JPH07184923A

JPH07184923A - 遠隔微細手術支援装置

Info

Publication number: JPH07184923A
Application number: JP5334938A
Authority: JP
Inventors: Fujio Tajima; 不二夫田島; Masakatsu Fujie; 正克藤江; Isao Nakajima; 功中島
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1993-12-28
Filing date: 1993-12-28
Publication date: 1995-07-25

Abstract

(57)【要約】【目的】狭隘空間内で手先に多くの自由度を必要とする
ような微細手術作業を行うことのできるマスタ・スレー
ブ型の遠隔微細手術支援装置を提供することである。【構成】作業環境情報検出手段１０４と臨場感制御情報
生成手段１０１と操作指令生成手段１０３と患部組織操
作手段１０２と操作指令入力手段１１４から構成され
る。【効果】狭隘空間内で手先に多くの自由度を必要とする
ような微細手術作業を行うことのできるマスタ・スレー
ブ型の遠隔微細手術支援装置を実現することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、医療用機器であり、脳
・神経系・眼球等の微細な外科的治療を術者が術具を遠
隔操作することによって行うことを支援する遠隔微細手
術支援装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、脳神経手術用の装置として、特開
平3-121064号公報に示されるような、定位脳手術のため
の穿刺マニピュレータがある。また、遠隔操作による手
術装置としては、特開平4-146097号公報に示されるよう
な、二重管のプローブ内に遠隔操作される手術用マニピ
ュレータを有した装置がある。また、マイクロハンドリ
ング装置としては、例えば日本機械学会ロボティクス・
メカトロニクス講演会’93講演論文集p。693〜p。696に
示されるような、マニピュレータとステージに回転と並
進の自由度を分けた構成のものなどがある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術のうち、
特開平3-121064号公報に記載の公知例は定位脳手術用で
あり穿刺のみを行うことができるが、脳神経疾患の中に
は穿刺だけでは十分な外科的治療を行うことができず、
患部組織の操作のために多くの自由度を必要とするもの
も存在する。また、上記公知例に記載してある事項は穿
刺用マニピュレータに関する部分だけであり、それを操
作するための他の部分に関する記述はされていない。ま
た、特開平4-146097号公報に記載の公知例は患者と術者
がまったく隔てられているため、非常時の対応が不可能
であるかあるいはかなり遅れるおそれがある。また、日
本機械学会ロボティクス・メカトロニクス講演会’93講
演論文集p。693〜p。696記載の公知例では、作業対象物
をステージに載せないと作業のできない構成になってお
り、手術作業には不向きである。

【０００４】本発明の一つの目的は、狭隘空間内で手先
に多くの自由度を必要とするような微細手術作業を行う
ことのできるマスタ・スレーブ型の遠隔微細手術支援装
置を提供することである。

【０００５】本発明の他の目的は、加齢による視力の低
下や手先分解能の劣化等に起因する術者の作業スキルの
低下を補う遠隔微細手術支援装置を提供することであ
る。

【０００６】本発明のさらに他の目的は、患者と術者の
間の血液感染を防ぐ遠隔微細手術支援装置を提供するこ
とである。

【０００７】本発明の他の目的は、組織の変性を主に利
用することで侵襲度の低い手術を実現する遠隔微細手術
支援装置を提供することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、脳・神
経系・眼球等の外科手術において術者が術具を遠隔操作
することによって微細な作業を行うことを支援する遠隔
微細手術支援装置であり、患部およびその周辺の画像を
検出する視覚センサと作業機の先端の患部への接近を検
出する近接覚センサと作業機先端が患部に接触している
時の接触力を検出する力覚センサからなる作業環境情報
検出手段と、術者に対して作業環境情報検出手段によっ
て検出された情報を加工して提示する臨場感制御情報生
成手段と、術者が臨場感制御情報生成手段により提示さ
れる情報にもとづいて起こす動作を検出すると同時に作
業環境情報検出手段の力覚センサが検出した情報を術者
に伝達する操作指令生成手段と、動作手段を介して入力
された術者の動作と作業環境情報検出手段によって検出
された情報にもとづいて加えられる拘束との間で調整を
行うことによって生成される指令値に従って術具を駆動
する複数の作業機を制御する患部組織操作手段とから構
成されることを特徴とする遠隔微細手術支援装置が提供
される。

【０００９】また、本発明によれば、上記構成の遠隔微
細手術支援装置において、作業機の先端に微細な冷凍素
子を有することを特徴とする遠隔微細手術支援装置が提
供される。

【００１０】また、本発明によれば、上記構成の遠隔微
細手術支援装置において、多数の電極間に働く静電気力
を利用したアクチュエータによって作業機の各関節が駆
動されることを特徴とする遠隔微細手術支援装置が提供
される。

【００１１】また、本発明によれば、上記構成の遠隔微
細手術支援装置において、術者が操作指令生成手段を介
して操作する1本または2本のスレーブマニピュレータの
位置姿勢と、他の複数のスレーブマニピュレータ群の位
置姿勢、および環境との間にある関係を設定し動作手段
がつねに設定された関係を満足するように他の複数のス
レーブマニピュレータ群を自動制御することにより、術
者がすべてのスレーブマニピュレータ群を操作すること
なく複数のスレーブマニピュレータ群が追従的協調動作
を行うことを特徴とする遠隔微細手術支援装置が提供さ
れる。

【００１２】また、本発明によれば、上記構成の遠隔微
細手術支援装置において、操作指令生成手段の操作端マ
スタが患部を直接操作可能でありマスタとスレーブが協
調作業を行うことができることを特徴とする遠隔微細手
術支援装置が提供される。

【００１３】また、本発明によれば、上記構成の遠隔微
細手術支援装置において、マスタとスレーブの位置姿勢
を対応させる際のスケール変換における各自由度の変換
係数を独立に設定し動作内容に応じて切り替えることを
特徴とする遠隔微細手術支援装置が提供される。

【００１４】また、本発明によれば、上記構成の遠隔微
細手術支援装置において、視覚センサの姿勢とスレーブ
マニピュレータの姿勢が連動することを特徴とする遠隔
微細手術支援装置が提供される。

【００１５】また、本発明によれば、上記構成の遠隔微
細手術支援装置において、赤外線の発光素子と受光素子
の組み合わせを用いてスレーブマニピュレータ先端の患
部への接近を検出することを特徴とする遠隔微細手術支
援装置が提供される。

【００１６】また、本発明によれば、上記構成の遠隔微
細手術支援装置において、半導体製造技術を用いて一体
製造された歪ゲージと処理回路とからなる微小力覚セン
サによりスレーブマニピュレータ先端の反力を検出する
ことを特徴とする遠隔微細手術支援装置が提供される。

【００１７】また、本発明によれば、上記構成の遠隔微
細手術支援装置において、スレーブマニピュレータと視
覚センサの位置を連動させる粗動機構の自由度構成が球
面座標系となっていることを特徴とする遠隔微細手術支
援装置が提供される。

【００１８】また、本発明によれば、上記構成の遠隔微
細手術支援装置において、通常の光学画像の他に赤外領
域波長を検出可能な視覚センサを有することを特徴とす
る遠隔微細手術支援装置が提供される。

