(57)【要約】【課題】  臓器モデルを用いた穿刺針の制御方法において、進路を修正する際に穿刺目標部位が変位することを考慮していないと、針の進路修正が穿刺目標部位の変位に対して常に後追いとなる。そのため、穿刺精度が向上しないという問題がある。【解決手段】  検知手段により取得された前記穿刺針の前記位置の情報により前記穿刺針の目標軌道からの誤差を補償する制御信号を出力する目標軌道誤差補償制御フィルタと、臓器の特性を表すモデルに基づき初期の制御パラメータが決定される目標変位補償制御フィルタと、目標軌道誤差補償制御フィルタと前記目標変位補償制御フィルタとの出力を加算した加算信号を出力する加算器とを備える穿刺制御装置により解決する。【選択図】  図１
2014004212.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マニピュレータにより、制御力および制御トルクが制御され、臓器の目標部位に向けて移動する穿刺針と、
前記穿刺針の位置の情報を取得する検知手段と、
前記臓器の中での前記穿刺針の進行によって変化する臓器の情報を取得する画像取得手段とを具備する臓器穿刺システムにおいて前記穿刺針の先端の位置を制御する信号を前記マニピュレータに入力する穿刺制御装置であって、
前記穿刺制御装置は、
前記検知手段により取得された前記穿刺針の前記位置の情報により前記穿刺針の目標軌道からの変位を補償する信号を出力する目標軌道誤差補償制御フィルタと、
前記臓器の特性を表すモデルに対応させて初期の制御パラメータが決定され、目標変位補償制御フィルタと、
前記目標軌道誤差補償制御フィルタが出力する信号と前記目標変位補償制御フィルタが出力する信号とを加算した信号を出力する加算器とを備え、
前記穿刺針は、前記加算器が出力した信号により制御力および制御トルクが制御されて前記臓器の中を進行して前記臓器の状態量を変化させ、
前記目標軌道誤差補償制御フィルタと前記目標変位補償制御フィルタのそれぞれの制御パラメータは、画像取得手段によって取得される前記臓器の状態量によって更新され、
制御パラメータが更新された前記目標軌道誤差補償制御フィルタおよび前記目標変位補償制御フィルタから出力され前記加算器で加算された信号は、前記目標部位の変位を最小にする信号であることを特徴とする穿刺制御装置。
【請求項２】
前記検知手段が取得する前記穿刺針の位置の情報および前記画像取得手段により取得された臓器の状態量に重み関数を乗じるフィルタを備えることを特徴とする請求項１に記載の穿刺制御装置。
【請求項３】
マニピュレータと、
前記マニピュレータにより、制御力および制御トルクが制御される臓器の目標部位に向けて移動する穿刺針と、
前記穿刺針の位置の情報を取得する検知手段と、
前記臓器の中での前記穿刺針の進行によって変位する前記目標部位の位置を画像として取得する画像取得手段と、
請求項１又は２のいずれか一項に記載の穿刺制御装置とを備える臓器穿刺システム。
【請求項４】
臓器の目標部位に向けて移動し、前記臓器の中での進行によって前記臓器の状態を変化させる穿刺針の位置を制御する制御方法であって、
前記制御方法は、
前記穿刺針の位置の情報により前記穿刺針の目標軌道からの変位を補償する目標軌道補償信号と前記臓器の中における穿刺目標部位の変位の位置に応じた目標部位補償信号とを加算した加算信号により、前記穿刺針に付与される制御力及び制御トルクを制御する工程と、を備え、
前記目標軌道補償信号と前記目標部位補償信号とをそれぞれ生成する制御パラメータは、前記臓器の状態量によって更新され、
前記制御パラメータが更新された前記加算信号は、前記目標部位の変位を最小にする信号であることを特徴とする穿刺制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロボット技術を用いた穿刺制御装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
