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技術 手術支援装置、その制御方法及びプログラム

出願人 株式会社A-Traction
発明者 粟野啓太安藤岳洋宮本寛之杉浦吉英福嶋勇太
出願日 2018年10月23日 (1年9ヶ月経過) 出願番号 2018-199386
公開日 2020年4月30日 (3ヶ月経過) 公開番号 2020-065644
状態 特許登録済
技術分野 マニプレータ 手術・診断のための補助具
主要キーワード 故障検知システム 補助ベアリング イニシャライズモード クロスローラーベアリング 補助目的 自重モーメント バックドライブ 直動ロボット
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (19)

課題

手術室への設置が困難なコンソールを必要とせず、かつ簡便な操作でロボットアームを操作可能な手術支援装置を提供する。

解決手段

本発明に係る手術支援装置は、体腔に挿入され且つ機械的に駆動可能な第1術具姿勢を、体腔に挿入される第2術具を用いて制御可能な手術支援装置であって、取り付けられた第1術具の姿勢を制御するロボットアームと、ロボットアームの動作を制御するための動作モードを切り替え切替手段と、動作モードに応じて、ロボットアームの動作を制御する制御手段と、を有し、動作モードは、第1術具を制御するために第2術具を用いる第1モードと、ロボットアームに対する接触を含む操作によりロボットアームを移動させる第2モードとを含み、制御手段は、動作モードが第1モードである場合、第2術具の姿勢に応じて第1術具の姿勢を制御するように、ロボットアームの動作を制御し、動作モードが第2モードである場合、ロボットアームに対する接触を含む操作に応じてロボットアームの動作を制御する。

概要

背景

腹腔鏡手術は、一般に、臓器切開切除縫合を行う医師(以下、「術者」という)と、内視鏡を保持する医師(以下、「スコピスト」という)と、術者の視野展開のため臓器の牽引や切開時の張力保持などを行う医師(以下、「助手」という)とによって行われる。腹腔鏡手術に用いられる手術支援装置手術支援ロボットなどともいわれる)には、鉗子や内視鏡、電気メス等の術具姿勢を1以上のロボットアームで制御することで、手術に必要な医師数を緩和しようとするものがある。

手術支援装置の操作には、手術支援装置に備わるコントロールユニットから医師が操作するコンソール型と、内視鏡のみを保持するロボットアームなどは術者がなんらかの方法で手術手技を行いながらロボットアームをコントロールする方式がある。

従来の腹腔鏡手術に使用される手術支援装置は、術者、スコピスト、助手の3名分の動作を行うものと、内視鏡を1つのアームで保持するものに大別できる。術者、スコピスト、助手の役割を果たすものはコンソール型の手術支援ロボットで、複数のロボットアームを患者周辺や患者上部に配置するものが知られている(特許文献1、特許文献2)。

一方、1つのロボットアームで内視鏡だけを持たせる手術支援ロボットも知られている(特許文献3)。特許文献3で開示される手術支援ロボットは、操作にコンソールを必要とせず、術者又は助手が音声によって操作する方法が用いられる。

概要

手術室への設置が困難なコンソールを必要とせず、かつ簡便な操作でロボットアームを操作可能な手術支援装置を提供する。本発明に係る手術支援装置は、体腔に挿入され且つ機械的に駆動可能な第1術具の姿勢を、体腔に挿入される第2術具を用いて制御可能な手術支援装置であって、取り付けられた第1術具の姿勢を制御するロボットアームと、ロボットアームの動作を制御するための動作モードを切り替え切替手段と、動作モードに応じて、ロボットアームの動作を制御する制御手段と、を有し、動作モードは、第1術具を制御するために第2術具を用いる第1モードと、ロボットアームに対する接触を含む操作によりロボットアームを移動させる第2モードとを含み、制御手段は、動作モードが第1モードである場合、第2術具の姿勢に応じて第1術具の姿勢を制御するように、ロボットアームの動作を制御し、動作モードが第2モードである場合、ロボットアームに対する接触を含む操作に応じてロボットアームの動作を制御する。

目的

すなわち、手術室への設置が困難なコンソールを必要とせず、かつ簡便な操作でロボットアームを操作可能な手術支援装置を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

体腔に挿入され且つ機械的に駆動可能な第1術具姿勢を、前記体腔に挿入される第2術具を用いて制御可能な手術支援装置であって、取り付けられた前記第1術具の姿勢を制御するロボットアームと、前記ロボットアームの動作を制御するための動作モードを切り替え切替手段と、前記動作モードに応じて、前記ロボットアームの動作を制御する制御手段と、を有し、前記動作モードは、前記第1術具を制御するために前記第2術具を用いる第1モードと、前記ロボットアームに対する接触を含む操作により前記ロボットアームを移動させる第2モードとを含み、前記制御手段は、前記動作モードが前記第1モードである場合、前記第2術具の姿勢に応じて前記第1術具の姿勢を制御するように、前記ロボットアームの動作を制御し、前記動作モードが前記第2モードである場合、前記ロボットアームに対する前記接触を含む操作に応じて前記ロボットアームの動作を制御する、ことを特徴とする手術支援装置。

請求項2

前記動作モードは、処置のために前記第2術具を用いる第3モードを更に含む、ことを特徴とする請求項1に記載の手術支援装置。

請求項3

前記切替手段は、前記ロボットアームに対する接触を含む操作を検知したことに応じて、前記動作モードを前記第2モードに切り替える、ことを特徴とする請求項1又は2に記載の手術支援装置。

請求項4

前記第2モードは、前記ロボットアームに対する前記接触を含む操作によって受ける力に従って前記ロボットアームを移動させることができる解除モードと、前記ロボットアームに対する前記接触を含む操作によって入力される指示に従って前記ロボットアームを駆動するベクトル操作モードとを含む、ことを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の手術支援装置。

請求項5

前記制御手段は、前記動作モードが前記解除モードである場合、前記ロボットアームの姿勢を維持するために与える駆動力の少なくとも一部又はブレーキの少なくとも一部を解除する、ことを特徴とする請求項4に記載の手術支援装置。

請求項6

前記制御手段は、前記動作モードが前記ベクトル操作モードである場合、前記第1術具のシャフトの軸方向と、前記指示が該第1術具のシャフトの軸方向のいずれの向きを示すかに従って、前記ロボットアームの動作を制御する、ことを特徴とする請求項4に記載の手術支援装置。

請求項7

前記ロボットアームは、鉛直方向に進退可能な第1アームと、鉛直方向の軸まわりの回転によりアームが移動する1つ以上の第2アームとを有する第1ロボットアームを含む、ことを特徴とする請求項1から6のいずれか1項に記載の手術支援装置。

請求項8

前記第1ロボットアームの前記第1アームを鉛直方向に進退可能に取り付けた第1基盤と、前記第1基盤が鉛直方向に進退可能に取り付けられた第2基盤とを更に有する、ことを特徴とする請求項7に記載の手術支援装置。

請求項9

鉛直方向に進退可能な第3アームと、鉛直方向の軸まわりの回転によりアームが移動する第4アームと、前記第4アームの軸方向に進退可能な第5アームとを含む第2ロボットアームを更に含む、ことを特徴とする請求項7又は8に記載の手術支援装置。

請求項10

前記第1ロボットアームの前記第1アームを鉛直方向に進退可能に取り付けた第1基盤と、前記第1基盤が鉛直方向に進退可能に取り付けられた第2基盤と、鉛直方向に進退可能な第3アームと、鉛直方向の軸まわりの回転によりアームが移動する第4アームと、前記第4アームの軸方向に進退可能な第5アームとを含む第2ロボットアームと、を更に有し、前記第1基盤と前記第2ロボットアームとは、前記第2基盤に備わる共通の支持部材に鉛直方向に進退可能に取り付けられる、ことを特徴とする請求項7に記載の手術支援装置。

