JP4172722B2 - 医療用マニピュレータを用いたセンシングシステム並びに押圧力測定装置及びそのプログラム - Google Patents

Description

本発明は、医療用マニピュレータを用いたセンシングシステム並びに押圧力測定装置及びそのプログラムに係り、更に詳しくは、バルーンを膨張収縮しながら体内組織に接触させて体内の隙間を進行する医療用マニピュレータから、前記バルーンによって体内組織に付与される押圧力を求めることができる医療用マニピュレータを用いたセンシングシステム並びに押圧力測定装置及びそのプログラムに関する。

近年、大きな切開を要さずに患者への負担を少なくする低侵襲手術が注目されており、そのための手術支援ロボットシステムが種々研究開発されている。このようなロボットシステムは、患部にアクセスするマニピュレータを体表に開けられた穴から体内に挿入し、当該マニピュレータを遠隔操作によって動作させるものである。このようなシステムに用いられるマニピュレータとしては、バルーンの膨張収縮を利用して自律的に体内の隙間を進行させるものが本出願人により既に提案されている（特許文献１参照）。このマニピュレータは、相互に屈曲自在に連結された複数のベースと、これらベースに設けられるとともに、内部に供給される流体により膨張収縮可能なバルーンとを備えている。このマニピュレータは、任意の位置のバルーンを適宜膨張収縮させることで、任意のバルーンを周囲の体内組織に接触させ、当該体内組織からの反力により体内の隙間を尺取虫状に自律的に進行させるようになっている。この従来技術によれば、患部に向ってマニピュレータを進行させるための機構やモータ等の動力が不要になるという効果がある。
国際公開ＷＯ２００４／１０３１９７号パンフレット

しかしながら、前記特許文献１のマニピュレータを使用した場合、脳内組織や臓器組織といった体内組織をバルーンで押圧（圧排）し、その際の反力を使ってマニピュレータが進入する隙間を確保できるようになっており、バルーンによる体内組織の圧排時に、当該体内組織の損傷や挫傷を与えないことが必要となる。つまり、柔らかい体内組織の損傷や過度の圧排による挫傷は、手術後に後遺症を残す可能性があることから、バルーンから体内組織に付与される押圧力（圧排圧力）を精度良くセンシングしながら、体内組織の硬さ等の状態に合わせて、マニピュレータに対して所望の推進力が得られる最低限の押圧力を体内組織に作用させるようバルーンをコントロールする必要がある。ここで、マニピュレータが進入する体内組織の隙間は非常に狭いことが多く、当該隙間には、別の手術用処置具を備えたマニピュレータも進入することから、体内組織への圧排圧力を測定するためのセンサ等を新たに進入させることは現実的に難しい。

本発明は、このような課題に着目して案出されたものであり、その目的は、バルーンを用いたマニピュレータが体内の隙間に進入する際に、当該隙間にセンサ等を別途入れることなく、バルーンから体内組織に付与される押圧力をセンシングできる医療用マニピュレータを用いたセンシングシステム並びに押圧力測定装置及びそのプログラムを提供することにある。

（１）前記目的を達成するため、本発明は、生体内の隙間に挿入され、内部に供給される流体により膨張収縮可能なバルーンを備え、当該バルーンの膨張によって前記隙間の周囲の体内組織を押圧する医療用マニピュレータを用いたセンシングシステムであって、
前記体内組織の押圧時における前記バルーンの内圧である押圧時内圧を測定可能な内圧測定センサと、この内圧測定センサで測定された押圧時内圧に基づいて、前記体内組織に対する前記バルーンの押圧力を求める押圧力測定装置とを備え、
前記押圧力測定装置は、実験によって予め求められた関数が記憶され、前記バルーン内への流体の供給量と前記内圧測定センサで測定された前記押圧時内圧とを前記関数に代入することで、前記押圧力を求める、という構成を採っている。

（２）ここで、前記押圧力測定装置では、前記流体の供給量をパラメータとして所定の補正係数及び定数を求める関数が予め記憶され、前記供給量の測定値から前記補正係数及び定数を求め、前記押圧時内圧に前記補正係数を乗じた値に前記定数を加えて前記押圧力を求める、という構成を採るとよい。

（３）また、前記押圧力測定装置は、前記流体の供給量から、前記バルーンが体内組織に接触していない場合のバルーンの無負荷時内圧を求め、当該無負荷時圧力に基づいて前記押圧力を求める、という構成を採ることもできる。

