JP6831642B2 - 外科手術システム - Google Patents

Description

本発明は、外科手術システムに関する。

従来から外科手術に用いられるマニピュレータを備えたシステムが知られている（例えば、特許文献１，２等参照）。

このようなシステムでは、マニピュレータ（アーム）の先端部に手術器具が取り付けられている。この手術器具は、細長い棒状のシャフトを有し、このシャフトの先端に鉗子等の処置具が取り付けられており、患者の切開部を通じて体内に挿入される。そして、施術者の遠隔操作によってマニピュレータが制御されて手術器具の位置姿勢を変化させることができる。

特表２００２−５３０２０９号公報 特表２０１５−５０２８１４号公報

しかし、上記従来のシステムでは、手術器具の位置姿勢を変化させる際の手術器具の運動中心位置が患者の体表面ないしその近辺にある。そのため、例えば、胸部手術を行うときに肋骨の骨と骨との間を通るように手術器具を挿入した場合に、手術中において手術器具のシャフトが骨に接しないように操作する上で、手術器具の先端の可動範囲が狭くなり、手術を行いにくくなっていた。

本発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、肋骨等の骨と骨との間等の狭い領域に手術器具を挿入する場合でも、手術器具の先端の可動範囲を広くとることができる外科手術システムを提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明のある態様に係る外科手術システムは、基端部に対して先端部を３次元空間内で移動するマニピュレータと、前記マニピュレータの先端部に連結される棒状のシャフトと、該シャフトの先端部に設けられた処置具とを有する手術器具と、施術者が前記手術器具の位置姿勢の指示を入力する操作入力部と、前記操作入力部に入力される指示に基づいて前記マニピュレータの動作を制御する制御装置と、患者の切開部に挿入される前記手術器具の運動中心位置として、前記患者の体表面よりも内部の所望位置を前記制御装置に設定する運動中心位置設定部とを備え、前記制御装置は、前記手術器具が前記切開部から前記患者の体内に挿入されて前記シャフトが前記運動中心位置を通るように前記手術器具が配置された後、前記操作入力部に入力される指示に基づいて前記マニピュレータの動作を制御する際に前記シャフトが前記運動中心位置に位置する状態を維持して前記手術器具の位置姿勢を変化させるように前記マニピュレータの動作を制御するよう構成されている。

本発明は、以上に説明した構成を有し、肋骨等の骨と骨との間等の狭い領域に手術器具を挿入する場合でも、手術器具の先端の可動範囲を広くとることができる外科手術システムを提供することができるという効果を奏する。

図１は、本発明の実施形態に係る外科手術システムの全体的な構成の一例を示す概略図である。 図２は、患者側装置のポジショナの構成の一例を示す側面図である。 図３は、患者側装置の手術器具が取り付けられたマニピュレータ（アーム）の構成の一例を示す概略図である。 図４は、外科手術システムの概略を示すブロック図である。 図５（Ａ）〜図５（Ｄ）は、初期切開位置及び運動中心位置の設定方法の一例を説明するための図である。 図６（Ａ）、図６（Ｂ）は、本実施形態に係る外科手術システムにおける効果について説明するための図である。 図７（Ａ）、図７（Ｂ）、図７（Ｃ）はそれぞれ、警告判定条件について説明するための図である。

本発明のある態様に係る外科手術システムは、基端部に対して先端部を３次元空間内で移動するマニピュレータと、前記マニピュレータの先端部に連結される棒状のシャフトと、該シャフトの先端部に設けられた処置具とを有する手術器具と、施術者が前記手術器具の位置姿勢の指示を入力する操作入力部と、前記操作入力部に入力される指示に基づいて前記マニピュレータの動作を制御する制御装置と、患者の切開部に挿入される前記手術器具の運動中心位置として、前記患者の体表面よりも内部の所望位置を前記制御装置に設定する運動中心位置設定部とを備え、前記制御装置は、前記手術器具が前記切開部から前記患者の体内に挿入されて前記シャフトが前記運動中心位置を通るように前記手術器具が配置された後、前記操作入力部に入力される指示に基づいて前記マニピュレータの動作を制御する際に前記シャフトが前記運動中心位置に位置する状態を維持して前記手術器具の位置姿勢を変化させるように前記マニピュレータの動作を制御するよう構成されている。

この構成によれば、手術器具の運動中心位置を、患者の体表面あるいはほぼ体表面とするのではなく、体内（身体の内部）に設定することにより、例えば肋骨の骨と骨との間等の狭い領域に手術器具を挿入する場合でも、手術器具の先端の可動範囲を広くとることができ、手術を行いやすくなる。

前記運動中心位置設定部は、前記手術器具が前記切開部から前記患者の体内に挿入されて前記手術器具の所定の基準点が体内の所望位置になったときにその位置を前記運動中心位置として前記制御装置に設定するための操作を行う運動中心位置設定操作部を有して構成されていてもよい。

前記患者の体表面における前記切開部の位置を初期切開位置として前記制御装置に設定する初期切開位置設定部と、前記手術器具が前記切開部から前記患者の体内に挿入されて前記シャフトが前記運動中心位置を通るように前記手術器具が配置された後、前記制御装置によって前記マニピュレータの動作が制御される際に、前記シャフトが前記初期切開位置から離れ、かつ、所定の条件を満足するときに、施術者へ警告を発する警告装置とをさらに備えていてもよい。この構成によれば、施術者へ警告を発することにより、手術中に切開部の位置が大きく移動することを防止でき、患者にとって好ましい。