低侵襲治療は、患者の身体的負担が少なく、術後の内科的処置の削減やリハビリテーション期間の短縮を図ることができる効果的な治療法である。経皮的な低侵襲治療法として、穿刺針を直接臓器内の腫瘍組織に到達させて、ラジオ波、マイクロ波、レーザーなどにより腫瘍組織を壊死させる局所治療が注目されている。また、超音波やＣＴあるいはＭＲＩといった機器で腫瘍の位置を確認しながら、皮膚に穿刺針を刺し、針が腫瘍内部に到達したことを確認できる穿刺装置が知られている。
【０００３】
穿刺制御装置では、穿刺針の先端が臓器の組織内の穿刺目標部位(たとえば、腫瘍組織)に正確に到達することが要求されている。しかし、穿刺作業では、穿刺誤差を生じるため、医師の技術や試行錯誤を必要とする上、また画像ガイダンスをもってしても難しい。穿刺誤差としては、たとえば、目標軌道誤差や、目標変位誤差のようなものが挙げられる。
【０００４】
目標軌道誤差は、穿刺針自体が臓器の組織内を進行する際の抵抗で変形するが、その変形が穿刺経路における組織の不均一性により一定でないために、針の進行方向が変位する誤差である。目標変位誤差は、臓器の組織内を進行する際に、針が臓器に与える力で臓器の組織が変形したり、また患者の姿勢に対して重力方向が変化することによって組織が変形して、目標部位が移動してしまうことにより生じる誤差である。
【０００５】
このような穿刺誤差は、穿刺針の先端が臓器の組織内の穿刺目標部位に正確に到達しない、または穿刺目標部位が移動することにより針が穿刺目標部位に至るまでの経路が予定経路と大きくなるなどの問題を生じる。
【０００６】
従来の穿刺制御装置では、針の進路を修正する際に、針先の力が臓器組織を通して穿刺目標部位に伝わることで、穿刺目標部位が変位する穿刺誤差が考慮されていなかった。そのため、穿刺目標部位が変位する毎に、進路修正を行なっていく装置や方法がある。
【０００７】
たとえば、特許文献１では、一般的なヒトの肝臓の各種情報（一般情報）を、穿刺対象患者の個体差に応じた個体情報に補正する穿刺制御装置が開示されている。この穿刺制御装置では、個体情報から得られたモデルによる情報と力センサ及び画像取得装置によって得られた力情報及び視覚情報とを複合して針の進路を決定し、アクチュエータに駆動指令を行う。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００６−２７１５４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１で開示される技術によれば、図９(a)に示すように、針２１が目標部位に至るまで、以下のステップをとる。図９(a)は、特許文献１に開示される技術において、穿刺針が目標部位にいかに到達するかを概念的に表した図である。
【００１０】
まず、針２１が臓器内に侵入していない状態で確認される目標部位の位置Ｔ１に向かって、臓器Ｏに針２１が差し込まれる。臓器Ｏに針２１が差し込まれて進行すると（Ｐ１）、その際の臓器外郭に与える力および侵入して針２１が進行する力によって臓器が変形し、目標部位の位置Ｔ１が位置Ｔ２へと変位する。
この変位に合わせ、後続の制御ステップでは、移動した目標部位Ｔ２に向けて針が進路をＰ２へと変更する。そして、その進行による針２１の押圧で生じる臓器の変形で、目標部位の位置Ｔ２が位置Ｔ３へと変化し、この移動によって針２１が進路をＴ３へと変更する。その後、同様に、針２１が進路をＰ３へと変更すると目標部位の位置Ｔ３が位置Ｔ４へと変化し、針２１が進路をＰ４へと変更すると目標部位の位置Ｔ４が位置Ｔ５へと変化する。
【００１１】
このように、特許発明１で代表されるように進路を修正する方法では、実際の穿刺目標部位の変位は次の制御ステップにおける画像取得で認識され、再び針の進路が修正されることになる。この方法では、針の進路修正が穿刺目標部位の変位を許し、その変位に対して針の進路が常に後追いとなる。