(57)【要約】【課題】術具が突出する突出長さや回転角度が変わった場合であっても処置部を直感的に操作することができる手術支援装置を提供する。【解決手段】手術支援装置は、使用者からの入力に基づいて操作指令を発する操作入力部と、軟性の術具挿入部２１０の先端部に処置部が設けられた術具２００を挿通可能なチャンネル５０が形成され、チャンネルを移動させる動作部と、チャンネルに挿通された術具の処置部がチャンネルの先端開口６８ａから前方に突出する突出長さＬ１、および術具のチャンネルの軸線Ｃ１周りの回転角度の少なくとも一方である処置部移動量を検出する移動量検出手段４５と、動作部の先端開口における位置及び姿勢を特定可能な動作部情報を算出する動作部情報算出手段と、操作指令に基づいて、動作部による動作を制御する動作制御部とを備える。【選択図】図５
2014008374.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
使用者からの入力に基づいて操作指令を発する操作入力部と、
軟性の術具挿入部の先端部に処置部が設けられた術具を挿通可能なチャンネルが形成され、前記チャンネルを移動させる動作部と、
前記チャンネルに挿通された前記術具の前記処置部が前記チャンネルの先端開口から前方に突出する突出長さ、および前記術具の前記チャンネルの軸線周りの回転角度の少なくとも一方である処置部移動量を検出する移動量検出手段と、
前記動作部の前記先端開口における位置及び姿勢を特定可能な動作部情報を算出する動作部情報算出手段と、
前記操作指令に基づいて、前記動作部による動作を制御する動作制御部と、
を備え、
前記操作入力部は、
前記術具挿入部の基端部に固定され前記処置部を操作するための操作部に取り付けられる被検出体と、
前記被検出体を検出する検出部と、
を有し、
前記検出部は、前記被検出体の位置及び姿勢を特定可能な被検出体情報を算出し、
前記操作入力部は、前記検出部により算出された前記被検出体情報に基づいて前記操作指令を発し、
前記動作制御部は、前記操作指令の前記被検出体情報、前記処置部移動量、および前記動作部情報に基づいて、前記動作部による動作を制御することを特徴とする手術支援装置。
【請求項２】
前記チャンネルに挿通させた前記術具挿入部の前記チャンネルに対する位置を固定する固定手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の手術支援装置。
【請求項３】
前記チャンネルに挿通された前記術具を前記チャンネルに対して移動させる術具移動部を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の手術支援装置。
【請求項４】
前記被検出体は、
前記操作部に取り付けられる本体部と、
前記本体部に設けられたマーカと、
を有し、
前記検出部は、前記マーカを用いて前記被検出体情報を算出することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の手術支援装置。
【請求項５】
前記被検出体は、前記操作部に取り付けられるアダプタを有し、
前記検出部は、
前記アダプタに連結された多関節アームと、
前記多関節アームの位置及び姿勢を検知して前記被検出体情報として出力する位置姿勢検知部と、
を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の手術支援装置。
【請求項６】
前記検出部は、前記操作部に対して所定の位置関係を有して設定された原点を基準とする座標系を用いて前記被検出体情報を算出することを特徴とする請求項４又は５に記載の手術支援装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、手術支援装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、手技を遠隔操作にて行うために、種々の手術支援装置が検討されている。その種の手術支援装置として、例えば、特許文献１に記載されたものが開示されている。
この手術支援装置では、ジョイスティック（操作入力部）を操作することでジョイスティックから信号が送られ、この信号に基づいて、電子内視鏡の挿入部（動作部）に設けられた能動湾曲部を湾曲させている。
挿入部にはチャンネルが形成されていて、このチャンネルには軟性の処置具（術具）が挿通可能となっている。
【０００３】
能動湾曲部を駆動、すなわち、湾曲させるときに、湾曲させる速度の最大値である最大湾曲速度を変化可能とする制御を行っている。具体的には、処置具突出口（先端開口）から処置具が突出していない挿入モードに対して、処置具突出口から処置具が突出している処置モードでは、最大湾曲速度を２倍にしている。
これにより、目的部位まで挿入部を挿入するときには、挿入モードにして能動湾曲部を素早く湾曲させることで素早く挿入できる。一方で、処置具突出口から処置具を突出させて各種治療処置を行う際には処置モードとなるため、速度指定が容易であって処置の正確性を向上させることができ、操作性がよくなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４６７２０３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の手術支援装置では、モード間で最大湾曲速度を変化させるだけであるため、ジョイスティックの位置及び姿勢（向き）と、処置具の先端部における位置及び姿勢とが対応していなく、術者などの使用者によるジョイスティックの操作が困難になっている。
