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WO2018109851A1 - 医療用マニピュレータシステム - Google Patents

医療用マニピュレータシステム Download PDF

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WO2018109851A1
WO2018109851A1 PCT/JP2016/087144 JP2016087144W WO2018109851A1 WO 2018109851 A1 WO2018109851 A1 WO 2018109851A1 JP 2016087144 W JP2016087144 W JP 2016087144W WO 2018109851 A1 WO2018109851 A1 WO 2018109851A1
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point
medical device
unit
medical
constraint
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PCT/JP2016/087144
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French (fr)
Inventor
井上　慎太郎
Original Assignee
オリンパス株式会社
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Publication date
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    • A61B90/06—Measuring instruments not otherwise provided for
    • A61B2090/067—Measuring instruments not otherwise provided for for measuring angles

Definitions

  • the present invention relates to a medical manipulator system.
  • a medical manipulator having an arm that holds an insertion body such as an endoscope at its tip is known (for example, see Patent Document 1).
  • a dedicated jig is held at the tip of the arm instead of the insert, and the insertion hole The position of is indicated.
  • the medical manipulator of Patent Document 1 requires a dedicated jig to teach the position of the insertion hole, and the instructing method of the insertion hole using the dedicated jig is inconvenient. There is.
  • the insertion body is once pulled out of the insertion hole, There is a problem that it is necessary to perform teaching work by replacing the jig.
  • the present invention has been made in view of the above-described circumstances, and the insertion hole is moved with respect to the reference coordinates of the medical manipulator while the insertion portion is inserted into the insertion hole without using a dedicated jig.
  • An object of the present invention is to provide a medical manipulator system capable of correcting the above.
  • One aspect of the present invention includes a medical device including a long rigid insertion portion and an articulated arm having the medical device attached to a distal end thereof, and is operated according to the movement of the medical device.
  • a holder device capable of holding the device in a stationary state at each position; a position and orientation detection unit that detects the position and orientation of the insertion unit in a plurality of states in which the medical device is swung around a predetermined restraint point;
  • a medical manipulator system comprising: a constraint point estimation unit that estimates a position of the constraint point based on a plurality of positions and postures of the insertion unit detected by the position and orientation detection unit.
  • the holder device when the movement of an arbitrary position of the insertion portion is constrained to be a constraining point, and the medical device is swung around the constraining point, the holder device operates following the movement of the medical device, and the medical device Can be held stationary at each position. Accordingly, the affected part can be observed or treated by adjusting the medical device to a desired position and posture.
  • the position and orientation of the insertion portion in a plurality of states due to swinging around the restraint point of the medical device is detected by the position and orientation detection unit, and restraint is performed by the restraint point estimation unit based on the detected plurality of positions and orientations.
  • the position of the point is estimated. Therefore, even if the restraint point is moved, it is possible to correct the movement by estimating the position of the restraint point without removing the insertion portion from the restraint point and without using a dedicated jig.
  • the said position and orientation detection part may be provided with the angle sensor with which each joint of the said arm was equipped.
  • the restraint point is set to an insertion hole that penetrates a patient's body wall and into which the insertion portion can be inserted.
  • the medical device includes a bending joint at a distal end of the insertion portion, and the restraint point is
  • a control unit may be provided that controls the flexion joint so that it can pass through the insertion hole.
  • the medical device when the insertion portion of the medical device is inserted into the insertion hole provided through the body wall of the patient and the proximal end of the medical device exposed outside the body is operated, the medical device is inserted into the insertion hole. And the position and posture of the insertion portion can be changed.
  • the control unit controls the flexion joint so that it can pass through the insertion unit. But it can be pulled out without getting caught.
  • the said control part may control the said bending joint so that a movable range may be shrunk
  • the movable range of the bending joint is reduced as it is closer to the insertion hole. Therefore, even if the insertion portion is pulled out while the bending joint is close to the insertion hole, the bending joint is caught in the insertion hole. Can be prevented more reliably.
  • the said constraint point estimation part is based on the position coordinate of the said medical device calculated based on the position and attitude
  • the temporary position coordinate of the constraint point may be output as an estimated value.
  • provisional position coordinates of the constraint point are set, the position coordinates of the predetermined point calculated based on the position and orientation of the insertion unit detected by the position and orientation detection unit, and the provisional position of the constraint point The calculation is repeated until the distance from the position coordinates of the predetermined point calculated based on the position coordinates converges to the second threshold value or less, and an estimated value of the constraint point is output.
  • control unit may output an error signal when the distance calculated by the constraint point estimation unit does not converge to a third threshold value or less. In this way, when the constraint point convergence calculation does not converge, an error signal is output, and the operator can be notified that the position of the constraint point has moved.
  • the said control part controls the said bending joint in the state which can pass the said insertion hole, when the said distance calculated by the said constraint point estimation part is larger than a 3rd threshold value. Good. In this way, if the convergence calculation of the constraint point does not converge, the bending joint is controlled so that it can pass through the insertion hole. The tip side can be pulled out without being caught in the insertion hole.
  • the said control part can register the position coordinate of the target point by the said medical device, Based on the position coordinate of the said constraint point before and behind the output of the said error signal, the registered said target The position coordinates of the points may be updated.
  • the target calculation by the medical device is registered and the convergence calculation for constraint point estimation does not converge, that is, if the constraint point has moved, an error signal
  • the position coordinates of the target point can be updated based on the position coordinates of the restraint point before and after the output of, and the treatment for the target point by the medical device can be continued.
  • the said holder apparatus is provided with the actuator which drives each joint, and controls the said actuator so that the said medical device may be rock
  • a holder control unit may be provided.
  • the medical manipulator system of FIG. 1 it is a figure which shows an example of the registration point set to observation object.
