(57)【要約】【課題】ワイヤの特性変動があってもキャリブレーションを行うことができる医療用システム及び処置具のキャリブレーション方法を提供する。【解決手段】処置部、関節部、可撓管部、及び駆動部を備えた処置具２１と、処置具２１を保持する外套管、少なくとも関節部を含む画像を取得可能な撮像部、及び駆動部の動作を制御する制御部５０を備えた内視鏡装置とを備え、制御部５０は、関節部を動作させるためのパラメータを有するテーブル５７と、パラメータに基づいて駆動部を制御する指令を駆動部に対して発する制御器７と、関節部の位置と姿勢との少なくともいずれかを画像に基づいて算出する画像処理部５４と、画像処理部５４により算出された関節部の位置と姿勢との少なくともいずれかに基づいて関節部の変位を検出し指令と関節部の変位との差分を補償する補償値を生成してパラメータに補償値を繰り入れる補償量演算部５５とを備えた。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
生体に対して処置をする処置部、前記処置部を移動させる関節部、前記関節部に接続された可撓管部、及び前記可撓管部に接続され前記関節部を変位させる駆動部を備えた処置具と、
遠位端と近位端とを有し前記処置部が前記遠位端から突出可能となるように前記処置具を保持する可撓性の外套管、及び少なくとも前記関節部を撮像視野に含む少なくとも１の画像を取得可能な撮像部を備えた内視鏡装置と、
前記処置具の動作を前記画像に基づいて制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記関節部を動作させるためのパラメータを有するテーブルと、
前記パラメータに基づいて前記駆動部を制御する指令を前記駆動部に対して発する制御器と、
前記関節部の位置と姿勢との少なくともいずれかを前記画像に基づいて算出する画像処理部と、
前記画像処理部により算出された前記関節部の位置と姿勢との少なくともいずれかに基づいて前記関節部の変位を検出し前記指令と前記関節部の変位との差分を補償する補償値を生成して前記パラメータに前記補償値を繰り入れる補償量演算部と、
を備えた医療用システム。
【請求項２】
請求項１に記載の医療用システムであって、
前記画像処理部は前記画像を用いたパターンマッチングにより前記関節部の関節角度を算出する
医療用システム。
【請求項３】
請求項１に記載の医療用システムであって、
前記画像処理部は前記画像において、最新の画像と時系列で直前に取得された画像との差分から前記関節部の変位を算出する
医療用システム。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の医療用システムであって、
前記制御部は、前記画像において前記関節部が特定できない場合に、前記画像に前記関節部が表示されるまで前記関節部を変位させる
医療用システム。
【請求項５】
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の医療用システムであって、
前記画像を表示可能な表示装置をさらに備え、
前記制御部は、前記画像において前記関節部が特定できない場合に前記関節部が前記撮像部の撮像視野の外に位置していると判定し、前記関節部の特定可能領域を前記画像に重ねた指示画像を前記画像に代えて前記表示装置へ出力し、
前記表示装置は、前記画像に代えて前記指示画像を受信したときには前記指示画像を表示し、
前記画像処理部は、前記関節部の特定可能領域内に前記関節部が位置した画像を用いて前記関節部の位置と姿勢との少なくともいずれかを算出する
医療用システム。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の医療用システムであって、
前記処置具は、前記処置具の構成を特定するための標識部を処置部と関節部との少なくともいずれかに有し、
前記制御部は、前記標識部に基づいて前記処置具を判別する
医療用システム。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の医療用システムであって、
前記補償量演算部は、前記指令が発せられてから前記関節部の変位が開始するまでの間に前記駆動部が駆動された量に基づくヒステリシス幅を算出して前記補償値とする
医療用システム。
【請求項８】
請求項６に記載の医療用システムであって、
前記制御部は、前記標識部に基づいて判別された前記処置具に対応して前記パラメータを変更する
医療用システム。
【請求項９】
関節部を備えた処置具を取り付け可能な医療用システムにおける前記処置具のキャリブレーション方法であって、
前記医療用システムに前記処置具が取り付けられた状態で取得され前記関節部を含む画像から前記関節部の位置と姿勢との少なくともいずれかを算出し、
算出された前記関節部の位置と姿勢との少なくともいずれかに基づいて前記関節部の変位を検出し、
前記関節部を動作させるための指令と前記関節部の変位との差分を補償する補償値を生成し、
前記関節部を動作させるための指令に用いられるパラメータに対して前記補償値を繰り入れる
処置具のキャリブレーション方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、医療用システム及び処置具のキャリブレーション方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ワイヤを介してモータの回転動力によりマニピュレータの処置具を駆動させる医療用システムが知られている。このような医療用システムでは、マニピュレータに有する一対の握り部品のうちの一方を、他方の握り部品の方に移動させ、そのときの握り部品の変位位置とトルク値とを測定することによりキャリブレーションが行われる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００８−０１１４４９４号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、軟性のマニピュレータの場合に、マニピュレータを処置対象部位まで案内する過程でマニピュレータが湾曲するので、マニピュレータの内部におけるワイヤの経路が変化する。特許文献１に開示された技術では、マニピュレータにおけるワイヤ経路の変化の影響を反映させたキャリブレーションが困難である。
