特開 2024-84018 医療用骨穿刺針の把持装置、医療用骨穿刺ツール、医療用骨穿刺針の制御装置、医療用骨穿刺針を用いた骨穿刺方法及び医療用骨穿刺ツールシステム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024084018

(43)【公開日】2024-06-24

(54)【発明の名称】医療用骨穿刺針の把持装置、医療用骨穿刺ツール、医療用骨穿刺針の制御装置、医療用骨穿刺針を用いた骨穿刺方法及び医療用骨穿刺ツールシステム

(51)【国際特許分類】

   A61B 34/35 20160101AFI20240617BHJP

   A61B 6/03 20060101ALI20240617BHJP

   A61B 17/56 20060101ALI20240617BHJP

   A61B 17/34 20060101ALI20240617BHJP

【ＦＩ】

A61B34/35

A61B6/03 377

A61B17/56

A61B17/34

【審査請求】未請求

【請求項の数】18

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022198174

(22)【出願日】2022-12-12

(71)【出願人】

【識別番号】522483459

【氏名又は名称】イメージング＆ロボティクス株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001519

【氏名又は名称】弁理士法人太陽国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】谷本 圭司

(72)【発明者】

【氏名】亀川 哲志

(72)【発明者】

【氏名】松野 隆幸

(72)【発明者】

【氏名】平木 隆夫

(72)【発明者】

【氏名】松井 裕輔

(72)【発明者】

【氏名】譯樋 健

【テーマコード（参考）】

4C093

4C160

【Ｆターム（参考）】

4C093AA22

4C093BA17

4C093FA06

4C160FF47

4C160LL09

4C160LL39

4C160LL42

(57)【要約】

【課題】従来技術と比較して、骨穿刺を行うに際して術者の被ばくを低減させる。また、従来技術と比較して、骨穿刺を行うに際して遠隔操作による骨穿刺針の位置決め、把持、開放を容易にかつ確実に行えるようにする。また、従来技術と比較して、骨穿刺を行うに際して力の調整を精度よく確実に行えるようにする。
【解決手段】医療用骨穿刺針の把持装置は、骨穿刺針を針軸周りに回転可能に、当該骨穿刺針の基端部を保持する回転部と、記回転部を駆動する回転駆動部と、骨穿刺針を針軸周りに回転可能に回転部を把持する把持部と、を備えている。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

骨穿刺針を針軸周りに回転可能に、当該骨穿刺針の基端部を保持する回転部と、
前記回転部を駆動する回転駆動部と、
前記骨穿刺針を針軸周りに回転可能に前記回転部を把持する把持部と、
を備えた医療用骨穿刺針の把持装置。

【請求項2】

前記把持部は、前記回転部の外周面を回転可能に把持する、
請求項１に記載の医療用骨穿刺針の把持装置。

【請求項3】

前記把持部は、前記回転部の摺動面を摺動可能に把持する、
請求項１に記載の医療用骨穿刺針の把持装置。

【請求項4】

前記把持部は、第１及び第２のフィンガを含み、前記第１及び第２のフィンガを、前記回転部を挟持する方向に移動させることで前記回転部を把持し、前記第１及び第２のフィンガを、前記回転部から離間する方向に移動させることで前記回転部を開放する、
請求項１に記載の医療用骨穿刺針の把持装置。

【請求項5】

骨穿刺針を針軸周りに回転可能に、当該骨穿刺針の基端部を保持する回転部と、
前記回転部を駆動する回転駆動部と、
前記骨穿刺針を針軸周りに回転可能に前記回転部を把持する把持部と、
前記把持部が装着されたアーム部と、
骨穿刺針を穿刺軸方向に移動させる穿刺駆動部と、
を備えた医療用骨穿刺ツール。

【請求項6】

前記把持部は、前記回転部の外周面を回転可能に把持する、
請求項５に記載の医療用骨穿刺ツール。

【請求項7】

前記把持部は、前記回転部の摺動面を摺動可能に把持する、
請求項５に記載の医療用骨穿刺ツール。

【請求項8】

前記把持部は、第１及び第２のフィンガを含み、前記第１及び第２のフィンガを、前記回転部を挟持する方向に移動させることで前記回転部を把持し、前記第１及び第２のフィンガを、前記回転部から離間する方向に移動させることで前記回転部を開放する、
請求項５に記載の医療用骨穿刺ツール。

【請求項9】

前記回転駆動部の回転駆動力を前記回転部に伝動する伝動部、
を備えた請求項５に記載の医療用骨穿刺ツール。

【請求項10】

骨穿刺針を骨穿刺開始位置から穿刺軸方向に移動させる穿刺駆動部と、
骨穿刺針を針軸周りに回転させる回転駆動部と、
骨穿刺針の穿刺軸方向の反力を検出する反力検出部と、
前記反力検出部で検出された反力が制御開始値に達してから、当該制御開始値よりも高い上限値に達するまでの移動速度制御区間では、骨穿刺針の穿刺軸方向の移動速度を、検出された反力が大きくなるほど低くなる所定の移動速度に調整すると共に、骨穿刺針の針軸周りの回転速度を、所定の回転速度に調整する穿刺制御部と、
を備えた医療用骨穿刺針の制御装置。

【請求項11】

骨穿刺針を骨穿刺開始位置から穿刺軸方向に移動させる穿刺駆動部と、
骨穿刺針を針軸周りに回転させる回転駆動部と、
骨穿刺針の穿刺軸方向の反力を検出する反力検出部と、
前記骨穿刺開始位置から、前記反力検出部で検出された反力が制御開始値に達するまでの第１の移動区間では、骨穿刺針の穿刺軸方向の移動速度を第１の移動速度に調整し、
前記反力検出部で検出された反力が前記制御開始値に達してから、当該制御開始値よりも高い上限値に達するまでの第２の移動区間では、骨穿刺針の穿刺軸方向の移動速度を、前記第１の移動速度以下であって、検出された反力が大きくなるほど低くなる第２の移動速度に調整すると共に、骨穿刺針の針軸周りの回転速度を、所定の回転速度に調整し、
前記反力検出部で検出された反力が前記上限値に達した時点で、骨穿刺針の穿刺軸方向への移動を停止させる穿刺制御部と、
を備えた医療用骨穿刺針の制御装置。

【請求項12】

前記穿刺制御部は、前記反力検出部で検出された反力が前記上限値に達した時点で、骨穿刺針の穿刺軸方向への移動を停止させ、その後に、骨穿刺針の穿刺軸方向への移動を再開し、骨穿刺針の穿刺軸方向の移動速度を、検出された反力が小さくなるほど高くなる第３の移動速度に調整し、
骨穿刺針が穿刺軸方向の目標位置に達した時点で、骨穿刺針の穿刺軸方向への移動を停止させる、
請求項１１に記載の医療用骨穿刺針の制御装置。

【請求項13】

前記反力検出部で検出された反力が前記上限値に達してから反力が当該上限値を下回った場合に、骨穿刺針の穿刺軸方向の移動速度を、検出された反力が小さくなるほど高くなる第３の移動速度に調整し、
骨穿刺針が穿刺軸方向の目標位置に達した時点で、骨穿刺針の穿刺軸方向への移動を停止させる、
請求項１２に記載の医療用骨穿刺針の制御装置。

【請求項14】

骨穿刺針を遠隔操作により穿刺軸方向に移動させて骨を穿刺する医療用骨穿刺針を用いた骨穿刺方法であって、
骨穿刺針が体表から、骨穿刺針の穿刺軸方向の反力が制御開始値に達する第１の骨穿刺深さ位置までは、骨穿刺針の穿刺軸方向の移動速度を、第１の移動速度に調整するステップと、
前記反力が制御開始値に達してから、当該制御開始値よりも高い上限値に達するまでの第２の移動区間では、骨穿刺針の穿刺軸方向の移動速度を、前記第１の移動速度以下であって、反力が大きくなるほど低くなる第２の移動速度に調整すると共に、骨穿刺針の針軸周りの回転速度を、所定の回転速度に調整するステップと、
前記反力が前記上限値に達した時点で、骨穿刺針の穿刺軸方向への移動を停止させるステップと、
前記反力が前記上限値を下回った時点で、骨穿刺針の穿刺軸方向への移動を再開し、骨穿刺針が目標位置に達するまで穿刺軸方向の移動速度を、反力が小さくなるほど高くなる第３の移動速度に調整するステップと、
を含む医療用骨穿刺針を用いた骨穿刺方法。