【００１９】また、本発明によれば、上記構成の遠隔微
細手術支援装置において、視覚センサの検出した画像情
報を提示する際に通常の光学画像に加えて温度の高低・
力覚センサによって検出されたスレーブマニピュレータ
先端の接触力の大小・近接覚センサによって検出された
患部とスレーブマニピュレータ先端との距離を色の種類
や明度・彩度に変換したものを重ね合わせたものを画像
情報として提示する臨場感制御情報生成手段を有するこ
とを特徴とする遠隔微細手術支援装置が提供される。

【００２０】また、本発明によれば、上記構成の遠隔微
細手術支援装置において、上記の画像情報の他に温度の
高低・力覚センサによって検出されたスレーブマニピュ
レータ先端の接触力の大小・近接覚センサによって検出
された患部とスレーブマニピュレータ先端との距離を音
量・音程・音色に変換したものを音響情報として提示す
る臨場感制御情報生成手段を有することを特徴とする遠
隔微細手術支援装置が提供される。

【００２１】また、本発明によれば、上記構成の遠隔微
細手術支援装置において、上記の画像情報に加えて術者
が状況を表現するための図形・記号を編集し上記画像情
報に重ねて提示する臨場感制御情報生成手段を有するこ
とを特徴とする遠隔微細手術支援装置が提供される。

【００２２】また、本発明によれば、上記構成の遠隔微
細手術支援装置において、前記画像情報を提示する画像
表示部の下に操作指令生成手段の操作用マスタを配置す
ることを特徴とする遠隔微細手術支援装置が提供され
る。

【００２３】また、本発明によれば、上記構成の遠隔微
細手術支援装置において、患部組織操作手段が粗動と微
動に分離されていることを特徴とする遠隔微細手術支援
装置が提供される。

【００２４】また、本発明によれば、上記構成の遠隔微
細手術支援装置において、多数の電極間に働く静電気力
を利用したアクチュエータを用いて動作指令入力手段の
各関節が駆動されることによって反力を発生することを
特徴とする遠隔微細手術支援装置か提供される。

【００２５】また、本発明によれば、上記構成の遠隔微
細手術支援装置において、動作指令入力時に術者の把持
する部分と反力を発生する部分が電磁石の磁力によって
結合されており過大入力等の異状時には電磁石への電流
を切ることによって上記の結合を解除することを特徴と
する遠隔微細手術支援装置が提供される。

【００２６】また、本発明によれば、請求項18記載の動
作指令入力手段において、結合部分に固定手段を設け、
術者が把持部分を操作することによって入力できる位置
姿勢の自由度の数を変化させることを特徴とする遠隔微
細手術支援装置が提供される。

【００２７】また、本発明によれば、上記構成の遠隔微
細手術支援装置において、請求項12記載の画像情報に加
えて術者に状況を説明するための図形・記号を上記画像
情報に重ねて提示する臨場感制御情報生成手段を有する
ことを特徴とする遠隔微細手術支援装置が提供される。

【００２８】

【作用】本発明によれば、狭隘空間内で手先に多くの自
由度を必要とするような微細手術作業を行うことのでき
るマスタ・スレーブ型の遠隔微細手術支援装置を実現す
ることができる。

【００２９】また、本発明によれば、加齢による視力の
低下や手先分解能の劣化等に起因する術者の作業スキル
の低下を補う遠隔微細手術支援装置を実現することがで
きる。

【００３０】また、本発明によれば、患者と術者の間の
血液感染を防ぐ遠隔微細手術支援装置を実現することが
できる。

【００３１】また、本発明によれば、組織の変性を主に
利用することで侵襲度の低い手術を実現する遠隔微細手
術支援装置を実現することができる。

【００３２】

【実施例】図１は本発明の装置の構成を示すもので、こ
の図１中において、101は臨場感制御情報生成手段、102
は患部組織操作手段、103は操作指令生成手段、104は作
業環境情報検出手段、105は力覚センサ情報、106は近接
覚センサ情報、107は視覚センサ情報、108は仮想反力情
報、109は合成加工画像、110は仮想音場、111は操作指
令情報、112は合成反力、113は動作指令、114は操作指
令入力手段、115はスレーブマニピュレータ位置情報、1
16は拡大倍率情報を表す。

【００３３】作業環境情報検出手段104は視覚センサと
マニピュレータ先端の力覚センサおよび近接覚センサを
もって患部とその周辺環境を検出する。臨場感制御情報
生成手段101は作業環境情報検出手段104の検出した情報
とスレーブマニピュレータ位置情報115を加工し画像と
音および仮想反力を生成する。これをもって患部の状態
が術者に示される。力覚センサおよび近接覚センサの情
報は操作指令生成手段103にも伝達される。力覚センサ
により検出された実際の反力は術者の感じることのでき
るレンジに変換される。

【００３４】臨場感制御情報生成手段101で生成された
仮想反力はレンジ変換された実反力と加え合わせられ動
作指令入力手段114を介して術者に伝えられる。術者は
臨場感制御情報生成手段101の示した情報をもとに動作
指令入力手段114を介して患部組織操作手段102に対する
動作指令を入力する。入力された動作指令は操作指令生
成手段102によって操作指令情報111に変換される。患部
組織操作手段は拡大倍率情報116をパラメータとして操
作指令情報111を解釈実行し患部組織を操作する。

【００３５】次に上述した各手段について説明する。

【００３６】まず、臨場感制御情報生成手段101につい
て説明する。

【００３７】臨場感制御情報生成手段101の一構成例お
よび操作指令生成手段102の一部を図2に示す。図中にお
いて、201は作業環境情報加工器、202は両眼視界操作
器、203は加工画像表示用ディスプレイ、210は201によ
って105〜107、115の情報をもとに生成された仮想音場
再生手段、211は201によって105〜107の情報をもとに生
成された仮想画像情報と実画像である視覚センサ情報を
加工したものを合成した合成画像情報、213は両眼視界
操作器202の制御信号を表す。図2を上から見たのが図14
である。術者の手首から先は手術環境内では1401に示す
ようにスレーブマニピュレータの先端になったように見
える。

【００３８】次に、作業環境情報加工器201の動作につい
て図15乃至図24を用いて説明する。まず図15乃至図18を
用いて画像情報の生成について説明する。

【００３９】図15では最初に力覚センサ情報105、近接
覚センサ情報106によりスレーブマニピュレータ先端の
接触の有無を検出・判断する(ステップ1501、1502)。ス
レーブマニピュレータが非接触の場合には視覚センサ情
報107と近接覚センサ情報106をもとにその距離を計算し
(ステップ1505)、距離の大小を色の種類(距離大:赤→距
離小:紫)、色の明度(距離大:明度高→距離小:明度低)、
色の彩度(距離大:彩度高→距離小:彩度低)で表現する
(ステップ1506)。

【００４０】また、接触している場合は視覚センサ情報
107と近接覚情報106をもとに患部での応力分布を推定し
(ステップ1503)、画像各点での応力の大小を色の種類
(応力大:赤→応力小:紫)、色の明度(応力大:明度高→応
力小:明度低)、色の彩度(応力大:彩度高→応力小:彩度
低)で表現する(ステップ1504)。1504または1506を行っ
た後にこれを原画像に重ねて表示する(ステップ1507)。
すなわち患部とスレーブマニピュレータの距離が近いと
ころ、あるいは力のかかっているところが明るくなった
り、鮮やかになったり、ある特定の色を帯びたりする。
あるいは図16のようにスレーブマニピュレータの先端の
運動を色の種類・明度・彩度と対応させるやりかたもで
きる。