特に、処置具突出口から処置具が突出する突出長さや、処置具の軸線周りの回転角度が変わると、処置具の先端に一対の把持片などで構成される把持部（処置部）が設けられている場合には、把持部の位置や軸線周りの向きが変わり、操作性が低下する。
【０００６】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであって、術具が突出する突出長さや回転角度が変わった場合であっても、操作入力部を移動させることで処置部を移動させたときに操作入力部の位置及び姿勢と処置部の位置及び姿勢とを対応させて、処置部を直感的に操作することができる手術支援装置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】
【０００７】
上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
本発明の手術支援装置は、使用者からの入力に基づいて操作指令を発する操作入力部と、軟性の術具挿入部の先端部に処置部が設けられた術具を挿通可能なチャンネルが形成され、前記チャンネルを移動させる動作部と、前記チャンネルに挿通された前記術具の前記処置部が前記チャンネルの先端開口から前方に突出する突出長さ、および前記術具の前記チャンネルの軸線周りの回転角度の少なくとも一方である処置部移動量を検出する移動量検出手段と、前記動作部の前記先端開口における位置及び姿勢を特定可能な動作部情報を算出する動作部情報算出手段と、前記操作指令に基づいて、前記動作部による動作を制御する動作制御部と、を備え、前記操作入力部は、前記術具挿入部の基端部に固定され前記処置部を操作するための操作部に取り付けられる被検出体と、前記被検出体を検出する検出部と、を有し、前記検出部は、前記被検出体の位置及び姿勢を特定可能な被検出体情報を算出し、前記操作入力部は、前記検出部により算出された前記被検出体情報に基づいて前記操作指令を発し、前記動作制御部は、前記操作指令の前記被検出体情報、前記処置部移動量、および前記動作部情報に基づいて、前記動作部による動作を制御することを特徴としている。
【０００８】
また、上記の手術支援装置において、前記チャンネルに挿通させた前記術具挿入部の前記チャンネルに対する位置を固定する固定手段を備えることがより好ましい。
また、上記の手術支援装置において、前記チャンネルに挿通された前記術具を前記チャンネルに対して移動させる術具移動部を備えることがより好ましい。
また、上記の手術支援装置において、前記被検出体は、前記操作部に取り付けられる本体部と、前記本体部に設けられたマーカと、を有し、前記検出部は、前記マーカを用いて前記被検出体情報を算出することがより好ましい。
【０００９】
また、上記の手術支援装置において、前記被検出体は、前記操作部に取り付けられるアダプタを有し、前記検出部は、前記アダプタに連結された多関節アームと、前記多関節アームの位置及び姿勢を検知して前記被検出体情報として出力する位置姿勢検知部と、を有することがより好ましい。
また、上記の手術支援装置において、前記検出部は、前記操作部に対して所定の位置関係を有して設定された原点を基準とする座標系を用いて前記被検出体情報を算出することがより好ましい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の手術支援装置によれば、術具が突出する突出長さや回転角度が変わった場合であっても、操作入力部を移動させることで処置部を移動させたときに操作入力部の位置及び姿勢と処置部の位置及び姿勢とを対応させて、処置部を直感的に操作することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１実施形態の手術支援装置の全体図である。
【図２】同手術支援装置とともに使用される術具の模式図である。
【図３】同手術支援装置における検出装置のブロック図である。
【図４】同手術支援装置のスレーブマニピュレータを模式的に示す斜視図である。
【図５】同スレーブマニピュレータの術具マニピュレータの平面の模式的要部断面図である。
【図６】同手術支援装置における制御装置およびスレーブマニピュレータのブロック図である。
【図７】同手術支援装置の使用時の動作を示す模式図である。
【図８】同手術支援装置の使用時において突出長さが比較的短い場合の動作を示す模式図である。
【図９】同手術支援装置の使用時において突出長さが比較的長い場合の動作を示す模式図である。
【図１０】本発明の第２実施形態の手術支援装置における術具マニピュレータの平面の模式的要部断面図である。
【図１１】同手術支援装置における制御装置およびスレーブマニピュレータのブロック図である。
【図１２】本発明の第３実施形態の手術支援装置における要部の模式図である。
【図１３】本発明の変形例の実施形態の手術支援装置における術具マニピュレータの斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
（第１実施形態）
以下、本発明に係る手術支援装置の第１実施形態を、図１から図９を参照しながら説明する。
図１に示すように、本実施形態の手術支援装置１は、マスタマニピュレータ１０、スレーブマニピュレータ（動作部）３０、表示装置８０、および制御装置９０を備える。また、手術支援装置１は、公知の軟性の処置具を術具２００として取り付けることができるようになっている。
【００１３】
術具２００の構成は特に限定されないが、例えば、手術支援装置１に取り付けて使用される術具２００は、図２に示すように、処置部２０１と、処置部２０１が先端部に設けられた術具挿入部２１０と、術具挿入部２１０の基端部に固定された操作部２２０とを備える。