【請求項15】

骨穿刺針の穿刺軸方向の反力に応じて骨穿刺針の穿刺軸方向の移動速度を調整する移動速度制御が行われる医療用骨穿刺ツールシステムであって、
前記移動速度制御の制御開始持の開始時反力値を設定する開始時反力値設定部と、
前記移動速度制御の停止時の停止時反力値を設定する停止時反力値設定部と、
現在の反力と、設定された開始時反力値と、設定された停止時反力値との相対的な大きさの関係を表示する表示部と、
を備えた医療用骨穿刺ツールシステム。

【請求項16】

前記開始時反力値設定部と、前記停止時反力値設定部と、前記表示部がインタフェース表示画面に配置されている、
請求項１５に記載の医療用骨穿刺ツールシステム。

【請求項17】

骨の硬さを選択する選択部
が備えられ、
前記選択部によって選択された骨の硬さに応じて、前記開始時反力値及び前記停止時反力値が設定される、
請求項１５又は１６に記載の医療用骨穿刺ツールシステム。

【請求項18】

骨穿刺針の針軸周りの回転速度を設定する回転速度設定部
を備えた請求項１５又は１６に記載の医療用骨穿刺ツールシステム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、医療用骨穿刺針の把持装置、医療用骨穿刺ツール、医療用骨穿刺針の制御装置、医療用骨穿刺針を用いた骨穿刺方法及び医療用骨穿刺ツールシステムに関するものである。

【背景技術】

【0002】

ＣＴ（Computed Tomography；コンピュータ断層撮影）ガイド下でＩＶＲ(Interventional Radiology：画像下治療)手技を実施するために、従来より穿刺ロボットが開発されている。

【0003】

術者は穿刺ロボットを遠隔操作して患者に対して針穿刺を行うことができる。このため術者の被ばくを防ぐことができる。

【0004】

また穿刺ロボットを用いて軟部組織に対して生検やアブレーションのための針穿刺を実施する治験が行われている。

【0005】

特許文献１（特許第6440177号公報）には、穿刺ロボットによる穿刺時の穿刺力を検出する力センサを設け、力センサで検出された穿刺力を術者に提示するという発明が記載されている。

【0006】

特許文献２（特開2021-191382号公報）には、遠隔操作で穿刺針把持装置の第１フィンガと第２フィンガを操作して、穿刺針の基端を把持すると共に、穿刺針を開放するという発明が記載されている。

【0007】

特許文献３（国際公開ＷＯ2018/143262）には、骨髄液の採取品質を良好に保つことを目的に、骨髄穿刺器具の穿刺先端部を、吸引速度と関連付けられた適切な速度で進入させるために、穿刺先端部の移動速度を術者に確認可能に表示するという発明が記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【特許文献1】特許６４４０１７７号公報

【特許文献2】特開２０２１-１９１３８２号公報

【特許文献3】国際公開ＷＯ２０１８/１４３２６２

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

しかしながら、これまでに開発されている穿刺ロボットを用いた穿刺は，骨穿刺には対応していなかった。

【0010】

一方で、従来の骨穿刺手技は、手持ちの電動ドライバーで専用の針を回転させながら患者の骨を穿刺するというものであった。

【0011】

本発明は、従来技術と比較して、骨穿刺を行うに際して術者の被ばくを低減することを課題とする。

【0012】

また本発明は、従来技術と比較して、骨穿刺を行うに際して遠隔操作による骨穿刺針の位置決め、把持、開放を容易にかつ確実に行えるようにすることを課題とする。

【0013】

また本発明は、従来技術と比較して、骨穿刺を行うに際して力の調整を精度よく確実に行えるようにすることを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0014】

第１の態様は、骨穿刺針を針軸周りに回転可能に、当該骨穿刺針の基端部を保持する回転部と、前記回転部を駆動する回転駆動部と、前記骨穿刺針を針軸周りに回転可能に前記回転部を把持する把持部と、を備えた医療用骨穿刺針の把持装置である。

【0015】

第２の態様は、第１の態様において、前記把持部は、前記回転部の外周面を回転可能に把持する、医療用骨穿刺針の把持装置である。

【0016】

第３の態様は、第１の態様において、前記把持部は、前記回転部の摺動面を摺動可能に把持する、医療用骨穿刺針の把持装置である。

【0017】

第４の態様は、第１の態様において、前記把持部は、第１及び第２のフィンガを含み、前記第１及び第２のフィンガを、前記回転部を挟持する方向に移動させることで前記回転部を把持し、前記第１及び第２のフィンガを、前記回転部から離間する方向に移動させることで前記回転部を開放する、医療用骨穿刺針の把持装置である。

【0018】

第５の態様は、骨穿刺針を針軸周りに回転可能に、当該骨穿刺針の基端部を保持する回転部と、前記回転部を駆動する回転駆動部と、前記骨穿刺針を針軸周りに回転可能に前記回転部を把持する把持部と、前記把持部が装着されたアーム部と、骨穿刺針を穿刺軸方向に移動させる穿刺駆動部と、を備えた医療用骨穿刺ツールである。

【0019】

第６の態様は、第５の態様において、前記把持部は、前記回転部の外周面を回転可能に把持する、医療用骨穿刺ツールである。

【0020】

第７の態様は、第５の態様において、前記把持部は、前記回転部の摺動面を摺動可能に把持する、医療用骨穿刺ツールである。

【0021】

第８の態様は、第５の態様において、前記把持部は、第１及び第２のフィンガを含み、前記第１及び第２のフィンガを、前記回転部を挟持する方向に移動させることで前記回転部を把持し、前記第１及び第２のフィンガを、前記回転部から離間する方向に移動させることで前記回転部を開放する、医療用骨穿刺ツールである。

【0022】

第９の態様は、第５の態様において、前記回転駆動部の回転駆動力を前記回転部に伝動する伝動部、を備えた医療用骨穿刺ツールである。

【0023】

第１０の態様は、骨穿刺針を骨穿刺開始位置から穿刺軸方向に移動させる穿刺駆動部と、

【0024】

骨穿刺針を針軸周りに回転させる回転駆動部と、骨穿刺針の穿刺軸方向の反力を検出する反力検出部と、前記反力検出部で検出された反力が制御開始値に達してから、当該制御開始値よりも高い上限値に達するまでの移動速度制御区間では、骨穿刺針の穿刺軸方向の移動速度を、検出された反力が大きくなるほど低くなる所定の移動速度に調整すると共に、骨穿刺針の針軸周りの回転速度を、所定の回転速度に調整する穿刺制御部と、を備えた医療用骨穿刺針の制御装置である。

【0025】

第１１の態様は、骨穿刺針を骨穿刺開始位置から穿刺軸方向に移動させる穿刺駆動部と、骨穿刺針を針軸周りに回転させる回転駆動部と、骨穿刺針の穿刺軸方向の反力を検出する反力検出部と、前記骨穿刺開始位置から、前記反力検出部で検出された反力が制御開始値に達するまでの第１の移動区間では、骨穿刺針の穿刺軸方向の移動速度を第１の移動速度に調整し、前記反力検出部で検出された反力が前記制御開始値に達してから、当該制御開始値よりも高い上限値に達するまでの第２の移動区間では、骨穿刺針の穿刺軸方向の移動速度を、前記第１の移動速度以下であって、検出された反力が大きくなるほど低くなる第２の移動速度に調整すると共に、骨穿刺針の針軸周りの回転速度を、所定の回転速度に調整し、前記反力検出部で検出された反力が前記上限値に達した時点で、骨穿刺針の穿刺軸方向への移動を停止させる穿刺制御部と、を備えた医療用骨穿刺針の制御装置である。