（４）更に、本発明は、相互に屈曲自在に連なるとともに、内部に供給される流体により膨張収縮可能な複数のバルーンを備え、当該バルーンの膨張による体内組織への押圧力を調整することで、当該体内組織からの反力により生体内の隙間を進行可能となる医療用マニピュレータを用いたセンシングシステムであって、
前記体内組織の押圧時における前記バルーンの内圧である押圧時内圧を測定可能な内圧測定センサと、この内圧測定センサで測定された押圧時内圧に基づいて前記押圧力を求める押圧力測定装置とを備え、
前記押圧力測定装置は、実験によって予め求められた関数が記憶され、前記バルーン内への流体の供給量と前記内圧測定センサで測定された前記押圧時内圧とを前記関数に代入することで、前記押圧力を求める、という構成を採っている。

（５）以上において、前記医療用マニピュレータは、相互に屈曲自在に連なって前記各バルーンが取り付けられる複数のベースを備え、
前記ベースは、前記バルーンの開放端を収容して当該バルーンの内部を閉塞可能な穴が形成され、前記開放端に、前記流体が通るチューブが繋がっている、という構成を採ることが好ましい。

（６）また、本発明は、生体内の隙間に挿入され、内部に供給される流体により膨張収縮可能なバルーンの内圧の測定値から、前記隙間の周囲の体内組織に対する前記バルーンの押圧力を求める押圧力測定装置であって、
実験によって予め求められた関数が記憶され、前記バルーン内への流体の供給量と前記体内組織の押圧時における前記バルーンの内圧である押圧時内圧の測定値とを前記関数に代入することで、前記押圧力を求める、という構成を採っている。

（７）更に、本発明は、生体内の隙間に挿入され、内部に供給される流体により膨張収縮可能なバルーンの内圧の測定値から、前記隙間の周囲の体内組織に対する前記バルーンの押圧力を求める処理を押圧力測定装置に実行させるためのプログラムであって、
前記バルーン内への流体の供給量と実験によって予め求められた関数とに基づき、前記体内組織の押圧時における前記バルーンの内圧である押圧時内圧と前記押圧力との関係を表す関数を定める関数決定部と、当該関数決定部で定めた関数に前記押圧時内圧の測定値を代入して前記押圧力を求める押圧力演算部として、前記押圧力測定装置を機能させる、という構成を採っている。

なお、本明細書において、特に明記しない限り、「前」若しくは「先」とは、体外側から患部等のターゲットに向う医療用マニピュレータの進行方向の先端側を意味し、「後」とは、その反対側を意味する。

また、特に明記しない限り、「長さ方向」とは、前記医療用マニピュレータの進行方向に沿う方向を意味し、「幅方向」とは、医療用マニピュレータを平面視したときに、前記長さ方向に直交する方向を意味する。ここで、「側面視」は、医療用マニピュレータをその外側から幅方向に見た状態を意味する。

更に、特に明記しない限り、「上」とは、医療用マニピュレータの進行方向に直交する二方向のうち前記幅方向に該当しない方向の一端側を意味し、「下」とは、その反対側の他端側を意味する。

本発明によれば、前記バルーンを体内の隙間に入れ、バルーンに流体を供給することで、バルーンが膨張して体内組織を押圧する医療用器具として利用できるとともに、バルーン内への流体の供給量とそのときのバルーンの内圧を測定することで、体内組織に対するバルーンの押圧力（圧排圧力）を求めることができる。従って、前記隙間にセンサ等を別途入れることなく、バルーンから体内組織に付与される押圧力をセンシングでき、前記隙間が狭い場合であっても、生体の安全性を考慮しながらのバルーン内への流体供給が可能となる。

特に、前記（４）の構成によれば、バルーンの膨張収縮を利用して自律的に体内の隙間を進行させるマニピュレータに対し、当該進行時に体内組織に付与される押圧力を測定するセンサとしての機能を付加させることができ、バルーンを用いたマニピュレータが患部に向って体内の隙間を進行する際に、当該隙間にセンサ等を別途入れることなく、バルーンから体内組織に付与される押圧力をセンシングすることができる。

また、前記（５）のように構成することにより、医療用マニピュレータに付随して体外側に設けられる流体供給手段から流体を漏れなく確実にバルーン内に供給することが可能になり、流体の漏れによるバルーン内の圧力の低下を考慮せずに、当該バルーンの押圧時内圧から簡単に押圧力を求めることができる。

