(57)【要約】【課題】  保持トルクを有した振動型アクチュエータを備えた医療用マニピュレータを処置支援行為に使用した場合に、医療用マニピュレータは生体の動きに起因する応力を受け、耐久性が低下する場合があった。【解決手段】  医療用マニピュレータ３０であって、振動型アクチュエータ１０を少なくとも備える駆動部６と、生体内に挿入される挿入部１８を少なくとも備えるとともに、駆動部６に接続され、駆動部６の駆動により移動するマニピュレータ部５と、駆動部６と前記マニピュレータ部５とを支持する支持部４と、振動型アクチュエータ１０に接続され、振動型アクチュエータ１０を駆動する駆動信号４２を振動型アクチュエータ１０に出力する駆動回路９と、生体の動きに起因して、挿入部１８に生ずる応力を低減する応力補償手段１１とを備えることを特徴とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動型アクチュエータを少なくとも備える駆動部と、
生体内に挿入される挿入部を少なくとも備えるとともに、前記駆動部に接続され、該駆動部の駆動により移動するマニピュレータ部と、
前記駆動部と前記マニピュレータ部とを支持する支持部と、
前記振動型アクチュエータに接続され、振動型アクチュエータを駆動する駆動信号を前記振動型アクチュエータに出力する駆動回路と、
生体の動きに起因して、前記挿入部に生ずる応力を低減する応力補償手段とを備えることを特徴とする医療用マニピュレータ。
【請求項２】
前記応力補償手段は、
前記挿入部が生体により受ける位置変動を検出する変位検出手段と、
前記変位検出手段に接続され、前記変位検出手段が出力する変位情報に基づく演算結果として補償信号を生成する補償演算手段とを備えていることを特徴とする請求項１に記載の医療用マニピュレータ。
【請求項３】
前記変位検出手段は、
医療用画像撮影装置が出力する画像情報を取得する体内画像取得手段と、
前記画像情報に基づき、前記挿入部または前記生体の少なくともいずれか一方の変位を画像抽出し、前記変位を前記変位情報に変換する変位演算器と、を備えていることを特徴とする請求項２に記載の医療用マニピュレータ。
【請求項４】
前記変位演算器は、前記挿入部の変位と前記生体の変位との差分に基づき前記変位情報に変換する請求項３に記載の医療用マニピュレータ。
【請求項５】
前記応力補償手段は、
前記挿入部が生体により受ける位置変動を検出する応力検出手段と、
前記応力検出手段に接続され、前記応力検出手段が出力する応力情報に基づく演算結果として補償信号を生成する補償演算手段とを備えていることを特徴とする請求項１に記載の医療用マニピュレータ。
【請求項６】
前記応力検出手段は、
前記マニピュレータ部、前記駆動部、前記支持部との少なくともいずれかに固定され、前記マニピュレータ部、前記駆動部、前記支持部との少なくともいずれかに加えられた外力を検出する力センサと、
前記力センサが出力する外力情報を前記応力情報に変換する応力演算器と、を備えていることを特徴とする請求項５に記載の医療用マニピュレータ。
【請求項７】
前記応力検出手段は、
前記マニピュレータ部、前記駆動部、前記支持部との少なくともいずれかに固定され、前記マニピュレータ部、前記駆動部、前記支持部との少なくともいずれかに加えられた外力を検出し、互いに異なる位置に固定された複数の力センサと、
前記力センサのうち少なくとも２つが出力する外力情報の複数に基づいて、前記応力情報に変換する応力演算器と、を備えていることを特徴とする請求項５に記載の医療用マニピュレータ。
【請求項８】
前記応力検出手段は、
医療用画像撮影装置が出力する画像情報を取得する体内画像取得手段と、
前記画像情報に基づき抽出した、前記挿入部または前記生体の少なくともいずれか一方の変位情報を、前記応力情報に変換する変位応力変換演算器と、を備えていることを特徴とする請求項５に記載の医療用マニピュレータ。
【請求項９】
前記変位応力変換演算器は、前記挿入部の変位と前記生体の変位との差分に基づき前記応力情報に変換する請求項８に記載の医療用マニピュレータ。
【請求項１０】
前記駆動回路は、前記駆動回路に対して振動型アクチュエータの制御を指令する制御指令を出力する上位コントローラに接続され、
前記補償演算手段は、前記上位コントローラから前記振動型アクチュエータまでの経路に接続されていることを特徴とする請求項２または５に記載の医療用マニピュレータ。
【請求項１１】
前記補償演算手段は、生体の動きに起因して前記挿入部に生ずる応力を低減するように、前記上位コントローラから前記駆動回路への経路上に接続されていることを特徴とする請求項１０に記載の医療用マニピュレータ。
【請求項１２】
前記マニピュレータ部は、処置支援器具を備えていることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の医療用マニピュレータ。
