JPH07328015A - 手術用マニピュレータシステム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】体腔内にいるような臨場感の中で処置が可能と
なるため開腹術の感覚で内視鏡下手術が可能な手術用マ
ニピュレータシステムを提供することにある。 【構成】術者が操作できる領域内に設定されたマスタマ
ニピュレータ９と、術野にアクセスするように設定され
た前記マスタマニピュレータ９の操作に追従した動きを
行う処置用マニピュレータ５と、この処置用マニピュレ
ータ５に固定され、体腔内に挿入する処置具４と、術者
の頭部に固定されたヘッドマウントディスプレイ１２
と、術者の頭部に固定された３次元ディジタイザ１１
と、この３次元ディジタイザ１１の動きに追従した動き
を行う観察用マニピュレータ７と、この観察用マニピュ
レータ７に固定され、前記ヘッドマウントディスプレイ
１２にその画像を表示する内視鏡６とを具備したことを
特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、腹壁等の体壁に挿入
孔を開け、この挿入孔を通じて内視鏡や処置具を経皮的
に体腔内に挿入することにより処置を行なう内視鏡下手
術に用いられる手術用マニピュレータシステムに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、腹壁等の体壁に挿入孔を開け、こ
の挿入孔を通じて内視鏡や処置具を経皮的に体腔内に挿
入することにより体腔内で様々な処置を行なう内視鏡下
手術が行なわれている。こうした術式は大きな切開を要
しない低侵襲なものとして胆のう摘出手術や肺の一部を
摘出除去する手術等で広く行なわれている。

【０００３】また、内視鏡や処置具を搭載し、遠隔操作
により内視鏡や処置具を作動し、手術を術者に代わって
行なう手術用マニピュレータが、例えば米国特許第５２
１７００３号明細書で知られている。こうした手術用マ
ニピュレータは、通常、内視鏡や処置具を備える挿入部
が多関節構造となっており、各関節部をアクチュエータ
により動作させることで、体腔内における目的部位に対
するアプローチを容易ならしめている。

【０００４】また、内視鏡や処置具を搭載した手術用マ
ニピュレータが体腔内に挿入部を挿入し、体腔内におけ
る目的部位に動作させる際に、挿入部が体壁の挿入孔を
通るように機械的に支持された構造は、特願平５−２８
５２０６号に開示されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、前述した内
視鏡下手術にあっては、体壁に開けた挿入孔から体腔内
に挿入される内視鏡や処置具が体腔内の極力広い範囲で
動作できることが望まれる。しかしながら、術者が片手
で操作できる内視鏡や処置具は自由度の少ない直線形状
のものであり、内視鏡や処置具が目的の位置に届いたと
しても所望のオリエンテーションで処置または観察を行
なうことが困難であった。

【０００６】例えば、縫合の際に処置具で針を持って臓
器等に針をかけようとする場合に、縫合線に対し直角に
針をかけるのが望ましいが、処置具の自由度不足が原因
で困難な場合があった。

【０００７】こうした問題は、自由度の大きい多関節構
造の挿入部を備えた前述の手術用マニピュレータを用い
ることで解消されるが、この場合、目的の位置でかつ所
望のオリエンテーションで作業を行なうために多関節構
造の挿入部を動作させると、関節部が目的とする以外の
臓器に接触して無理な力を与える可能性があった。

【０００８】また、特願平５−２８５２０６号において
も、機械的に挿入部が挿入孔に通るよう調整できるた
め、患者が動かない限りにおいては、挿入孔に無理な力
が働くことはないが、患者が動いてしまった場合には、
挿入部が挿入孔に対して、無理な力を与える可能性があ
った。

【０００９】この発明は、前記事情に着目してなされた
もので、その目的とするところは、体腔内にいるような
臨場感の中で処置が可能となるため開腹術の感覚で内視
鏡下手術が可能な手術用マニピュレータシステムを提供
することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】この発明は、前記目的を
達成するために、術者が操作できる領域内に設定された
マスタマニピュレータと、術野にアクセスするように設
定された前記マスタマニピュレータの操作に追従した動
きを行う第１のスレーブマニピュレータと、前記第１の
スレーブマニピュレータに固定され、体腔内に挿入する
手術器具と、術者の頭部に固定された表示装置と、術者
の頭部または前記表示装置に固定されたセンサと、前記
センサの動きに追従した動きを行う第２のスレーブマニ
ピュレータと、前記第２のスレーブマニピュレータに固
定され、前記表示装置にその画像を表示する内視鏡とを
具備したことを特徴とする。