その結果、進路が振動的になったり、収束に時間を要するため、正常な組織を傷つけたり、最終的な穿刺精度が向上しないという問題がある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の目的は、マニピュレータにより、制御力および制御トルクが制御され、臓器の目標部位に向けて移動する穿刺針と、前記穿刺針の位置の情報を取得する検知手段と、前記臓器の中での前記穿刺針の進行によって変化する臓器の情報を取得する画像取得手段とを具備する臓器穿刺システムを構成し、前記穿刺針の先端の位置を制御する信号を前記マニピュレータに入力する穿刺制御装置であって、前記穿刺制御装置は、前記検知手段により取得された前記穿刺針の前記位置の情報により前記穿刺針の目標軌道からの変位を補償する信号を出力する目標軌道誤差補償制御フィルタと、前記臓器の特性を表すモデルに対応させて初期の制御パラメータが決定される目標変位補償制御フィルタと、前記目標軌道誤差補償制御フィルタが出力する信号と前記目標変位補償制御フィルタが出力する信号とを加算した信号を出力する加算器とを備える穿刺制御装置を提供することにある。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、穿刺目標部位の変位を最小限に抑えながら、穿刺針を到達させることができる。これにより、正常な組織を傷つけることなく、高精度に穿刺を行うロボットを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明における臓器穿刺システムの構成を示す図である。
【図２】本発明において、穿刺針と、臓器の目標部位との関係を示した図である。
【図３】本発明における拡大システムを示すブロック図である。
【図４】本発明における一般化プラントを示すブロック図である。
【図５】本発明における制御系を示すブロック図である。
【図６】(a)は本発明において、ニードルロボットの穿刺針がy座標の負方向に軌道から外れ、穿刺目標部位がy座標の負方向の位置に移動している場合を示した図である。(b)は、本実施例において、ニードルロボット３１の穿刺針２１がy座標の負方向に軌道から外れ、穿刺目標部位の変位がy座標の正方向に移動している場合を示した図である。
【図７】本発明における制御系全体を示すブロック図である。
【図８】本発明における制御シーケンスを示すフローチャートである。
【図９】(a)は特許文献１に開示される穿刺制御装置において、穿刺針の進行経路と、臓器の目標部位の移動の様子を示した概念図であり、(b)は、本発明を適用した穿刺制御装置において、穿刺針の進行経路と、臓器の目標部位の移動の様子を示した概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下では、図１から図７を参照して、本発明の穿刺針制御装置およびそれを具備する臓器穿刺システムについて説明する。
【００１６】
図１は、臓器穿刺システムの概略の模式図を示す。臓器穿刺システムは、穿刺制御装置１とニードルロボット３１と、画像取得手段３３と、検知手段３４とを具備する。穿刺制御装置１は、記憶手段２と、演算手段３とを備える。ニードルロボット３１は、穿刺針２１と、たとえばアクチュエータを有する多関節のマニピュレータ３２とを備える。マニピュレータ３２は、その先端に穿刺針２１を把持する。穿刺制御装置１は、記憶手段２に格納した制御モデルにおいて、演算手段３により制御入力およびモデルの制御パラメータの更新などを行なって穿刺針２１の先端の位置を制御する信号をマニピュレータ３２に入力する。
【００１７】
画像取得手段３３は、臓器の中での穿刺針２１の進行によって変化する臓器の情報を取得する。検知手段３４は、時々刻々と変化する穿刺針２１の臓器の情報を画像として取得することが可能である。画像として取得される臓器の情報は、臓器の変形の具合や、穿刺針２１の目標部位の位置の情報などを含む。また、臓器の情報は、角度センサから取得することも可能である。
【００１８】
図２は、穿刺針２１の軌道制御と穿刺目標部位の位置変化の抑制の同時制御の概念を示している。臓器は要素および節点がそれぞれ任意の個数の有限要素モデルとすることができ、図２では、要素および節点を省略して表した有限要素モデルである臓器モデル２２として表現しているものとする。穿刺針２１は、第ne節点から臓器モデル２２内に侵入し、その先端は第nt節点に至っているものと仮定する。穿刺針２１は第nb節点の目標部位の位置２３に向けて進行する。しかし、穿刺針２１の押圧力によって、実際の目標部位第nb節点は、変位量(shift)をもって位置２３に、位置２４から移動する。図２では、穿刺針２１の臓器への侵入により、臓器モデル２２への初期の穿刺目標部位の位置２３が、穿刺目標部位の初期位置２４から移動したことを表している。また、この変位量は、画像取得手段３３によって、変位unb,vnbとして取得される。穿刺針２１の先端の位置は、検知手段３４によって検知され取得される。