本実施形態に係る手術支援マニピュレータのセンシングシステムの概略構成図。 図１のＡ部の拡大分解斜視図。 手術支援マニピュレータの概略断面側面図。 手術支援マニピュレータの概略断面平面図。 ベースの拡大分解斜視図。 （Ａ）〜（Ｃ）は、手術支援マニピュレータの進行手順を説明するための概念図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は、図６の後となる手術支援マニピュレータの進行手順を説明するための概念図である。

符号の説明

１０ センシングシステム
１１ 手術支援マニピュレータ（医療用マニピュレータ）
１４ 圧力センサ（内圧測定センサ）
１６ 押圧力測定装置
２６ チューブ
３８ ベース
３９ バルーン
４９ 開放端
５１ 無負荷時圧力演算部
５２ 関数決定部
５３ 押圧力演算部

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。

図１には、本実施形態に係る医療用マニピュレータのセンシングシステムの概略構成図が示されている。この図において、センシングシステム１０は、手術時に体内に挿入され、体内組織を圧排すなわち押圧しながらその反力で進行可能に設けられた手術支援マニピュレータ１１（医療用マニピュレータ）と、この手術支援マニピュレータ１１を動作させるための流体を当該手術支援マニピュレータ１１内に供給する流体供給手段１３と、手術支援マニピュレータ１１と流体供給手段１３との間に設けられ、前記流体の圧力を測定する圧力センサ１４と、この圧力センサ１４の測定値に基づいて、手術支援マニピュレータ１１が体内組織に付与する押圧力を求める押圧力測定装置１６と、流体供給手段１３から手術支援マニピュレータ１１への流体の供給量を調節し、当該手術支援マニピュレータ１１の動作を制御する制御装置１８とを備えて構成されている。

前記手術支援マニピュレータ１１は、手術支援ロボットに適用されるものであり、医師等による遠隔操作によって体内で所望の動作が可能となるように制御される。ここでの手術支援マニピュレータ１１は、主として体内の隙間を拡開する目的で用いられる多関節型のマニピュレータであり、当該マニピュレータで体表側から患部までの隙間すなわち通路を拡開し、当該通路に、先端側に内視鏡やメス等の処置具を備えた他の術具マニピュレータ（図示省略）を通し易くするためのものである。

この手術支援マニピュレータ１１は、その後端側が保持体２０に保持されることで片持状に支持されており、当該保持体２０の保持部分となる基端部材２２と、この基端部材２２の前方に設けられ、当該基端部材２２に対して上下方向に屈曲可能な先端屈曲部材２４と、前記流体供給手段１３からそれぞれ基端部材２２の内部を通って先端屈曲部材２４の内部まで延びるとともに、幅方向ほぼ中央位置にまとめて収容された６本のチューブ２６（図１では１本のみ記載）と、保持体２０側から基端部材２２の内部を通って先端屈曲部材２４の内部まで延びる幅方向両側の２本のワイヤ２８，２８とを備えて構成されている。

前記基端部材２２は、平面視でほぼ長方形をなす板状に設けられており、図１のＡ部の拡大分解斜視図である図２に示されるように、前端側で丸みを帯びた凸状の湾曲面形状に設けられた前端面３０と、幅方向ほぼ中央に形成されて長さ方向に延びるとともに、各チューブ２６がまとめて収容されたチューブ用内部空間３１と、幅方向両端側に形成されて長さ方向に延びるとともに、各ワイヤ２８，２８がそれぞれ一本ずつ収容されたワイヤ用内部空間３２とを備えて構成されている。これら各内部空間３１，３２は、前後方向に貫通するようになっており、保持体２０側から延びるチューブ２６及びワイヤ２８は、各内部空間３１，３２を通過して先端屈曲部材２４側に延びている。

前記前端面３０は、側面視で円弧状をなしており、上下両端側から上下方向ほぼ中央に向って次第に前方外側に向って張り出す湾曲面形状となっている。

前記先端屈曲部材２４は、図１に示されるように、基端部材２２側に連なる後部形成体３４と、この後部形成体３４の前端側に連なる中間形成体３５と、この中間形成体３５の前端側に連なる先端形成体３６とからなる。

前記各形成体３４〜３６は、図３に示されるように、板状のベース３８と、このベース３８の上下両面側に設けられたバルーン３９とを備えている。

前記ベース３８は、図３から図５に示されるように、ともに湾曲面形状をなす前端面４１及び後端面４２と、上下両面間で貫通する穴４４と、内部の幅方向ほぼ中央に形成されるとともに、各チューブ２６がまとめて収容されるチューブ用内部空間４６と、内部の幅方向両端側に形成されるとともに、各ワイヤ２８，２８がそれぞれ一本ずつ収容されるワイヤ用内部空間４７とを備えて構成されている。

