(57)【要約】【課題】複数の組織を介して目標に至る穿刺において、目標に対する穿刺針のずれを低減させる。【解決手段】穿刺システム１の穿刺パスプランニング部３０は、位置Ｐｊから目標Ｇに至る穿刺パス候補Ｃｊを位置Ｐｊ毎に設定する穿刺パス候補設定部３５と、穿刺パス候補Ｃｊと組織Ｔｉの組織境界ＴＳｉとが互いに交差する位置Ｐｉ、ｊを組織Ｔｉ毎に得る交差位置取得部３６と、位置Ｐｉ、ｊにおける組織境界ＴＳｉの法線Ｎｉ、ｊに対する穿刺パス候補Ｃｊのずれ角度θｉ、ｊを組織Ｔｉ毎に得るずれ角度取得部３７と、組織Ｔｉ毎に得られた複数のずれ角度θｉ、ｊを足し合わせた総合ずれ角度ｆｊを穿刺パス候補Ｃｊ毎に得る総合ずれ角度取得部３８と、複数の総合ずれ角度ｆｊ利用して穿刺パスＣＰとして選択する穿刺パス選択部３９と、を備える。【選択図】図３
2019107298.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の組織を介して目標に至る直線状の穿刺経路を得る穿刺経路設定装置であって、
互いに異なる穿刺開始位置の候補を複数設定し、前記穿刺開始位置から前記目標に至る経路候補を前記穿刺開始位置毎に設定する経路候補設定部と、
前記経路候補と前記組織の組織境界とが互いに交差する交差位置を前記組織毎に得る交差位置取得部と、
前記交差位置における前記組織境界の法線に対する前記経路候補のずれ角度を前記組織毎に得るずれ角度取得部と、
前記組織毎に得られた複数の前記ずれ角度を足し合わせた総合ずれ角度を前記経路候補毎に得る総合ずれ角度取得部と、
複数の前記総合ずれ角度に基づいて、前記目標に到達し得る前記経路候補を前記穿刺経路として選択する穿刺経路選択部と、を備える、穿刺経路設定装置。
【請求項２】
前記経路候補の設定が許される穿刺許可領域を設定する許可領域設定部をさらに備える、請求項１に記載の穿刺経路設定装置。
【請求項３】
前記総合ずれ角度取得部は、前記組織毎の前記ずれ角度に対して重み因子を乗算した値を足し合わせる、請求項１または２に記載の穿刺経路設定装置。
【請求項４】
組織毎の穿刺針の動作条件を設定する穿刺制御量設定装置であって、
前記組織に前記穿刺針を刺し込んでいるときにおける前記動作条件としての前記穿刺針の制御量を、前記組織毎に設定する条件設定部を備え、
前記制御量は、
前記穿刺針が単位時間あたりに穿刺経路に沿って移動する距離を示す穿刺速度と、
前記穿刺針の延びる方向に前記穿刺針を振動させる第１動作に係る第１周波数及び前記穿刺針の延びる方向のまわりに前記穿刺針を往復回転させる第２動作に係る第２周波数の少なくとも一方と、を含み、
前記条件設定部は、前記穿刺針を前記穿刺経路に沿って移動させながら、前記第１動作及び前記第２動作の少なくとも一方を前記穿刺針に行わせることにより、前記穿刺針の先端位置が目標に到達し得るように前記第１周波数及び前記第２周波数を設定する、穿刺制御量設定装置。
【請求項５】
前記条件設定部は、前記第１動作及び前記第２動作が前記組織へ与える影響を評価し、前記評価の結果を利用して前記第１周波数及び前記第２周波数を設定する、請求項４に記載の穿刺制御量設定装置。
【請求項６】
複数の組織を介して目標に穿刺針を刺し込む穿刺システムであって、
請求項１〜３の何れか一項に記載の穿刺経路設定装置と、
前記穿刺経路設定装置により設定された穿刺経路に基づいて、前記穿刺針を有するロボットが前記穿刺針を動作させる穿刺支援ロボットと、を備える、穿刺システム。
【請求項７】
請求項４または５に記載の穿刺制御量設定装置をさらに備え、
前記穿刺支援ロボットは、前記穿刺制御量設定装置により設定された制御量に基づいて前記穿刺針を動作させる、請求項６に記載の穿刺システム。
【請求項８】
前記穿刺支援ロボットは、
前記穿刺針の先端位置に関する情報を得るために、前記穿刺針による組織境界の破断を検知する組織破断検知部と、
前記組織破断検知部が前記組織境界の破断を検知したときに、前記組織毎に設定された前記制御量を変更する制御量変更部と、を有する、請求項７に記載の穿刺システム。
【請求項９】
前記組織破断検知部は、前記穿刺針を刺し込む動作に起因して前記穿刺針に作用する反力を利用して、前記組織境界の破断を検知する、請求項８に記載の穿刺システム。
【請求項１０】
複数の組織を介して目標に穿刺針を刺し込む穿刺システムであって、
請求項４または５に記載の穿刺制御量設定装置と、
前記穿刺制御量設定装置により設定された制御量に基づいて、前記穿刺針を有するロボットが前記穿刺針を動作させる穿刺支援ロボットと、を備える、穿刺システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、穿刺経路設定装置、穿刺制御量設定装置及び穿刺システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
患者への負担軽減の観点から、低侵襲な治療が検討されている。穿刺は、細い針を用いて患者の体内への薬物投与などを行うものであり、低侵襲な治療として注目されている。
【０００３】
例えば、特許文献１は、穿刺プランニング装置を開示する。この装置は、臓器の内部の目標部位に向けて穿刺針を刺入したときの臓器及び穿刺針の動きを予測する動作と、当該予測に基づいて穿刺針の経路を修正する動作と、を繰り返し行う。この繰り返しにより、穿刺針を目標に良好に到達させ得る条件を求める。
【０００４】
特許文献２は、穿刺針の先端形状に起因するたわみを軽減する技術を開示する。この技術では、穿刺針を往復回転させることにより、穿刺時に生じる力のアンバランスが解消する。その結果、穿刺針のたわみが低減されて穿刺針をより直線状に刺し込むことが可能になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１６−２７８４４号公報
【特許文献２】米国特許出願公開第２００１−００５１７９８号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
近年、身体の深部に存在する患部に対して穿刺を用いた治療を行うことが検討されている。身体の深部まで穿刺針を到達させるには、穿刺針を、皮膚、脂肪、筋肉といった特性の異なる複数の組織を通過させる必要がある。このような条件にあっては、穿刺針の先端が目標に対してずれやすい。
【０００７】
そこで、本発明は、複数の組織を介して目標に至る直線状の穿刺において、目標に対する穿刺針のずれを低減可能な穿刺経路設定装置、穿刺制御量設定装置及び穿刺システム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】
【０００８】
本発明の一形態は、複数の組織を介して目標に至る直線状の穿刺経路を得る穿刺経路設定装置であって、互いに異なる穿刺開始位置の候補を複数設定し、穿刺開始位置から目標に至る経路候補を穿刺開始位置毎に設定する経路候補設定部と、経路候補と組織の組織境界とが互いに交差する交差位置を組織毎に得る交差位置取得部と、交差位置における組織境界の法線に対する経路候補のずれ角度を組織毎に得るずれ角度取得部と、組織毎に得られた複数のずれ角度を足し合わせた総合ずれ角度を経路候補毎に得る総合ずれ角度取得部と、複数の総合ずれ角度に基づいて、目標に到達し得る経路候補を穿刺経路として選択する穿刺経路選択部と、を備える。
【０００９】
穿刺経路設定装置では、経路候補設定部が複数の経路候補を設定する。交差位置取得部は、それぞれの経路候補と組織境界との交差位置を得る。ずれ角度取得部は、当該交差位置における経路候補と法線とのずれ角度を得る。総合ずれ角度取得部は、経路候補毎に複数のずれ角度を足し合わせて、総合ずれ角度を得る。ここで、発明者らの知見によれば、穿刺経路に沿って穿刺針を組織に刺し込むとき、組織境界に対する穿刺経路の角度が垂直に近くなるほど穿刺経路に対する穿刺針のずれが小さくなる。つまり、複数の組織を介して目標に至る場合には、穿刺経路と組織境界における法線とのずれの積算値が小さいほど、目標に対するずれが小さくなる。そして、穿刺経路設定装置は、総合ずれ角度に基づいて穿刺経路を選択する。従って、穿刺経路設定装置は、複数の組織を介して目標に至る直線状の穿刺において、目標に対する穿刺針のずれを低減可能な穿刺経路を提供することができる。