【００４１】まず、スレーブマニピュレータの先端位置
情報115 (これには目標値および応答が含まれる)からマ
ニピュレータの位置偏差・速度・加速度を計算する(ス
テップ1601)。次に位置偏差・速度・加速度の値の大小
を色の種類(大:赤→小:紫)、色の明度(大:明度高→小:
明度低)、色の彩度(大:彩度高→小:彩度低)で表現する
(ステップ1602)。このとき位置偏差・速度・加速度と色
の種類・明度・彩度との対応は任意であり何通りも考え
られる。最後に表現された色を原画像のマニピュレータ
先端付近に重ねて表示する(ステップ1603)。赤外波長領
域の画像を可視光領域に変換したものを一時的に重ね合
わせることも考えられる。これを図17を用いて説明す
る。

【００４２】まず、視覚センサ情報から原画像中各点の
赤外波長領域成分を抽出する(ステップ1701)。各点のデ
ータについてその成分の光強度はそのままで波長のみを
可視領域にシフトする(ステップ1702)。最後に原画像に
重ねて表示する(ステップ1703)。組織の悪い部分は一般
に周囲と温度が異なることが多いので、本来は不可視で
ある温度分布を可視化することで患部位置の特定が容易
になる。

【００４３】さらに環境内でのスレーブマニピュレータ
の運動をわかりやすくするための矢印・効果線や、状況
を説明する擬声語・擬態語の描き文字を重ね合わせて表
示することも考えられる。図18はその一例である。まず
スレーブマニピュレータの先端位置情報115から先端位
置ベクトルの時間微分あるいはサンプル時刻間での変分
ベクトルを計算する(ステップ1801)。ベクトルの大きさ
と方向を半透明な矢印で表現したのち(ステップ1802)、
原画像のマニピュレータの先端を始点として矢印を描画
する(ステップ1803)。以上のようにして生成あるいは合
成された画像情報は両眼視界制御手段202と合成画像表
示用ディスプレイ203を同期して駆動することにより立
体視画像として操作者に提示される。これは左右の目の
視界を交互に遮りそれに同期して左目用および右目用の
画像を表示する方法でもよいし、画面を左右に分割して
わずかに視差のある画像を表示しこれを特殊なレンズを
介して眺める方法でもよい。以上図15〜図18に示したア
ルゴリズムによって、実画像に対してより一層の臨場感
を付け加えることができ、術者の操作しやすさを増すこ
とができる。

【００４４】次に、図19乃至図22を用いて音場情報の生
成について説明する。図19では最初に力覚センサ情報10
5、近接覚センサ情報106によりスレーブマニピュレータ
先端の接触の有無を検出・判断する(ステップ1901、190
2)。スレーブマニピュレータが非接触の場合には視覚セ
ンサ情報107と近接覚センサ情報106をもとにその距離を
計算し(ステップ1905)、距離の大小を音量(音の大きさ)
(距離大:音量大→距離小:紫)、音質(音量の時間的な変
化)(距離大:変化大→距離小:変化小)、音程(音の高さ)
(距離大:音程高→距離小:音程低)、音色(基本波および
高調波の成分分布)(距離大:成分少→距離小:成分多)で
表現する(ステップ1906)。

【００４５】また、接触している場合は視覚センサ情報
107と近接覚情報106をもとに患部での応力分布を推定し
(ステップ1903)、マニピュレータ先端から最も近い組織
上の一点での応力の大小を音量(音の大きさ)(応力大:音
量大→応力小:紫)、音質(音量の時間的な変化)(応力大:
変化大→応力小:変化小)、音程(音の高さ)(応力大:音程
高→応力小:音程低)、音色(基本波および高調波の成分
分布)(応力大:成分少→応力小:成分多)で表現する(ステ
ップ1904)。1904または1906を行った後にこれを仮想音
場再生手段210によって再生する(ステップ1907)。すな
わち患部とスレーブマニピュレータの距離が近いとこ
ろ、あるいは力のかかっている場合に音が大きくなった
り、音程が高くなったり、音質が明るくなったり、音の
種類が金属的なものになったりする。あるいは図20のよ
うにスレーブマニピュレータの先端の運動を音量・音質
・音程・音色と対応させるやりかたもできる。まずスレ
ーブマニピュレータの先端位置情報115 (これには目標
値および応答が含まれる)からマニピュレータの位置偏
差・速度・加速度を計算する(ステップ2001)。次に位置
偏差・速度・加速度の値の大小を音量(音の大きさ)(大:
音量大→小:紫)、音質(音量の時間的な変化)(大:変化大
→小:変化小)、音程(音の高さ)(大:音程高→小:音程
低)、音色(基本波および高調波の成分分布)(大:成分少
→小:成分多)で表現する(ステップ2002)。このとき位置
偏差・速度・加速度と音量・音質・音程・音色の対応は
任意であり何通りも考えられる。最後に表現された音を
仮想音場再生手段210によって再生する(ステップ200
3)。赤外波長領域の画像から得られた温度分布を音の変
化に対応させることも考えられる。

【００４６】これを図21を用いて説明する。まず視覚セ
ンサ情報から原画像中各点の赤外波長領域成分を抽出す
る(ステップ2101)。スレーブマニピュレータから最も近
い点の光強度を温度と解釈し音量・音質・音程・音色の
いずれかに対応させる(ステップ2102)。最後に仮想音場
再生手段にって再生する(ステップ2103)。病変組織は一
般に周囲と温度が異なることが多いので、本来は検出不
可能である温度分布を可聴化することで患部位置の特定
が容易になる。さらに環境内でのスレーブマニピュレー
タの運動をわかりやすくするための効果音や、状況を説
明する擬声語・擬態語を同時に合わせて発音する。一例
を図22に示す。まずスレーブマニピュレータの先端位置
情報115から先端位置ベクトルの時間微分あるいはサン
プル時刻間での変分ベクトルを計算する(ステップ220
1)。ベクトルの大きさと方向を風切り音の音量・音質・
音程・音色および音像定位で表現したのち(ステップ２
２０２）、最後に仮想音場再生手段にって再生する（ス
テップ2203)。以上のようにして生成された音場は仮想
音場再生手段210によって操作者に提示される。これに
より、音場を用いてより一層の臨場感を付け加えること
ができ、術者の操作しやすさを増すことができる。