  • FIG. 6B is a diagram showing a case where the endoscope is swung by the movement of the base in the medical manipulator system of FIG. 6A.
  • FIG. 7B is a diagram showing an example in which a registration point direction instruction is given to an image example acquired by an endoscope in the case of FIG. 7A.
  • a medical manipulator system 1 includes an endoscope (medical device) 3 including a long rigid insertion portion 2, and the endoscope 3 attached to the tip.
  • a holder device 4 and a control unit 5 for controlling the endoscope 3 are provided.
  • the endoscope 3 includes a bending joint 6 capable of changing the direction of a distal end surface including an objective lens (not shown) at the distal end portion of the rigid insertion portion 2, and operates the bending joint 6 at the proximal end portion of the insertion portion 2.
  • a driving unit 7 is provided. The power generated in the drive unit 7 is transmitted to the distal end of the insertion unit 2 by a power transmission member such as a wire (not shown) so that the bending joint 6 can be operated.
  • the endoscope 3 is configured such that the insertion portion 2 is inserted into an insertion hole 9 formed through the body wall X of the patient, and the distal end is disposed inside the body and the proximal end is disposed outside the body.
  • the holder device 4 includes a base 10 movably provided along the ground, a holding portion 11 that holds the endoscope 3, and an articulated arm 12 that is disposed between the base 10 and the holding portion 11. And.
  • the arm 12 has, for example, 6 degrees of freedom. Accordingly, the holder device 4 is configured to operate each joint following the movement of the endoscope 3 when the operator arbitrarily moves the endoscope 3 attached to the holding unit 11 by hand.
  • the holder device 4 holds the endoscope 3 moved by a counter balancer (not shown) or friction of each joint in a stationary state at each position of the movement destination.
  • the holder device 4 includes an angle sensor (position / orientation detection unit) 13 that detects a rotation angle of the joint at each joint.
  • the control unit 5 is based on an output signal from the angle sensor 13, a position / orientation calculation unit (position / orientation detection unit) 14 that calculates the position and orientation of the insertion unit 2, and the insertion calculated by the position / orientation calculation unit 14.
  • a position / orientation calculation unit position / orientation detection unit 14 that calculates the position and orientation of the insertion unit 2, and the insertion calculated by the position / orientation calculation unit 14.
  • the constraint point estimation unit 15 that estimates the coordinates of the constraint point arranged at the position of the insertion hole 9, and the position coordinates and position of the constraint point estimated by the constraint point estimation unit 15
  • An endoscope control unit 16 that controls the endoscope 3 based on the position of the insertion unit 2 calculated by the posture calculation unit 14 and a notification unit 17 are provided.
  • the position and orientation calculation unit 14 determines the position and orientation of the holding unit 11 that holds the endoscope 3 at the tip of the arm 12 based on the angle information of each joint output from the angle sensor 13 of each joint. Thus, the position coordinates of the two points of the distal end point and the proximal end point of the insertion portion 2 of the endoscope 3 held by the holding portion 11 are calculated.
  • the constraint point Pp can be estimated at the intersection of the line segment connecting the tip point Pt and the base point Pb in each state.
  • the constraint point estimation unit 15 estimates the constraint point Pp, for example, by setting a temporary constraint point Pep at an arbitrary point and calculating the position coordinates of the temporary distal end point Pet calculated from the base end point Pb and the temporary constraint point Pep.
  • the temporary restraint point Pep is estimated to be the restraint point Pp. It is like that.
  • the temporary tip point Pet is calculated from the temporary restraint point Pep by the following equation (1).
  • V Pet (V Pep ⁇ V Pb ) ⁇ L /
  • the integrated value of the distance between the temporary tip point Pet and the tip point Pt in a plurality of postures of the endoscope 3 is set as an evaluation value ⁇ by the following equation (2), and the evaluation value ⁇ is a predetermined threshold value (second threshold value) )
  • the evaluation value ⁇ is a predetermined threshold value (second threshold value)
  • a temporary restraint point Pep that is equal to or less than Th2 is estimated as the restraint point Pp.
  • ⁇ ⁇ (V Pt ⁇ V Pet ) (2)
  • V Pt is a vector from the reference position Ob toward the tip point Pt.
  • the endoscope control unit 16 inserts the constraint points and the insertion points based on the position coordinates of the constraint points estimated by the constraint point estimation unit 15 and the position coordinates of the distal end of the insertion unit 2 calculated by the position and orientation calculation unit 14.
  • the distance from the tip of the part 2 is calculated, and when the distance is equal to or less than a predetermined threshold (first threshold) Th1, the bending joint 6 of the endoscope 3 is controlled.
  • first threshold a predetermined threshold
  • the bending joint 6 of the endoscope 3 is controlled so as to extend straight along the longitudinal axis of the insertion portion 2.
  • the temporary constraint point may be arranged at a position far from the actual constraint point, and in this case, the magnitude of the evaluation value ⁇ . Is extremely large. Therefore, when the evaluation value ⁇ calculated by the constraint point estimation unit 15 is larger than a predetermined threshold (third threshold) Th3, an error signal is sent to the notification unit 17 to notify the fact.
  • a predetermined threshold third threshold
  • the operation of the medical manipulator system 1 according to this embodiment configured as described above will be described below.
  • the arm 12 of the holder device 4 installed at an appropriate position with respect to the patient is used.
  • the insertion portion 2 of the endoscope 3 held by the distal end holding portion 11 is inserted into an insertion hole 9 formed through the patient's body wall X, and the distal end is disposed inside the body and the proximal end is disposed outside the body.
  • the insertion portion 2 is inserted into the insertion hole 9 to be restrained at the position of the insertion hole 9. Therefore, it is swung around the restraint point located in the insertion hole 9.
  • the holder device 4 can rotate each joint in accordance with the swinging motion of the insertion portion 2 and can hold the insertion portion 2 in a stationary state at each swinging position.