【００１１】

【作用】術者がマスタマニピュレータの操作を行うと、
これに追従して第１のスレーブマニピュレータが動作
し、体腔内に挿入された手術器具を操作することがで
き、術者の頭部に表示装置およびセンサが固定されてい
るため、術者が頭部を動かすと、前記センサの動きに追
従して第２のスレーブマニピュレータが動作し、この第
２のスレーブマニピュレータに固定された内視鏡が術野
の画像を前記表示装置に表示し、術者は表示装置に表示
された画像を観察しながら手術器具で処置ができる。

【００１２】

【実施例】以下、この発明の各実施例を図面に基づいて
説明する。図１〜図４は第１の実施例を示し、図１は全
体構成図である。図１において、１は手術台であり、２
は患者である。手術台１の両側壁にはベッドサイドレー
ル３が設けられ、このベッドサイドレール３の左側には
手術器具（以下、処置具４という）を固定した第１のス
レーブマニピュレータ（以下、処置用マニピュレータ５
という）が、右側には立体的に観察できる内視鏡６を固
定した第２のスレーブマニピュレータ（以下、観察用マ
ニピュレータ７という）が取付けられている。

【００１３】処置用マニピュレータ５および観察用マニ
ピュレータ７は、支持機構としていずれも垂直方向およ
び旋回動作する第１の動作軸５ａ，７ａと、この第１の
動作軸５ａ，７ａに設けられ水平方向に動作する第２の
動作軸５ｂ，７ｂおよび第２の動作軸５ｂ，７ｂの先端
部に設けられた関節部としての結合部５ｃ，７ｃとから
構成されている。さらに、処置用マニピュレータ５は処
置用のマニピュレータ制御装置８を介して術者が操作で
きる領域内に設置されたマスタマニピュレータ９に接続
されている。

【００１４】また、観察用マニピュレータ７は観察用の
マニピュレータ制御装置１０を介して位置検出センサと
しての３次元ディジタイザ１１に接続され、この３次元
ディジタイザ１１は術者の頭部に固定される表示装置と
してのヘッドマウントディスプレイ１２に固定されてい
る。なお、３次元ディジタイザ１１は術者の頭部に直接
固定してもよく、マスタマニピュレータ９、３次元ディ
ジタイザ１１に代ってジョイスティックやキースイッチ
にしてもよい。

【００１５】前記処置用マニピュレータ５および観察用
マニピュレータ７の第１の動作軸５ａ，７ａと第２の動
作軸５ｂ，７ｂは、例えば電磁モータ等のアクチュエー
タ（図示しない）によって、上下ａ、旋回ｂ、水平ｃの
動作軸からなるいわゆる円筒座標形マニピュレータの駆
動構造を有しているが、複数の関節部からなるいわゆる
多関節形マニピュレータの構造でも構わない。

【００１６】前記内視鏡６の挿入部６ａの先端部には観
察手段としてＣＣＤカメラ１３が設けられている。この
ＣＣＤカメラ１３によって得られた画像はヘッドマウン
トディスプレイ１２によって観察できるようになってい
るが、ＴＶモニターでも構わない。さらに、ＣＣＤカメ
ラ１３に代って挿入部６ａにリレーレンズ等の光学系画
像伝達手段を有し、挿入部６ａの基端部にカメラを装着
したもの、さらには、前記光学系画像伝達手段を２系統
有し、挿入部６ａの基端部に２台のカメラを装着して立
体観察を可能とするものでもよい。

【００１７】また、前記処置具４の挿入部４ａの先端部
には処置手段としての把持鉗子１４が設けられている
が、メス、縫合器等であってもよい。また、挿入部５ａ
の基端部には把持鉗子１４の主として開閉動作を行うア
クチュエータ（図示しない）が設けられている。

