(57)【要約】本発明は、ロボット（３）がこれに固定された器具（７）を操作可能な作業領域（Ａ、Ａ’）を定める方法に関する。本発明によれば、作業領域（Ａ、Ａ’）は、撮像装置（６）がその内部で画像を撮影する視野（Ｋ、Ｋ’）が撮像装置（６）の位置決め、及び／又は焦点距離の調整によって規定され、作業領域（Ａ、Ａ’）が側面境界（１１、１１’）に応じて確定されることによって定められる。【選択図】なし
2016531008.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロボット（３）がこれに固定された器具（７）又はそのエンドエフェクタ（１７）を操作可能であることにより作業領域（Ａ、Ａ’、Ａ’’、Ａ*）を定める方法であって、
撮像装置（６）の位置決め、及び／又は前記撮像装置（６）の焦点距離（ｆ）の調整により前記撮像装置（６）が撮影できる視野（Ｋ、Ｋ’、Ｋ’’）を定める工程と、
前記視野（Ｋ、Ｋ’、Ｋ’’）の境界（１１、１１’、１１’’）に関する幾何的データを判定する工程と、かつ、
前記視野（Ｋ、Ｋ’、Ｋ’’）の境界（１１、１１’、１１’’）に応じて作業領域（Ａ、Ａ’、Ａ’’、Ａ*）を定める工程と、を含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記作業領域（Ａ、Ａ’、Ａ’’、Ａ*）は、少なくとも一部が前記撮像装置（６）の前記視野（Ｋ、Ｋ’、Ｋ’’）の前記境界（１１、１１’、１１’’）内にある空間領域に定められることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記作業領域（Ａ、Ａ’、Ａ’’、Ａ*）が、その側面境界が前記視野（Ｋ、Ｋ’、Ｋ’’）の側面境界（１１、１１’、１１’’）に対応するように定められることを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記作業領域（Ａ、Ａ’、Ａ’’、Ａ*）が、前記視野（Ｋ、Ｋ’、Ｋ’’）の側面境界（１１、１１’、１１’’）内にあり、前記撮像装置（６）で撮像された画像（Ｂ）が表示されるスクリーン（１２）のフォーマットを有する方形断面を有する空間領域に定められることを特徴とする、請求項１、２又は３に記載の方法。
【請求項５】
前記方形断面の特定の位置（ｚ）での対角線が、この位置での前記視野（Ｋ、Ｋ’、Ｋ’’）の直径に対応することを特徴とする、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記作業領域（Ａ、Ａ’、Ａ’’、Ａ*）は円錐形、角錐形、円筒形、又は立方形であることを特徴とする、請求項１〜５の一項に記載の方法。
【請求項７】
前記作業領域（Ａ、Ａ’、Ａ’’、Ａ*）は深さ（ｚ）が限定されることを特徴とする、請求項１〜６の一項に記載の方法。
【請求項８】
前記作業領域（Ａ、Ａ’、Ａ’’、Ａ*）は前記深さ（ｚ）のユーザ設定に応じて限定されることを特徴とする、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記作業領域（Ａ、Ａ’、Ａ’’、Ａ*）の深さ（ｚ）は、２つの平面（Ｅ１、Ｅ２）の間に配置された空間領域で限定されることを特徴とする、請求項７又は８に記載の方法。
【請求項１０】
前記平面は平面（Ｅ１、Ｅ２）であることを特徴とする、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
視野（Ｋ、Ｋ’、Ｋ’’）の境界（１１、１１’、１１’’）内で画像を撮影可能な少なくとも１つの第１のロボット（２）が撮像装置（６）に取り付けられ、第２のロボット（３）が器具（７）、特に手術用器具に取り付けられたロボットシステム（１）であって、該ロボットシステム（１）は、ロボット（２、３）の一方、又は両方を制御可能にする入力装置（１３）を含み、前記視野（Ｋ、Ｋ’、Ｋ’’）の前記境界（１１、１１’、１１’’）に関する幾何的データを判定し、前記撮像装置（６）の前記視野（Ｋ、Ｋ’、Ｋ’’）の前記側面境界（１１、１１’、１１’’）に応じた作業領域（Ａ、Ａ’、Ａ’’、Ａ*）を定める制御ユニット（２１）を備えることを特徴とするロボットシステム（１）。
【請求項１２】
前記制御ユニット（２１）は、少なくとも一部が前記撮像装置（６）の前記視野（Ｋ、Ｋ’、Ｋ’’）の境界（１１、１１’、１１’’）内にある作業領域（Ａ、Ａ’、Ａ’’、Ａ*）を定めることを特徴とする、請求項１１に記載のロボットシステム（１）。