【０００５】
本発明は、上記の問題を鑑みてなされたもので、ワイヤの特性変動があったとしてもキャリブレーションを行うことができる医療用システム及び処置具のキャリブレーション方法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】
上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
本発明の一態様は、生体に対して処置をする処置部、前記処置部を移動させる関節部、前記関節部に接続された可撓管部、及び前記可撓管部に接続され前記関節部を変位させる駆動部を備えた処置具と、遠位端と近位端とを有し前記処置部が前記遠位端から突出可能となるように前記処置具を保持する可撓性の外套管、及び少なくとも前記関節部を撮像視野に含む少なくとも１の画像を取得可能な撮像部を備えた内視鏡装置と、前記処置具の動作を前記画像に基づいて制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記関節部を動作させるためのパラメータを有するテーブルと、前記パラメータに基づいて前記駆動部を制御する指令を前記駆動部に対して発する制御器と、前記関節部の位置と姿勢との少なくともいずれかを前記画像に基づいて算出する画像処理部と、前記画像処理部により算出された前記関節部の位置と姿勢との少なくともいずれかに基づいて前記関節部の変位を検出し前記指令と前記関節部の変位との差分を補償する補償値を生成して前記パラメータに前記補償値を繰り入れる補償量演算部と、を備えた医療用システムである。
【０００７】
なお、上記の医療用システムにおいて、前記画像処理部は前記画像を用いたパターンマッチングにより前記関節部の関節角度を算出してもよい。
【０００８】
また、上記の医療用システムにおいて、前記画像処理部は前記画像において、最新の画像と時系列で直前に取得された画像との差分から前記関節部の変位を算出してもよい。
【０００９】
また、上記の医療用システムにおいて、前記制御部は、前記画像において前記関節部が特定できない場合に、前記画像に前記関節部が表示されるまで前記関節部を変位させてもよい。
【００１０】
また、上記の医療用システムにおいて、前記画像を表示可能な表示装置をさらに備え、
前記制御部は、前記画像において前記関節部が特定できない場合に前記関節部が前記撮像部の撮像視野の外に位置していると判定し、前記関節部の特定可能領域を前記画像に重ねた指示画像を前記画像に代えて前記表示装置へ出力し、前記表示装置は、前記画像に代えて前記指示画像を受信したときには前記指示画像を表示し、前記画像処理部は、前記関節部の特定可能領域内に前記関節部が位置した画像を用いて前記関節部の位置と姿勢との少なくともいずれかを算出してもよい。
【００１１】
また、上記の医療用システムにおいて、前記処置具は、前記処置具の構成を特定するための標識部を処置部と関節部との少なくともいずれかに有し、前記制御部は、前記標識部に基づいて前記処置具を判別してもよい。
【００１２】
また、上記の医療用システムにおいて、前記補償量演算部は、前記指令が発せられてから前記関節部の変位が開始するまでの間に前記駆動部が駆動された量に基づくヒステリシス幅を算出して前記補償値としてもよい。
【００１３】
また、上記の医療用システムにおいて、前記制御部は、前記標識部に基づいて判別された前記処置具に対応してパラメータを変更してもよい。
【００１４】
本発明の別の態様は、関節部を備えた処置具を取り付け可能な医療用システムにおける前記処置具のキャリブレーション方法であって、前記医療用システムに前記処置具が取り付けられた状態で取得され前記関節部を含む画像から前記関節部の位置と姿勢との少なくともいずれかを算出し、算出された前記関節部の位置と姿勢との少なくともいずれかに基づいて前記関節部の変位を検出し、前記関節部を動作させるための指令と前記関節部の変位との差分を補償する補償値を生成し、前記関節部を動作させるための指令に用いられるパラメータに対して前記補償値を繰り入れる処置具のキャリブレーション方法。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、ワイヤの特性変動があったとしても、キャリブレーションを行うことができる医療用システムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】第１実施形態の医療用システムの全体構成の概略を示す斜視図である。
【図２】第１実施形態の医療用システムにおける内視鏡装置の斜視図である。
【図３】第１実施形態の医療用システムにおける処置具の一部破断斜視図である。
【図４】第１実施形態の医療用システムの一例のブロック構成図である。
【図５】第１実施形態の医療用システムの表示装置の画像の一例を示す図である。
【図６】第１実施形態の医療用システムのキャリブレーションを説明するフローチャートである。
【図７】第１実施形態の医療用システムのヒステリシス幅を測定する一例のフローチャートである。
【図８】第１実施形態の医療用システムの処置具先端角度情報を検出する一例のフローチャートである。
【図９】第１実施形態の医療用システムの処置具先端角度情報を検出する他例のフローチャートである。
【図１０】第２実施形態の医療用システムのキャリブレーションを説明するフローチャートである。
【図１１】第３実施形態の医療用システムのキャリブレーションを説明するフローチャートである。
