(57)【要約】【課題】  ロボットを使った手術中に、心臓等の生体組織の動きを簡単な構成で正確に把握でき、ロボットの動作制御に寄与すること。【解決手段】  赤外線を照射可能なマーカ１１と、このマーカ１１を保持するマーカ保持具１２と、マーカ１１からの赤外線の検出によりマーカ１１の三次元座標を検出する三次元位置計測装置１３と、この三次元位置計測装置１３で検出されたマーカ１１の位置からマーカ保持具１２の下端側の位置及び姿勢を求める演算装置１４とを備えて動作検出システム１０が構成されている。マーカ保持具１２は、上下方向に延びる三本の支柱１６と、これら各支柱１６の上下両端側にそれぞれ接続されたジョイント部材１７と、上側のジョイント部材１７に連なり、マーカ１１が保持されたマーカ保持部材２０と、下側のジョイント部材１７に連なり、心臓Ｈの表面に吸着可能な吸着部材２２とを備えている。【選択図】          図１
2006271545.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
生体組織の動きを検出するためのマーカを保持するマーカ保持具であって、
生体の内外間に配置される少なくとも三本の支柱と、当該各支柱の両端側にそれぞれ接続されたジョイント部材と、前記各支柱の上端側の各ジョイント部材に連なるとともに、前記マーカが保持されるマーカ保持部材と、前記各支柱の下端側の各ジョイント部材に連なるとともに、前記生体組織の表面に吸着可能な吸着部材とを備え、
前記ジョイント部材は、前記各支柱に対し、周方向ほぼ全域に相対回転可能に設けられ、前記吸着部材の動きに追従して、前記マーカ保持部材を前記吸着部材とほぼ同一の姿勢に維持することを特徴とするマーカ保持具。
【請求項２】
前記支柱は、ほぼ一定位置に保持されるポートに支持され、当該ポートは、前記支柱の横方向の動きを一定範囲で許容可能に設けられていることを特徴とする請求項１記載のマーカ保持具。
【請求項３】
請求項１又は２に記載されたマーカ保持具を用いて、生体組織の動きを検出する生体組織の動作検出システムであって、
前記マーカの動きを認識して当該マーカの三次元座標を計測する三次元位置計測装置と、この三次元位置計測装置で計測されたマーカの三次元座標から、前記吸着部材の位置及び姿勢を演算で求める演算装置とを備えたことを特徴とする生体組織の動作検出システム。
【請求項４】
前記マーカは、前記マーカ保持部材の三箇所以上に設けられるとともに、体外側に表出する前記支柱の上下二箇所以上に設けられることを特徴とする請求項３記載の生体組織の動作検出システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マーカ保持具及びこれを用いた生体組織の動作検出システムに係り、更に詳しくは、心臓等の生体組織の手術時に、当該生体組織の表面の動きを正確に把握することに寄与するマーカ保持具及びこれを用いた生体組織の動作検出システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
人体の心臓の周囲には、冠動脈と呼ばれる動脈が張り巡らされており、この冠動脈が動脈硬化等によって狭窄、閉塞すると、心筋梗塞と呼ばれる心筋壊死が発生する。このような冠動脈の狭窄、閉塞に対する治療としては、狭窄、閉塞した血管部位を迂回するように冠動脈の別経路を新たに確保する冠動脈バイパス手術が行われている。この手術の際には、血管の切断や吻合を行い易くするために患者の心臓を一旦停止させ、患者の血液の循環状態を維持する人工心肺装置が使われることが多い。ところが、この人工心肺装置を使用することにより、術後の心機能低下や血流の変化に伴う脳障害等が発生する場合があるため、人工心肺装置を使わずに前記手術を行うことが望ましい。しかしながら、このときは心臓が拍動状態にあり、心筋に張り巡らされた冠動脈に対する切断や吻合等の作業が行い難い。そのため、心臓スタビライザと呼ばれる器具を心臓表面に当てることにより、術部付近の心臓表面の動きを規制しながら、切断や吻合等が行われている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００３−６１９６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、前記スタビライザを心臓表面に当てて手術を行う場合、心臓の動きを強制的に抑制するものであるから、患者の心臓に対する負担が大きくなり、あまり好ましい方法とは言えない。