【請求項１３】
前記作業領域（Ａ、Ａ’、Ａ’’、Ａ*）の深さ境界を設定する手段（１３）を備えることを特徴とする、請求項１１または１２に記載のロボットシステム（１）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特許請求の範囲第１項のプリアンブルに記載の、ロボットが器具を操作できる作業範囲を定める方法、及び特許請求の範囲第１１項のプリアンブルに記載のロボットシステムに関する。
【０００２】
以下に参照する公知のロボットシステムは、ロボットを動かすため、又は指定の動作を実行するためにユーザが手動操作する、例えばジョイスティック、又は撮像システムなどの入力装置を含んでいる。その際、ユーザが入力する制御設定は入力装置を介して、１つ又は複数のロボットによって実行される対応する制御命令に変換される。公知の入力装置は、一般に、ユーザの制御要求を検知し、対応する制御信号に変換する複数のセンサを有する。次いで、制御信号は制御回路、又は調整回路で処理され、それによって最終的にロボットのアクチュエータ、又はロボットに搭載されている器具のアクチュエータが制御されることによって、ロボット、又は器具はユーザが望む動作を実行する。
【０００３】
手術用ロボットの用途では、通常は外科医が手術用器具を動かし、操作できる特定の作業領域が定められる。外科医が手術用器具を所定の作業領域外に動かそうとすると、それが手術用ロボットによって自動的に認識され、妨げられる。そのため、外科医は作業領域内にある器官、又は組織だけを処置することができる。それによって、外科的侵襲中に本来の手術領域外の器官又は組織が不慮に損傷することが防止される。
【０００４】
例えば、特許文献１の明細書は、手術用ロボットシステムの作業領域を定める方法を記載している。その後、外科医は三次元表示される手術対象の組織を通過する仮想切断面を設定することができる。組織を含む仮想切断面との断面が作業領域を画定する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】欧州特許第２  ３８４  ７１４  Ａ１号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の課題は、作業領域を定める代替方法、及び作業領域を定める代替装置を提案することである。
【０００７】
この課題は、特許請求の範囲第１項、及び特許請求の範囲第１１項に記載の特徴によって解決される。本発明の更なる実施形態は、従属クレームによって達成される。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明により、撮像装置を使用して、ロボットがそれに固定された器具を操作できる作業領域を定める方法が提案される。その際、先ず撮像装置の視野（ｖｉｅｗｉｎｇ  ｂｏｄｙ）が撮像装置の位置決め及び／又は焦点距離の調整によって決定される。その際、視野は、撮像装置が撮像可能な空間を画定する。すなわち、視野は、撮像装置によって撮像できる全ての（反射）光線の光束によって決定される。次いで、視野の側面境界に関する幾何的データが判定され、最後に視野の側面境界に依存する空間範囲の作業領域が定められる。したがって、特定の作業領域を定めるために外科医などのユーザは、撮像装置を所望のとおりに位置決めし、及び／又は所望の焦点距離を調整し、好適には調整値を確認するだけでよい。その後、ロボットシステムの制御ユニットは画像処理装置の位置及び／又は焦点距離に応じて自動的に作業領域を判定する。撮像装置によって撮影された画像が完全にモニタに表示されると、許容される作業領域全体をモニタで監視することができる。
【０００９】
器具又はその器具のエンドエフェクタが作業領域の境界に達するようにユーザがロボットシステムを操作すると、動きは好適には自動的に停止する。この中断は基本的に境界で、又は境界までの所定の距離で行われる。器具の位置、又はエンドエフェクタの位置は、例えば撮像装置、又は別の適宜のセンサで認識可能である。
【００１０】
前記撮像装置は好適にはカメラを含むことができ、また例えば内視鏡として形成することができる。
【００１１】
前述のように、視野は撮像装置で認識可能な全ての光線によって決定される。したがって、幾何的な視野外にある対象は撮像装置によって撮影することができない。基本的に、幾何的な視野はそれぞれ使用される撮像装置の光学系に応じて異なる多くの形状を有することができる。通常は円形光学系が使用されるため、視野は一般に円錐形の形状を有している。
