JP6469295B1 - 手術支援装置、その制御方法、並びに手術支援システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明に係る手術支援装置は、腹壁の第1の穴から体腔に挿入され且つ機械的に駆動される第1の術具の姿勢を、腹壁の第2の穴から体腔に挿入される第2の術具を用いて制御する手術支援装置であって、外套管を介して第2の穴に挿入される第2の術具のシャフトの体腔への挿入深度を計測する計測手段と、計測手段により計測された挿入深度に少なくとも基づいて、第1の術具の姿勢を制御するための制御情報を出力する制御手段と、を有し、計測手段は、外套管と第2の術具のいずれか一方に取り付けられた送信機と他方に取り付けられた受信機の間の空間を伝わる音波を計測することにより、挿入深度を計測する。
【選択図】図2
Description
まず、図1を参照して、本発明に係る手術支援システムの全体構成例について説明する。図1は、本実施形態に係る手術支援システム1の機能構成例を模式的に示している。本実施形態に係る手術支援システム1は、手術支援装置2と、術具やエンドエフェクタの姿勢を制御する医療器具駆動部11とを含む。
次に、図2に参照して、位置姿勢計測装置22を手持ち医療器具21と外套管23に取り付けた場合を例に、位置姿勢計測装置22の構成例について説明する。図2に示す例では、外套管23には音波送信機201が、また、手持ち医療器具21には音波受信機202がそれぞれ取り付けられており、音波送信機201と音波受信機202とは互いに対向する向きに配置されている。また、手持ち医療器具21には、慣性センサ203が取り付けられている。
更に、図3を参照して、距離計測のための制御部4の構成例について説明する。制御部4は、音波を用いた距離計測を行うための構成を含み、図3には、制御部4の有する機能のうちの、音波を用いた距離計測を行うための構成のみを示している。
図4は、演算部305によって計測される位相差と、音波送信機201と音波受信機202との間の距離とをそれぞれ縦軸と横軸とで表したグラフを示している。図4に示すように、位相差と距離との関係は、0〜360°の間で周期的に変化する波形で表される。1周期に相当する距離(d1)までを移動するのであれば、位相と距離が比例しているため、位相から一意に距離を算出することが可能である。しかし、d1以上の距離では、どの周期に相当する位相なのか判別ができないため、距離を決定することができない。
次に、上述した距離計測処理を適用して、障害物の検知処理を行う例について説明する。本計測手法では音波送信機201および音波受信機202は互いに対向した向きに配置されているため、この間に障害物が存在すると計測ができなくなる。そこで、手持ち医療器具21のシャフトの周囲にいくつかの音波送信機201と音波受信機202を配置することで、音波の経路に障害物がない音波送信機201と音波受信機202のペアを使用することが可能になる。障害物の有無は、制御部4内の振幅計測部303によって計測された値から判断することが可能である。計測される信号の振幅は距離によっても増減するが、手持ち医療器具21のシャフトの長さの範囲で変化する量と、障害物の有無によって変化する量が明確に異なるため、実験等によって適切な閾値を予め設定すれば、障害物を検出することが可能となる。このため、制御部4は、音波送信機201と音波受信機202の複数のペアから得られる複数の音波信号について、障害物検知用の閾値を上回る振幅を有するかを判定する。そして、障害物検知用の閾値を上回る振幅を有すると判定した音声信号を、障害物によって遮られていない音声信号として選択し、選択した音声信号を用いて距離計測処理を行う。
一般に、複数の音源が存在する場合には音波が干渉して空間上に音圧分布ができてしまう。複数の音波送信機201を外套管23に配置する場合であっても、ある時間幅では、送信側としては1つだけを使用するような状態で距離計測処理を行うことが望ましい。これに対し、受信側は2つ以上を同時に使用することができる。本実施形態では、この特性を利用して、手持ち医療器具21のシャフト周りの回転に対して距離の計測誤差を小さくするように処理を行う。
これまでに説明した距離計測処理は、計測開始からの相対距離を計測するものであるが、ここでは音波送信機と音波受信機の間の距離を絶対距離として計測する構成について説明する。
