JPH05303327A

JPH05303327A - 医療用切削シミュレーション装置

Info

Publication number: JPH05303327A
Application number: JP4136094A
Authority: JP
Inventors: Sadami Tsutsumi; 定美堤; Toshiaki Ikeda; 利昭池田; Kazuo Nishikawa; 和夫西川
Original assignee: J Morita Manufaturing Corp
Current assignee: J Morita Manufaturing Corp
Priority date: 1992-04-27
Filing date: 1992-04-27
Publication date: 1993-11-16

Abstract

(57)【要約】【目的】ハンドピースを用いて行う切削治療の技術修
得に適したシミュレーション装置を提供する。【構成】ハンドピースＡの被切削物Ｂに対する相対的
な位置と向きなどを位置検出手段Ｃで検出して逐次記憶
し、記憶されたデータによりハンドピースの位置と向き
の瞬時値や軌跡を表示手段Ｅに表示したり、ハンドピー
スの動きを拘束手段Ｇで制限したり、ハンドピースを駆
動手段Ｇで駆動してあらかじめ記憶手段Ｄに記憶させた
動きを再現したりできるようにした。【効果】ハンドピースの動きを指導者と受講者につい
て比較検討するなど種々の使い方ができ、切削技術の教
育に大きな効果が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、歯科や耳鼻科等にお
ける切削治療を修得するための医療用切削シミュレーシ
ョン装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】医療教育の目的は医学的知識と医療技術
の修得にあり、特に医療技術については、治療や手術手
技を説明した文章と図や写真などの平面画像によるテキ
ストを用いた講座、あるいは人体模型を用いた実習など
が教育カリキュラムに組み込まれている。しかし、臨床
熟練者の技術を文章で正確に表現することは無理である
し、図や写真などを併用しても技術を正確に伝承させる
ことは困難であり、受け取る側の理解度にも個人差があ
る。又、医療行為は非定形的で動的な技術であって、常
に患者からフィードバックされる種々の情報により変化
する性質を持つものとしてとらえるべきである。歯科や
耳鼻科等の治療における歯や骨の切削についても例外で
はなく、人体模型を用いた実習には限界があり、臨床熟
練者の技術を伝承する手段としては十分とは言えない。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】この発明はこの点に着
目し、ハンドピースを用いて行う切削治療技術の修得に
適したシミュレーション装置を提供し、臨床熟練者の技
術を容易に伝承できるようにすることを課題としてなさ
れたものである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記の課題を達成するた
めに、この出願に係る医療用切削シミュレーション装置
の第１の発明においては、切削具を備えたハンドピース
と、このハンドピースの被切削物に対する相対的な位置
及び向きを検出する位置検出手段と、検出されたハンド
ピースの位置及び向きを逐次記憶する記憶手段と、記憶
手段に記憶されたハンドピースの位置及び向きの瞬時値
及び／又は軌跡を表示する表示手段、とを備えている。
又、上記の装置において、被切削物に対するハンドピー
スの相対的な位置及び向きの変化速度を逐次算出すると
共に、検出又は算出されつつある位置及び向き若しくは
変化速度をあらかじめ記憶手段に記憶させたハンドピー
スの位置及び向き若しくはその変化速度と比較し、両者
の差があらかじめ設定された限界値を超えた場合に報知
または表示する報知手段を設けている。

【０００５】又第２の発明においては、切削具を備えた
ハンドピースと、このハンドピースをその位置及び向き
を自由に変化できるように保持する多関節アームと、ハ
ンドピースの被切削物に対する相対的な位置及び向きを
検出する位置検出手段と、検出されたハンドピースの位
置及び向きを逐次記憶する記憶手段と、被切削物に対す
るハンドピースの相対的な位置及び向きの変化速度を逐
次算出すると共に、検出又は算出されつつあるハンドピ
ースの位置及び向き若しくはその変化速度とあらかじめ
記憶手段に記憶させたハンドピースの位置及び向き若し
くはその変化速度とを比較し、両者の差があらかじめ設
定された限界値を超えた場合に多関節アームの動きを拘
束してハンドピースの位置及び向きの変化を制限する拘
束手段、とを備えている。上記の拘束手段は、検出又は
算出されつつあるハンドピースの位置及び向き若しくは
その変化速度とあらかじめ記憶手段に記憶させたハンド
ピースの位置及び向き若しくはその変化速度とを比較
し、両者の差に応じて拘束力を変化させるように構成す
ることができる。

【０００６】又第３の発明においては、切削具を備えた
ハンドピースと、このハンドピースをその位置及び向き
を自由に変化できるように保持する多関節アームと、ハ
ンドピースの被切削物に対する相対的な位置及び向きを
検出する位置検出手段と、検出されたハンドピースの位
置及び向きを逐次記憶する記憶手段と、あらかじめ記憶
手段に記憶させたハンドピースの位置及び向き若しくは
その変化速度を再現するように上記多関節アームを駆動
する駆動手段、とを備えている。

【０００７】上記の各発明において、位置検出手段とし
ては、ハンドピースに取り付けられた磁気又は音波の発
生源と、この発生源の位置を測定する測定部とで構成さ
れた非接触位置検出装置が採用可能である。又、ハンド
ピースを多関節アームで保持する場合には、多関節アー
ムの各関節に設けられた回転角度センサとこれら回転角
度センサの出力値からハンドピースの位置及び向きを算
出する演算部とで位置検出装置を構成することができ
る。又、上記の多関節アームとしては、ハンドピースホ
ルダーをその位置及び向きを自由に変化できるように多
関節アームの先端に設け、このハンドピースホルダーで
ハンドピースを保持すると共に、ハンドピースホルダー
までの重量を実質的に打ち消すためのバランス手段を備
えたものが採用可能である。