【００１０】
一形態に係る穿刺経路設定装置は、経路候補の設定が許される穿刺許可領域を設定する許可領域設定部をさらに備えてもよい。この構成によれば、好適な経路候補を提供することができる。
【００１１】
一形態において、総合ずれ角度取得部は、組織毎のずれ角度に対して重み因子を乗算した値を足し合わせてもよい。この構成によれば、目標に対する穿刺針のずれをさらに低減可能な穿刺経路を提供することができる。
【００１２】
本発明の別の形態は、組織毎の穿刺針の動作条件を設定する穿刺制御量設定装置であって、組織に穿刺針を刺し込んでいるときにおける動作条件としての穿刺針の制御量を、組織毎に設定する条件設定部を有し、制御量は、穿刺針が単位時間あたりに穿刺経路に沿って移動する距離を示す穿刺速度と、穿刺針の延びる方向に穿刺針を振動させる第１動作に係る第１周波数及び穿刺針の延びる方向のまわりに穿刺針を往復回転させる第２動作に係る第２周波数の少なくとも一方と、を含み、条件設定部は、穿刺針を穿刺経路に沿って移動させながら、第１動作及び第２動作の少なくとも一方を穿刺針に行わせることにより、穿刺針の先端位置が目標に到達し得るように第１周波数及び第２周波数を設定する。
【００１３】
この穿刺制御量設定装置は、組織毎に動作条件としての穿刺針の制御量を条件設定部が設定する。従って、組織の特性に応じて穿刺針を動作させることが可能になるので、穿刺経路に対する穿刺針のずれを低減することができる。その結果、穿刺制御量設定装置は、複数の組織を介して目標に至る直線状の穿刺において、目標に対する穿刺針のずれを低減可能な穿刺針の制御量を提供することができる。
【００１４】
別の形態において、条件設定部は、第１動作及び第２動作が組織へ与える影響を評価し、評価の結果を利用して第１周波数及び第２周波数を設定してもよい。この構成によれば、組織の損傷を抑制と目標に対する穿刺針のずれの低減とを両立可能な制御量を提供することができる。
【００１５】
本発明のさらに別の形態は、複数の組織を介して目標に穿刺針を刺し込む穿刺システムであって、上記の穿刺経路設定装置と、穿刺経路設定装置により設定された穿刺経路に基づいて、穿刺針を有するロボットが穿刺針を動作させる穿刺支援ロボットと、を備える。
【００１６】
この穿刺システムは、上記の穿刺経路設定装置が提供する穿刺経路に基づいて、穿刺針を有するロボットが穿刺針を動作させる。従って、穿刺において目標に対する穿刺針のずれを低減し、ひいては穿刺針を確実に目標に到達させることができる。
【００１７】
さらに別の形態において、穿刺支援ロボットは、上記の穿刺制御量設定装置をさらに備え、穿刺支援ロボットは、穿刺制御量設定装置により設定された制御量に基づいて穿刺針を動作させてもよい。この構成によれば、穿刺経路に対する穿刺針のずれが低減される。従って、穿刺において目標に対する穿刺針のずれがさらに低減され、ひいては穿刺針をより確実に目標に到達させることができる。
【００１８】
さらに別の形態において、穿刺支援ロボットは、穿刺針の先端位置に関する情報を得るために、穿刺針による組織境界の破断を検知する組織破断検知部と、組織破断検知部が組織境界の破断を検知したときに、組織毎に設定された制御量を変更する制御量変更部と、を有してもよい。この構成によれば、穿刺針の先端がある組織から当該組織に隣接する別の組織に移動したことを確実に検知することが可能である。従って、組織毎に設定された制御量を好適に変更することができる。その結果、穿刺において目標に対する穿刺針のずれをより低減し、ひいては穿刺針をいっそう確実に目標に到達させることができる。
【００１９】
さらに別の形態において、組織破断検知部は、穿刺針を刺し込む動作に起因して穿刺針に作用する反力を利用して、組織境界の破断を検知してもよい。この構成によれば、組織境界の破断を確実に検知することができる。
【００２０】
本発明のさらに別の形態は、複数の組織を介して目標に穿刺針を刺し込む穿刺システムであって、上記の穿刺制御量設定装置と、穿刺制御量設定装置により設定された制御量に基づいて、穿刺針を有するロボットが穿刺針を動作させる穿刺支援ロボットと、を備える。
【００２１】
この穿刺システムは、上記の穿刺制御量設定装置が提供する制御量に基づいて、穿刺針を有するロボットが穿刺針を動作させる。従って、穿刺において穿刺経路に対する穿刺針のずれを低減し、ひいては穿刺針を確実に目標に到達させることができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、複数の組織を介して目標に至る直線状の穿刺において、目標に対する穿刺針のずれを低減可能な穿刺経路設定装置、穿刺制御量設定装置及び穿刺システムが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】図１は、実施形態に係る穿刺システムを示す図である。
【図２】図２は、穿刺プランニング装置を構成するコンピュータシステムを示す図である。
【図３】図３は、穿刺パスプランニング装置及び穿刺支援ロボットの機能ブロックを示す図である。
【図４】図４の（ａ）部及び図４の（ｂ）部は、穿刺パスを選択する原理を説明するための図である。
【図５】図５の（ａ）部は穿刺パスを選択する原理を説明する別の図であり、図５の（ｂ）部は図５の（ａ）の一部を拡大した図であり、図５の（ｃ）部は図５の（ａ）の別の一部を拡大した図である。
【図６】図６の（ａ）部は穿刺パス候補設定部の動作を説明するための図であり、図６の（ｂ）部は図６の（ａ）部の一部を拡大した図である。
【図７】図７は、組織破断検知部の原理を説明するためのグラフである。
【図８】図８は、穿刺パスプランニングが有する代表的なステップを示す図である。
【図９】図９は、穿刺制御プランニングが有する代表的なステップを示す図である。
【図１０】図９は、穿刺方法が有する代表的なステップを示す図である。
【図１１】図１１の（ａ）部及び図１１の（ｂ）部は、変形例１に係る穿刺パスプランニング部の動作を説明するための図である。
【図１２】図１２の（ａ）部及び図１２の（ｂ）部は、変形例２に係る組織破断検知部の動作を説明するための図である。
【図１３】図１３の（ａ）部及び図１３の（ｂ）部は、変形例３に係る穿刺システムを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、添付図面を参照しながら本発明を実施するための形態を詳細に説明する。図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００２５】
図１に示されるように、穿刺システム１は、例えば、体内に発生したがん細胞へ直接に薬物を投与するといった治療に用いられる。患者の負担軽減の観点から、近年は、低侵襲な治療方法が検討されており、その一つに極めて細い穿刺針１２を使う治療法がある。このような細い穿刺針１２の先端をがん細胞といった目標へ正確に到達させることは、高度の技量を要する。また、断層撮影装置などを利用して穿刺針１２の先端位置を確認しつつ行うこともあるので、穿刺に要する時間を短縮化させることも望まれている。
【００２６】
そこで、穿刺システム１は、穿刺支援ロボット２と、穿刺プランニング装置３と、を有する。穿刺支援ロボット２は、予め定めた穿刺パス（穿刺経路）に沿って穿刺針１２を精度よく移動させる。そして、穿刺プランニング装置３は、目標に到達させるために最適な穿刺パスと、穿刺パスからのずれを抑制し得る穿刺針１２の制御量と、を穿刺支援ロボット２に対して提供する。
【００２７】
＜穿刺支援ロボット＞