【００１９】
本発明では、従来の穿刺針制御装置と異なり、穿刺目標部位の位置変化の抑制を行なおうとするものである。したがって、ニードルロボット３１の特性に加えて、臓器モデル２２の特性を合わせて取り込む必要がある。そこで、穿刺制御装置１の記憶部に格納されるニードルロボット３１のモデルに、以下のとおり臓器モデル２２を含めて、拡大システム２５としてモデリングを行なう。
【００２０】
１）モデリング
ニードルロボット３１の質量、重心周りの慣性モーメントをそれぞれmn, Jnとする。本発明では、穿刺針２１の重心の変位xn, ynおよび回転角度θnのそれぞれに対して、穿刺針２１に付与されるx方向の制御力fx,と、y方向の制御力fyと、穿刺針２１に付与される重心周りの制御トルクtnとが、任意に印加するものとして説明する。このとき、穿刺針２１の運動方程式は、式(1)により表される。
【数１】
2014004212.tif 000003
【００２１】
ここで、
【数２】
2014004212.tif 000004
とおくとニードルロボットの状態方程式、出力方程式は、式(2)と式(3)のようになる。
【数３】
2014004212.tif 000005
【００２２】
つぎに、臓器モデル２２は、要素数m、節点数nの有限要素モデルとする。この有限要素分割された各接点に剛性パラメータ，質量パラメータ，減衰パラメータを配分し、臓器の特性を表す剛性マトリクスをK、質量マトリクスをM、減衰マトリクスCをもつ臓器モデル２２として構成する。第n節点のx，y方向の変位をun,vnとし、作用する節点力をfxn，fynとすると、全体の節点変位ベクトルδおよび節点力ベクトルfは、以下のようにと表せる。
【数４】
2014004212.tif 000006
【００２３】
これを用いて、運動方程式を表すと、以下の式（４）となる。
【数５】
2014004212.tif 000007
ここで、式（４）の第2項、第3項は、臓器モデル２２が節点の各変位によって、剛性，減衰が変動する非線形系であることを示している。
【００２４】
本実施例では、ニードルロボット３１の穿刺針２１の先端の力が臓器モデル２２の第nt節点のみに印加するとすれば、節点力fは行列表記で、式（５）のように表される。
【数６】
2014004212.tif 000008
【００２５】
ここで、
【数７】
2014004212.tif 000009
とおくと臓器モデルの状態方程式は式(6)となる。
【数８】
2014004212.tif 000010
【００２６】
また、第nb節点が穿刺目標部位であるとし、その変位unb，vnbがＭＲＩなどの画像取得手段により観測可能であるとすると、出力方程式を式(7)とすることができる。
【数９】
2014004212.tif 000011
【００２７】
つぎに、ニードルロボットと臓器モデルの拡大システム２５の状態量を
【数１０】
2014004212.tif 000012
とおくと、拡大システム２５の状態方程式、出力方程式は、それぞれ式(8)と式(9)となる。
【数１１】
2014004212.tif 000013
【数１２】
2014004212.tif 000014
【００２８】
式(8)から、ニードルロボット３１への制御入力は、ニードルロボット３１（マニピュレータ３２のアクチュエータ）を駆動することに加えて、臓器モデル２２を変更可能なことを示している。これにより、好適に制御入力を決定することにより、ニードルロボット３１の変位と臓器モデル２２での穿刺目標部位の位置２３の変位とを同時に調整することが可能であり、正確な穿刺を行うことができる。制御入力の導出方法については次に説明する。
【００２９】