【０００８】本装置が歯科用の場合には、被切削物とし
て歯牙模型、顎模型、咬合模型等の歯科模型が用いられ
る。この歯科模型は実体模型であってもよいが、その形
状データをあらかじめ記憶手段に記憶させておき、２次
元若しくは３次元の画像として表示手段に表示したもの
とすることもできる。この画像による模型の場合、表示
手段として頭部搭載型ディスプレイの使用が可能であ
る。又これらの画像による模型の場合には、ハンドピー
スが所定の切削位置に来た時に、ハンドピースの動きに
対応して表示手段に表示された歯科模型の画像から被切
削部位が消去されるように構成することができる。

【０００９】更に第４の発明においては、切削具又は切
削具と同一形状の接触子を備えたハンドピースと、この
ハンドピースをその位置及び向きを自由に変化できるよ
うに保持する多関節アームと、ハンドピースの基準点に
対する絶対的な位置及び向きを検出する位置検出手段
と、ハンドピースに加わる外力を検出する外力検出手段
と、検出されたハンドピースの位置及び向き並びに外力
を逐次記憶すると共に被切削物の形状データを記憶する
記憶手段と、この記憶手段に記憶された被切削物の形状
を２次元若しくは３次元の画像として表示する表示手段
と、ハンドピースの位置及び向き並びに外力の変化速度
を逐次算出すると共に、検出又は算出されつつあるハン
ドピースの位置及び向き並びに外力若しくはこれらの変
化速度とあらかじめ記憶手段に記憶させたハンドピース
の位置及び向き並びに外力若しくはこれらの変化速度と
を比較し、両者の差があらかじめ設定された限界値を超
えた場合に多関節アームの動きを拘束してハンドピース
の位置及び向きの変化を制限する拘束手段、とを備えて
いる。

【００１０】上記の拘束手段は、検出又は算出されつつ
あるハンドピースの位置及び向き若しくはその変化速度
とあらかじめ記憶手段に記憶させたハンドピースの位置
及び向き若しくはその変化速度とを比較し、両者の差に
応じて拘束力を変化させるように構成することができ
る。又上記の装置において、あらかじめ記憶手段に記憶
させたハンドピースの位置及び向き若しくはその変化速
度を再現するように多関節アームを駆動する駆動手段を
設けることができる。

【００１１】更に上記の装置において、位置検出手段と
しては、ハンドピースに取り付けられた磁気又は音波の
発生源と、この発生源の位置を測定する測定部とで構成
された非接触位置検出装置が採用可能であり、又、多関
節アームの各関節に設けられた回転角度センサとこれら
回転角度センサの出力値からハンドピースの位置及び向
きを算出する演算部とで位置検出装置を構成することが
できる。又、上記の多関節アームとしては、ハンドピー
スホルダーをその位置及び向きを自由に変化できるよう
に多関節アームの先端に設け、このハンドピースホルダ
ーでハンドピースを保持すると共に、ハンドピースホル
ダーまでの重量を実質的に打ち消すためのバランス手段
を備えたものが採用可能である。

【００１２】本装置が歯科用の場合には、被切削物とし
て歯牙模型、顎模型、咬合模型等の歯科模型が用いられ
る。この歯科模型は実体模型のほか、２次元若しくは３
次元の画像として表示手段に表示したものとすることも
できる。この画像による模型の場合、表示手段として頭
部搭載型ディスプレイの使用が可能である。又これらの
画像による模型の場合には、ハンドピースが所定の切削
位置に来た時に、ハンドピースの動きに対応して表示手
段に表示された歯科模型の画像から被切削部位が消去さ
れるように構成することができる。

【００１３】更に第５の発明においては、接触子を備え
たハンドピースと、接触子の先端が被切削物に接触した
時の被切削物に対する接触子先端の相対的な位置を検出
する位置検出手段と、検出された接触子先端の位置を逐
次記憶する記憶手段と、記憶手段に記憶された接触子先
端の位置の瞬時値及び／又は軌跡を表示する表示手段、
とを備えている。

【００１４】図１はこの発明の装置の基本的な構成を総
合的に示す図である。Ａはハンドピース、Ｂは被切削
物、Ｃは位置検出手段、Ｄは記憶手段、Ｅは表示手段、
Ｆは報知手段、Ｇは拘束手段、Ｈは多関節アーム、Ｊは
駆動手段であり、Ｋは報知手段Ｆや拘束手段Ｇを作動さ
せるためにデータを比較する比較手段、Ｌは外力検出手
段、Ｍは以上の各手段や装置全体の動作を制御するＣＰ
Ｕである。Ａ₁はハンドピースＡの先端に備えられてい
る切削具又は切削具と同一形状の接触子、Ｈ₁はハンド
ピースＨの関節、Ｈ₂は多関節アームＨの先端に設けら
れたハンドピースホルダーであり、多関節アームＨが使
用される場合にはハンドピースＡはこのホルダーＨ₂で
保持される。なお、図１は各発明における主要な構成要
素をすべて示しており、発明の内容に応じて上記の各構
成要素が組み合わされるので、発明によっては一部の構
成要素は不要となる。