【００１２】
本明細書の文脈で「ロボット」とは特に、例えば電動モータなどの１つ又は複数のアクチュエータによって可動な１つ又は複数の関節アームを有する機械であると理解されたい。
【００１３】
本発明により、作業領域は好適には、少なくとも一部が、好適には全部が視野の側面境界内にある空間領域に定められる。
【００１４】
本発明の第１の実施形態では、作業領域は例えばその側面境界が視野の側面境界に対応するように定められる。したがって、その場合は、作業領域は視野の体積に一致する。視野が例えば円錐形である場合は、作業領域は円錐面によって限定される。その際、ロボット又は器具の側面移動の自由度はロボット又は器具が送られる深さ（すなわち光学系との距離）によって左右される。深さが大きくなるほど円錐の断面が大きくなり、ひいては側面移動の自由度が大きくなる。
【００１５】
本発明の第２の実施形態では、作業領域は、視野内にあり、視野の体積よりも小さい空間領域に定められる。視野が円錐形である場合、作業領域は、例えば視野内に配置された角錐形であってよい。
【００１６】
作業領域は好適には方形の横断面を有している。それによって、撮像装置で撮影した画像が表示される方形のスクリーンに作業領域を適合させることができる。作業領域は好適には、スクリーンの側方境界が同時に作業領域の境界を示すように定められる。それによって、外科医は作業領域全体をスクリーンで監視することができる。
【００１７】
作業領域を方形のスクリーンに適合させるため、例えば作業領域の特定の深さの方形の断面の対角線がこの位置の円錐形の視野の直径に対応するように、方形の断面の対角線を調整することができる。そうすれば、モニタに表示される画像の境界が作業領域の境界に対応する。
【００１８】
本発明の別の実施形態では、作業領域を仮想面を有する視野の切断線に応じて、又は切断面に応じて定めることもできよう。それによって、任意の円錐断面によって異なる作業体積を定めることができる。切断面をスクリーン上でユーザに表示することができる。以下は簡単な例である。仮想面の法線が例えば視野円錐の長手方向を示す仮想面を有する円錐形の視野の断面（より詳細にはその外表面）は、円形の切断線を生じる。そこでロボットの作業領域を、その範囲が円形の切断線に対応する円筒に限定することができる。作業領域を定めるため、ユーザは、前述のように撮像装置の位置調整（その際、仮想切断面は固定状態に保たれる）、又は仮想切断面の位置調整のいずれかができよう。あるいは、例えば角が正確に円形の切断線上にある、例えば方形の断面を有する立方形の作業領域を作成することもできよう。断面の大きさも仮想切断面を有する視野円錐の断面に依存する。
【００１９】
作業領域は例えば円錐形、角錐形、円筒形、又は立方形の形状でよく、又は別の幾何形状を有していてもよい。好適には、作業領域の形状をユーザが選択できる。
【００２０】
本発明の好ましい実施形態では、視野及び／又は選択された作業領域を、好適には、撮像装置が撮影してモニタに表示される画像内に重ね合わせる。ここで、ユーザは、視野又は作業領域を示す撮影画像、及び例えば（カラーの）線を見ることができる。
【００２１】
作業領域は基本的に深さを制限されず、また少なくとも深さの境界面の設定によってこれを制限することもできる。これは例えば、ユーザ入力を必要とせずに自動的に行うことができる。選択的に、ユーザが例えば適宜のデータを入力することによってユーザが作業領域を指定することもできよう。データ入力は、例えばロボットも制御する制御装置を用いて行うこともできる。
【００２２】
本発明の特定の実施形態では、作業領域は、光学系に対して異なる距離で配置された２つの面の間の空間領域に限定される。面とは基本的に任意の自由形状面である。好適には、境界面は平面である。深さの境界を調整するためにユーザは例えば、スクリーンに表示された画像に、１つ又は複数の境界面が通る１つ又は複数の点をマーキングすることができる。システムはこのような入力を１つ又は複数の境界面として認識し、それに対応して作業領域を限定する。
【００２３】
好適には、撮像装置の新たな位置合わせ、又は調整によって能動作業領域は初期段階では変化しない。作業領域を変更するには、外科医は好適には、例えばキー操作で適宜に入力しなければならない。あるいは、撮像装置の作業領域の位置及び／又は焦点距離を調節すれば、作業領域を自動的に適応させるようにすることもできよう。