前記運動中心位置設定部は、前記患者の体表面における前記切開部の位置を初期切開位置として前記制御装置に設定する初期切開位置設定部と、前記初期切開位置から所定方向に所定距離離れた位置を算出し、当該位置を前記運動中心位置として前記制御装置に設定する演算部とで構成されていてもよい。

前記手術器具が前記切開部から前記患者の体内に挿入されて前記シャフトが前記運動中心位置を通るように前記手術器具が配置された後、前記制御装置によって前記マニピュレータの動作が制御される際に、前記シャフトが前記初期切開位置から離れ、かつ、所定の条件を満足するときに、施術者へ警告を発する警告装置をさらに備えていてもよい。この構成によれば、施術者へ警告を発することにより、手術中に切開部の位置が大きく移動することを防止でき、患者にとって好ましい。

前記所定の条件は、現時点の前記シャフトの中心軸上における前記運動中心位置から前記初期切開位置と前記運動中心位置との距離だけ離れた位置と、前記初期切開位置との距離が、所定値以上になることであってもよい。この場合、現時点の切開部の中心位置と初期切開位置との距離の近似値を算出し、この近似値が所定値以上になることを所定の条件にしているとも言える。

前記所定の条件は、前記初期切開位置を通り、かつ前記運動中心位置から前記初期切開位置へ向かうベクトルと垂直な平面と、現時点の前記シャフトの中心軸とが交差する位置を算出し、当該位置と前記初期切開位置との距離が、所定値以上になることであってもよい。この場合、現時点の切開部の中心位置と初期切開位置との距離の近似値を算出し、この近似値が所定値以上になることを所定の条件にしているとも言える。

前記初期切開位置設定部は、前記手術器具が前記切開部から前記患者の体内に挿入される際に、前記手術器具の所定の基準点が前記患者の体表面における前記切開部の位置になったときにその位置を前記初期切開位置として前記制御装置に設定するための操作を行う初期切開位置設定操作部を有して構成されていてもよい。

前記手術器具が前記切開部から前記患者の体内に挿入されて前記シャフトが前記運動中心位置を通るように前記手術器具が配置された後、前記制御装置によって前記マニピュレータの動作が制御される際に、前記運動中心位置を設定した時点の前記シャフトの中心軸の方向を示すベクトルと、現時点の前記シャフトの中心軸の方向を示すベクトルとのなす角度が所定角度以上になったときに、施術者へ警告を発する警告装置をさらに備えていてもよい。この構成によれば、施術者へ警告を発することにより、手術中に切開部の位置が大きく移動することを防止でき、患者にとって好ましい。

前記運動中心位置は、前記患者の体内の互いに隣り合う骨と骨との間に定められてもよい。

以下、好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、以下では全ての図面を通じて同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。また、本発明は、以下の実施形態に限定されない。

（実施形態）
［外科手術システムの概要］
図１は、本発明の実施形態に係る外科手術システムの全体的な構成の一例を示す概略図である。図２は、患者側装置のポジショナの構成の一例を示す側面図である。図３は、患者側装置の手術器具が取り付けられたマニピュレータ（アーム）の構成の一例を示す概略図である。図４は、外科手術システムの概略を示すブロック図である。

図１に示すように、外科手術システム１００は、ロボット支援手術やロボット遠隔手術などのように、医師などの施術者Ｏが操作装置２を用いて患者側装置１を操ることにより、患者Ｑに内視鏡外科手術を施すシステムである。

外科手術システム１００は、患者側装置１と、操作装置２と、制御装置６とを備えている。操作装置２は患者側装置１から離れて配置され、患者側装置１は操作装置２によって遠隔操作される。施術者Ｏが患者側装置１に行わせる動作に応じて操作装置２を操作すると、操作装置２はその操作に応じた操作信号を制御装置６へ送信する。そして、制御装置６は、操作装置２から送信された操作信号を受け取り、この操作信号に基づいて患者側装置１を動作させる。以下、外科手術システム１００の各構成要素について詳細に説明する。

［操作装置］
操作装置２は、外科手術システム１００と施術者Ｏとのインターフェースを構成し、患者側装置１を操作するための装置である。操作装置２は、手術室内において手術台１１１の傍らに又は手術台１１１から離れて、或いは、手術室外に設置されている。

操作装置２は、施術者Ｏが操作指令を入力するための操作用マニピュレータ５１や操作ペダル５２などの操作入力部５０と、内視鏡４１で撮影された画像を表示する表示装置５５とを含む。施術者Ｏは、表示装置５５で患部を視認しながら、操作入力部５０を操作して操作装置２に操作指令を入力する。操作装置２に入力された操作指令は、操作信号として有線又は無線により制御装置６に伝達される。また、操作装置２には、図４に示すように、初期切開位置設定操作部（初期切開位置設定部）５３、運動中心位置設定操作部（運動中心位置設定部）５４及び警告装置５６を備えており、これらについては後述する。

［患者側装置］
患者側装置１は、外科手術システム１００と患者Ｑとのインターフェースを構成する。患者側装置１は、手術室内において患者Ｑが横たわる手術台１１１の傍らに配置されている。

患者側装置１は、ポジショナ７と、ポジショナ７の先端部に取り付けられたプラットホーム５と、プラットホーム５に着脱可能に取り付けられた複数の患者側マニピュレータ３（以下、「アーム３」という）と、複数のアーム３のうち１本のアーム３Ａの先端部に取り付けられた内視鏡４１と、複数のアーム３のうち余のアーム３Ｂの先端部に着脱可能に取り付けられた手術器具４２（以下、「インストゥルメント４２」という）とを備えている。なお、ポジショナ７及びプラットホーム５は、滅菌ドレープ９で覆われている。この患者側装置１は、例えば、内視鏡４１が取り付けられた１本のアーム３Ａと、インストゥルメント４２が取り付けられた３本のアーム３Ｂとの、併せて４本のアーム３を備えている。但し、図４では、３本のアーム３だけを図示している。

