(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
操作者が操作指令を入力するために操作する操作手段と、
処置具が設けられ且つ制御指令に基づいて動作するマニピュレータと、
前記マニピュレータの動作を観察する観察手段と、
前記観察手段で観察したマニピュレータの映像を画面に表示する表示手段と、
前記操作手段および前記マニピュレータの位置姿勢を計測する位置姿勢計測手段と、
前記マニピュレータの動作を制御する制御装置とを備えた手術支援装置において、
前記制御装置は、前記操作手段で入力された操作指令と前記位置姿勢計測手段で計測された前記操作手段、前記マニピュレータおよび前記観察手段のそれぞれの動作の基点となる位置を原点とした座標系で表す位置姿勢とに基づいて、前記操作手段の操作方向と前記観察手段で観察されて前記表示手段に表示されたマニピュレータの処置具の映像の動作方向とを一致させる制御指令を生成する変換部を有することを特徴とする手術支援装置。
【請求項２】
請求項１において、前記制御装置は、前記マニピュレータを観察する観察手段の姿勢を前記観察手段に観察される前記マニピュレータの姿勢に一致させる座標変換行列を有し、操作手段に入力される操作方向と前記座標変換行列とから前記観察手段で観察されるマニピュレータの処置具の動作方向を算出する算出部を有することを特徴とする手術支援装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、手術支援装置に係わり、特にマニピュレータを操作手段により操作する手術支援装置に好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の手術支援装置として、特開平７−３２８０１６号公報（特にその図２７および図２８を参照した第８実施例の説明）に示されているように、操作者が操作する操作手段と、操作手段の操作に基づいて動作するマニピュレータと、マニピュレータの動作を観察する観察手段と、観察手段で観察したマニピュレータ映像を表示する表示手段と、マニピュレータの動作を制御する制御装置とを備え、観察手段によりマニピュレータを観察し、また、表示手段の画面内にマニピュレータの先端に設定されたツール座標系をスーパインポーズさせ、操作手段にはツール座標系の座標軸に対応して移動させる機能を設けるようにしたことにより、表示手段の画面内に表示されるツール座標系を見ながら種々の操作手段によりそれの操作を容易にできるようにしたものがある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、手術中の患者の姿勢は、体格や治療部位、患部および患部周辺の状況などにより個人差がある。治療にマニピュレータを用いる場合、マニピュレータを患者に対してどのような位置に配置するか、どのような姿勢で患部にアプローチするかは、患者との干渉を避け、周囲の臓器との干渉を避け、安全にかつ作業しやすい姿勢となるように決定されるため、患者ごとにマニピュレータの配置および姿勢が異なることになる。
【０００４】
また、手術室内には様々な器具が置かれ、大勢のスタッフが手術室内を動き回りながら手術をサポートすることが多い。このため、マニピュレータを操作するための操作手段は、手術室内で患者および他の医療器具、医療スタッフの作業の邪魔にならない場所に配置されると共に、手術に対応して配置場所が変更できることが望まれる。
【０００５】
操作手段を用いてマニピュレータを操作する場合、操作手段を操作した方向とマニピュレータが動作する方向とがずれていると、操作者の意図を正確に反映したマニピュレータの動作を実現することが困難であり、操作する方向と動作する方向が手術ごとに変ってしまうような状況では、操作者の負担が大きくなり、安全で効果的な治療の実現が難しい。
【０００６】
マニピュレータに装備する処置具が治療する様子を肉眼で確認しながらマニピュレータを操作する場合と、内視鏡などの観察手段を用いて画像情報を表示手段に表示して治療および動作の様子を確認しながらマニピュレータを操作する場合がある。
【０００７】
特に近年では、患者の肉体的な負担を低減するために、患者の身体に小さな切開部を設け、そこから術具や内視鏡を挿入し、患部の様子および術具の様子を内視鏡の画像で確認しながら治療を行なう術式が広まっている。マニピュレータを用いる治療においても同様に、小さな切開部からマニピュレータを挿入し、内視鏡画像を参照しながら操作して治療を行なう術式が患者の肉体的負担を低減するためには好ましい。
【０００８】
このような状況下で、患者に対するマニピュレータの配置、複数のマニピュレータの相対関係、内視鏡とマニピュレータとの相対関係などが患者ごとに異なり、マニピュレータとそれを操作する操作手段の相対関係も異なるようにすることが望ましい。そして、操作者の操作で動作するマニピュレータを備えた手術支援装置おいて、表示手段に表示される画像でマニピュレータと患部の様子を観察しながら、術者の意志を正確に反映したマニピュレータの動作を容易に実現できることが望ましい。
【０００９】
ところが、上述した従来技術では、表示手段に表示されるマニピュレータ映像の先端に設定されたツール座標系を見ながら操作手段により操作できることが示されているが、このツール座標系と操作手段の座標系とが当該公報の図２８に示されているように異なるため、操作手段の操作方向に一致してマニピュレータ映像を動作させることができなかった。換言すれば、当該公報に記載されたものでは、観察手段、マニピュレータ、操作手段、表示手段などがそれぞれ任意に置かれた場合に、表示手段に表示されるマニピュレータ映像の動作方向と操作手段を操作する方向とを一致させることには配慮が為されていなかった。
【００１０】
このため、係る従来技術では、操作手段、マニピュレータ、観察手段などの構成要素が任意に配置される環境での操作性に問題があった。
【００１２】
本発明の目的は、マニピュレータおよび操作手段を任意の場所に配置しても表示手段を見ながら操作手段を容易に操作でき、安全性、作業性および操作性に優れた手術支援装置を提供することにある。
【００１４】
なお、本発明のその他の目的と有利点は以下の記述から明らかにされる。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するための本発明の手術支援装置は、操作者が操作指令を入力するために操作する操作手段と、処置具が設けられ且つ制御指令に基づいて動作するマニピュレータと、前記マニピュレータの動作を観察する観察手段と、前記観察手段で観察したマニピュレータの映像を画面に表示する表示手段と、前記操作手段および前記マニピュレータの位置姿勢を計測する位置姿勢計測手段と、前記マニピュレータの動作を制御する制御装置とを備えた手術支援装置において、前記制御装置は、前記操作手段で入力された操作指令と前記位置姿勢計測手段で計測された前記操作手段、前記マニピュレータおよび前記観察手段のそれぞれの動作の基点となる位置を原点とした座標系で表す位置姿勢とに基づいて、前記操作手段の操作方向と前記観察手段で観察されて前記表示手段に表示されたマニピュレータの処置具の映像の動作方向とを一致させる制御指令を生成する変換部を有する構成にしたことにある。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図に基づいて説明する。
