(57)【要約】【課題】  操作が簡単で格別な熟練度を必要とせず、微小部位の外科手術であっても容易に行うことができるマスタースレーブ方式における医療用マスター操作装置を提供する。【解決手段】  マスター側の操作装置を操作することによりスレーブ側のエンドエフェクタを作動し、生体組織の部位を診断、処置するマスタースレーブ方式における医療用マスター操作装置であって、両手で操作可能な一対のペン形状の操作装置であるペンマスターをターンテーブル上に設置し、前記操作装置の相対角度を操作者の任意の角度及び位置に選定可能とし、前記操作装置を外装部と内装部とから成る二重構造とし、前記外装部には上下両端に三次元変位センサーを設け、前記内装部には回転センサーを備えた回転操作手段を設け、前記外装部の外周にはセンサースイッチを装着した指先挿入部を設けて医療用マスター操作装置を構成する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
マスター側の操作装置を操作することによりスレーブ側のエンドエフェクタを作動し、生体組織の部位を診断、処置するマスタースレーブ方式における医療用マスター操作装置であって、両手で操作可能な一対のペン形状の操作装置であるペンマスターをターンテーブル上に設置し、前記ペンマスターの相対角度を操作者の任意の位置及び角度に選定可能とし、前記ペンマスターを外装部と内装部とから成る二重構造とし、前記外装部には上下両端に三次元変位センサーを設け、前記内装部には回転センサーを備えた回転操作手段を設け、前記外装部の外周にはセンサースイッチを装着した指先挿入部を設けて成ることを特徴とする医療用マスター操作装置。
【請求項２】
前記外装部の上下両端に設けられた三次元変位センサーは、前記エンドエフェクタの姿勢を制御するものであって、下端部側の三次元変位センサーは前記エンドエフェクタの先端部の動作方向、動作量及び動作速度を指示するための信号を出力し、上端部側の三次元変位センサーは前記エンドエフェクタの後端部の動作方向、動作量及び動作速度を指示するための信号を出力することを特徴とする請求項１に記載の医療用マスター操作装置。
【請求項３】
前記指先挿入部は、前記外装部の外周における操作者の人差指が挿入可能な位置に設置され、かつ前記外装部の外周における操作者の親指が接触可能な位置には前記回転操作手段を回転操作するための窓が設けられていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の医療用マスター操作装置。
【請求項４】
前記センサースイッチは、前記エンドエフェクタの開閉操作を行うことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の医療用マスター操作装置。
【請求項５】
前記内装部は、前記外装部の内側の上下端に設けられたバネによって前記外装部の中心軸上に保持され、浮遊する状態で回転自在であることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の医療用マスター操作装置。
【請求項６】
前記両手で操作可能な一対のペンマスターは、夫々を操作者が任意の位置及び角度に設定できる構造であることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の医療用マスター操作装置。
【請求項７】
前記両手で操作可能な一対のペンマスターは、ペンマスター軸から所定の距離内にアイドルエリアを持ち、操作者が該ペンマスター軸から手を離したとき、スレーブは手を離す直前の位置を保つことを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の医療用マスター操作装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マスター側の操作装置を操作することによってスレーブ側の内視鏡や処置具等のエンドエフェクタを作動し、生体組織の部位を診断、処置するマスタースレーブ方式における医療用マスター操作装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、体腔内の血管等の生体組織を縫合する外科手術では、体腔内を観察する内視鏡と、縫合に要するピンセット、針、糸等の処置具を術者が経皮的に体腔内に挿入して行う従来からの内視鏡下手術のほか、術者に代わり操作者がマスターアームを手で遠隔操作し、その動きを制御装置で計測して動作指令に演算し、この値に基づきマニピュレータ等を介して内視鏡や処置具を操作して行うマスタースレーブ方式による手術が一般に知られている。
【０００３】
このうち前者は、自由度不足に起因し、体壁に開けた穴から狭い体腔内に挿入される内視鏡や処置具を動かし所望の手術を行うことが困難なため、例えば臓器の摘出手術等の大きな切開を要しないような手術に限られていた。これに対し、後者は、自由度の大きい多関節構造の挿入部を備えた手術用マニピュレータを用いて行う手術であって十分な自由度が得られることから、近来では多く採用されている。
【０００４】