【図１２】第４実施形態の医療用システムのキャリブレーションを説明するフローチャートである。
【図１３】第５実施形態の医療用システムのキャリブレーションを行う場合の先端部の斜視図である。
【図１４】第５実施形態の医療用システムのキャリブレーションを行う場合の一例のフローチャートである。
【図１５】第５実施形態の医療用システムのキャリブレーションを行う場合の他例のフローチャートである。
【図１６】第６実施形態の医療用システムのキャリブレーションを行う場合の先端部の斜視図である。
【図１７】第６実施形態の医療用システムのキャリブレーションを行う場合の一例のフローチャートである。
【図１８】第６実施形態の医療用システムのキャリブレーションを行う場合の他例のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、実施形態の医療用システムを図面を用いて説明する。なお、以下の図面においては、各部材を認識可能な大きさとするため、各部材の縮尺を適宜変更している。
【００１８】
(第１実施形態)
図１は、第１実施形態の医療用システムの全体構成の概略を示す斜視図である。本実施形態の医療用システムは、いわゆるマスタスレーブ方式のシステムである。すなわち、図１に示すように、医療用システム１は、操作者Ｏｐが処置のための操作をするマスタマニピュレータ２と、内視鏡装置３が設けられたスレーブマニピュレータ４と、マスタマニピュレータ２に対する操作に応じてスレーブマニピュレータ４を制御する制御部５０（図４参照）とを持つ。
【００１９】
マスタマニピュレータ２は、操作者Ｏｐによって動かされるマスタアーム５と、内視鏡装置３を用いて撮影した映像等の画像情報（図４参照）５９を表示するための表示装置６と、後述する制御部５０の制御器７とを持つ。
【００２０】
マスタアーム５は、内視鏡装置３を動作させるために設けられた操作部である。また、詳細は図示しないが、マスタマニピュレータ２に設けられたマスタアーム５は、操作者Ｏｐの右手と左手とのそれぞれに対応して２つ設けられている。マスタアーム５は、少なくとも１自由度で体内に配される器具である処置具２１に有する関節部２２を動作させるために多関節構造を有している。
【００２１】
表示装置６は、内視鏡装置３に取り付けられた観察装置(図２参照)２３によって撮影された処置対象部位の映像が表示される装置である。表示装置６には、処置対象部位とともに、処置具２１の関節部２２も表示される。
【００２２】
制御器７は、マスタアーム５の動作に基づいてスレーブマニピュレータ４を動作させるための操作指令を生成する。
【００２３】
スレーブマニピュレータ４は、患者が載置される載置台８と、載置台８の近傍に配置された多関節ロボット９と、多関節ロボット９に取り付けられた内視鏡装置３とを有する。多関節ロボット９は、マスタマニピュレータ２から発せられた操作指令に従って動作する。
【００２４】
図２は、第１実施形態の医療用システムにおける内視鏡装置の斜視図である。図２に示すように、内視鏡装置３は、挿入部２４と、外套管駆動部(駆動部)２５とを持つ。
挿入部２４は、外套管２６と、観察装置２３と、を持つ。
外套管２６は、患者の体内に挿入される軟性の長尺の部材である。外套管２６は、遠位端と近位端とを有し、処置具２１が挿通可能な処置具チャンネル２９を有している。
【００２５】
観察装置２３は、外套管２６の遠位端から遠位側へ向けられた撮像視野が設定された装置であり、処置対象部位及び処置具２１の画像を取得して表示装置６へと出力可能である。本実施形態では、観察装置２３は、外套管２６の遠位端部分の内部に配されている。観察装置２３は、撮像部３０および照明部３１を有する。
【００２６】
撮像部３０は、少なくとも関節部２２を撮像視野に含む少なくとも１の画像を取得可能である。
照明部３０は、撮像部３０の撮像視野に向けて照明光を発する。
なお、観察装置２３は、外套管２６に対して着脱可能であってよい。たとえば、観察装置として公知の内視鏡装置が適用され、外套管２６にこの公知の内視鏡装置を挿入可能な内視鏡チャンネルが形成されていてもよい。
【００２７】
処置具チャンネル２９は、処置具２１の処置部２７が挿入部２４の遠位端から突出可能となるように処置具２１を保持する。
【００２８】
外套管駆動部２５は、外套管２６の近位側に設置されており、駆動により外套管２６の遠位側を湾曲動作させることによって体内で観察装置２３および処置具２１に有する処置部２７を所望の向きに向けることができる。
【００２９】
図３は、第１実施形態の医療用システムにおける処置具の一部破断斜視図である。図３に示すように、処置具２１は、処置具駆動部(駆動部)３２と、可撓管部である軟性部３３と、先端部３４と、を持つ。
【００３０】
処置具駆動部３２は、モータ３５と、エンコーダ３６と駆動側回転体３７と、ワイヤ３８と、従動側回転体３９とを備える。
モータ３５は、関節部２２および処置部２７の自由度に対して１つずつ配されている。本実施形態では、一つの関節部２２を湾曲動作させるための１つのモータ３５についてのみ説明する。なお、処置具駆動部３２は、不図示の他のモータによって不図示の他の関節部２２および不図示の他の処置部２７を独立して駆動させることができる。
モータ３５のモータ軸は、不図示の減速機構を介して駆動側回転体３７に接続されている。モータ３５としては、ステッピングモータ等が採用されてもよい。
エンコーダ３６(図４参照)は、モータ３５の不図示のモータ軸に非接触で取り付けられている。エンコーダ３６は、制御部５０に電気的に接続される。
【００３１】
駆動側回転体３７は、モータ３５が発する駆動力により回転するたとえばプーリ等である。駆動側回転体３７にはワイヤ３８の一端部が架け渡されている。
【００３２】
ワイヤ３８は、一端部がワイヤ３８に架け渡され、中間部が軟性部３３内に移動可能に収容され、他端部が従動側回転体３９に架け渡された環状のワイヤである。