【0026】

第１２の態様は、第１１の態様において、前記穿刺制御部は、前記反力検出部で検出された反力が前記上限値に達した時点で、骨穿刺針の穿刺軸方向への移動を停止させ、その後に、骨穿刺針の穿刺軸方向への移動を再開し、骨穿刺針の穿刺軸方向の移動速度を、検出された反力が小さくなるほど高くなる第３の移動速度に調整し、骨穿刺針が穿刺軸方向の目標位置に達した時点で、骨穿刺針の穿刺軸方向への移動を停止させる、医療用骨穿刺針の制御装置である。

【0027】

第１３の態様は、第１２の態様において、前記反力検出部で検出された反力が前記上限値に達してから反力が当該上限値を下回った場合に、骨穿刺針の穿刺軸方向の移動速度を、検出された反力が小さくなるほど高くなる第３の移動速度に調整し、骨穿刺針が穿刺軸方向の目標位置に達した時点で、骨穿刺針の穿刺軸方向への移動を停止させる、医療用骨穿刺針の制御装置である。

【0028】

第１４の態様は、骨穿刺針を遠隔操作により穿刺軸方向に移動させて骨を穿刺する医療用骨穿刺針を用いた骨穿刺方法であって、骨穿刺針が体表から、骨穿刺針の穿刺軸方向の反力が制御開始値に達する第１の骨穿刺深さ位置までは、骨穿刺針の穿刺軸方向の移動速度を、第１の移動速度に調整するステップと、前記反力が制御開始値に達してから、当該制御開始値よりも高い上限値に達するまでの第２の移動区間では、骨穿刺針の穿刺軸方向の移動速度を、前記第１の移動速度以下であって、反力が大きくなるほど低くなる第２の移動速度に調整すると共に、骨穿刺針の針軸周りの回転速度を、所定の回転速度に調整するステップと、前記反力が前記上限値に達した時点で、骨穿刺針の穿刺軸方向への移動を停止させるステップと、

【0029】

前記反力が前記上限値を下回った時点で、骨穿刺針の穿刺軸方向への移動を再開し、骨穿刺針が目標位置に達するまで穿刺軸方向の移動速度を、反力が小さくなるほど高くなる第３の移動速度に調整するステップと、を含む医療用骨穿刺針を用いた骨穿刺方法である。

【0030】

第１５の態様は、骨穿刺針の穿刺軸方向の反力に応じて骨穿刺針の穿刺軸方向の移動速度を調整する移動速度制御が行われる医療用骨穿刺ツールシステムであって、前記移動速度制御の制御開始持の開始時反力値を設定する開始時反力値設定部と、前記移動速度制御の停止時の停止時反力値を設定する停止時反力値設定部と、現在の反力と、設定された開始時反力値と、設定された停止時反力値との相対的な大きさの関係を表示する表示部と、を備えた医療用骨穿刺ツールシステムである。

【0031】

第１６の態様は、第１５の態様において、前記開始時反力値設定部と、前記停止時反力値設定部と、前記表示部がインタフェース表示画面に配置されている、医療用骨穿刺ツールシステムである。

【0032】

第１７の態様は、第１５又は第１６の態様において、骨の硬さを選択する選択部が備えられ、前記選択部によって選択された骨の硬さに応じて、前記開始時反力値及び前記停止時反力値が設定される、医療用骨穿刺ツールシステムである。

【0033】

第１８の態様は、第１５又は第１６の態様において、骨穿刺針の針軸周りの回転速度を設定する回転速度設定部を備えた医療用骨穿刺ツールシステムである。

【発明の効果】

【0034】

第１乃至第１８の態様によれば、従来技術と比較して、骨穿刺を行うに際して術者の被ばくを低減することができる。また、第１乃至第９の態様によれば、従来技術と比較して、骨穿刺を行うに際して遠隔操作による骨穿刺針の位置決め、把持、開放を容易にかつ確実に行うことができる。第１０乃至第１８の態様によれば、従来技術と比較して、骨穿刺を行うに際して力の調整を精度よく確実に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【0035】

【図1】図１は、医療用骨穿刺ロボットシステムの全体の構成を示す図である。

【図2】図２は、骨穿刺ロボットの外観を示す斜視図である。

【図3】図３は、骨穿刺ロボットを制御する制御装置のブロック図である。

【図4】図４は、把持装置の側面図である。

【図5A】図５Ａは、回転部を側面からみた部分断面図である。

【図5B】図５Ｂは、上方押え保持板部材を示す図である。

【図6】図６は、回転部を側面からみた部分断面図で図６（Ａ）は、回転部を図５Ａの矢視Ａからみた正面図で、図６（Ｂ）は、回転部を上面からみた図で、図６（Ｃ）は図６（Ａ）のＡ-Ａ断面図である。

【図7A】図７Ａは、把持部が把持動作を行った状態を示す図で、把持装置を上面からみた断面図である。

【図7B】図７Ｂは、把持部が開放動作を行った状態を示す図で、把持装置を上面からみた断面図である。

【図8】図８は、操作用コントローラに設けられた操作子を例示する図である。

【図9】図９は、操作用ＰＣのハードウェア構成を例示するブロック図である。

【図10】図１０は、ディスプレイのインタフェース表示画面の表示内容を示す図である。

【図11】図１１は、骨穿刺針の力制御の特性を示すグラフである。

【図12】図１２は、骨穿刺制御プログラムの処理手順を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0036】

以下、医療用骨穿刺針の把持装置、医療用骨穿刺ツール、医療用骨穿刺針の制御装置、医療用骨穿刺針を用いた骨穿刺方法及び医療用骨穿刺ツールシステムの実施の形態について説明する。

【0037】

図１は、医療用骨穿刺ツールシステム５００の全体の構成を示す。

【0038】

ここで、医療用骨穿刺ツールは、医療用骨穿刺ロボット、医療用骨穿刺マニピュレータ、医療用骨穿刺ハンドツールを含む。

【0039】

以下では、医療用骨穿刺ロボットを想定して説明する。

【0040】

医療用骨穿刺ツールシステムとしての骨穿刺ロボットシステム５００は、大きくは、骨穿刺針１１０を穿刺軸方向に移動させる穿刺軸６を含む各駆動軸１～７を備えた骨穿刺ロボット２００と、寝台７１０上の患者に対してＸ線を照射してＣＴ撮影（Computed Tomography；コンピュータ断層撮影）してＣＴ透視画像（体軸断面、矢状断面、冠状断面の各断層画像）を取得するＣＴ装置７００と、ＣＴ装置７００で取得したＣＴ透視画像を表示画面８１０に表示する外部モニタ８００と、骨穿刺ロボット２００の駆動を操作する操作インタフェース１０００を含んで構成される。

【0041】

操作インタフェース１０００は、タッチパネルで構成されたインタフェース表示画面６００を有するディスプレイ１１００と、操作用コントローラ１２００と、操作用ＰＣ（パーソナルコンピュータ）１３００を含んで構成される。

【0042】

（骨穿刺ロボット）

【0043】

図２は、骨穿刺ロボット２００の外観を斜視図で示す。図２において図中手前側が患者の頭方向、図中奥側が患者の足（尾）方向とする。

【0044】

骨穿刺ロボット２００は、第１駆動軸１、第２駆動軸２、第３駆動軸３、第４駆動軸４、第５駆動軸５、第６駆動軸（穿刺軸）６、第７駆動軸（回転軸）７を有した７軸を備える。

