特許 7064190 手術用器具制御装置および手術用器具制御方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-04-26

(45)【発行日】2022-05-10

(54)【発明の名称】手術用器具制御装置および手術用器具制御方法

(51)【国際特許分類】

   A61B 34/35 20160101AFI20220427BHJP

   B25J 3/00 20060101ALI20220427BHJP

【ＦＩ】

A61B34/35

B25J3/00 Z

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2018008700

(22)【出願日】2018-01-23

(65)【公開番号】P2019126450

(43)【公開日】2019-08-01

【審査請求日】2021-01-19

(73)【特許権者】

【識別番号】504139662

【氏名又は名称】国立大学法人東海国立大学機構

(73)【特許権者】

【識別番号】506218664

【氏名又は名称】公立大学法人名古屋市立大学

(73)【特許権者】

【識別番号】513048575

【氏名又は名称】一般財団法人グローバルヘルスケア財団

(74)【代理人】

【識別番号】100105924

【弁理士】

【氏名又は名称】森下 賢樹

(72)【発明者】

【氏名】加藤 大香士

(72)【発明者】

【氏名】馬場 祐太朗

(72)【発明者】

【氏名】社本 英二

(72)【発明者】

【氏名】林 衆治

【審査官】安田 昌司

(56)【参考文献】

【文献】特開２００９－１０７０７４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００４－１２９７８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２００９－５３９５７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１１／０３１９７１４（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１４／００５８４０６（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ａ６１Ｂ ３４／００－３４／３７

Ｂ２５Ｊ ３／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ポートから体腔内に挿入されている手術用器具の動きを制御する制御装置であって、当該手術用器具は、エンドエフェクタを保持する第１リンクと、第２リンクと、第１リンクと第２リンクを相対回転可能に連結する第１ジョイント部とを少なくとも有して構成されており、
ユーザから、第１リンクまたはエンドエフェクタの所定部分の体腔内における移動位置の指定操作を受け付ける受付部と、
所定部分が、位置指定操作に応じた指定位置に移動するように、手術用器具の動きを制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、所定部分が指定位置に移動するまでの間に、所定部分よりもポート側に位置するリンク部分が体腔内における所定部分の移動軌跡に沿って移動するように、第１リンクおよび第２リンクの姿勢を算出する、
ことを特徴とする手術用器具制御装置。

【請求項2】

ポートから体腔内に挿入されている手術用器具の動きを制御する制御装置であって、当該手術用器具は、エンドエフェクタを保持する第１リンクと、第２リンクと、第１リンクと第２リンクを相対回転可能に連結する第１ジョイント部とを少なくとも有して構成されており、
ユーザから、第１リンクまたはエンドエフェクタの所定部分の体腔内における移動位置の指定操作を受け付ける受付部と、
位置指定操作から指定位置を算出して、所定部分が、当該指定位置に移動するように、手術用器具の動きを制御する制御部と、
前記制御部が算出した指定位置を記憶する記憶部と、を備え、
前記制御部は、所定部分が指定位置に移動するまでの間に、第１リンクおよび第２リンクの姿勢を、前記記憶部に記憶された複数の過去の指定位置を繋いだ移動軌跡にもとづいて算出する、
ことを特徴とする手術用器具制御装置。

【請求項3】

前記制御部は、所定部分の移動軌跡と、手術用器具の位置との誤差が最小となるように、第１リンクおよび第２リンクの姿勢を算出する、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の手術用器具制御装置。

【請求項4】

制御装置が、ポートから体腔内に挿入されている手術用器具の姿勢を算出する方法であって、当該手術用器具は、エンドエフェクタを保持する第１リンクと、第２リンクと、第１リンクと第２リンクを相対回転可能に連結する第１ジョイント部とを少なくとも有して構成されており、
前記制御装置が、
ユーザから、第１リンクまたはエンドエフェクタの所定部分の体腔内における移動位置の指定操作を受け付けるステップと、
位置指定操作から、所定部分の移動先となる指定位置を算出するステップと、
所定部分よりもポート側に位置するリンク部分が体腔内における所定部分の移動軌跡に沿って移動するように、第１リンクおよび第２リンクの姿勢を算出するステップと、
を実施することを特徴とする手術用器具制御方法。