【０００４】
そこで、人間の手では、前記スタビライザを使用せずに心臓を拍動させたまま前述の冠動脈バイパス手術等の心疾患手術を行うことが不可能に近いことから、メスや内視鏡等の術具をロボットアームに保持させ、当該ロボットアームが心臓表面の動きに合わせて動作する手術ロボットが要請されている。ここで、ロボットアームの動作を制御するには、術部付近の心臓表面の動きを正確に把握しなければならならない。
【０００５】
本発明は、このような事情に鑑みて案出されたものであり、その目的は、ロボットを使った手術中に、心臓等の生体組織の動きを簡単な構成で正確に把握でき、ロボットの動作制御に寄与することができるマーカ保持具及びこれを用いた生体組織の動作検出システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
（１）前記目的を達成するため、本発明は、生体組織の動きを検出するためのマーカを保持するマーカ保持具であって、
生体の内外間に配置される少なくとも三本の支柱と、当該各支柱の両端側にそれぞれ接続されたジョイント部材と、前記各支柱の上端側の各ジョイント部材に連なるとともに、前記マーカが保持されるマーカ保持部材と、前記各支柱の下端側の各ジョイント部材に連なるとともに、前記生体組織の表面に吸着可能な吸着部材とを備え、
前記ジョイント部材は、前記各支柱に対し、周方向ほぼ全域に相対回転可能に設けられ、前記吸着部材の動きに追従して、前記マーカ保持部材を前記吸着部材とほぼ同一の姿勢に維持する、という構成を採っている。
【０００７】
（２）ここで、前記支柱は、ほぼ一定位置に保持されるポートに支持され、当該ポートは、前記支柱の横方向の動きを一定範囲で許容可能に設けられる、という構成を採ることが好ましい。
【０００８】
（３）また、本発明は、前記マーカ保持具を用いて、生体組織の動きを検出する生体組織の動作検出システムであって、
前記マーカの動きを認識して当該マーカの三次元座標を計測する三次元位置計測装置と、この三次元位置計測装置で計測されたマーカの三次元座標から、前記吸着部材の位置及び姿勢を演算で求める演算装置とを備える、という構成を採っている。
【０００９】
（４）ここで、前記マーカは、前記マーカ保持部材の三箇所以上に設けられるとともに、体外側に表出する前記支柱の上下二箇所以上に設けられる、という構成を採ることが好ましい。
【００１０】
なお、本特許請求の範囲並びに本明細書において、マーカ保持具の説明で使用される「上」、「下」は、特に明示しない限り、図１に示されたマーカ保持具の状態における「上」、「下」を意味する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、心臓等の生体組織の表面に吸着部材を固定すると、生体組織の動きに応じて吸着部材が動き、当該吸着部材とほぼ同一の姿勢でマーカ保持部材が動くことになる。このため、マーカ保持部材のマーカの位置を測定し、当該マーカ保持部材の姿勢を求めることで、その姿勢を下方に平行移動させた吸着部材つまり生体組織表面の位置及び姿勢を演算で簡単に求めることができる。つまり、簡単な機構からなるマーカ保持具と、そのマーカの位置を計測する三次元位置計測装置と、その計測値から生体組織表面の位置及び姿勢を求める演算装置により、生体組織の動きを確実に把握することができ、生体組織を撮像した超音波画像やＭＲＩ画像等からの画像処理を使って生体組織の動きを求めるよりも、簡単な構成で生体組織の動きを確実に把握することができる。このように求められた生体組織表面のデータは、術具や内視鏡を保持するロボットアームの動作制御に寄与できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
【実施例】
【００１３】
図１には、本実施例に係る生体組織の動作検出システムの構成図が示されている。この図において、動作検出システム１０は、赤外線を照射可能に設けられたマーカ１１と、このマーカ１１を保持するマーカ保持具１２と、マーカ１１からの赤外線の検出により前記マーカ１１の三次元座標を検出する三次元位置計測装置１３と、この三次元位置計測装置１３で検出されたマーカ１１の位置からマーカ保持具１２の下端側の位置及び姿勢を求める演算装置１４とを備えて構成されている。
【００１４】