【００２４】
選択的に、例えばあらかじめ一度定めた様々な作業領域を記憶させることもできる。この場合、必要に応じて外科医が例えばキーを押すことによって、撮像装置の位置及び／又は焦点距離を変更しなくても記憶された様々な作業領域を入れ替えることができるようにロボットシステムを設計できよう。
本発明は、視野の境界内部で画像を撮影できる撮像装置を取り付けた少なくとも１つの第１のロボットと、器具、特に手術用器具を固定した第２のロボットとを有するロボットシステムにも関する。
【００２５】
ロボットシステムは更に、一方又は両方のロボットを制御するために入力装置を含んでいる。本発明では更に、視野の境界に関する幾何的データを判定し、視野の境界に応じて、ロボットが移動でき、又はロボットがそれに固定された器具を操作できる作業領域を定める制御ユニットが備えられる。
【００２６】
本明細書の文脈で、「ロボットシステム」とは、特に、１つ又は複数のロボット操作器具、及び／又は１つ又は複数の別の機械を含むことができる１つ又は複数のロボットを有する工学システムであると理解されたい。侵襲性が最小限の手術に使用するために装備されるロボットシステムは、例えば手術用器具、又は別の器具をそれぞれ備える１つ又は複数のロボット、及び電気的に位置調整可能な手術台を含むことができる。
【００２７】
ロボットシステムの制御に適する適切な入力装置は例えば以下のようなものでよい。 ジョイスティック、マウス、キーボート、コントロールパネル、タッチパネル、タッチスクリーン、コンソール及び／又はカメラを使用する画像処理装置、並びにユーザの制御命令を把握し、対応する制御信号を生成することができる別の周知の入力装置。
【００２８】
本明細書によるロボットシステムは、好適には前述のように作業領域の深さの境界を設定する手段をも含んでいる。前記手段は好適には、１つ又は複数のロボットを制御するための入力装置の一部である。
【００２９】
撮像装置は好適には、光学的信号を電気信号に変換する画像センサを含んでいる。画像センサは例えば円形でも方形でもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
以下に添付図面を参照して本発明の実施例をより詳細に説明する。図中、
【００３１】
【図１】侵襲性が最小限の手術用ロボットシステム１の概略図である。
【図２】焦点距離が異なる場合の撮像装置の視野の概略図である。
【図３】撮像装置の先端位置が異なる場合の撮像装置の視野の概略図である。
【図４】画像上の対象の光学画像である。
【図５】側面方向と深さ側に限定された作業領域の概略図である。
【図６】作業領域をスクリーンのフォーマットに適合させる方法を示す図である。
【図７】スクリーンのフォーマットに適合するように修正された作業領域を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
図１は、例えば内視鏡などの撮像装置６を装備した第１のロボット２、及び手術用機器７が固定された第２のロボット３を含む侵襲性が最小限の手術用ロボットシステム１を示している。機器７は、例えば器官８の腫瘍を切除するためのメスを含むことができる。ここではロボット２、３は多関節ロボットアームとして形成され、各アーム部材は継手を介して別のアーム部材と可動的に連結されている。
【００３３】
ロボットシステム１は、更に、外科的侵襲が行われる患者５が乗る手術台４を含んでいる。両方のロボット２、３は、それぞれ手術台４の側面に固定され、撮像装置６及び手術用機器７は小さな人工的開口部を通して患者５の体内に挿入される。内視鏡６に組み込まれたカメラが手術を録画する。カメラで撮影された画像Ｂは、スクリーン１２に表示される。それによって外科医は、内視鏡６が正しく調整されていれば、手術の進捗をスクリーン１２で観察し、監視することができる。撮像装置６とスクリーン１２とは、鮮明な画像を生成できるように好適には３Ｄ表示可能である。
【００３４】