図２に示すように、ポジショナ７は、水平多関節形ロボットを基調としており、手術室の床に載置されたベース７０と、昇降軸７２と、ベース７０と昇降軸７２の基端部とを連結する揺動アーム７１と、昇降軸７２の先端部に連結された水平アーム７３とを含む。水平アーム７３の先端部には、プラットホーム５が連結されている。

ベース７０は、例えば、ブレーキ付台車であって、所望の位置へ移動させて、そこで静止させることができる。このベース７０に、揺動アーム７１の基端部が回転関節Ｊ71を介して連結されている。この回転関節Ｊ71の動作により、揺動アーム７１は、ベース７０に規定された水平な回転軸を中心として回動（揺動）する。また、揺動アーム７１の先端部には、回転関節Ｊ72を介して昇降軸７２の基端部が連結されている。ここで、揺動アーム７１が、図２に示す垂直な起立状態から回転関節Ｊ71の動作によって傾斜状態になるときには、回転関節Ｊ72の動作により、昇降軸７２の垂直状態が維持される。

昇降軸７２は、筒部材７２ａ、この筒部材７２ａに垂直方向へ進退可能に挿入された中空の軸部材７２ｂ、及び、これらの部材（７２ａ、７２ｂ）を連結する並進関節Ｊ73を含む。この並進関節Ｊ73の動作によって、軸部材７２ｂが筒部材７２ａに対して垂直方向へ進退移動することにより、昇降軸７２は垂直方向に伸縮可能である。

水平アーム７３は、水平に延びる第１リンク７４及び第２リンク７５と、第２リンク７５の先端部に連結された手首リンク７６とを含む。手首リンク７６の先端部には、プラットホーム５が接続されている。

第１リンク７４の基端部は、回転関節Ｊ74を介して昇降軸７２の先端部と連結されている。この回転関節Ｊ74の動作により、第１リンク７４は昇降軸７２の先端部に規定された垂直な回転軸を中心として回動する。第１リンク７４の先端部は、回転関節Ｊ75を介して第２リンク７５の基端部と連結されている。この回転関節Ｊ75の動作により、第２リンク７５は、第１リンク７４の先端部に規定された垂直な回転軸を中心として回動する。

第２リンク７５の先端部は、回転関節Ｊ76を介して手首リンク７６の基端部と連結されている。この回転関節Ｊ76の動作により、手首リンク７６は、第２リンク７５の先端部に規定された水平な回転軸を中心として回動する。定常時の手首リンク７６は垂直に延びており、この手首リンク７６の先端部に接続されたプラットホーム５は水平な姿勢である。

プラットホーム５は、複数のアーム３の拠点となる「ハブ」としての機能を有している。各アーム３は、プラットホーム５に対し着脱可能に取り付けられ、プラットホーム５から取り外して洗浄処理及び滅菌処理を行うことができる。

本例では、ポジショナ７及びプラットホーム５によって、複数のアーム３を移動可能に支持するアーム支持体Ｓが構成されている。但し、アーム支持体Ｓは少なくともプラットホーム５を含んでいればよく、例えば、ポジショナ７に代えて直動レールや昇降装置、或いは、天井や壁に取り付けられたブラケットに支持されたプラットホーム５によってアーム支持体Ｓが構成されてもよい。

次に、アーム３の構成の一例について説明する。複数の各アーム３は、構成が異なってもよく、各アーム３には個体識別情報が与えられている。

図３には、患者側装置１が備える複数のアーム３のうちの１本の概略構成が示されている。図３に示すように、アーム３は、第１アーム部３０と、第１アーム部３０の先端部に連結された第２アーム部３５とを備え、基端部に対し先端部を３次元空間内で移動させることができるように構成されている。アーム３は、例えばその先端部が６自由度の位置姿勢を有するように構成されている。

第１アーム部３０は、プラットホーム５に着脱可能に取り付けられるベース８０と、ベース８０から先端部に向けて順次連結された第１リンク８１〜第６リンク８６とを含む。より詳細には、ベース８０の先端部に、捩り関節Ｊ31を介して第１リンク８１の基端部が連結されている。第１リンク８１の先端部に、捩り関節Ｊ32を介して第２リンク８２の基端部が連結されている。第２リンク８２の先端部に、曲げ関節Ｊ33を介して第３リンク８３の基端部が連結されている。第３リンク８３の先端部に、捩り関節Ｊ34を介して第４リンク８４の基端部が連結されている。第４リンク８４の先端部に、曲げ関節Ｊ35を介して第５リンク８５の基端部が連結されている。第５リンク８５の先端部に、捩り関節Ｊ36を介して第６リンク８６の基端部が連結されている。第６リンク８６の先端部３０ａに、第２アーム部３５の基端部（基端側リンク９１）が連結されている。

第２アーム部３５は、第６リンク８６の先端部３０ａに第１軸線Ｌ１周りに回動可能に取り付けられた基端側リンク９１と、この基端側リンク９１の先端部に連結部９３を介して第２軸線Ｌ２周りに回動可能に取り付けられた先端側リンク９２とを有している。そして、先端側リンク９２の先端部には第３軸線Ｌ３周りに回動可能に回動軸９４が取り付けられ、この回動軸９４にホルダ３６が固定されている。このホルダ３６には、インストゥルメント４２が着脱容易に取り付けられている。