【請求項１３】
前記医療用画像撮影装置は、核磁気共鳴画像撮影装置、超音波画像撮影装置、放射線画像撮影装置、光音響波画像撮影装置の少なくともいずれかであることを特徴とする請求項３または８に記載の医療用マニピュレータ。
【請求項１４】
請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の医療用マニピュレータにおいて、
前記医療用マニピュレータは、各々が、前記駆動回路と前記振動型アクチュエータとから構成され、互いに異なる方向に前記マニピュレータ部を移動させる駆動要素を複数備えることを特徴とする医療用マニピュレータ。
【請求項１５】
請求項１４に記載の医療用マニピュレータにおいて、
前記医療用マニピュレータは、応力補償手段を複数備えており、
前記複数の応力補償手段のうち、少なくとも２つは、互いに異なる方向に前記マニピュレータ部を移動させる前記少なくとも２つの駆動要素のそれぞれに、接続されていることを特徴とする医療用マニピュレータ。
【請求項１６】
前記応力補償手段は、前記マニピュレータ部が生体の特定の部位に到達したことの検知に基づいて、前記応力補償手段に補償指令を出力する補償指令手段に接続され、前記補償指令に基づいて補償動作を行うことを特徴とする請求項１に記載の医療用マニピュレータ。
【請求項１７】
請求項１６に記載の医療用マニピュレータと、
被験者の体内情報を画像化して撮影する医療用画像撮影装置とを備えた医療用画像撮影システムにおいて、
前記補償指令手段は、医療用画像撮影装置に備えられていることを特徴とする医療用画像撮影システム。
【請求項１８】
請求項３または８に記載の医療用マニピュレータと、
被験者の体内情報を画像化して撮影する医療用画像撮影装置とを備えた医療用画像撮影システムにおいて、
前記上位コントローラは、医療用画像撮影装置に備えられていることを特徴とする医療用画像撮影システム。
【請求項１９】
前記医療用画像撮影装置は、核磁気共鳴画像撮影装置、超音波画像撮影装置、放射線画像撮影装置、光音響波画像撮影装置の少なくともいずれかであることを特徴とする請求項１７または１８に記載の医療用画像撮影システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動型アクチュエータを駆動源として備える医療用マニピュレータに関し、さらには、該医療用マニピュレータ備える医療用画像撮影システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ロボティクス技術の発展に伴い、ロボティクス技術を医療デバイスに応用するニーズが高まってきている。高い制御精度を要求されるマニピュレータの駆動源として図１０に示すような振動型アクチュエータがあげられる。振動型アクチュエータは、減速機を用いないダイレクトドライブが可能であり、また保持トルクがあるため無通電時にもマニピュレータの姿勢を保持することが可能である。このことにより、高精度の位置制御が求められる医療用マニピュレータヘの応用において好適である。
【０００３】
特許文献１には、核磁気共鳴画像（以降ＭＲＩ）撮影装置との親和性の高い、穿刺装置の駆動源として管の長手方向に延在するステータとロータとを内管と外管とに対向配置した管状の振動型アクチュエータを開示し、管状配置に伴うアクチュエータの屈曲振動に起因した医療用マニピュレータの振動を課題として、振動型アクチュエータのステータとロータとのそれぞれを、らせん状でかつ互いに嵌合する凹部と凸部とのいずれか一方と他方とに配置することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−１８５０７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
振動型アクチュエータは、保持トルクがあるので、医療用マニピュレータが静止状態にあるとき、支持部とマニピュレータ部とは、外力に対してロックされた状態となる。一方で、被験者が生体である場合は、呼吸器、循環器、消化器、感覚器、筋肉組織等の生体器官は自律的かつ持続的に変位する。前述の生体器官の変位自体を抑え込むことは難しい。
【０００６】
従って、生体器官と医療用マニピュレータとの相対位置が変わることで、医療用マニピュレータに偏荷重がかかり、医療用マニピュレータの各部に応力と歪が発生する場合があった。かかる応力と歪の発生は、医療用マニピュレータの繰り返しの動作に伴い、医療用マニピュレータの耐久性に影響を及ぼす場合があり、医療用マニピュレータの信頼性の観点から解決が望まれていた課題であった。
【０００７】