請求項11

前記制御手段は、前記第1モードにおいて、所定の操作を検知したことに応じて、前記第1術具の先端位置の移動を制限するようにロボットアームの動作を制御する、ことを特徴とする請求項1から10のいずれか1項に記載の手術支援装置。

請求項12

前記制御手段は、前記所定の操作を検知したことに応じて、前記第1術具の先端位置が一定の方向のみに動くようにロボットアームの動作を制御する、ことを特徴とする請求項11に記載の手術支援装置。

請求項13

前記制御手段は、前記第1術具の先端位置の移動を制限する前の前記第1術具の先端位置の軌跡に基づいて、前記ロボットアームの動作を制御することを特徴とする請求項11又は12に記載の手術支援装置。

請求項14

前記制御手段は、前記動作モードが前記第2モードにおいて、前記ロボットアームに取り付けられた前記第1術具の先端が前記体腔に挿入される外套管に挿入されたことを検知したことに応じて、前記ロボットアームと前記外套管とを対応付ける、ことを特徴とする請求項1から13のいずれか1項に記載の手術支援装置。

請求項15

前記制御手段は、前記動作モードが前記第2モードである場合において、前記ロボットアームに取り付けられた前記第1術具の先端が前記体腔に挿入される外套管に挿入されたことを検知したことに応じて、前記第1術具のシャフトの前記体腔への挿入角度挿入深度基準点の位置を算出する、ことを特徴とする請求項1から14のいずれか1項に記載の手術支援装置。

請求項16

前記制御手段は、前記第1術具のシャフトの前記体腔への挿入角度と挿入深度の基準点の位置を、前記第1術具のシャフトの前記体腔への挿入角度を異ならせた複数の前記第1術具の姿勢に基づいて算出する、ことを特徴とする請求項1から15のいずれか1項に記載の手術支援装置。

請求項17

前記制御手段は、前記動作モードが前記第1モードである場合において、所定の時間間隔で、前記基準点の位置を、前記複数の前記第1術具の姿勢に基づいて算出する、ことを特徴とする請求項16に記載の手術支援装置。

請求項18

体腔に挿入され且つ機械的に駆動可能な第1術具の姿勢を、前記体腔に挿入される第2術具を用いて制御可能な手術支援装置の制御方法であって、前記手術支援装置は、取り付けられた前記第1術具の姿勢を制御するロボットアームと、切替手段と、制御手段とを含み、前記手術支援装置の制御方法は、前記切替手段が、前記ロボットアームの動作を制御するための動作モードを切り替える切替工程と、前記制御手段が、前記動作モードに応じて、前記ロボットアームの動作を制御する制御工程と、を有し、前記動作モードは、前記第1術具を制御するために前記第2術具を用いる第1モードと、前記ロボットアームに対する接触を含む操作により前記ロボットアームを移動させる第2モードとを含み、前記制御工程では、前記動作モードが前記第1モードである場合、前記第2術具の姿勢に応じて前記第1術具の姿勢を制御するように、前記ロボットアームの動作を制御し、前記動作モードが前記第2モードである場合、前記ロボットアームに対する前記接触を含む操作に応じて前記ロボットアームの動作を制御する、ことを特徴とする手術支援装置の制御方法。

請求項19

コンピュータを、請求項1から17のいずれか1項に記載の手術支援装置の各手段として機能させるためのプログラム

技術分野

0001

本発明は、手術支援装置、その制御方法及びプログラムに関する。

背景技術

0002

腹腔鏡手術は、一般に、臓器切開切除縫合を行う医師(以下、「術者」という)と、内視鏡を保持する医師(以下、「スコピスト」という)と、術者の視野展開のため臓器の牽引や切開時の張力保持などを行う医師(以下、「助手」という)とによって行われる。腹腔鏡手術に用いられる手術支援装置(手術支援ロボットなどともいわれる)には、鉗子や内視鏡、電気メス等の術具姿勢を1以上のロボットアームで制御することで、手術に必要な医師数を緩和しようとするものがある。

0003

手術支援装置の操作には、手術支援装置に備わるコントロールユニットから医師が操作するコンソール型と、内視鏡のみを保持するロボットアームなどは術者がなんらかの方法で手術手技を行いながらロボットアームをコントロールする方式がある。

0004

従来の腹腔鏡手術に使用される手術支援装置は、術者、スコピスト、助手の3名分の動作を行うものと、内視鏡を1つのアームで保持するものに大別できる。術者、スコピスト、助手の役割を果たすものはコンソール型の手術支援ロボットで、複数のロボットアームを患者周辺や患者上部に配置するものが知られている(特許文献1、特許文献2)。

0005

一方、1つのロボットアームで内視鏡だけを持たせる手術支援ロボットも知られている(特許文献3)。特許文献3で開示される手術支援ロボットは、操作にコンソールを必要とせず、術者又は助手が音声によって操作する方法が用いられる。

先行技術

0006

特開2011−4880号公報
特開2017−104455号公報
特開平6−30896号公報

発明が解決しようとする課題

0007

特許文献1で開示されるコンソール型の手術支援ロボットでは、装置サイズが大きく、手術室の他装置との兼ね合いにより患者とロボット位置関係を最適化することが困難な場合がある。また、コンソール型は遠隔操作が可能な場合もあるが患者の外観観察看護師との意思疎通のため、患者とロボットのある手術室に操作コンソールを設置することが通常であり、これが手術室を圧迫する要因のひとつとなっている。特許文献2で開示されるコンソール型の手術支援ロボットは、装置サイズを小さくした場合であっても多数ある多関節ロボットアームを操作するためには複雑かつ大型のコンソールが必要となっている。

0008

特許文献3で開示される手術支援ロボットでは、操作対象が1つアームロボットであるため装置サイズも抑えることができる。しかし、依然として助手等による作業を要し、複数の人間の近くにロボットアームが接近するため、十分なロボットアームの動作領域が確保できないか、術者や助手にロボットアームが干渉し手術手技に影響を与えてしまう。また、音声による操作手段を用いる場合、内視鏡とは異なる複雑な術具を操作する際に意図通りに操作することが困難であることは容易に想像できる。

0009

本発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものである。すなわち、手術室への設置が困難なコンソールを必要とせず、かつ簡便な操作でロボットアームを操作可能な手術支援装置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

0010

この課題を解決するため、例えば本発明の手術支援装置は以下の構成を備える。すなわち、体腔に挿入され且つ機械的に駆動可能な第1術具の姿勢を、前記体腔に挿入される第2術具を用いて制御可能な手術支援装置であって、取り付けられた前記第1術具の姿勢を制御するロボットアームと、前記ロボットアームの動作を制御するための動作モードを切り替え切替手段と、前記動作モードに応じて、前記ロボットアームの動作を制御する制御手段と、を有し、前記動作モードは、前記第1術具を制御するために前記第2術具を用いる第1モードと、前記ロボットアームに対する接触を含む操作により前記ロボットアームを移動させる第2モードとを含み、前記制御手段は、前記動作モードが前記第1モードである場合、前記第2術具の姿勢に応じて前記第1術具の姿勢を制御するように、前記ロボットアームの動作を制御し、前記動作モードが前記第2モードである場合、前記ロボットアームに対する前記接触を含む操作に応じて前記ロボットアームの動作を制御する、ことを特徴とする。