【００３３】
軟性部３３は、柔軟な筒形状に形成されている。軟性部３３の近位側には処置具駆動部３２が配され、軟性部３３の遠位側には処置部２７が配されている。
【００３４】
処置具２１の先端部３４は、関節部２２と、腕部４０と、処置部２７と、を持つ。
【００３５】
関節部２２は、腕部４０に連結されている。関節部２２は、従動側回転体３９から力量が伝達されることにより、腕部４０を変位させる。関節部２２が湾曲動作する構造は、関節構造に限られない。例えば、複数の湾曲コマが互いに回動自在に連接された関節構造であっても良い。
【００３６】
処置部２７は、処置対象に対して処置をするための鉗子や切開ナイフである。
また、本実施形態では、処置具２１の先端部３４は、処置具２１の種類を特定するための標識部Ｘを有する。標識部Ｘは、たとえば印刷や刻印として腕部４０に配されている。
【００３７】
処置具２１では、モータ３５の回転に伴い、駆動側回転体３７が回転され、ワイヤ３８を介して従動側回転体３９が回転される。そのため、従動側回転体３９の回転によって関節部２２が湾曲動作を行う。このとき、エンコーダ３６からの回転信号は、制御部５０によって処理され、モータ駆動量の情報として取り込まれる。
【００３８】
図４は、第１実施形態の医療用システムの一例のブロック構成図である。なお、このブロック図は、以下の各実施形態に援用される。
図４に示すように、医療用システム１の制御部５０は、マスタ制御部５１と、スレーブ制御部５２と、キャリブレーション部５３と、画像処理部５４と、補償量演算部５５と、処置具情報記憶部５６と、パラメータテーブル５７と、制御器７と、を持つ。
【００３９】
マスタ制御部５１は、マスタマニピュレータ２における操作入力(入力)５８を受け付けて処理する。
スレーブ制御部５２は、マスタ制御部５１からの指令に基づいて多関節ロボット９と内視鏡装置３と処置具２１とに対する駆動信号を出力する。
キャリブレーション部５３は、処置具２１の動作における補償用のパラメータを生成する。なお、キャリブレーション部５３は、マスタ制御部５１とスレーブ制御部５２とのどちらに属していてもよく、マスタ制御部５１とスレーブ制御部５２とから独立していてもよい。
【００４０】
画像処理部５４は、撮像部３０が取得した画像情報５９の解析を行う。ここで、画像処理部５４は、関節部２２の位置と姿勢との少なくともいずれかを画像情報５９に基づいて算出する。本実施形態における画像処理部５４は、画像情報５９を用いた画像認識により関節部２２の関節角度を算出する。
【００４１】
補償量演算部５５は、画像処理部５４により算出された関節部２２の位置と姿勢との少なくともいずれかに基づいて関節部２２の変位を検出し、入力(指令)５８と関節部２２の変位との差分を補償する補償値を生成してパラメータに補償値を繰り入れる。具体的には、本実施形態の補償量演算部５５は、後述するヒステリシス幅を補償値としてパラメータに繰り入れる。補償量演算部５５は、指令が発せられてから関節部２２の変位が開始するまでの間に、処置具駆動部３２が駆動された量に基づくヒステリシス幅を算出し、関節部２２の変位が開始した後に補償値を確定してパラメータに繰り入れる。
【００４２】
処置具情報記憶部５６は、処置具２１の個体情報やパターンマッチング画像など、キャリブレーションに必要な個別データを保持する。
【００４３】
パラメータテーブル５７は、制御器７が参照するパラメータを有する。パラメータテーブル５７には、医療用システム１の立ち上げ時に初期パラメータがロードされる。パラメータテーブル５７にロードされた初期パラメータは、補償量演算部５５によりキャリブレーションごとに更新され、制御器７に参照されるパラメータとなる。
制御器７は、キャリブレーション部５３において更新されパラメータテーブル５７に記憶されたパラメータを利用してモータ３５に出力を出す。
【００４４】
制御部５０は、撮像部３０によって得られた画像情報５９を利用してキャリブレーション部５３を介してキャリブレーションを行う。ここで、撮像部３０の撮像視野に処置具２１が写っていない場合には、処置具２１に対して好適にキャリブレーションを行うことができる位置まで処置具２１を移動させるように制御部５０は処置具２１の位置を制御する。たとえば、制御部５０は、画像情報５９において関節部２２が特定できない場合に、画像情報５９に関節部２２が表示されるまで関節部２２を変位させる。
【００４５】
また、別の制御方法として、制御部５０は、画像情報５９において関節部２２が特定できない場合に、関節部２２が撮像部３０の撮像視野の外に位置していると判定し、関節部２２の特定可能領域を画像情報５９に重ねた指示画像情報を画像情報５９に代えて表示装置６へ出力してもよい。すなわち、この制御方法では、医療用システム１の使用者に対して処置具２１の移動を促すことで、処置具２１がキャリブレーション可能な範囲内に入るように制御部５０が使用者の操作を支援する。画像情報５９に代えて指示画像情報を受信したときには、表示装置６によって指示画像情報が表示される。処置具２１の関節部２２が撮像部３０の撮像視野内における上記特定可能領域に配された後、画像処理部５４は、関節部２２の特定可能領域内に関節部２２が位置した画像情報５９を用いて関節部２２の位置と姿勢との少なくともいずれかを算出する。
【００４６】
図５は、第１実施形態の医療用システムの表示装置の画像の一例を示す図である。図５に示すように、表示装置６に表示されている画像情報５９に基づいて、キャリブレーション部５３がキャリブレーションを行う。たとえば、制御部５０は、関節部２２における屈曲点を仮想的な特徴点として画像情報５９から画像認識により設定し、各関節部２２における屈曲角度を算出する。
【００４７】