以上のように、振動型アクチュエータを駆動源として備えた医療用マニピュレータを被験者の体内で使用する場合には、振動型アクチュエータの保持トルクに起因して生じる課題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の医療用マニピュレータは、振動型アクチュエータを少なくとも備える駆動部と、生体内に挿入される挿入部を少なくとも備えるとともに、前記駆動部に接続され、該駆動部の駆動により移動するマニピュレータ部と、前記駆動部と前記マニピュレータ部とを支持する支持部と、前記振動型アクチュエータに接続され、振動型アクチュエータを駆動する駆動信号を前記振動型アクチュエータに出力する駆動回路と、生体の動きに起因して、前記挿入部に生ずる応力を低減する応力補償手段とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の医療用マニピュレータによれば、振動型アクチュエータを備えているので、減速機不要のメリットとして高精度のダイレクトドライブが可能である特長を維持した上で、さらに、以下のよう信頼性に関する課題を解決する効果を備える。即ち、本発明の医療用マニピュレータは、被験者の体内で生じた体組織の動きに倣うように振動型アクチュエータの制御量を補償することが可能となる。このことは、生体の動きに倣うように振動型アクチュエータの制御を行うことにより、処置支援行為期間中の医療用マニピュレータが受ける外力を低減することができ、その結果として医療用マニピュレータに生じる応力が低減されることを意味する。さらには、医療用マニピュレータをより高精度に制御を行うことにより、処置支援行為に係るマニピュレータ動作時間を短時間化ずることが可能となることも意味する。従って、対象が動く医療用マニピュレータにおいて、医療用マニピュレータの耐久性を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】変位検出手段を備えた本発明の医療用マニピュレータの第１の実施形態の構成例を示すブロック図
【図２】本発明の医療用マニピュレータの第１の実施形態において、医療用画像を利用した制御機構を示す説明図
【図３】本発明の医療用マニピュレータの第１の実施形態として複数自由度を備えた変形例を示すブロック図
【図４】応力検出手段を備えた本発明の医療用マニピュレータの第２の実施形態の構成例を示すブロック図（Ａ）および変形例（Ｂ）
【図５】本発明の医療用マニピュレータの第２の実施形態において、トルクセンサを利用した制御機構を示す説明図（Ａ）、および変形例（Ｂ）
【図６】本発明の医療用マニピュレータの第２の実施形態として複数自由度を備えた変形例を示すブロック図
【図７】本発明の医療用マニピュレータの外部装置との接続関係を示すブロック図
【図８】本発明の医療用マニピュレータを医療用穿刺装置（Ａ）、医療用バイオプシー装置（Ｂ）に適用した医療用処置支援装置を示す概略構成図
【図９】本発明における医療用マニピュレータと、被験者または医療用画像撮影装置との接続形態を説明する図
【図１０】本発明に適用可能な振動型アクチュエータの構成例を示す概略断面図
【発明を実施するための形態】
【００１１】
まず、図１０を用いて、本発明の医療用マニピュレータに適用可能な、振動型アクチュエータ１０の基本的な構造について説明する。図１０は、円環型の振動型アクチュエータの概略構成を示す断面複式図である。
【００１２】
圧電素子３１は、円環状の振動子３２に、円環状に張り付けられている。圧電素子３１は、印加された電気信号によって振動を励起する。かかる圧電素子３１に印加する電気信号としては、交流電圧信号が含まれる。振動子３２は圧電素子３１が励起した振動をたわみ振動として増幅する。移動体２と振動子３２との間には加圧手段３による圧力が印加されており、振動子３２の振動が摩擦力によって移動体２に伝えられ、移動体２は回転運動をする。移動体２とトルク伝達部材３５は加圧手段３によって連結されており、移動体２の回転は出力軸３６の回転となる。出力軸３６は、軸受３７によって箇体３８に対し回転自在となるように構成されている。一方、振動子３２は、連結部３９によって箇体３８に対し固定されている。尚、本発明においては、振動子３２、圧電素子３１とからなる構造を、まとめて振動体１と称する。
【００１３】
尚、本発明の医療用マニピュレータに適用可能な振動型アクチュエータは、振動体１と移動体２とをそれぞれ回転軸３６を中心として円環状に配置されている。
【００１４】
尚、本実施例では、円環型を用いて説明するが、本実施例は円環型に限定されない。例えば、直線状に振動体１と移動体２とがそれぞれ配置された直線型、二重管を構成する内管と外管とに、振動体１と移動体２のいずれか一方と他方とが、それぞれ配置された管型等の種々の形態を、本発明は含む。
【００１５】