例えば特許文献１には、術者がマスター操作装置である操作用グリッパを操作し、この操作に追従した動きを複数の自由度を持つスレーブアームに伝達して外科手術を行うようにした医療用マスタースレーブ方式のマスター操作装置が開示されている。また、特許文２には、操作者が携帯型アーム操作部のアームを操作し、制御装置に指令信号を入力することによりスレーブアームを遠隔制御して外科手術を行う医療用マスタースレーブ方式のマスター操作装置が開示されている。
【０００５】
しかしながら、従来のこれらいずれの操作装置も、大きな切開をして行う手術に用いられる場合が多く、遠隔操作によりマスター側とスレーブ側とが１対１で作動するものが殆どであった。このため、微小部位の外科手術、例えば太さが０．３ないし０．５ｍｍ程度の細い血管の縫合手術を行うような場合には微細な動作コントロールが必要となるが、手先の極めて器用な専門の術者あるいは操作者であればともかく、これらの操作装置では所望の手術を行うことが困難であり、また、操作をするためには高度の技術と熟練を要するという問題があった。
【特許文献１】特開平８−２２４２４６号公報
【特許文献２】特開平７−１９４６０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は上述したような実情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、操作が簡単で格別な熟練度を必要とせず、微小部位の外科手術であっても容易に行うことができるマスタースレーブ方式における医療用マスター操作装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の上記目的は、マスター側の操作装置を操作することによりスレーブ側のエンドエフェクタを作動し、生体組織の部位を診断、処置するマスタースレーブ方式における医療用マスター操作装置であって、両手で操作可能な一対のペン形状の操作装置であるペンマスターをターンテーブル上に設置し、前記ペンマスターの相対角度を操作者の任意の位置及び角度に選定可能とし、前記ペンマスターを外装部と内装部とから成る二重構造とし、前記外装部には上下両端に三次元変位センサーを設け、前記内装部には回転センサーを備えた回転操作手段を設け、前記外装部の外周にはセンサースイッチを装着した指先挿入部を設けて成ることを特徴とする医療用マスター操作装置を提供することにより達成される。
【０００８】
また、本発明の上記目的は、前記外装部の上下両端に設けられた三次元変位センサーは、前記エンドエフェクタの姿勢を制御するものであって、下端部側の三次元変位センサーは前記エンドエフェクタの先端部の動作方向、動作量及び動作速度を指示するための信号を出力し、上端部側の三次元変位センサーは前記エンドエフェクタの後端部の動作方向、動作量及び動作速度を指示するための信号を出力することを特徴とする医療用マスター操作装置を提供することにより、より効果的に達成される。
【０００９】
また、本発明の上記目的は、前記指先挿入部は前記外装部の外周における操作者の人差指が挿入可能な位置に設置され、かつ前記外装部の外周における操作者の親指が接触可能な位置には前記回転操作手段を回転操作するための窓が設けられていることを特徴とする医療用マスター操作装置を提供することにより、より効果的に達成される。
【００１０】
また、本発明の上記目的は、前記センサースイッチは前記エンドエフェクタの開閉操作を行うことを特徴とする医療用マスター操作装置を提供することにより、より効果的に達成される。
【００１１】
また、本発明の上記目的は、前記内装部は、前記外装部の内側の上下端に設けられたバネによって前記外装部の中心軸上に保持され、浮遊する状態で回転自在であることを特徴とする医療用マスター操作装置を提供することにより、より効果的に達成される。
【００１２】
また、本発明の上記目的は、前記両手で操作可能な一対のペンマスターは、夫々を操作者が任意の位置及び角度に設定できる構造であることを特徴とする医療用マスター操作装置を提供することにより、より効果的に達成される。
【００１３】
さらにまた、本発明の上記目的は、前記両手で操作可能な一対のペンマスターは、ペンマスター軸から所定の距離内にアイドルエリアを持ち、操作者が該ペンマスター軸から手を離したとき、スレーブは手を離す直前の位置を保つことを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の医療用マスター操作装置を提供することにより、より効果的に達成される。
【発明の効果】
【００１４】
このように、本発明に係わる医療用マスター操作装置は、一対のペン形状の操作装置であるペンマスターを両手で軽く握り、指先だけでスレーブ側の動きの全てを表現できるようにし、これをスレーブ側に伝達するように構成されているので、操作が簡単で熟練度を要さず、とくに微小部位の外科手術を容易に行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の内容を一実施例、具体的には指先内の極めて細い血管を縫合する外科手術をする場合、に基づき説明する。なお、本発明は必ずしも以下の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲を逸脱しない範囲において、その構成を種々に変更できるものであることはいうまでもない。
