(57)【要約】【課題】対象物の位置合わせを行いやすくすることができる位置合わせ装置、および、医療用マニピュレータシステムを提供する。【解決手段】対象物に基づいて定められる所望の位置Ｐと目標物の所定部分とが重なるように対象物と目標物との相対的な位置を調整する際に用いられる位置合わせ装置２０であって、対象物に配置され、所望の位置に向けて光を照射する照射部２１が設けられ、照射部２１により照射される照射領域の面積は、所定部分を照射方向に沿って見た場合の所定部分の面積を基準として０．２倍以上４倍以下の面積を有していることを特徴とする。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物に基づいて定められる所望の位置と目標物の所定部分とが重なるように前記対象物と前記目標物との相対的な位置を調整する際に用いられる位置合わせ装置であって、
前記対象物に配置され、前記所望の位置に向けて光を照射する照射部が設けられ、
前記照射部により照射される照射領域の面積は、前記所定部分を照射方向に沿って見た場合の前記所定部分の面積を基準として０．２倍以上４倍以下の面積を有していることを特徴とする位置合わせ装置。
【請求項２】
前記照射部は１つであり、前記所望の位置の上方に配置されていることを特徴とする請求項１記載の位置合わせ装置。
【請求項３】
前記照射部は複数設けられており、
複数の前記照射部は、互いに異なる方向から前記所望の位置に向けて光を照射する位置に配置されていることを特徴とする請求項１記載の位置合わせ装置。
【請求項４】
一の照射部における光を照射する方向である一の方向と、他の照射部における光を照射する方向である他の方向とは、２０度以上５０度以下の角度で交差していることを特徴とする請求項３記載の位置合わせ装置。
【請求項５】
前記複数の照射部は、前記所望の位置を通過する基準線を中心として対称な位置に配置されていることを特徴とする請求項３または４に記載の位置合わせ装置。
【請求項６】
一の照射部から照射される光の波長と、他の照射部から照射される光の波長は異なることを特徴とする請求項３から５のいずれか１項に記載の位置合わせ装置。
【請求項７】
請求項１から６に記載の位置合わせ装置と、
術具を移動可能に保持する前記対象物と、
が設けられていることを特徴とする医療用マニピュレータシステム。
【請求項８】
前記対象物は、前記術具を移動させる際に不動点を有する構成を有し、
前記所望の位置は、前記不動点であることを特徴とする請求項６記載の医療用マニピュレータシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、位置合わせ装置、および、医療用マニピュレータシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、外科手術を支援するマニピュレータシステム含む手術支援ロボットの開発が進められている。開発されている技術には、手術支援ロボットの位置合わせに関するものも含まれている。例えば、手術支援ロボットの位置合わせにレーザ光を出射するレーザーマーカを用いる技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２０１７−５１５５２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述の特許文献１に開示されているレーザーマーカは、小さな点状の領域、または、細い線状の領域を照射するものである。そのため、トロッカー等の照射領域よりも広い面積を有する立体形状を有するトロッカー等の構造部の位置合わせを行いにくいという問題があった。また、特許文献１に開示されているレーザーマーカでは、高さ方向の位置合わせも行いにくいという問題があった。
【０００５】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、対象物の位置合わせを行いやすくすることができる位置合わせ装置、および、医療用マニピュレータ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】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明は、以下の手段を提供する。
本発明の第１の態様に係る位置合わせ装置は、対象物に基づいて定められる所望の位置と目標物の所定部分とが重なるように前記対象物と前記目標物との相対的な位置を調整する際に用いられる位置合わせ装置であって、前記対象物に配置され、前記所望の位置に向けて光を照射する照射部が設けられ、前記照射部により照射される照射領域の面積は、前記所定部分を照射方向に沿って見た場合の前記所定部分の面積を基準として０．２倍以上４倍以下の面積を有していることを特徴とする。