図６は、第１実施形態の医療用システムのキャリブレーションを説明するフローチャートである。図６に示すように、処置具先端キャリブレーションでは、まず、ヒステリシス幅Δθが計測される[ヒステリシス幅計測]（ステップＳＴ１０１）。ここで、ヒステリシス幅Δθの測定とは、指令が発せられてから関節部２２の変位が開始するまでの間に、処置具駆動部３２が駆動された量に基づいた値である。
【００４８】
次に、パラメータテーブル５７に記憶されたパラメータを参照［テーブル参照］（ステップＳＴ１０２）し、ヒステリシス値が更新される［パラメータ更新］（ステップＳＴ１０３）。ここで、ヒステリシス値とは、ヒステリシス幅Δｘを変数に含む関数からなるパラメータ要素として定義されている。たとえば、ヒステリシス値は、以下の数式（１）によって表される。
【００４９】
【数１】
2015160278.tif 000003
【００５０】
上記の数式（１）における記号ｕは、ヒステリシス値であり、本実施形態における補償値である。ヒステリシス値は、パラメータテーブル５７に記憶されることにより、更新後のパラメータとして制御器７の動作時に読み込まれる。
そして、更新されたヒステリシス値を用いてキャリブレーションが行われることになる。なお、ヒステリシス幅は、図７に示すフローチャートによって得られる。
【００５１】
図７は、第１実施形態の医療用システムのヒステリシス幅を測定する一例を示すフローチャートである。
図７に示すように、ヒステリシス幅の計測においては、撮像部３０によって、少なくとも関節部２２を撮像視野に含む少なくとも１の画像が取得される［画像取得開始］（ステップＳＴ２０１）。たとえば、撮像部３０により取得された画像は、関節部２２を画像内に含んだ状態で表示装置６に表示される。
【００５２】
撮像部３０による撮像が行われている状態で、処置具駆動部３２のモータ３５が駆動を開始される［モータ駆動開始］（ステップＳＴ２０２）。モータ３５の駆動に伴い、関節部２２は、移動を開始される。しかしながら、ワイヤ３８の伸びやたるみ、あるいはワイヤ３８の外面に対する摩擦力等によって、モータ３５の駆動と関節部２２の屈曲との間に遅れその他の差異が生じることがある。たとえば、モータ３５が駆動されても、モータ３５が一定の回転角に達するまで関節部２２が全く動作しない場合もある。
【００５３】
モータ３５の駆動が開始された時点から、処置具先端角度情報の検出が開始される［処置具先端角度情報を検出］（ステップＳＴ２０３）。すなわち、移動中の関節部２２の動きが検出される。処置具先端角度情報は、後述するパターンマッチングやオプティカルフローにより検出可能である。
ここで、関節部２２に動きがあったか否かが検出される［処置先端部が動いた］（ステップＳＴ２０４）。
このとき、関節部２２に動きがない場合、処置具先端角度情報が繰り返し検出される［処置具先端角度情報を検出］（ステップＳＴ２０３）。
これに対して、関節部２２に動きがあった場合、モータ３５の駆動が一旦停止される［モータ駆動停止］（ステップＳＴ２０５）。
なお、先端部３４の初期値が既知である場合には、先端部３４を一方向へ移動させることでヒステリシス幅を算出可能である。先端部３４の初期値が不明である場合には、対向する２方向（たとえば左右方向）へ先端部３４を往復移動させることで初期値不明のままヒステリシス幅を算出可能である。たとえば、先端部３４を所定の一方向に移動させるためにモータ３５を動作させ、先端部３４の微小動作が検出されたときのモータ３５の動作量を記憶し、続いて上記所定の一方向と反対方向に移動させるためにモータ３５を動作させ、先端部３４の微小動作が検出されたときのモータ３５の動作量を記憶する。この過程で取得された２つの動作量の情報から、ヒステリシス幅を算出できる。
そして、補償量演算部５５によって、指令が発せられてから関節部２２の変位が開始するまでの間に、処置具駆動部３２が駆動された量に基づくヒステリシス幅を算出して、ヒステリシス値を確定し、補償値ｕとする［ヒステリシス幅を算出］（ステップＳＴ２０６）。このように、関節部２２が微小動作するまでモータ３５が駆動され、処置具駆動部３２が駆動された量に基づいてヒステリシス幅が算出される。
【００５４】
図８は、第１実施形態の医療用システムの処置具先端角度情報を検出する一例のフローチャートである。
図８に示すように、まず、内視鏡装置３の撮像部３０によって画像情報５９が取得される［内視鏡画像を取得］（ステップＳＴ３０１）。
次に、標識部Ｘに基づいてあらかじめ設定されているパターンを参照したパターンマッチングにより、取得された画像情報５９から処置具２１の画像情報５９が抽出される［パターンマッチにより画像から処置具を抽出］（ステップＳＴ３０２）。
続いて、抽出された画像情報５９から特徴点が抽出される［特徴点を抽出］（ステップＳＴ３０３）。
そして、抽出された特徴点から処置具２１の先端部３４の角度情報が算出される［処置具先端角度情報を算出］（ステップＳＴ３０４）。
【００５５】
図９は、第１実施形態の医療用システムの処置具先端角度情報を検出する他例のフローチャートである。図９に示すように、内視鏡装置３により取得された画像情報５９をオプティカルフロー方式で処理する。つまり、画像処理部５４によって、画像情報５９において、最新の画像情報５９と時系列で直前に取得された画像情報５９との差分から関節部２２の変位を算出する。すなわち、まず、内視鏡装置３の最新の画像情報５９が取得される。その後に、直前の内視鏡装置３の画像情報５９が取得され、両画像情報５９の偏差が算出されることにより、内視鏡先端の移動方向と移動距離が算出される［最新の内視鏡画像情報と直前の内視鏡画像情報の差分から内視鏡先端の移動方向と移動距離を算出］（ステップＳＴ４０１）。
次に、処置具２１の先端部３４の角度の変位量が算出される［処置具先端部の角度の変位量を算出］（ステップＳＴ４０２）。
【００５６】
以上に説明した第１実施形態によれば、制御部５０が、パラメータテーブル５７と、制御器７と、画像処理部５４と、補償量演算部５５と、を持つので、ワイヤ３８の特性変動によって生じる処置具２１の先端部３４の動作の変化を考慮したキャリブレーションができる。これにより、軟性である本実施形態の内視鏡装置３において処置対象部位に処置具２１の先端部３４が案内されたときに適切なキャリブレーションを行うことができる。