発明の効果

0011

本発明によれば、手術室への設置が困難なコンソールを必要とせず、かつ簡便な操作でロボットアームを操作可能な手術支援装置を提供することが可能になる。

図面の簡単な説明

0012

本発明に係る手術支援装置の全体構成例の一例を示す図
本実施形態に係る手術支援装置の機能構成例(a)と、手術支援装置の使用において手持ち医療器具及びロボット医療器具を体腔内に挿入している様子を模式的に示す図(b)
本実施形態に係る水平ロボットアームの詳細な構成例を示す図
本実施形態に係る水平ロボットアームの先端部を拡大した図
本実施形態に係る水平ロボットアームの有する直動関節部の構成例を示す図
本実施形態に係るブレーキ解除スイッチ付のグリップについて説明する図
本実施形態に係るブレーキ解除スイッチを鉛直方向から見た場合の内部構造例を示す図
本実施形態に係るベクトル操作モードのための術具マニピュレータ側の入力スイッチの例を示す図
本実施形態に係る水平ロボットアームの機構等価モデルを示す図
本実施形態に係る直動ロボットアームの詳細な構成例を示す図
本実施形態に係る直動ロボットアームの垂直駆動関節部の構成例を示す図
本実施形態に係る直動ロボットアームの機構等価モデルを示す図
本実施形態に係る2つのフレームと直動ロボットアームの第1アームとの関係を模式的に示す図
本実施形態に係る2つのフレームと直動ロボットアームの第1アームとの関係を詳細に示す図
本実施形態に係る各ロボットアームのアーム先端部の可動範囲を説明する図
本実施形態に係るイニシャライズについて説明する図
本実施形態に係るイニシャライズ処理一連の動作を示すフローチャート
本実施形態に係る挿入点の位置を算出する方法を説明する図

実施例

0013

以下、本発明の例示的な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。本発明に係る手術支援装置は、患者の体腔内に外套管を通して挿入された術具やエンドエフェクタの姿勢を制御するロボットアームを有する。手術支援装置は、術者が体腔内に挿入して実際に手術に用いる術具(以下、手持ち医療器具ともいう)の挿入角度及び挿入深度計測する。そして、計測結果に応じて、術具やエンドエフェクタ(以下、合わせてロボット医療器具ともいう)の姿勢を制御するためのロボットアーム100を制御するように構成されている。

0014

(手術支援装置に係るロボットアーム100の概要
図1(a)及び(b)は、それぞれ、本発明に係る手術支援装置に係るロボットアーム100の概要と、本実施形態において想定される、手術支援装置200を使用する際の患者、術者、手術台151の様子を示している。本実施形態に係るロボットアーム100は2つの水平ロボットアーム110と1つの直動ロボットアーム120と複数のフレーム(基盤)とから構成される。

0015

第1フレーム101は、患者とロボットアーム100とが適切な距離に配置できるよう能動車輪又は受動車輪、もしくはその両方を備える。第2フレーム102は、第1フレーム101の上に固定されたフレームであり、第2フレーム102に垂直な方向にのみ自由度を持つ部品で第3フレーム103が接続されている。第3フレーム103には水平方向に自由度を有する関節を有する3軸の水平多関節ロボットアーム(単に水平ロボットアーム110という)が2つ取り付けられている。また、第3フレーム103の先端には、3軸の直動多関節ロボットアーム(単に直動ロボットアーム120ともいう)が垂直方向にのみ自由度を有する部品で接続されている。

0016

水平ロボットアーム110は、その先端には、2軸まわりに回転可能に構成されるジンバル機構を介して、術具マニピュレータ124が取り付けられている。術具マニピュレータ124は、水平ロボットアーム110によって体腔への挿入角度及び挿入深度が制御されるロボット医療器具に対し、更にロボット医療器具の先端部の位置姿勢を制御するための駆動装置である。術具マニピュレータ124は複数の独立した回転動力を発生させる複数のモータを含んでおり、それぞれの動力が例えばロボット医療器具のシャフト内を伝達してロボット医療器具の先端部に伝達される。

0017

水平ロボットアーム110は、第1アーム111と第2アーム112が水平方向回転にのみ自由度を持つ能動関節で接続されており、また第2アーム112と第3アーム113も水平方向回転にのみ自由度を持った能動関節で接続されている。第1アーム111は垂直方向(第3フレーム103の長軸方向)に自由度をもつ能動関節を有することで第2アーム112と第3アーム113を垂直方向へ移動可能に構成される。これにより水平ロボットアーム110の手先の術具マニピュレータに接続されるロボット医療器具を3次元的に移動可能になるため、ロボット医療器具の体腔内への挿入角度及び挿入深度が制御される。水平ロボットアームのより詳細な構成については後述する。

0018

直動ロボットアーム120は、水平ロボットアーム110と同様、その先端に2軸まわりに回転可能に構成されるジンバル機構を有する。直動ロボットアーム120は、ジンバル機構に一般的な内視鏡を取り付けることができる内視鏡ホルダを備える。直動ロボットアーム120は、第3アーム123と第2アーム122は水平方向の自由度を持つ能動関節で接続され、また、第2アーム122と第1アーム121が水平方向回転の自由度を持った能動関節で接続される。第1アーム121が垂直方向(第3フレーム113の長軸方向)に自由度を持つ能動関節に接続されることで、第2アーム122と第3アーム123を垂直方向へ移動可能に構成される。これにより直動ロボットアーム120の手先の内視鏡ホルダ114に接続される内視鏡(ロボット医療器具)を3次元的に移動可能になるため、内視鏡(ロボット医療器具)の体腔内への挿入角度及び挿入深度が制御される。

0019

(手術支援装置200の構成)
図2(a)と図2(b)には、本実施形態に係る手術支援装置200の機能構成例と、手術支援装置200の使用において手持ち医療器具及びロボット医療器具を体腔内に挿入している様子を模式的に示している。手術支援装置200は、一般的なコンソール型マスタースレーブではなく、術者が術中に使用する術具(すなわち手持ち医療器具)の動作に基づいてロボットアームの動作を制御する。

0020

手持ち医療器具131は、術者が実際に手で動かして通常の処置を行う術具であり、腹壁150に開けた小径の穴に挿入された術者側外套管135を通して体腔内に挿入される。手持ち医療器具131は、例えば体腔内に挿入して使用される鉗子、攝子、電気メス、吸引管超音波凝固切開装置止血装置ラジオ波焼灼装置医療用ステープラ持針器を含む。手持ち医療器具131に取り付けられた術具動作計測部132と、術者側外套管135に取り付けられた術者側挿入深度計測部136は、手持ち医療器具131の体腔に対する挿入角度及び挿入深度を計測する。

0021

ロボット医療器具127は、腹壁150に開けた小径の穴に挿入されたロボット側外套管125を通過して、その一部が体腔内に挿入される。例えば、ロボット医療器具127は、例えば体腔内に挿入して使用される鉗子、攝子、電気メス、吸引管、超音波凝固切開装置、止血装置、ラジオ波焼灼装置、医療用ステープラ、持針器、内視鏡、胸腔鏡腹腔鏡等を含み、その形状は直線状であっても屈曲関節を有していてもよい。本実施形態の例では、直動ロボットアーム120は、内視鏡ホルダ114を介してロボット医療器具127としての内視鏡を装着している。また、水平ロボットアーム110は、術具マニピュレータ124を介して、ロボット医療器具127として鉗子や電子メス等を装着する。術具マニピュレータ124を介して装着された鉗子等の医療器具は術具マニピュレータ124の駆動によってその先端の姿勢が制御される。なお、本実施形態では、単にロボットアームという場合には、術具マニピュレータ124がロボットアームに含まれるものとする。また、ロボット医療器具127と術具マニピュレータ124とが別体である場合を例に説明するがロボット医療器具127と術具マニピュレータ124とが術具として一体化してもよい。

0022

ロボット側挿入深度計測部126は、ロボットアームがロボット側外套管125に挿入されたことを検知することができる。また、ロボット側外套管125に取り付けられる1つ以上の距離センサにより、水平ロボットアーム110又は直動ロボットアーム120によって制御されるロボット医療器具127の体腔への挿入深度を計測する。なお、ロボット側挿入深度計測部126は、ロボットアームがロボット側外套管125に挿入されたことが検知可能な構成だけであってもよい。この場合、ロボットアームのエンコーダからの出力に応じて位置姿勢の情報を得ることができる。また、ロボット側挿入深度計測部126は、送信機又は受信機のように、ロボット側外套管125とロボット医療器具127とに分離して取り付けられる構成であってもよいし、ロボット医療器具127にのみ取り付けられる構成であってもよい。