【００１５】

【作用】ハンドピースの被切削物に対する相対的な位置
と向きを検出して逐次記憶し、記憶されたデータにより
ハンドピースの位置と向きの瞬時値及び／又は軌跡を表
示することにより、切削作業時のハンドピースの動きを
再現表示して、理想的な場合とそうでない場合、例えば
指導者と受講者のハンドピースの操作を比較検討するこ
とができる。又、ハンドピースの動きをあらかじめ記憶
手段に記憶させたものと比較して、報知手段により両者
の差が限界値を超えた場合に報知したり、拘束手段によ
り両者の差が大きくならないように動きを制限したり、
駆動手段によりあらかじめ記憶手段に記憶させたハンド
ピースの動きを再現したりすることができる。

【００１６】以上の構成により、指導者によるハンドピ
ースの動きを受講者に理解させ、所要の技術を修得させ
ることが容易となる。この場合、ハンドピースを保持す
る多関節アームとしてバランスアームを用いることによ
り、ハンドピースの重量のみを手に感じながら自然な状
態でハンドピースを操作することができる。特に、歯科
治療においては歯を切削することが多いが、被切削物を
歯科模型とすることにより歯の切削技術の修得に効果が
ある。

【００１７】被切削物を画像上の模型として表示手段に
再現表示するようにしたものでは、コンピュータグラフ
ィックスと組み合わせることによってより高度なシミュ
レーション装置が得られる。特に近年急速に発展しつつ
あるマン・マシンインターフェース、例えば人工現実感
用の頭部搭載型ディスプレイを使用することにより、効
果的なシミュレーションを行うことができる。上記の頭
部搭載型ディスプレイはＨＭＤ(Head Mounted Display)
と略称されているもので、３次元的な架空空間に被検部
の立体画像を映し出し、あたかも現実の患部を診療して
いるような臨場感あふれる擬似体験を通して医療技術を
体得することが可能となる。歯科の場合には、ハンドピ
ースの動きに対応して表示手段に表示された歯科模型の
画像から被切削部位が消去されることによって、現実に
即した切削技術の修得が可能となる。

【００１８】又、接触子を備えたハンドピースを用いて
被切削物に対する接触子先端の相対的な位置を検出し、
これを記憶して表示するようにしたものでは、被切削物
の形状を測定することができる。従って、本装置をまず
３次元形状の測定装置として利用して例えば任意の形状
の歯牙模型の形状データを取り込み、その後でこのデー
タに基づいて歯牙模型の画像を表示再現して切削動作に
移るというような操作が可能となるのである。

【００１９】

【実施例】以下、図示の実施例について説明する。ま
ず、被切削物を実際に切削することを前提とした第１乃
至第３の発明において、被切削物として歯科模型が使用
される実施例について述べる。図２は実施例の装置のブ
ロック図であり、１はハンドピース、１ａは切削具、２
は位置センサ、３は外部メモリ、４は表示部、５は報知
部、６は拘束／駆動機構、７は圧力センサ、８はフート
スイッチ、９はキーボード、１０はハンドピース作動回
路、１１は表示部４を作動させるためのビデオ信号発生
器、１２は報知部５を作動させるための報知部作動回
路、１３は拘束／駆動機構６を作動させるためのアーム
作動回路、１４はコンピュータ、１５は多関節アーム、
１６は歯科模型である。この図２も図１と同様に実施例
の装置の構成を総合的に示しており、発明に応じて各構
成要素の仕様や組み合わせが適宜選択される。

【００２０】上記のコンピュータ１４は、ＣＰＵのほ
か、内部メモリや入出力ポートを備えており、フートス
イッチ８やキーボード９からの指令信号、あるいは各メ
モリのデータなどに応じて所定の制御プログラムに従っ
て装置全体の動作を制御するものである。位置センサ２
は、例えば多関節アーム１５の各関節に組み込まれたロ
ータリーエンコーダのような回転角度センサを備えたも
ので、ハンドピース１、すなわち切削具１ａの位置や向
きは、位置センサ２の検出信号に基づいてコンピュータ
１４で演算することによって算出される。

【００２１】なお、この位置センサ２としては上述のよ
うな回転角度センサではなく非接触式のものを使用する
こともできる。これはハンドピース１に磁気又は音波な
どの発生器を取り付け、磁気や音波を測定して発生器の
位置を検出するものであり、例えば特公平３−６１４５
１号公報に開示されているような磁気式のものが利用可
能である。この場合には位置検出の目的で多関節アーム
を使用する必要はないので、アームを駆動しない仕様で
あればフレキシブルアームを使用し、あるいはハンドピ
ースを直接手で持つようにすることができる。

【００２２】表示部４は、検出されたハンドピース１の
位置及び向き、歯科模型１６の形状やその他のデータを
数字で、あるいは画像として表示するものである。通
常、この表示部には図２に例示したようなＣＲＴディス
プレイ４ａが使用されるが、前述したように頭部搭載型
ディスプレイ４ｂを使用することもできる。なお、必要
に応じてデータや画像をハードコピーとして出力するプ
リンターを表示部４に設けることもできる。報知部５
は、例えばブザーやスピーカーを備えていて各種の情報
を信号音や音声で報知するものであるが、そのほか光や
振動によって報知するなど他の機能を備えることもでき
る。

【００２３】又、拘束／駆動機構６は、ハンドピース１
の動きを既にメモリに記憶されたものと比較して両者の
差があらかじめ設定されている限界値を超えた場合に、
関節にブレーキを掛けて多関節アーム１５の動きを制限
したり、関節を駆動してあらかじめメモリに記憶させた
ハンドピースの動きを再現したりするものである。圧力
センサ７は、ハンドピース１と歯科模型１６との間に作
用する外力を検出して切削時の押し付け力を検出するも
のである。この拘束／駆動機構６と圧力センサ７につい
ては具体的な構成の例を後述する。