手持ち医療器具21のシャフトに対する挿入検知センサを使用することなく、他の構成を用いて絶対位置を求めてもよい。例えば、絶対距離を計測するための構成として、間欠的に音波を送信する構成を用いてもよい。間欠的な音波を用いる場合、音波の送信が開始した又は停止した際に、受信信号の立ち上がりもしくは立ち下りを検出することにより、音波の到達時間に基づいた絶対距離の計測が可能である。なお、受信信号の立ち上がりもしくは立ち下りの検出は、図2において上述したバースト波を用いた計測方法と同様にすればよい。すなわち、受信のタイミングはバースト波の包絡線の閾値によって判断する。このように、音波の到達時間に基づいて絶対距離を求めてしまえば、上述した正確な相対位置の計測によって、音波送信機と音波受信機の間の絶対距離が常に計測可能となる。
上述の構成では、外套管23と手持ち医療器具が1対1に対応して使用される例を説明した。しかし、実際の手術では、複数の医療器具の中から使用する医療器具を選択し、1つの外套管23に挿入する医療器具を切り替えて使用する。
使用している手持ち医療器具21を、音波を用いて識別することもできる。図12に示すように、手持ち医療器具21である医療器具A〜Cが存在し、図12に示す例では、術者は医療器具Aを使用し、残りの医療器具は外套管23からある程度離れた場所(すなわち計測可能距離を超える場所)にある機械台に置かれている。
音波受信機202と慣性センサ203とは手持ち医療器具21に内蔵されていてもよいが、多様な医療器具に対応するためには着脱可能に取り付けられる方が都合のよいことが多い。図14には、音波受信機202と慣性センサ203とを含む本実施形態に係るセンサユニット1401の構成例を示している。このセンサユニット1401は、手持ち医療器具21に着脱可能な筐体として構成される。センサユニット1401は、固定具1402のねじ1403を締めこむことにより、手持ち医療器具21のシャフトに固定される。
さらに、上述した手術支援システム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、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。
Claims (14)
- 腹壁の第1の穴から体腔に挿入され且つ機械的に駆動される第1の術具の姿勢を、前記腹壁の第2の穴から前記体腔に挿入される第2の術具を用いて制御する手術支援装置であって、
外套管を介して前記第2の穴に挿入される前記第2の術具のシャフトの前記体腔への挿入深度を計測する計測手段と、
前記計測手段により計測された前記挿入深度に少なくとも基づいて、前記第1の術具の姿勢を制御するための制御情報を出力する制御手段と、を有し、
前記計測手段は、前記外套管と前記第2の術具のいずれか一方に取り付けられた送信機と他方に取り付けられた受信機の間の空間を伝わる音波を計測することにより、前記挿入深度を計測する、ことを特徴とする手術支援装置。 - 前記計測手段は、前記送信機から送信された音波信号と前記受信機で受信された音波信号の位相差に基づいて、前記挿入深度を計測する、ことを特徴とする請求項1に記載の手術支援装置。
- 前記計測手段は、前記挿入深度を計測するために、前記送信機から送信された音波信号と前記受信機で受信された音波信号の位相差に基づいて、前記送信機と前記受信機との間の距離の変化量を計測する、ことを特徴とする請求項1に記載の手術支援装置。
- 前記計測手段は、前記位相差に基づく計測において、前記第2の術具の所定の閾値を超える速度での移動を除くことにより、前記送信機と前記受信機との間の距離の変化量を計測する、ことを特徴とする請求項3に記載の手術支援装置。
- 前記受信機は、前記第2の術具のシャフト周りに、所定の角度ごとに配置される複数の受信機から構成され、
前記計測手段は、1つの送信機から送信された音波を前記複数の受信機で受信し、前記複数の受信機で受信した音波信号に基づく計測値の平準化を行うことにより、前記挿入深度を計測する、ことを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の手術支援装置。 - 前記計測手段は、前記第2の術具のシャフトの先端が前記外套管を通過したことを検知する挿入検知手段を更に有する、ことを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載の手術支援装置。