また、加圧手段３は、回転軸３６の軸方向に圧力を加えるが、回転方向には変形しない構成とされ、皿バネ等を用いることが可能である。加圧手段３の軸方向圧力により、振動型アクチュエータは、保持トルクを有しており、これがローレンツ力を駆動力とする電磁モータと大きく異なる特徴である。また、電磁モータと比べ低速大トルク動作が可能であるという長所を有し、これを生かして減速機を排したダイレクトドライブ機構を採用しやすいという特徴がある。本発明においても、振動型アクチュエータをダイレクトドライブ動作させることを好ましい形態としている。
【００１６】
次に、図１および、図４（Ａ）、（Ｂ）を用いて、本発明の基本的な構成を説明する。本発明の医療用マニピュレータ３０は、図１、図４（Ａ）、（Ｂ）の各図が示す通り、振動型アクチュエータ１０を少なくとも備える駆動部６と、生体内に挿入される挿入部（不図示）を少なくとも備えるとともに、駆動部６に接続され、駆動部６の駆動により移動するマニピュレータ部５と、駆動部６と前記マニピュレータ部５とを支持する支持部（不図示）と、振動型アクチュエータ１０に接続され、振動型アクチュエータ１０を駆動する駆動信号４２を振動型アクチュエータ１０に出力する駆動回路９と、生体の動きに起因して、挿入部１８に生ずる応力を低減する応力補償手段１１とを備えることを特徴とする。本発明の医療用マニピュレータ３０は、応力補償手段１１の形態として、図１に記載した変位検出手段４３を備える形態と、図４（Ａ）、（Ｂ）各図に記載した応力検出手段１２を備える形態との、少なくとも２つの実施形態に分けることができる。尚、図１には、制御系としての接続形態を説明する意図により、構造的な部材である支持部と、挿入部とについては、省略してある。本発明における支持部、挿入部については、図８、図９を用いて後述する。本発明の実施形態の具体例を、図１〜図７を用いて以下に説明する。
【００１７】
（第１の実施形態）
第１の実施形態について、図１〜図３を用いて説明する。図１は、本実施形態の制御機構を説明するために、１自由度の駆動要素を抜き出したブロック図である。まず、この図１に沿って本実施形態の説明を行う。
【００１８】
図１には、上位コントローラ２８から出された制御指令４０に基づいて、被験者８に対してマニピュレート動作する基本的な構造と、本発明の医療用マニピュレータ３０の特徴である応力補償手段１１とが図示されている。
【００１９】
かかる基本的な構造としては、上位コントローラ２８から被験者８の間に、駆動回路９、振動型アクチュエータ１０を少なくとも備えた駆動部６、駆動部６の駆動により移動し被験者８に挿入される不図示の挿入部を備えるマニピュレータ部５が図示されている。駆動回路９は、上位コントローラからの上位指令として、制御指令４０の入力に基づいて、駆動部６を駆動する駆動信号４２を生成し、これを駆動部６に対して出力する。駆動回路９としては、制御指令４０に基づいて制御信号４１を生成する制御コントローラ６６と、制御信号４１を駆動信号４２に変換するドライバ４６とから、構成することが可能である。
【００２０】
図１には、マニピュレータ部５と被験者８とを、撮影野に収めるように配置された医療用画像撮影装置２１が図示されている。さらに、図１には、本発明の医療用マニピュレータ３０の特徴である応力補償手段１１として、医療用画像撮影装置２１に接続された変位検出手段４３、変位検出手段４３に接続された補償演算手段１３とが図示されている。補償演算手段１３は、さらに、上位コントローラ２８と、駆動回路９との間の制御指令の伝送経路に接続されている。
【００２１】
次に、図１、２の各図を用いて、本実施形態の制御機構について説明する。
【００２２】
第１の実施形態では、変位検出手段４３と、補償演算手段１３とから少なくとも構成される応力補償手段１１を備えていることが、制御機構の特徴である。応力補償手段１１は、上位コントローラ２８から振動型アクチュエータ１０までの経路上に、補償演算手段１３の演算結果としての補償信号を、加算する。このような構成とすることで、第１の実施形態の医療用マニピュレータでは、挿入部が、被験者の体の動きにより受ける応力を低減するように動作する。
【００２３】
なお、図２各図に示すように、挿入部１８は、被験者８の体内に挿入されたことにより、体内の動きに起因して挿入部１８が外力を受け、これにより挿入部１８には応力が生じる。しかし、本実施形態においては、図２（Ｃ）に示すように、挿入部１８に生じる応力を検出する必要はなく、医療用画像撮影装置２１から取得した画像情報２２に基づいて、挿入部と、被験者の特定部位との相対位置の変動を、変位情報４４として変位検出手段４３が検出する。さらに、補償演算手段１３から出力される制御指令補償信号２３を、制御指令４０に加算することにより、挿入部に生じる応力を軽減する制御動作を実現する。
【００２４】
尚、応力補償手段１１の補償信号の帰還先は、挿入部と特定部位との相対変位の変動を抑制可能であれば、上位コントローラ２８から振動型アクチュエータ１０までの経路上の任意の点を選択可能である。補償信号の帰還先としては、例えば、本実施例のように、制御指令４０としても良いし、駆動回路９の内部の制御信号４１としても良いし、振動型アクチュエータ１０の入力信号として駆動信号４２としても良い。