【００１８】前記結合部５ｃ，７ｃは同一構造であり、
観察用マニピュレータ７の結合部７ｃについて説明する
と、図２に示すように構成されている。すなわち、第２
の動作軸７ｂの支持アーム先端部１５には嵌合穴１６が
同心的に穿設され、この嵌合穴１６には軸受１７を介し
て軸部１８が回転自在に支持されている。軸部１８には
二股状の軸受支持部１９が一体に設けられ、この軸受支
持部１９には前記軸受１７と直角方向に軸受２０が設け
られている。そして、この軸受２０には関節軸としての
挿入部取付部２１が回転自在に支持されている。したが
って、挿入部取付部２１は挿入部中心線と交わる点ｄで
２自由度の回転自在に構成されている。挿入部取付部２
１の軸心部には取付け孔２２が設けられ、この取付け孔
２２には前記内視鏡６の挿入部６ａが挿入され、ナット
（図示しない）によって固定されるようになっている。

【００１９】次に、手術用マニピュレータシステムの作
用について説明する。図３および図４に示すように、第
１の動作軸５ａ，７ａと第２の動作軸５ｂ，７ｂとの結
合部５ｃ，７ｃの結合部下端３６の位置は、前記上下
ａ、旋回ｂ、水平ｃの各動作位置と第２の動作軸５ｂ，
７ｂの幾何学的な寸法により、マニピュレータ制御装置
８，１０で既知となっている。

【００２０】図３（ａ）に示すように処置具４および内
視鏡６の挿入部４ａ，６ａを装着しない状態にて体表面
に設けた挿入孔２ａに前記結合部下端３６を動作させて
位置合わせを行う（図４のステップＳ１）。前記位置合
わせにより、結合部下端３６の位置と、挿入孔２ａの位
置は一致するため、このときの結合部下端３６を挿入孔
２ａの位置として認識し、前記マニピュレータ制御装置
８，１０のメモリに記憶する（図４のステップＳ２）。

【００２１】さらに、結合部下端３６を挿入孔２ａより
離すよう動作させ（図４のステップＳ３）、図３（ｂ）
に示すように、挿入部４ａ，６ａを結合部５ｃ，７ｃの
取付け孔２２に挿入し、さらに挿入孔２ａに挿入する
（図４のステップＳ４）。この際、図３（ｃ）に示すよ
うに、挿入部４ａ，６ａは取付け孔２２に対してナット
で固定する。

【００２２】内視鏡６の挿入部６ａの先端にある対物レ
ンズの焦点等の作用点３７ａの位置または処置具４の挿
入部４ａの先端にある把持鉗子１４等の作用点３７ｂ
は、第１の動作軸５ａ，７ａおよび第２の動作軸５ｂ，
７ｂの位置と、挿入孔２ａの位置と寸法および作用点３
７ａ，３７ｂまでの寸法とにより、幾何学的に求められ
る（図４のステップＳ５）。これをマニピュレータ制御
装置８，１０で演算する。

【００２３】一方、前記マスタマニピュレータ９の作用
点９ａ、例えばヘッドマウントディスプレィ１２の３次
元ディジタイザ１１の中心１１ａまたはマスタマニピュ
レータ９の操作部先端９ｂの位置は、マニピュレータ制
御装置８により演算により求められ、マスタマニピュレ
ータ９の作用点９ａの位置に、挿入部４ａ，６ａの作用
点３７ａ，３７ｂの位置が一致するように動作する（図
４のステップＳ６）。

【００２４】挿入部４ａ，６ａと第２の動作軸５ｂ，７
ｂが、２自由度の回転自在な結合部５ｃ，７ｃにより結
合されているため、患者が動き、挿入孔２ａの位置がず
れても、挿入孔２ａに無理な力を及ぼすことがない。

【００２５】また、固定された挿入孔２ａを通り、体腔
内において、挿入部４ａ，６ａの作用点３７ａ，３７ｂ
が、任意の位置に位置決めするためには、少くとも５自
由度の動作手段が必要であったが、この実施例によれば
３自由度の動作手段により可能となるため、構造が簡単
で済む。さらに、円筒座標形マニピュレータのため、第
２の動作軸５ｂ，７ｂの後端がベッドサイズより水平方
向に突出する部分の長さが小さくて済み、同時に、第１
の動作軸５ａ，７ａの動きに拠らないためベッドサイド
の周囲にいる術者やナースの邪魔にならない。

【００２６】図５は第２の実施例を示し、結合部５ｃ，
７ｃの変形例である。支持アーム先端部１５には点ｅを
中心として３方向に回転自在な自由度を有する球面軸受
２３が設けられ、この球面軸受２３には取付け孔２４を
有する挿入部取付部２５が設けられている。そして、第
１の実施例と同様に、取付け孔２４には前記処置具４ま
たは内視鏡６の挿入部４ａ，６ａが挿入され、ナット
（図示しない）によって固定されるようになっている。