穿刺支援ロボット２は、ロボット１０と、ロボット制御装置２０と、を有する。ロボット１０は、複数の関節を有する多自由度のアーム型ロボットで有り得る。ロボット制御装置２０は、穿刺プランニング装置３から提供される情報に基づいて、ロボット１０を制御する。ロボット１０は、アクチュエータ、モータ、振動素子といった部品により構成された駆動ユニット１１を有する。また、ロボット１０のアーム先端には、穿刺針１２が取り付けられる。穿刺針１２は、例えば、長さが１５０ミリメートル、直径が０．５３ミリメートルであり、基端側がロボット１０に保持された片持ち梁状を呈する。さらに、穿刺針１２の基端には、穿刺針１２に作用する力を計測する力センサ１３が設けられる。そして、ロボット１０のアームには、穿刺針１２の位置及び姿勢を得るためのいくつかの角度センサ１４が設けられる。
【００２８】
ロボット１０は、穿刺針１２について、任意に設定されるＸＹＺ座標系を基準とし、先端位置と、ＸＹＺ座標軸に対する傾きと、ＸＹＺ方向への並進と、ＸＹＺ座標軸まわりの回転と、を制御する。また、ロボット１０は、穿刺針１２が単位時間あたりに穿刺パスに沿って移動する距離を示す移動速度（穿刺速度）と、穿刺針１２の軸線方向に沿った振動の周波数（穿刺周波数：第１周波数）と、軸線まわりの回転の速度（回転速度：第２周波数）と、を制御する。なお、ロボット１０は、穿刺速度と振動の周波数と、を制御し、回転の速度を制御しないものであってもよい。また、ロボット１０は、穿刺速度と回転速度と、を制御し、振動周波数を制御しないものであってもよい。
【００２９】
ロボット制御装置２０は、穿刺プランニング装置３から提供された情報に基づいて、ロボット１０の駆動ユニット１１を動作させる。また、ロボット制御装置２０は、ロボット１０に設けられた種々のセンサ（力センサ１３、角度センサ１４）の情報に基づいて、穿刺針１２の状態を得る。ロボット制御装置２０は、例えば、コンピュータであり、当該コンピュータが所定のプログラムを実行することにより、上記の機能が実現される。ロボット制御装置２０が奏する機能の詳細は後述する。なお、穿刺支援ロボット２は、上記の動作及びその制御が実現可能な構成であれば、特に限定されない。
【００３０】
＜穿刺プランニング装置＞
穿刺プランニング装置３は、穿刺支援ロボット２の動作条件を決めるコンピュータシステムである。穿刺プランニング装置３は、患者の断層撮影画像などの画像情報を利用して、穿刺パスと、穿刺制御量と、を算出する。そして、穿刺プランニング装置３は、当該穿刺パス及び穿刺制御量を穿刺支援ロボット２に提供する。穿刺プランニング装置３から穿刺支援ロボット２への情報提供の態様は、特に限定されない。穿刺プランニング装置３は、穿刺支援ロボット２に対して有線または無線により接続され、穿刺プランニング装置３から穿刺支援ロボット２へ情報が伝達されてもよい。また、穿刺プランニング装置３が生成した情報は、メモリーカードといった情報記録媒体に記録され、当該媒体の情報を穿刺支援ロボット２に読み込ませることにより伝達されてもよい。
【００３１】
穿刺プランニング装置３は１台以上のコンピュータを有する。穿刺プランニング装置３が複数台のコンピュータを有する場合には、後述する穿刺プランニング装置３の各機能要素は分散処理により実現されてもよい。穿刺プランニング装置３を構成する個々のコンピュータの種類は限定されない。例えば、据置型または携帯型のパーソナルコンピュータ（ＣＰ）であってもよい。また、ワークステーションを用いてもよいし、高機能携帯電話機（スマートフォン）や携帯電話機、携帯情報端末（ＰＤＡ）などの携帯端末を用いてもよい。あるいは、様々な種類のコンピュータを組み合わせて穿刺プランニング装置３を構築してもよい。穿刺プランニング装置３が複数台のコンピュータによって構成される場合には、これらのコンピュータはインターネットやイントラネットなどの通信ネットワークを介して接続される。
【００３２】
図２は、穿刺プランニング装置３を構成する個々のコンピュータ１００の一般的なハードウェア構成を示す。コンピュータ１００は、ＣＰＵ（プロセッサ）１０１と、主記憶部１０２と、補助記憶部１０３と、通信制御部１０４と、入力装置１０５と、出力装置１０６とを有する。ＣＰＵ１０１は、演算装置であって、オペレーティングシステムやアプリケーション・プログラムなどを実行する。主記憶部１０２は、ＲＯＭ及びＲＡＭにより構成される。補助記憶部１０３は、ハードディスクやフラッシュメモリなどにより構成される。通信制御部１０４は、ネットワークカードあるいは無線通信モジュールにより構成される。入力装置１０５は、キーボードやマウスなどを含む。出力装置１０６は、ディスプレイやプリンタなどを含む。
【００３３】
穿刺プランニング装置３を構成するハードウェアモジュールは、コンピュータ１００の種類により異なる。例えば、据置型のＰＣ及びワークステーションは入力装置１０５及び出力装置１０６としてキーボード、マウス、及びモニタを有する。その一方、スマートフォンではタッチパネルが入力装置１０５及び出力装置１０６として機能する。
【００３４】
後述する穿刺プランニング装置３の各機能要素は、ＣＰＵ１０１または主記憶部１０２の上に所定のソフトウェアを読み込ませ、ＣＰＵ１０１の制御の下で通信制御部１０４や入力装置１０５、出力装置１０６などを動作させ、主記憶部１０２または補助記憶部１０３におけるデータの読み出し及び書き込みを行うことで実現される。処理に必要なデータやデータベースは主記憶部１０２または補助記憶部１０３内に格納されてもよい。
【００３５】
以下、穿刺プランニング装置３についてさらに詳細に説明する。
【００３６】
図３に示されるように穿刺プランニング装置３は、機能的構成要素として、穿刺パスプランニング部３０（穿刺経路設定装置）と、穿刺制御プランニング部４０（穿刺制御量設定装置）と、を有する。ここで「穿刺パス」とは、体表上の穿刺開始位置と穿刺目標とを結んだ線であり、穿刺針１２を通過させる軌跡をいう。そして、「穿刺パスプランニング」とは、穿刺針１２のたわみ（穿刺目標に針先が到達した際の誤差）が最も小さくなる穿刺パスを設定することをいう。さらに、「穿刺制御」とは、穿刺針１２のたわみを低減するための穿刺針１２の動き制御をいう。また、「穿刺制御プランニング」とは、穿刺制御において、通過する組織に応じて、たわみを最小化する最適な制御パラメータを設定することをいう。
【００３７】
また、穿刺プランニング装置３は、データ入出力部５０を有する。データ入出力部５０は、例えば、図２に示された入力装置１０５、通信制御部１０４、出力装置１０６に相当する。データ入出力部５０は、穿刺パス及び穿刺条件の設定に必要な種々の情報を受け入れる。例えば、データ入出力部５０は、断層画像といった画像データを受ける。
【００３８】
穿刺パスプランニング部３０は、まず、受け取った画像データに対して穿刺が許されない領域を設定する。次に、穿刺パスプランニング部３０は、画像データに含まれるがん細胞といった目標を特定する。次に、穿刺パスプランニング部３０は、穿刺が許されない領域及び目標を利用して、画像データに対して穿刺が許される領域を設定する。次に、穿刺パスプランニング部３０は、穿刺が許される領域内において、穿刺パスの候補を複数設定する。そして、穿刺パスプランニング部３０は、当該候補を所定の評価条件を利用して比較を行い、最も穿刺に適した候補を穿刺パスとして選択する。
【００３９】
穿刺パスプランニング部３０は、危険領域設定部３１と、目標設定部３２と、許可領域設定部３３と、体内画像生成部３４と、を有する。さらに、穿刺パスプランニング部３０は、穿刺パス候補設定部３５（経路候補設定部）と、交差位置取得部３６と、ずれ角度取得部３７と、総合ずれ角度取得部３８と、穿刺パス選択部３９（穿刺経路選択部）と、を有する。
【００４０】
危険領域設定部３１、目標設定部３２、許可領域設定部３３及び体内画像生成部３４は、データ入出力部５０にそれぞれ接続され、データ入出力部５０から画像データを受ける。そして、受け取った画像データを処理する。つまり、これらの危険領域設定部３１、目標設定部３２、許可領域設定部３３及び体内画像生成部３４は、画像データ処理部であるともいえる。危険領域設定部３１、目標設定部３２、許可領域設定部３３は、入力された画像データから目的とする領域を自動的に特定できる画像処理プログラムを実行することにより実現される。体内画像生成部３４は、目的とする領域が特定された画像データを複数利用して、三次元的な体内仮想モデルを構築する。