【００２５】
第１の実施形態において、図１に示すように、変位検出手段４３は、医療用画像撮影装置から出力された画像情報２２を取得する体内画像取得手段２４を備えた構成とすることができる。例えば、体内画像取得手段２４は、特に限定されないが、ＭＲＩ撮影装置、超音波画像撮影装置、放射線画像撮影装置、光音響波画像撮影装置等の医療用画像撮影装置２１から画像情報２２を取得可能な手段である。これらの医療用画像撮影装置２１を用いることにより、図２各図が示すように、被験者の体内の臓器の位置と、挿入部１８またはマニピュレータ部５が備える処置支援器具の位置関係を示す画像情報を取得することができる。
【００２６】
変位検出手段４３は、さらに、図１に示すように、取得した画像情報２２に基づいて、挿入部と特定の部位との相対位置の変動を、変位情報４４として生成する変位演算器４５を備えた構成とすることができる。変位演算器４５は体内画像取得手段２４で取得した画像情報２２に基づき、臓器と挿入部との相対位置の変動を求める。変位演算器４５による具体的な相対位置の変動の求め方としては、図２（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、まず基準となる位置関係を示す画像を取得し、その後、随時、新たな画像を取得する。新たな画像を取得するたび、基準画像と比較し、臓器やマニピュレータの位置変動を画像抽出により求め、それらの差分により、挿入部と特定部位との相対的な位置変動を求める。本実施例では、検出変位２０として、相対変位を変位検出手段４３が検出したが、マニピュレータ部５と、被験者の特定部位との、いずれか一方が他方に対して充分小さい変位の場合は、他方のみの変位を検出して、変位情報４４を生成しても良い。
【００２７】
変位検出手段４３から変位情報４４が出力される。次に、変位情報４４の入力に基づいて、補償演算手段１３は、制御指令補償信号２３を出力する。制御指令補償信号２３は、制御コントローラ６６に入力される制御指令４０に加算される。このようにして、マニピュレータ部５と生体の特定部位との相対位置の変動は目標位置の変動と等価となるため、制御コントローラ６６により相対位置の変動が小さくなる方向に振動型アクチュエータ１０は駆動される。これにより、本実施形態における医療用マニピュレータ３０は体内の臓器などの動きに対して処置支援器具の位置を同期させることができる。
【００２８】
本発明においては、応力補償手段１１を動作させて、医療用マニピュレータが臓器などの特定部位の動きに同期した補償制御を行っている状態を、補償制御状態と称し、また特定部位の動きに同期した補償制御を行わず、上位コントローラの指令に基づいて位置制御を行っている状態を移動制御状態と呼ぶ。
【００２９】
次に、補償制御状態と移動制御状態とを切り替える動作機構について、処置支援行為に本実施形態の医療用マニピュレータ適用した具体例を挙げて以下に説明する。
【００３０】
処置支援行為を遂行する場合には、不図示の処置支援器具を体内の目的の場所に正確に挿入する必要がある。そのため、挿入時には、医療用マニピュレータを移動制御状態として位置制御を行い、処置支援器具を体内の所定の部位まで移送するように、マニピュレータ部５を移動させる。
【００３１】
次に、マニピュレータ部５が目標点に到達した後、処置支援行為を行うための所定期間、処置支援器具を体内にとどめておく必要がある。そこで、本実施形態においては器具が目標地点へ挿入されたことが検知された時点で、補償指令手段２７が出力する補償指令６３に基づいて、応力補償手段１１が動作し、移動制御状態から補償制御状態へ移行させる。これによりマニピュレータ部は人体の動きに倣うように動かされ、マニピュレータ部が備える挿入部に生じる応力を低減できる。この状態において、生体検等の処置支援行為を行う。
【００３２】
次に、処置支援行為を終えて処置支援器具を抜き出す際に、補償指令手段２７は補償指令６３として補償停止の指令を出力し、医療用マニピュレータを移動制御状態へ移行させる。これにより医療用マニピュレータは、再び、上位コントローラの制御指令に基づいて駆動制御される状態となり、位置制御により処置支援器具を抜き出す。
【００３３】
この実施例において、補償指令手段２７が変位検出手段４３に対して補償指令６３を行うきっかけはいくつか考えられる。例えば挿人後に移動制御状態から補償制御状態への移行を行う場合、挿入目標点までの位置制御が完了したのをきっかけとして自動で行っても良い。また、目標点への到達を操作者が判断しボタン等の操作を行うことをきっかけとすることも可能である。
【００３４】
以上のように、本発明の応力補償手段１１を備えた、第１の実施形態の医療用マニピュレータを処置支援行為に適用した場合に、挿入部に生じる応力を低減させて、医療用マニピュレータの耐久性の向上をはかることが可能である。