【請求項5】

制御装置が、ポートから体腔内に挿入されている手術用器具の姿勢を算出する方法であって、当該手術用器具は、エンドエフェクタを保持する第１リンクと、第２リンクと、第１リンクと第２リンクを相対回転可能に連結する第１ジョイント部とを少なくとも有して構成されており、
前記制御装置が、
ユーザから、第１リンクまたはエンドエフェクタの所定部分の体腔内における移動位置の指定操作を受け付けるステップと、
位置指定操作から、所定部分の移動先となる指定位置を算出するステップと、
算出した指定位置を記憶部に記憶するステップと、
第１リンクおよび第２リンクの姿勢を、前記記憶部に記憶された複数の過去の指定位置を繋いだ移動軌跡にもとづいて算出するステップと、
を実施することを特徴とする手術用器具制御方法。

【請求項6】

ポートから体腔内に挿入されている手術用器具の動きを制御するコンピュータに、
ユーザから、手術用器具の所定部分の体腔内における移動位置の指定操作を受け付ける機能と、
所定部分が、位置指定操作に応じた指定位置に移動するように、手術用器具の動きを制御する機能と、を実現させるためのプログラムであって、
当該手術用器具は、エンドエフェクタを保持する第１リンクと、第２リンクと、第１リンクと第２リンクを相対回転可能に連結する第１ジョイント部とを少なくとも有して構成されており、
手術用器具の動きを制御する機能は、所定部分が指定位置に移動するまでの間に、所定部分よりもポート側に位置するリンク部分が体腔内における所定部分の移動軌跡に沿って移動するように、第１リンクおよび第２リンクの姿勢を算出する機能を含む、
ことを特徴とするプログラム。

【請求項7】

ポートから体腔内に挿入されている手術用器具の動きを制御するコンピュータに、
ユーザから、手術用器具の所定部分の体腔内における移動位置の指定操作を受け付ける機能と、
位置指定操作から指定位置を算出する機能と、
所定部分が、算出した指定位置に移動するように、手術用器具の動きを制御する機能と、
算出した指定位置を記憶部に記憶する機能と、を実現させるためのプログラムであって、
当該手術用器具は、エンドエフェクタを保持する第１リンクと、第２リンクと、第１リンクと第２リンクを相対回転可能に連結する第１ジョイント部とを少なくとも有して構成されており、
手術用器具の動きを制御する機能は、所定部分が指定位置に移動するまでの間に、第１リンクおよび第２リンクの姿勢を、前記記憶部に記憶された複数の過去の指定位置を繋いだ移動軌跡にもとづいて算出する機能を含む、
ことを特徴とするプログラム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、マスタースレーブ型手術支援ロボットシステムにおける制御技術に関し、特に患者の体腔内に挿入される手術用器具の制御技術に関する。

【背景技術】

【0002】

胸腔ないし腹腔の内視鏡下手術用ロボットとして、マスタースレーブ型のロボットシステムが開発されている。日本では平成２１年に、da Vinch（登録商標）サージカルシステムが一般消化器外科、胸部外科（心臓外科を除く）、泌尿器科、婦人科を適応対象として薬事承認を受け、現在では多くの病院に導入されている。このシステムでは、胸部ないし腹部上に設けたポートから、エンドエフェクタを保持した手術用器具を体腔内に挿入し、術者が内視鏡画像を見ながらマスターとなる遠隔操作装置を両手で操作する。遠隔操作装置に入力された指先の動作は、スレーブである手術用器具およびエンドエフェクタに伝達され、指先の動作がエンドエフェクタにより再現されることで、低侵襲な手術が実現される。

【0003】

特許文献１は、外科手術用器具の遠位端にエンドエフェクタを保持し、遠隔操作でアクチュエータを制御することによりエンドエフェクタを動かす外科手術用システムを開示する。特許文献１には、近位器具本体部分と遠位器具本体部分とを関節で結合して、エンドエフェクタの位置決め自由度を高めた外科手術用器具が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特表２００９－５３９５７３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

