinAccoffsetは前記と同様である（２１参照。）線形加速度測定片寄りの決定には、下記式;
MODULUS(LinAccsensor - LinAccoffset) = 1G             (23)
が用いられる。式中Ｇは重力定数である。
理解されるように、ベクトル式（２１）、（２２）及び（２３）によって、マニピュレータ１０の一つの較正ポーズにおいて、Ｆ/ＴＡＳセンサの測定ごとに７つのスカラー式と１３の未知数が与えられる。
【００８７】
ロボットマニピュレータ１０、従ってＦ/ＴＡＳ３０は各ポーズにおいて静止状態にあるため、すなわち測定が行われるときには動作しないことから、角加速度成分の片寄りを、すべてのポーズについて角加速度測定の平均値に基づいてて推定することが可能である。
MEAN(AngAccsensor) = AngAccoffset
式中、AngAccsensorは加速度計によって特定される角加速度ベクトルであり、
AngAccoffsetは、角加速度成分についての電気的片寄りベクトルである。
【００８８】
ポーズの組み合わせは手術対象に用いられるマニピュレータ１０の定位作動空間をカバーするように選定されるべきである。例えば、そのように選定された定位作動空間によってＳＲＦのＺ軸を中心とした回転角及び、重力軸に対してＳＲＦのＺ軸によって与えられる定位角が試されるべきである。実験的に、２１０の式に対応する３０のポーズが、必要なシステムパラメーターの満足される近似として十分なことが広く見出された。
【００８９】
各設定ごとに電気的片寄りは異なるため、Ｆ／ＴＡＳ３０からの測定値を用いる前に設定に際して較正操作を実施すべきである。「片寄り・ずれの点検」の項において述べたように、片寄り・ずれを考慮するため介入中にも較正操作を繰り返すことが有利である。この場合、システムにおいて一連のポーズを通してマニピュレーター１０を駆動させる必要があり、この駆動操作は安全な条件下で行われなければならない。
【００９０】
この較正方法の重要な視点は、末端エフェクタ（例えばエフェクタ装置１２）の位置や向きを知る必要がないこと、さらにこの方法はロボットマニピュレーターの正確性とは無関係なことである。それゆえ、例えば手で保持する携帯型装置において補正応力が測定されなければならない適用例においては、単純手動型、すなわち受動型の定位装置を本発明の較正操作に用いることが可能である。
【００９１】
理解されるように、上記較正操作及び後続の近似処理（データ合わせ方法）を行うことにより、特にＦ／ＴＡＳ３０から得られるセンサデータにおける片寄りを補正するための、式(17)及び(18)において用いられるFoffsets, Toffsets, LinAccoffsets 及びAngAccoffsetsを決めることが可能となる。
【００９２】
センサデータのフィルタリング
Ｆ／ＴＡＳ３０を用いて得られた未処理の測定データに対してフィルタリング処理が行われなければならない。原則として種々の適切な方法が存在するが、線形推計学的処理においては、効率的に加速度及び応力／トルク処理変数を推定するため、及び特にＦ／Ｔセンサ及び加速度計に固有な測定ノイズを減ずるため、基礎的古典的形式及び離散カルマンフィルターの２種変形の適用が提案される。
【００９３】
応力フィードバック備えたロボット遠隔操作を用いる最小侵襲医療用途においては、満足のいく程度まで信号ノイズを取り除くこととは別に、用いられるフィルタリング処理によって二つの追加的要件、すなわち第一に応力フィードバックの忠実性を確保するためにフィルターを通した信号の振幅ゲインが（システム帯域において）１に近くなければならないこと、及び第二に、フィルターによって持ち込まれる付加的時間遅延が可能な限り短くなければならないことである。好ましくは、信号フィルタリング遅延を含む全遠隔操作サイクル遅延は、例えば組織に接触する器具である場合には、外科医が視覚的に遅延に気付かないように１００ｍｍ秒未満でなければならない。さらに、たとえば骨のような硬い面に器具先端部２０が触れる場合は、全遠隔操作サイクル遅延は好ましくは２０ｍｍ秒未満とされる。
【００９４】
基本（デジタル）線形カルマンフィルターは簡略かつ効率的な解決手段となることが実験的に見出されている。とりわけ、このフィルターは他のフィルター種、特に市販の応力／トルクセンサのファームウエア中に一般的に用いられる古典的チェビシェフデジタルフィルターに比べてノイズ拒否および動的性質に優れている。応力及びトルクデータ処理に用いられる拡張カルマンフィルター種とは異なり、本願アプローチはリアルタイムで適用可能であり、より簡単に調節され、また正確に確認することが難しいロボットマニピュレーター１０の非線形動的モデルについての知識も必要とされない。