処置部２０１は、鉗子、針、高周波ナイフなど、生体組織に対して処置を行う公知の構成を適宜選択して採用することができる。本実施形態では、処置部２０１は、操作部２２０における操作によって動作する。処置部２０１の動作は、例えば鉗子が開閉したり、針が術具挿入部２１０から突没したり、高周波ナイフに高周波電流が通電されたりする等である。以下では、処置部２０１として開閉動作可能な鉗子２０２が設けられている例を用いて説明する。
【００１４】
鉗子２０２は、ピン２０３により互いに回動目在に連結された一対の鉗子片２０２ａ、２０２ｂを有する。さらに、各鉗子片２０２ａ、２０２ｂには、各鉗子片２０２ａ、２０２ｂをピン２０３の中心軸線回りに回動させるためのワイヤ２０４が連結されている。ワイヤ２０４は、先端部が鉗子２０２に連結されているとともに、術具挿入部２１０内に挿通され、操作部２２０に連結されている。
【００１５】
術具挿入部２１０は、軟性の筒状部材である。本実施形態では、術具挿入部２１０の構成は筒状であれば特に限定されないが、例えば、術具挿入部２１０は、金属線がコイル状に巻かれたコイルシースと、コイルシースを被覆する被覆部材とを有している。鉗子片２０２ａ、２０２ｂに連結された上述のワイヤ２０４は、術具挿入部２１０内に挿通されている。
【００１６】
操作部２２０は、術具挿入部２１０に固定されている。具体的には、操作部２２０は、術具挿入部２１０が先端に固定された棒状の操作本体２２１と、操作本体２２１に連結されワイヤ２０４に固定されたスライダ２２５とを備える。
操作本体２２１は、スライダ２２５を進退自在に保持するレール部２２２を有し、術具挿入部２１０が固定された側の端と反対側の端に、使用者の指を掛ける指掛け部２２３が設けられている。
スライダ２２５は、使用者の指を掛けることができる窪みが外周面に形成された略円柱状の部材である。操作本体２２１に対してスライダ２２５を進退移動させることにより、術具挿入部２１０内でワイヤ２０４が進退する。
【００１７】
図１に示すマスタマニピュレータ１０は、使用者の動きに応じてスレーブマニピュレータ３０を動作させるために設けられている。マスタマニピュレータ１０は、術具２００に取り付けられる被検出体１１と、被検出体１１を検出する検出装置（検出部）１２とを備える。また、本実施形態では、マスタマニピュレータ１０と、制御装置９０の後述する変換処理部９１とによって、スレーブマニピュレータ３０を動作させるための操作指令を発する操作入力部が構成されている。
【００１８】
被検出体１１は、使用者が術具２００の操作部２２０を把持した際に邪魔にならない位置に取り付けられる。例えば、本実施形態では、被検出体１１は、操作本体２２１と術具挿入部２１０との接続部分の近傍に着脱可能に固定される。被検出体１１は、操作部２２０に取り付けられる本体部１４と、本体部１４に設けられたマーカ１５とを有する。
【００１９】
本体部１４は、外面にマーカ１５が設けられた部材である。本体部１４に設けられたマーカ１５は、本体部１４の外面において互いに離間する３箇所以上に設けられている。各マーカ１５は、所定の色及び形状を有している。例えば、本実施形態では、本体部１４には同形同大同色の複数のマーカ１５が設けられている。各マーカ１５は、例えば印刷等によって本体部１４の外面に形成される。
【００２０】
マーカ１５は、本体部１４に対して位置決めされて配置されている。このため、マーカ１５の位置及び姿勢（向き）は、本体部１４の位置及び姿勢に対応している。また、本体部１４は操作部２２０の操作本体２２１に固定されるので、マーカ１５の位置及び姿勢は、操作部２２０の位置及び姿勢に対応している。
さらに、マーカ１５が本体部１４に３つ設けられている場合、３つのマーカ１５は、各マーカ１５を頂点とする三角形の三辺の長さが互いに異なるように配置されている。これにより、各マーカ１５の相対位置関係により本体部１４の姿勢を一意に特定することができる。各マーカ１５は、本体部１４の外面において、平面状の部分や曲面状の部分に設けられる。
【００２１】
また、あるマーカ１５が操作中に障害物等により検出装置１２に対して遮蔽された場合に対応できるよう、マーカ１５が余分に本体部１４に設けられていてもよい。あるマーカ１５が遮蔽された場合は、余分に設けられたマーカ１５を用いて位置・姿勢を求める。
なお、３つもしくはそれ以上のマーカ１５が一枚のシート上に配され当該シートが本体部１４の外面に貼り付けられていてもよい。
【００２２】
図３に示すように、検出装置１２は、撮影部１６と、画像認識部１７と、出力部１８とを備える。
撮影部１６は、被検出体１１が取り付けられた術具２００が使用者によって使用されているときの被検出体１１を撮影する装置である。撮影部１６の撮影視野は、手術支援装置１の使用時において使用者によって被検出体１１が移動される空間（以下、「作業空間Ｑ１」と称する。）の全体を撮影することができるように設定されている。また、撮影部１６は、図示はしないが、作業空間Ｑ１に対して所定の一方向から撮影をする第一のカメラと、上記所定の一方向とは別の方向から撮影をする第二のカメラとを少なくとも備えている。これにより、撮影部１６は、作業空間Ｑ１内に位置する被検出体１１に対して、互いにアングルが異なる少なくとも２画像を同時に撮影することができる。なお、撮影部１６は、３以上のカメラを有していてもよい。また、撮影部１６は、被検出体１１とカメラとの間に使用者自身もしくは他の障害物が入り込んだ場合を想定して予備のカメラを備えた冗長構成を有していてもよい。撮影部１６は、撮影された画像を、画像認識部１７へと出力する。
【００２３】
画像認識部１７は、撮影された画像から、画像認識処理によりマーカ１５を認識する。さらに、画像認識部１７は、作業空間Ｑ１内における各マーカ１５の位置関係からマーカ１５の位置及び姿勢を、被検出体１１に固有の座標系を用いた座標情報である第一座標情報Ａ（被検出体情報。図２参照。）を算出し、出力部１８へ出力する。