【００１６】
図１は、本発明が適用されるマスタースレーブ方式の医療システムの構成をブロック図で示したものである。図において、１００は本発明の一実施形態に係わるマスター側の医療用マスター操作装置（以下、「本マスター操作装置」という）、２００は制御装置、３００はスレーブ側のエンドエフェクタ３１０等を含むスレーブ装置、４００はスレーブ側の動きを観察する表示装置である。この医療システムでは、マスター操作装置１００での操作信号Ｓ１が制御装置２００に送られ、マスター側の動きが縮小（例えば１／５ないし１／１０程度に）変換され、この信号Ｓ２がスレーブ装置３００に伝達され、この信号Ｓ２に基づきエンドエフェクタ３１０が作動され、この作動信号Ｓ３が制御装置２００にフィードバックされてその動きが表示装置４００に写し出されるようになっている。ここに、制御装置２００の及び表示装置４００の内部構成については格別なものではなく、当分野では一般によく知られたものであるので、この詳細については説明を省略する。なお、本実施例ではエンドエフェクタ３１０の一つに後述する電動式のピンセット３１０Ｐが使用されている。
【００１７】
図２は本マスター操作装置１００の構成を示す図であって、（Ａ）はその平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＸ−Ｘ断面に沿った部分断面図である。また、図３は図２（Ｂ）のＹ−Ｙ断面図であり、図４は図３のＺ−Ｚ断面矢視図である。
【００１８】
本マスター操作装置１００は、図２（Ａ）（Ｂ）に示すように、垂直軸Ａ回りに回転するターンテーブル１１０の上面に、全体がペン形状に形成された一対の操作装置、すなわち一対のペンマスター１４０Ａ、１４０Ｂを逆ハの字状に設置して成っている。一対のペンマスター１４０Ａ、１４０Ｂは、図２（Ａ）に示すように、夫々Ｘ軸線上に一直線に並んだ状態のみならず、後述するように、ターンテーブル１１０の中心回りを滑らせて設置することにより操作者が作業を容易にすることができる構造となっている。
【００１９】
ターンテーブル１１０はスタンド１１１により支持された固定テーブル１１２の上面に回転サポートローラ１１３、軸受１１９を介して回転自在に支持されている。このようにターンテーブル１１０を回転可能とすることにより、この上面に装着されたペンマスター１４０Ａ、１４０Ｂを含む操作部全体を同時に回転させることができ、これによりマスター側の座標軸とスレーブ側の座標軸とを自動的に一致させることができるので、操作性及び運用性が高められる。ターンテーブル１１０の回転方向及び回転角は手動で回転して任意の角度に操作固定できる。なお、スレーブが操作者の意図に反して暴走等の異常動作を示したときは、ターンテーブル１１０の上面に設けられた回転停止手段である非常停止ボタン１１５が押される。
【００２０】
固定テーブル１１２側には信号伝達スリップリング１１６が設けられており、マスター側からの全ての指令信号が通信ケーブル１１７、信号伝達スリップリング１１６、信号ケーブル１１８を介して図２（Ｂ）に点線で示すように前記制御装置２００に送られるようになっている。
【００２１】
ペンマスター１４０Ａは（ペンマスター１４０Ｂも同様に）、構造を図３に断面図で示すように、外装部１４６と内装部１４５とから成る二重構造となっている。外装部１４６は端部が閉鎖された円筒状体から成り、この上端部には三次元変位センサー１４１を備えた第１支軸１４２が設けられ、この下端部には三次元変位センサー１４３を備えた第２支軸１４４が設けられている。これらの各支軸１４２、１４４は、夫々、後述する圧縮コイルバネ１２２、１３２を介してターンテーブル１１０の上面に設置されたアーム型の支持部材１２０と台形状の支持部材１３０とにより右上がりに傾斜して支持されている。支持部材１２０はターンテーブル１１０の上面において垂直軸Ａを中心に円弧状に形成されたスライド溝１２３に沿って移動することができ、操作者が希望する位置及び角度に設定することができる。
【００２２】
ここに、三次元変位センサー１４１、１４３はエンドエフェクタ３１０の姿勢を制御するものであって、上端部側の三次元変位センサー１４１はエンドエフェクタ３１０の後端部の動作方向、動作量及び動作速度を指示するための信号を出力し、下端部側の三次元変位センサー１４３はエンドエフェクタ３１０の先端部の動作方向、動作量及び動作速度を指示するための信号を出力する。なお、このセンサーには、例えば渦電流センサー、レーザーセンサー、ＰＳＤ、ボリューム、ＣＣＤカメラ、変位ゲージ、歪ゲージ等が適用される。
【００２３】