腹側に設けたポートから手術用器具を挿入して背側の患部を手術する場合、ポートから患部までの間に組織構造が存在すると、手術用器具は組織構造を傷つけないように体腔深部に入り込んで、エンドエフェクタを患部に到達させる必要がある。従来型の直線状の硬い手術用器具は組織構造を避けられないことがあるため、手術用器具を多関節化することで、エンドエフェクタが組織構造を傷つけることなく、患部まで進入できるようになると考えられる。

【0006】

一方で多関節化された手術用器具は、マスターとなる遠隔操作装置の操作自由度を超えた冗長な自由度をもつようになる。そのため術者は、エンドエフェクタ周りに動作指令を与えることはできるものの、他の関節部分などに動作指令を与えることはできず、したがってシステム側で関節部分の制御を行って、手術用器具の位置や姿勢を管理する必要がある。このような背景から、本開示者は、低侵襲手術を実現可能とする関節付き手術用器具の動きの制御手法を想到するに至った。

【0007】

本開示はこうした状況に鑑みてなされており、その目的とするところの１つは、マスタースレーブ型の手術支援ロボットシステムにおいて、関節付き手術用器具の動きを制御する技術を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記課題を解決するために、本開示のある態様の手術用器具制御装置は、ポートから体腔内に挿入されている手術用器具の動きを制御する。手術用器具は、エンドエフェクタを保持する第１リンクと、第２リンクと、第１リンクと第２リンクを相対回転可能に連結する第１ジョイント部とを少なくとも有して構成される。制御装置は、ユーザから、第１リンクまたはエンドエフェクタの所定部分の体腔内における移動位置の指定操作を受け付ける受付部と、所定部分が、位置指定操作に応じた指定位置に移動するように、手術用器具の動きを制御する制御部と、を備える。制御部は、所定部分が指定位置に移動するまでの間に、第１リンクおよび第２リンクの姿勢を、体腔内における所定部分の移動軌跡にもとづいて算出する。

【0009】

なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本開示の表現を方法、装置、システム、記録媒体、コンピュータプログラムなどの間で変換したものもまた、本開示の態様として有効である。

【発明の効果】

【0010】

本開示によれば、マスタースレーブ型の手術支援ロボットシステムにおいて、関節付き手術用器具の動きを制御する技術を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】実施形態に係る手術支援ロボットシステムの構成例を示す図である。

【図2】手術用器具の機構を示す図である。

【図3】患者体内の模式図である。

【図4】制御装置の機能ブロック構成を示す図である。

【図5】リンク姿勢算出処理のシミュレーション結果の一例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

図１は、実施形態に係る手術支援ロボットシステム１の構成例を示す。手術支援ロボットシステム１は、遠隔操作装置２、手術ロボット装置３および制御装置３０を備え、低侵襲手術を実施可能とする。遠隔操作装置２および手術ロボット装置３は離れて配置されてよいが、遠隔操作装置２と手術ロボット装置３との間の通信遅延は可能な限り小さく設定される必要がある。

【0013】

手術ロボット装置３は、例えば患者が横たわる手術台の横に設けられる。患者の腹部または胸部には一つ又は複数の穴が開けられて、その穴にポートと呼ばれる筒状の器具が取り付けられる。手術ロボット装置３は複数のロボットアーム４ａ、４ｂ、４ｃを有し、この例ではロボットアーム４ａ、４ｂが、遠位端にエンドエフェクタを保持する手術用器具５ａ、５ｂを支持し、ロボットアーム４ｃが、カメラプローブ６を支持している。

【0014】

エンドエフェクタは処置具であって、たとえば鉗子、高周波ナイフ、クリップアプライヤ、ステープラなどであってよい。手術用器具５ａ、５ｂ（以下、特に区別しない場合には「手術用器具５」と呼ぶ）は、ポートを介して患者の体腔内に挿入され、エンドエフェクタを患部近傍に配置する。