【0045】

第１及び第２駆動軸部２０１は、基台２０９の上端に取り付けられ、骨穿刺針１１０が床面から高さ方向に移動する方向及び患者の頭尾方向に移動する方向に直動する。

【0046】

第３駆動軸部２０３は、第１及び第２駆動軸部２０１の上端に取り付けられ、骨穿刺針１１０が患者の左右方向に移動する方向に直動する。

【0047】

第４駆動軸部２０４は、第３駆動軸部２０３の先端に取り付けられ、骨穿刺針１１０が患者の左右方向に傾斜する方向に回転する。

【0048】

第５駆動軸部２０５は、第４駆動軸部２０４の先端に取り付けられ、穿刺軸１１０が患者の頭尾方向に傾斜する方向に回転する。

【0049】

第６駆動軸部２０６は、第５駆動軸部２０５の先端に取り付けられ、骨穿刺針１１０が穿刺軸方向に直動する。

【0050】

第７駆動軸部２０７は、第６の駆動軸部２０６の先端に取り付けられ、骨穿刺針１１０を針軸１１０Ｃ周りに回転させる。

【0051】

第４駆動軸部２０４、第５駆動軸部２０５、第６の駆動軸部２０６は、穿刺ロボット２００のアーム部２１０に相当する。アーム部２１０の先端には把持装置１００が装着されている。把持装置１００は、把持部１４０を含んで構成されている。把持部１４０は、把持制御指令に応じて、回転部１２０を介して骨穿刺針１１０を針軸１１０Ｃ周りに回転可能に骨穿刺針１１０を把持する。また把持部１４０は、開放制御指令に応じて、回転部１２０を開放する動作を行う。

【0052】

（骨穿刺ロボットの制御装置）

【0053】

骨穿刺ロボットシステム５００には、各第１乃至第７駆動軸１～７を駆動制御するための穿刺制御部３１０が設けられている。

【0054】

図３は、骨穿刺ロボット２００を制御する制御装置３００のブロック図を示す。

【0055】

第１乃至第７駆動軸１～７はそれぞれ、電源２３１を駆動源とし、アクチュエータとしての例えば電動モータ２３１～２３７によって駆動される。第６軸（穿刺軸）６を駆動する電動モータ２３６は、穿刺駆動部２２０を構成する。第７軸（回転軸）７を駆動する電動モータ２３７は、回転駆動部１３０を構成する。

【0056】

把持部１４０は、空圧源２３２を駆動源とし、アクチュエータとしての例えばエアシリンダ２１７によって駆動される。なお、各第１乃至第７駆動軸１～７の駆動源、把持部１４０の駆動源の種類は任意である。また、電動、空圧に限定されるわけでなく、油圧を用いる実施も可能である。

【0057】

第１乃至第６駆動軸１～６の現在の位置及び第７軸７の現在の回転速度はそれぞれ、取得部２２１～２２７で取得される。取得部２２１～２２７は、エンコーダ等の直動位置検出センサ、回転位置検出センサで構成することができる。

【0058】

反力検出部２３０は、骨穿刺針１１０の穿刺軸方向の反力Fｚを検出する。

【0059】

穿刺制御部３１０は、制御指令信号を入力可能に、コントローラ接続ケーブル２９１を介して操作用コントローラ１２００に電気的に接続されている。操作用コントローラ１２００で行われる操作に応じて出力される制御指令信号は、コントローラ接続ケーブル２９１を介して穿刺制御部３１０に入力される。

【0060】

穿刺制御部３１０は、データを送受信可能にＬＡＮケーブル２９０を介して操作用ＰＣ１３００に接続されている。

【0061】

取得部２２１～２２７で取得された第１乃至第６駆動軸１～６の現在の位置及び第７軸７の現在の回転速度を示すデータ並びに反力検出部２３０で検出された現在の反力Fｚを示すデータは、ＬＡＮケーブル２９０を介して操作用ＰＣ１３００に送信される。

【0062】

インタフェース表示画面６００で設定された設定値を示すデータは、ＬＡＮケーブル２９０を介して穿刺制御部３１０に送信される。

【0063】

穿刺制御部３１０は、入力された駆動位置・速度制御指令信号に応じて第１乃至第６駆動軸１～６の位置及び第７軸の回転速度を制御する。すなわち穿刺制御部３１０は、取得部２２１～２２６で取得された各駆動軸１～６の位置をフィードバックして、所望位置になるように各第１乃至第６駆動軸１～６の位置を調整する。穿刺制御部３１０は、取得部２２７で取得された駆動軸７の回転速度をフィードバックして、所望回転速度になるように第７駆動軸７の回転速度を調整する。

【0064】

また穿刺制御部３１０は、入力された把持・開放制御指令信号に応じて把持部１４０による把持動作及び開放動作を制御する。

【0065】

また穿刺制御部３１０に力制御指令信号が入力されると、インタフェース表示画面６００で設定された設定値と、反力検出部２３０で検出された反力Fｚに基づいて、後述する骨穿刺制御プログラムに従い穿刺駆動部２２０及び回転駆動部１３０を駆動制御する。

【0066】

（把持装置）

【0067】

骨穿刺ロボット２００は、把持装置１００を含んで構成されている。

【0068】

把持装置１００の構成について図４乃至図７Ａ、図７Ｂを参照して説明する。

【0069】

図４は、把持装置１００の側面図である。図５Ａは、回転部１２０を側面からみた部分断面図である。図５Ｂは、上方押え保持板部材１２７Ａを示す図である。図６は、回転部１２０を側面からみた部分断面図で、図６（Ａ）は、回転部１２０を図５Ａの矢視Ａからみた正面図で、図６（Ｂ）は、回転部１２０を上面からみた図で、図６（Ｃ）は図６（Ａ）のＡ-Ａ断面図である。図７Ａは、把持部１４０が把持動作を行った状態を示す図で、把持装置１００を上面からみた断面図である。図７Ｂは、把持部１４０が開放動作を行った状態を示す図で、把持装置１００を上面からみた断面図である。

【0070】

把持装置１００は、フレーム部１６０と、把持動作駆動部１７０と、把持部１４０と、回転部１２０と、回転駆動部１３０と、把持部１４０と、伝導部１５０を含んで構成されている。

【0071】

フレーム部１６０は、アーム部２１０の先端に取り付けられている。フレーム部１６０には、反力検出部２３０が取り付けられている。反力検出部２３０は、例えば把持部１４０に作用する応力を検出することにより、骨穿刺針１１０に印加される反力を検出する。

【0072】

骨穿刺針１１０の針軸１１０Ｃに一致する方向を穿刺軸方向（例えばＺ軸方向）と定義する。穿刺軸方向（例えばＺ軸方向）の反力は、穿刺深さ方向（例えばＺ軸の＋方向）とは逆方向に印加される力であると定義する。

【0073】

反力検出部２３０は、穿刺軸方向（Ｚ軸方向）の反力Fｚを検出する。反力検出部２３０は、穿刺軸（Ｚ軸）に垂直となるＸ軸方向の反力Fｘ、Ｙ軸方向の反力Fｙを検出する。

【0074】

把持動作駆動部１７０は、フレーム部１６０の先端に取り付けられている。把持動作駆動部１７０には、エアシリンダ２１７、リニアガイド１７１、ラック・ピニオン機構１７２及びバネロッド部材１７３が設けられている。リニアガイド１７１は、キャリッジ１７１Ａと、ガイドレール１７１Ｂを含んで構成されている。ラック・ピニオン機構１７２は、ラック１７２Ａ、ラック１７２Ｂ、ピニオンギア１７２Ｃを含んで構成されている。バネロッド部材１７３は、ロッド部１７３Ａ、バネ部１７３Ｂを含んで構成されている。