0023

術具動作計測部132は、例えば加速度センサ超音波センサ地磁気センサレーザセンサ光学式モーションキャプチャの1以上のセンサ又はこれらの組合せを含み、3軸から6軸の術具動作を読み取る。本実施形態では、術具動作計測部132は、例えば術者が操作する手持ち医療器具の体腔内への挿入角度を計測する。

0024

術者側挿入深度計測部136は、術者側外套管135に取り付けられる1つ以上の距離センサを含み、手持ち医療器具131の体腔内への挿入深度を計測する。本実施形態では、術者側挿入深度計測部136が術者側外套管135に取り付けられる例について説明する。しかし、術者側挿入深度計測部136は、送信機又は受信機のように、術者側外套管135と手持ち医療器具131とに分離して取り付けられる構成であってもよいし、手持ち医療器具131にのみ取り付けられる構成であってもよい。

0025

制御部201は、CPU或いはGPU等の1つ以上のプロセッサを含み、記録媒体204に格納されたプログラムをメモリ205に読み出して実行することにより、手術支援装置200の全体の動作を制御する。また、制御部201は、操作部202に対する操作に基づいて、手術支援装置の動作モードを切り替える切替手段として機能する。また、手持ち医療器具131のシャフトの体腔内への挿入角度と挿入深度に応じて、ロボット医療器具の姿勢を制御するように、ロボットアームの動作を制御する制御手段としても機能する。手術支援装置の操作モードは、処置のために手持ち医療器具131を操作して実際に処置を行うモード(単に処置モードともいう)と、手持ち医療器具131を用いてロボット医療器具127を操作するモード(単にロボット操作モードともいう)とを含む。また、詳細は後述するが、術者がロボットアームに対する接触を含む操作によりロボットアームを操作するモードを含む。

0026

操作部202は、例えば手持ち医療器具131に取り付けられるスイッチや、術者が足で操作可能なフットスイッチなどの操作部材を含む。操作部202は、更に、スイッチに代えて、音声による操作入力の可能な音声入力システムを含んでよい。制御部201は、操作部202からの入力に応じて、手術支援装置200内の動作モードの変更、制御対象のアームの変更、及び表示部203に表示する情報の変更を行う。例えば、術者は、操作部202を用いて制御対象となるアームを1つ選択することができる。

0027

このように、術者によって操作される手持ち医療器具131の動作に応じて、ロボット医療器具127を操作可能に構成することにより、従来の腹腔鏡手術では通常医師が3名で手術を行うところ、術具を操るような手術と同等の動作でありながら術者がロボットアームを操作して同様の手術を行うことが可能になる。

0028

(水平ロボットアーム110の詳細)
水平駆動関節部>
水平ロボットアーム110の詳細について図3から図8を参照して説明する。図3に示すように、水平ロボットアーム110の(第3アーム113の)先端部は、術具マニピュレータ124を取り付けることができる2軸のジンバル機構301を有する。図4には、水平ロボットアーム110の(第3アーム113の)先端部を拡大して示している。ジンバル機構301は、図4に示す2つの回転軸401及び402まわりに回転可能に構成され、これらの回転軸401及び402は、術具マニピュレータ124に取り付けられたロボット医療器具の術具シャフトの軸線403と交わる。ジンバル機構301は、動力部を持たない受動関節であるが、各回転軸まわりの回転を計測するエンコーダを備える。例えば、アブソリュートエンコーダを2軸とも備えることでロボット医療器具127の位置姿勢を、順運動学を用いて求めることが可能である。また、水平ロボットアーム110は、その動作時の微振動による影響や患者の呼吸による微小動きを抑制し、姿勢の安定化や特異姿勢回避機能を備えるための弾性機構(例えば回転方向におけるダンパ樹脂ばね金属ばね)或いは補助的な動力を用いることができる。

0029

第2アーム112内にある第3アーム駆動ユニット302は、第3アーム113を駆動する駆動モータと、無励磁作動ブレーキと、減速機とを含む。第3アーム113と第2アーム112は、水平方向回転にのみ自由度を持ち、第3アーム113は、第3アーム駆動ユニット302からタイミングベルト307で出力された動力を同じくタイミングプーリで受けることで能動回転を行うことができる。第2アーム112は、第3アーム113の第2アームに対する回転を計測するための第3アーム用センサユニット303を有する。第3アーム用センサユニット303は、第3アーム113と第2アーム112とが接続する関節部の回転軸まわりの回転位置を検出するためのエンコーダ及び他のセンサを含む。また、この関節部の回転軸には、ベアリング304を有する。

0030

第1アーム111は、第2アーム112をC型構造のフレームで支えている。これは片側に、モーメント許容できるベアリングを備える減速機305を配置し、その対に補助目的補助ベアリング306を配置することで、第3アーム113及び第2アーム112と術具マニピュレータ124及びロボット医療器具127との自重外力から発生するモーメント荷重を分散することができる。第1フレーム111内の第2アーム駆動ユニット309は、第2アーム112を回転させる動力を駆動ベルト310によって伝達し、第2アーム112を関節部(第3アーム113と第2アーム112との接続部)の回転軸まわりに回転させる。また、各機構部を第1フレーム111内に分配することで大きな中空構造を確保し、配線や第2アーム112の第1アーム111に対する回転位置を検出するエンコーダ308を取り付けることを可能としている。図3に示す例では、第1フレーム111内の下部にモーメントを許容できるベアリングが内蔵された減速機305を配置し、上部を中空構造としている例を説明したが、これらの配置は逆であってもよい。

0031

本実施形態では、水平ロボットアーム110の小型化のため、減速機305や第2アーム駆動ユニット309等の出力機構を扁平型にする場合を例に説明している。例えば、扁平型であっても高減速が可能な波動歯車減速機サイクロイド減速機モータ自体の出力を上げた扁平型モータ、又は関節部にそのまま取り付けられるダイレクトドライブモータを用いることができる。この4つ回転関節に使用されるベアリングはモーメントを許容しながら小型で構成できるようにするため、クロスローラーベアリングや4点ベアリングを用いることができる。

0032

<垂直駆動関節部>
図5は、水平ロボットアーム110の有する直動関節部を示している。この直動関節部は第3フレーム103に組み込まれる。第1アーム111を駆動する直動機構部には第1アーム111から第3アーム113の自重モーメントとアームが受ける外力を十分に許容でき、かつ滑らかな動きをさせるためのボールリニアガイド501を垂直方向に2つ並行に配置する。

0033

第1アーム111は、ボールリニアガイド501に取り付けられた支持ブロック502に固定される。第1アーム111を支持している支持ブロック502から伸び動力伝達プレート503にはタイミングベルト505が固定されており、ボールリニアガイド501と平行になるように配置されている。駆動モータ504が回転動力をタイミングベルト505に伝達してタイミングベルト505をタイミングプーリにより駆動することで、第1アームを支持する支持ブロック502を鉛直方向に能動的に進退させる。このとき、位置検出制御ユニット510は、エンコーダを含み、進退した駆動ベルト505の移動量に基づき、第1アーム111の鉛直方向の移動量を計測する。また、位置検出制御ユニット510は、ブレーキ機構を含み、支持ブロック502の動作(すなわち水平ロボットアーム110の直動運動)において姿勢を維持するようにブレーキを与える。なお、本実施形態では、ブレーキ機構を用いる例を説明するが、ブレーキ機構を使用しないようにしてもよい。その場合、例えば、姿勢を維持するための駆動力を駆動モータ504が発生させた状態を維持する。動力伝達プレート503には、支持プーリ511に支持される牽引ワイヤ506によってカウンターウェイト507が接続されている。