【0015】

カメラプローブ６は先端にカメラを搭載し、ポートを介して患者体腔内に挿入される。プローブ先端のカメラは患部近傍に配置されて、手術部位を撮影する。カメラは３次元画像を撮影できる機能を有してよい。撮影した画像はリアルタイムで遠隔操作装置２に出力される。

【0016】

遠隔操作装置２は術者によって利用され、カメラプローブ６によって撮影された画像を表示できるディスプレイを有して構成されている。遠隔操作装置２は、手術ロボット装置３を操作するための操作部材を有し、術者はディスプレイに表示される内視鏡画像を見ながら操作部材を操作することで、手術ロボット装置３におけるロボットアーム４、手術用器具５およびエンドエフェクタ、カメラプローブ６などの動作を制御する。

【0017】

制御装置３０は、術者による入力操作を受け付けて、手術ロボット装置３におけるロボットアーム４、手術用器具５およびエンドエフェクタ、カメラプローブ６などの制御信号に変換し、手術ロボット装置３に供給する。また制御装置３０は、カメラプローブ６から内視鏡画像信号を取得して、遠隔操作装置２に供給する。制御装置３０は、遠隔操作装置２の筐体または手術ロボット装置３の筐体に組み込まれてもよい。手術支援ロボットシステム１では、術者による操作部材の操作がロボットアーム４や手術用器具５およびエンドエフェクタの動きに変換されて、術者の指先の動きをエンドエフェクタの動きとして再現する遠隔手術が実施される。

【0018】

実施形態において、手術用器具５は、１以上のジョイント部を有する関節付き器具として構成される。
図２は、手術用器具５の機構を示す。手術用器具５は、エンドエフェクタ１３を保持する第１リンク１０ａと、第２リンク１０ｂと、第１リンク１０ａと第２リンク１０ｂを相対回転可能に連結する第１ジョイント部１１ａとを少なくとも有して構成される。第１リンク１０ａは、手術用器具５の遠位端１２を備え、エンドエフェクタ１３は遠位端１２に保持される。手術用器具５は、図示されるように、さらに第３リンク１０ｃ、第４リンク１０ｄと、第２リンク１０ｂと第３リンク１０ｃを相対回転可能に連結する第２ジョイント部１１ｂ、第３リンク１０ｃと第４リンク１０ｄを相対回転可能に連結する第３ジョイント部１１ｃを有した多関節器具として構成されてよく、さらなるリンクおよびジョイント部を有してもよい。

【0019】

各リンク１０は、短い直線状の硬い部材として形成されてよく、各リンク１０ないし各ジョイント部１１にはアクチュエータ又はアクチュエータの駆動力を伝達する要素が搭載され、アクチュエータが制御装置３０により駆動制御されることで、リンク間の相対的な角度（姿勢）が定められる。ジョイント部１１は、連結するリンクを任意の方向に相対回転可能とすることが好ましい。なおエンドエフェクタ１３を保持する第１リンク１０ａは、エンドエフェクタ１３の姿勢を精緻に制御するために短いことが好ましい。一方で遠位端１２から離れた位置にあるリンク１０ほど、高い剛性をもたせるために長く形成されることが好ましい。そのため手術用器具５は、エンドエフェクタ１３側から、次第に長くなるようにリンク１０が配列されることが好ましく、つまり第１リンク１０ａ、第２リンク１０ｂ、第３リンク１０ｃ、第４リンク１０ｄの順に、次第に長くなるように形成されることが好ましい。

【0020】

図３は、患者体内の模式図を示す。手術用器具５は、ポート７を介して体腔内に挿入される。手術用器具５の体腔内への挿入は、遠隔操作装置２の操作部材を術者が操作することで制御される。具体的に術者は遠隔操作装置２から、手術用器具５の先端側所定部分の体腔内における移動位置の指定操作を入力する。遠隔操作装置２は、当該指定操作を制御装置３０に送信し、制御装置３０は指定操作を受け付けると、手術用器具５の所定部分が位置指定操作に応じた指定位置に移動するように、手術用器具５を体腔内で動かす。ここで手術用器具５の先端側所定部分は、第１リンク１０ａまたはエンドエフェクタ１３のいずれかの位置に設定される。以下では、所定部分が第１リンク１０ａにおける遠位端１２であるものとして説明するが、第１リンク１０ａまたはエンドエフェクタ１３の他の部分であってよい。