【００１９】
まず、本実施例の手術支援装置の全体構成を図１を参照しながら説明する。図１は本発明の一実施例を示す手術支援装置の斜視図である。
【００２０】
手術支援装置は、操作者が操作指令を入力するために操作する操作手段８、９と、制御指令に基づいて動作するマニピュレータ３〜５と、マニピュレータ４、５の動作を観察する観察手段６と、観察手段６で観察したマニピュレータ映像を画面に表示する表示手段１０と、操作手段７〜９（操作手段７は図２参照）およびマニピュレータ３〜５の位置姿勢を計測する位置姿勢計測手段１４と、マニピュレータ３〜５の動作および表示手段１０の表示を制御する制御装置３２（図２参照）とを備えて構成されている。
【００２１】
マニピュレータ３の先端には内視鏡のように画像情報の提供が可能な観察手段６が設けられ、マニピュレータの一部として構成されている。マニピュレータ４、５の先端には術具のような処置具１１、１２が設けられている。マニピュレータ４、５は手術台２に横たわる患者１の患部に対して処置可能に配置されている。マニピュレータ３は患部の様子や処置具１１、１２の様子が観察できるように配置されている。本実施例では、マニピュレータ３が患者の頭部側に配置されると共に、マニピュレータ４、５が患者の両側に配置されている。
【００２２】
操作者が操作する操作手段８、９と、観察手段６が得た情報を画面に表示可能な表示手段１０と、が操作卓１３に設けられている。操作手段８はマニピュレータ４の動作を制御するものであり、操作手段９はマニピュレータ５の動作を制御するものである。この両者８、９は操作卓１３上に並置されている。そして、表示手段１０は操作手段８、９に対向するように操作卓１３上に設置されている。本実施例では、操作卓１３は患者の足元側に配置されている。
【００２３】
各マニピュレータ３〜５、操作手段７〜９および表示手段１０の位置姿勢を計測するための位置姿勢計測手段１４は、それぞれの装置の計測が可能な場所に配置されている。本実施例では、位置姿勢計測手段１４は患者の頭部側に配置されている。この位置姿勢計測手段１４が計測対象の位置姿勢を計測するための補助部品である識別手段１５は、それぞれの計測対象であるマニピュレータ３〜５、表示手段１０、操作手段７〜９に設けられている。したがって、識別手段１５は位置姿勢計測手段の一部を構成する。
【００２４】
同調指示手段２１は、操作手段７〜９からの操作指令をマニピュレータに伝えることを指示するためのものであり、操作者が操作可能な場所に配置されている。本実施例では、一例としてスイッチを用いた同調指示手段２１を示している。
【００２５】
マニピュレータ３〜５のそれぞれの相対的な配置の関係は任意に設定可能である。操作卓上の表示手段１０および操作手段８、９の配置も任意に設定可能であり、これらはマニピュレータの配置との関係においても任意に設定可能である。すなわち、これらマニピュレータ３〜５、表示手段１０、操作手段８、９および操作卓１３の配置は自由に変更可能である。
【００２６】
観察手段６および処置具１１、１２の位置姿勢はマニピュレータ３〜５によって制御される。操作者は表示手段１０に表示されるマニピュレータ４、５やその先端の処置具１１、１２を見ながら操作手段８、９を操作し、操作手段８、９に入力された指示を元にマニピュレータ４、５が動作して、患部を処置する。マニピュレータ３は別の操作手段７からの指示によって観察手段６の位置姿勢を制御可能である。
【００２７】
次に、手術支援装置の制御構成を図２を参照しながら説明する。図２は図１の手術支援装置の制御ブロック図である。
【００２８】
操作手段７〜９、同調指示手段２１および位置姿勢計測手段１４は、制御装置３２に信号伝達可能に接続されている。これによって、操作手段７〜９、同調指示手段２１および位置姿勢計測手段１４から制御装置３２に操作情報、同調情報および計測結果情報が入力される。また、マニピュレータ３〜５および表示手段１０は、信号伝達可能に制御装置３２に接続されている。これによって、制御装置３２からマニピュレータ３〜５および表示手段１０に制御情報が出力される。制御装置３２はマイクロコンピュータなどのコンピュータにより構成されている。
【００２９】
制御装置３２内で実行される制御プログラムは、変換行列算出部２４と、操作同調制御部３４と、座標変換部３５とを有して構成されている。変換行列算出部２４は、位置姿勢計測手段１４からの計測結果情報２３に基づいて、操作方向から動作方向を算出するための変換行列を算出する手段である。同調制御部３４は、操作手段８、９の指示に従い、マニピュレータ４、５を動作させるかどうかを場合分けする手段である。座標変換部３５は、変換行列算出部２４で算出した変換行列を用いて、操作方向から動作方向を算出する手段である。
【００３０】
位置姿勢計測手段１４から得られる計測結果情報２３は変換行列算出部２４に入力され、変換行列算出部２４からの出力である座標変換行列は座標変換部３５に入力される。操作手段７〜９からの操作情報３１はマニピュレータ３〜５を動作させるか否か場合分けする同調制御部３４に入力され、同調制御部３４からの出力は座標変換部３５に入力される。座標変換部３５からの出力である動作方向に関する制御情報３６はマニピュレータ４、５に入力される。制御装置３２内での接続は電気信号および制御プログラム内の変数受け渡しとして構成されることになる。
【００３１】
図１および図３を参照しながら各マニピュレータ３〜５、操作手段８、９および表示手段１０の位置姿勢について説明する。図３は処置具および観察手段の座標系の説明図である。
【００３２】
各マニピュレータ３〜５の姿勢は、それぞれ動作の基点となる位置を原点とした座標系ΣＳ１７で定義する。観察手段６の姿勢は、観察手段６の先端で観察する視野内の空間を座標系ΣＥ１９で定義する。操作手段７〜９の姿勢は、操作の基点となる位置を原点とした座標系ΣＭ２０で定義する。表示手段１０姿勢は、表示手段１０の表示面の向きとして、表示面を基点とした座標系ΣＤ１８で定義する。なお、マニピュレータ３〜５、観察手段６、操作手段７〜９、表示手段１０がそれぞれ複数ある場合は、それぞれの姿勢をそれぞれの座標系で定義する。
【００３３】
各座標系の軸方向を、実施例の説明上、図１、図３に示すように仮定する。つまり、座標系ΣＳでは、マニピュレータの長手方向をＺＳ方向、鉛直上方をＹＳ方向、ＺＳ方向を向いて右側をＸＳ方向と定義する。座標系ΣＭでは、操作手段の奥行き方向をＺＭ方向、鉛直上方をＹＭ方向、ＺＭ方向を向いて右側をＸＭ方向と定義する。座標系ΣＥでは、観察手段６の長手方向、つまり、撮影する画像の奥行き方向をＺＥ方向、ＺＥ方向を向いて視野の上方をＹＥ方向、ＺＥ方向を向いて視野の右方向をＸＥ方向と定義する。座標系ΣＤでは、表示手段１０の画面奥をＺＤ方向、画面上方をＹＤ方向、画面右方向をＸＤ方向と定義する。座標間の回転行列が得られれば結果として同じになるので、座標系の軸方向の定義は上記とまったく同じでなくともよい。