0034

カウンターウェイト507は、第1アーム111から第3アーム113と術具マニピュレータ124とロボット医療器具127との自重を補償することにより、これらを駆動する駆動モータ504の出力を抑えることができる。より具体的に本実施形態に係るカウンターウェイト507について説明する。水平ロボットアーム110は、術者による手持ち医療器具からの操作だけでなく、手術準備や非常時用には、手動で直接移動できるようにする必要がある。このとき、水平駆動関節部はブレーキを解除するだけで人手によって容易に動かすことが可能であるが、垂直駆動関節は、ブレーキを解除すると水平ロボットアーム110の多大な重量を人手で保持しなければならない。そのため、図5に示した垂直駆動関節部には各部品の自重補償をするカウンターウェイト507を備えることで、駆動部品への出力緩和と、ロボットアームの重量を感じることなく手動で移動することを可能としている。なお、カウンターウェイト507の使用は必須ではなく、定荷重バネを用いる構成でもよい。

0035

なお、ロボットアームを手動で動作させるようにするためには、プログラムによりロボットアームの自重分だけを垂直軸方向に出力するアシストシステムでも可能ではあるが、システムダウンした場合は手動で移動させることが困難になる可能性がある。それに対し、カウンターウェイト507は、ブレーキ解除とモータの電源供給を切る論理回路により、システムとは切り離すことでシステム異常が起きても手動での移動を可能にする目的もある。

0036

第3フレーム113は、2つの平行に配置されたボールリニアガイド501の間に、信号線動力線を第3アーム113に接続するための、配線の直線運動を補助するケーブルガイド509を備える。

0037

なお、図5に示す直動機構は出力側からの操作(バックドライブアビリティ)が容易に行えるよう高効率であるタイミングベルトプーリを用いているが、リードの大きなボールねじや、高効率のすべりねじであってもよい。

0038

<ブレーキ解除スイッチ付きグリップ>
状況に応じてロボットアームを手動で移動可能にするための自重補償機構(カウンターウェイト507)に加え、本実施形態に係る水平ロボットアーム110は、ロボットアームの手動操作を容易に扱うためのブレーキ解除スイッチ311を備える。ブレーキ解除スイッチ311は、図6に示すように、片手で握った状態でロボットアームを鉛直方向及び水平方向に移動させることが可能なスイッチ付グリップを構成する。後述するように、このブレーキ解除スイッチ311は、ロボットアームが操作者に対して様々な姿勢に変化しても、操作者がほぼ一定の姿勢でスイッチを押下することができるように、多方向からスイッチを押下可能に構成されている。

0039

ブレーキ解除スイッチ311は、第3アーム113の先端部に配置される。ブレーキ解除スイッチ311は、水平ロボットアーム110の各関節部に取り付けられている保持ブレーキを解除するスイッチ、術者などが握るための円筒状のグリップを備えている。

0040

ロボットアームの姿勢を維持するためのブレーキは、安全面からこのブレーキ解除スイッチ311が押されている間のみ解除される。なお、ブレーキの代わりに、姿勢を維持するための駆動力を一時的に低下させるような構成であってもよい。このようなブレーキを実現するため、本実施形態に係るブレーキ解除スイッチ311は、術者が水平ロボットアーム110の先端部を移動させるための力を付加しながらスイッチを安定的に押し続けられる構造となっている。図6(a)に示すブレーキ解除スイッチ311は、図6(b)に示すように術者が手で掴むことで水平ロボットアーム110の水平方向の移動と、当該移動に伴う水平方向回転の滑り、そして水平ロボットアーム110に対する上下方向への力の付加を容易に行うことができる形状である。水平方向回転の滑りを許容しながらもスイッチを安定的に押すため、図7に示すように、スイッチがブレーキ解除スイッチ311の円筒部円周上に配置されている。

0041

本実施形態に係るブレーキ解除スイッチ311のグリップは円筒形状に構成され、術者が親指中指、又は親指と人差し指で挟むように把持することが想定される。この場合、水平ロボットアーム110が水平方向に移動された場合のグリップの回転の滑りを許容するため、2本指でほぼ平行に挟まれる接触をどの方向からでも反応できる機構を有する。操作者は、ブレーキ解除スイッチ311全体を覆う(5本の指が円筒部に接する)ように握ることもできる。

0042

図7(a)〜図7(c)は、ブレーキ解除スイッチ311を鉛直方向から見た場合の内部構造を示している。図7(a)に示す例では、一般的なタクトスイッチ701を円等配で配置し、その外周を回転支点703を持つレバー702で囲ったものである。レバー702は、支点から最も離れた位置ほど押し込み量が多く、タクトスイッチ701を押す方向に力が加わりやすいが、回転支点に近付くと相対したタクトスイッチ701を押す力が小さくなる。そのため、タクトスイッチ701とレバー702との組を3つ以上の奇数個で等間隔に配置することで、どの方向からグリップを把持されても2本指のどちらかによってタクトスイッチ701を押下することが可能となる。

0043

なお、レバー702は回転支点を持つものだけでなく、平行にグリップ中心に向かって押し込まれるものであっても動作可能であるが、上述のように3つ以上の奇数個のレバーを配置することが望ましい。

0044

図7(b)は、3つ以上の奇数個で等間隔にタクトスイッチ701を配置し、その外周を弾性樹脂705で囲うことによって、どの方向からグリップを把持されてもタクトスイッチ701が押されるようにしたものである。この例では、良好なスイッチの感度を有するように、タクトスイッチ701の数を図7(a)に示した例よりも多くしている。図7(c)に示す例では、一般的な帯状感圧スイッチ704(加圧によって抵抗値が変化するもの)を円筒に配置し、その外周を弾性樹脂705で囲うことによって、どの方向からグリップを把持されてもスイッチが押すことが可能なものである。

0045

<ベクトル操作モード>
図6及び図7で示したブレーキ解除スイッチ311は、水平ロボットアーム110を大きく動かす場合やロボット医療器具127がロボット側外套管125に挿入された後であれば、ロボットアームの操作を容易にする。一方、ロボット医療器具127の先端部がロボット側外套管125に挿入されていない状態では、2軸のジンバル機構301が受動関節であるため、術具マニピュレータ124及びロボット医療器具127の向きが安定しない。このため、ロボット医療器具127をロボット側外套管125に挿入する際には操作が困難になる場合がある。

0046

そのため、本実施形態では、図8に示すような2軸のジンバル機構301の先である術具マニピュレータ124側に2つの入力スイッチを設け、当該入力スイッチに対する操作に基づいてロボットアーム全体を操作可能とするベクトル操作モードを備える。

0047

2つの入力スイッチは前後方向のみを表したものであり、術者は、2軸のジンバル機構301より先を手で支持しながら(接触しながら)この前後スイッチのどちらかを押して指示を出すことができる。水平ロボットアーム110は、ロボット医療器具127のシャフトの軸線上の、押された方向と合致する方向にロボットアームの先端を移動させる。そのため、術具マニピュレータ124が2軸のジンバル機構301を手動操作するための操作手段として機能することで、ロボットアーム全体の進行方向を決めることができる。換言すれば、水平ロボットアーム110は、ロボット医療器具127のシャフトの軸方向と、スイッチに対する指示がシャフトの軸方向のいずれの向きを示すかに従って動作を制御する。これにより、ロボット医療器具127の先端部をロボット側外套管125へ容易かつ円滑に挿入することが可能になる。また、ロボット医療器具127の先端を体腔内から抜去する場合にも、このベクトル操作モードを使うことで、臓器への接触を最小限に抑えた抜去動作をすることが可能になる。

0048

なお、上述の例では、水平ロボットアーム110においてブレーキ解除スイッチ311とベクトル操作モードを用いる例を説明したが、内視鏡ホルダ114や直動ロボットアーム120を用いる場合にも適用可能である。