【0075】

（把持部）

【0076】

把持部１４０は、把持動作駆動部１７０の先端に把持動作及び開放動作が可能に取り付けられている。

【0077】

把持部１４０は、骨穿刺針１１０を針軸１１０Ｃ周りに回転可能に把持する。

【0078】

把持部１４０は、第１及び第２のフィンガ１４１、１４２を含んでいる。第１及び第２のフィンガ１４１、１４２は上面からみてそれぞれ左側のフィンガ、右側のフィンガに対応する。第１及び第２のフィンガ１４１、１４２を、回転部１２０を挟持する方向、つまり把持動作方向１４０Ａに移動させることで回転部１２０を把持する。また第１及び第２のフィンガ１４１、１４２を、回転部１２０から離間する方向、つまり開放動作方向１４０Ｂに移動させることで回転部１２０を開放する。

【0079】

第１及び第２のフィンガ１４１、１４２はそれぞれ、リニアガイド１７１に沿って滑動自在に把持動作駆動部１７０に連結されている。すなわち第１及び第２のフィンガ１４１、１４２はそれぞれ、フィンガ接続部１４１Ａ、１４２Ａを介してリニアガイド１７１のキャリッジ１７１Ａに連結されている。リニアガイド１７１のガイドレール１７１Ｂは、その長手方向が把持動作方向１４０Ａ及び開放動作方向１４０Ｂに一致するように把持動作駆動部１７０に配置されている。

【0080】

第１及び第２のフィンガ１４１、１４２はそれぞれ、ラック１７２Ａ、ラック１７２Ｂに連結されている。ラック１７２Ａ、ラック１７２Ｂはそれぞれ、把持動作方向１４０Ａ及び開放動作方向１４０Ｂに移動可能に、ピニオンギア１７２Ｃの対向面に歯合している。

【0081】

ラック１７２Ａ、ラック１７２Ｂのうちのいずれか一方、例えばラック１７２Ａには、バネロッド部材１７３のロッド部１７３Ａに連結されている。ロッド部１７３Ａは、把持動作方向１４０Ａ及び開放動作方向１４０Ｂに移動可能に把持動作駆動部１７０に配置されている。

【0082】

ロッド部１７３Ａには、ロッド部１７３Ａに対して開放動作方向１４０Ｂに付勢力を付与するバネ部１７３Ｂが巻回されている。

【0083】

ロッド部１７３Ａには、エアシリンダ２１７の空圧力を、ロッド部１７３Ａの把持動作方向１４０Ｂ（ロッド部１７３Ａの長手方向）に付与するシリンダロッド２１７Ａが連結されている。

【0084】

このため把持制御指令信号、つまりエアシリンダ２１７へのエア供給をオンとする信号が生成されると、エアシリンダ２１７のシリンダロッド２１７Ａが把持動作方向１４０Ａ側に動作し、バネ部１７３Ｂの付勢力に抗してロッド部１７３Ａが把持動作方向１４０Ａ側に移動する。ロッド部１７３Ａが把持動作方向１４０Ａ側に移動するに応じてラック１７２Ａが同じ把持動作方向１４０Ａ側に移動する。一方のラック１７２Ａの所定距離の移動に応じてピニオンギア１７２Ｃを介して対向する他方のラック１７２Ｂがラック１７２Ａの移動距離と等距離だけ把持動作方向１４０Ａ側に移動する。このためラック１７２Ａ、ラック１７２Ｂの移動量に応じた移動量だけ第１及び第２のフィンガ１４１、１４２がそれぞれリニアガイド１７１に沿って把持動作方向１４１Ａ側、つまり第１及び第２のフィンガ１４１、１４２を閉じる側に移動する。これにより第１及び第２のフィンガ１４１、１４２によって、回転部１２０が挟持される。

【0085】

図示しないリミットスイッチにより把持動作終端位置を検出してもよい。把持動作終端位置は、第１及び第２のフィンガ１４１、１４２によって回転部１２０を把持した際に、第１及び第２のフィンガ１４１、１４２に対して回転部１２０の摺動面１２２が摺動自在となり、かつガタツキが生じない程度に、第１及び第２のフィンガ１４１、１４２の内側内周面１４３が、回転部１２０の外周面１２１との間で所定のクリアリンスを保持する位置に位置決めされることが望ましい。

【0086】

上記リミットスイッチにより把持動作終端位置が検出されると、エアシリンダ２１７のシリンダロッド２１７Ａがロック状態となり、第１及び第２のフィンガ１４１、１４２が把持動作終端位置に位置決めされる。

【0087】

開放制御指令信号、つまりエアシリンダ２１７へのエア供給をオフする信号が生成されると、エアシリンダ２１７のシリンダロッド２１７Ａがアンロック状態となる。このためバネ部１７３Ｂの付勢力によってロッド部１７３Ａが開放動作方向１４０Ｂ側に移動する。ロッド部１７３Ａが開放動作方向１４０Ｂ側に移動するに応じてラック１７２Ａが同じ開放動作方向１４０Ｂ側に移動する。一方のラック１７２Ａの所定距離の移動に応じてピニオンギア１７２Ｃを介して対向する他方のラック１７２Ｂがラック１７２Ａの移動距離と等距離だけ開放動作方向１４０Ｂ側に移動する。このためラック１７２Ａ、ラック１７２Ｂの移動量に応じた移動量だけ第１及び第２のフィンガ１４１、１４２がそれぞれリニアガイド１７１に沿って開放動作方向１４１Ｂ側、つまり第１及び第２のフィンガ１４１、１４２を開く側に移動する。これにより第１及び第２のフィンガ１４１、１４２から、回転部１２０が開放される。

【0088】

アーム部２１０には、針開放ボタン２１１が設けられている。非常時等に針開放ボタン２１１が押されると、エアシリンダ２１７へのエア供給がオフにされ、第１及び第２のフィンガ１４１、１４２を開放状態にすることができる。

【0089】

（回転部）

【0090】

回転部１２０の外周面１２１は、把持部１４０によって回転可能に把持される。回転部１２０は、円筒形状に形成されている。回転部１２０は、下フランジ部１２３と、上フランジ部１２４と、これらの間の円筒部１２９を含んで構成されている。第１及び第２のフィンガ１４１、１４２は、回転体としての回転部１２０の軸受けとして機能する。円筒部１２９の外周面１２１を、軸受け面としての内側面１４３が円弧状に形成された第１及び第２のフィンガ１４１、１４２が挟持する。第１及び第２のフィンガ１４１、１４２の材質としては、造影剤による撮影に及ぼす影響及び回転負荷等の影響を考慮してＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）樹脂を用いることが望ましい。同様に回転部１２０の材質としては、さらにオートクレープ滅菌を考慮してＭＣナイロンを用いることが望ましい。

【0091】

回転部１２０の摺動面１２２は、把持部１４０によって摺動可能に把持される。回転部１２０を回転させながら骨穿刺針１１０で穿刺を行うことにより下フランジ部１２３の上面１２３Ａと外周面１２１が第１及び第２のフィンガ１４１、１４２から荷重を受けて摺動する。

【0092】

回転部１２０は、骨穿刺針１１０を針軸１１０Ｃ周りに回転可能に、骨穿刺針１１０の基端部１１１を保持する。

【0093】

回転部１２０は、骨穿刺針１１０を上方より挿入する上方挿入口１２５と、骨穿刺針１１０の針部１１２を挿入して針部１１２を下方に突出させる針部挿入孔１２６と、骨穿刺針１１０の基端部１１１を両側方から押さえ保持する側方押え保持部１２８と、穿刺針１１０の基端部１１１を上方から下方に向けて押さえ保持する上方押え保持部１２７を備えている。

【0094】

骨穿刺針１１０は、針部１１２を下方に向けて挿入口１２５から挿入される。針部挿入孔１２６に、骨穿刺針１１０の針部１１２が挿入され針部１１２が下方に突出される。これにより針部１１２が挿入口１２６によって保持され、骨穿刺針１１０の回転中心位置が位置決めされる。また同時に側方押え保持部１２８によって骨穿刺針１１０の基端部１１１が両側方から押さえ保持される。これにより骨穿刺針１１０の軸回り方向の動きが拘束される。