【００２４】次に、図３により多関節アーム１５の一例
を説明する。図において、２１は基台、２２は基台２１
に固定された支柱、２３乃至２８は軸受部、２９及び３
０はアーム、３１はハンドピースホルダー、３２及び３
３はカウンターバランスである。

【００２５】支柱２２に固定された軸受部２３は軸受部
２４を水平な面に沿って回転可能なように支持してお
り、軸受部２４には垂直な面に沿って回転可能なように
２本のアーム２９が取り付けられ、その先端は軸受部２
５に回転可能に取り付けられて平行リンクを構成してい
る。同様に軸受部２５には垂直な面に沿って回転可能な
ように２本のアーム３０が取り付けられ、その先端は軸
受部２６に回転可能に取り付けられて平行リンクを構成
している。又、軸受部２６には垂直な面に沿って回転可
能なように軸受部２７が取り付けられ、この軸受部２７
には水平な面に沿って回転可能なように軸受部２８が取
り付けられ、更に軸受部２８には軸受部２７の回転方向
に対して直交する垂直な面に沿って回転可能なようにハ
ンドピースホルダー３１が取り付けられている。

【００２６】すなわち、多関節アーム１５は６個の関節
１５ａを持つ６自由度のアームとなっているのであり、
ハンドピースホルダー３１に保持されたハンドピース１
は一定の範囲で自由に動かすことができる。各軸受部２
３〜２８にはそれぞれロータリーエンコーダ２３ａ〜２
８ａが設けられており、それぞれの回転角度θ₁〜θ₆を
コンピュータ１４に入力して演算することによって、任
意の点を原点として設定された座標上におけるハンドピ
ース１の位置と方向が検出される。

【００２７】一方、カウンターバランス３２はアーム２
９から先の構成部材の全重量とバランスするようにアー
ム２９の１本を反対側に延長して取り付けられ、又カウ
ンターバランス３３はアーム３０から先の構成部材の全
重量とバランスするようにアーム３０の１本を反対側に
延長して取り付けられており、バランス調整のために取
り付け部はねじ構造となっている。従って、ハンドピー
スホルダー３１までの重量が実質的に打ち消され、ハン
ドピース１の重量のみを手に感じながら自然な状態で操
作することが可能となるのであり、必要に応じてハンド
ピース１の重量も含んだ状態でバランスさせることもで
きる。なお、多関節アームはスプリングを用いた方式の
バランスアームとすることもできる。

【００２８】次に、図４〜９により拘束／駆動機構６の
実施例を説明する。図４は電磁クラッチ方式の例であ
る。図において、４１は軸受部、４２はシャフト、４３
はシャフト４２に固定されたアーム、４４はロータリー
エンコーダ、４５はシャフト４２の他端に固定された磁
性材料からなる摩擦板、４６はこの摩擦板４５に対向し
て配置された電磁石、４６ａは電磁石のコイル、４７は
電磁石４６を摩擦板４５から離れる方向に付勢するスプ
リングである。すなわち、コイル４６ａに通電されると
電磁石４６が摩擦板４５に吸引され、シャフト４２がロ
ックされて関節１５ａはその時の角度で固定される。図
５はソレノイド方式の例を示したもので、(a)はソレノ
イド４８でブレーキシュー４９を押し引きしてシャフト
４２に制動を掛けるようにしたもの、(b)はソレノイド
４８でベルト５０を引いて制動を掛けるようにしたも
の、(c)はソレノイド４８で爪５１を押し引きし、シャ
フト４２に固定されたギヤ５２に係合させて制動を掛け
るようにしたもの、をそれぞれ示している。

【００２９】以上は単に制動力をオンオフするタイプで
あるが、図６〜８は制動力を変化できるようにした例で
ある。図６はモータ方式の例であって、ブレーキシュー
５５をホルダー５６で回転しないように保持し、モータ
５７の出力軸５８のねじ部をブレーキシュー５５に螺合
してある。このため、モータ５７が作動して出力軸５８
が回転するとブレーキシュー５５が軸方向に移動し、シ
ャフト４２との摩擦による制動力が変化するのである。
図７はシリンダ方式の例を示したものである。６１は空
気や油などの流体圧力で作動するシリンダ、６２はシリ
ンダのピストン６１ａの出力軸に固定された作動板であ
り、この作動板６２をシャフト４２の端面に固定された
摩擦板６３に対向配置し、作動油などの流体を制御して
作動板６２を押し引きすることにより制動力を変化させ
るのである。

【００３０】又、図８はゴムアクチュエータ方式の例で
ある。６５は球状のゴムアクチュエータ、６６は作動板
６２を摩擦板６３の方向に付勢するスプリングであり、
図７と同様にシャフト４２に固定された摩擦板６３に作
動板６２を対向配置し、この作動板６２をゴムアクチュ
エータ６５で押し引きするようになっている。すなわ
ち、ゴムアクチュエータ６５に流体が供給されるとアク
チュエータ６５が丸くなり、作動板６２は鎖線のように
摩擦板６３から離れる方向に引き戻されるが、アクチュ
エータ６５から流体が抜けると実線のようにスプリング
６６で作動板６２が摩擦板６３の方向に付勢されるので
あり、アクチュエータ６５への流体の供給圧力を加減す
ることにより制動力が変化するのである。

【００３１】図９は制動力を変化させると共に駆動力も
発生させるようにした例である。すなわち、制動力を生
ずる部分の機構は図６と同様であるが、ここでは図６に
おけるロータリーエンコーダ４４の代わりにロータリー
エンコーダ６９ａを内蔵したモータ６９を設けてある。
従って、モータ６９が作動するとシャフト４２が回転し
てこれに固定されたアーム４３が回転し、ロータリーエ
ンコーダ６９ａの検出信号から所定の角度だけ回転した
ことが検出されるとその角度で停止する。又、モータ５
７が作動して出力軸５８が回転するとブレーキシュー５
５が移動し、シャフト４２との摩擦による制動力が変化
するのである。