0049

図3図5で上述した機構は、当該機構に術具マニピュレータ124及びロボット医療器具127を接続することで、図9に示す5軸の機構等価モデルとなる。この5軸の自由度を持ったロボット医療器具127の先端部を患者の腹部に取り付けられた外套管に挿入することで、2軸の自由度が固定される。このため、挿入点901を挿入深度及び挿入角度の基準点としながらロボット医療器具127の先端部の位置を患者の体腔内で3次元的に制御することが可能になる。

0050

(直動ロボットアームの詳細)
直動駆動関節部>
直動ロボットアーム120の詳細について、図10図12を参照して説明する。図10に示すように、第3アーム123と第2アーム123とは、自重モーメントと直動ロボットアーム120が受ける外力を十分に許容でき、かつ滑らかな動きをさせるため、水平方向に2つの平行に配置されたボールリニアガイド1001で接続されている。

0051

第3アーム123の駆動は、第2アーム122側に固定されている、減速機とモータを含む駆動ユニット1002によってなされる。もう一端が第3アーム123の末端に固定され、水平方向に直動することができる。第3アームセンサユニット1008は、駆動ユニット1002によって駆動された第3アーム駆動ベルト1009の変化に基づき、第3アーム123の進退動作を計測する。このタイミングベルトプーリと、配線の直線運動を補助するケーブルガイドは第2アーム122及び第3アーム123に内包される形で配置されている。2つの平行に配置されたボールリニアガイド1001の間に、信号線と動力線を第3アーム123に接続するための、配線の直線運動を補助するケーブルガイド1010を備える。

0052

第3アーム123の先端には、水平ロボットアーム110と同様にエンコーダを有する2軸のジンバル機構1003が取り付けられており、その軸線上に内視鏡ホルダ114を取り付けることができる。この内視鏡ホルダ114は、一般的に使用されている内視鏡1004を取付けられるように構成されている。必要に応じて内視鏡形状に合わせた内視鏡ホルダ114を用いることで、様々な製造元、機能、形状の内視鏡を手術支援装置に取り付けることを可能にする。また、第3アーム123の先端付近には、ブレーキ解除スイッチ1011が配置されている。

0053

モーメントが許容できる接続ベアリング1005を介して取り付けられた第1アーム接続プレート1006に減速機1007が備わっており、第2アーム駆動モータ1012の動力をタイミングベルトプーリによって伝達することで、鉛直方向の回転軸まわりに水平方向回転を可能としている。なお、第1接続プレート1006を介さず、第1アーム121と第2アーム122の接続部にモーメントを許容できる中空構造の減速機を直接取り付けてもよい。

0054

第3アーム123の先端部にある2軸のジンバル機構1003は、水平ロボットアーム110と同様に動力部を持たない受動関節であるが、アブソリュートエンコーダを2軸とも備えることでロボット医療器具127の位置を順運動学を用いて求めることができる。また、ロボットアーム動作時の微振動による影響や患者の呼吸による微小な動きを抑制するため、弾性機構(回転方向におけるダンパや樹脂ばね、金属ばね)、または補助的な動力を用いて姿勢の安定化や特異姿勢の回避機能を有していても良い。

0055

<垂直駆動関節部>
次に、図11を参照して、直動ロボットアーム120の垂直駆動関節部について説明する。第1アーム121はナット回転型のボールねじによって駆動する。そのため、ボールねじシャフト1101は第2フレーム102に固定され、駆動側である第1アーム121の下部に、回転を可能とするナットと、それを駆動するモータ、減速機、エンコーダを備える駆動ユニット1102を有する。このナット回転型ボールねじは一般的に使用されている機構部品を用いることができる。

0056

第1アーム121は水平ロボットアーム110と同様、ワイヤで接続された自重補償するためカウンターウェイト1103を備えることで、駆動ユニット1102におけるモータの出力を抑え、かつ直接接触する手動操作でロボットアームを容易に動かすことを可能にする。カウンターウェイト1103は支持プーリ1106等を介して第2フレーム102に2つないし複数に分割し配置することで、ワイヤの安全性を高めながら装置全体の小型化にも効果を奏する。第2フレーム102から第1アーム121に伸びるケーブル等の運動はケーブルガイド1105によって補助される。なお、カウンターウェイト1103の使用は必須ではなく、定荷重バネを用いる構成でもよい。

0057

第1アーム121は、接続部1104を介して第2アーム122と接続され、第2アーム122は、接続部1104において鉛直方向の軸まわりに回転可能に接続されている。

0058

図10から図11に示した直動ロボットアーム120の機構に内視鏡ホルダ114を介して内視鏡1004を接続することで、図12に示すような5軸の機構等価モデルとなる。この5軸の自由度を持った内視鏡先端部を患者腹部に取り付けられたロボット側外套管125に挿入することで、2軸の自由度が固定され、挿入点を回転中心としながら内視鏡の先端部の位置を体腔内で3次元的に制御することができる。

0059

(ねじ軸の共有化)
腹腔鏡手術が適用される疾患は多岐にわたり、その術式も多様なものである。図1(b)に示した手術台151の高さは術式、患者体型、術者の身長などによって最大500mm程度垂直方向に移動できるものがある。本実施形態に係る手術支援装置も状況の変化によって変化する手術台高さに対応できる動作量の確保を行うことができる。

0060

一般に、広い動作量を確保するためには装置全体の高さが高くなってしまう。しかし、手術台の高さは術中常時移動するのではなく、手術開始に上記術式等の要因で決定され、術中の移動は多くない。そのため、以下で説明する本実施形態では、術中に常時可動する動作範囲と、手術台の高さに合わせて変化させる動作範囲を機構的に分離しかつ共有化することで、装置サイズを抑えながら十分な動作範囲を確保できるようにしている。具体的に、図13には、本実施形態に係る、2つのフレーム(第2フレーム102、第3フレーム103)と直動ロボットアーム120の第1アーム121との関係を模式的に示している。また、図14(a)には、第3フレームに水平ロボットアーム110を取り付けた様子を示している。

0061

例えば、水平ロボットアーム110の垂直駆動関節部に手術台151の高さの変位と術具マニピュレータの動作範囲を合算した動作範囲を確保しようとすると、背の高いフレームが必要となり、それに付随して直動ロボットアーム120の高さも高くなってしまう。そのため、手術台の高さの変位には第3フレーム103を上下させて高さを調整する。そして、手持ち医療器具131の動作の制御には、第3フレーム103に接続された2つの水平ロボットアーム110(すなわち第1アーム111)を個別に垂直方向へ動作させることで、2段階のストロークを確保できる。図13及び図14(a)から明らかなように、第3フレーム103と直動ロボットアーム120の第1アーム121とを共通の支持部材に進退可能に取り付けることで、高さ方向だけではなく装置全体を小型化することができる。

0062

図14(b)には、本実施形態に係る各フレームの断面図を示している。第3フレーム103と直動ロボットアーム120の第1アーム121は、倒れ方向のモーメントに対し高い剛性を保ちつつ重ねて配置することが可能なようにコの字形状になっている。更に、装置の中心にボールねじシャフト1101を配置して部品を共有化することで装置の小型化を実現することができる。

0063

一般に、多くのボールねじは軸端にベアリングを取り付け、駆動側にナットを固定し、ねじ軸を回転させることで直動運動をさせる。これに対し、本実施形態では、1つのねじシャフト1101を用いて2つの直動運動(すなわち第3フレームと第1アーム121の直動運動)を可能にするため、ナット回転型ボールねじを用いる。ねじ軸を共有化することにより、第3フレーム103が上昇すると追従して直動ロボットアーム120の第1アーム121も上昇するため、第1アーム121の下限の動作範囲が狭くなる。しかし、直動ロボットアーム120第1アームも手術台151の高さに合わせ下限の動作範囲を必要としなくなるため、実際上の問題は生じない。すなわち、第3フレームと第1アーム121の直動運動において、1つのねじシャフト1101を共有することにより、手術に必要なロボットアームの可動範囲を制約するような実際上の不都合を生じさせることなく、承知の小型化や低コスト化を実現することができる。