【００９５】
前記フィルターの目的は、別個に測定され、かつ相互に関連づけられないノイズを含むデジタル信号を評価することであり、このフィルターは一例として、下記信号成分のそれぞれへ個別に適用される。
・応力測定におけるＦｘ、Ｆｙ及びＦｚ
モーメント測定におけるＭｘ、Ｍｙ及びＭｚ
線形加速度測定におけるＡｘ、Ａｙ及びＡｚ
・角加速度測定におけるＲｘ、Ｒｙ及びＲｚ
【００９６】
基本カルマンフィルターに従って、すべての信号は、測定値ｚはＲ１に属し、すなわちＺｋ ＝ Ｈｘｋ ＋ ｖｋを用いて、線形差分方程式；
xk = A xk-1 + B uk-1 + wk-1
によって決定される処理であると仮定することが可能である。
本発明システムにおいては、全ての信号についてＨ＝１であると仮定することができる。何故なら制御インプットがないため、測定値はその状態から直接得られ、またｕ＝０だからである。さらに、前記状態はステップからステップへと変わってもほぼ不変であるため、すべての信号についてＡ＝１と仮定される。しかしながら、応力及びモーメントの場合、前記状態は重力負荷および加速度負荷に従って変化し、また他のすべての信号については、前記状態はオペレータ動作指令すなわちマニピュレータ１０の動作関数となる。従って、この後者の近似によって状態変化の原因が処理ノイズへ同化される。
【００９７】
理解されるように、提案されたフィルター構成は線形推計学的処理が適用される基本離散カルマンフィルター手段である。このフィルターの実施に関する関連時間更新方程式および測定更新方程式は、例えば「カルマンフィルターへの導入」; Greg Welch, Gary Bishop; UNC-Chapel Hill; 2002に下記式として記載されている。
【数７】
0005540043.tif 000008
時間更新方程式                   測定更新方程式
【００９８】
初期設定に関し、すべての信号について以下に示す初期設定パラメーターを用いることが可能である。
・測定ノイズの共分散Ｒ＝１．０：  最良値はセンサ較正段階において得ることができる真の測定ノイズ共分散であるが、測定値が信頼できないことを意味する厳密な正の数値（Ｒ＞０）を用いることが可能である。実際、フィルター調整段階において決定されるシステム／処理ノイズ共分散パラメーターＱによって初期測定ノイズ共分散値Ｒ中の誤差が補正される。
・初期状態値ｘk-1 = 最初の観察値
・初期カルマンゲイン値Ｋｋ＝１．０
・フィルター同調によって決まる初期処理／システムノイズ共分散Ｑ0
【００９９】
カルマンゲインＫｋは、５０サイクルの再帰反復後に、一定のパラメータ処理／システムノイズ共分散Ｑ及び測定ノイズ共分散Ｒとは無関係に、同じ定数値へ収束することが示されている。本発明システムを用いる場合においては、１５０ｍｓｅｃ（５０サイクル）後に、カルマンゲインＫｋは定数値の方へ収束し、４．５秒（１５００サイクル）後には一定値に止まり、２．１秒（７００サイクル）後にはその定数値の９９％枠内に達することが実験的に見出された。
【０１００】
フィルター（パラメーター）同調に関しては、種々のシステム／処理ノイズ共分散値Ｑについての同一リアルタイムプロットにおける、及び実際の遠隔操作条件（たとえば１：１の動作スケールで、マニピュレーター１０の加速動作はあるが、器具１４へ加わる接触応力はない条件）における、フィルタリングされた信号に対するフィルタリングされていない信号の比較に基づいたアプローチを用いることが可能である。
【０１０１】
同調の通常の目的は、信号伝達における応答遅延（タイムラグ）が殆どなく、かつ未フィルター信号を平均化するスパイクあるいは高周波波動のないフィルタリング済み信号を得ることである。ここで、応答遅延は信号変化中に観察されるフィルタリング済み信号と「真正の」未フィルタリング信号との間のフィルター固有のタイムラグを意味する。補正処理（「センサデータ中の片寄り及び重力・動的負荷の補正」）において用いられる応力、トルク及び加速度信号については、各信号において、特に信号移動において同一の時間遅延動作を維持するために、すべての信号は同じ共分散パラメータＲ、Ｑを用いてフィルタリングされなければならない。実験により、このようなアプローチには矛盾がないことが立証されており、さらに同一物理現象、すなわちマニピュレーター１０の動作加速によって、測定済み信号の動きがほぼ排他的に決定される事実からもこのアプローチを正当化することが可能である。