支持部材１２０には円形状の凹部１２１が形成されており、この内部には、図４に示すように、一端部が凹部１２１の内壁に固定され他端部が凹部１２１の中心に向かって延びた３本の圧縮コイルバネ１２２が設けられている。同様に、支持部材１３０にも円形状の凹部１３１が形成されており、この内部に、一端部が凹部１３１の内壁に固定され他端部が凹部１３１の中心に向かって延びた３本の圧縮コイルバネ１３２が設けられている。ペンマスター１４０Ａの第１支軸１４２は支持部材１２０の凹部１２１内に設けられた３本の圧縮コイルバネ１２２によって凹部１２１の中心位置に支持され、同様に、第２支軸１４４は支持部材１３０の凹部１３１内に設けられた３本の圧縮コイルバネ１３２によって支持されている。このように、ペンマスター１４０Ａの両端部は圧縮コイルバネ１２２、１３２によって浮遊状態に支持されているので、第１支軸１４２及び第２支軸１４４の各端部、すなわちペン先部に外力が加えられると（具体的には、後述するように術者あるいは操作者の手によってペン先部が動かされると）、各ペン先部は図３に示すように夫々Ｘ、Ｙ、Ｚの３軸、すなわち三次元方向に自由に動かされる。この各ペン先部の三次元方向への動きは三次元変位センサー１４１、１４３によって検出され、この検出値に基づきスレーブ側のエンドエフェクタ３１０（本実施例におけるピンセット３１０Ｐ）の全ての姿勢が制御装置２００を介して制御される。また、このようにペンマスター１４０Ａの両端部を浮遊状態に支持することにより、外部から本マスター操作装置１００に振動が加えられても、この振動を圧縮コイルバネ１２２、１３２によって吸収することができ、これによりマスターペン１４０Ａの軸心を常に所定の中心位置に保持することができる。
【００２４】
内装部１４５は、外装部１４６の内部にいてローラー１４７が軸部１４８、１４９を夫々軸受１５０、１５１により支えられて回転可能になっている。軸１４８の先端部には回転センサー１５２が備えられており、ローラー１４７の本体中央部には回転時に指先が滑らないようにするため複数条のローレット１４７ｒが刻まれている。この回転センサー１５２には、例えばエンコーダあるいは抵抗ボリューム等が適用される。
【００２５】
外装部１４６の上面側中央部の、術者あるいは操作者の指先が接触する位置には窓１４６ａが形成されており、ローラー１４７のローレット１４７ｒ部分がこの窓１４６ａから露出されている。この窓１４６ａから術者あるいは操作者の指先が入れられ、ローレット１４７ｒ部分が回転される。この回転は回転センサー１５２によって検出され、この検出値に基づきスレーブ側のピンセット３１０Ｐの回転が制御される。なお、窓１４６ａを設ける位置は、操作性の点から親指が容易に接触できる位置であることが望ましく、また、この回転角度は±３０°以内に設定されることが望ましい。
【００２６】
外装部１４６の下方側外周には、エンドエフェクタ３１０の開閉操作を行うセンサースイッチを内蔵した指先挿入部１５５が設置されている。図５はこの指先挿入部１５５の構造を示す拡大断面図で、プラスチック材等により全体が指サック状に形成され、その中空内部の上側内壁には開センサースイッチ１５３が、下側内壁には閉センサースイッチ１５４が設けられている。この中空内部には術者あるいは操作者の人差指Ｆが挿入され、この人差指Ｆが矢印で示される上下方向に動かされることにより夫々のスイッチが作動するようになっている。本実施例においては、開センサースイッチ１５３が作動すると図６（Ａ）に示すようにスレーブ側のピンセット３１０Ｐの先端把持部３１０Ｐ１が開かれ、閉センサースイッチ１５４が作動すると図６（Ｂ）に示すように先端把持部３１Ｐ１が閉じるようになっている。
【００２７】
以上、操作装置であるペンマスター１４０Ａの構造について説明したが、ペンマスター１４０Ｂの構造も実質的に同一となっていることは前述したとおりである。前述したように、このペンマスター１４０Ａとペンマスター１４０Ｂとはターンテーブル１１０の上面に逆ハの字状に設置される。両者をこのように設置すると、操作性がよくなることが実技によって確認されている。
【００２８】
次に、以上のとおり構成された本マスター操作装置１００の操作方法について説明する。
操作に際し、術者あるいは操作者はターンテーブル１１０を前にして右手をペンマスター１４０Ａの回転操作手段１４５に添え、人差指Ｆを指先挿入部１５５の内部に装着し、親指をローラー１４７のローレット１４７ｒ部分に当てて残りの指で操作部本体１４６を軽く握りしめる。同時に、左手をペンマスター１４０Ｂ側に添えて同様に軽く握りしめる。この状態を維持し、術者あるいは操作者は表示装置４００の画面を見ながらペンマスター１４０Ａ、１４０Ｂの各ペン先部を所望の方向及び距離に動かし、必要に応じて所望の角度に回転させることにより、マスター側からスレーブ側のエンドエフェクタ３１０にあらゆる動きが伝達され、これにより所望の手術が行われる。
【００２９】
例えば、切断された血管同士を縫合する手術に先立ち、右側のペンマスター１４０Ａにより一つのピンセット３１０Ｐに開閉及び移動の動作を指令して一方の血管を把持し、同様にして左側のペンマスター１４０Ｂにより他のピンセット３１０Ｐに同様な動作を指令して他方の血管を把持し、血管同士を結合させることにより所望の手術が行われる。
なお、この手術は両手を使用して操作を行う場合であるが、手術の内容によっては片手で行うことができる。
【００３０】
以上に説明したように、本発明に係わるマスター操作装置は、ペンマスターを両手で軽く握り、指先だけでスレーブ側の動きを全て表現可能とし、これをスレーブ側に伝達するように構成されているペンマスターの保持位置中間点にはアイドルエリアがあって、操作者が何らかの理由でペンマスターから手を離したときスレーブは手を離す直前の位置で停止した状態を保つので、操作が簡単で熟練度を要さず、とくに微小部位の外科手術を容易に行うことができる。また、ペンマスターの両端部がバネによって浮遊状態に支持され、振動が吸収されるようになっているので、マスター操作装置に外部から振動が与えられたような場合にも、この振動によりペンマスターが直接影響を受けることがなく、これにより、常に所望の指令をマスター側からスレーブ側に伝達することができる。