【０００７】
本発明の第２の態様に係る医療用マニピュレータシステムは、上記第１の態様に係る位置合わせ装置と、術具を移動可能に保持する前記対象物と、が設けられていることを特徴とする。
【０００８】
本発明の第１の態様に係る位置合わせ装置、および、第２の態様に係る医療用マニピュレータシステムによれば、前記照射部により照射される照射領域の面積は、前記所定部分を照射方向に沿って見た場合の前記所定部分の面積を基準として０．２倍以上４倍以下の面積を有しているため、位置合わせを行いやすくなる。具体的には、照射領域が小さい場合と比較して、照射領域を視認しやすくなるため位置合わせを行いやすくなる。
【０００９】
また、照射領域が所定部分の面積に対して０．２倍未満の場合や、照射領域が所定部分の面積に対して４倍を超える面積を有している場合と比較して、照射領域と所定部分の面積との差が小さくなる。当該差が大きい場合と比較すると、当該差が小さい場合には当該差の部分の形状に基づいて照射領域面積と所定部面積との中心を一致させる位置合わせが行いやすい。
【００１０】
上記発明の第１の態様において前記照射部は１つであり、前記所望の位置の上方に配置されていることが好ましい。
このように照射部を１つとすることにより、照射部が複数である場合と比較して、位置合わせ装置や、位置合わせ装置が設けられた医療用マニピュレータシステムの小型化を図りやすい。
【００１１】
上記発明の第１の態様において前記照射部は複数設けられており、複数の前記照射部は、互いに異なる方向から前記所望の位置に向けて光を照射する位置に配置されている構成が好ましい。
【００１２】
上記構成において一の照射部における光を照射する方向である一の方向と、他の照射部における光を照射する方向である他の方向とは、２０度以上５０度以下の角度で交差していることが好ましい。
【００１３】
このように複数の照射部を設け、異なる方向から所望の位置に向けて光を照射することにより、照射部が１つの場合と比較して位置合わせを行いやすくなる。例えば、照射部が１つの場合と比較して、照射部に対して接近離間する方向の位置合わせが行いやすくなる。
【００１４】
照射部に対する目標物の相対位置が位置合わせ位置と一致する場合、複数の照射部による照射領域は、所定部で重なり合う。目標物の位置が、位置合わせ位置から照射部に対して接近する方向、または、離間する方向に外れている場合、複数の照射部による照射領域は、互いに離れる方向に移動して分散する。位置合わせ位置から照射部に対して接近する方向、または、離間する方向に外れている距離の程度により、複数の照射領域が分散する程度が変化する。そのため、位置合わせ位置から照射部に対して接近する方向、または、離間する方向への外れている距離の程度を把握しやすく、位置合わせを行いやすい。
【００１５】
上記構成において複数の照射部は、前記所望の位置を通過する基準線を中心として対称な位置に配置されていることが好ましい。
このように基準線を中心として対称な位置に複数の照射部を配置することにより、更に位置合わせを行いやすくなる。対象物および目標物の相対位置が、所望の位置から照射部に対して接近する方向、または、離間する方向に外れている場合、複数の照射領域は、基準線を中心とした放射状に分散する。また分散した複数の照射領域における照射領域と基準線との間の距離は同じになる。そのため、複数の照射領域が不規則に分散する場合と比較して、位置合わせ位置から照射部に対して接近する方向、または、離間する方向に外れている距離の程度を把握しやすく、位置合わせを行いやすい。
【００１６】
上記構成においては、一の照射部から照射される光の波長と、他の照射部から照射される光の波長は異なることが好ましい。
このように複数の照射部から照射される光の波長、言い換えると光の色を異ならせることにより、更に位置合わせを行いやすくなる。一つの照射部により照射された領域の色は、当該照射部から照射される光の波長による色となる。複数の照射部の照射領域が重なると、当該重なり部分の色は、それぞれの照射部から照射される光の波長による色とは異なる色に見える。その一方で、重なっていない部分の色は、対応する照射部から照射される光の波長による色となる。つまり、重なり部分と重なっていない部分の色が異なるため、複数の照射領域の重なりの程度を把握しやすく、位置合わせを行いやすい。
【００１７】
上記発明の第２の態様において前記対象物は、前記術具を移動させる際に不動点を有する構成を有し、前記所望の位置は、前記不動点であることが好ましい。
【００１８】