【０１０２】
定量分析に関し、ノイズに影響される静止信号の場合、カルマンフィルターが１：１ゲインを有する最適評価手段であることが示された。本発明システムにおけるような動的信号に関しては、カルマンフィルタリング済み信号にはノイズに原因するスパイクは含まれない。何故なら殆どのノイズは除去されており、処理済み信号は選定された処理ノイズ共分散パラメータＱによって定められる移行平滑性を持つ信号へと平均化され、類似化されているからである。
【０１０３】
処理ノイズ共分散値Ｑが小さい場合には、測定値に対する信頼要求度が低下するため、フィルタリング済み信号はより平滑になり、逆の場合にはより平滑でなくなる。さらにカルマンフィルター中に設定された処理／システムノイズ共分散値Ｑが低い場合には、フィルタリング済み信号の平滑度だけでなく、フィルタリングによって引き起こされる応答遅延が一定の測定ノイズ共分散Ｒについて増大する。しかしながら、遠隔操作指令コンソールのマスターアームへフィードバックするために、迅速かつ円滑に変化する応力推定値を持つことが望ましい。表１は、（例えばＳＲＦのＸ軸上にある）応力信号の種々処理ノイズ共分散パラメータＱについての典型的な応答遅延例を示している。
【表１】
0005540043.tif 000009
【０１０４】
表１に示された応答遅延は、基本線形カルマンフィルターを用いて得られたフィルタリング済み信号と、応答遅延を持ち込むことなく最初の「真正」信号に最適に従う、「線形動的システムの最大見込み推定値」、H. Rauch, F. Tung, & C.Striebel, American Institute of Aeronautics and Astronautics Journal; 3(8), 1965に記載されているカルマンアルゴリズムの並列後退帰納（ＲＴＳ）形式を用いて得られた信号との間のタイムラグを測定することによって得られる、測定ノイズ共分散値Ｒ＝１．０を用いて評価されたオフラインである。
【０１０５】
フィルター固有の応答遅延を減少させるため、図４に示すようなカスケード型フィルター構造４０が提案されている。このフィルターカスケード４０は第１フィルターステージ４２と第２フィルターステージ４４から成り、これらフィルターステージ４２、４４のそれぞれには、前述した基本線形カルマンフィルターが別個に用いられている。第１フィルターステージ４２は共分散値が低くなるように、すなわち未フィルタリング信号に影響するノイズのピーク（ノイズスパイク）を減らすように構成されるが、比較的短い応答遅延（２〜３ミリ秒）が生じてしまう。第２フィルターステージ４４は実質的に平滑な出力信号が与えられるように構成されるが、第１フィルターステージ４２よりも長い応答遅延（例えば１５ミリ秒）が導入される。
【０１０６】
一定の全応答遅延に関して、二つのカスケード型フィルターを用いることにより、同じ応答遅延を引き起こす単一フィルターに比べて、フィルタリング済み信号の平滑性が改善されることが見出された。このような改善を達成するため、例えば図４に示す二つのフィルターカスケードにおいて、第１フィルターステージ４２は一定の同一測定誤差共分散値Ｒを持つ第２フィルターステージ４４のシステム／処理誤差共分散値（Ｑ２）よりもかなり大きいシステム／処理誤差共分散値（Ｑ１）を用いて構成される。これにより、フィルター性能は同じでも単一ステージカルマンフィルターよりも全応答遅延の少ないシステムが達成可能となる。別の言い方をすれば、一定の全応答遅延を伴うカルマンフィルターカスケードによって、応答遅延の同じ単一ステージカルマンフィルターよりもフィルター性能が向上される。実験により、例えば第１フィルターステージ４２と第２フィルターステージ４４が同一測定ノイズ共分散値Ｒ＝１と、異なるシステム／処理誤差共分散値Ｑ１＝０．７及びＱ２＝０．２をそれぞれ持つように構成されているカスケード型カルマンフィルターによって、最終フィルタリング済み信号の平滑性がＱ＝０．０１を持つように構成され、及び同一観察応答遅延（３２ミリ秒以下）を生ずる単一フィルターステージよりも改善されることが見出された。第１および第２フィルターステージ４２、４４のノイズ共分散値Ｑ１及びＱ２にとって好ましいパラメーター範囲は、０．１≦Ｑ１≦１及び０．００１≦Ｑ２≦０．１である。好ましくは、硬い面と接触する際に不安定となるリスクを減ずるため、全応答遅延は４０ｍｍ秒を超えてはならない。