【００３４】
図１の表示手段１０の画面内に示した座標系は観察手段６の視野内に投影した座標系ΣＥ１９の向きを示している。この実施例では視野内に投影した座標系ΣＥ１９と座標系ΣＤの各座標軸の向きは一致している。
【００３５】
各マニピュレータ３〜５の運動学を解くことによって、それぞれの先端に装備した観察手段６および処置具１１、１２の、各座標系ΣＳにおける位置姿勢を特定することが可能である。運動学を用いてそれぞれのマニピュレータ３〜５の座標系ΣＳにおける先端の位置姿勢を特定するのは通常行なわれる一般的な手法である。
【００３６】
観察手段６および処置具１１、１２を特定の方向に動作させるためのマニピュレータ３〜５の各自由度の動作方向および動作量は、各マニピュレータ３〜５の逆運動学を解くことによって、算出することが可能である。マニピュレータ先端に意図する動作を実行させるために、逆運動学を用いて、各自由度の動作方向および動作量を算出することが可能である。
【００３７】
各マニピュレータ座標系ΣＳ１７の空間における三次元的な位置姿勢は、位置姿勢計測手段１４の一例である三次元位置計測装置（三次元運動計測装置とも呼ばれる）を用いることで計測可能である。その計測の方式は、既知のパターンで配置された複数の発光体を有するマーカーセットを識別手段１５として、マニピュレータ３〜５を操作することによっても動作しないマニピュレータ３〜５の座標原点などの基点に取付け、三次元位置計測装置１４がある位置からそれぞれの発光体を計測し、複数の発光体の配置から識別手段１５の位置と姿勢を算出する方法である。これにより、識別手段１５の位置姿勢を特定し、ひいてはマニピュレータ座標系ΣＳの位置姿勢を算出することが可能となる。なお、発光体の代わりに反射体を用いてもよい。
【００３８】
図４を参照しながら識別手段１５の取付例を説明する。図４は識別手段の取付例を示す分解斜視図である。図４では計測対象をマニピュレータ３として説明を行なうが、他の計測対象も同様の取付構成である。
【００３９】
マニピュレータ３は識別手段１５を所定の位置姿勢に固定するための装備部２２を有する。識別手段１５は複数の発光体１６９が識別部材１６８に固定されてなる。識別手段１５と装備部２２の間に挟まれて結合される部位を中間リンク部と呼ぶことにする。
【００４０】
マニピュレータ３の一部を構成する装備部２２には複数の凸部１５５が設けられている。これらと結合される結合部材１５１には、凸部１５５と嵌め合う複数の凹部１５６が設けられている。凸部１５５と凹部１５６とが一つの場合は、上下左右が非対称となる形状とすることが好ましい。凸部１５５と凹部１５５が複数ある場合は、それらを異なる形状として、結合時に表裏を間違えた結合を防ぐことが好ましい。また同形状の凹凸である時は、三つ以上の凹凸を設け、組み合わせになる凹凸の組同士の間の距離を変えることで、結合時の間違いを防ぐことができる。結合した時の位置と姿勢が一意に決まる形状であれば、図４で示したような凹凸形状でなくてもかまわない。そして、結合部材１５１は、凸部１５５に凹部５６を嵌め合わせた後に、止めねじ１５４で装備部２２に固定される。
【００４１】
識別手段１５を固定するための固定部材１６４は結合部材１５１と回転自由に結合される。固定部材１６４はギア部１６３を一体的に有している。この固定部材１６４の回転を計測するための角度センサ１６１は装備部２２あるいは結合部材１５１に固定されている。角度センサ１６１はギア部１６３と噛み合う計測ギア１６２を有している。固定部材１６４および識別部材１６８は装備部２２および結合部材１５１の凹凸構造と同様の凹凸構造を有している。すなわち、固定部材１６４には複数の凸部１６５が設けられ、識別部材１６８にはこれらに合致する凹部１６６が設けられている。この凹凸構造は、上述した装備部２２と結合部材１５１とが噛み合う凹凸構造と同様に、位置姿勢を一意に決定できるよう、その形状および対になる凹凸の間の距離を変えるなどすることが好ましい。固定部材１６４の凸部１６５に識別手段１５の識別部材１６８の凹部１６６を嵌め合わせた後に止めねじ１６０を識別部材１６８のねじ穴１５８に合わせて固定する。
【００４２】
これにより、識別手段１５の発光体１６９が陰になって計測しにくい時は、識別手段１５の向きを位置姿勢計測手段１４が計測するのに適した向きに調節可能となり、その回転角度を角度センサ１６１で計測できるので、位置姿勢計測手段１４が計測した結果と角度センサ１６１の検出結果により、装備部２２つまりマニピュレータ３の座標系ΣＳの向きを特定することが可能となる。これは、識別手段１５の向きを計測に適した姿勢に向けても、常にマニピュレータの位置姿勢を計測可能なため、マニピュレータ３の配置の自由度が向上する。
【００４３】
上記の例では、中間リンク部の自由度を回転自由度として説明したが、識別手段１５の姿勢を調節可能としかつその調節量を計測可能とすれば、回転自由度でも並進の自由度でも、あるいはこれらをそれぞれ一つ以上組み合わせた構成でも、物陰から計測しやすい姿勢へと識別手段１５を調整できれば同様の効果が期待できる。装置の配置によって、自由度の構成を決定すればよい。
【００４４】
また、装置間の重なりなどがない場合は、識別手段１５を直接マニピュレータ３に固定してもよい。この場合、装備部２２と中間リンク部との間に設けた嵌め合わせの形状と、識別手段１５と中間リンク部との間に設けた嵌め合わせの形状を同一にすれば、識別手段１５を直接に装備部２２に取付けることも、間に中間リンク部を挟んで取付けることも自由に選択可能である。識別手段１５および中間リンク部は着脱自在であるため、不要になった時や治療の邪魔になる時は、取り外すことも可能である。さらには、計測が終了した時に、中間リンク部を動かして、識別手段１５が治療の邪魔にならない場所に向きを変えることも可能である。
【００４５】
係る識別手段１５を用いて測定した位置姿勢計測手段１４からの情報は、制御装置３２へ経時的（例えば定期的）に送信される。角度センサ１６１は制御装置３２に信号伝達可能に接続されており、角度センサ１６１で検出した情報も位置姿勢計測手段１４と同様に制御装置３２へ経時的（例えば定期的）に送信される。位置姿勢計測手段１４や角度センサ１６１と制御装置３２との間の接続をコネクタなどを用いて行なうことで制御装置とこれらとの間で着脱自在となり、不要な場合はコネクタを外すことも可能となる。
【００４６】
上述した手術支援装置の構成により、任意に配置された各マニピュレータ３〜５の相対的な位置姿勢の関係および、各マニピュレータ３に装備した観察手段６とマニピュレータ４、５の先端に装備した処置具１１、１２とのそれぞれの相対的な関係を明らかにすることができる。つまり、各手段の座標の向きと、座標間の軸方向のずれ、座標間を写像する回転行列を算出することができる。