  • the angle information of each joint of the holder device 4 is detected by the angle sensor 13 at each swing position when the operator swings the insertion portion 2 around the restraint point.
  • the position and orientation calculation unit 14 calculates the position and orientation of the insertion unit 2 at each swing position (Step S2).
  • the position coordinates of the temporary constraint point are set by the constraint point estimation unit 15 (step S3).
  • the evaluation value ⁇ is calculated using the above formulas (1) and (2) (step S4), and it is determined whether or not the evaluation value ⁇ is larger than the threshold value Th3 (step S5).
  • the constraint point estimation unit 15 outputs an error signal, and the notification unit 17 notifies the outside (step S9).
  • the evaluation value ⁇ is equal to or less than the threshold Th3 (Step S6). If the evaluation value ⁇ is greater than the threshold Th2, the process from Step S1 is continued until the threshold Th2 is equal to or less. The process is repeated.
  • Step S7 When the evaluation value ⁇ is equal to or less than the threshold value Th2, the position coordinates set as the temporary constraint point are updated as the position coordinates of the constraint point (step S7), and it is determined whether or not to end the process. (Step S8), the process from Step S1 is repeated when it does not end.
  • the distance between the constraint point and the tip is calculated using the position coordinate of the constraint point and the position coordinate of the tip of the insertion unit 2, and the distance is a threshold value (
  • the first threshold value is equal to or less than Th1
  • the endoscope control unit 16 performs control so that the bending joint 6 can be bent freely straightly or following external force.
  • the medical manipulator system 1 it is not necessary to prepare a dedicated jig to be mounted instead of the insertion portion 2, and it is not necessary to remove the insertion portion 2 from the insertion hole 9.
  • the constraint point of the insertion portion 2 can be estimated.
  • FIG. 4 shows a case where the base 10 moves from the left to the right along the paper surface as indicated by an arrow A in FIG. 4 in a direction away from the patient.
  • the holder device 4 swings the insertion portion 2 of the endoscope 3 around a restriction point set in the actual insertion hole 9 and rotates each joint following the swing. A new attitude is achieved.
  • the position coordinates of the constraint points in the control unit 5 are also the same as the movement amount of the reference coordinates as shown by the arrow B in FIG. Only in the same direction, it moves to the position indicated by the symbol C.
  • step S9 the flowchart of FIG. 3 is executed with the recognized constraint point as a new temporary constraint point, the evaluation value ⁇ becomes larger than the threshold value Th3, and an error signal is notified in step S5 (step S9).
  • the process from step S1 is repeated. That is, when the operator repeats the operation of swinging the insertion portion 2 around the actual restraint point a plurality of times, the evaluation value ⁇ becomes equal to or less than the threshold value Th3, the error notification is finished, and the evaluation value ⁇ is the threshold value
  • the true restraint point can be estimated by bringing the temporary restraint point closer to the actual restraint point until it is equal to or less than Th2.
  • the base 10 moves due to some cause during observation or treatment in the patient's body using the endoscope 3, and the base coordinate system is moved. Even if the position coordinates of the restraint points stored in advance are shifted, the position coordinates of the restraint points can be restored without removing the endoscope 3 from the body and without using a dedicated jig. There is an advantage that it can be set.
  • an arbitrary position (for example, the tip position) D of the endoscope 3 in the reference coordinate system of the base 10 may be registered.
  • the restraint point Pp after the base 10 is moved from the restraint point C before the base 10 is moved may be corrected.
  • the position coordinates of an arbitrary registration point F in the patient's body to be observed may be registered.
  • the position coordinates of the registration point F appearing in the image of the endoscope 3 are registered as shown in FIG. 6B.
  • reference numeral 18 denotes a trocar attached to the insertion hole 9 for facilitating insertion / removal of the insertion portion 2 into / from the insertion hole 9.
  • the endoscope 3 swings and the registration point F disappears from the image.
  • the registration point F can be set to the correct position by correcting the registration point F by the same amount as the movement amount of the constraint point before and after the base 10 is moved.
  • a direction instruction G indicating the direction in which the registration point F that does not appear on the image exists can be displayed on the image.
  • the error is notified when the evaluation value ⁇ is larger than the threshold value Th3.
  • the endoscope control unit 16 is bent.
  • the joint 6 may be controlled to extend straight or to be freely deformable following external force.
  • the endoscope 3 is exemplified as the medical device, but any treatment instrument having the insertion portion 2 may be employed instead.
  • each joint is rotated following the movement of the endoscope 3 that is moved by the operator, and the endoscope 3 is held stationary at an arbitrary position.
  • a motor (actuator) provided at each joint, which can be controlled by a holder control unit (not shown), may be employed.
  • the constraint point teaching mode and the drive mode after the constraint point is estimated can be selected.
  • the operation of the endoscope 3 by the operator is performed in the same manner as in the above embodiment.
  • Each joint functions to rotate, and in the drive mode, each joint is rotated by an actuator (not shown) so as to swing the endoscope 3 around the restraint point in response to a command signal from the holder control unit. You just have to make it.
  • the position and orientation of the insertion portion 2 are detected by detecting the rotation angle of each joint of the holder device 4 by the angle sensor 13. You may detect directly with a visual sensor etc.
  • control unit 5 may be configured by a single processor, and the position / orientation calculation unit 14, the constraint point estimation unit 15, the endoscope control unit 16, and the notification unit 17 are separately provided. It may be configured by a processor. Or the control part 5 may be comprised by the arbitrary number of processors of 2 or more.
  • the distance between the constraint point and the distal end of the insertion portion 2 when the distance between the constraint point and the distal end of the insertion portion 2 is larger than the first threshold Th1, it is stepwise according to the magnitude of the distance between the constraint point and the distal end of the insertion portion 2.