前記マーカ１１は、赤外線発光ダイオードからなり、後述するように、マーカ保持具１２の複数個所に固定配置されている。
【００１５】
前記マーカ保持具１２は、上下方向に延びる三本の支柱１６と、これら各支柱１６の上下両端側にそれぞれ接続されたジョイント部材１７と、各ジョイント部材１７の上下両端側にそれぞれ接続された上側ブロック１８及び下側ブロック１９と、上側ブロック１８の上端側に固定されるとともに、三個のマーカ１１が保持されたマーカ保持部材２０と、下側ブロック１９の下端側に固定されるとともに、心臓Ｈの表面に吸着可能な吸着部材２２とを備えて構成されている。
【００１６】
前記各支柱１６は、それぞれ同一の外径及び長さを有する丸棒状に設けられるとともに、それぞれ相対移動可能に設けられており、人体の開胸部位Ｖに対して内外に貫通する方向に配置されている。ここで、各支柱１６は、体外側に表出する部分がリング状のポート２４に挿通されて支持されている。このポート２４は、各支柱１６が径方向（横方向）の動きを一定範囲で許容する内径に設定されており、アーム部材２５によってほぼ一定位置に保持されている。なお、ポート２４は、人体の皮膚部分に穴を開け、当該穴内に暫定的に取り付けてもよい。また、各支柱１６には、ポート２４よりも上方位置となる上下二箇所位置に前記マーカ１１が固定されている。
【００１７】
前記ジョイント部材１７は、各支柱１６に対し、周方向全域の回転を許容するユニバーサルジョイントにより構成されている。
【００１８】
前記マーカ保持部材２０は、上側ブロック１８に対して起立配置されたほぼ方形状の平板により構成され、当該平板の三箇所にマーカ１１が配置されている。具体的に、マーカ１１は、それら中心が図１中左下隅の第１位置Ｏと、同図中左上隅の第２位置αと、同図中右下隅の第３位置βとにそれぞれ設けられている。ここで、第１位置Ｏと第２位置αとを結ぶ直線Ｏαと、第１位置Ｏと第３位置βとを結ぶ直線Ｏβとは、相互に直交するようになっている。なお、マーカ１１は、図１中右上隅に更に設ける等、更に増やして配置してもよく、このようにすれば、三次元位置計測装置１３による測定精度を更に向上させることができる。
【００１９】
前記吸着部材２２は、ほぼ馬蹄形状に設けられ、図示しない吸引ポンプからの陰圧により心臓Ｈの表面に密着固定される公知の部材が用いられているが、本発明はこれに限定されるものではなく、素材の特性等により心臓Ｈの表面に吸着可能なものであれば何でもよい。
【００２０】
以上の構成のマーカ保持具１２は、心臓Ｈの表面に吸着部材２２が吸着固定された状態で、体外から体内に向かって延びるように各支柱１６が配置され、体外側にて、ポート２４に各支柱１６が挿通されてマーカ保持部材２０が最上部側に配置される。この状態で心臓Ｈが拍動すると、このときの心臓Ｈの表面の動きに追従して吸着部材２２が動き、三本の支柱１６及びジョイント部材１７の作用により、吸着部材２２に固定された下側ブロック１９と、マーカ保持部材２０に固定された上側ブロック１８とがほぼ同一の姿勢で動くことになる。従って、マーカ保持部材２０の姿勢を求めることにより、当該マーカ保持部材２０と吸着部材２２との離間距離は一定なので、吸着部材２２の位置及び姿勢、つまり、当該吸着部材２２が固定された心臓Ｈの表面部分の位置及び姿勢を経時的に求めることが可能となる。
【００２１】
前記三次元位置計測装置１３は、各マーカ１１から発光された赤外線を受光する受光部を備え、当該赤外線の照射をマーカ１１の動きに合わせて追跡することにより、各マーカ１１の三次元座標を検出可能な公知構造となっている。この構造については、本発明の要旨ではないため、詳細な説明を省略する。なお、三次元位置計測装置１３としては、各マーカ１１が設けられた部位の三次元座標を検出できる限りにおいて、種々の原理や構造の装置を用いることも可能である。
【００２２】
前記演算装置１４は、ソフトウェア及び／又はハードウェアによって構成され、プロセッサ等、複数のプログラムモジュール及び／又は処理回路が組み込まれたコンピュータにより成り立っている。この演算装置１４では、三次元位置計測装置１３の測定値、すなわち各マーカ１１の三次元座標から、次の手順で、心臓Ｈの表面に固定された吸着部材２２の位置及び姿勢を求めるようになっている。
【００２３】
先ず、以下の手順により、吸着部材２２の姿勢が求められる。
【００２４】