【００４１】
＜危険領域設定部＞
危険領域設定部３１は、画像データに対して危険領域ＲＫを設定する。「危険領域」とは、穿刺が許されない領域であり、例えば、血管が集中する部位など、穿刺針１２が通過すると人体に影響を及ぼす危険性が高い領域をいう。
【００４２】
＜目標設定部＞
目標設定部３２は、画像データに対して目標を設定する。「目標」とは、穿刺針１２の先端が到達すべき領域をいう。従って、本実施形態でいう「目標」は、画像データにおいてある程度の範囲を有する領域をいう。例えば、目標は、体内に発生したがん細胞を含む領域としてよい。なお、目標は、穿刺針１２が通過すべき領域としてもよい。
【００４３】
＜許可領域設定部＞
許可領域設定部３３は、画像データに対して許可領域ＲＰ（穿刺許可領域）を設定する。「許可領域」とは、穿刺が許される領域であり、例えば、穿刺針１２が通過しても人体に大きな影響を及ぼす危険性が低い領域をいう。つまり、許可領域ＲＰと危険領域ＲＫとは、重複して設定されることはない。
【００４４】
＜体内画像生成部＞
体内画像生成部３４は、複数の画像データを利用して三次元的な許可領域ＲＰを示す体内仮想モデルを生成する。
【００４５】
穿刺パス候補設定部３５、交差位置取得部３６、ずれ角度取得部３７、総合ずれ角度取得部３８及び穿刺パス選択部３９は、体内画像生成部３４が生成した体内仮想モデルを利用して、穿刺に適した穿刺パスを設定する。ここで、穿刺パスを選択する原理について説明する。
【００４６】
図４の（ａ）部に示されるように、穿刺針１２を組織Ｔｉに刺し入れる。この例示によれば、穿刺針１２の軸線は、組織境界ＴＳｉに対して垂直である。換言すると、穿刺針１２の軸線は、組織境界ＴＳｉの法線Ｎｉと平行である。この構成によれば、穿刺針１２を組織Ｔｉに刺し入れるとき、穿刺針１２には軸線に交差する方向に向かう不要な力が作用し難い。従って、穿刺針１２は、組織Ｔｉに対して直線状に（法線Ｎｉに沿って）刺し入れることができる。なお、ここでいう「直線状」とは、数学的な厳密性を有する「直線」に限定されない。本実施形態でいう「直線状」とは、例えばＣＴ画像を介してみた時のように、巨視的に見て概ね直線と認識できるものを意味する。
【００４７】
一方、図４の（ｂ）部に示されるように、穿刺針１２を組織Ｔｉに差し入れる。図４の（ａ）部とは異なり、穿刺針１２は、組織境界ＴＳｉの法線Ｎｉに対して傾いている。換言すると、穿刺針１２の軸線Ａは、組織境界ＴＳｉの法線Ｎｉに対して平行でない。この場合には、穿刺針１２に対して法線Ｎｉに交差する方向に向かう不要な力が作用しやすい。従って、穿刺針１２は、組織境界ＴＳｉに対して直線状に（法線Ｎｉに沿って）刺し入れることが難しい。つまり、穿刺針１２は、その先端が徐々に軸線Ａからずれる。
【００４８】
穿刺システム１は、体内の深部に位置する目標に対して、穿刺針１２を到達させることを狙っている。そうすると、穿刺針１２は、複数の特性の異なる組織Ｔｉを通過しながら、目標に到達する。
【００４９】
ここで、発明者らは、図５の（ａ）部に示されるように、穿刺針１２を刺し入れる方向（穿刺パスＣＰ）と組織境界ＴＳｉ＋１の法線Ｎｉ＋１との関係、及び、穿刺パスＣＰと組織境界ＴＳｉ＋２の法線Ｎｉ＋２の方向との関係に注目した。つまり、穿刺針１２が複数の組織Ｔｉ、Ｔｉ＋１、Ｔｉ＋２を通過する場合、穿刺パスＣＰと法線Ｎｉ＋１とのずれ角度θｉ＋１（図５の（ｂ）部参照）と、穿刺パスＣＰと法線Ｎｉ＋２とのずれ角度θｉ＋２（図５の（ｃ）部参照）と、が生じ得る。そして、ずれ角度θｉ＋１、θｉ＋２の総和が最小となる穿刺パスＣＰが、目標Ｇに対する穿刺針１２の先端のずれを最小に抑制できるパスであると考えた。この着想は、次式により示される。
【数１】
2019107298.tif 000003
ｉは複数の組織Ｔｉの一つを特定する数であり、ｊは複数の穿刺パス候補Ｃｊの一つを特定する数である。ｆｊは、ｊ番目の穿刺パス候補Ｃｊにおける総合ずれ角度であり、θｉ、ｊは組織境界ＴＳｉと穿刺パス候補Ｃｊとのずれ角度であり、ｗｉは組織Ｔｉにおける重み因子である。
【００５０】
そこで、穿刺パスプランニング部３０は、体内画像生成部３４において生成された体内仮想モデルを用いて、いくつかの穿刺パス候補Ｃｊを設定し、それぞれの穿刺パス候補Ｃｊについて、上記式に示される総合ずれ角度ｆｊを算出する。そして、最も小さい総合ずれ角度ｆｍｉｎを示す穿刺パス候補Ｃｊを、穿刺パスＣＰとして選択する。
【００５１】
なお、上述の説明により選択された穿刺パスＣＰは、目標Ｇに対するずれが最も小さくなる経路である。しかし、複数の穿刺パス候補Ｃｊには、総合ずれ角度ｆｊが最小でなくとも、目標Ｇに到達し得るものが含まれ得る。従って、複数の穿刺パス候補Ｃｊから穿刺パスＣＰを選択する場合には、目標Ｇに到達し得るものを選択してよい。そうすると、複数の穿刺パス候補Ｃｊから穿刺パスＣＰを選択する場合には、最小の総合ずれ角度ｆminを含む好適な許容し得る総合ずれ角度の集団が設定され、その集団から穿刺パスＣＰを設定することとしてもよい。
【００５２】
＜経路候補設定部＞
穿刺パス候補設定部３５は、体内画像生成部３４に接続されて、体内仮想モデルを受ける。図６に示されるように、穿刺パス候補設定部３５は、体内仮想モデル６０に示される三次元的な許可領域ＲＰ内において、互いに異なる複数の初期位置としての位置Ｐｊ、Ｐｊ＋１、Ｐｊ＋２から目標Ｇに至る複数の穿刺パス候補Ｃｊ、Ｃｊ＋１、Ｃｊ＋２を設定する。
【００５３】
具体的には、穿刺パス候補設定部３５は、複数の位置Ｐｊ、Ｐｊ＋１、Ｐｊ＋２の座標を設定する。次に、穿刺パス候補設定部３５は、目標Ｇに含まれる目標点ＧＰの座標を設定する。そして、穿刺パス候補設定部３５は、位置Ｐｊ、Ｐｊ＋１、Ｐｊ＋２と目標点ＧＰとを結ぶ直線を穿刺パス候補Ｃｊ、Ｃｊ＋１、Ｃｊ＋２として規定する。
【００５４】
＜交差位置取得部＞
交差位置取得部３６は、体内画像生成部３４と穿刺パス候補設定部３５とに接続されて体内仮想モデルと穿刺パス候補Ｃｊ、Ｃｊ＋１、Ｃｊ＋２を示す情報とを受ける。穿刺パス候補Ｃｊ、Ｃｊ＋１、Ｃｊ＋２と、組織境界ＴＳｉ＋１、ＴＳｉ＋２の交差する位置を計算により得る。体内仮想モデルは、組織Ｔｉ＋１、Ｔｉ＋２について、その形状を示す三次元データを含む。交差位置取得部３６は、穿刺パス候補Ｃｊ、Ｃｊ＋１、Ｃｊ＋２と組織Ｔｉ＋１、Ｔｉ＋２の形状を示すデータとを利用して、交差点を示す座標を得る。例えば、穿刺パス候補Ｃｊと組織境界ＴＳｉ＋１との交差点ＣＰｉ＋１、ｊを得る。穿刺パス候補Ｃｊと組織境界ＴＳｉ＋２との交差点ＣＰｉ＋２、ｊを得る。穿刺パス候補Ｃｊ＋１と組織境界ＴＳｉ＋１との交差点ＣＰｉ＋１、ｊ＋１を得る。穿刺パス候補Ｃｊ＋１と組織境界ＴＳｉ＋２との交差点ＣＰｉ＋２、ｊ＋１を得る。穿刺パス候補Ｃｊ＋２と組織境界ＴＳｉ＋１との交差点ＣＰｉ＋１、ｊ＋２を得る。穿刺パス候補Ｃｊ＋２と組織境界ＴＳｉ＋２との交差点ＣＰｉ＋２、ｊ＋２を得る。
【００５５】
＜ずれ角度取得部＞
ずれ角度取得部３７は、体内画像生成部３４と交差位置取得部３６とに接続されて体内仮想モデルと交差点を示す情報（座標）を受ける。例えば、ずれ角度取得部３７は、まず、交差点ＣＰｉ＋１、ｊにおける法線Ｎｉ＋１、ｊを算出する。既に述べたように、体内仮想モデルは、組織Ｔｉ＋１についてその形状を示す三次元データを含む。従って、組織境界ＴＳｉ＋１における交差点ＣＰｉ＋１が特定されれば、当該交差点ＣＰｉ＋１における法線Ｎｉ＋１、ｊの方向が得られる。次に、ずれ角度取得部３７は、法線Ｎｉ＋１、ｊと、穿刺パス候補Ｃｊとのずれ角度θｉ＋１、ｊを得る。一つの穿刺パス候補Ｃｊにつき、交差する組織境界ＴＳｉ＋１、ＴＳｉ＋２の数だけずれ角度が得られる。
【００５６】
＜総合ずれ角度取得部＞
総合ずれ角度取得部３８は、ずれ角度取得部３７に接続されてずれ角度θｉ、ｊを受ける。総合ずれ角度取得部３８は、穿刺パス候補Ｃｊ毎に、ずれ角度θｉ、ｊを足し合わせる（式（１）参照）。例えば、３本の穿刺パス候補Ｃｊ、Ｃｊ＋１、Ｃｊ＋２が設定された場合には、３個の総合ずれ角度ｆｊ、ｆｊ＋１、ｆｊ＋２が得られる。なお、足し合わせる前に、ずれ角度θｉ、ｊには、所定の重み因子ｗｉを乗算してもよい。