ロボット２、３及び／又はこれらに固定された器具６、７を制御するため、外科医が手動操作する入力装置１３が備えられる。図示した実施例では、入力装置１３は２つのジョイスティックを有する操作コンソールである。あるいは、例えばロボット２、３をジェスチャ操作を用いて制御可能な画像処理装置などの任意の別の入力装置を備えることもできよう。外科医が実行する制御命令は入力装置１３によって電気信号に変換され、制御ユニット２１によって処理される。制御ユニット２１は、外科医が望む個々の動作をロボットシステム１が実行するように、ロボット２、３の個々のアクチュエータ及び／又は器具６、７の個々のアクチュエータを制御するための適宜の調整信号を生成する。
【００３５】
ロボット支援の外科的侵襲は、特定の手術領域の周囲にある器官又は組織を損傷せずに安全が保証されなければならない比較的繊細な手術である。図示した例では、器官８が処置される。しかし器官９と１０は処置されるべきではない。器官９、１０が不慮に損傷することを避けるため、外科医は図では点線で示す作業領域Ａを定めることができる。作業領域Ａが決まった後、外科医は器具７、又はそのエンドエフェクタ１７を作業領域Ａの内部のみで動かし、又は操作することができる。外科医が機器７、又はそのエンドエフェクタ１７を不慮に作業領域Ａの外側で操作した場合は、それはロボットシステム１によって認識され、中断される。それによって、周囲の器官９、１０の不慮の損傷を避けることができる。
【００３６】
図２は、図１の患者５の体内での手術領域の拡大図を示している。その上、図２では撮像装置６の光学系の焦点距離が異なる場合の様々な視野Ｋ、Ｋ’が示されている。その際、幾何的な視野Ｋ、Ｋ’は撮像装置６によって撮影可能な全ての光線によって決定される。したがって、視野Ｋ又はＫ’の外側にある対象は撮像装置６によって撮影できない。それぞれの視野Ｋ、Ｋ’の側面境界は、参照符号１１、１１’を付した外表面である。図示した例では、撮像装置６の光学系は円形画像センサであり、したがって視野Ｋ、Ｋ’の外表面は円錐形である。
【００３７】
この実施例では、撮像装置６の光学系は、撮影対象内外へのズームイン又はズームアウトが可能である。ズーム機能は、例えば入力装置１３によって制御することもできる。第１のズーム調整は、例えば開口角ωを有する視野Ｋによって示される。外科医が患者の体内側にズームすると、すなわち焦点距離を長くすると、視野Ｋの角度ωはより小さくなる。逆に外科医が患者５の体外側にズームすると、焦点距離が短くなり、角度ωはより大きくなる。焦点距離がより短い第２のズーム調整は、例えば開口角ω’を有する視野Ｋ’によって示される。これに対応して、相互比較するために自由選択で投影される基準面Ｅ３に対して、第１の場合はより小さい半径Ｒを有するより小さい視野範囲Ｓが生じ、第２の場合はより大きい半径Ｒ’を有するより大きい視野範囲Ｓ’が生じる。これらの両方の視野範囲は、理論上、可能である。しかし実際には、視野Ｋ、Ｋ’の外表面１１が器官と交差する場合には、視野範囲Ｓは側面に限定される。図２から明らかなように、外表面１１が器官８と交差し、外表面１１’が器官９及び１０と交差している。これに対応して、実際の視野範囲Ｓ又はＳ’が生じる。すなわち、視野範囲Ｓ、Ｓ’は機器６を用いて患者５体内のどの程度の深部まで目視できるかによっても計算される。視野Ｋ’は器官８によって側面が制限されず、器官８を無視できるため、患者５体内のより深部まで目視できることによって、視野範囲Ｓを有する視野Ｋと比較してより広い視野範囲Ｓ’が得られる。
【００３８】
幾何的な視野Ｋ又はＫ’は、基本的に異なる形状を有することができる。しかし、通常は円形の光学系が使用されるため、光学系は一般的には図示のように円錐形の形状を有している。
【００３９】
特定の作業領域Ａ、Ａ’を選択するため、外科医は撮像装置６の焦点距離を変更することによって、より広い視野領域Ｓ、又はより狭い視野領域Ｓを選択することができる。その際に生じる視野Ｋ、Ｋ’の形状は許容作業領域Ａ、Ａ’の形状を決定する。所望の調整を行った後、外科医は入力することによって調整を確認しなければならない。そのために外科医は、入力装置１３のキーを操作する、又は音声命令を発する、あるいは例えばマウスでソフトウエアアプリケーションに入力することができる。入力がなされた後、ロボットシステム１は、行われた視野Ｋ又はＫ’の調整に応じて作業領域Ａ、Ａ’の側面の境界を自動的に定める。視野Ｋの場合は、作業領域Ａ、Ａ’を視野Ｋの境界１１内にある空間領域に自動的に定めることができる。本発明の特定の実施形態では、作業領域Ａの側面の境界は視野Ｋの境界１１に対応する。視野Ｋ’についても同様である。それによって側面境界を視野Ｋの外表面、又は視野Ｋ’の外表面によって定めることができる。あるいは、作業領域Ａ、Ａ’は、機能的に視野Ｋ、Ｋ’の形状に左右される別の形状を有することもできよう。