【００３５】
尚、上位コントローラ２８、および、補償指令手段２７については、図１（Ａ）に記載のように医療用マニピュレータ３０の構成部材として備えた形態としても良いし、医療用マニピュレータ３０に対して外部から指令する、外部の構成部材として備えた形態としても良い。
【００３６】
本発明における医療用マニピュレータ３０は、互いに異なる方向の制御自由度を備えた駆動要素を複数備えることが可能であり、図１においては、簡単の為に、１自由度を代表させて図示してある。例えば、図３のブロック図に示すように複数の制御自由度を備える構成も、第１の実施形態に含まれる。この場合、図３に示すように、補償演算手段１３から各制御自由度の駆動要素に対して個別に制御指令補償信号を出力する構成とすることが可能である。このような構成とすることにより、全ての制御自由度に対応する相対変位に対して補償動作を行うことが可能となるが、必ずしも、全ての制御自由度に対応して補償動作を行う必要はない。必要に応じ、適宜、補償動作を行う制御自由度を選択すること、および、複数の制御自由度の間で補償量に重み付けされた形態とすることが可能である。制御自由度の選択する具体例としては、マニピュレータ部５の挿入軸方向と挿入軸と垂直方向とを、それぞれ、補償動作の対象の軸と非対象の軸とする形態をとることが可能である。
【００３７】
尚、複数の制御自由度を有した医療用マニピュレータにおいては、医療用画像撮影装置２１からコンピュータ断層による画像情報に基づいて、複数の制御自由度の各々をより高精度に位置制御可能となる点で、第１の実施形態は好ましい形態である。
【００３８】
（第２の実施形態）
第２の実施形態について、図４〜図６を用いて説明する。図４（Ａ）は、本実施形態の制御機構を説明するために、１自由度の駆動要素を抜き出したブロック図である。まず、この図４（Ａ）に沿って本実施形態の説明を行う。
【００３９】
図４（Ａ）には、上位コントローラ２８から出された制御指令４０に基づいて、被験者８に対してマニピュレート動作する基本的な構造と、本発明の医療用マニピュレータ３０の特徴である応力補償手段１１とが図示されている。
【００４０】
かかる基本的な構造としては、上位コントローラ２８から被験者８の間に、駆動回路９、振動型アクチュエータ１０を少なくとも備えた駆動部６、駆動部６の駆動により移動し被験者８に挿入される不図示の挿入部を備えるマニピュレータ部５が図示されている。駆動回路９は、上位コントローラ２８からの上位指令として、制御指令４０の入力に基づいて、駆動部６を駆動する駆動信号４２を生成し、駆動部６に対して出力する。駆動回路９としては、制御指令４０に基づいて制御信号４１を生成する制御コントローラ６６と、制御信号４１を駆動信号４２に変換するドライバ４６とから、構成することが可能である。
【００４１】
図４（Ａ）には、本発明の医療用マニピュレータ３０の特徴である応力補償手段１１として、マニピュレータ部５に接続された応力検出手段１２、応力検出手段１２に接続された補償演算手段１３とが図示されている。補償演算手段１３は、さらに、上位コントローラ２８と、駆動回路９との間の制御指令４０の伝送経路に接続されている。
【００４２】
尚、上位コントローラ２８、および、補償指令手段２７については、第１の実施形態と同様にして、医療用マニピュレータ３０の構成部材として備えた形態としても良いし、医療用マニピュレータ３０に対して外部から指令する、外部の構成部材として備えた形態としても良い。
【００４３】
次に、図４（Ａ）、図５の各図を用いて、本実施形態の制御機構について説明する。
【００４４】
第２の実施形態では、応力検出手段１２と、補償演算手段１３とから少なくとも構成される応力補償手段１１を備えていることが、制御機構の特徴である。応力補償手段１１は、上位コントローラ２８から振動型アクチュエータ１０までの経路上に、補償演算手段１３の演算結果として得られる補償信号を加算する。このような構成とすることで、第２の実施形態の医療用マニピュレータ３０では、挿入部を備えたマニピュレータ部５に、被験者８の体の動きに起因して生ずる応力を低減するように動作する。
【００４５】
尚、本実施形態においては、図５（Ａ）、（Ｂ）に示すように、挿入部１８が受ける応力を、マニピュレータ部５に固定した力センサ４８と、応力演算器４９とにより、応力情報１５として応力検出手段１２が検出する。さらに、補償演算手段１３の演算結果として出力される制御指令補償信号２３を、制御指令４０に加算することにより、挿入部が受ける応力を低減する制御動作を実現する。
【００４６】