この第２アーム部３５は、第２アーム部３５の先端部に取り付けられたホルダ３６を基準方向Ｄに並進移動させることにより、ホルダ３６に取り付けられたインストゥルメント４２を、そのシャフト４３の延在方向（基準方向Ｄ）に並進移動させる機構である。

すなわち、第２アーム部３５は、第１アーム部３０の先端部３０ａに対して、ホルダ３６の姿勢を変えることなく、ホルダ３６をシャフト４３の延在方向に移動可能に構成されている。この第２アーム部３５は、第１アーム部３０及びホルダ３６と回転関節によって接続され、基端側リンク９１及び先端側リンク９２も回転関節によって接続された構成とすることができる。なお、第２アーム部３５に代えて、並進関節を用いて、ホルダ３６をその姿勢を変えることなくシャフト４３の延在方向に移動させるように構成することも可能である。

また、先述の第１アーム部３０は、その先端部３０ａが例えば６自由度の位置姿勢を有するよう構成されており、その先端部３０ａに第２アーム部３５が連結されている。

上記の構成により、ホルダ３６に取り付けられたインストゥルメント４２は、アーム３の動作によって、３次元空間においてその位置及び姿勢を自由に変えることができる。

なお、患者側装置１は、上記のアーム支持体Ｓ及びアーム３に限られるものではなく、操作装置２の操作によって、先端に取り付けられたインストゥルメント４２の位置及び姿勢を自由に変えることができるマニピュレータを備えていればよい。

インストゥルメント４２は、その基端部に設けられた駆動ユニット４５と、その先端部に設けられたエンドエフェクタ（処置具）４４と、駆動ユニット４５とエンドエフェクタ４４の間を繋ぐ細長い棒状のシャフト４３とで構成されている。インストゥルメント４２は、そのシャフト４３の延在方向が基準方向Ｄと同方向となるようにホルダ３６に取り付けられている。インストゥルメント４２のエンドエフェクタ４４は、動作する関節を有する器具（例えば、鉗子、ハサミ、グラスパー、ニードルホルダ、マイクロジセクター、ステープルアプライヤー、タッカー、吸引洗浄ツール、スネアワイヤ、及び、クリップアプライヤーなど）や、関節を有しない器具（例えば、切断刃、焼灼プローブ、洗浄器、カテーテル、及び、吸引オリフィスなど）からなる群より選択される。

また、内視鏡４１が取り付けられたアーム３（３Ａ）の場合は、ホルダ３６に、インストゥルメント４２に代えて内視鏡４１が着脱可能に保持されている。なお、内視鏡４１が取り付けられるホルダ３６は、インストゥルメント４２が取り付けられるホルダ３６と態様が異なっていてもよい。

なお、プラットホーム５は、その側面及び下面にそれぞれ複数のアーム３を取り付けることができるよう構成されている。アーム３のベース８０には、インターフェース部８０１（以下、「Ｉ／Ｆ部８０１」という）が設けられ、プラットホーム５の取付ポート（図示せず）と接続される。このＩ／Ｆ部８０１には、電線や通信配線のコネクタが設けられ、プラットホーム５の取付ポートに設けられたソケットと接続される。また、Ｉ／Ｆ部８０１には、アーム３の個体識別情報等が記憶されたＩＣタグが設けられている。そして、プラットホーム５には、上記ＩＣタグの情報を読み取って制御装置６へ出力するタグリーダライタが設けられている。制御装置６は、例えば、アーム３の個体識別情報に基づいて、操作装置２から入力される手術情報に基づいて実施される手術に適切なアームであるか否かを判断することができる。

［制御装置］
制御装置６は、図４に示すように、マスタ側制御部６１及びスレーブ側制御部６２を有する。マスタ側制御部６１及びスレーブ側制御部６２は、それぞれ、例えば、ＣＰＵ等の演算部と、ＣＰＵの実行プログラム及び各種データを記憶するＲＯＭ、ＲＡＭ等の記憶部などを有している。

前述のポジショナ７及びアーム３等の各関節は、サーボモータと、このサーボモータの回転位置を検出するエンコーダ等を有して構成され、エンコーダで検出された回転位置は制御装置６のスレーブ側制御部６２に入力される。

施術者Ｏが操作装置２の操作入力部５０を操作することにより、操作入力部５０から操作指令である操作信号がマスタ側制御部６１に入力される。この操作信号が、例えば、インストゥルメント４２の位置及び姿勢に関するものである場合には、マスタ側制御部６１は、操作信号に基づいて、インストゥルメント４２の位置及び姿勢の指令値を例えば運動学計算にしたがって算出し、この位置及び姿勢の指令値をスレーブ側制御部６２へ出力する。スレーブ側制御部６２では、インストゥルメント４２の位置及び姿勢を指令値に一致させるために必要なアーム３の各関節の駆動量を、例えば逆運動学計算にしたがって算出し、算出した駆動量に基づいてアーム３の各関節を駆動させる。

また、操作入力部５０からの操作信号がインストゥルメント４２のエンドエフェクタ４４の動作（例えば鉗子の把持動作等）に関するものである場合には、マスタ側制御部６１は、操作信号に基づいて、エンドエフェクタ４４の駆動量の指令値を算出し、スレーブ側制御部６２へ出力する。スレーブ側制御部６２では、エンドエフェクタ４４の駆動量の指令値に基づいてエンドエフェクタ４４を駆動（動作）させる。