【００５７】
＜穿刺経路選択部＞
穿刺パス選択部３９は、総合ずれ角度取得部３８に接続されて総合ずれ角度ｆｊを受ける。穿刺パス選択部３９は、複数の総合ずれ角度ｆｊ、ｆｊ＋１、ｆｊ＋２の数値を互いに比較し、最小の総合ずれ角度ｆｍｉｎを特定する。そして、最小の総合ずれ角度ｆｍｉｎを示す穿刺パス候補Ｃｊを穿刺パスＣＰとして選択する。例えば、総合ずれ角度ｆｊ、ｆｊ＋１、ｆｊ＋２のうち、総合ずれ角度ｆｊ＋１が最小であったとする。そうすると、穿刺パス選択部３９は、総合ずれ角度ｆｊ＋１を示す穿刺パス候補Ｃｊ＋１を、穿刺パスＣＰとして選択する。
【００５８】
＜穿刺制御プランニング部（穿刺制御量設定部）＞
穿刺パスＣＰに沿って穿刺針１２を刺し込むことにより、目標Ｇとのずれが最小化される。すでに述べたように、穿刺針１２は、極めて細く（例えば直径０．５３ミリメートル）であり、たわみやすい。さらに、穿刺針１２は、軸線方向に沿った力を正確に加えたとしても、その先端の形状によりたわんでしまう。このようなたわみを抑制するために、穿刺針１２に対して軸線方向に沿った振動あるいは軸線まわりに交互に回動する回転振動を与える。これらの穿刺針１２の動作により、先端形状に起因する力の不均一などが解消される。従って、穿刺パスＣＰからの穿刺針１２のずれをさらに抑制することができる。
【００５９】
その一方、発明者らは、穿刺針１２を上記のように動作させると穿刺パスＣＰからの穿刺針１２のずれが抑制されるものの、組織Ｔｉに損傷を与える可能性があることを見出した。つまり、穿刺パスＣＰからのずれを抑制することのみに注目すれば、穿刺周波数及び穿刺回転数は高めるほどよい。しかし、穿刺周波数及び穿刺回転数が高くなると、組織Ｔｉに与える損傷が増加してしまう。従って、穿刺針１２を刺しこむにあたっては、穿刺パスＣＰからのずれと組織損傷とを総合的に評価して、穿刺針１２を制御することが望ましい。
【００６０】
そこで、発明者らは、穿刺パスＣＰに対して許容し得るずれを設定し、当該許容されるずれに穿刺針１２の先端位置を収束させるために必要な穿刺針１２の制御条件（制御量）を設定することに着想した。この着想によれば、組織損傷を抑制しながら、穿刺パスＣＰのずれも穿刺針１２の先端が目標Ｇに到達可能な範囲に抑制することが可能になる。
【００６１】
上記の着想に鑑み、穿刺制御プランニング部４０は、穿刺針１２の制御量を設定する。穿刺針１２の制御量は、穿刺針１２を直線状に移動させる際の移動速度（穿刺速度）と、穿刺針１２の軸線方向に沿った振動（第１動作）の周波数（穿刺周波数）と、軸線まわりの回転（第２動作）の速度（穿刺回転速度）と、を含む。
【００６２】
穿刺制御プランニング部４０は、穿刺パスＣＰ及び組織Ｔｉの特性に応じて、これら穿刺速度、穿刺周波数及び穿刺回転数の値を設定する。この設定には、穿刺周波数及び穿刺回転数の値をゼロにすることも含む。つまり、穿刺制御プランニング部４０は、第１の態様として、所定の穿刺速度をもって穿刺針１２を動かしつつ、所定の穿刺周波数をもって穿刺針１２を振動させ、且つ、所定の穿刺周波数をもって穿刺針１２を回転させるという条件を設定してもよい。また、穿刺制御プランニング部４０は、第２の態様として、所定の穿刺速度をもって穿刺針１２を動かしつつ、所定の穿刺周波数をもって穿刺針１２を振動させるが、穿刺針１２を回転させない（穿刺回転速度がゼロ）という条件を設定してもよい。さらに、穿刺制御プランニング部４０は、第３の態様として、所定の穿刺速度をもって穿刺針１２を動かしつつ、所定の穿刺周波数をもって穿刺針１２を振動させないが（穿刺周波数がゼロ）、所定の穿刺周波数をもって穿刺針１２を回転させるという条件を設定してもよい。
【００６３】
穿刺制御プランニング部４０は、許容値設定部４１と、制御量設定部４２と、を含む。許容値設定部４１は、各組織Ｔｉにおいて許容し得るたわみを設定する。制御量設定部４２は、許容し得るたわみを満たす穿刺針１２の制御量を設定する。
【００６４】
＜許容値設定部＞
許容値設定部４１は、穿刺パスプランニング部３０に接続されて穿刺パスＣＰに関する情報と体内仮想モデル６０に関する情報を受ける。穿刺針１２は、穿刺パスＣＰに沿って刺しこんだとき、目標Ｇに到達するまでに各組織Ｔｉ、Ｔｉ＋１、Ｔｉ＋２を貫通する。そして、目標Ｇは、その位置は一つの座標によって代表されているが、実際には三次元的な領域を有する。従って、当該領域を用いて、許容できる最終的なずれが算出でき、ひいてはそれぞれの組織Ｔｉ、Ｔｉ＋１、Ｔｉ＋２において許されるずれを得ることができる。
【００６５】
＜制御量設定部＞
制御量設定部４２は、前処理部４３と、条件設定部４４と、を有する。
【００６６】
＜前処理部＞
前処理部４３は、穿刺パスプランニング部３０及び許容値設定部４１に接続されて、体内仮想モデル６０に関する情報と許容値に関する情報とを受ける。前処理部４３は、制御量の設定に必要な前処理を行う。例えば、前処理部４３は、穿刺パスＣＰにおける各組織Ｔｉ、Ｔｉ＋１、Ｔｉ＋２の長さＬｉ、Ｌｉ＋１、Ｌｉ＋２を得る。長さＬｉ、Ｌｉ＋１、Ｌｉ＋２は、穿刺パスＣＰを示す情報と体内仮想モデル６０に関する情報とを用いた計算により得られる。また、前処理部４３は、各組織Ｔｉ、Ｔｉ＋１、Ｔｉ＋２の弾性率Ｅｉ、Ｅｉ＋１、Ｅｉ＋２を得る。弾性率Ｅｉ、Ｅｉ＋１、Ｅｉ＋２は、予め取得されて補助記憶部１０３に保存された情報を用いてもよい。
【００６７】
＜条件設定部＞
条件設定部４４は、制御量仮定部４４ａ、たわみ確率評価部４４ｂと、組織損傷評価部４４ｃと、を有する。たわみ確率評価部４４ｂは、穿刺速度、穿刺周波数及び穿刺回転速度を仮定し、当該仮定に基づいて発生し得る穿刺パスＣＰからのずれが許容できるか否かを評価する。そして、この仮定と評価とを、所定の条件が満たされるまで繰り返す。組織損傷評価部４４ｃは、たわみ確率評価部４４ｂにおいて評価を満たした穿刺速度、穿刺周波数及び穿刺回転速度に基づいて組織損傷を評価する。
【００６８】
たわみ確率評価部４４ｂは、下記式を利用して、穿刺パスＣＰからのずれを評価する。
【数２】
2019107298.tif 000004
ここで、ｐｉは組織Ｔｉにおけるたわみ量が許容値以下になる確率である。Ｐは、許容し得る確率である。また、Ｅｉは弾性率であり、Ｌｉは組織Ｔｉ中における穿刺パスＣＰの長さであり、ｕｉは穿刺回転速度であり、ｖｉは穿刺速度であり、ｑｉは穿刺周波数である。
【００６９】
まず、たわみ確率評価部４４ｂは、前処理部４３から弾性率Ｅｉ、Ｅｉ＋１、Ｅｉ＋２、長さＬｉ、Ｌｉ＋１、Ｌｉ＋２を得る。次に、穿刺周波数ｑｉ、穿刺速度ｖｉ及び、穿刺回転速度ｕｉを仮定する。続いて、許容値設定部４１から許容値を得る。次に、これらのパラメータを用いて、穿刺針１２のたわみが許容値以下となる確率ｐｉを得る。そして、確率ｐｉを許容し得る確率Ｐと比較する。ｐｉ＞Ｐであるとき、穿刺周波数ｑｉ、穿刺速度ｖｉ及び、穿刺回転速度ｕｉは不適と判断されて、再び別の穿刺周波数ｑｉ、穿刺速度ｖｉ及び、穿刺回転速度ｕｉが仮定される。ｐｉ＜Ｐであるとき、穿刺周波数ｑｉ、穿刺速度ｖｉ及び、穿刺回転速度ｕｉは適当であると判断されて、制御量候補が設定する。
【００７０】
続いて、組織損傷評価部４４ｃは、制御量候補に示される穿刺周波数ｑｉ、穿刺速度ｖｉ及び、穿刺回転速度ｕｉを用いて、組織損傷の度合いＨｉ、ｊを評価する。組織損傷評価部４４ｃは、下記式を利用して、組織損傷の度合いＨｉ、ｊを評価する。
【数３】
2019107298.tif 000005
ここで、組織損傷の度合いＨｉ、ｊは、算出するだけでもよいし、予め設定された閾値と比較してもよい。つまり、組織損傷の度合いＨｉ、ｊが閾値を越える（損傷度合いが許容できない）と判断されるとき、再び、たわみ確率評価部４４ｂの動作に戻って、新たな穿刺速度ｖｉ及び穿刺回転速度ｕｉが設定される。
【００７１】