【００２７】図６は第３の実施例を示し、結合部５ｃ，
７ｃの変形例である。支持アーム先端部１５には軸方向
と直交する方向に軸受支持穴２６が設けられ、この軸受
支持穴２６には軸受２７を介して軸部２８が回転自在に
支持されている。

【００２８】一方、取付け孔２９を有する挿入部取付け
部３０には嵌合穴３１が穿設され、この嵌合穴３１には
軸受３２を介して前記軸部２８の先端部が回転自在に支
持されている。そして、第１軸３３と第２軸３４とは直
交し、第２軸３４と挿入部中心軸３５とは直交するが、
第１軸３３と挿入部中心軸３５とは交わらない構造であ
る。この実施例においても、第１の実施例と同様に、取
付け孔２９には前記挿入部４ａまたは６ａが挿入され、
ナット（図示しない）によって固定されるようになって
いる。

【００２９】第３の実施例に示す結合構造によると、第
１軸３３と挿入部中心軸３５の距離Ｌが離れているた
め、第１軸３３が回転した場合に、挿入部４ａ，６ａと
第２の動作軸５ｂ，７ｂの先端部が干渉しにくく、第１
軸３３の回転範囲が大きく取れ、ひいては、挿入部４
ａ，６ａの先端の作用点が広い範囲で移動可能となる。
ヘッドマウントディスプレィ１２に表示される立体画像
を見ながら、頭の位置を動かすと、その動作に追従して
立体的に観察可能な内視鏡６の観察位置（術野）が動作
するため、術者はあたかも体腔内にいるような臨場感が
得られる。さらにヘッドマウントディスプレィ１２に表
示される立体画像を見ながらマスタマニピュレータ９を
操作し、観察用マニピュレータ７の動作を行うと、体腔
内にいるような臨場感の中で処置が可能となるため開腹
術の感覚で内視鏡下手術が可能となる。

【００３０】図７および図８は第４の実施例を示し、患
者の体表面の挿入孔に無理な力を及ぼすことなく、体腔
内における任意の位置及び方向から観察または処置を行
うことができる手術用マニピュレータシステムであり、
第１の実施例と同一構成部分は同一番号を付して説明を
省略する。

【００３１】処置具４および内視鏡６の挿入部４ａ，６
ａの先端部には湾曲部４０が設けられている。湾曲部４
０は２自由度の湾曲動作機構を有し、挿入部４ａ，６ａ
の基端部に設けられたアクチュエータ４１で駆動され
る。アクチュエータ４１の動力伝達手段としてワイヤが
用いられている。挿入部４ａ，６ａは、この中心軸回り
に回転する動作軸４２を有しており、アクチュエータ４
１により駆動され、平歯車またはタイミングベルト等の
駆動伝達手段４３により動力が伝達され回転する構造と
なっている。

【００３２】挿入部４ａ，６ａと第２の動作軸５ｂ，７
ｂが、２自由度の回転自在な結合部５ｃ，７ｃにより結
合されているため、患者２が動き、挿入孔２ａの位置が
ずれても、挿入孔２ａに無理な力を及ぼすことがない。

【００３３】また、固定された挿入孔２ａを通り、体腔
内において、挿入部４ａ，６ａの作用点３７ａ，３７ｂ
が、任意の位置及び姿勢を取るように位置決めするため
には、少くとも８自由度の動作手段が必要であったが、
この実施例によれば６自由度の動作手段により可能とな
るため、構造が簡単で済む。

【００３４】さらに、円筒座標形マニピュレータのた
め、第２の動作軸５ｂ，７ｂの後端がベッドサイズより
水平方向に突出する部分の長さが小さくて済み、同時
に、第１の動作軸５ａ，７ａの動きに拠らないためベッ
ドサイドの周囲にいる術者やナースの邪魔にならない。

【００３５】前述した実施態様によれば、次のような構
成が得られる。 （１）術者が操作できる領域内に設定されたマスタマニ
ピュレータと、術野にアクセスするように設定された前
記マスタマニピュレータの操作に追従した動きを行う第
１のスレーブマニピュレータと、前記第１のスレーブマ
ニピュレータに固定され、体腔内に挿入する手術器具
と、術者の頭部に固定された表示装置と、術者の頭部ま
たは前記表示装置に固定されたセンサと、前記センサの
動きに追従した動きを行う第２のスレーブマニピュレー
タと、前記第２のスレーブマニピュレータに固定され、
前記表示装置にその画像を表示する内視鏡とを具備した
ことを特徴とする手術用マニピュレータシステム。