【0095】

上方押え保持部１２７は、上方押え保持板部材１２７Ａと、固定ピン１２７Ｂと、固定部材１２７Ｃを含んで構成されている。上方押え保持板部材１２７Ａは、骨穿刺針１１０の基端部１１１の上端に当接する当接部１２７Ｄ、固定ピン挿通孔１２７Ｅが形成されている。固定部材１２７Ｃは、回転部１２０の上端面１２０Ｕに形成されている。固定部材１２７Ｃには、上方押え保持部１２７の挿入口１２７Ｆと、固定ピン挿通孔１２７Ｇが形成されている。

【0096】

上方押え保持板部材１２７Ａを、固定部材１２７Ｃの挿入口１２７Ｆに挿入して、固定ピン１２７Ｂを、固定ピン挿通孔１２７Ｅ、１２７Ｇに挿通させることにより、上方押え保持板部材１２７Ａにより骨穿刺針１１０の基端部１１１が上方から押さえ保持される。これにより骨穿刺針１１０の反力に応じた上向きの動きが拘束される。なお上方押え保持板部材１２７Ａの材質には、ＰＥＥＫ樹脂を用い、固定ピン１２７Ｂの材質には、ＭＣナイロンを用いることが望ましい。

【0097】

（回転駆動部）

【0098】

回転駆動部１３０は、回転部１２０を駆動する。回転駆動部１３０は、電動モータ２３７で構成することができる。例えば電動モータ２３７としての回転駆動部１３０は、第２フィンガ１４２に取り付けられている。電動モータ２３７は、回転軸２３７Ｃが骨穿刺針１１０の針軸１１０Ｃと平行となるように第２フィンガ１４２に取り付けられている。電動モータ２３７は、ＣＴ装置７００と干渉しない位置、高さに配置されている。

【0099】

（伝動部）

【0100】

伝動部１５０は、回転駆動部１３０の回転駆動力を回転部１２０に伝動する。伝動部１５０は、モータギア１５１と、アイドラギア１５２と、穿刺針回転ギア１５３を含んで構成されている。

【0101】

モータギア１５１は、電動モータ２３７の回転軸２３７Ｃに固定されている。

【0102】

アイドラギア１５２の回転軸１５２Ｃは、第２フィンガ１４２に回転可能に取り付けられている。アイドラギア１５２は、回転軸１５２Ｃが骨穿刺針１１０の針軸１１０Ｃと平行となるように第２フィンガ１４２に取り付けられている。

【0103】

モータギア１５１はアイドラギア１５２に歯合されている。

【0104】

穿刺針回転ギア１５３は、回転部１２０の下端に固定されている。穿刺針回転ギア１５３は、回転中心が骨穿刺針１１０の針軸１１０Ｃと同心となるように、回転部１２０に対して位置決め固定されている。

【0105】

アイドラギア１５２は、穿刺針回転ギア１５３に歯合されている。なお、軸間距離、減速比等を確保できるのであれば、アイドラギア１５２を省略して、モータギア１５１を直接穿刺針回転ギア１５３に歯合させるようにしてもよい。

【0106】

またギアを用いて伝動部１５０を構成しているが、ベルト、チェーン等の任意の伝動手段を用いてもよい。

【0107】

伝動部１５０は、電動モータ２３７の回転速度を所定の減速比で減速して回転部１２０を所定の回転速度Ｎ（ｒｐｍ）で回転させる。骨穿刺を適正に行うために、例えば６（ｒｐｍ）程度で骨穿刺針１１０を回転させることができる。

【0108】

（操作インタフェース）

【0109】

操作用コントローラ１２００は、骨穿刺ロボット２００の第１乃至第７駆動軸１～７の駆動及び把持部１４０の駆動を操作する操作部として構成されている。

【0110】

図８に示すように、操作用コントローラ１２００は、骨穿刺ロボット２００の第１乃至第６駆動軸１～６の位置及び第７駆動軸７の回転を操作する駆動位置・速度制御指令用操作具１２０１～１２０７と、把持部１４０の駆動を操作する把持・開放制御指令用操作子１２０８（１２０８Ａ、１２０８Ｂ）と、選択内容に応じた力制御指令信号を生成する力制御モード選択操作子１２０９（１２０９Ａ、１２０９Ｂ）とを備えている。

【0111】

操作用ＰＣ１３００は、パーソナルコンピュータで構成される。

【0112】

図９は、操作用ＰＣ１３００のハードウェア構成を例示するブロック図である。
図９に示すように、操作用ＰＣ１３００では、システムバス１３１５を介してＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）１３１１、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）１３１２、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）１３１３、ストレージ１３１４、入力装置１３１６、ディスプレイ（表示装置）１１００、通信Ｉ／Ｆ１３１８が相互に通信可能に接続されている。
ＣＰＵ１３１１は、中央演算処理ユニットであり、各種プログラムを実行したり、システムバス１３１５に接続される各デバイスを制御したりする。すなわち、ＣＰＵ１３１１は、ＲＯＭ１３１２又はストレージ１３１４からプログラムを読み出し、ＲＡＭ１３１３を作業領域としてプログラムを実行する。ＣＰＵ１３１１は、ＲＯＭ１３１２又はストレージ１３１４に記録されているプログラムにしたがって、システムバス１３１５に接続される各デバイスの制御及び各種の演算処理を行う。ＲＯＭ１３１２又はストレージ１３１４は、ＣＰＵ１３１１が実行する制御プログラムであるＢＩＯＳ（Ｂａｓｉｃ Ｉｎｐｕｔ／Ｏｕｔｐｕｔ Ｓｙｓｔｅｍ）やＯＳ（Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）や、実施形態を実現するためのコンピュータで読み取りが可能で実行が可能な骨穿刺制御プログラム４００及び必要な各種データを保持している。

【0113】

ＲＯＭ１３１２は、各種制御プログラム及び各種データを格納する。ＲＡＭ１３１３は、ＣＰＵ１１の主メモリ、ワークエリア等として機能し作業領域として一時的にプログラム又はデータを記憶する。ストレージ１３１４は、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）又はＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｒｉｖｅ）により構成され、ＢＩＯＳ、ＯＳを含む各種プログラム及び各種データを格納する。

【0114】

入力装置１３１６は、マウス等のポインティングデバイス、及びキーボードを含み、各種の入力を行うために使用される。

【0115】

ディスプレイ１１００は、例えば、液晶ディスプレイであり、各種の情報をインタフェース表示画面６００に表示する。ディスプレイ１１００は、実施形態ではタッチパネル方式を採用しており、入力装置１３１６として機能する。

【0116】

ディスプレイ１１００のインタフェース表示画面６００の表示内容については後述する。

【0117】

通信インタフェース１３１８は、穿刺制御部３１０、操作用コントローラ１２００を含む他の機器と通信するためのインタフェースであり、例えば、イーサネット（登録商標）、ＦＤＤＩ、Ｗｉ－Ｆｉ（登録商標）等の規格が用いられる。通信インタフェース１３１８は、ＬＡＮ等のネットワークと接続してデータの送受信の制御を行う。

【0118】

通信インタフェース１３１８は、ＬＡＮケーブル２９０を介して穿刺制御部３１０に接続されており、穿刺制御部３１０と操作インタフェース１０００の間でデータの送受信を行う。

【0119】

図１０は、ディスプレイ１１００のインタフェース表示画面６００の表示内容を示す。

【0120】

図１０に示すように、ディスプレイ１１００のインタフェース表示画面６００には、開始時反力値設定部６１０と、停止時反力値設定部６２０と、穿刺方向反力表示部６３０と、選択部６４０と、回転速度設定部６５０と、回転トルク表示部６６０と、垂直面反力表示部６７０が配置されている。開始時反力値設定部６１０と、停止時反力値設定部６２０と、穿刺方向反力表示部６３０と、選択部６４０は、タッチパネルのタッチボタンで構成することができる。インタフェース表示画面６００では、骨穿刺針１１０の力制御を実行するための制御パラメータの設定及び制御状態の表示を行うことができる。