【００５７】
また、第１実施形態によれば、画像処理部５４によって、パターンマッチングあるいはオプティカルフローを使用して処置具２１の関節部２２の屈曲角度を算出できるので、処置対象部位を観察するために必須な撮像部３０をキャリブレーションのための構成として利用できる。このため、関節部２２の関節角度を検出するエンコーダ等を必要とせず、簡易な構成で精度の高いキャリブレーションができる。
【００５８】
また、第１実施形態によれば、制御部５０は、画像情報５９において関節部２２が特定できない場合に、画像情報５９に関節部２２が表示されるまで関節部２２を変位させるために、キャリブレーションができないという事態を回避できる。
【００５９】
また、関節部２２の特定可能領域を画像情報５９に重ねた指示画像を画像情報５９に代えて表示装置６へ出力して使用者による処置具２１の移動を促す場合には、処置具２１の操作が処置具２１の使用者に委ねられているので、処置具２１の移動を安定して行える。なお、処置具２１が使用者によって適切な位置に移動されたときに自動的にキャリブレーションが開始されてもよく、この場合には、使用者に求める操作が簡略化できる。
【００６０】
また、第１実施形態によれば、制御部５０は、処置具２１を標識部Ｘに基づいて判別するために、簡単な画像処理によって処置具２１を検出することができる。
なお、上記実施形態では、パターンマッチングとオプティカルフローとのいずれかが採用される例を示したが、パターンマッチングとオプティカルフローとの両方の画像処理が可能な構成を有していてもよい。たとえば、標識部Ｘが識別可能でありパターンマッチング画像がある場合にはパターンマッチングが採用され、標識部Ｘが識別不能である場合や適切なパターンマッチング画像がない場合にはオプティカルフローが採用されてよい。すなわち、パターンマッチングとオプティカルフローとのどちらを採用するかが状況に応じて選択される構成を有していてもよい。
【００６１】
また、第１実施形態によれば、補償量演算部５５は、指令が発せられてから関節部２２の変位が開始するまでの間に処置具駆動部３２が駆動された量に基づくヒステリシス幅を算出して補償値を設定するために、処置具２１の先端部３４における実測値を利用した適切な補償値を取得することができる。
【００６２】
また、第１実施形態によれば、制御部５０は、標識部Ｘに基づいて判別された処置具２１に対応してパラメータを変更するために、処置具２１の正確な検出を行うことができる。
【００６３】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。
図１０は、第２実施形態の医療用システムのキャリブレーションを説明するフローチャートである。なお、以下の各実施形態において、第１実施形態と同一の部位には同一の符号を付してその説明は省略し、異なる点についてのみ説明する。
図１０に示すように、本実施形態では、制御部５０におけるキャリブレーション手順が上記実施形態と異なっている。本実施形態におけるキャリブレーションでは、処置具２１の先端部３４の切り返しの指令が発生してから、この指令に応じて処置具２１の先端部３４が切り返しを始めた遅れ時間を用いている。なお、本実施形態において、「切り返し」とは、所定の一方向に先端部３４が変位している状態から先端部３４が逆方向に変位するように変位方向が切り替わることをいう。
【００６４】
本実施形態におけるキャリブレーションでは、まず、切り返しの指令が発生された時のカウント値が取得される［切り返し入力発生時カウント取得］（ステップＳＴ５０１）。カウント値の取得は、たとえば、不図示のタイマーをゼロにリセットしてカウントアップを開始することで切り返しの指令が発生された時点をゼロとする。
次に、切り返しの指令によって処置具２１の先端部３４が切り返しを始めた時のカウント値が取得される［処置具切り返し時カウント取得］（ステップＳＴ５０２）。処置具２１の先端部３４が切り返しを始めたことは、上記第１実施形態で説明したパターンマッチングやオプティカルフローを用いて先端部３４の変位を検出することで検出可能である。
【００６５】
続いて、切り返しの指令が発生してから、処置具２１の先端部３４が切り返しを始めた時までの遅れ時間が取得される［遅れ時間取得］（ステップＳＴ５０３）。本実施形態では、切り返しの指令が発生されたときにゼロでリセットされたタイマーにおけるカウント値が遅れ時間として取得される。
そして、パラメータテーブル５７が参照され［テーブル参照］（ステップＳＴ５０４）、続いて遅れ時間に対する補償値が更新される［遅れ時間に対する補償値を更新］（ステップＳＴ５０５）。ここで、遅れ時間は、以下の数式（２）によって表される位相進みフィルタ、数式（３）によって表される制御補償によって補償することができる。なお、時定数から位相進みフィルタを設定してもよい。
【００６６】
【数２】
2015160278.tif 000004
【００６７】
【数３】
2015160278.tif 000005
【００６８】
上記の数式（３）において、ｕは補償値となる。
第２実施形態によれば、切り返しの指令が発生してから、処置具２１の先端部３４が切り返しを始めた時までの遅れ時間がパラメータテーブル５７によって参照されて、遅れ時間に対する補償値が更新されることにより、ワイヤ３８の特性変動があったとしても、キャリブレーションを行うことができる。
【００６９】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について説明する。