【0021】

軌跡２０は、手術用器具５の挿入時に遠位端１２の通った位置を示す。この例では、ポート７から患部の間に組織構造Ｔ１、Ｔ２が存在しており、術者は、手術用器具５の先端に設けたエンドエフェクタ１３が組織構造Ｔ１、Ｔ２を傷つけないように、内視鏡画像を見ながら遠位端１２の向きや進む方向、速度を指定操作して、エンドエフェクタ１３を患部まで移動させる。実施形態の手術支援ロボットシステム１において、術者が指定した遠位端１２の移動方向および移動速度は、遠位端１２の移動する位置を定めるものであり、以下では、遠位端１２の移動に関する指定操作を、遠位端１２の体腔内における移動位置を指定する操作として説明する。

【0022】

たとえば手術用器具５が、１本の直線状の硬い器具として形成されていると、組織構造Ｔ１、Ｔ２が存在することによって、エンドエフェクタ１３を患部まで到達させられないことがある。実施形態では手術用器具５を関節付き器具として形成することで、術者が内視鏡画像を見ながら、エンドエフェクタ１３を組織構造Ｔ１、Ｔ２の間を通り抜けるように、手術用器具５を動かすことが可能となる。

【0023】

しかしながら術者が手動で移動位置を指定できるのは、手術用器具５の所定部分（この例では遠位端１２）であり、所定部分よりもポート７側に位置するリンク部分の姿勢や位置を操作することはできない。そこで実施形態の制御装置３０は、当該リンク部分が組織構造Ｔ１、Ｔ２などを傷つけることのないように当該リンク部分の姿勢や位置を適切に制御する機能をもつ。

【0024】

図４は、制御装置３０の機能ブロック構成を示す。制御装置３０は、制御部４０、記憶部４２、受付部４４および画像送信部４６を備える。これらの機能ブロックは、ハードウェア的には、回路ブロック、メモリ、その他のＬＳＩで構成することができ、ソフトウェア的には、メモリにロードされたプログラムなどによって実現される。したがって、これらの機能ブロックがハードウェアのみ、ソフトウェアのみ、またはそれらの組合せによっていろいろな形で実現できることは当業者には理解されるところであり、いずれかに限定されるものではない。

【0025】

術者ないしは手術補助者（以下、単に「ユーザ」とも呼ぶ）は遠隔操作装置２を操作して、ロボットアーム４ｃに支持されたカメラプローブ６を最初に体腔内に導入し、体腔内の様子をディスプレイに映し出す。ユーザはディスプレイに映し出された内視鏡画像を見ながら、ロボットアーム４ａ、４ｂに支持された手術用器具５を体腔内に導入し、エンドエフェクタ１３を手術部位の近傍に位置させる。その際、必要であればエンドエフェクタ１３を用いて手術部位までの経路を確保するための処置も同時に行う。そしてユーザはエンドエフェクタ１３を適切に操作して手術部位に対する手術動作を行う。このように、エンドエフェクタ１３を体腔内において動かすモードを「移動モード」と呼び、以下、移動モードにおける手術用器具５の動作制御について説明する。

【0026】

制御部４０がカメラプローブ６から撮影画像を取得すると、画像送信部４６は、撮影画像を遠隔操作装置２に送信する。遠隔操作装置２はディスプレイに撮影画像を表示し、ユーザは、撮影画像を見ながら遠隔操作装置２の操作部材を操作して、エンドエフェクタ１３を手術部位に近づけるように、ロボットアーム４および手術用器具５を動かす。たとえば図３に示すように、エンドエフェクタ１３を組織構造Ｔ１、Ｔ２の間を通過させようとする場合には、組織構造Ｔ１、Ｔ２の位置関係がディスプレイに映し出されるように、カメラプローブ６を適切な位置に動かすことが好ましい。