【００３１】
以上、本発明の内容を一実施例に基づき説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではないことは前述したとおりである。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明は医療用に限らず、例えば微小精密部品の組立てやバイオエンジニアリング等の分野においても適用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明が適用されるマスタースレーブ方式の医療システムの構成のブロック図である。
【図２】本発明の一実施例に係わるマスター操作装置の構成を示す図であって、（Ａ）はその平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＸ−Ｘ断面に沿った部分断面図である。
【図３】図２（Ｂ）のＹ−Ｙ断面図である。
【図４】図３のＺ−Ｚ断面矢視図である。
【図５】指先挿入部の断面図である。
【図６】エンドエフェクタとして用いられているピンセットの側面図で（Ａ）は開状態を（Ｂ）は閉状態を示す図である。
【符号の説明】
【００３４】
１００                            マスター操作装置
１１０                            ターンテーブル
１１１                            スタンド
１１２                            固定テーブル
１１３                            回転サポートローラ
１１４                            回転検出エンコーダ
１１５                            非常停止ボタン
１１６                            信号伝達スリップリング
１１７                            通信ケーブル
１１８                            信号ケーブル
１１９                            軸受
１２０                            支持部材
１２１                            凹部
１２２                            圧縮コイルバネ
１２３                            （支持部材の）スライド溝
１３０                            支持部材
１３１                            凹部
１３２                            圧縮コイルバネ
１４０Ａ、１４０Ｂ                ペンマスター（操作装置）
１４１                            三次元変位センサー
１４２                            第１支軸
１４３                            三次元変位センサー
１４４                            第２支軸
１４５                            内装部
１４６                            外装部
１４７                            ローラー
１４８、１４９                    軸部
１５０、１５１                    軸受
１５２                            回転センサー
１５３                            開センサースイッチ
１５４                            閉センサースイッチ
１５５                            指先挿入部
２００                            制御装置
３００                            スレーブ装置
３１０                            エンドエフェクタ
３１０Ｐ                          ピンセット
４００                            表示装置
【図１】
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【図２】
2006239278.tif 000004
【図３】
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【図４】
2006239278.tif 000006
【図５】
2006239278.tif 000007
【図６】
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