0064

(各ロボットアームの動作範囲)
図15(a)及び(b)に示す部分的な球状の範囲1501〜1503は、ロボット医療器具127を体腔に挿入する場合における各ロボットアームのアーム先端部の可動範囲の例を表している。この球状の範囲の中心は患者腹部の外套管を挿入した位置であり、球状の範囲の表面にあたる軌跡は、ロボット医療器具127の先端部がロボット側外套管125から最も引抜かれた位置でのアーム先端部を表現したものである。ロボットアーム単独の可動範囲はこれとは異なるが、ロボット医療器具127のシャフトの長さ以上にアーム先端を外套管挿入位置から離すと術具先端部が外套管から引き抜かれてしまうため、図に示す球状の範囲がロボット医療器具127の挿入時におけるアーム先端部の最大の可動範囲を示している。

0065

ロボット医療器具127の外套管への挿入点1504の直上における空間1505は2軸のジンバル機構301の特異姿勢になるため可動範囲から除かれている。内視鏡1004を支持する直動ロボットアーム120も同様の可動範囲(例えば1503)を持つが、水平ロボットアーム110との可動範囲の干渉を最小限に抑えるため、対称形状の球状の範囲動作範囲を持っている。実際の術式ではこの動作範囲を常時動作するのではなく、下腹部上腹部などに集中して行われるため、この球状の範囲のさらに半分程度の形状の範囲が常時動作範囲になると考えられる。図15(a)に示すように、アーム先端部の可動範囲は重なりが多いため、垂直平面に対して対称構造を持つ水平ロボットアーム110が適しており、それらの可動範囲を避けるように内視鏡1004を支持できるアームには、垂直ロボットアーム120が適している。

0066

また、術具挿入時におけるロボットアームの先端部の可動範囲から各ロボットアームの干渉を抑える構成は、上述の図1(b)から明らかなように、手持ち医療器具131を用いて処置を行ったり、ロボット医療器具127を支持するロボットアームを操作したりする術者の手腕への干渉を避け、同時に十分な動作範囲を確保することができる。なお、内視鏡1004を支持する直動ロボットアーム120も同様の可動範囲(1503)の可動範囲は術者側の手元を含む場合があるが、内視鏡は手持ち医療器具131の先端を移すように移動するため、内視鏡の方向と手持ち医療器具131の方向が一致する。すなわち、内視鏡の方向と手持ち医療器具131の干渉は抑えられる。

0067

なお、図15で示した可動範囲は一例であって、厳密にこの範囲である必要はなく、ロボットアームの機械的動作限界範囲のなかで術式などに合わせて縮小、拡大、変形され得る。

0068

(能動関節を有するロボットアームの故障検知システム
上述の手術支援装置200は、各ロボットアームの能動関節部に対する故障検知システムを更に備えてもよい。故障検知システムの実現には、各ロボットアームを駆動する全モータにはインクリメンタル型エンコーダを有するサーボモータを使用する。また、減速機の入力側、または出力側に無励磁作動型ブレーキを備え、かつ出力側にアブソリュートエンコーダを備えるようにすればよい。

0069

このようにすれば、ロボットアームに動作指示を与えた際に、モータの指令値に対し出力側の動作量に差異を検出したか否かを判定すればよい。差異を検出したと判定した場合、モータから減速機間における動力伝達異常、減速機の破損、減速機から最終出力軸における動力伝達異常を検出することができる。なお、ここでいう動力伝達は、例えばギヤ、タイミングベルトプーリ、ボールねじ、ワイヤを含む。

0070

一方、ロボットアームへ動作指示を与えていない待機状態であっても、ロボットアームに外力を与える場合、出力側エンコーダとモータエンコーダに差異を検出できる。このため、外力が与えられた際に出力側エンコーダとモータエンコーダに差異を検出したかを判定し、差異を検出したと判定した場合にロボットアームの外部接触等の異常を検出する。

0071

(イニシャライズ処理)
本実施形態の各ロボットアームは受動関節を有している。このため、図9及び図12で上述したように、術具を患者腹部に取付けられた外套管に挿入し、挿入点901を決定することにより、例えば制御部201が体腔内でのロボット医療器具127の先端の位置を演算、特定することが可能になる。例えば、図16に示すように各ロボットアームを所定の手順でイニシャライズ処理を行うことにより、挿入した外套管を割付ける作業と、ロボットアームの制御に必要な挿入点901の位置情報を取得することができる。

0072

イニシャライズ処理の一連の動作について図17を参照して説明する。なお、図17に示すイニシャライズモードの動作は、制御部201が記録媒体204に格納されたプログラムをメモリ205に展開、実行することにより実行される。このイニシャライズ処理は、例えば、術者による(例えばフットスイッチなどの)操作部202に対する操作によって、手術支援装置の動作モードが予めイニシャライズモードに設定された状態で開始される。

0073

S1701において、制御部201は、ロボット側外套管125に挿入されていない第1のロボットアームのブレーキ解除スイッチ311又はベクトル操作スイッチ801に対する術者の接触による指示(例えばスイッチ押下)を検出する。

0074

S1702において、制御部201は、イニシャライズモードに対応するロボットアームの制御を行う。制御部201は、押されたスイッチに応じて、イニシャライズモードに含まれる、ブレーキ解除モードとベクトル操作モードのいずれかに切り替わってもよい。例えば、制御部201は、ブレーキ解除スイッチ311が押された場合には、動作モードをブレーキ解除モードに設定し、対象となるロボットアームのブレーキを解除するようにロボットアームを制御する。制御部201は、ベクトル操作スイッチ801が押された場合には、動作モードをベクトル操作モードに切り替えて、ベクトル操作スイッチ801に対する指示に応じてロボットアームを制御する。

0075

S1703において、制御部201は、特定のロボットアームに対するイニシャライズモード時において、他のロボットアームのブレーキ解除スイッチ311又はベクトル操作スイッチ801が押下されたかを判定する。制御部201は、他のロボットアームのブレーキ解除スイッチ311又はベクトル操作スイッチ801が押下されたと判定した場合はS1703に進み、そうでない場合には、S1704に進む。

0076

S1704において、制御部201は、イニシャライズモードでは、1つのロボットアームごとにロボットアームを動かすよう警告するメッセージを表示部203に表示する。この警告は、表示部203に表示するものに限らず、不図示の音声出力部から警告音を発生させてもよいし、操作された他のロボットアームに触覚フィードバックを与えてもよい。

0077

S1705において、制御部201は、ロボット側挿入深度計測部126からの出力に基づいて、ロボット側外套管125へのロボット医療器具127の挿入を監視する。

0078

S1706において、制御部201は、術者による手動操作(ブレーキ解除スイッチ311を含むグリップに対する操作やベクトル操作スイッチ801に対する操作)に応じてロボットアームの動作を制御し、ロボット医療器具127をロボット側外套管125に挿入する。

0079

S1707において、制御部201は、ロボット側挿入深度計測部126からロボット医療器具127が未挿入のロボット側外套管125に挿入されたことを検知する。S1708において、制御部201は、手動操作されたロボットアームと挿入を検知したロボット側外套管125とを対応付ける。

0080

S1709において、制御部201は、対応付けられたロボット側外套管125からの信号に基づいて、ロボット側外套管125からロボットアームが抜去されたかを判定する。ロボットアームが抜去されたと判定した場合、S1710に進み、そうでない場合はS1711に進む。S1710において、制御部201は、イニシャライズ処理が完了するまでロボットアームを抜去しないよう警告メッセージを表示部203に表示する。