各マーカ１５は、被検出体１１の本体部１４に設けられているため、第一座標情報Ａは被検出体１１の位置及び姿勢を特定する情報となる。
【００２４】
出力部１８は、画像認識部１７において算出された第一座標情報Ａを、制御装置９０の後述する変換処理部９１へ出力する。本実施形態において、出力部１８から出力される第一座標情報Ａは、被検出体１１の位置及び姿勢を変換処理部９１が特定するための情報である。出力部１８からは、被検出体１１が作業空間Ｑ１内で移動しているか否かに関わらず、所定の発信タイミングに従って第一座標情報Ａが出力される。
【００２５】
図４に示すように、スレーブマニピュレータ３０は、ベース３１上に取り付けられた保持マニピュレータ３２と、保持マニピュレータ３２に着脱可能に取り付けられた術具マニピュレータ３３とを備える。なお、スレーブマニピュレータ３０は複数のマニピュレータ３２、３３を備えているが、以下では説明の便宜のため、１組のマニピュレータ３２、３３のみを示している。
スレーブマニピュレータ３０には、前述の術具２００や、不図示の内視鏡装置（以下、「術具２００等」と総称する場合がある。）が取り付けられる。
【００２６】
保持マニピュレータ３２は、複数のロッド３６の端部が、関節部３７を介して互いに回動可能に接続されたものである。保持マニピュレータ３２の下端部はベース３１に設けられたレール３１ａにスライド可能に取り付けられている。一方で、保持マニピュレータ３２の先端、すなわち、ロッド３６の端部に固定された保持部３８には、不図示の着脱機構により術具マニピュレータ３３の後述する本体部４１が着脱可能に取付けられている。各関節部３７にはアクチュエータ３７ａが設けられていて、隣り合うロッド３６のなす角度θ１、θ２を調節することができる。なお、ロッド３６のなす角度θ１、θ２は、関節部３７に設けられたエンコーダなどの関節角度検出センサ３７ｂで検出される。
スレーブマニピュレータ３０に設けられた内視鏡装置は、処置対象物や術具２００の画像を取得して表示装置８０へと出力する。
【００２７】
術具マニピュレータ３３は、図４および図５に示すように、本体部４１と、本体部４１よりも細長く形成され、基端部が本体部４１に接続された挿入部４２とを備えている。
本体部４１は、図５に示すように、ケーシング４４と、ケーシング４４内に収容された移動量検出手段４５、揺動機構４６、および揺動角度検出センサ４７とを備えている。
本体部４１および挿入部４２の内部には、不図示の管材などによりチャンネル５０が形成されている。チャンネル５０は、挿入部４２の先端側に形成された先端開口６８ａ、および、ケーシング４４に形成された基端開口４４ａにそれぞれ連通している。管材において、後述する進退用ローラ５３、５４、および回転用ローラ５７、５８が設けられた部分には不図示の貫通孔が形成されていて、この貫通孔がケーシング４４の内部空間と連通している。
チャンネル５０には、前述の術具２００が挿通可能となっている。
【００２８】
本実施形態では、移動量検出手段４５は、進退移動量検出部５１と、回転移動量検出部５２とを有している。
進退移動量検出部５１は、基端開口４４ａの近傍に術具２００の術具挿入部２１０を挟むように配置された一対の進退用ローラ５３、５４と、進退用ローラ５３の回転角度を検出する長さ検出ユニット５５とを有している。進退用ローラ５３、５４は、チャンネル５０の軸線Ｃ１を含む基準平面Ｓ上で回転するように配置され、ケーシング４４に支持されている。長さ検出ユニット５５は、例えばエンコーダ、演算素子、およびメモリを有している。チャンネル５０に対して術具２００が進退するときには、術具２００の術具挿入部２１０に対して進退用ローラ５３、５４が滑ることなく回転し、エンコーダで進退用ローラ５３の回転角を検出することができる。
さらに、メモリには術具２００の長さ寸法などが記憶されていて、演算素子は、検出した進退用ローラ５３の回転角、およびメモリに記憶された術具２００の長さ寸法から、チャンネル５０に挿通された術具２００の鉗子２０２がチャンネル５０の先端開口６８ａから前方に突出する突出長さ、より詳しくは、術具２００における術具挿入部２１０と鉗子２０２との接続位置Ｐ１が先端開口６８ａから前方に突出する突出長さＬ１を算出することができる。
【００２９】
一方で、回転移動量検出部５２は、術具挿入部２１０を挟むように配置された一対の回転用ローラ５７、５８と、回転用ローラ５７の回転角度を検出する回転検出ユニット５９を有している。回転用ローラ５７、５８は、軸線Ｃ１と平行な軸線周りに回転可能となるようにケーシング４４に支持されている。回転検出ユニット５９は、長さ検出ユニット５５と同様の構成をしていて、エンコーダ、演算素子、およびメモリを有している。術具２００が軸線Ｃ１周りに回転するときには、術具２００の術具挿入部２１０に対して回転用ローラ５７、５８が滑ることなく回転し、エンコーダで回転用ローラ５７の回転角を検出することができる。
さらに、メモリには術具挿入部２１０の外径に対する回転用ローラ５７の外径の比率を表す定数などなどが記憶されていて、演算素子は、検出した回転用ローラ５７の回転角、およびメモリに記憶された定数から、術具２００の軸線Ｃ１周りの回転角度を算出することができる。
これら、突出長さおよび回転角度である処置部移動量は、後述する逆運動学計算部１００に出力される。
【００３０】
揺動機構４６は、軸線Ｃ１に平行に延びるように配置されたウォーム６２と、このウォーム６２に係合するウォームホイール６３をと有している。ウォーム６２は、ケーシング４４に回転可能に、ウォームホイール６３は、ケーシング４４に進退可能に支持されている。