前記後部形成体３４の後端面４２は、図３及び図５に示されるように、丸みを帯びた凹状の湾曲面形状に設けられ、基端部材２２の前端面３０にほぼぴったりと嵌め合い可能となっている。すなわち、ここでの後端面４２は、上下両端側から上下方向ほぼ中央に向って次第に内部に向って凹んだ側面視円弧状をなす湾曲面形状に設けられている。一方、後部形成体３４の前端面４１は、丸みを帯びた凸状の湾曲面形状、すなわち、上下両端側から上下方向ほぼ中央に向って次第に外部に向って張り出す側面視円弧状をなす湾曲面形状に設けられている。

前記中間形成体３５の後端面４２は、後部形成体３４の後端面４２と同様の湾曲面形状に設けられ、後部形成体３４の前端面４１にほぼぴったりと嵌め合い可能となっている。また、中間形成体３５の前端面４１は、後部形成体３４の前端面４１と同様の湾曲面形状となっている。

前記先端形成体３６の後端面４２は、中間形成体３５の後端面４２と同様の湾曲面形状に設けられており、中間形成体３５の前端面４１にほぼぴったりと嵌め合い可能となっている。一方、先端形成体３６の前端面４１は、後部形成体３４や中間形成体３５の前端面４１，４１と異なり、幅方向両端側からそのほぼ中央に向って次第に前方に向って張り出す湾曲面形状となっている。

各形成体３４〜３６のチューブ用内部空間４６及びワイヤ用内部空間４７，４７は、図３〜図５に示されるように、相互に連通するようになっており、また、これら空間４６，４７の後端側が基端部材２２のチューブ用内部空間３１及びワイヤ用内部空間３２，３２に連通するようになっている。

すなわち、後部形成体３４のチューブ用内部空間４６は、穴４４に交わって当該穴４４に連通するように前後方向に延びており、前後方向の両端側が外側に開放し、その後端面４２に形成された開放部分は、基端部材２２の前端面３０に形成されたチューブ用内部空間３１の開放部分にほぼ相対するようになっている。

前記中間形成体３５のチューブ用内部空間４６は、後部形成体３４のチューブ用内部空間４６と同様の構成となっており、中間形成体３５の後端面４２に形成されたチューブ用内部空間４６の開放部分は、後部形成体３４の前端面４１に形成されたチューブ用内部空間４６の開放部分にほぼ相対するようになっている。

前記先端形成体３６のチューブ用内部空間４６は、先端形成体３６の後端面４２から穴４４内まで前方に延びている。また、先端形成体３６の後端面４２に形成されたチューブ用内部空間４６の開放部分は、中間形成体３５の前端面４１に形成されたチューブ用内部空間４６の開放部分にほぼ相対するようになっている。

前記後部形成体３４のワイヤ用内部空間４７，４７は、前後方向に延びており、当該前後方向両端側が外側に開放し、その後端面４２に形成された開放部分は、基端部材２２の前端面３０に形成されたワイヤ用内部空間３２，３２の開放部分にそれぞれほぼ相対するようになっている。

前記中間形成体３５のワイヤ用内部空間４７，４７は、後部形成体３４のワイヤ用内部空間４７，４７と同様の構成となっており、中間形成体３５の後端面４２に形成されたワイヤ用内部空間４７，４７の開放部分は、後部形成体３４の前端面４１に形成されたワイヤ用内部空間４７，４７の開放部分にほぼ相対するようになっている。

前記先端形成体３６のワイヤ用内部空間４７，４７は、先端形成体３６の後端面４２側のみが開放して、当該開放部分から内部途中まで前方に延びるようになっている。この開放部分は、中間形成体３５の前端面４１に形成されたワイヤ用内部空間４７，４７の開放部分にほぼ相対するようになっている。