【0027】

移動モードにおいて、受付部４４は、ユーザから、手術用器具５における所定部分の体腔内における移動位置の指定操作を受け付け、制御部４０に供給する。移動モードでは、ユーザによる操作部材の操作は、手術用器具５の所定部分が移動する位置を指定する操作として取り扱われる。なお上記したように所定部分は、第１リンク１０ａまたはエンドエフェクタ１３の任意の部分であってよいが、実施形態では、エンドエフェクタ１３を保持する基準位置となる遠位端１２としている。したがって受付部４４は、ユーザの操作部材の操作を、遠位端１２の移動先となる位置を指定するための操作として受け付ける。

【0028】

所定部分（ここでは遠位端１２）が位置指定操作に応じた指定位置に移動するように、制御部４０は、ロボットアーム４および手術用器具５の動きを制御する。エンドエフェクタ１３を手術部位まで動かす場合、制御部４０は、ロボットアーム４を患者側に向けて動かすことで手術用器具５を体腔内で前進させつつ、手術用器具５の姿勢を調整することで組織構造Ｔ１、Ｔ２に衝突しないように回避させる。

【0029】

ユーザは内視鏡画像を見ながら、エンドエフェクタ１３が組織構造Ｔ１、Ｔ２を傷つけないように遠位端１２の移動先となる位置を指定するため、遠位端１２は組織構造Ｔ１、Ｔ２を傷つけない経路を通って移動することになる。そこで制御部４０は、遠位端１２の下流側におけるリンク部分も当該経路をできるだけ通るように制御して、手術用器具５が組織構造Ｔ１、Ｔ２の間を低侵襲で移動するようにする。そのために制御部４０は、遠位端１２が指定位置に移動するまでの間に、少なくとも第１リンク１０ａおよび第２リンク１０ｂの位置および姿勢を、体腔内における遠位端１２の移動軌跡にもとづいて算出する。

【0030】

受付部４４がユーザによる位置指定操作を受け付けると、制御部４０は、その位置指定操作から遠位端１２が移動する方向および距離を算出し、遠隔操作装置２が当該移動方向および移動距離で示される位置（指定位置）に移動するように、ロボットアーム４および手術用器具５のアクチュエータを駆動する。このとき制御部４０は、算出した指定位置を記憶部４２に記憶させる。制御部４０は、指定位置を算出するたびに記憶部４２に記憶させる処理を行い、したがって記憶部４２には、遠位端１２の複数の指定位置、つまりは移動軌跡が記憶される。

【0031】

遠位端１２の移動軌跡は、ユーザによって組織構造Ｔ１、Ｔ２を傷つけないように動かされた軌跡であり、低侵襲な経路である。そのため制御部４０は、遠位端１２の下流側のリンク部分も、この低侵襲経路に沿って移動させることで、低侵襲な移動モードを実現する。制御部４０は、遠位端１２よりもポート７側に位置するリンク部分が遠位端１２の移動軌跡に沿って移動するように、少なくとも第１リンク１０ａおよび第２リンク１０ｂの姿勢を算出する。なお、制御部４０が算出するべきリンク１０の姿勢は、体腔内に挿入されているリンク１０の姿勢であり、第３リンク１０ｃも体腔内に挿入されていれば、制御部４０は、第１リンク１０ａ、第２リンク１０ｂおよび第３リンク１０ｃの姿勢を算出する。

【0032】

図５は、リンク姿勢算出処理のシミュレーション結果の一例を示す。ここでＸ軸は体の横方向を示し、ポート７の位置を基準値０としたとき、負のＸ値はポート７よりも左位置を、正のＸ値はポート７よりも右位置を表現する。Ｙ軸は体内深部方向を示し、ポート７の位置を基準値０としたとき、負のＹ値は体外位置を、正のＹ値は体内の深さ位置を表現する。なお実際の体内空間は３次元であるが、ここでは２次元空間でのシミュレーションを行っている。