  • the movable range of the bending joint 6 may be controlled. In this case, it is preferable to reduce the movable range of the bending joint 6 as the distance between the constraint point and the distal end of the insertion portion 2 approaches the first threshold Th1.
  • the movable range of the bending joint 6 is set to the maximum, and as the distance approaches the first threshold Th1, The movable range may be reduced stepwise or continuously.
  • the bending joint 6 can be bent only at a small angle at a position close to the insertion hole 9, even if the insertion portion 2 is unexpectedly pulled out from the insertion hole 9, the bending joint 6 is quickly straightened. Therefore, it is possible to more reliably prevent the insertion hole 9 from being caught. Further, instead of controlling the bending joint 6 in a stepwise manner, a mechanism that continuously controls the rotation angle of the bending joint 6 according to the distance between the constraint point and the distal end of the insertion portion 2 may be employed.

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Abstract

専用の治具を用いることなく、挿入部を挿入孔に挿入したままの状態で、医療用マニピュレータの基準座標に対する挿入孔の移動を補正することを目的として、本発明に係る医療用マニピュレータシステム（１）は、長尺の硬性の挿入部（２）を備える医療デバイス（３）と、医療デバイスを先端に取り付けた多関節のアーム（１２）を備え、医療デバイスの移動に倣って動作させられるとともに、医療デバイスを各位置に静止した状態に保持可能なホルダ装置（４）と、医療デバイスを所定の拘束点回りに揺動させた複数の状態における挿入部の位置および姿勢を検出する位置姿勢検出部（１４）と、位置姿勢検出部により検出された挿入部の複数の位置および姿勢に基づいて拘束点の位置を推定する拘束点推定部（１５）とを備える。

Description

医療用マニピュレータシステム
　本発明は、医療用マニピュレータシステムに関するものである。
　内視鏡のような挿入体を先端に保持するアームを備えた医療用マニピュレータが知られている（例えば、特許文献１参照。）
　この医療用マニピュレータにおいては、患者の体壁に形成され、挿入体が挿入される挿入孔の位置を教示するために、挿入体に代えて専用の治具をアームの先端に保持させ、挿入孔の位置を指示させている。
特開２００６－３１２０７９号公報
　しかしながら、特許文献１の医療用マニピュレータでは、挿入孔の位置を教示するために、専用の治具が必要であるとともに、その専用の治具を用いた挿入孔の指示方法も煩雑であるという不都合がある。また、医療用マニピュレータを用いた患者の処置中に、医療用マニピュレータの基準座標に対して挿入孔の位置が移動してしまった場合には、挿入体を挿入孔から一度引き抜いて、再度専用の治具に付け替えて教示作業を行う必要があるという問題がある。
　本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、専用の治具を用いることなく、挿入部を挿入孔に挿入したままの状態で、医療用マニピュレータの基準座標に対する挿入孔の移動を補正することができる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している。
　本発明の一態様は、長尺の硬性の挿入部を備える医療デバイスと、該医療デバイスを先端に取り付けた多関節のアームを備え、前記医療デバイスの移動に倣って動作させられるとともに、該医療デバイスを各位置に静止した状態に保持可能なホルダ装置と、前記医療デバイスを所定の拘束点回りに揺動させた複数の状態における前記挿入部の位置および姿勢を検出する位置姿勢検出部と、該位置姿勢検出部により検出された前記挿入部の複数の位置および姿勢に基づいて前記拘束点の位置を推定する拘束点推定部とを備える医療用マニピュレータシステムである。
　本態様によれば、挿入部の任意の位置の移動を拘束して拘束点とし、医療デバイスを拘束点回りに揺動させると、医療デバイスの移動に倣ってホルダ装置が動作して、医療デバイスを各位置に静止した状態に保持することができる。これにより、医療デバイスを所望の位置および姿勢に調整して患部の観察あるいは処置を行うことができる。