なお、ポジショナ７についても同様に、操作入力部５０からの操作信号がプラットホーム５の位置及び姿勢に関するものである場合には、マスタ側制御部６１は、操作信号に基づいて、プラットホーム５の位置及び姿勢の指令値を算出し、この位置及び姿勢の指令値をスレーブ側制御部６２へ出力する。スレーブ側制御部６２では、プラットホーム５の位置及び姿勢を指令値に一致させるために必要なポジショナ７の各関節の駆動量を算出し、算出した駆動量に基づいてポジショナ７の各関節を駆動させる。

次に、上記構成の外科手術システム１００を用いて手術を行う場合の手順の概略を説明する。

はじめに、例えば手術助手が手術台１１１上の患者Ｑの体表面の複数の所定位置を切開し、各々の切開部にカニューレ１１０を装着する。

その後、施術者Ｏが操作装置２を操作することにより、先ず、プラットホーム５と手術台１１１上の患者Ｑとが所望の位置関係となるようにポジショナ７を動作させて、プラットホーム５の位置決めを行う。

次に、例えば施術者Ｏが操作装置２を操作することにより、患者Ｑの体表面に装着された各カニューレ１１０と、内視鏡４１及び各インストゥルメント４２とが、所望の初期位置関係となるように各アーム３を動作させて、内視鏡４１及び各インストゥルメント４２を各々のカニューレ１１０に挿入して位置決めを行う（位置決め工程）。

そして、原則としてポジショナ７を静止させた状態で、操作装置２からの操作信号に応じて、各アーム３を動作させて内視鏡４１及び各インストゥルメント４２を適宜変位及び姿勢変化させつつ、各インストゥルメント４２のエンドエフェクタ４４を動作させて施術する。

本実施形態では、上記の位置決め工程において、各インストゥルメント４２を各カニューレ１１０に最初に挿入して位置決めを行う際に、図５（Ａ）〜（Ｄ）に示すように、インストゥルメント４２が挿入される患者Ｑの切開部Ｑ１の初期位置（初期切開位置Ｐ１）と、施術中におけるインストゥルメント４２の旋回等の動作（運動）の中心点となる運動中心位置Ｐ２とを、制御装置６に設定する（記憶させる）ように構成されている。そのため、操作装置２には、図４に示すように、上記の初期切開位置Ｐ１を設定するための操作部として初期切開位置設定操作部５３が設けられ、上記の運動中心位置Ｐ２を設定するための操作部として運動中心位置設定操作部５４が設けられている。これらの操作部５３，５４は、例えば押しボタンスイッチ等で構成することができる。

図５（Ａ）〜（Ｄ）は、初期切開位置Ｐ１及び運動中心位置Ｐ２を設定する際の手順の一例を示す図である。

図５（Ａ）に示すように、施術者Ｏが操作装置２を操作して、インストゥルメント４２を、患者Ｑの切開部Ｑ１に装着されたカニューレ１１０に近づけて、図５（Ｂ）に示すように、インストゥルメント４２の先端が切開部Ｑ１の体表面位置に位置したときに、施術者Ｏが初期切開位置設定操作部５３を操作してインストゥルメント４２の先端の位置を初期切開位置Ｐ１に設定する。なお、図５（Ｂ）〜（Ｃ）では、カニューレ１１０の図示を省略している。

そして、図５（Ｃ）に示すように、さらにインストゥルメント４２をシャフト４３の軸方向（延在方向）へ移動させて、インストゥルメント４２の先端が所望の運動中心位置に位置したと施術者Ｏが判断したときに、運動中心位置設定操作部５４を操作してインストゥルメント４２の先端の位置を運動中心位置Ｐ２に設定する。その後、図５（Ｄ）に示すように、インストゥルメント４２の先端が所望の初期位置まで挿入されるように、さらにインストゥルメント４２をシャフト４３の軸方向へ移動させて、シャフト４３が初期切開位置Ｐ１及び運動中心位置Ｐ２を通るように配置される。

同様にして、他のインストゥルメント４２及び内視鏡４１の各々の先端が、各々のカニューレ１１０を通って各々の所望の初期位置となるように体内へ挿入された後、実質的な施術が開始される。

この図５（Ａ）〜（Ｄ）に示す例では、初期切開位置設定操作部５３の操作により、その操作時のインストゥルメント４２の先端の位置が初期切開位置Ｐ１に設定され、運動中心位置設定操作部５４の操作により、その操作時のインストゥルメント４２の先端の位置が運動中心位置Ｐ２に設定される。

なお、運動中心位置Ｐ２は、図５（Ｂ）のように初期切開位置Ｐ１を設定したときに、初期切開位置Ｐ１からインストゥルメント４２の軸方向（シャフト４３の軸方向）に所定距離（Ａ）だけ離れた位置として算出し、自動的に設定されるようにしてもよい。

これらの位置Ｐ１，Ｐ２は、３次元位置座標を用いて制御装置６の例えばスレーブ側制御部６２に記憶される。ここで、位置Ｐ１，Ｐ２の３次元位置座標は、インストゥルメント４２が取り付けられているアーム３の基端の基準位置Ｐｓ１（図３参照）の３次元位置座標、同アーム３の各関節の回転位置（エンコーダの出力値）、同アーム３を構成する各リンクの長さ、及び、ホルダ３６からインストゥルメント４２の先端までの長さ等によって算出することができる。なお、アーム３の基端の基準位置Ｐｓ１の３次元位置座標は、ポジショナ７のベース７０の所定位置を原点とする３次元直交座標を用いて算出するようにしてもよい。また、この例では、はじめにプラットホーム５の位置決めをした後は、プラットホーム５は固定状態となるので、各アーム３について、その基端の基準位置（例えばＰｓ１）の３次元位置座標を原点と考えてもよい。