【００４７】
また、（回転行列の算出法を書く）操作手段８、９と表示手段１０との間の相対関係も同様の手法で計測し、明らかにすることができる。なお、マニピュレータ３〜５の位置姿勢を計測した位置姿勢計測手段１４とは別の位置姿勢計測手段を用いて、操作手段８、９と表示手段１０との間の相対関係を計測し、マニピュレータの位置姿勢の情報と同様に制御装置３２へ情報を入力あるいは送信するようにしてもよい。
【００４８】
ここで、座標系ΣＭから座標系ΣＤへ写像する回転行列をＣＭＤ（図示せず）とし、座標系ΣＤと表示手段１０の画面内に投影された座標系ΣＥの各軸の向きを合わせる回転行列をＣＤＥ（図示せず）とし、座標系ΣＥと座標系ΣＳの各軸の向きを合わせる回転行列をＣＥＳ（図示せず）とすると、
操作者が操作手段８、９を用いて行なった操作方向を、回転行列ＣＭＤ、ＣＤＥ、ＣＥＳを用いて座標変換し、座標系ΣＤおよび座標系ΣＳでの操作方向を算出する。算出した座標変換後のこれらの操作方向を制御指令として、表示手段１０およびマニピュレータ４、５の動作を制御する。ただし、この実施例では表示手段１０の画面内に投影された座標系ΣＥと座標系ΣＤの各軸の向きが一致するため、回転行列ＣＤＥは単位行列となる。
【００４９】
上記のような座標変換行列の取り方とその座標変換行列を用いた動作方向の算出方法に基づく制御により、操作者が操作手段８、９を操作した方向が、表示手段１０に提供される画面内に映される空間での動作方向に変換され、さらに処置具１１、１２がその方向に動く様にマニピュレータ４、５の動作方向が算出されるため、表示手段１０に映る処置具１１、１２の動作方向を、操作手段８、９で操作した方向に一致させることが可能になる。
【００５０】
つまり、マニピュレータ４、５同士の相対関係、マニピュレータ３〜５と操作手段８、９の相対関係、あるいは処置具１１、１２と観察手段６の相対関係に係らず、操作手段８、９を画面に向かって右に動く様に操作すれば、画面内の処置具１１、１２は右に動き、画面奥に操作すれば、画面内の処置具１１、１２は画面奥に動作する。まさに、手元の動きと、モニタ内の処置具１１、１２の動きが同じ方向に同期するので、手元で実際に処置具１１、１２を持って操作しているように、画面内の処置具１１、１２が制御される。
【００５１】
同調制御部３４では、同調指示手段２１から同調実行の信号を受けている間は常にマニピュレータ３〜５を操作情報に従い制御し、同調実行の信号が途切れた後は、操作手段７〜９からの操作情報の伝達を停止させるように構成されている。なお、信号が入力されている間は同調を切り、信号入力が途切れている間のみ、同調を実行するようにしてもよく、あるいは、同調指示手段２１から信号が入力されるたび、同調実行か否かを切替えるように制御を行なってもよい。同調制御部３４は、各回転行列を用いて操作方向からマニピュレータの動作方向を算出する座標変換部３５の前に構成されても、後に構成されてもかまわない。
【００５２】
次に、具体的な制御動作を図５を参照しながら説明する。図５は手術支援装置の制御動作を示すフローチャート図である。
【００５３】
まず、操作手段８、９の位置姿勢を周期的に検出する（ステップ４０）。そして、前回の検出時からの位置姿勢の変化量を算出し、操作手段８、９に入力された操作指令（操作方向と操作量）を算出する（ステップ４１）。このとき算出される座標系ΣＭにおける操作方向をベクトルＭと呼ぶ。
【００５４】
次いで、同調実行が指示されているかをチェックし（ステップ４２）、これが指示されていない場合は、ステップ４０に戻ってマニピュレータ３〜５を動作させない。同調実行が指示されている場合は、位置姿勢計測手段１４の計測結果情報２３の変更があれば座標変換行列の更新を行なう（ステップ４３）。
【００５５】
次いで、最新の計測結果情報に基づいて算出された回転行列ＣＭＤ、ＣＤＥ、ＣＥＳを用いてベクトルＭを座標変換し、座標系ΣＤにおけるベクトルＤおよび座標系ΣＳにおけるベクトルＳを算出する（ステップ４４）。これは同じ方向を示すベクトルをそれぞれの座標系での値に換算し、操作方向のベクトルＭと同じ方向を意味する表示手段１０に映される処置具１１、１２の動作方向ベクトルＳを算出している。
【００５６】
次いで、操作手段８、９に入力された操作量を元に、操作手段８、９とマニピュレータ４、５の間の動作量の比率等のパラメータを勘案して、実際にマニピュレータ４、５が動作する量を算出する（ステップ４５）。
【００５７】
最後に、これまでに算出した動作方向（座標系ΣＤ・ΣＳにおけるベクトルＤ・Ｓ）と動作量に従い、表示手段１０およびマニピュレータ４、５を制御する（ステップ４６）。
【００５８】
算出の際に、操作手段８、９とマニピュレータ３、４の間の姿勢を元に決定した回転行列ではなく、操作手段８、９と表示手段１０に表示されるマニピュレータ３、４に装備した処置具１１、１２の間の姿勢を元に決定した回転行列を用いるため、実際の操作方向と、表示手段１０に映される動作方向が操作者から見て同一方向となる。
【００５９】
以上のような手法で、治療前、治療中に各装置間の姿勢を算出することができ、ひいては各座標間の回転行列を算出することができ、表示手段１０内のマニピュレータ４、５つまり表示手段１０に表示されている処置具１１、１２の動きと操作手段８、９の動きの方向を一致させることができる。
【００６０】
本手法によれば、マニピュレータ３〜５の配置および、マニピュレータ３〜５と表示手段１０の配置が任意であっても、座標系ΣＥから座標系ΣＳへ座標変換する行列と座標系ΣＤから座標系ΣＥへ座標変換する行列を用いて、表示手段１０に設定した座標系ΣＤと、表示手段１０に表示されるマニピュレータ４、５の動作方向の座標系ΣＳを一致させることができる。これにより、動作方向を表示手段１０における座標系ΣＤや表示手段１０における上下左右奥手前など相対的な表現で処置具１１、１２の動作方向を示すことができる。
【００６１】
さらには、操作者はマニピュレータ３〜５の配置やマニピュレータ３〜５と操作手段８、９の相対関係、マニピュレータ４、５と観察手段６の相対関係、操作手段８、９と表示手段１０の相対関係など、各手段間の位置姿勢をいっさい気にすることなく、位置姿勢計測手段１４からの計測結果情報２３を元に変換行列算出部２４で算出した変換行列を用いて、操作手段８、９の操作方向と表示手段１０に表示される処置具１１、１２の映像の動作方向を一致させることができる。これにより、実際に自分の手で処置を行なっているように、表示手段１０内に映る処置具１１、１２を動かしたい方向に操作手段８、９を操作するだけでよくなるので、各手段の配置によらず高い操作性を得ることが可能となる。
【００６２】
さらには、画面内で処置具１１、１２が操作方向に一致して動作するので、細かな動きが操作者の意図通りに実現できる。よって、周囲の正常な組織を傷付けることなく、必要な処置を正確に、かつ迅速に行なえ、治療の効果や処置の安全性が高まる。