図３に拡大システム２５のブロック線図を示す。拡大システム２５のモデルは式（８）で示されるモデルである。拡大システム２５は、式(2)のニードルロボット３１のブロック２６と、式(6)の臓器モデル２２のブロック２７とを具備する。信号パス２８は臓器モデル２２の力が印加される節がブロック２６の出力により変更されることを示している。信号パス２９は、ブロック２７の臓器モデル２２の剛性マトリクスをK，質量マトリクスをM，減衰マトリクスCを変更する。
【００３０】
２）穿刺針制御装置制御系
本発明では、まずニードルロボット３１の穿刺針２１の先端が穿刺目標部位の位置２３まで到達する目標軌道をまず設定する。そして、ニードルロボット３１が目標軌道に追従しながらも、穿刺目標部位の位置２３の変位を最小限に抑えること実現する制御系の設計を行う。制御系の設計方法は各種知られているが、本実施例では、H∞制御系による設計方法を示す。まず、H∞制御系設計のために一般化したプラントモデルを用意する。図４は、そのプラントモデルを示す。ここで、w1,w21,w22は外部入力、z1,z21,z22は制御量であり、Wt,Ws1,Ws2は重み関数のフィルタ４１，４２，４３である。特に、z21,z22はそれぞれ、ロボットの軌道追従性能、穿刺目標部位の変位に対する制御量である。重み関数を設計し、外部入力w1からの制御量z21,z22を評価することによって、軌道追従誤差と穿刺目標部位の変位の最小化を同時に実現する。設計するべき制御系は、そのプラントモデル（実際には、実プラント）に接続されることを考慮し、yおよびyoを入力とし、制御入力uを出力とするように設計する。そして、外部入力wnから制御量zmまでのプラントモデルと制御系からなる閉ループ系の伝達関数をGzmwnと表記すると、H∞制御系は以下の式(10)として表された評価関数を用いて設計される。
【数１３】
2014004212.tif 000015
【００３１】
ここで、Gz21w1は、図４に示したプラントモデルにおいて、制御入力uからニードルロボット３１の穿刺針２１の先端の位置yまでの整定関数に重み関数Ws1を乗じた伝達関数を表す。これの∞ノルム最小化するように制御系を求めることによってニードルロボットの軌道追従を実現する。またGz22w1は、制御入力uから穿刺目標部位yoまでの整定関数に重み関数Ws2を乗じた伝達関数を表し、これの∞ノルムを最小化するように制御系を求めることによってニードルロボットの制御入力により穿刺目標部位の変位を抑えることができる。(10)式により、Gz21w1 とGz22w1を同時に評価することで、軌道追従と穿刺目標部位の変位を同時に制御する制御系を導出する。式(10)において、γは正数であり、なるべく小さな値となるように制御系を求める。なお、モデル誤差などを考慮する場合はすべての評価パスGz1w1を用いても良い。制御系は以下に示す状態方程式で実現される。ここで、xkは制御系の状態量である。
【数１４】
2014004212.tif 000016
【００３２】
図５に、設計された制御系１０のブロック線図を示す。制御系１０は式(11),(12)で表される状態方程式、出力方程式に対応する。制御系１０は、目標軌道誤差補償制御ブロック７と、目標変位補償制御ブロック８と、加算器１３とを備える。まず、目標軌道の位置ｒと実際の穿刺針２１の位置ｙとの差を表す差信号入力（r−y）が穿刺針２１の位置ｙの信号が目標軌道の位置ｒに近づくように目標軌道誤差補償制御ブロック７に入力される。そして、目標軌道誤差補償制御ブロック７は差信号入力（r−y）を小さくなるような穿刺針２１の位置に応じたニードルロボット３１の軌道追従誤差を補償する制御入力である目標軌道補償信号u'を生成し出力する。また、穿刺針２１の位置ｙによって変化する実プラントの状態量xwによって、穿刺針２１が臓器の中を進行している状態の臓器の実特性を表すように目標変位補償制御ブロック７の制御パラメータが更新される。制御パラメータが更新された目標軌道誤差補償制御ブロック７は、差信号入力（r−y）に対して、実際の状態の実プラントの状態量xwに合うように、目標軌道補償信号u'を生成し出力することが可能となる。目標軌道補償信号u'は、穿刺針２１の位置に応じたニードルロボット３１の軌道追従誤差を補償する制御入力となっている。