図１１は、第３実施形態の医療用システムのキャリブレーションを説明するフローチャートである。本実施形態では、制御部５０におけるキャリブレーション手順が上記実施形態と異なっている。図１１に示すように、本実施形態におけるキャリブレーションでは、指令により処置具２１の先端部３４を変位させる振幅と、実際に処置具２１の先端部３４が変位した振幅（角度応答）との比に基づいて補償量が変更される。
【００７０】
本実施形態では、まず、入力値が参照される［入力値参照］（ステップＳＴ６０１）。
次に、処置具２１の先端部３４の振幅量が計測される［処置具先端部振幅計測］（ステップＳＴ６０２）。
続いて、計測された振幅量がパラメータテーブル５７で参照され［テーブル参照］（ステップ６０３）、補償係数が更新される［補償係数を更新］（ステップＳＴ６０４）。補償係数に基づいた補償値は、下記の数式（４）に定義された式におけるｕとして表される。
【００７１】
【数４】
2015160278.tif 000006
【００７２】
上記の数式（４）におけるαは、補償係数であり、以下の数式（５）によって表される。例えば、指令による振幅に対する実際の先端部３４の振幅が１／２であれば、補償係数αは２となり、補償値ｕは上記の数式（４）から２θrefとなる。
【００７３】
【数５】
2015160278.tif 000007
【００７４】
第３実施形態によれば、指令と処置具２１の先端部３４の角度応答の振幅比に基づいて補償量が変更されることにより、ワイヤ３８の特性変動があったとしても、キャリブレーションを行うことができる。
【００７５】
（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について説明する。
図１２は、第４実施形態の医療用システムのキャリブレーションを説明するフローチャートである。本実施形態では、制御部５０におけるキャリブレーション手順が上記実施形態と異なっている。
【００７６】
図１２に示すように、この場合のキャリブレーションでは、入力と角度応答から弾性を有するモデルを仮定し、このモデルを用いてパラメータテーブル５７が変更される。ここで、先端部３４は、軟性部３３に蓄積されている弾性復元力やワイヤ３８に有する弾性反発力によって弾性特性を有する。そのため、軟性部３３およびワイヤ３８に有する弾性特性によって振幅が減少する。すなわち、まず、エンコーダ３６によるモータ３５の駆動量が参照される［モータ駆動量参照］（ステップＳＴ７０１）。
【００７７】
次に、処置具２１の先端部３４の応答が検出される［処置具先端の応答検出］（ステップＳＴ７０２）。
【００７８】
続いて、あらかじめ用意されているモデルとの比較が行われる［モデルと比較］（ステップＳＴ７０３）。ここで、モデルとしては、以下の数式（６）、数式（７）によって表される。なお、以下の数式（６）、数式（７）において、θは先端部３４の角度、θmはモータ３５の角度、θ’は先端部３４の角速度、Jは先端部３４の慣性モーメント、Jmはモータ３５の慣性モーメント、Fはモータ３５が発生するトルク、keは先端部３４の回転方向の環境剛性、cは回転方向の粘性摩擦係数、fdは先端部３４にかかる摩擦トルク、kは回転方向に換算したワイヤ３８の剛性を示す。
また、先端部３４の検出が位置の場合もあり、この場合、以下の数式（６）、数式（７）において、θは先端部３の位置、θmはモータ３５の位置、θ’は先端部３４の速度、Jは先端部３４の質量、Jmはモータ３５の質量、Fはモータ３５が発生する力、keは先端部３４の並進方向の環境剛性、cは並進方向の粘性摩擦係数、fdは先端部３４にかかる摩擦力、kはワイヤ３８の剛性を示す。
【００７９】
【数６】
2015160278.tif 000008
【００８０】
【数７】
2015160278.tif 000009
【００８１】
そして、モデル内のパラメータが更新される［モデル内パラメータを更新］ステップＳＴ７０４）。
モデル内のパラメータは、画像情報から得た先端角度情報と、モデル出力とを一致させるように繰り返し計算を行うことで得ることができる。
補償値ｕは、モデル内のパラメータを用いて、下記の数式（８）、数式（９）により求めることができる。
【００８２】
【数８】
2015160278.tif 000010
【００８３】
【数９】
2015160278.tif 000011
【００８４】
上記数式（８）において、fdは先端部３４にかかる摩擦トルク、kは回転方向に換算したワイヤ３８の剛性を示す。
この場合、モデルの出力と指令出力とを一致させることにより、補償量を決定することができる。
【００８５】
第４実施形態によれば、入力と角度応答から仮定されたモデルを用いてパラメータテーブル５７が変更されることにより、ワイヤ３８の特性変動があったとしても、キャリブレーションを行うことができる。
なお、上記数式（６），数式（７）により表されるモデルは一例であり、他の関数によりモデルが定義されてもよい。
【００８６】
（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態について説明する。
図１３は、第５実施形態の医療用システムのキャリブレーションを行う場合の先端部の斜視図である。本実施形態では、処置具チャンネル２９の中心線方向における先端部３４の進退量に対するキャリブレーションを制御部５０が行う点で上記実施形態と異なっている。
図１３に示すように、処置部２７は、処置具駆動部３２によって位置Ａ１と位置Ａ２との間のストローク長さＬ１で進退移動される。
【００８７】
図１４は、第５実施形態の医療用システムのキャリブレーションを行う場合の一例のフローチャートである。図１４に示すように、まず、内視鏡装置３の画像情報５９が取得される［内視鏡画像を取得］（ステップＳＴ８０１）。
次に、パターンマッチングにより内視鏡装置３の画像情報５９から処置具２１が検出される［パターンマッチングにより画像から処置具を検出］（ステップＳＴ８０２）。
続いて、検出された処置具２１において識別部（特徴点）Ｘが抽出される［特徴点を抽出］（ステップＳＴ８０３）。