そして、実質的な施術が開始されると、施術者Ｏは操作装置２を操作することにより、インストゥルメント４２の位置及び姿勢を変化させる。このとき、制御装置６のスレーブ側制御部６２は、インストゥルメント４２のシャフト４３が運動中心位置Ｐ２に位置する状態を維持しながら、インストゥルメント４２の位置及び姿勢を変化させるように、アーム３の動作を制御する。これにより、シャフト４３が運動中心位置Ｐ２を通る状態が維持されながら、インストゥルメント４２の先端の位置及び姿勢が変化する。

このように、インストゥルメント４２の運動中心位置Ｐ２を、患者の体表面あるいはほぼ体表面とするのではなく、体内（身体の内部）に設定することにより、胸部手術等で、例えば肋骨の骨と骨との間等の狭い領域にインストゥルメント４２を挿入する場合でも、インストゥルメント４２の先端の可動範囲を広くとることができる。

このことを図６（Ａ）、（Ｂ）を参照して説明する。図６（Ａ）は、本実施形態の一例におけるインストゥルメント４２の可動状態を示す図であり、図６（Ｂ）は、比較例におけるインストゥルメント４２の可動状態を示す図である。なお、図６（Ａ）、（Ｂ）でも切開部Ｑ１に装着されるカニューレ１１０（図５（Ａ）参照）の図示を省略している。

図６（Ａ）に示す本実施形態の場合、患者Ｑの身体内部の骨Ｑ２と骨Ｑ３との間に、インストゥルメント４２の運動中心位置Ｐ２を設定しており、図６（Ｂ）に示す比較例の場合、インストゥルメント４２の運動中心位置Ｐ２を、患者Ｑの体表面における切開部Ｑ１の位置に設定している。

図６（Ａ）と図６（Ｂ）を比較すれば明らかなように、図６（Ｂ）の比較例の場合には、インストゥルメント４２が骨Ｑ２，Ｑ３に接することがないようにインストゥルメント４２を動かすためには、インストゥルメント４２の先端のエンドエフェクタ４４の可動範囲が狭くなるのに対し、図６（Ａ）の本実施形態の場合には、インストゥルメント４２の先端のエンドエフェクタ４４の可動範囲を広くとることができ、手術を行いやすくなる。

一方、本実施形態のように、インストゥルメント４２を、そのシャフト４３が身体の内部に設定される運動中心位置Ｐ２を通り、かつそれを中心にして動くようにすると、シャフト４３の体表面における位置が初期切開位置Ｐ１から外れ、シャフト４３が挿入されているカニューレ１１０及び患者Ｑの切開部Ｑ１が初期切開位置Ｐ１から外れる。切開部Ｑ１が初期切開位置Ｐ１から外れると、切開部Ｑ１の周囲が引張られたり圧迫されるので、外れ具合が大きくなると、患者Ｑにとって好ましくない。

そこで、本実施形態では、切開部Ｑ１が初期切開位置Ｐ１から大きく外れると、施術者Ｏへ警告を発する警告装置５６（図４参照）を操作装置２に設けている。

制御装置６のスレーブ側制御部６２は、警告装置５６による警告を行うか否かを所定の警告判定条件に基づいて判定する警告判定部６３を含んでいる。警告判定部６３では、警告を行うと判定したときに警告信号を警告装置５６へ出力する。警告装置５６では、警告信号を入力すると警告を発する。警告装置５６は、音、光、及び画像のうち１つ以上によって施術者Ｏに対し警告するものであり、例えば、ブザー、または電子音により音声を発生させる手段であってもよいし、ランプなどの発光手段でもよい。また、表示装置５５を警告装置５６と共用し、表示装置５５の画面上に警告画像（例えば、警告を意味する文字や記号等）を表示するようにしてもよい。

図７（Ａ）、図７（Ｂ）、図７（Ｃ）はそれぞれ、警告判定部６３における警告判定条件について説明するための図である。なお、図７（Ａ）〜（Ｃ）でも切開部Ｑ１に装着されるカニューレ１１０（図５（Ａ）参照）の図示を省略している。また、前述のように、初期切開位置Ｐ１及び運動中心位置Ｐ２の３次元位置座標は、スレーブ側制御部６２に記憶されている。

図７（Ａ）の場合、警告判定部６３では、初期切開位置Ｐ１と運動中心位置Ｐ２との距離をＡとし（図５（Ｃ）も参照）、運動中心位置Ｐ２から現時点のシャフト４３の中心軸上でかつシャフト４３の基端側へ距離Ａだけ離れた位置Ｐ１０を算出し、この位置Ｐ１０と、初期切開位置Ｐ１との距離Ｂ１を常時算出し、この距離Ｂ１が予め定めた所定値以上であれば警告を行うと判定し、警告信号を出力する。

図７（Ｂ）の場合、警告判定部６３では、初期切開位置Ｐ１を通り、かつ、運動中心位置Ｐ２から初期切開位置Ｐ１へ向かうベクトル（直線Ｌ５に平行なベクトル）に垂直な平面Ｃを求め、この平面Ｃと現時点のシャフト４３の中心軸Ｌ６とが交差する位置Ｐ１１と、初期切開位置Ｐ１との距離Ｂ２を常時算出し、この距離Ｂ２が予め定めた所定値以上であれば警告を行うと判定し、警告信号を出力する。