前記バルーン３９は、各形成体３４〜３６の上下両側に合計６個設けられており、流体供給手段１３（図１参照）からチューブ２６を通って流体が内部に供給されるとともに、当該流体によって膨張収縮可能なゴム等の弾性体により一端が開放する袋状に形成されている。具体的に、バルーン３９は、図３に示されるように、その開放端４９が穴４４内に挿入されて、バルーン３９の内部の流体が外部に漏れないように閉塞されており、流体供給手段１３から各チューブ用内部空間３１，４６内を通って延びる６本のチューブ２６が、各バルーン３９一個につき一本ずつ当該バルーン３９の開放端４９側に繋がっている。従って、各バルーン３９内には、流体供給手段１３から流体が独立して供給され、当該流体の供給によって、図３中一点鎖線に示されるように、バルーン３９が外側に膨張可能となる。ここで、後述するように、手術支援マニピュレータ１１が体内に挿入されると、各バルーン３９を適宜膨張させて、当該バルーン３９をその周囲の体内組織に接触させるようになっている。また、この膨張状態でバルーン３９内の流体を流体供給手段１３側から抜き取ると、バルーン３９が収縮することになる。

なお、バルーン３９内に供給される流体は、本実施形態では、生理食塩水が用いられているが、特に限定されるものではなく、万一の漏れによる体内の汚染等の生体適合性に関する問題や膨張収縮動作上の問題等を招来しない限り、その他の液体や気体を適用してもよい。

前記チューブ２６は、可撓性及び伸縮性を備えた材料によって形成されており、後述するように、基端部材２２及び各形成体３４〜３６がそれぞれ相対的に上下方向に屈曲変位した場合でも、それに追従して変形可能となっている。

前記ワイヤ２８は、その一端側が先端形成体３６の内部に固定されており、各ワイヤ用内部空間３２，４７を通って、他端側が図示しないワイヤ牽引装置に繋がっている。このワイヤ牽引装置の駆動によって、ワイヤ２８の張力を任意に変更することができ、当該ワイヤ２８を張った状態と弛めた状態との間で変更可能になる。

以上により、手術支援マニピュレータ１１は、チューブ２６及びワイヤ２８を介して基端部材２２及び各形成体３４〜３６が相互に連結されることになり、ワイヤ２８が弛んだ状態では、基端部材２２と各形成体３４〜３６に外力が付加されると、それらの連結部位（関節部位）における一方の部材の前端面３０，４１に沿って他方の部材の後端面４２が滑りながら、相互に上下方向に屈曲可能となる。一方、このような基端部材２２及び各形成体３４〜３６の上下屈曲変位を規制するには、前記ワイヤ牽引装置でワイヤ２８を強く引いて、前記各連結部位を密着させてばよく、このようにすることで、先端屈曲部材２４が屈曲変位しないようにロックされることになる。

前記流体供給手段１３は、６本の各チューブ２６に対して流体を独立して供給若しくは排出できる限りにおいて、シリンジ等の注入器やポンプを使った液体注入装置等、種々の器具や装置を適用することができる。この流体供給手段１３の構成については、本発明の要旨ではないため、詳細な説明を省略する。

前記手術支援マニピュレータ１１は、以上の構成により、次のように動作する。

例えば、手術支援マニピュレータ１１を脳内に挿入する場合、図６（Ａ）に示されるように、脳Ｂ内の隙間Ｓの入口付近に前端側をセットした上で、流体供給手段１３からバルーン３９内に流体を供給して、当該バルーン３９を前端側から膨張させる（同図（Ａ）〜（Ｃ）参照）。この際、所定の弾性を有するバルーン３９が、隙間Ｓの周囲の脳組織Ｂ１をソフトに押圧し、前記制御装置１８（図１参照）により、相対する上下両側の各バルーン３９，３９に対する流体の供給量を独立して調整することで、バルーン３９毎に脳組織Ｂ１への押圧力が調整可能になる。このように、隙間Ｓの形状に応じて、脳組織Ｂ１への押圧力を調整することで、脳組織Ｂ１からの反力により、手術支援マニピュレータ１１は、先端屈曲部材２４の各形成体３４〜３６が隙間Ｓの形状に追従して上下方向に屈曲変位し、尺取虫のように隙間Ｓ内を掻き分けながら患部に向かって進行する。そして、手術支援マニピュレータ１１の前端側が患部に到達したら、ワイヤ２８，２８（図１等参照）を引っ張ることで、先端屈曲部材２４の相対変位を不能とするように手術支援マニピュレータ１１をロックする。その後、図７に示されるように、もう一つの手術支援マニピュレータ１１を前述と同様の手順で隙間Ｓに挿入し、バルーン３９の膨張によって、隙間Ｓを拡開することで、後行する他の術具マニピュレータ（図示省略）の挿入路を確保する。