【０１０７】
それゆえ、同じフィルター性能（信号平滑性）を与える単一通過（ワンステージ）フィルターよりも応答遅延の少ない線形カルマンフィルターの少なくとも２個から成るカスケードが好ましくは用いられる。未フィルタリング信号（（Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ）；（Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚ）；（Ａｘ、Ａｙ、Ａｚ）；（Ｒｘ、Ｒｙ、Ｒｚ））のそれぞれに対するフィルタリング手段は、すべての信号について同一の応答遅延を確保して信号を同期化するために、同一のフィルターパラメータ（Ｑｉ、Ｒｉ等）を用いて構成されるのが一般的である。
【０１０８】
片寄りずれの点検
理解されるように、Ｆ／Ｔセンサ及びＦ／ＴＡＳ３０中の加速度計から得られた各成分測定値（信号）は、通常時間とともに変化し及び温度依存性である電気的バイアスまたは片寄りによって影響される。実験室での試験において、６−ＤＯＦフォイル型Ｆ／Ｔセンサ（温度補正装置内蔵）からの測定信号は約３時間の暖気運転後に安定化し、その後全測定範囲の約１．５％の範囲内に保持されることが見出された。しかしながら、各信号についての片寄り値は時間と共に変化し、医学的、特に外科用途の場合には、この変化によって上記応力の推定計算結果が変わってくるためこのような変化は許容できないものである。
【０１０９】
そのため、このような片寄りが許容範囲内に留まっているかを点検する操作を含めることが提案されている。このような操作を含めることは、補正された応力ベクトル成分Ｆｃｏｍｐ及びトルクベクトル成分Ｔｃｏｍｐが、Ｆ/ＴＡＳ３０に付属するペイロードに対して外的負荷が何も加えられない時に、０に近いか否かを点検することによって簡単に達成可能である。
この提案された機能は、コマンド要求に対応して点検を実施するソフトウエア実行操作として構成可能である。片寄りずれが過剰な場合には、上記操作によってマニピュレターコントローラへ警告が送られ、これにより例えば外科医に再度較正を行うように要求が行われる。さらに、この機能は、ＨＭＩに対して与えられるコマンドに基づいて、あるいはエフェクタ装置１２上の手術器具存在検知装置の信号に基づいて自動的に手術器具を変える際にも遂行可能である。
【０１１０】
ソフトウエア・モジュール・アーキテクチャー
最初に、以下において述べるソフトウェアアーキテクチャーは、器具先端部２０及び支点２３のレベルにおける接触応力推定値についてのデータ処理及び計算に目的が限定されているソフトウェアモジュールに関するものであることに注意が必要である。このアーキテクチャーにおいては、マニピュレーター１０、エフェクタ装置１２、あるいは他のシステム構成部分の制御に関する機能及び構造については考慮されていない。しかしながら、このモジュールは、当業者によればマニピュレーターコントローラのソフトウェアプログラム中へ一体化させることが可能である。
【０１１１】
前記ソフトウェアーモジュールのアーキテクチャーの全体を図５に模式的に示す。このアーキテクチャーにはコア処理部としての、以下において述べる状態移行ダイアグラムによって決められるＦＳＳ（応力感知システム）タスクが含まれ、このタスクは、タスク内容に従って、あるいは割り込みサービスルーチンレベルで実施される主要機能において実施可能である。単純化のため、ソフトウェアーモジュールは、図５に示すセマフォアを通してリアルタイムクロックによって同期化される周期的タスクにおいて実行されることが仮定されている。ＦＳＳタスクは、リアルタイム操作システムにおいて一定の優先度において、及び一定のスタックサイズを伴って進行される。ソフトウェアーモジュールには各クロックサイクルで新メッセージに関してポーリング（ｐｏｌｌｅｄ）されるメッセージ待ち行列が設けられる。メッセージは通常２種類あり、それらは、機能を実行するためのコマンドメッセージと状態移行ダイアグラムにおいて移行を生じさせる事象メッセージである（下記参照）。コマンドメッセージは、例えばマニピュレータコントローラに付属する外部モジュールによって生成され、他方事象メッセージはソフトウェアモジュール自体の内部において生成される。このモジュールにより、例えば障害事象、コマンド応答、あるいは停止＿動作コマンドを生成するために、例えばマニピュレータコントローラーモジュール等の他のモジュールへ向けられる事象及びコマンドメッセージを生ずることが可能である。