【００４７】次に、図23乃至図24を用いて仮想反力情報
の生成について説明する。

【００４８】図23に一例を示す。まず力覚センサ情報10
5、近接覚センサ情報106によりスレーブマニピュレータ
先端の接触の有無を検出・判断する(ステップ2301、230
2)。スレーブマニピュレータが非接触の場合には何もし
ない(ステップ2303)。また接触している場合はスレーブ
マニピュレータ位置情報115と視覚センサ情報107と近接
覚情報106をもとに患部と先端位置との距離ｒおよびそ
のｎ階微分値あるいは差分値を計算し(ステップ2304)、
マニピュレータ先端と患部との間に働く仮想反力Ｆv
(r、 dr/dt、 d(dr/dt)/dt、。。。ｔn)を計算する
(ステップ2305)。そののち仮想反力情報106を操作指令
生成手段103に伝える(ステップ2306)。たとえば患部と
スレーブマニピュレータの距離が近い場合に大きな仮想
的斥力を生成するようなポテンシャルを設定する。こう
しておけば操作者にとっての接触状態と非接触状態の間
の反力の不連続性を避けられるため、操作者は接触・非
接触の状態遷移を意識することなく操作でき操作性が向
上する。次に温度分布に応じた仮想反力の生成について
図24を用いて説明する。まず視覚センサ情報から赤外領
域の光強度分布を抽出する(ステップ2401)。強度分布が
温度分布に等しいとみなして画像各点における光強度に
応じた奥行き方向反対向きの仮想反力Fv′を計算し(ス
テップ2402)、これを操作指令生成手段103に伝える。こ
れにより温度の高低を反力の大小で感じるという非接触
の触診方法が可能になる。

【００４９】以上の仮想反力生成方法を適宜組み合わせ
て操作者に与えることにより、より一層の臨場感を付け
加えることができ、術者の操作しやすさを増すことがで
きる。以上に示したように、情報加工生成手段201は105
〜107、115の情報に対して加工を加えたり、これらをも
とにして情報の質の変換や新たな情報の生成(人間の感
覚器官がもともととらえることのできない物理量をでき
るものに変換する・・・質の変換);人間の感覚器官の検
出可能領域から外れている物理量を領域内の値になるよ
うに修正する(レンジの適正化);ある感覚器官が検出可
能であるが直感的に理解しにくい量を別の感覚器官が検
出可能でかつより理解しやすい量に変換する(感覚器官
の交換))を行う。これにより手術に対する臨場感を制御
することができ、術者の操作しやすさを増すことができ
る。

【００５０】次に、図３を用いて操作指令生成手段103
について説明する。

【００５１】図中において、307は動作指令の伝達を制
御するする仮想的接点、308は力覚センサ情報105を適正
なレンジに変換するように増幅や雑音除去に相当する再
帰的演算を行う力覚センサ情報演算部、309は308によっ
て処理された実反力情報、310は動作指令113から動作モ
ード・制御モードを設定し操作指令入力手段の各関節デ
ータを取り込む指令変換器、316は操作指令情報、317は
合成反力情報を表す。

【００５２】次に、力覚センサ情報演算部308の動作を
図25を用いて説明する。まず力覚センサ情報の値の大き
さを人間の筋力に対して適正なレベルに変換する(ステ
ップ2501)。次にノイズ除去のためにローパスフィルタ
と同等な再帰演算処理を行う(ステップ2502)。各自由度
に対する重み付けを行ったのち(ステップ2503)、仮想反
力情報の値を加算し(ステップ2505)、114へ伝える。す
なわち実反力情報309は臨場感制御情報生成手段101で生
成された仮想反力情報108と加え合わせられて合成反力
情報となり、図26で示されるように操作指令入力手段11
4の反力発生部の各関節トルク値に変換され(ステップ26
01)Ｄ／Ａ変換器318でアナログ量に変換される(ステッ
プ2602)。これは114に伝えられ各関節アクチュエータの
ドライバへのトルク指令となる(ステップ2603)。

【００５３】次に、指令変換器310の動作を図27を用い
て説明する。114からの信号の中にはモード選択信号が
含まれているのでこれを読みとる(ステップ2701)。これ
に基づき動作モードを設定し(ステップ2702)、102へ動
作モードを出力する(ステップ2703)。次に動作モードに
基づいて制御モードを決定し(ステップ2704)制御モード
データを102へ出力する(ステップ2705)。そのあとはＡ
／Ｄ変換器318を介して各関節角度データを取り込み(ス
テップ2706)、作業座標系への変換を行う(ステップ270
7)。102へマニピュレータ先端位置目標値データを出力
してから(ステップ2708)動作モードを監視し(ステップ2
709)、動作モードがｓｔｏｐならば停止モードへ遷移し
そうでなければ2706へ戻る。このとき102へ送られるデ
ータ列の構造は図28のようになっている。すなわちヘッ
ダ2801、動作モード2802、制御モード2803、任意の時刻
ｔnまでの位置姿勢データ列2804からなっておりシーケ
ンシャルに102へ伝えられるのである。

【００５４】次に、仮想的接点307の動作を説明する。
図29はそのアルゴリズムを図視したものである。まず先
端位置と患部との距離を検出し(ステップ2901)、それが
ある一定値以下になっているかどうかをチェックする
(ステップ2902)。なっていなければ2901に戻る。なって
いれば近接覚センサにより患部近傍でのマニピュレータ
先端位置・速度を検出する(ステップ2903)。次に速度ベ
クトルの大きさ・各成分の大きさ・仮想反力の大きさ・
各成分の大きさ・制御モードが速度サーボのときは速度
指令ベクトルの大きさ・各成分の大きさを調べ、すべて
一定値以下であったら2901に戻り、一つでも条件を満た
さない場合は制御モードを位置制御にして現在の位置を
指令値とする(ステップ2904-2910)。これにより異常時
には指令値は変化しないので、作業の安全性を高めるこ
とができる。

【００５５】次に、操作指令入力手段114について図30
を用いて説明する。図中において、3001は把持部-反力
発生部結合用電磁石、3002は把持部拘束用ソレノイド制
御信号、3003は結合用電磁石電流制御信号、3004は把持
部拘束用ソレノイド、3005は動作モード設定信号、3006
は動作モード切り替えスイッチ、3007は把持部、3008は
球状結合部、3009は球面継手、3010は直動型円筒静電ア
クチュエータ、3011はアクチュエータ制御入力、3012は
変位センサ出力を表す。112は各アクチュエータごとの
制御入力である。各アクチュエータはこれによって駆動
され全体として所要の反力を発生する。術者は把持部30
07を持ち、反力を感じながらこれを動かし、動作データ
を入力する。モードの切り替えは根元の動作モード切り
替えスイッチで行う。このとき、把持部3007と反力発生
部の間の球面結合部3006は電磁石の磁力によって結合さ
れている。この結合部は動作モードと入力の大小によっ
て磁力制御手段3001により制御され、自由度に関する拘
束を変えることができる構造になっている。磁力制御手
段3001の動作は図35に示される。動作モードスイッチを
読み取り(ステップ3501)、動作モードが位置のみ指令す
るモードになっていた場合は(ステップ3502)電磁石の磁
力のみを作用させる(ステップ3503)。このようにした場
合この結合部は球状なので姿勢に関してはフリーにな
る。言い替えれば把持部を操作して指令できるのは位置
の3自由度のみということになる。一方位置姿勢の6自由
度すべてを指令する場合は把持部根元をソレノイド3004
でクリップしてやれば姿勢変化も指令できる(ステップ3
504)。またジョイントが固定されている状態で過大な力
あるいはモーメントが加わった場合は拘束を解くように
してやる。これにより過大な力の指令を入力することを
防ぐことができ、操作の安全性が高まる。なお直動型積
層静電アクチュエータについては後述する。これにより
異常時には指令値は患部組織操作手段には伝達されない
ので、作業の安全性を高めることができる。