先ず、三次元計測装置１３の座標系（カメラ座標系Ｏ−ｘｙｚ）をマーカ保持部材２０の座標系（物体座標系Ｏ−αβγ）に変換する。
ここで、カメラ座標系における前記第１位置Ｏ、第２位置α、第３位置βの各マーカ１１の座標を、
【数１】
2006271545.tif 000003
と仮定する。
この際、第１位置Ｏを物体座標系の原点とし、物体座標系での各位置を、前記第１位置Ｏ´、第２位置α´、第３位置β´とすると、
【数２】
2006271545.tif 000004
となる。但し、ここでのＴ０は、
【数３】
2006271545.tif 000005
である。
【００２５】
そして、以下の逆回転行列式を用い、マーカ保持部材２０の姿勢、すなわち、カメラ座標系の座標軸と物体座標系の座標軸のロール角、ピッチ角、ヨー角の差を逆算する。
【数４】
2006271545.tif 000006
【００２６】
先ず、点α´について、ロール角θｚは、次式（１）で求められる。
【数５】
2006271545.tif 000007
【００２７】
次に、θｚ＝０（ｙα´＝０）となるように物体座標系をＺ軸周りに回転する。このとき、
【数６】
2006271545.tif 000008
但し、
【数７】
2006271545.tif 000009
ここで、ヨー角θｙは、次式（２）で求められる。
【数８】
2006271545.tif 000010
【００２８】
次に、θｙ＝０（ｚα´´＝０）となるように物体座標系をｙ軸周りに回転する。このとき、
【数９】
2006271545.tif 000011
但し、
【数１０】
2006271545.tif 000012
以上の計算により、α軸とｘ軸が一致する。
【００２９】
以上と同様の手順を点β´についても行う。
【数１１】
2006271545.tif 000013
但し、
【数１２】
2006271545.tif 000014
これにより、ピッチ角θｘは、次式（３）で求められる。
【数１３】
2006271545.tif 000015
ここで、
【数１４】
2006271545.tif 000016
より、β軸とｙ軸、γ軸とｚ軸が一致する。
以上、式（１）〜（３）を使ってマーカ保持部材２０の姿勢が算出され、これは、前述したマーカ保持具１２の構造より、吸着部材２２の姿勢と同一となる。
【００３０】
次いで、支柱１６に設けられた上下二箇所のマーカ１１の三次元座標を使って、以下の手順により、吸着部材２２の位置が求められる。
【００３１】
図２には支柱１６に設けられたマーカ１１，１１が模式的に表され、各点の三次元座標が記されている。この図において、下端側の点Ｐが吸着部材２２の中央部分の点である。
【００３２】
図２を参照すると、吸着部材２２の座標Ｐ（ｘ，ｙ，ｚ）は、次式により求められる。
【数１５】
2006271545.tif 000017
【００３３】
従って、このような実施例によれば、比較的簡単な構造のマーカ保持具１２を使って、心臓Ｈの表面の動き、すなわち、その位置及び姿勢の変化を簡単に求めることができるという効果を得る。
【００３４】
なお、前記実施例では、マーカ保持具１２の支柱１６を３本で構成したが、下側ブロック１９の動きに対応して、上下両側のブロック１８，１９の姿勢を同一に保持できる限りにおいて、支柱１６の本数を更に調整することも可能である。
【００３５】
また、前記実施例では、心臓Ｈの表面の動きを検出しているが、本発明は、これに限らず、呼吸に連動して動く他の臓器、例えば、肝臓や胃等の他の臓器や生体組織に適用することも可能であり、また、他の動物の臓器等の生体組織に適用可能である。
【００３６】
その他、本発明における装置各部の構成は図示構成例に限定されるものではなく、実質的に同様の作用を奏する限りにおいて、種々の変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本実施例に係る動作検出システムの構成を表す概略斜視図。
【図２】吸着部材の位置を求める際に用いるマーカ及び吸着部材の各座標及びマーカの高さを示す図。
【符号の説明】
【００３８】
１０  動作検出システム
１１  マーカ
１２  マーカ保持具
１３  三次元位置計測装置
１４  演算装置
１６  支柱
１７  ジョイント部材
２０  マーカ保持部材
２２  吸着部材
Ｈ  心臓
【図１】
2006271545.tif 000018
【図２】
2006271545.tif 000019