【００６３】
また、操作性の変化を気にすることなく、患者の体位や患部の位置、周囲の装置の配置の状況などに応じて、マニピュレータ３〜５や観察手段６、操作手段８、９を配置できるため、マニピュレータ３〜５や観察手段６が患部にアプローチする姿勢をより適切に調整して、治療を行なうことができる。
【００６４】
さらには、マニピュレータ３〜５の装備部２２は、識別手段１５や中間リンク部と着脱自在であるため、各手段の姿勢を検出するための機構が治療を行なう医療スタッフや周囲の医療機器の邪魔になることがなく、医師は治療に専念できる。また、これらの部品をはずしてしまうことで、これらの部品に医療スタッフが接触して、マニピュレータや観察手段が動いてしまい、患者の身体に接触することを防止できる。よって、マニピュレータを用いた手術において、治療しやすい環境を医療スタッフに提供することができる。
【００６５】
また、観察手段６と処置具１１、１２の相対関係が常に算出可能であるため、術中に観察手段６を動かすことができる。治療中に、患部が他の臓器や処置具１１、１２の陰になって見えにくい場合、観察手段６の姿勢を変えて、より観察しやすい姿勢に変えた場合でも、前述したのと同様に表示手段１０に映るマニピュレータ４、５の動作方向と操作手段８、９の操作方向を一致させることができる。
【００６６】
さらには、マニピュレータ３〜５を使用している最中に、各手段の配置を変えるなど、事前に計測した情報が変更される場合でも、位置姿勢計測手段１４の新しい計測結果情報２３に基づいて各手段間の座標変換行列が更新されるので、常に、操作手段８、９と表示手段１０に表示される処置具１１、１２の映像の動作方向を一致するように、マニピュレータ４、５を制御することが可能である。
【００６７】
また、マニピュレータ４、５と操作手段８、９の直接の相対関係が無関係であるため、操作手段８、９を含む操作卓１３を、術中に移動させたり、向きを変えたりした場合でも、表示手段１０に表示される処置具１１、１２の映像の動作方向と操作手段８、９の操作方向は一致を保ち、術前、術中に任意に操作卓１３を動かすことができる。よって、他の医療機器との兼ね合いで、操作卓１３を配置しやすい位置に常に移動できるため、運用上の利便性が高い。また、術中に移動させてもそのまま引き続き操作可能であるため、マニピュレータ４、５と操作手段８、９の直接の相対関係を再設定するなどの手間もなく、迅速に手術を再開できる。
【００６８】
これらに加えて、同調指示手段２１を用いて、操作手段７〜９からの指示伝達を切ったりつないだりできることで、マニピュレータ３〜５の位置を固定したまま、操作手段７〜９の姿勢を、操作しやすい様に調整し、その後、同調を実行することで、操作しやすい姿勢から、マニピュレータ３〜５を操作し始めることができる。また、操作手段７〜９とマニピュレータ３〜５の配置が任意なので、操作開始時に表示手段１０に表示される処置具１１、１２の姿勢と操作手段８、９の姿勢は異なることが考えられる。よって、操作開始時は同調実行を切って、操作手段８、９と表示手段１０に表示される処置具１１、１２を同じような姿勢に合わせてから、同調実行の信号を送ることで、各装置の配置が任意の場合に、表示手段１０に表示される処置具１１、１２の映像と操作手段８、９の姿勢を合わせて操作を開始することが可能になり、操作感の向上と、より的確に操作者の意図を直感的に処置具１１、１２に反映させることができ、操作性の向上が図れる。
【００６９】
次に、識別手段１５の異なる取付例を図６を参照しながら説明する。図６は識別手段の異なる取付例を示す斜視図であり、図４に対応する図である。この取付例は、複数の回転自由度をリンクで結合し、識別手段１５の動作範囲を広くした例である。
【００７０】
結合部材１５１は図４の結合部材１５１と同一の形状である。この結合部材１５１に第一の延長リンク１７０を固定し、第一の延長リンク１７０と第二の延長リンク１７１を回転自由に組み合わせる。第二の延長リンク１７１の端部である組み合わせ部１７２はギアになっており、第一の延長リンク１７０に固定された第一の角度センサ１７３と第一の計測ギア１７４を介して組み合わされている。第二の延長リンク１７１のもう一方の端部は固定部材１６４と回転自由に組み合わされる。固定部材１６４は図３と同様にギア部１６３を有する。第二の角度センサ１６１が第二の延長リンク１７１に固定され、計測ギア１６２を介してギア部１６３と組み合わされる。固定部材１６４には複数の発光体１６９が識別部材１６８に固定されてなる識別手段１５が凹凸を嵌め合わせて固定される。
【００７１】
第二の延長リンク１７１の回転角度は第一の角度センサ１７３によって計測され、識別手段１５の回転角度は第二の角度センサ１６１によって計測することができる。これらの角度情報と、第一の延長リンク１７０および第二の延長リンク１７１の長さと、識別手段１５を位置姿勢計測手段１４で計測して得られる識別手段１５の位置姿勢の情報を合わせて、図６に示す中間リンク部を有する識別手段１５が装備された各手段の座標の向きを算出することが可能である。延長リンク１７０、１７１により、識別手段１５の動作範囲が広がり、より広範囲で計測に適した姿勢に識別手段１５の位置と向きを調整可能となる。識別手段１５の調整範囲が広がることで、各手段の配置の自由度が広がり、より患者の体位や治療に適した配置で手術を行なうことが可能となる。
【００７２】
次に、識別手段１５を取付ける中間リンク部の異なる取付例を図７を参照しながら説明する。図７は識別手段を取付けるの中間リンク部の異なる例を示す分解斜視図である。図７では、装備部２２へ嵌め合わせる中間リンク部のみ図示して識別手段を省略してある。中間リンク部に固定する識別手段は図３と同様である。
【００７３】
装備部２２の凹部１７９と結合部１７５の凸部１７８とは嵌め合わせ可能である。凹部１７９は、嵌め合わせた結合部１７５の回転方向の角度を一意に決定できるように、上下左右が非対称の形状をしている。この凹部１７９の周囲には結合用磁石１７７が固定されており、嵌め合わされた結合部材１７５の固定フランジ１７６と磁力により固定される。深さ方向についても、結合用磁石１７７と固定フランジ１７６とが接触する位置で一意に決定される。結合部材１７５は、他の例と同様に固定部材１６４を回転自由に結合させたり、図示していないが延長リンク１７０などを結合させたりすることなどが可能である。また、自由度を持つ部位には、これまでの例と同様、角度センサ１６１と計測ギア１６２とギア部１６３の組み合わせによって、回転角度が計測可能である。長さ方向に並進自由度を持つリンクの場合は、距離を計測するようにセンサを構成すればよく、移動距離計測の手法は、並進動作を回転に変換して角度センサにより計測する手法や、移動距離に応じて計測ワイヤが引き出される方式のセンサや、並進型のポテンショメータ、あるいは、光学センサなどを用いる手法によって容易に実現可能である。
【００７４】
この取付例では、結合部材１７５と装備部２２は磁力を用いて結合されるため、より着脱が容易であり、識別手段の着脱にかかる手間をさらに軽減することができる。