上述したように、制御量を設定するに際して、組織Ｔｉ毎の弾性率Ｅｉや長さＬｉを用いた。従って、制御量は、穿刺針１２が通過する組織Ｔｉ毎に設定される。組織Ｔｉ毎に設定される穿刺速度ｖｉ及び穿刺回転速度ｕｉは、互いに異なっていてもよいし、同じであってもよい。
【００７２】
＜ロボット制御装置＞
図３に示されるように、ロボット制御装置２０は、穿刺プランニング装置３から得た情報に基づいて、ロボット１０に提供する制御信号を生成する。また、ロボット制御装置２０は、ロボット１０に設けられた各種センサから得た情報に基づいて、ロボット１０に提供する制御信号を切り替える。ロボット制御装置２０は、動作制御部２１と、組織破断検知部２２と、目標到達判定部２３と、を有する。
【００７３】
＜動作制御部＞
動作制御部２１は、穿刺プランニング装置３から得た情報に基づいて、ロボット１０の動作を制御するための制御信号を生成する。また、動作制御部２１は、制御量変更部２１ａを有する。上述したように、制御量は、組織毎に設定される。従って、ロボット制御装置２０は、穿刺針１２の先端位置を検出し、その位置に応じて制御量を切り替える。この動作を実現するには、先端位置に関する情報を要する。
【００７４】
＜組織破断検知部＞
ところで、穿刺針１２の先端位置は、組織毎に設定された制御量の切替や、目標Ｇに到達したか否かを判断するために必要な情報である。穿刺針１２の先端位置は、例えば、穿刺前に取得した断層画像と、ロボット１０の角度センサ１４などのデータに基づく穿刺深さとを利用して推定することができる。しかし、組織Ｔｉは、穿刺針１２の先端に押圧されて変形する。例えば、断層画像を利用して、基準位置から所定距離だけ離間した位置に組織境界がある情報と、ロボット１０のデータから穿刺深さが所定距離よりもわずかに深い位置にある情報とを得たとする。これらの情報によれば、穿刺針１２の先端は、組織境界ＴＳｉ＋１を破って次の組織Ｔｉ＋１に位置すると予想される。しかし、実際には、組織境界ＴＳｉ＋１が変形するので、穿刺針１２の先端は、組織Ｔｉと組織Ｔｉ＋１の境界（組織境界ＴＳｉ＋１）に留まっていることがあり得る。つまり、組織Ｔｉ＋１に対して設定された制御量とすることが適切でないことが生じ得る。ここでいう「組織境界」とは、体内仮想モデルを構成する複数の組織及び臓器の、表面または境界面をいう。
【００７５】
上記の状況を鑑み、組織破断検知部２２は、穿刺針１２の先端位置に関する精度の良い情報を得る。つまり、組織破断検知部２２は、穿刺針１２の先端が各組織境界ＴＳｉを破るタイミングに基づいて先端位置が組織Ｔｉ＋１から当該組織Ｔｉ＋１に隣接する別の組織Ｔｉ＋２に移動したことを得る。組織破断検知部２２は、穿刺針１２に作用する力に基づいて組織境界ＴＳｉ＋２が破られたタイミングを得る。発明者らの知見によれば、組織境界ＴＳｉ＋２を穿刺針１２の先端が通過するとき、組織境界ＴＳｉ＋２は穿刺針１２の先端に押されて延びた後に破れる。そうすると、この延びが生じている間には、穿刺針１２に対して大きな反力が生じ、破れた瞬間に当該反力は解放される。つまり、図７に示されるように、穿刺針１２に作用する力をモニタすると、力が急峻に変化する領域がみられる。この領域において、組織Ｔｉ＋１から隣の組織Ｔｉ＋２に移動したことがわかる。この変化点は、例えば、反力の変化を示すグラフの傾きを利用して得てもよい。つまり、傾きがゼロである点は、反力の方向が変化した点である。
【００７６】
＜目標到達判定部＞
目標到達判定部２３は、穿刺針１２の先端が目標に到達したことを判定する。目標に到達した場合には、目標到達判定部２３は、目標に到達したことを示す情報を動作制御部２１に提供する。そうすると、動作制御部２１は、穿刺動作を停止する。その後、ロボット制御装置２０は、薬剤の注入といった作業を開始する。
【００７７】
＜穿刺システムの動作＞
穿刺システム１の動作について説明する。以下の説明では、図８、図９及び図１０に示されるように、穿刺システム１の動作を穿刺パスプランニングステップＳ１０、穿刺制御プランニングステップＳ３０及びロボット制御ステップＳ５０として説明する。
【００７８】
＜穿刺パスプランニングステップ＞
図８に示されるように、穿刺パスプランニングステップＳ１０は、例えば、穿刺パスプランニング部３０が有する機能的構成要素に対応するステップを有する。つまり、穿刺パスプランニングステップＳ１０は、データ入力ステップＳ１１と、危険領域設定ステップＳ１２と、目標設定ステップＳ１３と、許可領域設定ステップＳ１４と、体内画像設定ステップＳ１５と、穿刺パス候補設定ステップＳ１６と、交差位置取得ステップＳ１７と、ずれ角度取得ステップＳ１８と、総合ずれ角度取得ステップＳ１９と、穿刺パス選択ステップＳ２０と、を有する。
【００７９】
まず、データ入力ステップＳ１１を行う。データ入力ステップＳ１１は、データ入出力部５０によって行われる。このステップでは、穿刺パスＣＰの設定に必要な種々の情報を受け入れる。例えば、データ入力ステップＳ１１では、断層画像といった複数枚の医用画像データ、弾性率といった組織Ｔｉ毎の物理的特性などを受け入れる。なお、データ入力ステップＳ１１では、別の装置によって生成された三次元の体内仮想モデルに関するデータを受け入れてもよい。
【００８０】
次に、危険領域設定ステップＳ１２を行う。危険領域設定ステップＳ１２は、危険領域設定部３１によって行われる。このステップでは、データ入力ステップＳ１１において受け入れた複数枚の画像データのそれぞれに対して、危険領域ＲＫを設定する。
【００８１】
次に、目標設定ステップＳ１３を行う。目標設定ステップＳ１３は、目標設定部３２によって行われる。このステップでは、危険領域設定ステップＳ１２において危険領域ＲＫが設定された画像データのそれぞれに対して、目標Ｇを設定する。
【００８２】
次に、許可領域設定ステップＳ１４を行う。許可領域設定ステップＳ１４は、許可領域設定部３３によって行われる。このステップでは、危険領域設定ステップＳ１２及び目標設定ステップＳ１３において危険領域ＲＫ及び目標Ｇが設定された画像データのそれぞれに対して、許可領域ＲＰを設定する。
【００８３】
次に、体内画像設定ステップＳ１５を行う。体内画像設定ステップＳ１５は、体内画像生成部３４によって行われる。このステップでは、危険領域ＲＫ、目標Ｇ及び許可領域ＲＰが設定された複数枚の画像データを利用して、三次元の体内仮想モデルが生成される。
【００８４】
次に、穿刺パス候補設定ステップＳ１６を行う。穿刺パス候補設定ステップＳ１６は、穿刺パス候補設定部３５によって行われる。このステップでは、複数の穿刺パス候補Ｃｊが生成される。
【００８５】
次に、交差位置取得ステップＳ１７を行う。交差位置取得ステップＳ１７は、交差位置取得部３６によって行われる。このステップでは、穿刺パス候補Ｃｊと組織境界ＴＳｉとが交差する位置を示す三次元座標が得られる。三次元座標は、穿刺パス候補Ｃｊ毎に、穿刺パス候補Ｃｊが組織境界ＴＳｉと交差する数だけ得られる。
【００８６】
次に、ずれ角度取得ステップＳ１８を行う。ずれ角度取得ステップＳ１８は、ずれ角度取得部３７によって行われる。このステップでは、交差位置におけるずれ角度θｉ、ｊが得られる。ひとつの穿刺パス候補Ｃｊが有するずれ角度θｉ、ｊの数は、交差位置の数に対応する。
【００８７】
次に、総合ずれ角度取得ステップＳ１８を行う。総合ずれ角度取得ステップＳ１８は、総合ずれ角度取得部３８によって行われる。このステップでは、総合ずれ角度ｆｊが得られる。総合ずれ角度ｆｊは、穿刺パス候補Ｃｊの数だけ得られる。
【００８８】
次に、穿刺パス選択ステップＳ２０を行う。穿刺パス選択ステップＳ２０は、穿刺パス選択部３９によって行われる。このステップでは、まず、複数の総合ずれ角度ｆｊを互いに比較し、最小の総合ずれ角度ｆｊを抽出する。そして、最小の総合ずれ角度ｆｊを示す穿刺パス候補Ｃｊを穿刺パスＣＰとして選択する。
【００８９】
以上のステップにより、穿刺パスＣＰが得られる。
【００９０】
＜穿刺制御プランニングステップ＞
図９に示されるように、穿刺制御プランニングステップＳ３０は、例えば、穿刺制御プランニング部４０が有する機能的構成要素に対応するステップを有する。つまり、穿刺制御プランニングステップＳ３０は、許容値設定ステップＳ３１と、制御量設定ステップＳ３２と、を有する。