ウォーム６２の基端部には、揺動モータ６４が接続されるとともにケーシング４４に取付けられている。揺動モータ６４によりウォーム６２が軸線Ｃ１に平行な軸線Ｃ２周りに回転することで、ウォーム６２に対してウォームホイール６３を軸線Ｃ１方向に移動させることができる。
揺動モータ６４には、前述の揺動角度検出センサ４７が取り付けられている。揺動角度検出センサ４７には、エンコーダなどを適宜選択して用いることができる。揺動角度検出センサ４７は、揺動モータ６４の回転軸の回転角度α、すなわち、ウォーム６２の軸線Ｃ２周りの回転角度を検出することができる。
【００３１】
挿入部４２は、ケーシング４４の先端面に固定され軸線Ｃ１方向に延びる管状の挿入部本体６７と、挿入部本体６７の先端部に揺動可能に接続された揺動部材６８とを有している。
図示はしないが、挿入部本体６７および揺動部材６８の一方には軸部材が設けられ、他方にはこの軸部材に係合し軸部材周りに移動可能な透孔が形成されている。これにより、挿入部本体６７の先端部に対して揺動部材６８が揺動可能となっている。揺動部材６８の先端面には前述の先端開口６８ａが形成され、この先端開口６８ａにはチャンネル５０が連通している。
【００３２】
揺動部材６８には、チャンネル５０に挿通させた術具挿入部２１０のチャンネル５０に対する位置を固定するクリップ（固定手段）６９が設けられている。この例では、クリップ６９はチャンネル５０の先端部に設けられている。術具挿入部２１０にクリップ６９を取り付けることで、チャンネル５０に対して術具挿入部２１０が軸線Ｃ１方向に移動したり、軸線Ｃ１周りに回転したりするのが規制される。
挿入部本体６７の管路には、コネクティングロッド７０が挿通されている。コネクティングロッド７０の先端部は、平面視において揺動部材６８の揺動中心に対して軸線Ｃ１に直交する方向にずらした位置で揺動部材６８に取付けられ、コネクティングロッド７０の基端部はウォームホイール６３に取付けられている。
このため、揺動モータ６４によりウォームホイール６３を軸線Ｃ１方向に移動させることで、挿入部本体６７に対して揺動部材６８を揺動させることができる。
【００３３】
本実施形態では、ロッド３６、挿入部本体６７、および揺動部材６８は、金属などの材料で略管状に形成されたものが用いられている。これにより、マニピュレータ３２、３３のそれぞれはいわゆる硬性のマニピュレータとなっている。
保持マニピュレータ３２に設けられた各アクチュエータ３７ａ、および、術具マニピュレータ３３に設けられた揺動モータ６４は、制御装置９０から出力される駆動信号に従って動作する。これにより、ベース３１に対して術具マニピュレータ３３のチャンネル５０を移動させるとともに、術具マニピュレータ３３の揺動部材６８を揺動させることができる。
【００３４】
これまで説明した関節角度検出センサ３７ｂで検出される隣り合うロッド３６のなす角度θ１、θ２、および揺動角度検出センサ４７で検出される揺動モータ６４の回転軸の回転角度αである動作部情報から、公知の運動学を解くことで、保持マニピュレータ３２および術具マニピュレータ３３の姿勢が一意に特定され、スレーブマニピュレータ３０の先端、言い換えれば、揺動部材６８の先端開口６８ａにおける位置及び姿勢が特定可能となる。すなわち、関節角度検出センサ３７ｂおよび揺動角度検出センサ４７は、動作部情報算出手段を構成する。
さらに、動作部情報に加えて、前述の術具２００の突出長さＬ１および回転角度を加えて運動学を解くことで、術具２００接続位置Ｐ１における位置及び姿勢を特定することができる。
【００３５】
図１に示すように、表示装置８０は、マスタマニピュレータ１０の検出装置１２と同じ土台に取り付けられており、使用者の前方に設置される。表示装置８０は、内視鏡装置によって取得された画像を表示する表示パネルを有している。表示パネルは、液晶パネルや有機ＥＬパネル等を適宜選択して採用することができる。
【００３６】
図１および図６に示すように、制御装置９０は、検出装置１２と接続された変換処理部９１と、変換処理部９１と接続されているとともにスレーブマニピュレータ３０の各アクチュエータ３７ａおよび揺動モータ６４に接続されたスレーブ制御部（動作制御部）９２と、変換処理部９１およびスレーブ制御部９２に接続された記憶部９３とを備える。
【００３７】
変換処理部９１は、図３に示す検出装置１２から出力された第一座標情報Ａを受け付ける情報取得部９６と、情報取得部９６に接続された操作指令生成部９７とを備える。
情報取得部９６は、被検出体１１に固有の座標系を用いて算出された第一座標情報Ａ（図１参照）を取得して操作指令生成部９７へと出力する。
【００３８】
操作指令生成部９７には、図３に示す検出装置１２から出力された被検出体１１の第一座標情報Ａが情報取得部９６を介して入力される。被検出体１１の第一座標情報Ａは上記所定の発信タイミングに従って操作指令生成部９７に入力され、操作指令生成部９７における被検出体１１のトラッキング情報として操作指令生成部９７に取得される。
【００３９】
操作指令生成部９７は、被検出体１１のトラッキング情報の座標系を、被検出体１１が取り付けられた操作部２２０の座標系へと変換する座標系変換機能を有している。操作部２２０の座標系は、被検出体１１におけるマーカ１５の位置および操作部２２０の形状によって定まる座標系であり、本実施形態では、操作本体２２１と術具挿入部２１０との接続位置Ｐ２（図２参照）を原点とする三次元座標系である。操作部２２０の座標系を特定するための情報は、術具情報として記憶部９３に記憶されており、操作指令生成部９７により適宜参照される。これにより、被検出体１１のトラッキング情報における第一座標情報Ａは、接続位置Ｐ２を原点とする三次元座標系に従った座標情報（以下、「第二座標情報Ｂ」と称する。図２参照）へと変換される。