なお、平面Ｃは、初期切開位置Ｐ１を通り、かつ患者Ｑの体表面に略沿うような平面であることが好ましく、例えば、初期切開位置Ｐ１と運動中心位置Ｐ２とを通る直線Ｌ５が鉛直線から大きく傾いている場合には、平面Ｃを初期切開位置Ｐ１を通る水平面としてもよい。

上記の図７（Ａ）の距離Ｂ１を算出すること、及び図７（Ｂ）の距離Ｂ２を算出することは、それぞれ、現時点（すなわち算出時点）における切開部Ｑ１の中心位置と、初期切開位置Ｐ１との距離の近似値あるいは概算値を算出していると言える。すなわち、図７（Ａ）及び図７（Ｂ）の場合の警告判定条件は、現時点における切開部Ｑ１の中心位置と、初期切開位置Ｐ１との距離の近似値あるいは概算値（距離Ｂ１，Ｂ２）が、予め定めた所定値以上であることであるとも言える。

また、図７（Ｃ）の場合、警告判定部６３では、運動中心位置Ｐ２を設定した時点のシャフト４３の中心軸（直線Ｌ５）の方向と、現時点のシャフト４３の中心軸Ｌ６の方向とのなす角度θを常時算出し、この角度θが予め定めた所定角度以上であれば警告を行うと判定し、警告信号を出力する。この場合の警告判定条件は、角度θが予め定めた所定角度以上であることである。

なお、角度θは、運動中心位置Ｐ２を設定した時点のシャフト４３の中心軸（直線Ｌ５）の方向の情報（第１ベクトル）と、現時点のシャフト４３の中心軸Ｌ６の方向の情報（第２ベクトル）と、これらの内積を用いて算出することができる。ここで、シャフト４３の中心軸は常に運動中心位置Ｐ２を通るので、任意の時点におけるシャフト４３の中心軸の方向を示すベクトル（第１、第２ベクトル）は、運動中心位置Ｐ２と、同時点におけるシャフト４３の基端の基準位置Ｐｓ２（図３参照）とから算出できる。また、シャフト４３の基端の基準位置Ｐｓ２は、アーム３の基端の基準位置Ｐｓ１の３次元位置座標、同アーム３の各関節の回転位置（エンコーダの出力値）、及び、同アーム３を構成する各リンクの長さ等によって算出することができる。

この図７（Ｃ）の場合には、角度θを初期切開位置Ｐ１の３次元位置座標を用いずに求めることができるので、初期切開位置Ｐ１を設定しなくてもよい。

なお、警告判定部６３は、図７（Ａ）、図７（Ｂ）、図７（Ｃ）のいずれか１つで説明した警告判定条件に基づいて判定するようにすればよい。

上記では、施術者Ｏが操作装置２を操作することによりアーム３を動かして、インストゥルメント４２の先端の位置が初期切開位置Ｐ１及び所望の運動中心位置Ｐ２に位置したときに、それぞれの設定操作部５３，５４を操作してそれぞれの位置Ｐ１，Ｐ２を設定するようにしている。この場合、患者Ｑのカニューレ１１０が装着された体表面を撮影するためのカメラを別途設け、このカメラで撮影される画像を表示装置５５の画面に表示させ、施術者Ｏがその画面を見ながら操作するようにしてもよい。

また、例えば、産業用ロボットのダイレクト教示を行う場合のように、例えば手術助手等がアーム３を直接手で動かして、インストゥルメント４２の先端の位置が初期切開位置Ｐ１及び所望の運動中心位置Ｐ２に位置したときに、それぞれの位置Ｐ１，Ｐ２を設定するようにしてもよい。この場合、初期切開位置設定操作部５３及び運動中心位置設定操作部５４の機能を有するリモコンを設けておいて、このリモコンを操作することにより位置Ｐ１，Ｐ２を設定するようにしてもよい。

また、上記では、インストゥルメント４２の先端の位置を基準点とし、初期切開位置Ｐ１及び運動中心位置Ｐ２を、それぞれインストゥルメント４２の先端の位置で設定するようにしたが、これに限らない。例えば、インストゥルメント４２のシャフト４３の先端側付近に目印（着色、刻印等）を付けた基準点を設け、この基準点の位置で初期切開位置Ｐ１及び運動中心位置Ｐ２を設定するようにしてもよい。

また、初期切開位置Ｐ１の設定については、初期切開位置設定用のプローブを先端に取り付けた専用のアーム３を用い、上記プローブの先端の位置で初期切開位置Ｐ１を設定するようにしてもよい。

また、初期切開位置Ｐ１の設定については、患者側装置１に三次元位置センサを取り付け、この三次元位置センサで切開部Ｑ１の位置を検出し、この検出位置を制御装置６へ入力して初期切開位置Ｐ１として設定するようにしてもよい。但し、この場合、三次元位置センサによる検出位置の座標を患者側装置１の座標に変換して初期切開位置Ｐ１に設定する必要がある。

なお、上記の初期切開位置設定用のプローブや三次元位置センサを用いて初期切開位置Ｐ１を設定する場合には、運動中心位置Ｐ２を、例えば、初期切開位置Ｐ１から所定方向（例えば鉛直下向き）に所定距離だけ離れた位置として設定するようにしてもよい。