【００４０】
図２から明らかなように、それに加えて作業領域Ａ、Ａ’は深さ、すなわち視野Ｋの中心ビーム２２の方向に延びるｚ軸に限定される。図示した実施例では、作業領域Ａ、Ａ’は上端部又は下端部でそれぞれ断面Ｅ１又はＥ２によって限定されている。選択的に、作業領域Ａ、又はＡ’は任意の３次元自由形状面によって制限されることもできよう。
【００４１】
作業領域Ａ、Ａ’の深さ限界、及び／又は高さ限界を調整するため、外科医は例えば適宜の距離値ｅ１及び／又はｅ２を入力することができる。距離値ｅ１、ｅ２は例えば基準点Ｐ、この場合は撮像装置６の遠端部に関連する値であってよい。このように、平面Ｅ１によって、その上方では機器７、又はエンドエフェクタ１７で手術できない高さ限界を定めることができ、また平面Ｅ２によって、その下方では機器による侵襲が防げられる深さ限界を定めることができる。あるいは、外科医は、深さ限界、又は高さ限界の位置を設定するためにスクリーン１２に表示される画像の特定の位置をクリックすることもできよう。更に、専門家が難なく実施できる深さ限界、又は高さ限界を調整する別の多くの可能性がある。
【００４２】
所望の作業領域Ａ、Ａ’の調整後、外科医は手術を開始することができる。手術の経過中に作業領域Ａ、Ａ’を変更したい場合は、例えば光学系の焦点距離を調節し、及び／又は境界面Ｅ１、Ｅ２をずらすことによって変更することができる。外科医は更に、図３を参照して以下により詳細に説明するように、撮像装置６の位置を変えることもできよう。作業領域Ａ、Ａ’の大きさは、それぞれの変更後に基本的に自動的に適応させることができ、さらに、外科医が変更を確認するための入力も必要になることがある。
【００４３】
図３は、図２の方法の代わりに、又は補足として使用できる作業領域Ａ、Ａ’’の別の調整方法を示している。図３には図２と同じ患者５の体内の手術領域が示されている。撮像装置６は、視野ＫまたはＫ’’内の画像を再び撮影する。この場合、視野Ｋ、Ｋ’’の位置は撮像装置の位置をｚ方向に調整することによって変更される。撮像装置６が患者の体内により深くまで挿入されると、従属する視野Ｋは更に下方へとシフトする。逆に撮像装置６が患者から外側に引き出されると（参照符号６’’で示す）、従属する視野Ｋ’’は更に上方にシフトする。その際、開口角ω、又はω’’は同一のままに留まる。
【００４４】
したがって外科医は、撮像装置６を処置される器官８に近づけたり遠ざけたりすることによって作業領域Ａ、Ａ’’の位置を変更することができる。図示した例では、作業領域Ａは器官８、及び器官１０の一部を含んでいる。それに対して、器官９は作業領域Ａの外側にある。それに対して、作業領域Ａ’’は器官９の一部をも含むため、この器官の処置も可能である。
【００４５】
図２及び図３に示される例から、外科医が所望に応じて撮像装置の焦点距離、及び／又は位置を調整することによって作業領域Ａ、Ａ’、Ａ’’を決定できることが明らかになる。作業領域Ａ、又は少なくともその一部は外科医に対して、好適にはスクリーン１２に表示される。
【００４６】
撮像装置６の新たな位置合わせ、又は調整により、能動作業領域Ａは好適にはすぐには変化しない。作業領域Ａを変更するには、外科医は好適には、例えばキー操作などの適宜の入力を行わなければならない。あるいは、撮像装置６の位置、及び／又は焦点距離を調節すると作業領域Ａが自動的に適応されるようにすることもできよう。
【００４７】
選択的に、例えばあらかじめ一度定められた様々な作業領域Ａ、Ａ’、Ａ’’を記憶させることもできよう。この場合、例えばキーを押すことによって外科医は必要に応じて、撮像装置６の位置、及び／又は焦点距離を変更する必要なく、記憶された様々な作業領域Ａ、Ａ’、Ａ’’を入れ替えるようにロボットシステム１を設計することができよう。
【００４８】
特定の作業領域Ａ、Ａ’、Ａ’’を選択するために、外科医は撮像装置６の位置を変更すると共に、撮像装置６の焦点距離を変更することができる。例えば、外科医は最初のステップで先ず撮像装置６を位置決めし、次いで焦点距離を変更することができよう。本発明によるロボットシステム１は更に、作業領域Ａが閉鎖体積を示しているかどうかをチェックする、すなわち視野Ｋの深さを限定する平面Ｅ１又はＥ２の少なくとも一方が画定されたかどうかをチェックする検定装置をも含んでいる。好適には、閉鎖体積が定められない限り、外科医はロボット３を制御することができない。好適には、例えば視覚的表示、又は音響的表示によってユーザにエラー状態が報知される。