【０１１２】
前記ソフトウェアーモジュールにおいて、ＦＳＳタスクの主要インタフェースは図５に示す通りである。
・クロックサイクルごとに読み取られるメッセージ待ち行列、
・フィルタリングされていない応力、トルク、及び加速度データが読み取られるハードウェアボードへのインタフェース、
・モジュールの機能によって要求される情報を読み取り及び結果を書き込むリアルタイムデータベースへのインタフェース、
・外部モジュールへのコマンドおよび事象メッセージ用のインタフェース。
【０１１３】
状態移行ダイアグラム（ＦＳＳタスク）
図６は、有限状態機械として実施される応力感知システム（ＦＳＳ)タスク（図５参照）の主要な５つの状態を示した図である。以下において、図５に示されている状態について簡潔に説明する。
【０１１４】
状態1：ハードウェア及びソフトウェアの初期設定：この状態は最小侵襲医療システムのハードウェア及びソフトウェアの部分の初期設定操作に関する。これらの初期設定操作は、マニピュレーター１０のコントローラのパワーアップ時及び又はブート時に実施される。前記ハードウエア初期設定タスクは、Ｆ／ＴＡＳ３０及び加速度計、特にＦ／Ｔセンサ、並びに関連インターフェースボードのセットアップに関する。前記ソフトウェア初期設定タスクには、アプリケーションのデータ構造用メモリのリソース、及び他の操作システム項目（すなわちタスク、セマフォワ、メッセージ待ち行列、クロックなど）を割り当てる工程が含まれる。ハードウェア及びソフトウェア初期設定が成功すれば、システムはアイドル状態に入り、較正コマンドの待ち状態となる。そうでない場合には、システムは図６に示すようにＦＡＩＬＥＤの状態に入る。初期設定操作の結果は、ソフトウエア事象又は機能呼出し復帰パラメータのいずれかを通してマニピュレーター１０のコントローラへ連絡可能である。
【０１１５】
状態２：ＩＤＬＥ状態：  システムは「較正操作」の項で説明した較正操作開始コマンドの待ち状態となる。
【０１１６】
状態３：ＦＡＵＬＴ状態：  システムソフトウェアに機能不良が生じた場合、あるいは安全上のリスクが検知された場合はこの状態に入り、システムは再スタートコマンドの待ち状態となる。ＦＡＵＬＴ状態に入るや否や、この状態を警告するために非同期のメッセージあるいは事象がマニピュレータコントローラへ送られる。
【０１１７】
状態４：Ｆ／Ｔ＿＆＿ＡＣＣＥＬＥＲＯＭＥＴＥＲ＿ＣＡＬＩＢＲＡＴＩＯＮ状態：  この状態では、マニピュレーター１０は種々の位置及び方位を伴う定められた一連のポーズ（ｐｏｓｅ）を介して指令を受ける（「較正操作」の項参照）。各ポーズにおいて、「記録」コマンドを受け取ると、Ｆ／Ｔセンサ及び加速度計データが記録される。一連のポーズの完了後、計算コマンドを受け取ると、Ｆ／Ｔセンサーの片寄りおよび加速度計の片寄り(Foffsets, Toffsets, LinAccoffsets及びAngAccoffsets)だけでなく、付属負荷の重力中心の座標も一緒に計算するために、前述した最小２乗法あるいは他の適当な概算法が適用される。起こりそうもないことであるが、例えば結果の矛盾、あるいはユーザーによって為されたポーズ設定動作の中断コマンドによって計算不能な場合には、システムはこの事象をマニピュレーターコントローラへ警告するＩＤＬＥ状態へ戻る。もしこの状態へ戻らない場合には、較正段階の最終段階において、システムはＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮ＿ＬＯＡＤＳ＿ＥＶＡＬＵＡＴＩＯＮ状態へと進む。ソフトウェアまたはハードウェアの障害が検出された場合には、システムはＦＡＵＬＴ状態へと進む。
【０１１８】
状態５：ＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮ＿ＬＯＡＤＳ＿ＥＶＡＬＵＡＴＩＯＮ状態：  この状態では、以下に記載される周期的操作が連続して実施されるが、必ずしも記載された順に行なわれる必要はない。
・例えば離散カルマンフィルターカスケードを用いた線形推計学的処理のためのデータフィルタリング（「センサデータフィルタリング」の項参照）。
・Ｆ／Ｔセンサデータにおける重力負荷及び動的負荷の影響の補正（「片寄り及び、重力及び動的負荷の補正」の項参照）。
・マニピュレーター１０の動作に基づく器具１４の支点２３に対する位置の決定、すなわち継続的更新（「支点に対する器具位置の決定」）。
・器具先端部２０および支点のそれぞれにおける応力推定値の計算（「器具先端部及び支点レベルにおける応力の計算」の項参照）。