この際、次のように、前記圧力センサ１４及び前記押圧力測定装置１６を使ってバルーン３９の脳組織Ｂ１への押圧力が測定され、当該押圧力に基づいて前記制御装置１８で前記流体供給手段１３が制御される。

前記圧力センサ１４は、各チューブ２６の後端側にそれぞれ配置され、各バルーン３９の内圧に対応する各チューブ２６内の流体圧を測定可能となっている。従って、この圧力センサ１４は、バルーン３９の内圧を測定する内圧測定センサを構成する。

前記押圧力測定装置１６は、所定のコンピュータによって構成されており、当該コンピュータを以下のように機能させるプログラムがインストールされ、当該プログラムの実行により、各バルーン３９の内圧から、バルーン３９の材質、大きさ、変形度合等を考慮して、各バルーン３９が体内組織に接触したときのそれぞれの押圧力を求める処理が行われる。

すなわち、押圧力測定装置１６は、図１に示されるように、バルーン３９内への流体の供給量に基づいて、バルーン３９が体内組織に接触していない場合のバルーン３９の無負荷時内圧を求める無負荷時圧力演算部５１と、無負荷時圧力演算部５１で求めた無負荷時内圧に基づいて、体内組織の押圧時におけるバルーン３９の押圧時内圧をパラメータとする関数を決定する関数決定部５２と、この関数のパラメータに圧力センサ１４で測定された押圧時内圧を代入することで押圧力を求める押圧力演算部５３とを備えている。

前記無負荷時圧力演算部５１では、バルーン３９内への流体の供給量から、当該バルーン３９が体内組織に非接触となる無負荷状態であると仮定したときのバルーン３９の無負荷時内圧が求められる。
すなわち、バルーン３９の材質や大きさ等に応じて定まる次式（１）が予め無負荷時圧力演算部５１に記憶されており、当該次式（１）を使って無負荷時内圧が求められる。
Ｐ_１＝ａＶ^２＋ｂ （１）
ここで、
Ｐ_１：無負荷時内圧
Ｖ：無負荷状態のバルーン３９内の体積＝流体の供給量
ａ：バルーンの材質や大きさ等によって一義的に定まる定数
ｂ：バルーン３９内の体積を０としたときの無負荷状態におけるバルーン３９の内圧
とする。
以上において、バルーン３９への流体の供給量が、無負荷状態におけるバルーン内の体積Ｖになるため、流体供給手段１３から流体の供給量を検出して当該供給量に相当する体積Ｖを上式（１）に代入することで、無負荷時内圧Ｐ_１が求まる。

前記関数決定部５２では、実際に体内組織を押圧している際のバルーン３９の押圧時内圧と体内組織への押圧力との関係を示す次式（２）を決定する。
Ｐ_２＝ｋＰ_３＋Ｐ_１ （２）
ここで、
Ｐ_２：圧力センサ１４により測定される押圧時内圧
Ｐ_３：バルーン３９による体内組織への押圧力
ｋ：無負荷時内圧Ｐ_１に応じて一義的に定まる補正係数
つまり、この補正係数ｋは、無負荷時内圧Ｐ_１をパラメータとした関数、
ｋ＝ｆ（Ｐ_１） （３）
で求められる。この関数（３）は、後述する実験に基づいて予め関数決定部５２に記憶されている。
従って、上式（１）で求められた無負荷時内圧Ｐ_１から上式（３）を使って補正係数ｋを求め、無負荷時圧力Ｐ_１に応じて相違する関数（２）が確定する。
ここで、上式（３）の関数は、バルーン３９の性質にもよるが、無負荷時内圧Ｐ_１の増加に伴って補正係数ｋが減少するように設定されている。

前記押圧力演算部５３では、関数決定部５２で決定した上式（２）を使って、押圧力Ｐ_３が求められる。すなわち、圧力センサ１４により測定された押圧時内圧Ｐ_２を上式（２）に代入することで、バルーン３９による体内組織への押圧力Ｐ_３が求められる。

以上で説明した押圧力の算出手順は、予め本発明者らが行った実験に基づいて案出されたものである。ここでの実験としては、図示しない水槽中にバルーン３９を沈め、このバルーン３９内に外側から流体を注入可能な実験装置を作成して次のように行った。すなわち、バルーン３９の周囲の水を体内組織と仮定して、前記押圧力に対応する水槽中の水圧と、前記無負荷状態のバルーン３９の体積に相当するバルーン３９内への流体の注入量と、前記押圧時内圧に対応するバルーン３９の内圧との何れかを変え、そのときの前記水圧、流体の注入量及びバルーン３９の内圧をそれぞれ測定し、それらの関係を求めた。そして、当該関係に基づいて前述の算出手順が導出されている。