【００４９】
視野円錐Ｋ、Ｋ’、Ｋ’’のそれぞれに含まれるものは、撮像装置６によって直接撮影され、モニタ１２で画像Ｂとして外科医に表示される。そこで外科医は、所望に応じて視野円錐、又は作業領域を適応させることが可能である。外科医は撮像装置６の位置決めを行った後、例えば先ず角度ω’を想定することができる。図２が示すように、従属する視野円錐Ｋ’には、不慮の外科的侵襲から防護すべき器官９、１０も入り込んでいる。外科医が視野円錐Ｋ’を妥当な作業領域Ａであると規定すると、それによって例えば外科医が機器７を器官８の側面で制御する場合に器官９、又は器官１０が損傷する危険が生じるであろう。したがって、外科医は、撮像装置６で補足的に患者の体内にズームインすることによって作業領域を更に限定することができる。それによって、例えば視野円錐Ｋ’の角度ω’を角度ωに更に縮小して、付属する視野円錐Ｋから器官９を完全に除外することができる。更に、器官１０が器官８で隠されるように器官１０に関する視野円錐Ｋを制限することができる。すなわち、外科医は、機器７を不慮に器官８の側面で操作しても器官１０を損傷させないようにすることができる。
【００５０】
図４は、これに関連してレンズ２３による対象の画像Ｂへの結像を概略的に示している。但し、
【００５１】
【数１】
2016531008.tif 000003
であり、画像幅はｂ、対象の幅はｇである。
【００５２】
但し、Ｒはレンズ２３からの距離ｇにある視野領域Ｓの半径を示している。但し、
【００５３】
【数２】
2016531008.tif 000004
であり、ｆは焦点距離である。
【００５４】
画像Ｂは、光学的信号を対応する電気信号に変換する画像センサ２０によって撮影される。画像センサ２０は、視野Ｋの視野領域Ｓを完全に捉えることができるように、例えば円形に形成することができる。選択的に、従来のカメラで一般的に使用されている方形の画像センサ２０を使用することもできよう。画像センサ２０によって撮像された画像Ｂは、最終的にはスクリーン１２に表示される。
【００５５】
図５は、従属する作業領域を有する円錐形の視野Ｋの斜視図を示している。作業領域Ａは側面が視野円錐Ｋの外表面１１によって限定されている。作業領域Ａの深さと高さとは２つの平面Ｅ１又はＥ２によって限定されている。したがって、全体として円錐台形状の閉鎖作業領域Ａが生じる。その際、好適にはＥ１は機器７又はエンドエフェクタ１７の操作がその上方では許容されない平面を画定し、Ｅ２は機器７又はエンドエフェクタ１７の操作がその下方では許容されない平面を画定している。しかし本発明では、必ずしも両方の平面を画定する必要はない。両方の平面Ｅ１又はＥ２の一方だけを画定することもできる。
【００５６】
図６は、作業領域Ａをスクリーン１２のフォーマットへの適合を説明するために、スクリーン１２、及びその上に表示された画像Ｂを示している。図示のように、円形画像Ｂはスクリーン１２の方形の表示範囲内に適合されているため、スクリーン１２のスクリーン面全体を画像Ｂの表示用に利用できる。この場合はスクリーンの対角線１５は画像Ｂの直径に対応している。それによって、スクリーン１２の表示範囲全体を利用できるが、表示範囲外にある画像Ｂの部分１６は表示することができない。例えば図５に示されるように、作業領域Ａが円錐形である場合は、外科医は作業領域Ａを完全には監視できないであろう。したがって本発明の特定の実施形態では、作業領域Ａはスクリーンのフォーマットに適合される。そのために、視野Ｋに対応する作業領域Ａはスクリーン１２に表示できない領域１６の分だけ制限されている。したがって、円錐形の作業領域Ａは、例えば図７に示されているように角錐形の作業領域Ａ*を生じる。その際、角錐形の作業領域Ａ*は、作業領域Ａ*の垂直に延びる外縁１４が円錐形の視野Ｋの外表面１１上に位置するようなサイズにされる。更に、画像Ｂの直径は好適にはスクリーンの対角線１５に対応する。
【００５７】
スクリーン１２の画像フォーマットが判明している場合は、スクリーン１２のフォーマットへの作業領域Ａの適合を自動的に行うことができる。フルＨＤモニタの場合は、例えば１９２０ｘ１０８０画素のフォーマットを自動的に認識することができる。修正された作業領域Ａ*を使用すると、第１に、外科医が手術できる利用可能な作業領域全体を目視することができ、第２に外科医がスクリーン１２で監視できないが手術できる領域が存在しなくなるという利点が得られる。図７から明らかなように、修正された作業領域Ａ*は、１つ又は複数の平面Ｅ１、Ｅ２によっても深さ範囲、又は高さ範囲を限定することができる。