【００３３】
目標変位補償制御ブロック８は、臓器の特性を表す臓器モデルに対応し、前記臓器モデルに基づいて初期の制御パラメータが決定される。穿刺針２１の位置ｙの信号が目標変位補償制御ブロック８に入力されると、目標変位補償制御ブロック８は穿刺針により臓器内における穿刺目標部位の変位を最小化するため目標部位補償信号u''を生成し出力する。目標変位補償制御ブロック８は、実プラントの状態量xwによって、穿刺針２１が臓器の中を進行している状態の臓器の実特性を表すように目標変位補償制御ブロック８の制御パラメータが、更新される。制御パラメータが更新された目標変位補償制御ブロック８は、位置ｙの信号に対して、実際の状態の実プラントの状態量xwに合うように、臓器内における穿刺目標部位の変位の位置に応じた目標部位補償信号u''を生成し出力することが可能となる。
加算器１３は、目標軌道誤差補償制御ブロック７の出力u'と目標変位補償制御ブロック８との出力u''の和である制御入力uを演算する。制御入力uが目標軌道誤差補償制御ブロック７および目標変位補償制御ブロック８に入力されると、穿刺針２１の位置を制御するようにニードルロボット３１のアクチュエータを駆動する。それに伴って、加算器１３の加算信号である制御入力uが目標変位補償制御ブロック８に入力される。そして、その入力に応じて、制御力および制御トルクで穿刺針が進行することによって目標部位の位置が変化する。それを画像取得手段３３によって変化する実プラントの状態量xwとして取得する。実プラントの状態量xwによって、穿刺針２１が臓器の中を進行している状態の臓器の実特性を表すように目標変位補償制御ブロック８（臓器モデル）の制御パラメータが更新されることを示す。
【００３４】
具体的には、図１の穿刺針制御装置１の記憶手段２または演算手段３において目標軌道誤差補償制御ブロック７は目標軌道誤差補償制御フィルタとして、目標変位補償制御ブロック８は目標変位補償制御フィルタとして構成可能である。以下、それぞれ、目標軌道誤差補償制御フィルタ７および目標変位補償制御フィルタ８として説明する。
【００３５】
ここで、目標軌道補償信号u'と、目標部位補償信号u''と、加算信号uの成分を考える。目標軌道補償信号u'，目標部位補償信号u''，加算信号uは、それぞれ、u=[fx, fy, tθ]T、u'=[fx' fy' tθ']T、u=[fx, fy, tθ]Tを成分量として有するベクトル量として表される。以下、この制御系の働きを説明する。実際には、制御系はニードルロボット３１の状態と臓器モデルの状態により複雑に制御入力ベクトルu'の各成分およびu''の各成分が出力され加算された加算信号uが出力される。ここでは、簡単のために、特に制御トルクtθのみを取り上げて説明するが、他の成分である穿刺針２１に付与される制御力fx，fy も同様である。
【００３６】
まず、ニードルロボット３１の穿刺針２１の先端が、臓器の抵抗による穿刺誤差により、図６(a)のようにy座標の負方向に軌道から外れ、穿刺目標部位の位置２３がy座標の負方向の位置２４に移動しているケースを例にとる。この場合、目標軌道誤差補償制御フィルタ７はニードルロボットを軌道に追従させるため、制御トルクtθ'に正の値を出力する。また、目標変位補償制御フィルタ８では、ニードルロボット３１への制御入力により穿刺目標部位の変位を０にしようと働くためtθ''に正の値を出力する。この２つの信号が加算器１３によって加算されるため、制御パラメータが更新された目標変位補償制御ブロック８によって、穿刺目標部位の変位を最小にするように、入力信号を生成する。これにより、ニードルロボットの軌道制御に加えて穿刺目標部位の変位を最小に抑える制御が実現される。
【００３７】
つぎに、ニードルロボット３１の穿刺針２１の先端が、図６(b)のようにy座標の負方向に軌道から外れ、穿刺目標部位の変位がy座標の正方向に移動しているケースを例にとる。この場合、目標軌道誤差補償制御フィルタ７はニードルロボットを軌道に追従させるため、制御トルクtθ'に正の値を出力する。しかし、目標変位補償制御フィルタ８はニードルロボットへの制御入力により穿刺目標部位の変位を０にしようと働くためtθ''に負の値を出力する。