任意であるが、以下の操作も周期的処理として実施される。
・例えばリアルタイムデタベース中に記憶される所定の最大閾値に対する補正負荷のモニタリング。数値が過剰な場合には、警告メッセージあるいは動作停止コマンドが発せられ、この状態がリアルタイムデータベース中に書き込まれる。このような処理は、Ｆ／ＴＡＳ３０の安全でない状態あるいは障害を検出するために、器具先端部２０及び支点レベル（トロカール２２）における応力推定値にも適用される。
・センサの片寄りによるずれの点検（「片寄りずれの点検」の項参照）。
・腹空内吹込み圧のモニタリング。減圧となった場合における、この機能は適切な行動を取るための特に支点２３の位置の見直し等の警告メッセージを発出する。
【０１１９】
図７は上記可能な一連の操作をフローチャートに示した図である。図７から理解されるように、例えば図４に関して説明したカスケード構成の第一線形カルマンフィルターによって「寄生負荷」の補正前にセンサデータがフィルタリングされる。補正後、応力推定値を計算する（ＦＴｉｐ及びＦＦｕｌｃｒｕｍを計算する）操作のインプット時における信号の平滑性の質をさらに高めるため、応力及びトルクに対して第二線形カルマンフィルターが適用される。図７には応力推定値の計算工程前に実施されるように示されているが、器具位置を決定する操作はフロー中の別のポイントで周期的に実施可能である。また、（図７及び８にブロック「"・・・"」で示されている）前記任意な操作は、応力推定値の計算に後続して必ずしも実施される必要はない。
【０１２０】
図８は別態様による前記一連の操作のフローチャートを示した図である。図８から理解されるように、応力推定値を計算する（ＦTip及びＦFulcrumを計算する）操作に後続して１回のフィルタリング操作が適用される。このフィルタリング操作は、図４に関して説明したカスケード型カルマンフィルター構成に基づいて実施可能である。
【０１２１】
図８の代替例では、精度の向上がさらに達成可能であることから、応力推定値の計算前のフィルタリングによる情報の消失（過小／過大評価された負荷）が減じられている。図７に示した実施態様は、例えば器具１４の挿入中に、マニピュレーター１０を補助的に配置するためにエフェクタ装置１２を制御装置（ジョイスティック）として用いるように本発明システムが構成されている場合には好ましいものである。
【０１２２】
再較正の要求を受け取った場合、システムの状態はＦ／Ｔ＿＆＿ＡＣＣＥＬＥＲＯＭＥＴＥＲ＿ＣＡＬＩＢＲＡＴＩＯＮに変わり、そして周期的処理は停止される。ソフトウエアあるいはハードウエアの障害が検出された場合は、システムはＦＡＵＬＴ状態へ変わり、次いで警告が発せられる。
【０１２３】
周期的処理の実施率はアプリケーション要求に従って決められる。例えば、ロボット遠隔操作のための補正データを用いる場合、この処理は好ましくはマニピュレーター１０に対する設定値生成の周波数と同じ周波数、例えば３００Ｈｚ〜１０００Ｈｚの範囲内で実施される。
【０１２４】
結論
本発明による方法／システムは、正確かつコスト効率的方法で器具先端部における、また任意であるがトロカールレベルにおける接触応力の推定を可能とすることによって、ロボット及び又はコンピュータ補助型最小侵襲手術に貢献するものである。
【０１２５】
試作システムによる実験室での試験において算定された推定値平均誤差は０．２５Ｎであり、また推定値最大誤差は０．６５Ｎであった。このような数値は開発中の試作システムによって得られた数値ではあるが、０．２５Ｎは人間の手の感知閾値以下であることから、これら推定値誤差レベルは手術用腹腔鏡の殆どの操作において満足される範囲内であると理解される。さらに、試作システムにおいて得られた全信号遅延が５０ミリ秒であったことから、本システムは遠隔操作に容易かつ適切に適用できると判断される。
【図１】
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【図２】
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【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】
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【図８】
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