【0033】

図５において、白丸は、記憶部４２に記憶された遠位端１２の指定位置を示す。図５には、手術用器具５の第１リンク１０ａ、第２リンク１０ｂ、第３リンク１０ｃがポート７から体腔内に挿入されている様子が模式的に示されている。

【0034】

制御部４０は、移動軌跡と手術用器具５の位置との誤差が最小となるように、各リンク１０の姿勢を算出する。従来から誤差を最小化するためのアルゴリズムは様々提案されているが、制御部４０は任意の誤差最小化アルゴリズムを採用してよく、採用したアルゴリズムにより移動軌跡と手術用器具５の位置との誤差が最小となる各リンク１０の姿勢を算出してよい。

【0035】

具体的に制御部４０は、第１リンク１０ａの先端位置（遠位端１２の指定位置）とポート７の位置とを拘束条件として取り扱い、したがって遠位端１２の指定位置とポート７の位置とは、誤差が０となるようにする。この拘束条件のもとで、制御部４０は、過去の指定位置を滑らかに繋いだ移動軌跡と、各リンクの位置との誤差が最小となるように、最適化問題を計算する。

【0036】

たとえば制御部４０は、過去の指定位置から各リンク１０に対して垂線を下ろし、それぞれの垂線の二乗を求めて、その二乗の総和が最小となるように、各リンク１０の姿勢を定めてよい。このとき制御部４０は、最急降下法を用いて、誤差最小値を探索してよい。なお、過去の指定位置が所定時間ごとに算出されていると、指定位置の間隔は、時間帯によって異なることになる。そこで制御部４０は、各リンク１０における重みを調整するために、垂線長の二乗に対して、各リンク１０ごとの重み係数を乗算することが好ましい。

【0037】

なお制御部４０は、各リンク１０を所定長に分割し、各リンク１０の各分割点を通ってリンク１０に垂直な平面と移動軌跡との交点を求め、交点と分割点の長さ（垂線長）を二乗して、最小二乗法により、各リンク１０の姿勢を算出してよい。垂線を所定長ごとに引くことで、各リンク１０の重みを均等にできる。各リンク１０の姿勢は、連結するジョイント部１１の制御パラメータとして利用され、制御部４０は、各リンク１０間が算出した姿勢となるように、各ジョイント部１１を駆動する。なお制御部４０は、遠位端１２が指定位置に移動するまでの間を所定時間ごとに分割し、その分割した時間ごとに、各リンク１０の姿勢を算出して、各ジョイント部１１を駆動してよい。このようにして制御部４０は、手術用器具５を、低侵襲経路に沿って体腔内で移動させることが可能となる。

【0038】

制御部４０は、体腔内に位置する全てのリンク１０の位置と移動軌跡との誤差が最小となるように各リンク１０の姿勢を算出することが好ましいが、体腔内に位置する一部のリンク１０の位置と移動軌跡との誤差が最小となるように各リンク１０の姿勢を算出してもよい。前者の場合、制御部４０は、体腔内に位置する全てのリンク１０の姿勢を同時に算出することで、目的とする誤差最小化を実現する。

【0039】

一方で後者の場合、たとえば制御部４０は、誤差最小化アルゴリズムをリンク１０ごとに遠位端１２側のリンク１０から順番に適用して、各リンク１０の姿勢を算出してよい。このとき制御部４０は、各リンク１０ごとに誤差最小となる姿勢を順番に算出することで、前者の場合と比べると計算量を大幅に低減できるが、ポート７を通る最後のリンク１０の姿勢は、その一つ手前のリンク１０の姿勢に依存して自動的に定まる。つまりポート７を通る最後のリンク１０の姿勢の算出には、誤差最小化アルゴリズムが適用されない。しかしながら、この場合であっても遠位端１２側のリンク１０から最後のリンク１０の一つ手前のリンク１０までの姿勢は、誤差最小化アルゴリズムによって算出され、制御部４０は、体腔内に挿入されている少なくとも一部のリンク１０の姿勢を誤差最小化アルゴリズムにより算出することで、低侵襲な移動モードを実現できる。