【００５６】次に、図４を用いて作業環境情報検出手段
104の説明を行う。図中において、401は力覚・近接覚セ
ンサ信号前処理回路制御手段および視差角調整用アクチ
ュエータ制御手段および照明制御手段、402は視覚セン
サ、403は視覚センサの取り付け部、404は402と403を連
結する受動回転関節、405は視差角調整用リニアアクチ
ュエータ、406は右目用画像信号、407は左目用画像信
号、408はリニアアクチュエータの制御信号、409は照明
の制御信号、410は患部を照らす照明、411はスレーブマ
ニピュレータの先端部分の拡大図、412は力覚センサと
力覚信号前処理回路、413は近接覚センサと近接覚信号
前処理回路、414は力覚センサ信号、415は力覚信号前処
理回路の制御信号、416は近接覚センサ信号、417は近接
覚信号前処理回路の制御信号を表す。視覚センサ402は
患部画像を取り込み右目用画像信号406と左目用画像信
号407を出力する。視覚センサ402は受動回転関節404を
介して取付部403に連結されている。401はさまざまな部
分の制御と信号処理を司る。401において画像信号406、
407はディジタル化され視覚センサ情報107となる。また
力覚センサ信号414、近接覚センサ信号416もディジタル
値に変換され力覚センサ情報105、近接覚センサ情報106
となる。401はまた以下に示すようなアルゴリズムで各
部分の制御を行う。

【００５７】まず、図32に示すように患部組織操作手段
の粗動部503による患部奥行き方向の移動量を検出した
時には(ステップ3201)、左右視覚センサの視差角が基準
位置における値と等しくなるようにリニアアクチュエー
タ405に対して制御信号408を送る(ステップ3202)。リニ
アアクチュエータ405が伸縮し402の左右視覚センサは40
4を中心に等しく微小回転するため、視差角を一定に保
つことができる。

【００５８】一方、照明410は401の制御信号によってそ
の明るさを制御される。図33に示すように、まず視覚セ
ンサから患部までの距離を検出し(ステップ3301)、ｎ
＝ (患部までの距離)／(基準距離)を求める(ステップ33
02)。次にｍ＝（現在の倍率)／(基準倍率)を求め(ス
テップ3303)最後にｍ×ｍ×ｎ×ｎに比例した値に光量
を制御する(ステップ3304)。これらにより患部から視覚
センサまでの距離や倍率が変化した時にそれに対応して
視差角と患部の明るさを適応的に調整できる。

【００５９】次に、力覚センサとその前処理回路412お
よび近接覚センサとその前処理回路413はスレーブマニ
ピュレータの先端部分411に取り付けられている。微小
な力覚・近接覚センサとその信号処理回路はマイクロマ
シニング技術によって製作可能であることが知られてい
る。412は力覚センサ信号414を、413は近接覚センサ信
号416をそれぞれ出力するが、その際に401が信号レベル
に応じて各々の処理回路に対して制御信号415、417を送
り増幅率を変化させる。制御信号にはそこで想定される
ノイズレベルに比べて高い電圧のHigh-Lowによる数ビッ
トのディジタル信号を用いる。図31に示すように、まず
センサ信号をサンプルし零次ホールドする(ステップ310
1)。これをＡ／Ｄ変換し(ステップ3102)、ｎ＝(センサ
信号の基準値)／(センサ信号の値)を求め(ステップ310
3)、信号前処理回路に増幅率をｎ倍するように指令する
(ステップ3104)。3101〜3103間での処理時間は非常に短
くこの間に信号の値が変化することはないものとする。
そののち再びサンプル−零次ホールドし(ステップ310
5)、Ａ／Ｄ変換したのち(ステップ3106)数値化したもの
を実数表現しｎで割る(ステップ3107)。すなわち信号レ
ベルが小さい時には処理回路の増幅率を上げて信号が41
3から401までの間に混入するノイズに埋もれることを防
ぎ、大きい時には増幅率を下げて信号が飽和するのを防
ぐ。

【００６０】これにより周囲環境やアクチュエータから
の雑音の影響を軽減することができる。またこの処理に
よってディジタルサンプリングによる量子化の影響を軽
減することもできる。

【００６１】次に、患部組織操作手段102について説明
する。

【００６２】患部組織操作手段102の全体的構成は図５
に示すように操作指令解釈手段および患部操作用運動機
構制御手段502と、粗動部503と、微動部505と、超微動
部508からなっている。502は操作指令解釈手段および患
部操作用運動機構制御手段、503は粗動部、504は粗動部
各ジョイントの変位(角度もしくは並進移動量)センサ情
報、505は微動部、506は微動部各ジョイントへの制御入
力、507は微動部各ジョイントからの変位センサ情報、5
08は超微動部、509は超微動部各ジョイントおよびエン
ドエフェクタへの制御入力、510は超微動部各ジョイン
トからの変位センサ情報を表す。

【００６３】動作指令501は“grasp”などの抽象度の高
いコマンドと制御モードおよび1台のマニピュレータ先
端の時系列的運動指令データ列になっている。操作指令
解釈手段および患部操作用運動機構制御手段502はこれ
を受けて解釈しgraspコマンドと制御モードおよび1台の
運動指令値から微動部各ジョイントおよび超微動部の複
数台のマニピュレータの運動指令を生成すると同時にサ
ーボレベルのプリミティブな制御をも司る。微動部およ
び超微動部への制御入力506、509は上記の運動指令と各
部の変位センサ情報504、507、510と力覚センサ情報105
を用いて決定される。

【００６４】まず、操作指令解釈手段および患部操作用
運動機構制御手段502の動作について図34を用いて説明
する。前記の操作指令生成手段103からは図28に示すよ
うなシーケンスでデータが送られてくる。

【００６５】最初に制御モード・動作モードをを読み込
み(ステップ3401、3402)、動作モードに従って分岐する
(ステップ3403)。1で示した処理手順は次のようにな
る。位置姿勢データ列を制御モードに基づいて解釈する
(ステップ3411)。制御モードとしては位置制御／速度制
御／インピーダンス制御などの制御方式や、指令されて
いる自由度の数、自由度に関する異方性の有無などが指
示されている。

【００６６】次に、これを特定単一マニピュレータの先
端位置姿勢指令値とみなし微動部・超微動部の各関節角
度指令値へ変換する(ステップ3412)。なお、ここでは直
動関節の変位量も角度と呼び表すことにしている。この
指令値に基づいて特定マニピュレータの関節サーボ制御
を行う。2の処理手順は次のようになる。特定マニピュ
レータ(位置姿勢データ列で操作しようとしているマニ
ピュレータ)と他のマニピュレータの先端の間に作用す
る仮想引力ポテンシャルを設定する(ステップ3407)。

【００６７】次に、ポテンシャルの平衡点(引力が零に
なる点)を各マニピュレータ先端の張る空間の内部に設
定する(ステップ3408)。そののち他のマニピュレータは
先端に仮想的に作用する力を各関節トルクに分解しトル
ク制御を行う(ステップ3409)。3の処理手順は2と原理的
に等しいがポテンシャルの平衡点を前記の空間の外部に
設定する点だけが異なる(ステップ3410)。1のみ実行す
れば移動、1と2ならば把持、1と3を実行すればその逆が
実行できる。ここでは例として3種類の動作モードのみ
挙げたが、実際にはもう数種類程度の基本的動作モード
を必要とする。