【００３８】
すなわち、これらの例のように、目標変位補償制御ブロック８の制御パラメータは臓器モデル２２によって変更され、穿刺目標部位の変位を目標部位の移動方向と反対方向に移動させる入力u''=[fx'' fy'' tθ'']Tを発生可能となる。
【００３９】
そして、これらの２つの信号は加算器１３によって加算されるため、結果的にニードルロボット３１を駆動する制御トルクtθはニードルロボット単体の駆動を考慮しているtθ'よりも小さな値に減ざれる。穿刺目標部位の変位はなるべく初期の位置を保つような方向に移動させる入力u''=[fx'' fy'' tθ'']Tを、ニードルロボット３１のアクチュエータへの制御入力u'=[fx' fy' tθ']Tに加算器１３によって加算することができる。
【００４０】
この結果、穿刺目標部位の変位を最小にして、ニードルロボットは緩やかに軌道に復帰する動作が実現される。臓器の特性はニードルロボットの位置により変動するため、制御トルクtθの穿刺目標位置に対する影響が低減される位置において速やかな軌道の復帰が行われる。それでも軌道の復帰が緩やかすぎる場合は、数値シミュレーションを行い重み関数Ws1,Ws2を調整すればよい。
【００４１】
前記、図６(a)および図６(b)の場合には、ニードルロボット３１の穿刺針２１の先端が、図６(b)のようにy座標の負方向に軌道から外れた場合を説明した。ニードルロボット３１の穿刺針２１の先端がy座標の正方向に軌道から外れた場合も、同様である。この場合には、上記のtθ''の値の正負を逆に読み替えればよい。
【００４２】
図７では、拡大システム２５の制御系に、穿刺システムの実プラント４０を適用する際のブロック線図を示す。ここで、実プラント４０は、式(8)で示した拡大システム２５に対応し、システム行列および制御入力行列が状態量で変動する時変システムとなる。
【００４３】
図７では、図５で示した設計された制御系１０の制御入力が実プラント４０に入力される。図５で示したとおり、制御系１０は、目標軌道誤差補償制御ブロック７と、目標変位補償制御ブロック８と、加算器１３とを備える。目標変位補償制御フィルタ８では、前記臓器の特性を表すモデルに対応させて初期の制御パラメータを決定しておく。加算器１３は、目標軌道誤差補償制御ブロック７の出力u'と目標変位補償制御ブロック８との出力u''の加算信号である制御入力uを演算する。制御入力uが実プラントであるニードルロボット３１のマニピュレータ３２に入力され穿刺針２１の制御力および制御トルクとして出力される。制御力および制御トルクによって制御される穿刺針２１によって、臓器が変形し目標部位が変移するなど臓器の特性が変化する。これを画像取得手段３３により状態量として取得する。取得された状態量は、目標軌道誤差補償制御フィルタ７と目標変位補償制御フィルタ８へ入力される。目標軌道誤差補償制御フィルタ７と前記目標変位補償制御フィルタ８のそれぞれの制御パラメータは、入力された状態量によって更新される。加算器１３での加算信号に応じて付与される制御力および制御トルクで穿刺針２１が進行することで変化する臓器の状態量により、目標軌道誤差補償制御フィルタ７と前記目標変位補償制御フィルタ８のそれぞれの制御パラメータが時系列で逐次更新されることになる。すなわち、変化する臓器の状態量によって、制御パラメータが更新されることで、加算信号uは、穿刺する目標部位の変位を最小にするとともに、穿刺針２１が緩やかに軌道に復帰させる入力信号となる。
【００４４】
また、図４のプラントモデルに示した制御量z21,z22のパスにおける重み関数のフィルタを図７の実プラント４０の出力ラインに加えることができる。このフィルタは、検知手段３４が取得する穿刺針２１の位置の情報および画像取得手段３３により画像として取得された臓器の情報により画定される状態量の出力に重み関数を乗じるものである。これにより、目標軌道誤差補償制御フィルタ７と前記目標変位補償制御フィルタ８のそれぞれの制御パラメータを更新する際に、穿刺針２１に穿刺針２１に付与される制御力および制御トルクが与える影響を変化させることが可能となる。