　この場合において、医療デバイスの拘束点回りの揺動による複数の状態における挿入部の位置および姿勢が位置姿勢検出部により検出され、検出された複数の位置および姿勢に基づいて拘束点推定部により拘束点の位置が推定される。したがって、拘束点が移動した場合であっても、挿入部を拘束点から取り外すことなく、専用の治具を用いることなく、拘束点の位置を推定して、移動を補正することができる。
　上記態様においては、前記位置姿勢検出部が、前記アームの各関節に備えられた角度センサを備えていてもよい。
　このようにすることで、角度センサにより検出された各関節の角度情報に基づいて、各状態における挿入部の位置および姿勢を簡易に検出することができる。
　また、上記態様においては、前記拘束点が、患者の体壁を貫通し前記挿入部を挿入可能な挿入孔に設定され、前記医療デバイスが、前記挿入部の先端に屈曲関節を備え、前記拘束点推定部により推定された前記拘束点と前記屈曲関節との距離が第１閾値以下である場合に、前記挿入孔を通過可能な状態に前記屈曲関節を制御する制御部を備えていてもよい。
　このようにすることで、患者の体壁を貫通して設けられた挿入孔に医療デバイスの挿入部を挿入し、体外に露出している医療デバイスの基端を操作すると、医療デバイスが挿入孔の位置を拘束点として揺動し、挿入部の位置および姿勢を変更することができる。この場合に、推定された拘束点と屈曲関節との距離が短い場合には、屈曲関節が屈曲したままの状態で誤って挿入孔から挿入部が引き抜かれようとすると、屈曲関節より先端側部分が挿入孔に引っ掛かってしまう。本態様によれば、拘束点と屈曲関節との距離が第１閾値以下である場合には、制御部が屈曲関節を制御して挿入部を通過可能な状態とすることにより、誤って引き抜かれても引っ掛からずに引き抜くことができる。
　また、上記態様においては、前記制御部は、前記距離が前記第１閾値より大きい場合に、該距離が小さいほど可動範囲を縮小するように前記屈曲関節を制御してもよい。
　このようにすることで、挿入孔に近いほど屈曲関節の可動範囲が縮小されるため、屈曲関節が挿入孔に近い位置にある状態で挿入部が引き抜かれても、屈曲関節が挿入孔に引っ掛かってしまうことをより確実に防止することができる。
　また、上記態様においては、前記拘束点推定部が、前記位置姿勢検出部により検出された前記挿入部の位置および姿勢に基づいて算出される前記医療デバイスにおける所定点の位置座標と、前記拘束点の仮の位置座標に基づいて算出される前記所定点の位置座標との距離が第２閾値以下に収束したときに前記拘束点の仮の位置座標を推定値として出力してもよい。
　このようにすることで、拘束点の仮の位置座標を設定し、位置姿勢検出部により検出された挿入部の位置および姿勢に基づいて算出される所定点の位置座標と、拘束点の仮の位置座標に基づいて算出される所定点の位置座標との距離が第２閾値以下に収束するまで、計算が繰り返されて、拘束点の推定値が出力される。
　また、上記態様においては、前記制御部が、前記拘束点推定部により算出される前記距離が、第３閾値以下に収束しない場合にエラー信号を出力してもよい。
　このようにすることで、拘束点の収束計算が収束しない場合にはエラー信号が出力され、拘束点の位置が移動してしまったことを操作者に知らせることができる。
　また、上記態様においては、前記制御部が、前記拘束点推定部により算出される前記距離が、第３閾値より大きい場合に、前記挿入孔を通過可能な状態に前記屈曲関節を制御してもよい。
　このようにすることで、拘束点の収束計算が収束しない場合に、挿入孔を通過可能な状態に屈曲関節を制御することで、挿入部が挿入孔から誤って引き抜かれても屈曲関節よりも先端側が挿入孔に引っ掛からずに引き抜くことができる。
　また、上記態様においては、前記制御部が、前記医療デバイスによる目標点の位置座標を登録可能であり、前記エラー信号の出力の前後における前記拘束点の位置座標に基づいて、登録された前記目標点の位置座標を更新してもよい。
　このようにすることで、医療デバイスによる目標点が登録されている状態で、拘束点の推定のための収束計算が収束しない場合、すなわち、拘束点が移動してしまった場合には、エラー信号の出力の前後における拘束点の位置座標に基づいて目標点の位置座標を更新して、医療デバイスによる目標点に対する処置を継続することができる。
　また、上記態様においては、前記ホルダ装置が、各関節を駆動するアクチュエータを備え、前記拘束点推定部により推定された前記拘束点を中心に前記医療デバイスを揺動させるように前記アクチュエータを制御するホルダ制御部を備えていてもよい。
　このようにすることで、医療デバイスを拘束点回りに揺動させてホルダ装置の各関節を医療デバイスの揺動に倣って動作させることにより拘束点が推定された後には、ホルダ制御部が各関節を駆動するアクチュエータを制御して、推定された拘束点を動かさないように医療デバイスを揺動させることができる。
　本発明によれば、専用の治具を用いることなく、挿入部を挿入孔に挿入したままの状態で、医療用マニピュレータの基準座標に対する挿入孔の移動を補正することができるという効果を奏する。
本発明の一実施形態に係る医療用マニピュレータシステムを示す全体構成図である。 図１の医療用マニピュレータシステムにおける医療デバイスとホルダ装置の動作を説明する図である。 図１の医療用マニピュレータシステムによる拘束点の推定手順を説明するフローチャートである。 図１の医療用マニピュレータシステムにおいて、ホルダ装置のベースが移動した場合の拘束点の推定を説明する図である。 図１の医療用マニピュレータシステムにおいて、ホルダ装置のベースが移動した場合の医療デバイスの任意の登録点の補正を説明する図である。 図１の医療用マニピュレータシステムにおいて、観察対象に設定される登録点の一例を示す図である。 図６Ａの医療用マニピュレータシステムに備えられた内視鏡により取得された画像例を示す図である。 図６Ａの医療用マニピュレータシステムにおいて、ベースの移動により内視鏡が揺動した場合を示す図である。 図７Ａの場合に内視鏡により取得された画像例に登録点の方向指示がなされた例を示す図である。