このように所望の位置が不動点であることにより、対象物の不動点の位置を、目標物の所定部分に合わせることができる。目標物の所定部分と不動点とが合わせられているため、目標物に術具を挿通した状態で術具を移動させることが可能となる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の位置合わせ装置、および、医療用マニピュレータシステムによれば、照射領域の面積を、照射方向に沿って所定部分を見た場合の所定部分の面積に対して０．２倍以上４倍以下の面積とすることにより、対象物と目標物との位置合わせを行いやすくなるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る医療用マニピュレータシステムの構成を説明する斜視図である。
【図２】図１のマニピュレータ部および位置合わせ装置の構成を説明する模式図である。
【図３】図１の位置合わせ装置とトロカールとの相対位置関係を説明する模式図である。
【図４】不動点における照射領域の面積および所定部分の面積の関係を説明する模式図である。
【図５】本発明の第１の実施形態に係る位置合わせ装置の構成を説明する斜視図である。
【図６】図６（a）は、トロカールの所定部分と不動点とが離れている場合の照射領域の重なりを説明する模式図であり、図６（ｂ）は、トロカールの所定部分と不動点とが接近している場合の照射領域の重なりを説明する摸式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
〔第１の実施形態〕
以下、本発明の第１の実施形態に係る医療用マニピュレータシステム１および位置合わせ装置２０ついて図１から図４を参照しながら説明する。本実施形態では、本発明の医療用マニピュレータシステム１および位置合わせ装置２０を外科出術を支援するマニピュレータシステム含む手術支援ロボットである例に適用して説明する。
【００２２】
医療用マニピュレータシステム１には、図１から図３に示すように、術具３１を移動可能に保持するマニピュレータ部（対象物）１０と、マニピュレータ部１０の不動点（所望の位置）Ｐおよびトロカール（目標物）３５の相対位置の調整に用いられる位置合わせ装置２０と、が主に設けられている。
【００２３】
マニピュレータ部１０は、図１および図２に示すように、外科手術に用いられる内視鏡や鉗子などの術具３１を保持するものである。マニピュレータ部１０には、把持部１１と、関節部１２と、アーム部１３と、台部１４と、が主に設けられている。
【００２４】
把持部１１は、術具３１を着脱可能に保持するものである。術具３１を保持する構成としては、公知の構成を用いることができ、特に構成を限定するものではない。
【００２５】
関節部１２は、把持部１１および術具３１を移動可能に支持するリンク機構である。関節部１２は不動点Ｐを有するリンク機構であり、術具３１は移動の際には不動点Ｐを通過する。不動点Ｐは、関節部１２から下方に離れた位置に設けられている。なお、関節部１２のリンク機構としては、不動点Ｐを有するものであればよく、具体的なリンクの構成を限定するものではない。
【００２６】
アーム部１３は、一方の端部が台部１４に対して相対的に回動可能に取り付けられた腕状の部材である。アーム部１３における他方の端部には、関節部１２が相対的に回動可能に取り付けられている。
【００２７】
台部１４は、アーム部１３が取り付けられるものである。台部１４には、術具３１、関節部１２、および、関節部１２の少なくとも一つを駆動するとともに、駆動による動作を制御する駆動制御部が設けられていてもよい。
【００２８】
位置合わせ装置２０は、マニピュレータ部１０により定まる不動点Ｐとトロカール３５の所定部分とが重なるように、マニピュレータ部１０とトロカール３５との相対的な位置を調整する際に用いられるものである。なお、トロカール３５の所定部分とは、トロカール３５が外科手術を受ける患者に挿入される箇所を意味する。位置合わせ装置２０には、図２および図３に示すように、照射部２１と、取付け部２２とが主に設けられている。
【００２９】
照射部２１は、マニピュレータ部１０に配置され、不動点Ｐに向けて光を照射するものである。本実施形態では、１つの照射部２１が不動点Ｐの上方に配置されている例に適用して説明する。
【００３０】
マニピュレータ部１０に配置される位置としては、関節部１２の動きに関わらず安定して不動点Ｐに光を照射できる位置であればよく、例えば、関節部１２におけるアーム部１３側の端部や、アーム部１３における関節部１２側の端部等を例示することができる。
【００３１】
照射部２１により照射される不動点Ｐにおける照射領域の面積２１Ａは、図４に示すように、不動点Ｐに配置されたトロカール３５を照射方向に沿って見た場合におけるトロカール３５の不動点Ｐに対応する所定部分の面積３５Ａを基準として０．２倍以上４倍以下の面積となる。