【００４５】
３）穿刺針制御装置の制御シーケンス
H∞制御理論は時変システムの制御性能を補償しない。そこで、次のような制御シーケンスを用いて穿刺制御を行う。この穿刺制御の制御シーケンスについて、図８に示したフローチャートを参照しながら、各ステップについて以下説明する。本実施例ではフィードバック制御系をH∞制御系で設計する例を示したが、最適制御やモデル予測制御等であっても構わない。
【００４６】
１．穿刺目標部位と穿刺部位を結ぶ軌道を生成する(S01)。
２．ニードルロボット先端を臓器モデルの穿刺部位に相当する第ne節点(une, vne)に移動する(S01)。
３．ニードルロボットの力が印加される第nt節点を第ne節点に設定する(S01)。拡大システムの状態量xwを初期化する（S01）。目標変位補償制御フィルタ８において、前記臓器の特性を表すモデルに対応させて初期の制御パラメータを決定する。
４．式(8)の拡大システムモデルを導出する。制御系導出のために、拡大システムモデルを更新する(S02)。更新では、モード打ち切り法等により低次元化する。
５．式(10)の評価関数に基づく制御系を導出する(S03)。
６．ニードルロボットの変位yと臓器の穿刺目標部位の変位yoを角度センサや画像などを用いて取得する(S04)。
７．ニードルロボットの穿刺針２１の先端が臓器の目標部位に到達した場合には終了し、目標位置に到達していない場合には、ステップを継続する(S05)。
８．変位情報y, yoと式(12)を用いて制御入力uを生成する(S06)。
９．拡大システムモデルに制御入力uを印加し(S07)、状態量xwを演算する(S08)。
10．ニードルロボット３１にサンプリング時間Δtの期間、制御入力uを印加し駆動する(S09)。画像取得装置により、穿刺針２１の臓器の中での進行によって変位する目標部位の変位情報を取得する(S08)。また、検知手段により穿刺針２１の先端部分の位置の情報を取得する(S08)。
11．拡大システムモデルを用いてニードルロボットの穿刺針の先端部分の応力等を演算し、または同時にモデルの変位情報を比較し、ニードルロボットの先端の変位が、臓器モデル２２の第何節に相当するかを同定する。
12．拡大システムモデルを更新するステップに戻る(S02)。
【００４７】
上記説明したとおり、本発明の臓器穿刺システムでは、図９(b)に示すように、以下のステップをとる。図９(b)は、本実施例を適用する装置および方法において、穿刺針２１が目標部位にいかに到達するかを概念的に表した図である。
【００４８】
まず、穿刺針２１が臓器の中に侵入していない状態で確認される目標部位の位置Ｔ１に向かって、臓器Ｏに針２１が差し込まれる。臓器Ｏに針２１が差し込まれて進行すると（Ｐ１）、その際の臓器外郭に与える力および侵入して針２１が進行する力によって臓器が変形し、目標部位の位置Ｔ１が位置Ｔ２へと変位することが予測される。この変位を予測し、後続の現実の制御ステップでは、状態変数によって臓器モデルを更新し、その出力によって、移動すると予測される方向の目標部位Ｔ２に向けた進路をＰ２へと変更する。これにより、目標部位はＴ１側に戻る側に変位する。
【００４９】
またその変位が、たとえば、逆に、初期の目標部位Ｔ１を超える場合には、移動すると予測される方向の目標部位Ｔ３に向けた進路をＰ３へと変更し、目標部位はＴ１側に戻る側に変位する。
【００５０】
本発明臓器穿刺システムでは、目標部位が初期の位置を保つような最短の距離となるように穿刺針２１の進行方向を決定し、正確に穿刺針２１を目標部位に到達させることができるよう穿刺制御装置がニードルロボット３１の動作を制御することができる。
【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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【図９】
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