【００７５】
マニピュレータ３〜５の三次元的な位置姿勢を特定する手段として、マーカーセットを用いる光学的計測手法を代表として記述したが、本発明は、三次元的な位置姿勢を特定するために、他の手法を用いてもかまわない。例えば、磁気センサを用いた装置も利用可能である。位置姿勢計測手段１４が、発光体１６９ではなく、磁性体を識別手段１５として用いる場合は、上記の識別手段１５であるマーカーセットが、利用する三次元位置計測装置に適した識別手段になる。識別手段を用いて三次元空間内での位置姿勢を計測する装置であれば、同様の手法が利用可能である。
【００７６】
次に、位置姿勢計測手段１４の異なる例を図８を参照しながら説明する。図８は図１に示す位置姿勢計測手段の変形例を説明するための斜視図である。この図８では、上述した識別手段１５を利用した位置姿勢計測手段１４ではなく、装置間の座標の傾きを計測する手法を用いた位置姿勢計測手段１４について述べる。
【００７７】
図８はマニピュレータ間を一つ以上の回転可能な関節もしくは並進動作可能な直動部を有するリンクで結合し、マニピュレータ同士の座標の回転行列を求める例である。マニピュレータ３とマニピュレータ４とを結合する場合を例として説明する。
【００７８】
マニピュレータ３の装備部２２と結合させる結合部材１５１に第一の延長リンク１７０が固定される。第一の延長リンク１７０と第二の延長リンク１７１とが回転自由に結合される。第二の延長リンク１７１は一端に第一の延長リンク１７０と嵌め合わせるギア部１７２を有し、第一の延長リンク１７０に固定される角度センサ１７３のギア部１７２が計測ギア１７４に噛み合わされる。これにより、第二の延長リンク１７１の第一の延長リンク１７０に対する回転角度が角度センサ１７３により計測可能となる。
【００７９】
第二の延長リンク１７１のもう一方の端は第三の延長リンク１８３と回転自由に結合される。第三の延長リンク１８３は一端に第二の延長リンク１７１の端部１８０と嵌め合わせるギア部１８１を有し、第二の延長リンク１７１の端部１８０に固定される角度センサ１８９とギア部１８１が計測ギア１８２を介して組み合わされる。これにより、第三の延長リンク１８３の第二の延長リンク１７１に対する回転角度が角度センサ１８９により計測可能となる。
【００８０】
第三の延長リンク１８３のもう一方の端には第四の延長リンク１８７と回転自由に結合するギア部１８４を有し、第四の延長リンク１８７に固定される角度センサ１８６のギア部１８４が計測ギア１８５に噛み合わされる。これにより、第三の延長リンク１８３の第四の延長リンク１８７に対する回転角度が角度センサ１８６により計測可能となる。
【００８１】
第四の延長リンク１８７のもう一方の端は、マニピュレータ４の装備部２２に結合する結合部材１８８が固定されている。
【００８２】
マニピュレータ３と結合部材材１５１を結合させ、マニピュレータ４と結合部材材１８８を結合させると、マニピュレータ３、４同士の相対姿勢と相対距離に応じて、第一の延長リンク１７０と第二の延長リンク１７１との間の角度、および、第二の延長リンク１７１と第三の延長リンク１８３との間の角度、および、第三の延長リンク１８３と第四の延長リンク１８７との角度が変化する。この時の各角度の値を角度センサ１７３、１８９、１８６によって計測できる。この計測結果と、第二の延長リンク１７１と第三の延長リンク１８３の長さから、マニピュレータ３、４同士の相対姿勢を算出することが可能となる。これらの値はマニピュレータの制御装置３２に取り込まれ、マニピュレータ３、４の座標間の回転行列を算出し、制御において、これを利用することができる。
【００８３】
マニピュレータ３、４間を結合する計測リンクを用いた位置姿勢計測手段１４も計測終了とともにマニピュレータ３、４から取り外すことが可能であり、患者の周囲の空間を位置姿勢計測手段１４で占有しないようにすることができる。また、治療途中に再びマニピュレータ３、４の配置を変える時は、再度、計測リンクを用いた位置姿勢計測手段１４を装備部２２に結合すればよい。マニピュレータ３、４に位置姿勢計測手段１４を結合させたままでも特に邪魔にならない場合は、そのまま結合させておいてもよい。この場合でも、治療中、マニピュレータ３、４を動かしたくなった時はいつでも配置変更が行なえ、常に最新の相対姿勢の情報を計測可能である。
【００８４】
図８の計測リンクを用いた位置姿勢計測手段１４において、第二の延長リンク１７１の一端である角度センサ１８９を固定する端部１８０から第五の延長リンクを第三の延長リンクと干渉しない様に回転自由に結合させて設け、さらに第五の延長リンクから他の延長リンクと同様に垂直方向の第六の延長リンクを介して別の結合部材に結合する構成にすることも可能である。これにより、一度に結合できるマニピュレータの数を二つから、三つに増やし、それぞれの相対姿勢を一度に計測可能になり、術中の計測の手間を軽減することが可能になる。同様の手法で、マニピュレータの装備部２２と結合する部位を三つ以上に増やすことも可能である。
【００８５】
計測対象から着脱自在の図８に示した計測リンクの一部を天井や手術ベッド、患者を固定するフレーム、あるいは床上を可搬することの可能な保持器に固定する構成にすることも可能である。これにより、取り外した計測リンクを、術中に再び利用可能とするために、清潔区域内に保管する場所を確保することなく、マニピュレータからはずして邪魔にならない位置に移動させるだけで、術中の清潔を保ち、かつ利用したい時にすぐに再結合することが容易になる。よって、手術の流れを妨げず、迅速な装置運用が可能になる。
【００８６】
図８に係わる説明では、マニピュレータ間の姿勢の相対関係を表したが、同様に、表示手段と操作手段の間の相対関係を計測することも可能である。
【００８７】
観察手段６と処置具１１、１２の相対距離が分かることで、表示手段１０の画面上でのマニピュレータの動作量を算出することが可能になる。この動作量を操作手段８、９の操作量と合わせるように制御することも可能であるし、操作手段８、９の動作の所定の倍率の動きをマニピュレータに実施させることも制御可能である。外科医の好みや、治療の状況、手技や治療方法に応じて動作の倍率を変更すること可能であり、より操作性を向上させることができる。
【００８８】
上述した実施例では、観察手段６を装備している装置も制御可能なマニピュレータ３であるとしたが、例えば、各関節角度を手動で調整、固定できる支持手段であってもよい。
【００８９】
次に、観察手段６を装備した支持手段の例を図９を参照しながら説明する。図９は図１に示す観察手段を装備した支持手段の例を示す斜視図である。
【００９０】