【００６８】続いて、粗動部について図6および図36を
用いて説明する。図6は側面図、図36は正面図である。6
01は台座、602は第1リンク、603は第1ジョイント、604
は第2リンク、605は第2ジョイント、606は第3リンク、607は
第3ジョイント、608は微動部、を表す。台座601と第1リ
ンク602は直動レールで結合され第1リンク以降の機構は
台座と水平に動かすことができる。この部分の自由度は
手動であり任意の位置で固定することができるように機
械的なロックを設けている。この部分を手動にすること
により停電等の非常時での対処を速やかに行うことがで
き安全性を高めることができる。

【００６９】第1リンクの形状は第2リンク以降と機構的
に干渉しない形状であれば、必ずしも半円形である必要
はない。第2リンク604は第1ジョイント603を介して第1
リンク602と結合されている。第2リンク604は両側の第1
ジョイント603の中心線を軸にして回転する。第1ジョイ
ント603もまた直動レールを手動にしたのと同じ理由か
ら手動で回転しロックがかかる構造になっている。第2
リンクの形状は半円形である。第3リンク606は第2ジョ
イント605を介して第2リンク604と結合されている。第3
リンク606は第2ジョイント605の中心線を軸にして回転
する。これも手動と機械的ロックという構造で安全性を
高めている。第3リンクの形状も半円形である。微動部6
08は第3ジョイント607を介して第3リンク606と結合され
ている。3ジョイント607は第3リンク606の法線方向へ直
動する構造である。各ジョイントの変位センサ情報504
は前出の502に送られる。

【００７０】以上のような構成をとることにより、この
粗動系は平行移動の1自由度と球面座標系の3自由度とい
う横たわる患者の頭蓋形状にあった機構・自由度構成に
なり、手術の際の粗位置決めと緊急時の撤去を迅速かつ
容易にする。

【００７１】次に、図７を用いて微動部を説明する。70
4は台座リンク、705は第1ジョイント、706は第2リン
ク、707は第2ジョイント、708は第3リンク、709は第3ジ
ョイント、712は微動部土台を表す。第1〜第3ジョイン
トはすべて回転であり、ここでは超微動部508全体の姿
勢のみが変化する。微細作業の場合、姿勢変化に関して
はスケーリングされないことが指摘されている。よって
位置と姿勢の自由度を分離して、姿勢に関しては通常の
スケールと同じ駆動方法・機構を用いることができる。
また超微動部の姿勢変化は視覚センサ402と連動する構
成をとる。これにより視覚センサ402の焦点はつねにお
おむね超微動部のマニピュレータの作業空間に位置する
ことになる。なお図7ではジンバル構造としたがスチュ
ワートプラットホームのような機構を用いてもよい。

【００７２】次に、超微動部を図8を用いて説明する。8
01は超微動部を支える支柱、802はリングレール、803は
第1ジョイント、804は第1リンク、805は第2ジョイン
ト、806は第2リンク、809はマイクロ冷凍素子を表す。
第1ジョイント803はリングレール802の微小部分である
円筒に対して図中に示すようにその中心線の方向への直
動と中心線まわりの回転の2自由度の運動を行う。第2ジ
ョイント805は円筒状になっておりその中心線まわりの
回転を行う。

【００７３】このような構成をとることにより、マニピ
ュレータ全体をコンパクトにできる。ここでは3自由度
の構成としたが、第1リンク804および第2リンク806を第
2ジョイント805と同じ構造に置き換えることで自由度を
増やすことは可能である。この部分の自由度と微動部の
回転3自由度を合わせて6以上の自由度を実現している。
マニピュレータの先端にはマイクロ冷凍素子809が取り
付けられている。これはペルチェ効果による電子冷却を
実現する素子をマイクロマシニングの技術で実現したも
のである。微細作業を行うマニピュレータ自身に生体組
織(脳組織、神経、血管等)を破壊し得る機械力を付与す
ることは、暴走などの事故を想定した場合非常に危険で
ある。微細手術においては、従来は機械力で行っていた
患部組織の切断・剥奪を、エネルギの流れを制御するこ
とによって組織を変性させる操作主体に置き換えてゆく
ことが必要である。必要な機械力を小さくすると、マニ
ピュレータとそれを駆動するアクチュエータをより小型
にし得ること、あるいはそれらに求められる仕様を緩め
られることという設計上の利点も生まれるため非常に好
都合である。従来、エネルギ制御による組織の変性法
には超高温(レーザメスなど)によるものが用いられてい
るが、周囲への輻射の影響が大きく、微細手術への適用
には若干の不安が残る。

【００７４】一方、冷凍によって組織の変性・破壊を行
うことにすれば接触しない限り熱の移動は(殆ど)起こら
ないので、操作した部分のみが確実に変性する。またレ
ーザなどに比べて、環境との温度差があまり大きくない
ので、輻射(この場合は温度差が逆だが)の問題を考えな
くてもよい。

【００７５】図8の第1ジョイントを取り出したものが図
9である。図中において、901は内側固定子すなわちリン
グレール802の微小部分、902は多自由度移動子、903は
第1リンクが剛に結合されている外側固定子、904は外側
固定子903の電極電圧を制御する駆動回路1、905は902の
外周面電極電圧を制御する駆動回路2、907は多自由度移
動子902の内周面電極電圧を制御する駆動回路3、906は
多自由度移動子901の電極電圧を制御する駆動回路4、90
8は904〜907に指令を与えるこのアクチュエータの主コ
ントローラを表す。移動子および固定子の材質はポリイ
ミドおよび接着剤である。電極には銅を用いる。内側固
定子円筒901の外周には円筒の軸と垂直に円環状電極が
配置されている。多自由度移動子円筒902の内周には901
と平行に電極が配置されおり、外周には901と垂直に多
数の線状電極が配置されている。またここには描かれて
いないが多自由度円筒902の両側には鍔状部品が取り付
けられており外側固定子903の自由度を円筒中心線まわ
りの回転のみに拘束している。外側固定子903の内周に
は902の外周の電極と平行な多数の線状電極が配置され
ている。

【００７６】図10は図9のアクチュエータを中心軸を含
む平面とそれに直交する平面で切った断面図である。図
中において、1001は外側固定子、1002は多自由度移動
子、1003は内側固定子を表す。

【００７７】Ａ部における断面の拡大図を図11に示し、
Ｂ部における断面の拡大図を図12に示す。

【００７８】図11において、1101は外側固定子の断面、
1102は多自由度移動子の断面、１１０３は内側固定子の
断面、１１０４は内側固定子の内周カバーフィルム、11
05は銅電極、1106は接着剤、1107は内側固定子の外周カ
バーフィルム、1108・1109は絶縁液、1110は外側固定子
の内周カバーフィルム、1111は銅電極、1112は接着剤、
1113は外側固定子の外周カバーフィルムを表す。外側固
定子の断面1101においては銅電極の配置が円筒と円筒の
中心軸に垂直な平面との交線になっており、これが等間
隔に配置されている。一方内側固定子の断面1103におい
ては銅電極が円筒と円筒の中心軸を含む平面との交線に
なっており、これが等間隔に配置されているので断面が
鎖線状になる。多自由度移動子の断面1102の構造につい
ては、外周部分は外側固定子の断面1101に、内周部分は
内側固定子の断面1103にそれぞれ等しい。