前記制御装置１８は、所定のコンピュータによって構成されており、押圧力測定装置１６で求められた各バルーン３９の体内組織に対する押圧力に応じて、各バルーン３９内への流体の供給量を調節可能となるように流体供給手段１３を制御する。つまり、制御装置１８は、各バルーン３９で体内組織を押圧したときに、手術支援マニピュレータ１１の進行を可能とする反力が得られるように、且つ、その際のバルーン３９による体内組織への押圧力が所定の閾値を超えた場合に、該当するバルーン３９への流体の供給を停止し、若しくは、バルーン３９内の流体を外部に排出させるように、流体供給手段１３を制御する。

従って、このような実施形態によれば、バルーン３９の膨張収縮で手術支援マニピュレータ１１を患部に向って進行させることから、バルーン３９は、手術支援マニピュレータを動作させる一種のアクチュエータとして機能するばかりか、前記押圧時内圧に基づいて体内組織への押圧力を求めることのできるセンサとしての機能をも担うことになる。従って、特別なセンサ類を別途設けることなく、手術支援マニピュレータ１１のみで、体内組織の損傷や挫傷を回避するように動作制御可能となる。

なお、押圧力測定装置１６としては、無負荷時圧力演算部５１を省略し、無負荷時内圧Ｐ_１を求めずに前記押圧力Ｐ_３を求める変形例を採用することが好ましい。

すなわち、本変形例の関数決定部５２では、実際に体内組織を押圧している際のバルーン３９の押圧時内圧Ｐ_２と体内組織への押圧力Ｐ_３との関係を示す次式（４）を決定する。
Ｐ_３＝αＰ_２＋β （４）
ここで、
αは、無負荷状態のバルーン３９内の体積Ｖすなわち測定された流体の供給量に応じて一義的に定まる補正係数であり、この補正係数αは、体積Ｖをパラメータとした関数、
α＝ｆ_α（Ｖ） （５）
で求められる。
βは、前記体積Ｖに応じて一義的に定まる定数であり、この定数βは、体積Ｖをパラメータとした式（５）と別の関数、
β＝ｆ_β（Ｖ） （６）
で求められる。
これら関数（５）、（６）は、前述した実験に基づいて予め決定され、関数決定部５２に記憶される。
従って、流体供給手段１３による流体の供給量（体積Ｖ）から、上式（５），（６）を使って、補正係数αと定数βを決定し、流体の供給量に応じて相違する関数（４）が確定する。
ここで、上式（５），（６）の関数は、バルーン３９の性質にもよるが、αは、体積Ｖの増加に伴って直線的に増加するように設定され、βは、体積Ｖの増加に伴って曲線状に減少するように設定され、その減少度合は、体積Ｖが増加するに従って次第に増大するようになっている。

そして、本変形例の押圧力演算部５３では、関数決定部５２で決定した上式（４）に、圧力センサ１４により測定された押圧時内圧Ｐ_２を代入することで、押圧力Ｐ_３が求められる。なお、本変形例の押圧力の算出手順も、前述した、発明者らの実験に基づいて案出されたものである。

従って、このような変形例によれば、前記実施形態と異なり、無負荷時内圧Ｐ_１を求める必要がなくなり、バルーン３９による体内組織への押圧力Ｐ_３をより簡単に求めることができる。

なお、手術支援マニピュレータ１１として、先端屈曲部材２４が三関節型となるものを図示説明したが、先端屈曲部材２４が基端部材２２に対して屈曲自在に連なる限り、関節の数すなわち先端屈曲部材２４の各形成体３４〜３６の構成は前述の構造に限定されない。

また、前記手術支援マニピュレータ１１としては、前記実施形態や変形例の構造に限定されず、バルーン３９若しくはこれに類する弾性体を使って前述と同様の動作を可能にする限り、種々の構成のものを採用することができる。例えば、ベース３８を省略して、一又は複数のバルーン３９及び当該バルーン３９に繋がるチューブ２６のみで構成したマニピュレータに本発明を採用することもできる。