　本発明の一実施形態に係る医療用マニピュレータシステム１について、図面を参照して以下に説明する。
　本実施形態に係る医療用マニピュレータシステム１は、図１に示されるように、長尺の硬性の挿入部２を備える内視鏡（医療デバイス）３と、該内視鏡３を先端に取り付けたホルダ装置４と、内視鏡３を制御する制御部５とを備えている。
　内視鏡３は、硬性の挿入部２の先端部に、図示しない対物レンズを備える先端面の方向を変更可能な屈曲関節６を備え、挿入部２の基端部に、屈曲関節６を動作させる駆動部７を備えている。駆動部７において発生した動力は図示しないワイヤ等の動力伝達部材によって挿入部２の先端まで伝達され、屈曲関節６を動作させることができるようになっている。
　内視鏡３は、患者の体壁Ｘを貫通して形成された挿入孔９に挿入部２を挿入して、先端を体内に基端を体外に配置するようになっている。
　ホルダ装置４は、地面に沿って移動可能に設けられたベース１０と、内視鏡３を保持する保持部１１と、ベース１０と保持部１１との間に配置された多関節構造のアーム１２とを備えている。アーム１２は例えば、６自由度を有している。これにより、ホルダ装置４は、保持部１１に取り付けた内視鏡３を操作者が手で任意に移動させると、内視鏡３の移動に倣って各関節を動作させるようになっている。
　ホルダ装置４は、図示しないカウンタバランサあるいは各関節の摩擦により、移動させられた内視鏡３をその移動先の各位置において静止した状態に保持するようになっている。
　また、ホルダ装置４は、各関節に、該関節の回転角度を検出する角度センサ（位置姿勢検出部）１３を備えている。
　制御部５は、角度センサ１３からの出力信号に基づいて、挿入部２の位置および姿勢を算出する位置姿勢算出部（位置姿勢検出部）１４と、該位置姿勢算出部１４により算出された挿入部２の位置および姿勢に基づいて、挿入孔９の位置に配置された拘束点の座標を推定する拘束点推定部１５と、該拘束点推定部１５により推定された拘束点の位置座標と位置姿勢算出部１４により算出された挿入部２の位置とに基づいて内視鏡３を制御する内視鏡制御部１６と、報知部１７とを備えている。
　位置姿勢算出部１４は、例えば、各関節の角度センサ１３から出力される各関節の角度情報に基づいて、アーム１２の先端において内視鏡３を保持している保持部１１の位置および姿勢を算出し、それによって、保持部１１に保持されている内視鏡３の挿入部２の先端点および基端点の２点の位置座標を算出するようになっている。
　図２に示されるように、内視鏡３の挿入部２を挿入孔９に設定された拘束点回りに揺動させた異なる２つ以上の状態において、挿入部２の先端点Ｐｔおよび基端点Ｐｂの位置座標をそれぞれ算出することにより、各状態の先端点Ｐｔと基端点Ｐｂとを結ぶ線分の交点に拘束点Ｐｐを推定することができる。
　拘束点推定部１５による拘束点Ｐｐの推定は、例えば、任意の点に仮の拘束点Ｐｅｐを設定し、基端点Ｐｂと仮の拘束点Ｐｅｐとにより算出される仮の先端点Ｐｅｔの位置座標と、角度センサ１３からの角度情報により幾何学的に算出される先端点Ｐｔの位置座標との距離が所定の閾値以下である場合に、仮の拘束点Ｐｅｐを拘束点Ｐｐであると推定するようになっている。
　さらに具体的には、下式（１）により仮の拘束点Ｐｅｐから仮の先端点Ｐｅｔを算出する。
　ＶＰｅｔ＝（ＶＰｅｐ－ＶＰｂ）・Ｌ／｜ＶＰｅｐ－ＶＰｂ｜　　　　（１）
　ここで、
　ＶＰｅｔは、ベース１０に固定された基準位置Ｏｂから仮の先端点Ｐｅｔに向かうベクトル、
　ＶＰｅｐは、基準位置Ｏｂから仮の拘束点Ｐｅｐに向かうベクトル、
　ＶＰｂは、基準位置Ｏｂから基端点Ｐｂに向かうベクトル、
　Ｌは、先端点Ｐｔと基端点Ｐｂとの距離である。
　そして、下式（２）により内視鏡３の複数の姿勢における仮の先端点Ｐｅｔと先端点Ｐｔとの距離の積算値を評価値αとして、該評価値αが所定の閾値（第２閾値）Ｔｈ２以下となる仮の拘束点Ｐｅｐを拘束点Ｐｐとして推定するようになっている。
　α＝Σ（ＶＰｔ－ＶＰｅｔ）　　　（２）
　ここで、ＶＰｔは、基準位置Ｏｂから先端点Ｐｔに向かうベクトルである。
　内視鏡制御部１６は、拘束点推定部１５により推定された拘束点の位置座標と、位置姿勢算出部１４により算出された挿入部２の先端の位置座標とに基づいて、拘束点と挿入部２の先端との距離を算出し、その距離が所定の閾値（第１閾値）Ｔｈ１以下の場合には、内視鏡３の屈曲関節６を制御するようになっている。
　具体的には、拘束点の挿入部２の先端と拘束点すなわち挿入孔９との距離が短い場合には、操作者による挿入部２の抜き出し操作によって、内視鏡３の先端の屈曲関節６が挿入孔９に到達し易い状況であるため、屈曲関節６を挿入部２の長手軸に沿って真っ直ぐに延ばすように制御するようになっている。
　また、拘束点推定部１５による拘束点の推定の過程においては、仮の拘束点が現実の拘束点からかけ離れた位置に配置されている場合があり、その場合には、評価値αの大きさは極めて大きくなる。そこで、拘束点推定部１５において算出される評価値αが所定の閾値（第３閾値）Ｔｈ３より大きい場合には、報知部１７にエラー信号を送り、その旨を報知させるようになっている。
　このように構成された本実施形態に係る医療用マニピュレータシステム１の作用について、以下に説明する。
　本実施形態に係る医療用マニピュレータシステム１を用いて患者の患部の観察あるいは処置を行うには、図１に示されるように、患者に対して適当な位置に設置したホルダ装置４のアーム１２の先端の保持部１１により保持された内視鏡３の挿入部２を患者の体壁Ｘを貫通して形成された挿入孔９に挿入し、先端を体内に基端を体外に配置する。