本実施形態における応力検出手段１２は、複数の方向の力を検出する力覚センサまたは、ひずみゲージ式ロードセルを含む負荷センサから構成可能な力センサ４８と、応力演算器４９から構成することが可能となる。カセンサ４８は、マニピュレータ部５、駆動部６、支持部４の少なくもいずれかに対して固定され、医療用マニピュレータ３０に加えられた外力を検出するとともに、応力演算部４９に対して外力情報を出力する。応力演算部４９は、図５（Ａ）に示すように、カセンサによって検出された力の大きさと方向に基づき、被験者８の動きにより、挿入部１８にかかる外力と、外力により生じる応力とを演算し、応力情報１５を生成する。図５（Ａ）においては、挿入点５０が支点として作用し、マニピュレータ部５の、構造、寸法は既知であるため、カセンサ４８で検出された力の方向と逆向きに発生した挿入部１８の応力を演算し同定することが可能である。
【００４７】
尚、カセンサの固定位置は限定しないが、処置支援器具や処置支援器具の保持部など外力の発生元に近い方が好適である。尚、図５（Ｂ）のように、力センサを複数備えることにより、挿入部１８にかかる応力をより高精度に検出することが可能となる。
【００４８】
尚、応力補償手段１１の補償信号の帰還先は、第１の実施形態と同様にして、挿入部１８に、生体の特定部位の動きに起因して生ずる応力を抑制可能であれば、上位コントローラ２８から振動型アクチュエータ１０までの経路上の任意の点を選択可能である。
【００４９】
次に、第２の実施形態の変形例について図４（Ｂ）を用いて説明する。図４（Ｂ）は、応力検出手段１２として、第１の実施形態と同様に、体内画像取得手段２４と変位演算部４５を備える構成である。本実施例においては、応力検出手段１２は、さらに、変位応力変換演算器６７を備えることにより、画像情報２２から、応力情報１５を検出することを可能とする構成である。これにより、本実施形態における医療用マニピュレータは、被験者の体内の動きに起因して生じる挿入部の応力を低減することが可能となる。
【００５０】
補償指令手段２７から出力される補償指令６３に基づいて、適宜、本発明の第２の実施形態の医療用マニピュレータの補償制御状態と移動制御状態を切り替えることが可能な点は、第１の実施形態と同様である。従って、第２の実施形態の医療用マニピュレータを、処置支援行為に適用した場合にも、挿入部の応力を低減させて、医療用マニピュレータの耐久性の向上をはかることが可能である。
【００５１】
本実施形態においては図４（Ａ）に示すような１自由度の駆動要素について説明してきたが、必ずしも１自由度の限定するものではない。第１の実施形態と同様に、図６のブロック図に示すような複数の制御自由度の構成へも適応可能である。
【００５２】
本実施形態において、応力検出手段１２にカセンサを用いて挿入部にかかる外力の変動を検出して制御コントローラ６６ヘの制御指令４０に加算していたが、上位コントローラ２８からの制御指令４０、および、制御コントローラ６６がトルク指令の形態をとっていた場合、補償演算手段１３が、応力情報１５に対して複雑な演算処理をすることなしに、上位コントローラ２８と制御コントローラ６６との間の制御指令４０に補償信号を帰還させることが可能となる。
【００５３】
本実施形態では、カセンサを用いた外力の検出を行っている。そのためマニピュレータ部が体外にある状態においても、誤操作等による不可避のマニピュレータ部への衝撃、応力負荷に対して、医療用マニピュレータの耐久性の低下を緩和することが可能である。
【００５４】
また、本発明の医療用マニピュレータによれば、補償指令手段２７からの指令に基づいた所定のタイミングで、マニピュレータ部５に接触して応力が生じる対象に対して、応力を低減する方向に受動性が発現されることにより、手動操作によりマニピュレータを動かすことも可能となるため、設置時等の操作性が向上する。
【００５５】
以上のように、本実施形態の構成とすることで、高い静止時トルクを持つアクチュエータを用いたマニピュレータにおいて、対象である被験者が動く場合においても、高精度な駆動と受動的な動作を切り替えることが可能となる。これにより対象が動く医療用マニピュレータにかかる応力を低減し、医療用マニピュレータの耐久性を向上することが可能となる。
【００５６】
尚、駆動部６は、いずれの実施形態においても、支持部８に対してマニピュレータ部５を相対的に変位させる為の駆動源として振動型アクチュエータ１０を少なくとも備えるが、必要に応じて、例えば、機械的な伝達部材、電磁クラッチ等を備える形態とすることも可能である。従って、本発明の医療用マニピュレータにおいて、振動型アクチュエータ１０は、駆動部６を構成する部材であると言える。
【００５７】
尚、図１または、図４（Ｂ）のそれぞれにブロック図を示した、本発明の第１および第２の実施形態の医療用マニピュレータを、被験者の体内情報を画像化する医療用画像撮影装置２１に接続して医療用画像撮影システムとした形態を図７に示す。図７に図示した医療用画像撮影装置２１は、ＭＲＩ撮影装置である。かかる医療用画像撮影装置２１が、補償指令手段２７を備えており、コンピュータ断層画像の解析結果に基づいて、補償指令手段２７が、本発明の医療用マニピュレータの応力補償手段１１に、補償指令６３を出力するように構成されている。さらに、図７においては、医療用画像撮影装置２１が備える画像情報送信手段６２から出力される画像情報２２を入力可能な、体内画像取得手段２４を備えた応力補償手段１１が図示されています。図７においては、不図示の上位コントローラにおいても、医療用画像撮影装置２１が備える形態としても良い。