更に、前記実施形態及び変形例では、本発明が適用される手術支援マニピュレータ１１として、体内の隙間を拡開する目的のマニピュレータについて説明したが、この用途のマニピュレータに限定されるものではなく、先端側に内視鏡やメス等の処置具を備えた他の術具マニピュレータに本発明を適用することもできる。また、自律進行型のマニピュレータでなくてもよく、例えば、自律進行しないで脳組織の隙間を拡開する脳ベラのような医療用器具に本発明を適用してもよい。従って、本明細書及び請求の範囲における「医療用マニピュレータ」とは、各種医療用器具を含む概念として用いる。

その他、本発明における装置各部の構成は図示構成例に限定されるものではなく、実質的に同様の作用を奏する限りにおいて、形状、構造、数量等、種々の変更が可能である。

Claims (7)

1. 生体内の隙間に挿入され、内部に供給される流体により膨張収縮可能なバルーンを備え、当該バルーンの膨張によって前記隙間の周囲の体内組織を押圧する医療用マニピュレータを用いたセンシングシステムであって、
   前記体内組織の押圧時における前記バルーンの内圧である押圧時内圧を測定可能な内圧測定センサと、この内圧測定センサで測定された押圧時内圧に基づいて、前記体内組織に対する前記バルーンの押圧力を求める押圧力測定装置とを備え、
   前記押圧力測定装置は、実験によって予め求められた関数が記憶され、前記バルーン内への流体の供給量と前記内圧測定センサで測定された前記押圧時内圧とを前記関数に代入することで、前記押圧力を求めることを特徴とする医療用マニピュレータを用いたセンシングシステム。
2. 前記押圧力測定装置では、前記流体の供給量をパラメータとして所定の補正係数及び定数を求める関数が予め記憶され、前記供給量の測定値から前記補正係数及び定数を求め、前記押圧時内圧に前記補正係数を乗じた値に前記定数を加えて前記押圧力を求めることを特徴とする請求項１記載の医療用マニピュレータを用いたセンシングシステム。
3. 前記押圧力測定装置は、前記流体の供給量から、前記バルーンが体内組織に接触していない場合のバルーンの無負荷時内圧を求め、当該無負荷時圧力に基づいて前記押圧力を求めることを特徴とする請求項１記載の医療用マニピュレータを用いたセンシングシステム。
4. 相互に屈曲自在に連なるとともに、内部に供給される流体により膨張収縮可能な複数のバルーンを備え、当該バルーンの膨張による体内組織への押圧力を調整することで、当該体内組織からの反力により生体内の隙間を進行可能となる医療用マニピュレータを用いたセンシングシステムであって、
   前記体内組織の押圧時における前記バルーンの内圧である押圧時内圧を測定可能な内圧測定センサと、この内圧測定センサで測定された押圧時内圧に基づいて前記押圧力を求める押圧力測定装置とを備え、
   前記押圧力測定装置は、実験によって予め求められた関数が記憶され、前記バルーン内への流体の供給量と前記内圧測定センサで測定された前記押圧時内圧とを前記関数に代入することで、前記押圧力を求めることを特徴とする医療用マニピュレータを用いたセンシングシステム。
5. 前記医療用マニピュレータは、相互に屈曲自在に連なって前記各バルーンが取り付けられる複数のベースを備え、
   前記ベースは、前記バルーンの開放端を収容して当該バルーンの内部を閉塞可能な穴が形成され、前記開放端に、前記流体が通るチューブが繋がっていることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の医療用マニピュレータを用いたセンシングシステム。
6. 生体内の隙間に挿入され、内部に供給される流体により膨張収縮可能なバルーンの内圧の測定値から、前記隙間の周囲の体内組織に対する前記バルーンの押圧力を求める押圧力測定装置であって、
   実験によって予め求められた関数が記憶され、前記バルーン内への流体の供給量と前記体内組織の押圧時における前記バルーンの内圧である押圧時内圧の測定値とを前記関数に代入することで、前記押圧力を求めることを特徴とする押圧力測定装置。
7. 生体内の隙間に挿入され、内部に供給される流体により膨張収縮可能なバルーンの内圧の測定値から、前記隙間の周囲の体内組織に対する前記バルーンの押圧力を求める処理を押圧力測定装置に実行させるためのプログラムであって、
   前記バルーン内への流体の供給量と実験によって予め求められた関数とに基づき、前記体内組織の押圧時における前記バルーンの内圧である押圧時内圧と前記押圧力との関係を表す関数を定める関数決定部と、当該関数決定部で定めた関数に前記押圧時内圧の測定値を代入して前記押圧力を求める押圧力演算部として、前記押圧力測定装置を機能させることを特徴とする押圧力測定装置のプログラム。

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