0081

S1711において、制御部201は、挿入点901の位置を算出する。挿入点の位置の算出については、後述する。S1712において、制御部201は、全てのロボット側外套管125にロボットアームが対応付けられたかを判定し、全てのロボット側外套管125にロボットアームが対応付けられていないと判定した場合、S1701に戻る。一方、全てのロボット側外套管125にロボットアームが対応付けられたと判定した場合、手術支援装置の動作モードを元の動作モードに切り替えて、イニシャライズ処理を終了する。

0082

なお、イニシャライズ処理のS1711における、挿入点901の算出方法の例について2つの方法を示す。1つは、挿入検知センサとしても動作するロボット側挿入深度計測部によって検知された、ロボット医療器具127の位置を挿入点とする。このようにすることで、制御部201は、各リンク長、術具長、関節角から、順運動学を用いてロボット座標系における挿入点の位置を算出することが可能である。

0083

もう1つの方法としては、術具マニピュレータの姿勢から計算するものである。図18に示すように、ある2つの姿勢におけるジンバル機構の回転中心をP1およびQ1、そのときのロボット医療器具127の先端座標をP2およびQ2とする。理想的にはこれらの各姿勢において回転中心は一致するはずであるが、腹壁のたわみ等によって図18に示すようにねじれの位置となる。そこで、本方法では、これらの姿勢の間の点xを挿入点(回転中心)として用いる。

0084

挿入点xの座標を求めるために、各直線から下した垂線が交わる点S1およびS2を以下の式に従って算出する。



ここで、n1およびn2は術具マニピュレータの姿勢を表す単位ベクトルを、PQ11はP1からQ1へ向かうベクトルを表す。

0085

点S1とS2が求まると、その間の点xは



に従って求めることができる。より多くの姿勢から回転中心の位置を求める場合でも、ここで求めた方法と同様の方法で各中間の点を求め、それらを平均するなどして回転中心として使用することができる。

0086

制御部201は、S1711において、上記算出方法の内の1つないし両方を用いて挿入点の位置を算出する。これにより、制御部201は、手術支援装置200が持つ空間座標(ロボット座標系)上でロボット側外套管125の位置を特定し、手持ち医療器具の体腔への挿入角度と挿入深度に応じて各ロボットアームの動作を制御することができるようになる。

0087

なお、挿入点は、患者腹膜微動などにより、術中にロボット座標系において変動してしまう可能性がある。しかし、本実施形態では、ロボットアームが受動関節の2軸のジンバル機構301を有しているため、(RCM(Remote Center of Motion)機構で挿入点を支持するロボットアームと異なり、)挿入点の微動に追従、検知することが可能である。挿入点の位置が変動する場合、制御部201が図18に示した算出方法を、手持ち術具を用いてロボットアームを制御するループにおいて所定の時間間隔で実行することで、挿入点901のロボット座標系におけるズレを随時修正することができる。すなわち、ロボット医療器具127の先端部の操作精度を高いまま保つことができる。

0088

なお、術者側外套管135については、ロボット側外套管125の挿入点の位置を特定する方法とは別個の方法で行い得るが、ロボット側外套管125に差し込むロボットアームを用いて行ってもよい。例えば、各ロボットアームと対応するロボット側外套管125のイニシャライズ後に、2つあるうちのどちらかのロボット医療器具127を割付けた外套管から抜去し、術者側外套管135に挿入する。このようにすることで、ロボット座標系における術者側外套管135の位置情報を取得することができる。

0089

半自動牽引モード
上述のように手術支援装置200は、術者の手術手技を、ロボットアームを用いて補助するために使用される。例えば、手術支援装置200を用いれば、ロボット医療器具127で臓器を把持してその場に固定することで術野を確保したり、ロボット医療器具127に針糸を持たせて運針等を行ったり、内視鏡を意図した位置に移動させたりすることができる。

0090

ここでは、手術支援装置200の半自動牽引モードについて、ロボット医療器具127が臓器を牽引して固定されている状態を例に説明する。術者は臓器に対して何らかの処置(一般的には切離等)を施していくが、ロボット医療器具127が空間的に固定されたままであるため、切離が進行して臓器の形状が変化すると次第に牽引力が弱まってしまう場合がある。人間が助手として牽引する際と同様に、術者による手術の進行、状況に合わせて臓器に対する牽引力を簡便に調整可能であれば、より円滑に手術を遂行することが可能になる。

0091

そこで、手術支援装置200の半自動牽引モードでは、ロボット医療器具127を用いる際の牽引力を簡便に調整可能にする。なお、術者は手術支援装置200の動作モードを半自動牽引モードに切り替えるために、操作部202に含まれる手持ち医療器具131に取り付けられたスイッチを用いる場合を例に説明するが、他の操作手段を用いてもよく、切り替えは物理的なスイッチに限らず、音声認識ジェスチャ認識に基づくものであってもよい。

0092

まず、術者は、例えば処置に用いる術具を用いてロボットアームを制御し、ロボット医療器具127によって臓器を牽引させる。このとき、制御部201は、ロボット医療器具127の先端座標の軌跡を、ロボット医療器具127に対する操作開始から終了までに渡ってメモリ205に一時的に記録する。制御部201は、記録した軌跡から、操作終了の直前に移動していた方向(牽引方向という)を算出する。但し、牽引方向としては最後のサンプリングで得られた方向だけでなく、操作終了直前の所定期間の先端位置の移動を積分して求めた或いは平均して求めた方向でもよい。

0093

制御部201は、半自動牽引モードへの切り替え操作を検知したことに応じて、ロボット医療器具127の先端座標が牽引方向と一致する一定の方向のみに動くようにロボットアームを制御する(医療器具127の先端位置の移動を制限する)。すなわち、術具を用いてロボット医療器具127の先端位置を制御する通常の動作モードでは、6自由度の位置決めを術具による操作で行なう必要があるが、半自動牽引モードを用いれば1自由度の操作をするだけで牽引力の調整が可能となる。

0094

半自動牽引モードにおいて先端位置を牽引方向に移動させる大きさや速さの調整については、術具を用いた操作に限らず、操作部202のフットスイッチ等を用いてもよいし、新たにスイッチ等を付け足しても良い。例えば、制御部201は、半自動牽引モードにおいて、術者が持つ術具がシャフト周り右回転したことを検知すると牽引力を強くする方向に、左回転させたことを検知すると牽引力を弱くする方向に、制御してもよい。1自由度の速度を変化させられる方法であれば他の方法であってもよい。

0095

以上説明したように、本実施形態に係る手術支援装置では、体腔に挿入され且つ機械的に駆動可能なロボット医療器具127の姿勢を、体腔に挿入される手持ち医療器具131を用いて制御可能にした。そして、手術支援装置の動作モードがロボットアームを操作するモードである場合、手持ち術具の姿勢に応じてロボットアームの動作を制御する。その一方、動作モードが手動操作モードである場合、ロボットアームに対する手動操作に応じてロボットアームの動作を制御するようにした。このようにすることで、手術室への設置が困難なコンソールを必要とせず、かつ簡便な操作でロボットアームを操作可能な手術支援装置を提供することが可能になる。また、最低限の術者によって操作可能になるため、ロボットアームと術者との干渉も低減される。

0096

更に、水平ロボットアームを装着するフレームと直動ロボットアームの鉛直方向の進退とを共通の支持部材を用いて実現するようにした。このようにすることで、手術支援装置を小型化、低コスト化することができるようになる。

0097

なお、上述した手術支援装置の構成のそれぞれが分離され又は統合された構成として実現されてもよい。また、本発明は、上述した処理を実行するコンピュータのプログラムを、1つ以上のプロセッサを含む制御部が記録媒体から読み出して実行する場合のほか、当該プログラムを有線通信又は無線通信を介して取得して実行する場合を含み得る。

0098

110…水平ロボットアーム、120…直動ロボットアーム、126…ロボット側挿入深度計測部、131…手持ち医療器具、132…術具動作計測部、136…術者側挿入深度計測部、201…制御部

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