【００３２】このような拘束／駆動機構６を装置の仕様
に応じて所望の機能を有するものを適宜選択することに
より、関節１５ａの動きを制限して多関節アーム１５の
形状変化を停止させたり、既にメモリに記憶させたハン
ドピースの動きを再現したりすることができるのであ
る。なお、上述した拘束／駆動機構６は各関節１５ａに
それぞれ分散して設ける構成の例であり、例えば各関節
１５ａ用の小形モータを軸受部２３かこれに近い軸受部
２４に集中して設け、各軸受部との間を細いワイヤベル
トで連結するなど、他の方式を採用することもできる。

【００３３】次に圧力センサ７について説明する。図１
０はハンドピース１の先端部分を示したものである。１
ｂは切削具１ａが取り付けられた回転子、１ｃはベアリ
ングであり、この回転子１ｂとハンドピース１の本体の
間に歪ゲージ７ａを複数個設けてある。従って、切削具
１ａが歯科模型に接触して切削状態になるとその時の押
し付け力に応じた応力が歪ゲージ７ａに加わり、それら
の検出信号をコンピュータ１４に入力して演算すること
によって押し付け力が検出される。なお、このような圧
力センサを使用せず、切削具１ａが歯科模型に接触した
時の回転音の変化をマイクで拾って接触を検出すること
も可能である。

【００３４】以上のような各部の動作をはじめ、装置全
体の動作は前述したようにコンピュータ１４によって制
御される。この制御のためのプログラムは装置の仕様に
応じて所定の機能を実現するように作成されるものであ
る。次に、これらの細かい点は省略して制御の基本的な
手順について図１１及び図１２により説明する。まず、
ステップＳ１で既知の歯科模型１６の形状と使用される
ハンドピース１の切削具１ａを含む先端の形状が入力さ
れ、指導者データの取り込みか否かが判定され、そうで
あればステップＳ２に、そうでなければステップＳ１１
に進む。ステップＳ２ではハンドピース１がスタート位
置にあるか否かが判定され、否であればハンドピースが
持ち上げられて操作が開始される状態であると判定さ
れ、更にハンドピース１が回転しているか否かが判定さ
れる。そして否であればその旨報知されて回転するまで
待機し、回転していればステップＳ３に進む。

【００３５】ステップＳ３では再度ハンドピース１がス
タート位置にあるかが判定され、否であれば各関節１５
ａの角度が入力されてハンドピース１の先端の位置と方
向が演算されて記憶される。この手順は次のステップＳ
４でハンドピース１の先端、つまり切削具１ａが歯科模
型１６に接触していると判定されるまで繰り返し行わ
れ、その結果が逐次記憶される。ステップＳ４で接触し
ていると判定された場合には、その時の各関節の角度か
らハンドピース１の先端の位置と方向が演算されて記憶
されるが、この手順は次のステップＳ５でハンドピース
１の先端が歯科模型１６の表面よりも内側に位置してい
ると判定されるまで繰り返し行われ、その結果が逐次記
憶される。

【００３６】ステップＳ５でハンドピース１の先端が歯
科模型１６の表面よりも内側に位置していると判定され
ると、上述と同様にハンドピース１の先端の位置と方向
が演算されて記憶され、ハンドピース１の先端が歯科模
型１６の表面よりも外側に出るまでこの手順が繰り返さ
れてその結果が逐次記憶される。又、ハンドピース１の
先端が歯科模型１６の表面よりも外側に出たということ
は、切削作業が終了したとみなされるのでステップＳ４
に戻り、ここでハンドピース１の先端が歯科模型１６に
接触していなければステップＳ３に戻り、ハンドピース
１がスタート位置にあれば作業が終了したと判定され、
ステップＳ６に進んでハンドピース１は停止する。

【００３７】一方、ステップＳ１からステップＳ１１に
進んだ場合には、ハンドピース１がスタート位置にある
か否かが判定され、否であればハンドピース１が回転し
ているか否かが判定され、否であればその旨報知されて
回転されるまで待機し、回転していればステップＳ１２
に進む。ここではステップＳ３と同様な手順でハンドピ
ース１の先端の位置と方向が演算されて記憶されるが、
この手順は次のステップＳ１３でハンドピース１の先端
が歯科模型１６の表面よりも内側に位置していると判定
されるまで繰り返され、その結果が逐次記憶される。ス
テップＳ１３ではステップＳ５と同様な手順でハンドピ
ース１の先端の位置と方向が演算されて記憶され、更に
その結果が表示されるが、この手順は次のステップＳ１
４で切り込み量があらかじめ設定されている深さ以内で
あると判定されている間は繰り返され、その結果が逐次
記憶され、又表示される。

【００３８】ステップＳ１４で切り込み量が設定値に達
したと判定されると、その旨が報知されると共に拘束／
駆動機構６が作動して関節１５ａの動きが拘束され、そ
れ以上深く削ることが防止される。この手順は、切削予
定個所全域について切削が行われ、次のステップＳ１５
で設定切削量を削り終ったと判定されるまで繰り返され
るが、削り終ったと判定されるとその旨が報知されると
共に表示されてステップＳ１２に戻り、ハンドピース１
がスタート位置にあれば作業が終了したと判定され、ス
テップＳ１６に進んでハンドピース１は停止する。以上
は、指導者によるハンドピースの動きと受講者のそれと
を検出してそれぞれ記憶する手順を中心としたものであ
るが、更にこの検出結果を利用して両者の比較検討を行
い、あるいは、拘束／駆動機構６をステップＳ１４で作
動させるだけでなくそれ以前のステップでもこれを作動
させたり、位置の表示もステップＳ１３だけでなく開始
から終了まで行うなど、種々の応用が可能である。