【００９１】
まず、許容値設定ステップＳ３１を行う。許容値設定ステップＳ３１は、許容値設定部４１が行う。このステップでは、たわみ確率評価ステップＳ３６に利用される許容量が生成される。
【００９２】
次に、制御量設定ステップＳ３２を行う。制御量設定ステップＳ３２は、制御量設定部４２が行う。さらに、制御量設定ステップＳ３２は、前処理ステップＳ３３と、条件設定ステップＳ３４と、を有する。
【００９３】
前処理ステップＳ３３を行う。前処理ステップＳ３３は、制御量設定部４２が行う。このステップでは、制御量の設定に必要な情報を準備する。例えば、穿刺パスＣＰにおける各組織Ｔｉ、Ｔｉ＋１、Ｔｉ＋２の長さＬｉ＋１、Ｌｉ＋２、Ｌｉ＋３、及び、各組織Ｔｉ、Ｔｉ＋１、Ｔｉ＋２の弾性率Ｅｉ＋１、Ｅｉ＋２、Ｅｉ＋３を得る。
【００９４】
次に、条件設定ステップＳ３４を行う。条件設定ステップＳ３４は、条件設定部４４が行う。そして、条件設定ステップＳ３４は、制御量仮定ステップＳ３５と、たわみ確率評価ステップＳ３６と、組織損傷評価ステップＳ３７と、を有する。
【００９５】
条件設定ステップＳ３４において、まず、制御量仮定ステップＳ３５を行う。制御量仮定ステップＳ３５は、制御量仮定部４４ａが行う。このステップでは、穿刺速度ｖｉと、穿刺回転速度ｕｉと、穿刺周波数ｑｉが仮定される。
【００９６】
次に、条件設定ステップＳ３４において、たわみ確率評価ステップＳ３６を行う。たわみ確率評価ステップＳ３６は、たわみ確率評価部４４ｂが行う。このステップでは、下記式を用いて穿刺パスＣＰからのずれを評価する。
【数４】
2019107298.tif 000006
上記式を満たす場合（Ｓ３６：ＹＥＳ）には、次の組織損傷評価ステップＳ３７を行う。上記式を満たさない場合（Ｓ３６：ＮＯ）には、再び制御量仮定ステップＳ３５を行う。
【００９７】
次に、条件設定ステップＳ３４において、組織損傷評価ステップＳ３７を行う。組織損傷評価ステップＳ３７は、組織損傷評価部４４ｃが行う。組織損傷評価ステップＳ３７では、下記式を利用して、組織損傷の度合いＨｉ、ｊを評価する。
【数５】
2019107298.tif 000007
例えば、上記式を満たす場合（Ｓ３７：ＹＥＳ）には、穿刺制御プランニングステップＳ３０を終了する。上記式を満たさない場合（Ｓ３７：ＮＯ）には、再び制御量仮定ステップＳ３５を行う。なお、組織損傷の評価は、上記のようにフィードバックを行うものでもよいし、単に損傷の度合いＨｉ、ｊを得るものとしてもよい。
【００９８】
以上のステップにより、穿刺針１２の制御量が得られる。
【００９９】
＜穿刺ステップ＞
図１０に示されるように、ロボット制御ステップＳ５０は、例えば、ロボット制御装置２０が有する機能的構成要素に対応するステップを有する。つまり、ロボット制御ステップＳ５０は、穿刺針１２の刺し入れを開始するステップＳ５１と、組織破断検知ステップＳ５２と、制御量変更ステップＳ５３と、目標到達判定ステップＳ５４と、穿刺針１２の刺入を停止するステップＳ５５と、を有する。そして、それぞれのステップの結果として提供される制御信号により、ロボット１０を動作させる。
【０１００】
まず、穿刺針１２の刺入を開始するステップＳ５１を行う。このステップは、動作制御部２１が行う。動作制御部２１は、制御信号をロボット１０に送信する。ロボット１０は、制御信号に応じて穿刺動作を開始する。そして、動作制御部２１は、ロボット１０が穿刺パスＣＰに沿って穿刺針１２を刺し込むように、制御信号を逐次送信する。この穿刺動作は、穿刺針１２の刺入を停止するステップＳ５５が行われるまで継続する。
【０１０１】
穿刺動作が継続する間、組織破断検知ステップＳ５２が行われる。組織破断検知ステップＳ５２は、組織破断検知部２２が行う。組織破断検知部２２は、ロボット１０の力センサ１３から逐次データを受信し、受信したデータに基づいて予め設定された力の急激な増減の有無を判定する。組織破断検知部２２は、力の急激な増減があり破断を検知した場合（Ｓ５２：ＹＥＳ）、制御量変更ステップＳ５３を行った後に、目標到達判定ステップＳ５４を行う。一方、組織破断検知部２２は、力の急激な増減がなく破断が検知されない場合（Ｓ５２：ＮＯ）、制御量変更ステップＳ５３をスキップし、目標到達判定ステップＳ５４を行う。
【０１０２】
組織境界の破断が検知された場合（Ｓ５２：ＹＥＳ）、制御量変更ステップＳ５３を行う。制御量変更ステップＳ５３は、制御量変更部２１ａが行う。このステップでは、組織Ｔｉと当該組織Ｔｉに関連付けられた制御量とのデータベースに基づき、制御量を切り替える。まず、制御量変更部２１ａは、組織境界ＴＳｉの破断を検知した後に、穿刺針１２がどの組織Ｔｉに進入したかを特定する。続いて、特定された組織Ｔｉに応じた制御量をデータベースから読み出す。そして、読み出した制御量に基づいて制御信号を生成し、当該制御信号をロボット１０に送信する。
【０１０３】
組織破断検知ステップＳ５２または制御量変更ステップＳ５３の後に、目標到達判定ステップＳ５４を行う。目標到達判定ステップＳ５４は、目標到達判定部２３が行う。このステップでは、穿刺針１２の先端が目標Ｇに到達したか否かを判定する。この判定は、例えば、ロボット１０の角度センサ１４の情報により得られる穿刺長さ、穿刺中にリアルタイムに取得される断層画像などを用いて判定してよい。目標Ｇに到達したと判定された場合（Ｓ５４：ＹＥＳ）、穿刺針１２を停止するステップＳ５５を行う。目標に到達したと判定されない場合（Ｓ５４：ＮＯ）、再び、組織破断検知ステップＳ５２から順に各ステップを行う。
【０１０４】
つまり、組織破断検知ステップＳ５２、制御量変更ステップＳ５３、及び、目標到達判定ステップＳ５４は、目標到達判定ステップＳ５４の結果がＹＥＳとなるまで、繰り返し行われる。
【０１０５】
以下、実施形態に係る穿刺プランニング装置３及び穿刺システム１の作用効果について説明する。
【０１０６】
穿刺プランニング装置３の穿刺パスプランニング部３０では、穿刺パス候補設定部３５が複数の穿刺パス候補Ｃｊを設定する。交差位置取得部３６は、それぞれの穿刺パス候補Ｃｊと組織境界ＴＳｉとが交差する位置Ｐｉ、ｊを得る。ずれ角度取得部３７は、当該位置Ｐｉ、ｊにおける穿刺パス候補Ｃｊと法線Ｎｉ、ｊとのずれ角度θｉ、ｊを得る。総合ずれ角度取得部３８は、穿刺パス候補Ｃｊ毎に複数のずれ角度θｉ、ｊを足し合わせて、総合ずれ角度ｆｊを得る。ここで、発明者らの知見によれば、穿刺パスＣＰに沿って穿刺針１２を組織Ｔｉに刺し込むとき、組織境界ＴＳｉに対する穿刺パスＣＰの角度が垂直に近くなるほど穿刺パスＣＰに対する穿刺針１２のずれが小さくなる。つまり、複数の組織Ｔｉを介して目標Ｇに至る場合には、穿刺パス候補Ｃｊと組織境界ＴＳｉにおける法線Ｎｉ、ｊとのずれの積算値（総合ずれ角度ｆｊ）が小さいほど、目標Ｇに対するずれが小さくなる。そして、穿刺パスプランニング部３０は、穿刺パス選択部３９が総合ずれ角度取得部３８において得られた複数の総合ずれ角度ｆｊのうち、最も小さい総合ずれ角度ｆｊを抽出し、当該総合ずれ角度ｆｊに対応する穿刺パス候補Ｃｊを穿刺パスＣＰとして選択する。従って、穿刺パスプランニング部３０は、複数の組織Ｔｉを介して目標Ｇに至る直線状の穿刺において、目標Ｇに対する穿刺針１２のずれを低減可能な穿刺パスＣＰを提供することができる。
【０１０７】
穿刺プランニング装置３の穿刺制御プランニング部４０は、組織Ｔｉ毎に動作条件としての穿刺針１２の制御量を条件設定部４４が設定する。従って、組織Ｔｉの特性に応じて穿刺針１２を動作させることが可能になるので、穿刺パスＣＰに対する穿刺針１２のずれを低減することができる。従って、穿刺制御プランニング部４０は、複数の組織Ｔｉを介して目標Ｇに至る直線状の穿刺において、目標Ｇに対する穿刺針１２のずれを低減可能な穿刺針１２の制御量を提供することができる。
【０１０８】