第一の支持リンク５０と第二の支持リンク５１は並進可能に接続されている。第二の支持リンク５１と第三の支持リンク５３、第三の支持リンク５３と第四の支持リンク５５、第四の支持リンク５５と第五の支持リンク５７は、それぞれ回転可能な関節５２、５４、５６で接続されている。第五の支持リンク５７と第六の支持リンク５９は捻じり関節５８でねじり可能に接続されている。第六の支持リンク５９の端部６０と把持部６１は回転可能に接続されている。把持部６１は観察手段６の一部を挟み込み、あるいは、挿入して、固定することが可能である。図９では、把持部６１の中空部に観察手段６のレンズ部６２を挿入し、固定ねじ６３で固定する様子を図示している。
【００９１】
第一の支持リンク５０には、識別手段１５が固定されており、位置姿勢計測手段１４から、支持手段の基点となる部位の位置姿勢を計測することができるようになっている。各可動部には、図８に示したような、回転角度を計測する角度センサや、並進距離を計測するリニアセンサが設けられており、可動量を計測可能である。各支持リンク５０、５１、５３、５５、５７の長さと、センサ情報から、把持部６１に固定した観察手段６の姿勢を算出することができる。
【００９２】
支持手段の自由度の数や機構は症例や体位などに合わせて適宜最適あるいは最小限と思われる自由度を有していればよい。
【００９３】
観察手段６は助手によって保持されていてもよい。この場合、観察手段６の座標系ΣＥの向きは、非接触で姿勢を検出する手法が好ましい。例えば、上述した実施例で示したように、姿勢を検出する識別手段１５を三次元位置計測装置で常に識別手段１５の向きを計測する手法を用いる。観察手段６には識別手段１５を所定の姿勢で装備する装備部２２を設け、識別手段１５の姿勢を常に計測しつづける。識別手段１５の取付け姿勢は観察手段６に対して既知の姿勢となるため、座標系ΣＥの向きを算出可能である。マニピュレータ４、５の座標系ΣＳの向きを検出する識別手段１５も同様に常に計測し、観察手段６の保持姿勢の変化に合わせて、座標系ΣＥと座標系ΣＳの間の回転行列を算出する。回転行列を用いた制御方法は上述した説明と同様に行われる。これによって、観察手段６を人が保持した場合でも、表示手段１０に映し出される処置具１１、１２の映像の動作方向と操作手段８、９の操作方向を合わせるようにマニピュレータ４、５を制御可能となる。
【００９４】
上述した実施例では、回転行列ＣＭＤ、ＣＤＥ、ＣＥＳを用いて操作手段の操作方向と表示手段に表示される処置具１１、１２の映像の動作方向とを一致させる例を示したが、回転行列ＣＤＥ、ＣＥＳのみを用いて操作方向を座標変換するようにしてもよい。この場合、表示手段１０に対する操作手段８、９の操作方向は任意となり、予め操作手段に設定した規則に従い、表示手段１０に表示される処置具１１、１２の動作方向を制御することになる。つまり、操作手段８、９に固定された座標系ΣＭのＸＭ方向に操作した場合は、操作手段１１、１２と表示手段１０との間の相対的な姿勢の関係に係らず、表示手段１０のＸＤ方向に表示手段１０に表示される処置具１１、１２を制御する。
【００９５】
係る制御動作を図１０を参照しながら説明する。図１０は図１の手術支援装置における図５と異なる制御動作のフローチャート図である。
【００９６】
この制御動作では、図５とはステップ４４の処理が異なり、操作方向が意味する表示手段１０に対する方向を座標変換する処理を行なう。すなわち、図１０のステップ７０に具体的に示すように、ベクトルが意味する動作方向を回転行列ＣＤＥ、ＣＥＳを用いて座標変換し、座標系Ｄ・Ｓにおける処置具の動作方向ベクトルＤ・Ｓを算出するステップに変更したものである。
【００９７】
他の装置との兼ね合いで操作手段８、９や表示手段１０を配置する場所が十分に確保できない場合などに、表示手段１０を操作者からみて斜めの方向に設置せざるを得なくなることがあるが、このような場合には、操作手段８、９の操作方向を直接処置具１１、１２の映像の動作方向に一致させるよりは、操作手段８、９をどちらに操作したら、表示手段１０内でどちらに処置具１１、１２が動作するかを予め設定した規則に従い制御したほうが、操作性が向上する場合がある。
【００９８】
操作手段８、９と表示手段１０との間の相対姿勢で、座標変換を行ない、操作手段８、９と表示手段１０に表示される処置具１１、１２の映像との間で、操作方向と動作方向の一致を実現するか、あるいは、操作手段８、９と表示手段１０の間で設定した規則に従い、表示手段１０に表示される処置具１１、１２の映像の動作方向を制御するかは、スイッチなどで切替え可能とすることで、手術支援装置を使用する外科医の好みにに合わせて、あるいは、操作卓１３周囲の広さなどの状況に応じてより的確に選択可能となり、より的確で操作性の高い治療を実現することが可能となる。
【００９９】
次に、表示手段と操作手段との配置構成の変形例を図１１を参照しながら説明する。図１１は表示手段と操作手段とを一体に配置した例の斜視図である。この図１１では、表示手段１０の左右に二つの操作手段８、９を配置し、操作方向が表示手段１０に表示される処置具をどちらに動作させるかを操作手段８、９に予め設定している。
【０１００】
表示装置１０の左右に操作手段８、９が表示装置１０と一体で構成されている。操作手段８、９は複数の方向支持ボタンからなる。上ボタン７３を押すと、表示手段上方を示す方向支持マーク８０の方向へ処置具１２が動作し、右ボタン７４を押すと、表示手段右を示す方向支持マーク８１の方向へ処置具１２が動作し、下ボタン７５を押すと、表示手段下方を示す方向支持マーク８２の方向へ処置具１２が動作し、左ボタン７６を押すと、表示手段左を示す方向支持マーク８３の方向へ処置具１２が動作する。奥ボタン７７を押すと、表示手段の奥方向へ処置具１２が動作し、手前ボタン７８を押すと、表示手段の手前方向へ処置具１２が動作する。把持ボタン７９を押すと、処置具１２は先端の把持部が閉じる。このように、処置具１１、１２と同様の動作が出来ない操作手段８、９を用いて、操作手段８、９の操作と、それが意味する、表示された処置具１１、１２の動作とを一対一で所定の規則で対応づけすることで、表示手段１０に表示された処置具１１、１２を、任意に配置された観察手段６とマニピュレータ４、５の相対姿勢によらず、常に同一の操作性を実現することができる。
【０１０１】
以上述べた実施例によれば、治療に必要な観察手段６、処置具１１、１２、観察手段６からの情報を提示する表示手段１０、処置具１１、１２の位置姿勢を操作する操作手段８、９のそれぞれの配置を、操作者の希望に合わせた任意の位置に配置することができ、かつ、その任意の配置状態にもかかわらず、表示手段１０に表示される処置具１１、１２の動作方向を、操作手段８、９の操作方向に一致させる様に制御することが可能になり、常に同一の操作性を得られ、さらに、操作方向と画面内の動作方向が一致するので、操作者が直接処置具１１、１２を把持して操作しているようなより快適な操作性が得られる。また、それぞれ独立した各手段は、治療に最適な姿勢へと配置する自由度が高く、治療中は医療スタッフの邪魔になることもなく、複数のマニピュレータを用いるような治療においても、より作業しやすい環境を提供することができる。
【０１０２】