【００３２】
本実施形態では、照射部２１は平行光を出射可能な光源を用いる例に適用して説明する。当該光源としては、光を出射するＬＥＤ（発光ダイオード）および出射された光を平行光とする光学系を有するものを例示することができる。なお、光源としては平行光を出射可能であればよく、光学系の有無やＬＥＤの使用有無などの光源の形式を特に限定するものではない。
【００３３】
取付け部２２は、照射部２１をマニピュレータ部１０に取り付けるものである。また、マニピュレータ部１０に対する照射部２１の相対姿勢を、不動点Ｐに光が照射されるように調整可能とするものである。
【００３４】
次に、上記の構成からなる医療用マニピュレータシステム１および位置合わせ装置２０を用いた位置合わせについて説明する。
まず、図３に示すように、外科手術の患者に対してトロカール３５が挿入される。次いで、位置合わせ装置２０の照射部２１から光を出射させる。照射部２１の光が、トロカール３５の所定部分に照射されるようにマニピュレータ部１０を前後方向および白湯方向へ移動させる。
【００３５】
トロカール３５の所定部分に照射部２１の光が照射されると、言い換えると、トロカール３５の所定部分に、マニピュレータ部１０の不動点Ｐが合わせられると、トロカール３５に術具３１が挿通される。
【００３６】
上記の構成の医療用マニピュレータシステム１および位置合わせ装置２０によれば、照射部２１により照射される照射領域の面積２１Ａは、所定部分を照射方向に沿って見た場合の所定部分の面積３５Ａを基準として０．２倍以上４倍以下の面積を有しているため、位置合わせを行いやすくなる。具体的には、照射領域が小さい場合と比較して、照射領域を視認しやすくなるため位置合わせを行いやすくなる。
【００３７】
また、照射領域が所定部分の面積に対して０．２倍未満の場合や、照射領域の面積２１Ａが所定部分の面積３５Ａに対して４倍を超える場合と比較して、照射領域の面積２１Ａと所定部分の面積３５Ａとの差が小さくなる。当該差が大きい場合と比較すると、当該差が小さい場合には当該差の部分の形状に基づいて照射領域の面積２１Ａと所定部分の面積３５Ａとの中心を一致させる位置合わせが行いやすい。
【００３８】
照射部２１を１つとすることにより、照射部２１が複数である場合と比較して、位置合わせ装置２０や、位置合わせ装置２０が設けられた医療用マニピュレータシステム１の小型化を図りやすい。
【００３９】
マニピュレータ部１０の不動点Ｐの位置を、トロカール３５の所定部分に合わせることができる。トロカール３５の所定部分と不動点Ｐとが合わせられているため、トロカール３５に術具３１を挿通した状態で術具３１を移動させることが可能となる。
【００４０】
〔第２の実施形態〕
次に、本発明の第２の実施形態について図５および図６を参照して説明する。本実施形態の医療用マニピュレータシステムの基本構成は、第１の実施形態と同様であるが、第１の実施形態とは、位置合わせ装置の照射部の配置数および配置位置などが異なっている。よって、本実施形態においては、図５および図６を用いて位置合わせ装置周辺のみを説明し、マニピュレータ部等の説明を省略する。
【００４１】
本実施形態の位置合わせ装置１２０は、図５に示すように、マニピュレータ部１０の関節部１２またはアーム部１３を挟んで配置された一対の照射部１２１Ｌ、照射部１２１Ｒと、取付け部２２と、が設けられている。照射部１２１Ｌおよび照射部１２１Ｒは、それぞれ、関節部１２の不動点Ｐに光を照射する姿勢で配置されている。
【００４２】
また照射部１２１Ｌおよび照射部１２１Ｒは、照射部１２１Ｌにおける光を照射する方向と、照射部１２１Ｒにおける光を照射する方向とは、２０度以上５０度以下の角度αで交差する姿勢で配置されている。さらに照射部１２１Ｌおよび照射部１２１Ｒは、不動点Ｐを通過する基準線ＢＬを中心として対称な位置に配置されている。
【００４３】
照射部１２１Ｌから照射される光の波長は、照射部１２１Ｒから照射される光の波長と異なる。なお、本実施形態では、照射部１２１Ｌおよび照射部１２１Ｒにより照射される不動点Ｐにおける照射領域の面積２１Ａは、同じである例に適用して説明する。
【００４４】
次に、上記の構成からなる医療用マニピュレータシステム１および位置合わせ装置２０を用いた位置合わせについて説明する。なお、第１の実施形態と同じ部分については説明を省略する。
【００４５】
位置合わせ装置２０の照射部１２１Ｌおよび照射部１２１Ｒから光が照射されると、図５に示すように、不動点Ｐにおいて照射部１２１Ｌから照射された光と、照射部１２１Ｒから照射された光とが交差する。トロカール３５の所定部分に当該交差した光が照射されるようにマニピュレータ部１０、具体的には関節部１２および把持部１１を前後方向、左右方向および上下方向へ移動させる。