【００７９】また、図12において、1201は外側固定子の
断面、1202は多自由度移動子の断面、1203は内側固定子
の断面、1204は内側固定子の内周カバーフィルム、1205
は接着剤、1206は銅電極、1207は内側固定子の外周カバ
ーフィルム、1208、1209は絶縁液、1210は外側固定子の
内周カバーフィルム、1211は銅電極、1212は接着剤、12
13は外側固定子の外周カバーフィルムを表す。1201〜12
03においては図12の断面方向が図11と直交しているため
にこのような断面形状になっている。

【００８０】次に、図13を用いて本アクチュエータの基
本動作原理を説明する。

【００８１】図13は外側固定子と多自由度移動子の外周
部分の組合せを示す断面図である。図中において、1301
は外側固定子の電極への配線、1302は外側固定子、1303
は多自由度移動子の外周部分、1304は多自由度移動子の
外周部分への配線、1305は多自由度移動子の外周電極に
印加する電圧を発生する駆動回路2、1306は外側固定子
電極に印加する電圧を発生する駆動回路1を表す。130
2、1303とも３本の電極を一組として三相交流電圧が印
加される。このとき1302と1303の電圧が逆相であるか周
波数が異なっているかすると移動子・固定子間に駆動力
を生じ、移動子は円筒の軸方向に並進を行う。同様のこ
とを多自由度移動子の内周部分と内側固定子の組合せに
ついて行う。内側部分の電極の組は前記の外側部分の電
極の組と直交しているので、微視的には内側電極の組は
円筒の軸に垂直な円断面の接線方向への駆動力を発生す
る。これを円周方向に積分すると軸周りの回転力とな
り、多自由度移動子は回転を行う。上記二方向の運動は
お互いに直交しており、一方の組合せによって生じる運
動が他方の組合せにおける電極の位置関係を変えること
がない。

【００８２】したがって、本アクチュエータは円筒の軸
方向への並進と軸周りの回転を同時に行うことができ
る。なお第2ジョイント805は図9の多自由度移動子902と
外側固定子903の組合せに等しい。

【００８３】以上の構成によって、比較的低侵襲かつ周
辺への影響を抑えた超微動部を備えた遠隔微細手術支援
装置が実現できることになる。

【００８４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
狭隘空間内で手先に多くの自由度を必要とするような微
細手術作業を行うことのできるマスタ・スレーブ型の遠
隔微細手術支援装置を実現することができる。

【００８５】また、本発明によれば、加齢による視力の
低下や手先分解能の劣化等に起因する術者の作業スキル
の低下を補う遠隔微細手術支援装置を実現することがで
きる。

【００８６】また、本発明によれば、患者と術者の間の
血液感染を防ぐ遠隔微細手術支援装置を実現することが
できる。

【００８７】また、本発明によれば、組織の変性を主に
利用することで侵襲度の低い手術を実現する遠隔微細手
術支援装置を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の装置の構成を示す図である。

【図２】本発明の装置の構成する臨場感制御情報生成手
段の一構成例を示す図である。

【図３】本発明の装置の構成する操作指令生成手段の一
構成例を示す図である。

【図４】本発明の装置の構成する作業環境情報検出手段
の構成例を示す図である。

【図５】本発明の装置の構成する患部組織操作手段の全
体的構成を示す図である。

【図６】本発明の装置の構成する粗動部の構成例の側面
図である。

【図７】本発明の装置の構成する微動部の構成例を示す
図である。

【図８】本発明の装置の構成する超微動部の構成例を示
す図である。

【図９】本発明の装置の構成する超微動部の第1ジョイ
ントを示す図である。

【図１０】図９に示す本発明の装置の構成する超微動部
のアクチュエータの断面図である。

【図１１】図１０のＡ部における断面の拡大図である。

【図１２】図１０のＢ部における断面の拡大図である。

【図１３】図９に示す本発明の装置の構成する超微動部
のアクチュエータの基本動作原理を示す図である。

【図１４】図２に示す本発明の装置の平面図である。

【図１５】本発明の装置における応力分布または距離の
可視化データ生成アルゴリズム例を示すフロ−チャ−ト
図である。

【図１６】本発明の装置におけるマニピュレータ運動の
色情報への変換アルゴリズム例を示すフロ−チャ−ト図
である。

【図１７】本発明の装置におけるマニピュレータ運動の
図形情報への変換アルゴリズム例を示すフロ−チャ−ト
図である。

【図１８】本発明の装置における患部の温度分布の可視
化データ生成アルゴリズム例を示すフロ−チャ−ト図で
ある。

【図１９】本発明の装置における応力分布または距離の
可聴化データ生成アルゴリズム例を示すフロ−チャ−ト
図である。

【図２０】本発明の装置におけるマニピュレータ運動の
音場情報への変換アルゴリズム例を示すフロ−チャ−ト
図である。

【図２１】本発明の装置における患部の温度分布の可聴
化データ生成アルゴリズム例を示すフロ−チャ−ト図で
ある。

【図２２】本発明の装置におけるマニピュレータ運動の
効果音への変換アルゴリズム例を示すフロ−チャ−ト図
である。

【図２３】本発明の装置における距離から仮想反力を生
成するアルゴリズム例を示すフロ−チャ−ト図である。

【図２４】本発明の装置における温度分布から仮想反力
を生成するアルゴリズム例を示すフロ−チャ−ト図であ
る。

【図２５】本発明の装置を構成する力覚センサ情報演算
部の動作アルゴリズムを示すフロ−チャ−ト図である。

【図２６】本発明の装置における合成反力の変換アルゴ
リズムを示すフロ−チャ−ト図である。

【図２７】本発明の装置を構成する指令変換部の動作ア
ルゴリズムを示すフロ−チャ−ト図である。

【図２８】本発明の装置における操作指令情報のデータ
シーケンスを示す図である。

【図２９】本発明の装置における仮想的接点の動作アル
ゴリズムを示すフロ−チャ−ト図である。

【図３０】本発明の装置を構成する操作指令入力手段の
一構成例を示す図である。

【図３１】本発明の装置を構成する力覚・近接覚センサ
信号前処理回路制御手段および視差角調整用リニアアク
チュエ−タ制御手段および照明制御手段401での力覚セ
ンサ信号処理アルゴリズムを示すフロ−チャ−ト図であ
る。