例えば、座標系の変換は、下記（１）式に示すように変換行列を用いて行なうことができる。
{Ｐｓ}＝{Ｔ}{Ｐｍ}  ・・（１）
【００４０】
上記（１）式において、{Ｐｍ}は被検出体１１に固有の座標系に基づいた被検出体１１の座標であり、{Ｔ}、は術具情報に基づく既知の変換行列であり、{Ｐｓ}は接続位置Ｐ２を原点とする操作部２２０の座標である。
【００４１】
操作指令生成部９７は、図１に示すスレーブマニピュレータ３０および術具２００を動作させるための操作指令をスレーブ制御部９２に対して出力する。操作指令生成部９７が発する操作指令は、例えば、操作対象となるスレーブマニピュレータ３０および術具２００の移動後の位置及び姿勢を示す第二座標情報Ｂを含む。
【００４２】
スレーブ制御部９２は、変換処理部９１に接続された逆運動学計算部１００と、逆運動学計算部１００に接続された駆動量生成部１０１とを備える。
逆運動学計算部１００は、保持マニピュレータ３２に設けられた関節角度検出センサ３７ｂ、および、術具マニピュレータ３３に設けられた揺動角度検出センサ４７から、スレーブマニピュレータ３０のトラッキング情報を取得する。スレーブマニピュレータ３０のトラッキング情報とは、術具２００及びスレーブマニピュレータ３０の位置及び姿勢、並びに、術具２００に設けられた処置部２０１（接続位置Ｐ１）の位置及び姿勢を示す三次元座標系での座標情報（以下「第三座標情報Ｃ」と称する。）である。すなわち、第三座標情報Ｃにおける原点は、術具２００を術具マニピュレータ３３のチャンネル５０に挿通させクリップ６９で固定した状態における接続位置Ｐ１であり、第三座標情報Ｃは、ロッド３６のなす角度θ１、θ２、揺動モータ６４の回転角度α、接続位置Ｐ１の突出長さＬ１、および回転角度を考慮して求められる。
【００４３】
また、逆運動学計算部１００は、操作指令生成部９７からの操作指令に対応して、変換処理部９１から出力された操作指令を、スレーブマニピュレータ３０における各関節部３７におけるロッド３６のなす角度θ１、θ２、揺動モータ６４の回転角度αへと変換して駆動量生成部１０１へと出力する。
なお、逆運動学計算部１００は、必要に応じて、第二座標情報Ｂの座標系と第三座標情報Ｃの座標系とを座標変換により整合させる座標変換機能を有していてもよい。第二座標情報Ｂの座標系と第三座標情報Ｃの座標系とを座標変換により整合させると、内視鏡画像を見て処置部２０１を移動させる使用者が直感的に処置部２０１を移動させることができる。
また、逆運動学計算部１００は、被検出体１１のトラッキング情報における縮尺とスレーブマニピュレータ３０のトラッキング情報における縮尺とを整合させる縮尺変換機能を有していてもよい。
座標変換機能及び縮尺変換機能により、表示装置８０を見て被検出体１１を動かす使用者の動作を、スレーブマニピュレータ３０及び術具２００の動作に適切に反映させることができる。
【００４４】
駆動量生成部１０１は、逆運動学計算部１００から出力された移動角度に対応する各アクチュエータ３７ａおよび揺動モータ６４の駆動量を規定する駆動信号を、各アクチュエータ３７ａおよび揺動モータ６４へと出力し、スレーブマニピュレータ３０による動作を制御する。
【００４５】
次に、本実施形態の手術支援装置１の使用時の動作及び作用について説明する。以下の例では、操作部２２０の接続位置Ｐ２に対する位置及び姿勢と、処置部２０１の接続位置Ｐ１に対する位置及び姿勢とが相似の関係になるように操作部２２０を操作することで、処置部２０１が移動される例で説明する。
手術支援装置１の使用時には、使用者は、図７に示すように、スレーブマニピュレータ３０のチャンネル５０に術具２００を挿入する。このとき、チャンネル５０の先端開口６８ａから鉗子２０２を突出させる。
チャンネル５０に対して、術具２００を進退させたり捻ったりすることで、先端開口６８ａに対する鉗子２０２の位置および向きを調節する。使用者が術具２００を進退させたことによる突出長さＬ１は長さ検出ユニット５５で検出され、術具２００を捻った回転角度は回転検出ユニット５９で検出される。
クリップ６９により、チャンネル５０に対する術具挿入部２１０の先端側の位置を固定する。
【００４６】
検出された突出長さＬ１および回転角度は、逆運動学計算部１００に出力されるが、クリップ６９によりチャンネル５０に対する術具挿入部２１０の位置が固定された後では、突出長さＬ１および回転角度はそれぞれ一定の値となる。
以下では、まず、突出長さＬ１を比較的短く設定した場合について説明する。
【００４７】
術具２００の使用時には、術具２００の操作部２２０を使用者が把持し、図８に示すように、必要に応じて操作部２２０を移動させる。すると、操作部２２０に取り付けられた被検出体１１も操作部２２０と一体に移動し、被検出体１１に設けられたマーカ１５が作業空間Ｑ１内で移動する。このとき、マーカ１５は、図３に示す検出装置１２に設けられた撮影部１６によって撮影されている。
【００４８】
検出装置１２は、作業空間Ｑ１内におけるマーカ１５の位置及び姿勢を検出し、制御装置９０の変換処理部９１へと第一座標情報Ａを出力する。
変換処理部９１では、操作指令生成部９７によって第一座標情報Ａ（被検出体１１のトラッキング情報）に基づいて、第一座標情報Ａが座標変換されてなる上記第二座標情報Ｂを含んだ操作指令（図１参照）が生成される。操作指令生成部９７によって生成された操作指令は、スレーブ制御部９２の逆運動学計算部１００へと出力される。
【００４９】