- 前記計測手段は、前記受信機からの音波信号の振幅が所定の閾値以上である場合に、前記第2の術具が使用されていると判別する、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。
- 前記計測手段は、前記第2の術具に取り付けられるタグ検出手段であって、術者に取り付けされたタグが近接又は接触したことを検出するタグ検出手段を更に有し、
複数の前記第2の術具が存在する場合、前記タグ検出手段が前記タグを検出したことに応じて、前記タグを検出した前記タグ検出手段に対応する前記第2の術具を、使用している前記第2の術具として判別する、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。 - 前記計測手段は、更に、前記第2の術具に取り付けた慣性センサを用いて、前記第2の術具のシャフトの前記体腔への挿入角度を計測し、
前記制御手段は、前記計測手段により計測された前記挿入深度と前記挿入角度とに基づいて、前記第1の術具の姿勢を制御するための前記制御情報を出力する、ことを特徴とする請求項1から8のいずれか1項に記載の手術支援装置。 - 前記計測手段は、前記外套管と前記第2の術具の一方に取り付けられた送信機と他方に取り付けられた受信機の間の空間を伝わる超音波を計測する、ことを特徴とする請求項1から9のいずれか1項に記載の手術支援装置。
- 外套管を介して前記腹壁の前記第1の穴に挿入される、前記第1の術具のシャフトの前記体腔への挿入角度と挿入深度とを計測する他の計測手段を更に有し、
前記他の計測手段は、前記第1の穴に用いる外套管と前記第1の術具のいずれか一方に取り付けられた送信機と他方に取り付けられた受信機の間の空間を伝わる音波を計測することにより、前記第1の術具のシャフトの前記体腔への挿入深度を計測する、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。 - 前記送信機は、前記外套管と前記第2の術具のいずれか一方と着脱可能な筐体に配置される、ことを特徴とする請求項1から11のいずれか1項に記載の手術支援装置。
- 腹壁の第1の穴から体腔に挿入され且つ機械的に駆動される第1の術具の姿勢を、前記腹壁の第2の穴から前記体腔に挿入される第2の術具を用いて制御する手術支援装置の制御方法であって、前記手術支援装置は計測手段と制御手段とを含み、
前記計測手段が、外套管を介して前記第2の穴に挿入される前記第2の術具のシャフトの前記体腔への挿入深度を計測する計測工程と、
前記制御手段が、前記計測工程において計測された前記挿入深度に少なくとも基づいて、前記第1の術具の姿勢を制御するための制御情報を出力する制御工程と、を有し、
前記計測工程では、前記外套管と前記第2の術具のいずれか一方に取り付けられた送信機と他方に取り付けられた受信機の間の空間を伝わる音波を計測することにより、前記挿入深度を計測する、ことを特徴とする手術支援装置の制御方法。 - 手術支援装置と医療器具駆動装置とを含む手術支援システムであって、
前記手術支援装置は、腹壁の第1の穴から体腔に挿入され且つ機械的に駆動される第1の術具の姿勢を、前記腹壁の第2の穴から前記体腔に挿入される第2の術具を用いて制御する前記手術支援装置であって、
外套管を介して前記第2の穴に挿入される前記第2の術具のシャフトの前記体腔への挿入深度を計測する計測手段と、
前記計測手段により計測された前記挿入深度に少なくとも基づいて、前記第1の術具の姿勢を制御するための制御情報を出力する制御手段と、を有し、
前記計測手段は、前記外套管と前記第2の術具のいずれか一方に取り付けられた送信機と他方に取り付けられた受信機の間の空間を伝わる音波を計測することにより、前記挿入深度を計測し、
前記医療器具駆動装置は、
前記手術支援装置の前記制御手段によって出力された前記制御情報に基づいて、前記第1の術具の姿勢を制御する駆動手段を有する、ことを特徴とする手術支援システム。
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