【００３９】次に、実体模型などの被切削物を実際には
切削せず、被切削物を画像上の模型として表示部４に表
示すると共に、ハンドピース１もその動きに応じて表示
部４に表示することを前提とした第４の発明の実施例に
ついて述べる。この場合の装置のブロック図も第２図を
流用できるが、内容は若干異なるものとなる。例えば、
切削具１ａはこれと同じ形状の接触子と置き換えること
ができるし、表示部４は必須である。又、報知部５から
は回転音を出力すると共に、例えば接触子１ａが被切削
物に接触し、あるいは切削している状態になった時に回
転音を低下させると共に切削音を発生させるなど、音を
変化させることにより臨場感を与えるようにしてもよ
い。

【００４０】この実施例では、ハンドピース１の先端、
つまり切削具又は接触子１ａが被切削物、例えば歯牙模
型に実際には接触せず、切削具又は接触子１ａには外力
が作用しない。このため、圧力センサ７も図１０のもの
では役に立たないので、例えば図１３のような構成が採
用される。すなわち、図のようにハンドピース１は自在
継手３１ａを介してハンドピースホルダー３１に保持す
るようにし、軸方向の応力を検出する歪ゲージ７ｂ及び
７ｃと、軸に垂直な方向の応力を検出する歪ゲージ７ｄ
及び７ｅとを自在継手３１ａとハンドピースホルダー３
１の間に設けてある。従って、データ上で切削具又は接
触子１ａが被切削物に接触し、あるいは切削している状
態になった時には多関節アームの動きを拘束し、ハンド
ピースホルダー３１とハンドピース１との間に応力を発
生させてこれを外力として検出するのである。

【００４１】以下、この実施例の制御の基本的な手順を
図１４により説明する。なお、被切削物として歯科模型
が用いられるものとして記述する。まず、ステップＳ２
１でモード設定をし、既知の歯科模型１６の形状データ
と使用されるハンドピース１の切削具又は接触子１ａを
含む先端の形状データとが入力され、歯科模型１６の形
状が表示部４に表示される。次いでステップＳ２２でフ
ートスイッチのオン／オフ信号が入力され、更に各関節
１５ａの角度が入力されてハンドピース１の先端の位置
と方向が演算されて記憶される。

【００４２】ステップＳ２３では切削具又は接触子１ａ
が歯科模型１６に接触する位置にあるか否かが判定さ
れ、接触位置にあればステップＳ２５に進み、その位置
になければ更にフートスイッチ８のオンオフが判定さ
れ、オンであればステップＳ２４に進み、オンでなけれ
ばステップＳ２２に戻ってその手順が繰り返される。ス
テップＳ２４では再度切削具又は接触子１ａが歯科模型
１６に接触する位置にあるか否かが判定され、接触位置
にあればステップＳ２５に進み、その位置になければス
テップＳ２２に戻ってその手順が繰り返される。ステッ
プＳ２５では拘束／駆動機構６が作動して関節１５ａの
動きが拘束され、歯科模型１６に接触した感触がハンド
ピース１を持つ手に与えられる。次のステップＳ２６で
再度フートスイッチ８のオンオフが判定され、オンであ
ればステップＳ２７に進み、オンでなければステップＳ
２３に戻ってその手順が繰り返される。

【００４３】ステップＳ２７では図１３に示した構成に
よる圧力センサ７の検出信号が入力され、これに基づい
て切削スピードが演算される。そしてステップＳ２８で
は切削スピードに対応する外力が演算され、これに対応
した力で関節１５ａの動きに制動が掛けられ、ハンドピ
ースを歯科模型１６に押し付けながら切削している感触
がハンドピース１を持つ手に与えられる。更に、次のス
テップＳ２９ではステップＳ２７で求められた切削スピ
ードに応じて単位時間当たりのハンドピース１の移動量
が演算され、ハンドピースの位置とその変化量とに応じ
て歯科模型１６の画像から該当する被切削部位を消去す
る演算が行われ、ステップＳ３０でハンドピース１の画
像と被切削部位が消去された後の歯科模型１６の画像が
表示される。そしてステップＳ２４に戻って以上の手順
が繰り返されるのである。

【００４４】上述の実施例からも理解できるように、こ
の発明の装置によればハンドピース１の切削具又は接触
子１ａの先端の位置を逐次検出しているので、切削具又
は接触子１ａを被切削物の表面に満遍なく接触させるこ
とにより、被切削物の形状を測定することができる。従
って、本装置は特に構成を変えることなくそのままで３
次元形状の測定装置としても利用できるのであり、例え
ば任意の形状の歯牙模型の形状データを取り込み、その
後でこのデータに基づいて歯牙模型の画像を表示再現し
て切削動作に移るというような操作が可能となるのであ
る。

【００４５】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、この発
明は、ハンドピースの被切削物に対する相対的な位置と
向きなどを検出して逐次記憶し、記憶されたデータによ
りハンドピースの位置と向きの瞬時値や軌跡を表示した
り、ハンドピースの動きを制限したり、ハンドピースを
駆動してあらかじめ記憶手段に記憶させた動きを再現し
たりできるようにしたものである。従って、例えば切削
作業時のハンドピースの動きを指導者と受講者について
比較検討し、あるいは指導者によるハンドピースの動き
を再現するなど、種々の使い方ができるシミュレーショ
ン装置が得られ、歯科や耳鼻科等における切削技術の教
育に大きな効果が得られる。又、この装置により歯科模
型などの形状を測定することも可能となる。