穿刺システム１は、上記の穿刺パスプランニング部３０が提供する穿刺パスＣＰに基づいて、穿刺針１２を有するロボット１０が穿刺針１２を動作させる。従って、穿刺において目標Ｇに対する穿刺針１２のずれが低減され、ひいては穿刺針１２を確実に目標Ｇに到達させることができる。
【０１０９】
条件設定部４４は、穿刺針１２の振動及び回転が組織Ｔｉへ与える影響を評価し、評価の結果を利用して穿刺周波数及び穿刺回転速度を設定する。この構成によれば、組織Ｔｉの損傷の抑制と目標Ｇに対する穿刺針１２のずれの低減とを両立可能な制御量を提供することができる。
【０１１０】
穿刺支援ロボット２は、穿刺針１２の先端位置に関する情報を得るために、穿刺針１２による組織境界ＴＳｉの破断を検知する組織破断検知部２２と、組織破断検知部２２が組織境界ＴＳｉの破断を検知したときに、組織Ｔｉ毎に設定された制御量を変更する制御量変更部２１ａと、を有する。この構成によれば、穿刺針１２の先端が、ある組織Ｔｉから当該組織Ｔｉに隣接する別の組織Ｔｉ＋１に移動したことを確実に検知することが可能である。従って、組織Ｔｉ毎に設定された制御量を好適に変更することができる。その結果、穿刺において目標Ｇに対する穿刺針１２のずれがより低減され、ひいては穿刺針１２をいっそう確実に目標Ｇに到達させることができる。
【０１１１】
組織破断検知部２２は、穿刺針１２を刺し込む動作に起因して穿刺針１２に作用する反力を利用して、組織境界ＴＳｉの破断を検知する。この構成によれば、組織境界ＴＳｉの破断を確実に検知することができる。
【０１１２】
本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限られない。
【０１１３】
＜変形例１＞
上記実施形態では、穿刺パスプランニング部３０の総合ずれ角度取得部３８は、下記式（１）に示される目的関数を用いるとした。
【数６】
2019107298.tif 000008
穿刺針１２のたわみは、穿刺距離、組織Ｔｉの剛性Ｅｉ、組織Ｔｉの不均一性などの影響を受ける。そこで、これらの影響を重み因子ｗｉによって考慮してもよい。例えば、穿刺パスＣＰ上において組織境界ＴＳｉの所定の位置Ｐｉから目標Ｇまでの距離を重み因子ｗｉによって考慮してもよい。具体的には、図１１の（ａ）部に示されるように、位置Ｐｉから目標Ｇまでの距離Ｌｄが長い場合、穿刺針１２の先端のずれＥ１（たわみ）は、大きくなる傾向にある。一方、図１１の（ｂ）部に示されるように、位置Ｐｉから目標Ｇまでの距離Ｌｄが短い場合、穿刺針１２の先端のずれＥ２は、小さくなる傾向にある。そこで、重み因子ｗｉを下記式によって示してもよい。この構成によれば、より確実に目標Ｇに到達し得る穿刺パスＣＰを設定することができる。
【数７】
2019107298.tif 000009
Ｌｉは位置Ｐｉからｉ番目の組織境界ＴＳｉにおける位置Ｐｉ＋１までの距離である。Ｌｔａｒは位置Ｐｉから目標Ｇまでの距離である。この構成によれば、目標Ｇに対する穿刺針１２のずれをさらに低減可能な穿刺パスＣＰを提供することができる。
【０１１４】
＜変形例２＞
上記実施形態では、ロボット制御装置２０の組織破断検知部２２は、反力のピークを検出することにより、組織境界ＴＳｉの破断を検知した。例えば、組織破断検知部２２は、組織境界ＴＳｉの位置が存在し得る範囲を推定し、当該範囲において組織境界ＴＳｉの破断を検知することとしてもよい。この構成によれば、確実に組織境界ＴＳｉの破断を検知することができる。
【０１１５】
具体的には、図１２の（ａ）部に示されるように、まず、予め取得した画像データを利用して、位置Ｐｉから組織境界ＴＳｉ＋１までの距離ｄ１と、位置Ｐｉから組織境界ＴＳｉ＋２までの距離ｄ２と、を得る。次に、穿刺反力の傾きを逐次得る（図７参照）。このとき、穿刺反力を示すデータには、ノイズ除去のためのローパスフィルタ処理を行ってもよい。次に、穿刺反力を示すデータから、反力ピークを得る。このピークを示す位置は、組織境界ＴＳｉ＋１を破った位置Ｐｉ＋１である。ここで、図１２の（ｂ）部に示されるように、組織Ｔｉ＋１は、穿刺針１２によって変形する。そうすると、距離ｄ１と距離Ｄ１とには変形量Δｄ１が生じる。そこで、この変形量Δｄ１（Δｄ１＝Ｄ１−ｄ１）を算出する。変形量Δｄ１を生じさせた組織Ｔｉ＋１の変形は、画像データにおける組織境界ＴＳｉ＋２の位置Ｐｉ＋２と予想される位置ＰＡｉ＋２の差分である変形量Δｄ２を生じさせる。そこで、変形量Δｄ１を用いて変形量Δｄ２を推定する（Δｄ２＝ｆ（Δｄ１））。そして、推定されたΔｄ２を用いて組織境界ＴＳｉ＋２までの距離Ｄ２を推定する（Ｄ２＝ｄ２＋Δｄ２）。そして、穿刺中に検出された次の反力ピークが発生する位置Ｐｉ＋２が予測した範囲内（ｄ２±σ）であるとき、組織境界ＴＳｉ＋２が破断したと判定する（Ｄ２−σ≦Ｐｉ＋２≦Ｄ２＋σ）。
【０１１６】
＜変形例３＞
上記実施形態では、穿刺プランニング装置３は、穿刺パスプランニング部３０と、穿刺制御プランニング部４０と、を有していた。例えば、図１３の（ａ）部に示されるように、穿刺システム１Ａの穿刺プランニング装置３Ａは、穿刺制御プランニング部４０を備えず、穿刺パスプランニング部３０のみを有する構成としてよい。また、図１３の（ｂ）部に示されるように、穿刺システム１Ｂの穿刺プランニング装置３Ｂは、穿刺パスプランニング部３０を備えず、穿刺制御プランニング部４０のみを有する構成としてよい。この場合には、穿刺パスに関する情報は、穿刺プランニング装置３の外部において生成され、データ入出力部５０から受け入れられる。
【０１１７】
＜変形例４＞
上記実施形態では、穿刺プランニング装置３の穿刺制御プランニング部４０は、許容値設定部４１を有し、当該許容値設定部４１で設定した範囲を満たす制御量を探索した。例えば、穿刺制御プランニング部４０は、許容値を用いない手法により制御量を設定してもよい。すなわち、穿刺制御プランニング部４０は、許容値設定部４１を備えていなくともよい。この場合には、例えば、過去の実績等から得られる評価値を利用して、制御量の適否を判断することとしてもよい。
【符号の説明】
【０１１８】
１…穿刺システム、２…穿刺支援ロボット、３…穿刺プランニング装置、１０…ロボット、１１…駆動ユニット、１２…穿刺針、１３…力センサ、１４…角度センサ、２０…ロボット制御装置、２１…動作制御部、２１ａ…制御量変更部、２２…組織破断検知部、２３…目標到達判定部、３０…穿刺パスプランニング部（穿刺経路設定装置）、３１…危険領域設定部、３２…目標設定部、３３…許可領域設定部、３４…体内画像生成部、３５…穿刺パス候補設定部（経路候補設定部）、３６…交差位置取得部、３７…ずれ角度取得部、３８…総合ずれ角度取得部、３９…穿刺パス選択部（穿刺経路選択部）、４０…穿刺制御プランニング部（穿刺制御量設定装置）、４１…許容値設定部、４２…制御量設定部、４３…前処理部、４４…条件設定部、４４ａ…制御量仮定部、４４ｂ…たわみ確率評価部、４４ｃ…組織損傷評価部、５０…データ入出力部、６０…体内仮想モデル、１００…コンピュータ、１０１…ＣＰＵ、１０２…主記憶部、１０３…補助記憶部、１０４…通信制御部、１０５…入力装置、１０６…出力装置、ＲＫ…危険領域、ＲＰ…許可領域、Ｔｉ…組織、ＴＳｉ…組織境界、Ｎｉ…法線、ＣＰ…穿刺パス（穿刺経路）、θｉ…ずれ角度、Ｇ…目標、ｆｊ…総合ずれ角度、Ｃｊ…穿刺パス候補（経路候補）、ｖｉ…穿刺速度、ｕｉ…穿刺回転速度。
【図１】
2019107298.tif 000010
【図２】
2019107298.tif 000011
【図３】
2019107298.tif 000012
【図４】
2019107298.tif 000013
【図５】
2019107298.tif 000014
【図６】
2019107298.tif 000015
【図７】
2019107298.tif 000016
【図８】
2019107298.tif 000017
【図９】
2019107298.tif 000018
【図１０】
2019107298.tif 000019
【図１１】
2019107298.tif 000020
【図１２】
2019107298.tif 000021
【図１３】
2019107298.tif 000022