【0040】

なお制御部４０は、手術用器具５を体腔内で後退させるとき、すなわち手術用器具５を体腔内から引き抜く方向に動かすときも、同様に、低侵襲経路に沿って後退させてよい。制御部４０は、記憶部４２に記憶された過去の指定位置を用いて各ジョイント部１１の姿勢を算出するが、後退時には、遠位端１２よりも深部側に存在する過去の指定位置については演算負荷を低減するために、計算対象から除外してよい。

【0041】

以上、本開示を実施例をもとに説明した。この実施例は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本開示の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

【0042】

実施形態では、ユーザが遠隔操作装置２において操作部材を操作することで、位置指定操作を入力することを説明した。変形例では、遠隔操作装置２に設けた撮像装置がユーザの動きを撮影し、ユーザの動きが画像解析されることで、位置指定操作を入力できるようにしてもよい。また実施形態では、体腔内をカメラプローブ６により撮影することを説明したが、体腔内を撮影するカメラは手術用器具５に組み込まれていてもよい。

【0043】

本開示の態様の概要は、次の通りである。本開示のある態様は、ポートから体腔内に挿入されている手術用器具の動きを制御する制御装置である。手術用器具は、エンドエフェクタを保持する第１リンクと、第２リンクと、第１リンクと第２リンクを相対回転可能に連結する第１ジョイント部とを少なくとも有して構成される。制御装置は、ユーザから、第１リンクまたはエンドエフェクタの所定部分の体腔内における移動位置の指定操作を受け付ける受付部と、所定部分が、位置指定操作に応じた指定位置に移動するように、手術用器具の動きを制御する制御部と、を備える。制御部は、所定部分が指定位置に移動するまでの間に、第１リンクおよび第２リンクの姿勢を、体腔内における所定部分の移動軌跡にもとづいて算出する。

【0044】

この態様によると、手術用器具における第１リンクおよび第２リンクの姿勢を、既に体腔内を移動した所定部分の移動軌跡にもとづいて算出するため、手術用器具を低侵襲で移動させることが可能となる。

【0045】

制御部は、所定部分よりもポート側に位置するリンク部分が所定部分の移動軌跡に沿って移動するように、第１リンクおよび第２リンクの姿勢を算出してよい。制御部は、所定部分の移動軌跡と、手術用器具の位置との誤差が最小となるように、第１リンクおよび第２リンクの姿勢を算出してよい。

【0046】

本開示の別の態様は、ポートから体腔内に挿入されている手術用器具の動きを制御する方法である。手術用器具は、エンドエフェクタを保持する第１リンクと、第２リンクと、第１リンクと第２リンクを相対回転可能に連結する第１ジョイント部とを少なくとも有して構成される。この手術用器具制御方法は、ユーザから、第１リンクまたはエンドエフェクタの所定部分の体腔内における移動位置の指定操作を受け付けるステップと、所定部分が、位置指定操作に応じた指定位置に移動するように、手術用器具の動きを制御するステップと、を備える。手術用器具の動きを制御するステップは、所定部分が指定位置に移動するまでの間に、第１リンクおよび第２リンクの姿勢を、体腔内における所定部分の移動軌跡にもとづいて算出する。

【符号の説明】

【0047】

１・・・手術支援ロボットシステム、２・・・遠隔操作装置、３・・・手術ロボット装置、４・・・ロボットアーム、５，５ａ，５ｂ・・・手術用器具、６・・・カメラプローブ、７・・・ポート、１０ａ・・・第１リンク、１０ｂ・・・第２リンク、１０ｃ・・・第３リンク、１０ｄ・・・第４リンク、１１ａ・・・第１ジョイント部、１１ｂ・・・第２ジョイント部、１１ｃ・・・第３ジョイント部、１２・・・遠位端、１３・・・エンドエフェクタ、３０・・・制御装置、４０・・・制御部、４２・・・記憶部、４４・・・受付部、４６・・・画像送信部。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】