【００４６】又、表示手段に被切削物の画像を表示する
場合には、コンピュータグラフィックスとの組み合わせ
が可能となり、特に、表示手段として頭部搭載型ディス
プレイを使用することにより大きな効果が得られる。こ
の場合には、熟練者の技法を画面に再現してそれを模倣
することで、最適な診療ポジション、術野の確保、治療
部位へのアクセス、治療器具の取り扱いなど、非定型で
動的な医療行為をあたかもマン・ツー・マンのような状
態でしかも臨場感のある擬似体験を通して修得すること
ができる。又実際の治療に先立ってシミュレーションを
行い、病巣や血管の位置などを確認すると共に施術中に
起こり得る種々のトラブルを事前に検討することも可能
となり、効率よく安全な施術を行うことが容易となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の基本的な構成を示す図である。

【図２】この発明の実施例の装置のブロック図である。

【図３】実施例の装置における多関節アームの斜視図で
ある。

【図４】実施例の装置における拘束／駆動機構の一例を
示す図である。

【図５】拘束／駆動機構の他の例を示す図である。

【図６】同じく拘束／駆動機構の他の例を示す図であ
る。

【図７】同じく拘束／駆動機構の他の例を示す図であ
る。

【図８】同じく拘束／駆動機構の他の例を示す図であ
る。

【図９】同じく拘束／駆動機構の他の例を示す図であ
る。

【図１０】実施例の装置における圧力センサの構成を示
す断面図である。

【図１１】実施例の制御手順のフローチャートである。

【図１２】同じく実施例の制御手順のフローチャートで
ある。

【図１３】他の実施例の装置における圧力センサの構成
を示す断面図である。

【図１４】同実施例の制御手順のフローチャートであ
る。

【符号の説明】

１ハンドピース１ａ切削具又は接触子２位置センサ４表示手段４ｂ頭部搭載型ディスプレイ５報知部６拘束／駆動機構７圧力センサ１４コンピュータ１５多関節アーム１５ａ関節１６歯科模型３１ハンドピースホルダー３２カウンターバランス４４ロータリーエンコーダ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ハンドピースを用いて行う切削治療を実
習するための医療用切削シミュレーション装置であっ
て、切削具を備えたハンドピースと、このハンドピースの被
切削物に対する相対的な位置及び向きを検出する位置検
出手段と、検出されたハンドピースの位置及び向きを逐
次記憶する記憶手段と、記憶手段に記憶されたハンドピ
ースの位置及び向きの瞬時値及び／又は軌跡を表示する
表示手段、とを備えたことを特徴とする医療用切削シミ
ュレーション装置。
【請求項２】被切削物に対するハンドピースの相対的
な位置及び向きの変化速度を逐次算出すると共に、検出
又は算出されつつある位置及び向き若しくは変化速度を
あらかじめ記憶手段に記憶させたハンドピースの位置及
び向き若しくはその変化速度と比較し、両者の差があら
かじめ設定された限界値を超えた場合に報知または表示
する報知手段を設けた請求項１記載の医療用切削シミュ
レーション装置。
【請求項３】ハンドピースを用いて行う切削治療を実
習するための医療用切削シミュレーション装置であっ
て、切削具を備えたハンドピースと、このハンドピースをそ
の位置及び向きを自由に変化できるように保持する多関
節アームと、ハンドピースの被切削物に対する相対的な
位置及び向きを検出する位置検出手段と、検出されたハ
ンドピースの位置及び向きを逐次記憶する記憶手段と、
被切削物に対するハンドピースの相対的な位置及び向き
の変化速度を逐次算出すると共に、検出又は算出されつ
つあるハンドピースの位置及び向き若しくはその変化速
度とあらかじめ記憶手段に記憶させたハンドピースの位
置及び向き若しくはその変化速度とを比較し、両者の差
があらかじめ設定された限界値を超えた場合に多関節ア
ームの動きを拘束してハンドピースの位置及び向きの変
化を制限する拘束手段、とを備えたことを特徴とする医
療用切削シミュレーション装置。
【請求項４】拘束手段が、検出又は算出されつつある
ハンドピースの位置及び向き若しくはその変化速度とあ
らかじめ記憶手段に記憶させたハンドピースの位置及び
向き若しくはその変化速度とを比較し、両者の差に応じ
て拘束力を変化させるように構成された請求項３記載の
医療用切削シミュレーション装置。
【請求項５】ハンドピースを用いて行う切削治療を実
習するための医療用切削シミュレーション装置であっ
て、切削具を備えたハンドピースと、このハンドピースをそ
の位置及び向きを自由に変化できるように保持する多関
節アームと、ハンドピースの被切削物に対する相対的な
位置及び向きを検出する位置検出手段と、検出されたハ
ンドピースの位置及び向きを逐次記憶する記憶手段と、
あらかじめ記憶手段に記憶させたハンドピースの位置及
び向き若しくはその変化速度を再現するように上記多関
節アームを駆動する駆動手段、とを備えたことを特徴と
する医療用切削シミュレーション装置。
【請求項６】位置検出手段が、ハンドピースに取り付
けられた磁気又は音波の発生源と、この発生源の位置を
測定する測定部とで構成された非接触位置検出装置であ
る請求項１乃至５のいずれかに記載の医療用切削シミュ