逆運動学計算部１００では、操作指令に含まれる第二座標情報Ｂと、スレーブマニピュレータ３０から取得したスレーブマニピュレータ３０のトラッキング情報（第三座標情報Ｃ）とを比較する。この比較結果を用いて、逆運動学計算部１００は、保持マニピュレータ３２の位置及び姿勢を制御するための各ロッド３６のなす角度θ１、θ２と、術具マニピュレータ３３の位置及び姿勢を制御するための揺動モータ６４の回転角度αを算出し、駆動量生成部１０１へと出力する。
駆動量生成部１０１では、逆運動学計算部１００から出力された移動角度に従って、スレーブマニピュレータ３０のアクチュエータ３７ａおよび揺動モータ６４の駆動量を規定する駆動信号を生成し、スレーブマニピュレータ３０及び術具２００を移動させる。
【００５０】
これにより、例えば、図８に示すように、操作部２２０の接続位置Ｐ２を回動中心として操作部２２０を回動させることで操作部２２０の姿勢を変化させるような操作を使用者が行った場合には、制御装置９０により以下のように制御される。すなわち、各ロッド３６のなす角度θ１、θ２、揺動モータ６４の回転角度αを調節することで、空間内で処置部２０１の接続位置Ｐ１が移動することなく、操作部２２０の姿勢と鉗子２０２の姿勢とが一致するように術具２００が移動する。
【００５１】
ここで、図９に示すように、突出長さＬ１１を比較的長く設定した場合について説明する。
この場合、突出長さＬ１１が前述の突出長さＬ１より大きいため、突出長さＬ１１が逆運動学計算部１００に出力されることで、各ロッド３６のなす角度θ１、θ２、揺動モータ６４の回転角度αが算出し直され、図８に比べて各ロッド３６および揺動部材６８が大きく移動することで、接続位置Ｐ１が移動することなく術具２００が移動する。
【００５２】
本実施形態では、上述のように鉗子２０２の位置及び姿勢が制御されるので、接続位置Ｐ２に鉗子２０２が固定されているような操作感を得ることができる。すなわち、本実施形態において操作部２２０を操作する使用者は、操作本体２２１の接続位置Ｐ２に鉗子片２０２ａ、２０２ｂが取り付けられた硬性の器具と使用しているような操作感で術具２００を使用することができる。
【００５３】
鉗子片２０２ａ、２０２ｂを開閉操作する場合について説明する。
操作本体２２１に対してスライダ２２５を進退移動させることで、術具挿入部２１０内でワイヤ２０４が進退し、鉗子片２０２ａ、２０２ｂが開閉する。一対の鉗子片２０２ａ、２０２ｂによって組織等を把持したときの感触は、ワイヤ２０４を通じてスライダ２２５に伝達され、スライダ２２５を操作する使用者に操作感として伝わる。
【００５４】
なお、術具２００の突出長さや回転角度を調節する場合は、一度、術具挿入部２１０からクリップ６９を取り外して術具２００を進退させたり、捻ったりして鉗子２０２の位置を調節した後で、術具挿入部２１０にクリップ６９を取り付ける。このとき、移動量検出手段４５により術具２００の突出長さや回転角度が再び検出され、逆運動学計算部１００に出力される。
【００５５】
以上説明したように、本実施形態の手術支援装置１によれば、移動量検出手段４５により術具２００の突出長さＬ１および回転角度を検出し、これらの値を逆運動学計算部１００に出力して各ロッド３６のなす角度θ１、θ２、揺動モータ６４の回転角度αを算出しスレーブマニピュレータ３０を駆動させている。このため、術具２００の突出長さＬ１や回転角度が変化した場合であっても、被検出体１１が取り付けられた操作部２２０の位置及び姿勢と鉗子２０２の位置及び姿勢とを一致させることができ、軟性の術具２００であっても使用者が直感的に操作することができる。
【００５６】
揺動部材６８にクリップ６９が設けられているため、先端開口６８ａから突出する術具２００の突出長さＬ１、および術具２００の回転角度を固定し、術具２００を安定させて処置を行うことができる。
被検出体１１は本体部１４に設けられたマーカ１５を有し、検出装置１２はマーカ１５を用いて第一座標情報Ａを算出する。これにより、比較的簡単な構成で被検出体１１の第一座標情報Ａを算出することができる。
【００５７】
本実施形態では、術具２００の突出長さが変化した場合を例にとって説明したが、術具２００の回転角度が変化した場合も、上記と同様に各ロッド３６のなす角度θ１、θ２や揺動モータ６４の回転角度αを調節することで、被検出体１１が取り付けられた操作部２２０の位置及び姿勢と鉗子２０２の位置及び姿勢とを一致させることができ、使用者が直感的に操作することができる。
【００５８】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図１０および図１１を参照しながら説明するが、前記実施形態と同一の部位には同一の符号を付してその説明は省略し、異なる点についてのみ説明する。
図１０に示すように、本実施形態の手術支援装置における術具マニピュレータ１３３は、第１実施形態の術具マニピュレータ３３に対して、クリップ６９に代えて、チャンネル５０に挿通された術具２００をチャンネル５０の軸線Ｃ１周りに回転させる術具移動部１３４を備えている。
【００５９】
術具移動部１３４は、図１０および図１１に示すように前述の回転用ローラ５８と、回転用ローラ５８をその軸線周りに回転させる回転モータ１３５と、回転モータ１３５の回転軸の回転角度を検出する回転角度検出センサ１３６とを有している。
回転モータ１３５は、ケーシング４４に回転可能に支持されている。回転角度検出センサ１３６には、エンコーダなどを好適に用いることができる。
回転角度検出センサ１３６は逆運動学計算部１００に接続されていて、回転モータ１３５の回転角度の検出結果を、逆運動学計算部１００に出力する。
【００６０】
このように構成された本実施形態の手術支援装置によれば、術具２００が突出する突出長さや回転角度が変わった場合であっても、鉗子２０２を直感的に操作することができる。