　この状態で、操作者は、体外に露出している内視鏡３の基端を把持して移動させると、挿入部２は挿入孔９に挿入されることによって挿入孔９の位置に拘束されているので、該挿入孔９に位置する拘束点回りに揺動させられる。このとき、ホルダ装置４は、挿入部２の揺動動作に倣って各関節を回転させ、挿入部２を各揺動位置において静止した状態に保持することができる。
　そして、図３に示されるように、操作者が、挿入部２を拘束点回りに揺動させることにより、各揺動位置において、ホルダ装置４の各関節の角度情報が角度センサ１３によって検出され（ステップＳ１）、検出された角度情報に基づいて、位置姿勢算出部１４により、各揺動位置における挿入部２の位置および姿勢が算出される（ステップＳ２）。２以上の状態における挿入部２の位置および姿勢が算出されると、拘束点推定部１５により仮の拘束点の位置座標が設定される（ステップＳ３）。
　そして、上記式（１）、（２）を用いて評価値αが算出され（ステップＳ４）、評価値αが閾値Ｔｈ３より大きいか否かが判定される（ステップＳ５）。評価値αが閾値Ｔｈ３より大きい場合には、拘束点推定部１５がエラー信号を出力し、報知部１７によりその旨が外部に報知される（ステップＳ９）。一方、評価値αが閾値Ｔｈ３以下である場合には、閾値Ｔｈ２以下であるか否かが判定され（ステップＳ６）、閾値Ｔｈ２より大きい場合には、閾値Ｔｈ２以下となるまで、ステップＳ１からの工程が繰り返される。
　評価値αが閾値Ｔｈ２以下となった場合には、仮の拘束点として設定されていた位置座標が、拘束点の位置座標として更新され（ステップＳ７）、処理を終了するか否かが判定されて（ステップＳ８）、終了しない場合にはステップＳ１からの工程が繰り返される。
　本実施形態においては、拘束点の位置座標が更新されると、拘束点の位置座標と挿入部２の先端の位置座標とを用いて拘束点と先端との距離が算出され、距離が閾値（第１閾値）Ｔｈ１以下である場合には、内視鏡制御部１６が屈曲関節６を真っ直ぐに、あるいは外力に倣って自由に湾曲できるように制御する。これにより、誤って挿入部２が挿入孔９から引き抜かれる方向に移動させられても、屈曲した屈曲関節６が挿入孔９に引っ掛かることを防止することができるという利点がある。
　このように、本実施形態に係る医療用マニピュレータシステム１によれば、挿入部２に代えて装着する専用の治具を用意しなくても、また、挿入部２を挿入孔９から取り外さなくても、挿入部２の拘束点を推定することができる。
　次に、図４に示されるように、ホルダ装置４のベース１０が移動させられた場合について説明する。図４の例は、ベース１０が患者から離れる方向に、図４中に矢印Ａで示すように紙面に沿って左から右に移動した場合を示している。
　この場合には、ホルダ装置４は、内視鏡３の挿入部２を実際の挿入孔９に設定されている拘束点回りに揺動させるとともに、その揺動に倣って各関節を回転させることにより新たな姿勢となる。しかしながら、ベース１０に固定された基準座標系はベース１０とともに移動してしまうので、制御部５における拘束点の位置座標も、図４の矢印Ｂで示すように、基準座標の移動量と同じ量だけ同じ方向に、符号Ｃで示される位置まで移動してしまう。
　したがって、認識されている拘束点を新たな仮の拘束点として図３のフローチャートが実施され、評価値αが閾値Ｔｈ３より大きくなって、ステップＳ５によりエラー信号の報知が実施され（ステップＳ９）、ステップＳ１からの工程が繰り返される。すなわち、操作者が、現実の拘束点回りに挿入部２を揺動させる操作を複数回繰り返すことにより、評価値αが閾値Ｔｈ３以下となってエラー報知が終了し、かつ、評価値αが閾値Ｔｈ２以下となるまで仮の拘束点を現実の拘束点に近づけて真の拘束点を推定することができる。
　このように、本実施形態に係る医療用マニピュレータシステム１によれば、内視鏡３を用いた患者の体内の観察あるいは処置中に、何らかの原因によってベース１０が移動して、ベース座標系に対して記憶していた拘束点の位置座標がずれてしまった場合であっても、内視鏡３を体内から抜き出すことなく、また、専用の治具を用いることなく、拘束点の位置座標を再設定することができるという利点がある。
　なお、本実施形態に係る医療用マニピュレータシステム１においては、ベース１０の基準座標系における内視鏡３の任意の位置（例えば、先端位置）Ｄを登録することができるようにしてもよい。その場合に、図５に示されるように、ベース１０が移動してしまうことによる基準座標系の移動が発生しても、ベース１０の移動前の拘束点Ｃからベース１０移動後の拘束点Ｐｐへの移動量および移動方向を算出することによって、登録された位置座標Ｄを矢印Ｅに示すように補正することができるという利点がある。
　また、本実施形態においては、図６Ａに示されるように、ベース１０の基準座標系において、観察対象である患者の体内の任意の登録点Ｆの位置座標を登録できることにしてもよい。図６Ａに示す例では、図６Ｂに示されるように、内視鏡３の画像に現れる登録点Ｆの位置座標を登録するものとする。図中、符号１８は、挿入孔９に取り付けられ、挿入部２の挿入孔９への挿脱を容易にするためのトロッカである。
　この場合にも、ベース１０が移動してしまうことによる基準座標系の移動が発生すると、図７Ａに示されるように、内視鏡３が揺動して、画像から登録点Ｆが消滅するが、上記と同様にして、ベース１０の移動前後の拘束点の移動量と同じだけ登録点Ｆを補正することにより、登録点Ｆを正しい位置に設定することができる。その結果、例えば、図７Ｂに示されるように、画像上に現れていない登録点Ｆの存在する方向を示す方向指示Ｇを画像上に表示することができる。
　また、本実施形態においては、評価値αが閾値Ｔｈ３より大きくなった場合に、エラーを報知することとしたが、これに代えて、または、エラーの報知とともに、内視鏡制御部１６が屈曲関節６を真っ直ぐに延ばすように、あるいは、外力に倣って自由に変形できるように制御することにしてもよい。
　また、本実施形態においては、医療デバイスとして内視鏡３を例示したが、これに代えて、挿入部２を有する任意の処置具を採用してもよい。