レーション装置。
【請求項７】位置検出手段が、ハンドピースを保持し
た多関節アームの各関節に設けられた回転角度センサと
これら回転角度センサの出力値からハンドピースの位置
及び向きを算出する演算部とで構成された位置検出装置
である請求項１乃至５のいずれかに記載の医療用切削シ
ミュレーション装置。
【請求項８】ハンドピースホルダーがその位置及び向
きを自由に変化できるように多関節アームの先端に設け
られ、このハンドピースホルダーでハンドピースが保持
されると共に、多関節アームにはハンドピースホルダー
までの重量を実質的に打ち消すためのバランス手段が備
えられている請求項１乃至５のいずれかに記載の医療用
切削シミュレーション装置。
【請求項９】被切削物が歯牙模型、顎模型、咬合模型
等の歯科模型である請求項１乃至５のいずれかに記載の
医療用切削シミュレーション装置。
【請求項１０】歯科模型の形状データがあらかじめ記
憶手段に記憶されており、歯科模型が２次元若しくは３
次元の画像として表示手段に表示されるように構成され
た請求項９記載の医療用切削シミュレーション装置。
【請求項１１】表示手段が頭部搭載型ディスプレイで
ある請求項１０記載の医療用切削シミュレーション装
置。
【請求項１２】ハンドピースが所定の切削位置に来た
場合に、ハンドピースの動きに対応して表示手段に表示
された歯科模型の画像から被切削部位が消去されるよう
に構成された請求項１０又は１１記載の医療用切削シミ
ュレーション装置。
【請求項１３】ハンドピースを用いて行う切削治療を
実習するための医療用切削シミュレーション装置であっ
て、切削具又は切削具と同一形状の接触子を備えたハンドピ
ースと、このハンドピースをその位置及び向きを自由に
変化できるように保持する多関節アームと、ハンドピー
スの基準点に対する絶対的な位置及び向きを検出する位
置検出手段と、ハンドピースに加わる外力を検出する外
力検出手段と、検出されたハンドピースの位置及び向き
並びに外力を逐次記憶すると共に被切削物の形状データ
を記憶する記憶手段と、この記憶手段に記憶された被切
削物の形状を２次元若しくは３次元の画像として表示す
る表示手段と、ハンドピースの位置及び向き並びに外力
の変化速度を逐次算出すると共に、検出又は算出されつ
つあるハンドピースの位置及び向き並びに外力若しくは
これらの変化速度とあらかじめ記憶手段に記憶させたハ
ンドピースの位置及び向き並びに外力若しくはこれらの
変化速度とを比較し、両者の差があらかじめ設定された
限界値を超えた場合に多関節アームの動きを拘束してハ
ンドピースの位置及び向きの変化を制限する拘束手段、
とを備えたことを特徴とする医療用切削シミュレーショ
ン装置。
【請求項１４】拘束手段が、検出又は算出されつつあ
るハンドピースの位置及び向き若しくはその変化速度と
あらかじめ記憶手段に記憶させたハンドピースの位置及
び向き並びに外力若しくはこれらの変化速度とを比較
し、両者の差に応じて拘束力を変化させるように構成さ
れた請求項１３記載の医療用切削シミュレーション装
置。
【請求項１５】あらかじめ記憶手段に記憶させたハン
ドピースの位置及び向き若しくはその変化速度を再現す
るように多関節アームを駆動する駆動手段を設けた請求
項１３記載の医療用切削シミュレーション装置。
【請求項１６】位置検出手段が、ハンドピースに取り
付けられた磁気又は音波の発生源と、この発生源の位置
を測定する測定部とで構成された非接触位置検出装置で
ある請求項１３乃至１５のいずれかに記載の医療用切削
シミュレーション装置。
【請求項１７】位置検出手段が、多関節アームの各関
節に設けられた回転角度センサとこれら回転角度センサ
の出力値からハンドピースの位置及び向きを算出する演
算部とで構成された位置検出装置である請求項１３乃至
１５のいずれかに記載の医療用切削シミュレーション装
置。
【請求項１８】ハンドピースホルダーがその位置及び
向きを自由に変化できるように多関節アームの先端に設
けられ、このハンドピースホルダーでハンドピースが保
持されると共に、多関節アームにはハンドピースホルダ
ーまでの重量を実質的に打ち消すためのバランス手段が
備えられている請求項１３乃至１５のいずれかに記載の
医療用切削シミュレーション装置。
【請求項１９】表示手段に表示される被切削物が歯牙
模型、顎模型、咬合模型等の歯科模型である請求項１３
乃至１５のいずれかに記載の医療用切削シミュレーショ
ン装置。
【請求項２０】表示手段が頭部搭載型ディスプレイで
ある請求項１９記載の医療用切削シミュレーション装
置。
【請求項２１】ハンドピースが所定の切削位置に来た
場合に、ハンドピースの動きに対応して表示手段に表示
された歯科模型の画像から被切削部位が消去されるよう
に構成された請求項１９又は２０記載の医療用切削シミ
ュレーション装置。
【請求項２２】ハンドピースを用いて行う切削治療を
実習するための医療用切削シミュレーション装置であっ
て、接触子を備えたハンドピースと、接触子の先端が被切削
物に接触した時の被切削物に対する接触子先端の相対的
な位置を検出する位置検出手段と、検出された接触子先
端の位置を逐次記憶する記憶手段と、記憶手段に記憶さ
れた接触子先端の位置の瞬時値及び／又は軌跡を表示す
る表示手段、とを備えたことを特徴とする医療用切削シ
ミュレーション装置。