【図３２】本発明の装置を構成する視差角制御用アクチ
ュエータの制御アルゴリズムを示すフロ−チャ−ト図で
ある。

【図３３】本発明の装置における照明制御アルゴリズム
を示すフロ−チャ−ト図である。

【図３４】本発明の装置を構成する操作指令解釈手段お
よび患部操作用運動機構制御手段での解釈実行アルゴリ
ズム例を示すフロ−チャ−ト図である。

【図３５】本発明の装置を構成する磁力制御手段のアル
ゴリズム例を示すフロ−チャ−ト図である。

【図３６】本発明の装置を構成する粗動部の構成例の正
面図である。

【符号の説明】 101…臨場感制御情報生成手段、102…患部組織操作手
段、103…操作指令生成手段、104…作業環境情報検出手
段、114…操作指令入力手段。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】脳・神経系・眼球等の外科手術において術
者が術具を遠隔操作することによって微細な作業を行う
ことを支援する遠隔微細手術支援装置において、作業環
境情報検出手段と、臨場感制御情報生成手段と、操作指
令生成手段と、患部組織操作手段と、動作指令入力手段
とからなる遠隔微細手術支援装置であり、作業環境情報
検出手段は患部およびその周辺の画像と患部組織操作用
であるスレーブマニピュレータ先端の患部への接近と作
業機先端が患部に接触している時の接触力を検出し力覚
センサ情報と近接覚センサ情報と視覚センサ情報を臨場
感制御情報生成手段に伝えまた力覚センサ情報と近接覚
センサ情報を操作指令生成手段に伝え画像検出時の拡大
倍率を患部組織操作手段に伝え、臨場感制御情報生成手
段は患部組織操作手段から伝えられたスレーブマニピュ
レータ先端位置情報と術者に対して作業環境情報検出手
段によって検出された各情報を加工して画像・音場・仮
想反力情報を生成し画像および音は術者にこれを提示し
仮想反力情報は操作指令生成手段にこれを伝え、動作指
令入力手段は術者が臨場感制御情報生成手段により提示
される合成加工画像と仮想音場および操作指令生成手段
において合成された合成反力にもとづいて起こす動作を
検出しこれを操作指令生成手段に伝え、操作指令生成手
段は作業環境情報検出手段の力覚センサが検出した力覚
センサ情報と臨場感制御情報生成手段の提示する仮想反
力情報とを合成したものを合成反力として術者に伝える
とともに動作指令入力手段から伝えられた動作指令を操
作指令情報へと変換しこれを患部組織操作手段へと伝
え、患部組織操作手段は上記操作指令情報および拡大倍
率情報に基づき術具を駆動する複数の作業機を制御する
ことを特徴とする遠隔微細手術支援装置。
【請求項２】請求項１記載の遠隔微細手術支援装置にお
いて、作業機の先端に微細な冷凍素子を有することを特
徴とする遠隔微細手術支援装置。
【請求項３】請求項１記載の遠隔微細手術支援装置にお
いて、多数の電極間に働く静電気力を利用したアクチュ
エータによって作業機の各関節が駆動されることを特徴
とする遠隔微細手術支援装置。
【請求項４】請求項１記載の遠隔微細手術支援装置にお
いて、術者が操作指令生成手段を介して操作する1本ま
たは2本のスレーブマニピュレータの位置姿勢と、他の
複数のスレーブマニピュレータ群の位置姿勢、および環
境との間にある関係を設定し患部組織操作手段がつねに
設定された関係を満足するように他の複数のスレーブマ
ニピュレータ群を自動制御することにより、術者がすべ
てのスレーブマニピュレータ群を操作することなく複数
のスレーブマニピュレータ群が追従的協調動作を行うこ
とを特徴とする遠隔微細手術支援装置。
【請求項５】請求項４記載の遠隔微細手術支援装置にお
いて、マスタである操作指令入力手段の把持部分が患部
を直接操作可能でありマスタとスレーブが協調作業を行
うことができることを特徴とする遠隔微細手術支援装
置。
【請求項６】請求項１記載の遠隔微細手術支援装置にお
いて、マスタとスレーブの位置姿勢を対応させる際のス
ケール変換における各自由度の変換係数を独立に設定し
動作内容に応じて切り替えることを特徴とする遠隔微細
手術支援装置。
【請求項７】請求項１記載の遠隔微細手術支援装置にお
いて、視覚センサの姿勢とスレーブマニピュレータの姿
勢が連動することを特徴とする遠隔微細手術支援装置。
【請求項８】請求項１記載の遠隔微細手術支援装置にお
いて、赤外線の発光素子と受光素子の組み合わせを用い
てスレーブマニピュレータ先端の患部への接近を検出す
ることを特徴とする遠隔微細手術支援装置。
【請求項９】請求項１記載の遠隔微細手術支援装置にお
いて、半導体製造技術を用いて一体製造された歪ゲージ
と処理回路とからなる微小力覚センサによりスレーブマ
ニピュレータ先端の反力を検出することを特徴とする遠
隔微細手術支援装置。
【請求項１０】請求項１記載の遠隔微細手術支援装置に
おいて、スレーブマニピュレータと視覚センサの位置を
連動させる粗動機構の自由度構成が球面座標系となって
いることを特徴とする遠隔微細手術支援装置。
【請求項１１】請求項１記載の遠隔微細手術支援装置に
おいて、通常の光学画像の他に赤外領域波長を検出可能
な視覚センサを有することを特徴とする遠隔微細手術支
援装置。
【請求項１２】請求項１記載の遠隔微細手術支援装置に
おいて、視覚センサの検出した画像情報を提示する際に
通常の光学画像に加えて温度の高低・力覚センサによっ
て検出されたスレーブマニピュレータ先端の接触力の大
小・近接覚センサによって検出された患部とスレーブマ
ニピュレータ先端との距離を色の種類や明度・彩度に変
換したものを重ね合わせたものを画像情報として提示す
る臨場感制御情報生成手段を有することを特徴とする遠
隔微細手術支援装置。
【請求項１３】請求項１記載の遠隔微細手術支援装置に
おいて、請求項12記載の画像情報の他に温度の高低・力
覚センサによって検出されたスレーブマニピュレータ先
端の接触力の大小・近接覚センサによって検出された患
部とスレーブマニピュレータ先端との距離を音量・音質
・音程・音色および音像定位に変換したものを音響情報
として提示する臨場感制御情報生成手段を有することを
特徴とする遠隔微細手術支援装置。
【請求項１４】請求項１記載の遠隔微細手術支援装置に
おいて、請求項12記載の画像情報に加えて術者が状況を
表現するための図形・記号を編集し上記画像情報に重ね
て提示する臨場感制御情報生成手段を有することを特徴
とする遠隔微細手術支援装置。
【請求項１５】請求項１記載の遠隔微細手術支援装置に
おいて、前記画像情報を提示する画像表示部の下に操作
指令入力手段を配置することを特徴とする遠隔微細手術
支援装置。
【請求項１６】請求項１記載の遠隔微細手術支援装置に
おいて、患部組織操作手段が粗動と微動に分離されてい
ることを特徴とする遠隔微細手術支援装置。
【請求項１７】請求項１記載の遠隔微細手術支援装置に
おいて、多数の電極間に働く静電気力を利用したアクチ
ュエータを用いて動作指令入力手段の各関節が駆動され
ることによって反力を発生することを特徴とする遠隔微
細手術支援装置。
【請求項１８】請求項１記載の遠隔微細手術支援装置に
おいて、動作指令入力時に術者の把持する部分と反力を
発生する部分が電磁石の磁力によって結合されており過
大入力等の異状時には電磁石への電流を切ることによっ
て上記の結合を解除することを特徴とする遠隔微細手術
支援装置。
【請求項１９】請求項18記載の動作指令入力手段におい
て、結合部分に固定手段を設け、術者が把持部分を操作
することによって入力できる位置姿勢の自由度の数を変
化させることを特徴とする遠隔微細手術支援装置。
【請求項２０】請求項１記載の遠隔微細手術支援装置に
おいて、請求項12記載の画像情報に加えて術者に状況を
説明するための図形・記号を上記画像情報に重ねて提示
する臨場感制御情報生成手段を有することを特徴とする
遠隔微細手術支援装置。