　また、本実施形態においては、ホルダ装置４として、操作者によって移動させられる内視鏡３の移動に倣って、各関節を回転させ、任意の位置で内視鏡３を静止した状態に保持することができるだけのものを例示したが、これに代えて、各関節にモータ（アクチュエータ）を備え、図示しないホルダ制御部によって制御することができるものを採用してもよい。
　この場合、拘束点の教示モードと、拘束点が推定された後の駆動モードとを選択できることとし、教示モードにおいては、上記実施形態と同様に、操作者による内視鏡３の操作に倣って各関節を回転させるように機能し、駆動モードにおいては、ホルダ制御部からの指令信号に応じて、拘束点回りに内視鏡３を揺動させるようにアクチュエータ（図示略）により各関節を回転させることにすればよい。
　また、本実施形態においては、ホルダ装置４の各関節の回転角度を角度センサ１３により検出することで、挿入部２の位置および姿勢を検出することとしたが、これに代えて、外部からの視覚センサ等によって直接検出してもよい。
　また、本実施形態においては、制御部５が単一のプロセッサにより構成されていてもよいし、位置姿勢算出部１４、拘束点推定部１５、内視鏡制御部１６、および報知部１７が別々のプロセッサにより構成されていてもよい。または、制御部５が２以上の任意の数のプロセッサにより構成されていてもよい。
　また、本実施形態においては、拘束点と挿入部２の先端との距離が第１閾値Ｔｈ１より大きい場合には、拘束点と挿入部２の先端との距離の大きさに応じて段階的に屈曲関節６の可動範囲を制御してもよい。この場合、拘束点と挿入部２の先端との距離が第１閾値Ｔｈ１に近づくほど屈曲関節６の可動範囲を縮小することが好ましい。
　例えば、拘束点と挿入部２の先端との距離が第１閾値Ｔｈ１よりも十分に大きい場合には、屈曲関節６の可動範囲を最大限に設定し、距離が第１閾値Ｔｈ１に近づくに従って、可動範囲を段階的にあるいは連続的に縮小すればよい。
　このようにすることで、屈曲関節６が挿入孔９に近い位置では小さい角度でしか屈曲できないので、挿入部２が不意に挿入孔９から引き抜かれても、屈曲関節６を迅速に真っ直ぐにすることができ、挿入孔９に引っ掛かることをより確実に防止することができる。
　また、屈曲関節６を段階的に制御するものに代えて、拘束点と挿入部２の先端との距離に応じて連続的に屈曲関節６の回転角度を制御するものを採用してもよい。
　１　医療用マニピュレータシステム
　２　挿入部
　３　内視鏡（医療デバイス）
　４　ホルダ装置
　５　制御部
　６　屈曲関節
　９　挿入孔
　１２　アーム
　１３　角度センサ（位置姿勢検出部）
　１４　位置姿勢算出部（位置姿勢検出部）
　１５　拘束点推定部
　Ｘ　体壁
　Ｔｈ１　第１閾値
　Ｔｈ２　第２閾値
　Ｔｈ３　第３閾値

Claims (9)

  1. 　長尺の硬性の挿入部を備える医療デバイスと、
    　該医療デバイスを先端に取り付けた多関節のアームを備え、前記医療デバイスの移動に倣って動作させられるとともに、該医療デバイスを各位置に静止した状態に保持可能なホルダ装置と、
    　前記医療デバイスを所定の拘束点回りに揺動させた複数の状態における前記挿入部の位置および姿勢を検出する位置姿勢検出部と、
    　該位置姿勢検出部により検出された前記挿入部の複数の位置および姿勢に基づいて前記拘束点の位置を推定する拘束点推定部とを備える医療用マニピュレータシステム。
  2. 　前記位置姿勢検出部が、前記アームの各関節に備えられた角度センサを備える請求項１に記載の医療用マニピュレータシステム。
  3. 　前記拘束点が、患者の体壁を貫通し前記挿入部を挿入可能な挿入孔に設定され、
    　前記医療デバイスが、前記挿入部の先端に屈曲関節を備え、
    　前記拘束点推定部により推定された前記拘束点と前記屈曲関節との距離が第１閾値以下である場合に、前記挿入孔を通過可能な状態に前記屈曲関節を制御する制御部を備える請求項１または請求項２に記載の医療用マニピュレータシステム。
  4. 　前記制御部は、前記距離が前記第１閾値より大きい場合に、該距離が小さくなるほど可動範囲を縮小するように前記屈曲関節を制御する請求項３に記載の医療用マニピュレータシステム。
  5. 　前記拘束点推定部が、前記位置姿勢検出部により検出された前記挿入部の位置および姿勢に基づいて算出される前記医療デバイスにおける所定点の位置座標と、前記拘束点の仮の位置座標に基づいて算出される前記所定点の位置座標との距離が第２閾値以下に収束したときに前記拘束点の仮の位置座標を推定値として出力する請求項３または請求項４に記載の医療用マニピュレータシステム。
  6. 　前記制御部が、前記拘束点推定部により算出される前記距離が、第３閾値以下に収束しない場合にエラー信号を出力する請求項５に記載の医療用マニピュレータシステム。
  7. 　前記制御部が、前記拘束点推定部により算出される前記距離が、第３閾値より大きい場合に、前記挿入孔を通過可能な状態に前記屈曲関節を制御する請求項５または請求項６に記載の医療用マニピュレータシステム。
  8. 　前記制御部が、前記医療デバイスによる目標点の位置座標を登録可能であり、前記エラー信号の出力の前後における前記拘束点の位置座標に基づいて、登録された前記目標点の位置座標を更新する請求項６に記載の医療用マニピュレータシステム。
  9. 　前記ホルダ装置が、各関節を駆動するアクチュエータを備え、
    　前記拘束点推定部により推定された前記拘束点を中心に前記医療デバイスを揺動させるように前記アクチュエータを制御するホルダ制御部を備える請求項１から請求項８のいずれかに記載の医療用マニピュレータシステム。
     
     
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