さらに、クリップ６９を備えていないため、手技中であっても術具移動部１３４によりチャンネル５０に対して術具２００を移動させて術具２００の回転角度を調節することができ、手技を中断することなく直感的な操作を継続することができる。また、術具２００を軸線Ｃ１周りに回転させる自由度を高めることができる。
【００６１】
なお、本実施形態では、術具移動部１３４は、術具２００を軸線Ｃ１周りに回転させる機構であるとしたが、この限りで無い。例えば、術具移動部がチャンネル５０内で術具２００を軸線Ｃ１方向に進退可能とする機構であるとしてもよいし、術具２００を軸線Ｃ１周りに回転させるとともに軸線Ｃ１方向に進退可能とする機構であるとしてもよい。
【００６２】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について図１２を参照しながら説明するが、前記実施形態と同一の部位には同一の符号を付してその説明は省略し、異なる点についてのみ説明する。
図１２に示すように、本実施形態の手術支援装置２は、第１実施形態のマーカ１５を有する被検出体１１に代えて、操作部２２０に取り付けられるアダプタ１５１を有している。
【００６３】
アダプタ１５１と操作部２２０とは、環状部材（中間部材）１５２を介して連結される。
また、手術支援装置２は、撮影部１６および画像認識部１７を備えた検出装置１２に代えて、アダプタ１５１に連結された多関節アーム１５６と、多関節アーム１５６の位置及び姿勢を検知する位置姿勢検知部１５７とを備えた検出装置１５５を備える。
【００６４】
位置姿勢検知部１５７は、多関節アーム１５６の各関節の移動角度を検知するエンコーダ等の角度検知器を備え、各角度検知器から出力された角度の情報に基づいてアダプタ１５１における前述の第一座標情報（被検出体情報）を取得する。
また、検出装置１５５は、第１実施形態の出力部１８と同様の出力部を有し、この出力部を通じて変換処理部９１へとアダプタ１５１のトラッキング情報を出力することができる。
本実施形態では、第１実施形態において作業空間Ｑ１内におけるマーカ１５を検出すること（図３参照）に代えて、多関節アーム１５６を用いてアダプタ１５１、および、アダプタ１５１に連結された操作部２２０の位置及び姿勢を特定する。
【００６５】
このように構成された本実施形態の手術支援装置２においても、第１実施形態の手術支援装置１と同様の効果を奏する。
また、本実施形態では、マーカ１５が障害物に遮蔽されて撮影部１６に撮影されなくなることはないので、確実にアダプタ１５１のトラッキング情報を得ることができる。
【００６６】
以上、本発明の第１実施形態から第３実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の構成の変更なども含まれる。さらに、各実施形態で示した構成のそれぞれを適宜組み合わせて利用できることは、言うまでもない。
たとえば、前記第１実施形態から第３実施形態では、マニピュレータは硬性であるとしたが、例えば、図１３に示すように、術具マニピュレータ１４３としていわゆる軟性のマニピュレータを用いてもよい。
この例では、挿入部本体１４４は、樹脂などの軟性の材料で形成されている。挿入部本体１４４の先端面には、一対の先端関節部１４５が設けられている。先端関節部１４５および挿入部本体１４４内にはチャンネル１４６が形成され、チャンネル１４６は先端関節部１４５の先端に形成された先端開口１４５ａに連通している。
挿入部本体１４４の先端面には、ＣＣＤなどの撮像素子を有する観察ユニット１４７が露出した状態で設けられていて、術具マニピュレータ１４３は、内視鏡として用いられる。
このように、術具マニピュレータ１４３が軟性として構成されていても、チャンネル１４６に挿通され先端開口１４５ａから突出する術具２００の突出長さを検出し、内視鏡画面上での位置及び姿勢と操作部２２０の位置及び姿勢とが一致するように先端関節部１４５の動作を制御することで、前記実施形態と同様の効果を奏することができる。
【００６７】
前記第１実施形態から第３実施形態では、移動量検出手段４５が処置部移動量として突出長さおよび回転角度の両方を検出するとしたが、突出長さおよび回転角度の一方を検出するように構成してもよい。例えば、局注針などのように軸線に対して回転対称となる術具を用いる場合には、術具の回転角度は検出しなくてもよい。
【符号の説明】
【００６８】
１、２  手術支援装置
１１  被検出体
１２、１５５  検出装置（検出部）
１４  本体部
１５  マーカ
３０  スレーブマニピュレータ（動作部）
４５  移動量検出手段
５０  チャンネル
６８ａ、１４５ａ  先端開口
６９  クリップ（固定手段）
９２  スレーブ制御部（動作制御部）
１３４  術具移動部
１５１  アダプタ
１５６  多関節アーム
１５７  位置姿勢検知部
２００  術具
２０１  処置部
２１０  術具挿入部
２２０  操作部
Ａ    第一座標情報（被検出体情報）
Ｃ１  軸線
【図１】
2014008374.tif 000003
【図２】
2014008374.tif 000004
【図３】
2014008374.tif 000005
【図４】
2014008374.tif 000006
【図５】
2014008374.tif 000007
【図６】
2014008374.tif 000008
【図７】
2014008374.tif 000009
【図８】
2014008374.tif 000010
【図９】
2014008374.tif 000011
【図１０】
2014008374.tif 000012
【図１１】
2014008374.tif 000013
【図１２】
2014008374.tif 000014
【図１３】
2014008374.tif 000015