【００４６】
トロカール３５の所定部分が、不動点Ｐよりも上方向または下方向に位置する場合には、図６（ａ）に示すように、照射部１２１Ｌおよび照射部１２１Ｒによる照射領域１２１ＬＡおよび照射領域１２１ＲＡは、互いに離れる方向に移動して分散する。照射領域１２１ＬＡは、照射部１２１Ｌから照射される光の波長に対応した色となり、照射領域１２１ＲＡは、照射部１２１Ｒから照射される光の波長に対応した色となる。また、照射領域１２１ＬＡおよび照射領域１２１ＲＡが重なる領域１２１Ａは、両者が混合した色となる。
【００４７】
上下方向においてトロカール３５の所定部分が不動点Ｐに接近すると、図６（ｂ）に示すように、照射領域１２１ＬＡおよび照射領域１２１ＲＡの重なる領域１２１Ａが大きくなる。これにより、トロカール３５の所定部分および不動点Ｐにおける上下方向の位置合わせが可能となる。
【００４８】
上記の構成によれば、２つの照射部１２１Ｌおよび照射部１２１Ｒを設け、異なる方向から所望の位置に向けて光を照射することにより、１つの照射部２１の場合と比較して位置合わせを行いやすくなる。例えば、１つの照射部２１の場合と比較して、照射部１２１Ｌおよび照射部１２１Ｒに対して接近離間する方向の位置合わせが行いやすくなる。
【００４９】
照射部１２１Ｌおよび照射部１２１Ｒに対するトロカール３５の相対位置が不動点Ｐと一致する場合、照射部１２１Ｌおよび照射部１２１Ｒによる照射領域１２１ＬＡおよび照射領域１２１ＲＡは、トロカール３５の所定部分で重なり合う。トロカール３５の相対位置が、不動点Ｐから照射部１２１Ｌおよび照射部１２１Ｒに対して接近する方向、または、離間する方向に外れている場合、照射部１２１Ｌおよび照射部１２１Ｒによる照射領域１２１ＬＡおよび照射領域１２１ＲＡは、互いに離れる方向に移動して分散する。不動点Ｐから照射部１２１Ｌおよび照射部１２１Ｒに対して接近する方向、または、離間する方向に外れている距離の程度により、照射領域１２１ＬＡおよび照射領域１２１ＲＡが分散する程度が変化する。そのため、不動点Ｐから照射部１２１Ｌおよび照射部１２１Ｒに対して接近する方向、または、離間する方向への外れている距離の程度を把握しやすく、位置合わせを行いやすい。
【００５０】
基準線ＢＬを中心として対称な位置に照射部１２１Ｌおよび照射部１２１Ｒを配置することにより、更に位置合わせを行いやすくなる。マニピュレータ部１０およびトロカール３５の相対位置が、不動点Ｐから照射部１２１Ｌおよび照射部１２１Ｒに対して接近する方向、または、離間する方向に外れている場合、照射領域１２１ＬＡおよび照射領域１２１ＲＡは、基準線ＢＬを中心として対称に分散する。また分散した照射領域１２１ＬＡおよび照射領域１２１ＲＡと基準線ＢＬとの間の距離は同じになる。そのため、照射領域１２１ＬＡおよび照射領域１２１ＲＡが不規則に分散する場合と比較して、不動点Ｐから照射部１２１Ｌおよび照射部１２１Ｒに対して接近する方向、または、離間する方向に外れている距離の程度を把握しやすく、位置合わせを行いやすい。
【００５１】
照射部１２１Ｌおよび照射部１２１Ｒから照射される光の波長、言い換えると光の色を異ならせることにより、更に位置合わせを行いやすくなる。照射部１２１Ｌにより照射された領域の色は、照射部１２１Ｌから照射される光の波長による色となる。照射領域１２１ＬＡおよび照射領域１２１ＲＡが重なると、当該重なり部分の色は、それぞれの照射部１２１Ｌおよび照射部１２１Ｒから照射される光の波長による色とは異なる色に見える。その一方で、重なっていない部分の色は、対応する照射部１２１Ｌまたは照射部１２１Ｒから照射される光の波長による色となる。つまり、重なり部分と重なっていない部分の色が異なるため、照射領域１２１ＬＡおよび照射領域１２１ＲＡの重なりの程度を把握しやすく、位置合わせを行いやすい。
【００５２】
なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。例えば、本発明を上記の実施形態に適用したものに限られることなく、これらの実施形態を適宜組み合わせた実施形態に適用してもよく、特に限定するものではない。
【符号の説明】
【００５３】
１…医療用マニピュレータシステム、１０…マニピュレータ部（対象物）、２０，１２０…位置合わせ装置、２１，１２１Ｌ，１２１Ｒ…照射部、２１Ａ…照射領域の面積、３５…トロカール（目標物）、３５Ａ…所定部分の面積、Ｐ…不動点（所望の位置）、ＢＬ…基準線
【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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