【0121】

図１１は、骨穿刺針１１０の力制御の特性ＣＬを示すグラフである。

【0122】

図１１の横軸は、骨穿刺針１１０の穿刺軸方向（例えばＺ軸方向）の反力Fｚを示し、縦軸は、骨穿刺針１１０の穿刺軸方向（Ｚ軸方向）の移動速度Ｖを示す。力制御は、第１の移動区間ＳＬ１と、第２の移動区間（移動速度制御区間ＳＭ）ＳＬ２と、第３の移動区間（移動速度制御区間ＳＭ）ＳＬ３からなる。第１の移動区間ＳＬ１では、骨穿刺針１１０の穿刺軸方向（Ｚ軸方向）の移動速度Ｖは、所定の移動速度Ｖ1に設定される。第２の移動区間（移動速度制御区間ＳＭ）ＳＬ２、第３の移動区間（移動速度制御区間ＳＭ）ＳＬ３では、反力Fｚに応じて移動速度Ｖを調整する移動速度制御が行われる。移動速度制御開始時の反力Fｚは、制御開始値F0に設定される。移動速度制御における反力Fｚの上限値はFeに設定される。反力Fｚが上限値Feは、移動速度制御停止時の反力を規定する。反力Fｚが上限値Feに達すると、骨穿刺針１１０の穿刺軸方向（Ｚ軸方向）への移動が停止される。

【0123】

図１０に戻り、開始時反力値設定部６１０では、移動速度制御開始持の開始時反力値（制御開始値）F0を設定することができる。

【0124】

停止時反力値設定部６２０では、移動速度制御の停止時の停止時反力値(Fｚ上限値) Feを設定することができる。

【0125】

穿刺方向反力表示部６３０では、現在の反力Fｚと、設定された開始時反力値（制御開始値）F0と、設定された停止時反力値(Fｚ上限値) Feとの相対的な大きさの関係が表示される。穿刺方向反力表示部６３０では、力制御の各状態ＳＴ１、ＳＴ２、ＳＴ３、つまり現在の反力Fｚが開始時反力値（制御開始値）F0よりも低い状態ＳＴ１、現在の反力Fｚが開始時反力値（制御開始値）F0以上で停止時反力値(Fｚ上限値) Feよりも低い状態ＳＴ２、現在の反力Fｚが停止時反力値(Fｚ上限値) Fe以上である状態ＳＴ３のいずれであるかが識別表示される。例えば状態ＳＴ１、ＳＴ２、ＳＴ３がそれぞれ異なる色、例えば「グリーン（図中ハッチングで示す）」、「イエロー」、「レッド」で識別表示される。

【0126】

選択部６４０では、穿刺の対象となる軟組織ＢＭ０、骨の硬さＢＭ１（弱）、ＢＭ２（中）、ＢＭ３（強）を選択することができる。選択部６４０によって選択された軟組織ＢＭ０、骨の硬さＢＭ１（弱）、ＢＭ２（中）、ＢＭ３（強）に応じて、開始時反力値（制御開始値）F0及び停止時反力値(Fｚ上限値) Feが自動的に設定される。なお、自動で開始時反力値（制御開始値）F0及び停止時反力値(Fｚ上限値) Feを設定した後で、開始時反力値設定部６１０、停止時反力値設定部６２０を手動で操作して、開始時反力値（制御開始値）F0及び停止時反力値(Fｚ上限値) Feを任意の値に設定し直すことができる。

【0127】

また選択部６４０によって選択された軟組織ＢＭ０、骨の硬さＢＭ１（弱）、ＢＭ２（中）、ＢＭ３（強）に応じて、骨穿刺針１１０の穿刺軸方向（Ｚ軸方向）の移動速度Ｖ１（第１の移動速度Ｖ1という）が設定される。

【0128】

回転速度設定部６５０では、第２の移動区間ＳＬ２における骨穿刺針１１０の針軸１１０Ｃ周りの回転速度ＶＲ0を設定することができる。

【0129】

回転トルク表示部６６０には、骨穿刺針１１０の現在の回転トルクＲＴが表示される。回転トルク表示部６６０には、骨穿刺針１１０の現在の回転トルクＲＴの各状態ＳＲ１（第１のしきい値ＲＴ1よりも低い状態）、ＳＲ２（第１のしきい値ＲＴ1以上で第２のしきい値ＲＴ2よりも低い状態）、ＳＲ３（第２のしきい値ＲＴ2以上の状態）のいずれであるかが識別表示される。例えば状態ＳＲ１、ＳＲ２、ＳＲ３がそれぞれ異なる色、例えば「グリーン」、「イエロー（図中クロスハッチングで示す）」、「レッド」で識別表示される。

【0130】

垂直面反力表示部６７０には、Ｚ軸方向の反力Ｆｚ、穿刺軸（Ｚ軸）に垂直となるＸ軸方向の反力Fｘ、Ｙ軸方向の反力Fｙが表示される。垂直面反力表示部６７０には、反力Fｘ、Fｙの現在の合力Fxyの各状態ＳＦ１（第１のしきい値ＦＸ1よりも低い状態）、ＳＦ２（第１のしきい値ＦＸ1以上で第２のしきい値ＦＸ2よりも低い状態）、ＳＦ３（第２のしきい値ＦＸ2以上の状態）のいずれであるかが識別表示される。例えば状態ＳＦ１、ＳＦ２、ＳＦ３がそれぞれ異なる色、例えば「グリーン」、「イエロー（図中クロスハッチングで示す）」、「レッド」で識別表示される。

【0131】

骨穿刺針１１０の力制御は、図１２に示す骨穿刺制御プログラム４００にしたがい実行される。図１２は、骨穿刺制御プログラム４００の処理手順をフローチャートで示す。

【0132】

（回転部の把持）

【0133】

術者が、把持制御指令用操作子１２０８Ａを操作すると、把持制御指令信号が生成され、第１及び第２のフィンガ１４１、１４２によって、骨穿刺針１１０を保持した回転部１２０が挟持される（Ｓ１）。

【0134】

（体表位置への位置決め）

【0135】

術者は、駆動位置制御指令用操作具１２０１～１２０６を操作して、各駆動軸１乃至６を動かし、骨穿刺針１１０を患者の体表面の穿刺開始位置に位置決めする（Ｓ２）。

【0136】

（力制御の制御パラメータの設定）

【0137】

力制御開始にあたり、術者は、選択部６４０を操作して、穿刺の対象となる骨の硬さＢＭ１（弱）、ＢＭ２（中）、ＢＭ３（強）のうちのいずれを選択して自動設定を行うか、開始時反力値設定部６１０、停止時反力値設定部６２０を操作して、手動設定を行う。これにより移動速度制御の開始時反力値（制御開始値）F0及び停止時反力値(Fｚ上限値) Feが設定される。

【0138】

また回転速度設定部６５０を操作して、第２の移動区間ＳＬ２における骨穿刺針１１０の針軸１１０Ｃ周りの回転速度ＶＲ0が設定される。

【0139】

力制御モード選択操作子１２０８を操作して手動制御モード又は自動制御モードを選択することができる。手動制御モード１２０８Ａが選択されると、図１１に示す力制御の特性ＣＬ及び回転速度設定部６５０の設定値を超えない範囲で、第１乃至第６駆動軸１～６の位置及び第７駆動軸７の手動操作が許容される。自動制御モード１２０８Ｂが選択されると、図１１に示す力制御の特性ＣＬ及び回転速度設定部６５０の設定値に従い、第６軸（穿刺軸）６及び第７軸（回転軸）７が自動的に駆動制御される（Ｓ３）。