【００５８】
（その他の実施形態）
次に、図８（Ａ）、（Ｂ）を用いて、マニピュレータ部５が、処置支援器具５８を備えた変形例を説明する。図８においては、処置支援器具５８は、少なくとも被験者の体内に挿入される挿入部に相当する。
【００５９】
図８（Ａ）では、被験者の体内に穿刺する穿刺手段５４が、マニピュレータ部５に対して相対移動が可能となるように接続されている。穿刺手段５４の一端は、穿刺手段駆動部５５に固定され、穿刺手段駆動部５５は、マニピュレータ部５に固定されている。このような接続関係とすることにより、マニピュレータ部５に対して、穿刺手段５４を相対的に位置制御可能としているとともに、支持部４に対して、穿刺手段５４を相対的に位置制御可能としている。本発明の医療用マニピュレータをこの形態とすることにより、穿刺処置行為を支援する高機能な医療用マニピュレータの耐久性を向上することが可能となる。
【００６０】
図８（Ｂ）には、図８（Ａ）の穿刺手段５４と、穿刺手段駆動部５５の代わりに、被験者の体組織を採取可能な支持部５６と、採取手段駆動部５７とを、それぞれ配置してバイオブシー処置行為の支援を可能とする本発明の医療用マニピュレータの変形例である。
【００６１】
尚、図８（Ａ）、（Ｂ）の各図においては、本発明の特徴である応力補償手段および、駆動回路は、処置支援器具５８とマニピュレータ部５との接続関係の理解のために、省略されている。
【００６２】
以上の様に、本発明の医療用マニピュレータのマニピュレータ部に、メスや鉗子等の施術支援器具、検査支援器具、センサ等の任意の処置支援器具を接続することにより、本発明の医療用マニピュレータに対して、より一層の高機能化をはかることが可能である。
【００６３】
次に、図９を用いて、本発明の医療用マニピュレータと、被験者または医療用画像撮影装置との接続形態を説明する。図９（Ａ）、（Ｂ）は、寝台基礎６０と寝台５９とからなる可動寝台に、本発明の医療用マニピュレータを接続した医療用画像システムを、水平面内のうち、寝台５９の短手方向側と長手方向側とから見た概略配置図である。図９の各図においては、不図示であるが、ベルト、緩衝材等の位置決め部材によって、被験者４０は寝台に拘束されて配置することが可能となっている。従って、支持部４を、寝台に対して固定することにより、実質的に、支持部４は、被験者４０に対する位置決めがなされていると、捉える事が可能である。尚、支持部４は、駆動部６およびマニピュレータ部５を支持するように構成されている。支持部４は、医療用マニピュレータの動作期間にも安定して、駆動部６やマニピュレータ部５を支持可能なように、剛性を備えた構造である事が望ましい。また、支持部４に対する駆動部６の位置決め自由度の観点から、支持部４は、回転、直線、曲線等の位置、方向を調整する自由度を備えた調整機構を備えていることが望ましい。図９（Ａ）、（Ｂ）においては、高さ方向位置調整、水平方向位置調整、方位角調整、仰角調整を可能とする調整機構を備えている形態を図示している。さらに、前述の調整機構は、所定の駆動源を備えることにより遠隔操作により位置決めを行える調整機構とする形態としても良い。図９（Ｃ）、（Ｄ）は、図９（Ａ）、（Ｂ）に図示した可動寝台を備えた医療用画像撮影装置に、本発明の医療用マニピュレータを適用した、概略配置図である。本発明の医療用マニピュレータは、医療用画像撮影装置の画像取得に支障をきたさないようにするために、ワークディスタンスやサイズが規定される。図９（Ｃ）、（Ｄ）においては、本発明の医療用マニピュレータは、ＭＲＩ撮影装置６４の筒状計測部６５内に収まるように、寝台５９に接続されている。
【符号の説明】
【００６４】
４  支持部
５  マニピュレータ部
６  駆動部
９  駆動回路
１０  振動型アクチュエータ
１１  応力補償手段
１８  挿入部
３０  医療用マニピュレータ
４２  駆動信号
【図１】
2014000118.tif 000003
【図２】
2014000118.tif 000004
【図３】
2014000118.tif 000005
【図４】
2014000118.tif 000006
【図５】
2014000118.tif 000007
【図６】
2014000118.tif 000008
【図７】
2014000118.tif 000009
【図８】
2014000118.tif 000010
【図９】
2014000118.tif 000011
【図１０】
2014000118.tif 000012