なお、本実施形態では、胸部手術を行う場合を例に説明したが、操作装置２に、胸部手術等を行う場合の第１動作モードと、腹部手術等を行う場合の第２動作モードとを選択操作するためのモード選択部を設けてもよい。そして、第１動作モードが選択された場合には、前述のように、患者Ｑの体表面よりも内部である体内に運動中心位置Ｐ２を設定し、図７（Ａ）、図７（Ｂ）の場合のように警告判定部６３による判定を行う上で初期切開位置Ｐ１が必要であれば、患者Ｑの体表面における切開部Ｑ１の位置に初期切開位置Ｐ１を設定するようにする。一方、第２動作モードが選択された場合には、患者Ｑの体表面における切開部Ｑ１の位置に運動中心位置Ｐ２を設定するようにし、初期切開位置Ｐ１の設定機能を停止させるようにしてもよい。さらに、第２動作モードが選択された場合には、警告判定部６３の機能も停止させる。

上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。

本発明は、肋骨等の骨と骨との間等の狭い領域に手術器具を挿入する場合でも、手術器具の先端の可動範囲を広くとることができる外科手術システム等として有用である。

１ 患者側装置
２ 操作装置
３ マニピュレータ
６ 制御装置
４２ 手術器具
４３ シャフト
４４ エンドエフェクタ（処置具）
５０ 操作入力部
５３ 初期切開位置設定操作部
５４ 運動中心位置設定操作部
５６ 警告装置
Ｑ 患者
Ｑ１ 切開部
Ｑ２，Ｑ３ 骨
Ｐ１ 初期切開位置
Ｐ２ 運動中心位置

Claims (10)

1. 基端部に対して先端部を３次元空間内で移動するマニピュレータと、
   前記マニピュレータの先端部に連結される棒状のシャフトと、該シャフトの先端部に設けられた処置具とを有する手術器具と、
   施術者が前記手術器具の位置姿勢の指示を入力する操作入力部と、
   前記操作入力部に入力される指示に基づいて前記マニピュレータの動作を制御する制御装置と、
   患者の切開部に挿入される前記手術器具の運動中心位置として、前記患者の体表面よりも内部であって前記切開部より所定距離だけ離れた所望位置を前記制御装置に設定する運動中心位置設定部とを備え、
   前記制御装置は、
   前記手術器具が前記切開部から前記患者の体内に挿入されて前記シャフトが前記運動中心位置を通るように前記手術器具が配置された後、前記操作入力部に入力される指示に基づいて前記マニピュレータの動作を制御する際に前記シャフトが前記運動中心位置に位置する状態を維持して前記手術器具の位置姿勢を変化させるように前記マニピュレータの動作を制御するよう構成された、
   外科手術システム。
2. 前記運動中心位置設定部は、
   前記手術器具が前記切開部から前記患者の体内に挿入されて前記手術器具の所定の基準点が体内の所望位置になったときにその位置を前記運動中心位置として前記制御装置に設定するための操作を行う運動中心位置設定操作部を有して構成された、
   請求項１に記載の外科手術システム。
3. 前記患者の体表面における前記切開部の位置を初期切開位置として前記制御装置に設定する初期切開位置設定部と、
   前記手術器具が前記切開部から前記患者の体内に挿入されて前記シャフトが前記運動中心位置を通るように前記手術器具が配置された後、前記制御装置によって前記マニピュレータの動作が制御される際に、前記シャフトが前記初期切開位置から離れ、かつ、所定の条件を満足するときに、施術者へ警告を発する警告装置とをさらに備えた、
   請求項１または２に記載の外科手術システム。
4. 前記運動中心位置設定部は、
   前記患者の体表面における前記切開部の位置を初期切開位置として前記制御装置に設定する初期切開位置設定部と、
   前記初期切開位置から所定方向に前記所定距離離れた位置を算出し、当該位置を前記運動中心位置として前記制御装置に設定する演算部とで構成された、
   請求項１に記載の外科手術システム。
5. 前記手術器具が前記切開部から前記患者の体内に挿入されて前記シャフトが前記運動中心位置を通るように前記手術器具が配置された後、前記制御装置によって前記マニピュレータの動作が制御される際に、前記シャフトが前記初期切開位置から離れ、かつ、所定の条件を満足するときに、施術者へ警告を発する警告装置をさらに備えた、
   請求項４に記載の外科手術システム。
6. 前記所定の条件は、現時点の前記シャフトの中心軸上における前記運動中心位置から前記初期切開位置と前記運動中心位置との距離だけ離れた位置と、前記初期切開位置との距離が、所定値以上になることである、
   請求項３または５に記載の外科手術システム。
7. 前記所定の条件は、前記初期切開位置を通り、かつ前記運動中心位置から前記初期切開位置へ向かうベクトルと垂直な平面と、現時点の前記シャフトの中心軸とが交差する位置を算出し、当該位置と前記初期切開位置との距離が、所定値以上になることである、
   請求項３または５に記載の外科手術システム。
8. 前記初期切開位置設定部は、
   前記手術器具が前記切開部から前記患者の体内に挿入される際に、前記手術器具の所定の基準点が前記患者の体表面における前記切開部の位置になったときにその位置を前記初期切開位置として前記制御装置に設定するための操作を行う初期切開位置設定操作部を有して構成された、
   請求項３〜７のいずれかに記載の外科手術システム。
9. 前記手術器具が前記切開部から前記患者の体内に挿入されて前記シャフトが前記運動中心位置を通るように前記手術器具が配置された後、前記制御装置によって前記マニピュレータの動作が制御される際に、前記運動中心位置を設定した時点の前記シャフトの中心軸の方向を示すベクトルと、現時点の前記シャフトの中心軸の方向を示すベクトルとのなす角度が所定角度以上になったときに、施術者へ警告を発する警告装置をさらに備えた、
   請求項１または２に記載の外科手術システム。
10. 前記運動中心位置は、前記患者の体内の互いに隣り合う骨と骨との間に定められる、
    請求項１〜９のいずれかに記載の外科手術システム。

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