また、表示手段１０に表示される処置具１１、１２の動作方向を、表示手段１０と操作手段８、９の相対的な姿勢の関係に係らず、予め決められた対応を元に指示できるので、操作者がより操作しやすい配置に操作手段８、９と表示手段１０を配置して治療を行なうことができる。よって、操作者の事情で、画面を脇において、斜めに見ながら操作を行なう場合でも、操作手段８、９を正面において操作を行なう場合でも同一の操作性で処置具１１、１２を操作可能となるので、操作手段８、９の操作と表示手段１０に対する処置具１１、１２の動作が常に同一に保たれる。これにより、操作者は操作に慣れやすく、より的確に治療動作に対するの意志を正確に反映させた治療が可能になる。
【０１０３】
このように、より的確に意志を反映させやすい環境を提供できることから、治療の正確さ、緻密さを向上させ、ひいては治療効果の向上と低侵襲化が期待できる。
【０１０４】
まとめとして、本発明に係わる構成に関して以下の事項を開示する。
【０１０５】
任意に配置された内視鏡などの観察手段と、処置具を有するマニピュレータと、モニタなどの表示手段とマニピュレータを操作する操作手段が任意に配置された環境で、操作手段を操作する方向と表示手段に映る処置具が動く方向とを一致するよう制御する構成とする。
【０１０６】
また、操作手段の操作方向と、表示手段に映る処置具の動く方向とを、予め設定した対応関係で一致させるように構成する。
【０１０７】
さらには、保持手段によって保持された観察手段と、観察手段を保持する保持手段から独立した観察手段に観察されるマニピュレータのそれぞれに、観察手段とマニピュレータの姿勢を計測可能な識別手段を着脱自在に装備し、この識別手段を介して観察手段とマニピュレータの姿勢を計測して得られる観察手段とマニピュレータの間の姿勢を一致させる回転行列を算出し、操作手段に入力された操作方向に回転行列を用いて変換した方向にマニピュレータを動作させる制御系を有する構成とする。
【０１０８】
さらには、識別手段と観察手段もしくはマニピュレータとの間に、一つ以上の自由度と、自由度の変位量を計測する変位量計測手段を有し、識別手段を解して得られる位置姿勢と変位量計測手段の計測量から、観察手段もしくはマニピュレータの間の姿勢を一致させる回転行列を算出し、操作手段に入力された操作方向に回転行列を用いて変換した方向にマニピュレータを動作させる制御系を有する構成とする。
【０１０９】
さらには、周期的に、あるいはマニピュレータもしくは観察手段を保持する保持手段もしくは表示手段もしくは操作手段の配置が変更された場合に、回転行列を再計算し、再計算した回転行列を用いて、マニピュレータの動作方向を算出する制御装置を有する構成とする。
【０１１０】
さらには、マニピュレータの座標系と、観察手段の先端の座標系を関係づける座標変換行列と、観察手段の座標系と表示手段に固定された座標系を関係づける座標変換行列と、表示手段に固定された座標系と操作手段に固定された座標系を関係づける座標変換行列を持ち、操作入力された動作指示を順次座標変換してマニピュレータの動作方向と動作量を求めるよう制御する構成とする。
【０１１１】
さらには、マニピュレータ先端の処置具の座標系と、マニピュレータを観察する観察手段の座標系を関係づける座標変換行列と、観察手段の先端の座標系と表示手段に固定された座標系を関係づける座標変換行列と、表示手段に固定された座標系と操作手段の把持部に固定された座標系が予め設定した対応関係をもち、操作入力された動作指示を表示手段と観察手段の間の座標変換行列と観察手段と処置具の間の座標変換行列とで順次座標変換してマニピュレータ先端の動作方向と動作量を求めるよう制御する構成とする。
【０１１２】
さらには、マニピュレータ先端の処置具の姿勢とマニピュレータ先端を観察する観察手段の姿勢と表示手段の姿勢と操作手段の姿勢を計測する位置姿勢計測手段をもち、処置具を装備するマニピュレータの姿勢と観察手段を装備するマニピュレータの姿勢との間の相対的な姿勢のずれと、観察手段の姿勢と表示手段の姿勢における、観察手段のレンズに垂直な軸と、表示手段の表示面に垂直な軸とを一致させたときの、レンズに水平な面内の二軸と表示手段画面に水平な面内の二軸のずれと、表示手段の姿勢と操作手段の把持部の姿勢のずれとから算出される座標変換行列を持ち、操作手段になされた操作方向を座標変換行列で変換した値にしたがって、マニピュレータが動作する手術支援装置を用いる構成とする。
【０１１３】
さらには、マニピュレータや表示手段、操作手段の姿勢を位置姿勢計測手段を用いて計測する際に、計測対象にとりつける識別手段において、計測対象の所定の位置姿勢に着脱自在に固定できるように、計測対象に非対称な凹凸からなる装備部と、これにはめあわせて位置と姿勢を一意に決定できる凹凸を有する識別手段を用いる構成とする。そして、装備部と識別手段の間に、一つ以上の自由度を有する延長リンクを設ける構成とする。
【０１１４】
さらには、着脱自在で複数の関節を有し、計測対象に対して位置姿勢を一意に決定できる凹凸からなる結合手段を有し、各関節の移動量を計測するためのセンサを有する計測リンクで、各計測対象を着脱自在に結合する構成とする。
【０１１６】
【発明の効果】
本発明によれば、マニピュレータおよび操作手段を任意の場所に配置しても表示手段を見ながら操作手段を容易に操作でき、安全性、作業性および操作性に優れた手術支援装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す手術支援装置の斜視図である。
【図２】図１の手術支援装置の制御ブロック図である。
【図３】図１の手術支援装置の処置具および観察手段の座標系の説明図である。
【図４】図１の手術支援装置の識別手段の取付例を示す分解斜視図である。
【図５】図１の手術支援装置の制御動作を示すフローチャート図である。
【図６】図１の手術支援装置の識別手段の異なる取付例を示す斜視図である。
【図７】図１の手術支援装置の識別手段を取付けるの中間リンク部の異なる例を示す分解斜視図である。
【図８】図１に示す位置姿勢計測手段の変形例を説明するための斜視図である。
【図９】図１に示す観察手段を装備した支持手段の例を示す斜視図である。
【図１０】図１の手術支援装置における図５と異なる制御動作のフローチャート図である。
【図１１】図１に示す表示手段および操作手段の変形例の斜視図である。
【符号の説明】
１…患者、２…手術ベッド、３〜５…マニピュレータ、６…観察手段、８…操作手段、９…操作手段、１０…表示手段、１１、１２…処置具、１３…操作卓、１４…位置姿勢計測手段、１５…識別手段（マーカーセット）、１７…マニピュレータの座標系、１８…表示手段の座標系、１９…観察手段の座標系、２０…操作手段の座標系、２１…同調指示手段、２２…装備部、２５…処置具に投影したマニピュレータの座標系、２６…処置具に投影した観察手段の座標系、３２…制御装置。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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