そして、抽出された識別部Ｘを用いて処置具２１の進退量が算出される［処置具進退量を算出］（ステップＳＴ８０４）。
【００８８】
図１５は、第５実施形態の医療用システムのキャリブレーションを行う場合の他例のフローチャートである。
本実施形態におけるキャリブレーションは、上記第１実施形態で説明したオプティカルフローを利用してもよい。すなわち、図１５に示すように、まず、内視鏡装置３の最新の画像情報５９が取得される。その後に、直前の内視鏡装置３の画像情報５９が取得され、両画像情報５９の偏差が算出されることにより、内視鏡先端の移動方向と移動距離が算出される［最新の内視鏡画像情報と直前の内視鏡画像情報の差分から内視鏡先端の移動方向と移動距離を算出］（ステップＳＴ９０１）。
次に、処置具２１の先端部３４の進退量が算出される［処置具進退量を算出］（ステップＳＴ９０２）。
【００８９】
第５実施形態によれば、処置部２７の内視鏡装置３の画像情報５９における進退量を用いてキャリブレーションが行われることにより、ワイヤ３８の特性変動があったとしても、キャリブレーションを行うことができる。
【００９０】
（第６実施形態）
次に、本発明の第６実施形態について説明する。
図１６は、第６実施形態の医療用システムのキャリブレーションを行う場合の先端部の斜視図である。本実施形態では、処置具チャンネル２９の中心線に直交する方向における先端部３４の平行移動量に対するキャリブレーションを制御部５０が行う点で上記実施形態と異なっている。
【００９１】
図１６に示すように、この場合、関節部２２に代えて、処置部２７の内視鏡装置３の画像情報５９における平行移動量を用いてキャリブレーションが行われる。処置部２７は、処置具駆動部３２によって位置Ｂ１と位置Ｂ２との間のストローク長さＬ２で平行移動される。
【００９２】
図１７は、第６実施形態の医療用システムのキャリブレーションを行う場合の一例のフローチャートである。図１７に示すように、まず、内視鏡装置３の画像情報５９が取得される［内視鏡画像を取得］（ステップＳＴ１１０１）。
次に、パターンマッチングにより内視鏡装置３の画像情報５９から処置具２１が検出される［パターンマッチングにより画像から処置具を検出］（ステップＳＴ１１０２）。
続いて、検出された処置具２１において識別部（特徴点）Ｘが抽出される［特徴点を抽出］（ステップＳＴ１１０３）。
そして、抽出された識別部Ｘを用いて処置具２１の平行移動量が算出される［処置具平行移動を算出］（ステップＳＴ１１０４）。
【００９３】
図１８は、第６実施形態の医療用システムのキャリブレーションを行う場合の他例のフローチャートである。本実施形態におけるキャリブレーションは、上記第１実施形態で説明したオプティカルフローを利用してもよい。すなわち、図１８に示すように、まず、内視鏡装置３の最新の画像情報５９が取得される。その後に、直前の内視鏡装置３の画像情報５９が取得され、両画像情報５９の偏差が算出されることにより、内視鏡先端の移動方向と移動距離が算出される［最新の内視鏡画像情報と直前の内視鏡画像情報の差分から内視鏡先端の移動方向と移動距離を算出］（ステップＳＴ１２０１）。
次に、処置具２１の先端部３４の平行移動量が算出される［処置平行移動量を算出］（ステップＳＴ１２０２）。
【００９４】
第６実施形態によれば、処置部２７の内視鏡装置３の画像情報５９における平行移動量を用いてキャリブレーションが行われることにより、ワイヤ３８の特性変動があったとしても、キャリブレーションを行うことができる。
【００９５】
以上、本発明の実施形態及びその変形例について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
また、上述の各実施形態において示した構成要素は適宜に組み合わせて構成することが可能である。
【符号の説明】
【００９６】
１  医療用システム
２  マスタマニピュレータ
３  内視鏡装置
４  スレーブマニピュレータ
５  マスタアーム
６  表示装置
７  載置台
８  多関節ロボット
２１  処置具
２２  関節部
２３  観察装置
２４  挿入部
２５  外套管駆動部(駆動部)
２６  外套管
２７  処置部
２９  処置具チャンネル
３０  撮像部
３１  照明部
３２  処置具駆動部(駆動部)
３３  軟性部
３４  先端部
３５  モータ
３６  エンコーダ
３７  駆動側回転体
３８  ワイヤ
３９  従動側回転体
４０  腕部
５０  制御部
５１  マスタ制御部
５２  スレーブ制御部
５３  キャリブレーション部
５４  画像処理部
５５  補償量演算部
５６  処置具情報記憶部
５７  パラメータテーブル（テーブル）
５８  入力（操作入力)
５９  画像情報
Ｏｐ  操作者
Ｘ  標識部
【図１】
2015160278.tif 000012
【図２】
2015160278.tif 000013
【図３】
2015160278.tif 000014
【図４】
2015160278.tif 000015
【図５】
2015160278.tif 000016
【図６】
2015160278.tif 000017
【図７】
2015160278.tif 000018
【図８】
2015160278.tif 000019
【図９】
2015160278.tif 000020
【図１０】
2015160278.tif 000021
【図１１】
2015160278.tif 000022
【図１２】
2015160278.tif 000023
【図１３】
2015160278.tif 000024
【図１４】
2015160278.tif 000025
【図１５】
2015160278.tif 000026
【図１６】
2015160278.tif 000027
【図１７】
2015160278.tif 000028
【図１８】
2015160278.tif 000029