【図１】
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【図２】
2016531008.tif 000006
【図３】
2016531008.tif 000007
【図４】
2016531008.tif 000008
【図５】
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【図６】
2016531008.tif 000010
【図７】
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【手続補正書】
【提出日】平成28年2月8日(2016.2.8)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロボットがこれに固定された器具又はそのエンドエフェクタを操作可能であることにより作業領域を定める方法であって、
撮像装置の位置決め、及び／又は前記撮像装置の焦点距離の調整により前記撮像装置が撮影できる視野を定める工程と、
前記視野の境界に関する幾何的データを判定する工程と、かつ、
前記視野の境界に応じて作業領域を定める工程と、を含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記作業領域は、少なくとも一部が前記撮像装置の前記視野の前記境界内にある空間領域に定められることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記作業領域が、その側面境界が前記視野の側面境界に対応するように定められることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記作業領域が、前記視野の側面境界内にあり、前記撮像装置で撮像された画像が表示されるスクリーンのフォーマットを有する方形断面を有する空間領域に定められることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記方形断面の特定の位置での対角線が、この位置での前記視野の直径に対応することを特徴とする、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記作業領域は円錐形、角錐形、円筒形、又は立方形であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記作業領域は深さが限定されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記作業領域は前記深さのユーザ設定に応じて限定されることを特徴とする、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記作業領域の深さは、２つの平面の間に配置された空間領域で限定されることを特徴とする、請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
前記平面は平面であることを特徴とする、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
視野の境界内で画像を撮影可能な少なくとも１つの第１のロボットが撮像装置に取り付けられ、第２のロボットが器具、特に手術用器具に取り付けられたロボットシステムであって、該ロボットシステムは、ロボットの一方、又は両方を制御可能にする入力装置を含み、ここで、制御ユニットは、前記視野の前記境界に関する幾何的データを判定し、前記撮像装置の前記視野の前記側面境界に応じた作業領域を定めるように設けられることを特徴とするロボットシステム。
【請求項１２】
前記制御ユニットは、少なくとも一部が前記撮像装置の前記視野の境界内にある作業領域を定めることを特徴とする、請求項１１に記載のロボットシステム。
【請求項１３】
前記作業領域の深さ境界を設定する手段を備えることを特徴とする、請求項１１に記載のロボットシステム。
【国際調査報告】
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