【0140】

（第１の移動区間の制御）

【0141】

第１の移動制御区間ＳＬ１は、軟部組織内に骨穿刺針１１０の針先が刺入されている状態に対応する。骨穿刺針１１０の針軸１１０Ｃ周りの回転は不要であり、穿刺方向への大きな力も必要ではない。

【0142】

骨穿刺針１１０が体表から、骨穿刺針１１０の穿刺軸方向（例えばＺ軸方向）の反力Fｚが開始時反力値（制御開始値）F0に達する第１の骨穿刺深さ位置Ｐ1までは、骨穿刺針１１０の穿刺軸方向（例えばＺ軸方向）の移動速度Ｖは、第１の移動速度Ｖ１に調整される。なお、手動制御モード１２０８Ａが選択されている場合には、第１の移動速度Ｖ１を超えない範囲で、第１乃至第６駆動軸１～６の位置及び第７駆動軸７の手動操作が許容される（Ｓ４）。

【0143】

（第２の移動区間の制御）

【0144】

骨穿刺針１１０の穿刺軸方向（例えばＺ軸方向）の反力Fｚが開始時反力値（制御開始値）F0に達すると、移動速度制御が実行される。

【0145】

第２の移動区間ＳＬ２、骨表面から骨皮質内に骨穿刺針１１０の針先が刺入されている状態に対応する。骨表面で骨穿刺針１１０の針先が滑らないように針軸周りにゆっくりと回転させると同時に、穿刺方向に大きな力を与えて針先を硬い骨皮質内にゆっくりと刺し込んでいく必要がある。

【0146】

骨穿刺針１１０の穿刺軸方向（例えばＺ軸方向）の反力Fｚが開始時反力値（制御開始値）F0に達してから、開始時反力値（制御開始値）F0よりも高い上限値(Fｚ上限値) Feに達する第２の骨穿刺深さ位置Ｐ２までの第２の移動区間ＳＬ２（移動速度制御区間ＳＭ）では、骨穿刺針１１０の穿刺軸方向の移動速度Ｖが、反力Fｚが大きくなるほど低くなる所定の移動速度Ｖ2に調整される。また第２の移動区間ＳＬ２（移動速度制御区間ＳＭ）では、骨穿刺針１１０の針軸１１０Ｃ周りの回転速度ＶＲを、所定の回転速度ＶＲ0に調整される（Ｓ５）。

【0147】

（移動停止）

【0148】

骨穿刺針１１０の穿刺軸方向（例えばＺ軸方向）の反力Fｚが上限値(Fｚ上限値) Feに達した時点で、骨穿刺針１１０の穿刺軸方向への移動を停止させる。穿刺針１１０は、針軸１１０Ｃ周りに、所定の回転速度ＶＲ0で回転を継続する（Ｓ６）。

【0149】

（移動再開）

【0150】

骨穿刺針１１０は、針軸１１０Ｃ周りに、所定の回転速度ＶＲ0で回転を継続しているため、やがて骨穿刺針１１０の穿刺軸方向（例えばＺ軸方向）の反力Fｚが上限値(Fｚ上限値) Feを下回る。反力Fｚが前記上限値(Fｚ上限値)を下回った時点で、骨穿刺針１１０の穿刺軸方向への移動を再開する（Ｓ７）。

【0151】

（第３の移動区間の制御）

【0152】

第３の移動区間ＳＬ３は、骨髄内に骨穿刺針１１０の針先が進入している状態に対応する。骨髄は骨皮質よりも柔らかく、骨穿刺針１１０の針部１１２は骨内に固定されて安定しているため、第２の移動区間ＳＬ２のときよりも回転速度を速めつつ、移動速度も速めていく。

【0153】

骨穿刺針１１０が目標位置Ｐdに達するまで穿刺軸方向の移動速度Ｖを、反力Fｚが小さくなるほど高くなる第３の移動速度Ｖ3に調整される。また骨穿刺針１１０の針軸１１０Ｃ周りの回転速度は、第１の移動区間ＳＬ２時の回転速度ＶＲ0よりも低い所定の回転速度ＶＲ1に調整される（Ｓ８）。

【0154】

（目標位置への位置決め）

【0155】

術者は、表示画面８１０に表示されるＣＴ透視画像上で骨穿刺針１１０の針部１１２の位置と、目標位置Ｐdの相対位置関係を確認しながら、第６軸（穿刺軸）６を操作することができる。

【0156】

骨穿刺針１１０が穿刺軸方向の目標位置に達した時点で、骨穿刺針１１０の穿刺軸方向（Z軸方向）への移動を停止させる（Ｓ９）。

【0157】

（骨穿刺針の抜去）

【0158】

目標位置Ｐdで生検等の手技が行われると、第６軸（穿刺軸）６が穿刺深さ方向とは反対方向に駆動制御され、骨穿刺針１１０が抜去される（Ｓ１０）。

【0159】

なお、骨穿刺手技の過程で、非常事象等が生じた場合には、アーム部２１０に設けられた針開放ボタン２１１を操作するか、操作用コントローラ１２００に設けられた開放制御指令用操作子１２０８Ｂを操作することで対処することができる。針開放ボタン２１１あるいは開放制御指令用操作子１２０８Ｂが操作されると、エアシリンダ２１７へのエア供給がオフにされ、第１及び第２のフィンガ１４１、１４２を開放状態にすることができる。

【0160】

実施形態では、本発明が操作インタフェース１０００の設定、操作に応じて多関節ロボット２００を制御する医療用骨穿刺ロボットシステムシステムの適用例について説明した。

【0161】

しかし、本発明を、医療用骨穿刺マニピュレータに適用してもよい。例えば術者の手元のマスタコンソールの動きに倣うようにスレーブマニピュレータが動作する医療用骨穿刺マニピュレータに本発明を適用することができる。

【0162】

また本発明を、医療用骨穿刺ハンドツールに適用してもよい。

【0163】

実施形態によれば、術者は、ＣＴガイド下で遠隔操作により精度よく骨穿刺手技を行うことができる。このため術者の被ばくを防ぐことができる。また術者は、ＣＴ画像から得られる情報に加えてインタフェース表示画面６００から得られる反力、移動速度等の情報に基づいて骨穿刺手技を精度よく進めることができる。このためＣＴ透視時間が従来技術と比較して減り、術者の被ばくのみならず患者の被ばく量を低減させることができる。

【0164】

実施形態によれば、遠隔操作により骨穿刺針１１０の位置決め、骨穿刺針１１０の把持、開放を容易にかつ確実に行うことができる。

【0165】

実施形態によれば、骨穿刺を行うに際して力の調整が精度よく確実に行われる。このため骨穿刺手技を安全かつ効率的に行うことができる。実施形態によれば、反力に応じて移動速度を調整しているため、硬い骨皮質を骨穿刺針１１０が不用意に突き抜けてしまうという事象などを確実に抑制できる。なお術後に骨穿刺針１１０を抜去する際にも抜去作業を容易にかつ安全に行うことができる。

【符号の説明】

【0166】

１～７ 駆動軸
１００ 把持装置
１１０ 骨穿刺針
１２０ 回転部
１３０ 回転駆動部
１４０ 把持部
１４１ 第１フィンガ
１４２ 第２フィンガ
１５０ 伝動部
２００ 骨穿刺ロボット
２１０ アーム部
２２０ 穿刺駆動部
２３０ 圧力検出部
３００ 制御装置
３１０ 穿刺制御部
４００ 骨穿刺制御プログラム
５００ 医療用骨穿刺ロボットシステム
６００ インタフェース表示画面
６１０ 開始時反力値設定部
６２０ 停止時反力値設定部
６３０ 穿刺方向反力表示部
６４０ 選択部
６５０ 回転速度設定部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5A】

【図5B】

【図6】

【図7A】

【図7B】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】