【００３６】（２）術者が操作できる領域内に設定され
たマスタマニピュレータと、術野にアクセスするように
設定された前記マスタマニピュレータの操作に追従した
動きを行うスレーブマニピュレータと、前記スレーブマ
ニピュレータに固定され、体腔内に挿入する手術器具と
を具備したことを特徴とする手術用マニピュレータシス
テム。

【００３７】（３）スレーブマニピュレータと、前記ス
レーブマニピュレータに固定され、体腔内に挿入する内
視鏡と、観察者の頭部に固定され前記内視鏡によって得
られた画像を表示する表示装置と、観察者の頭部または
前記表示装置に固定されたセンサと、前記センサの動き
に追従して前記スレーブマニピュレータを制御するマニ
ピュレータ制御装置とを具備したことを特徴とする観察
用マニピュレータシステム。

【００３８】（４）前記第１のスレーブマニピュレータ
は、垂直、旋回および水平方向に動作する動作軸を有す
る処置用マニピュレータであることを特徴とする（１）
記載の手術用マニピュレータシステム。

【００３９】（５）前記第２のスレーブマニピュレータ
は、垂直、旋回および水平方向に動作する動作軸を有す
る観察用マニピュレータであることを特徴とする（１）
記載の手術用マニピュレータシステム。

【００４０】（６）前記手術器具は、挿入部の先端部に
把持鉗子、メスまたは縫合具等の処置部を有する処置具
であることを特徴とする（１）または（２）記載の手術
用マニピュレータシステム。

【００４１】（７）前記内視鏡は、術野を立体的に観察
できる立体内視鏡であることを特徴とする（１）記載の
手術用マニピュレータシステム。 （８）前記表示装置は、ヘッドマウントディスプレィで
あることを特徴とする（１）記載の手術用マニピュレー
タシステム。

【００４２】（９）前記センサは、３次元ディジタイザ
であることを特徴とする（１）記載の手術用マニピュレ
ータシステム。前記（１）によれば、術者がマスタマニ
ピュレータの操作を行うと、これに追従して第１のスレ
ーブマニピュレータが動作し、体腔内に挿入された手術
器具を操作することができ、また術者の頭部に表示装置
およびセンサが固定されているため、術者が頭部を動か
すと、前記センサの動きに追従して第２のスレーブマニ
ピュレータが動作し、この第２のスレーブマニピュレー
タに固定された内視鏡が術野の画像を前記表示装置に表
示し、術者は表示装置に表示された画像を観察しながら
手術器具で処置ができる。したがって、体腔内にいるよ
うな臨場感の中で処置が可能となるため開腹術の感覚で
内視鏡下手術が可能となる。

【００４３】（１０）体表面に設けた挿入孔より体腔内
に挿入する挿入部と、この挿入部の先端部に設けられ観
察および処置の少なくとも一方を有する手段と、体外に
設けられた前記挿入部の支持機構と、この支持機構を動
作する駆動手段と、前記挿入部の支持機構への取付部に
おいて回転自在な少くとも１つの自由度を有する関節部
と、前記駆動手段を制御する制御手段と、前記支持機構
を操作する操作手段とを具備したことを特徴とする手術
用マニピュレータシステム。

【００４４】（１１）前記取付部の回転自在な自由度
を、挿入部の長手方向と平行とならないベクトル回りに
設けた（１０）記載の手術用マニピュレータシステム。 （１２）前記支持機構は、垂直方向、旋回、水平方向に
動作自在な動作軸を有する（１０）記載の手術用マニピ
ュレータシステム。

【００４５】（１３）前記挿入部は、その挿入部の先端
に設けた湾曲部と、挿入部の基端部に設けられ前記湾曲
部を動作させる動作手段とを有する（１０）記載の手術
用マニピュレータシステム。

【００４６】（１４）体表面に設けた挿入孔より体腔内
に挿入部を挿入する第１のステップと、前記挿入孔の位
置を求め、記憶する第２のステップと、前記挿入孔の位
置と動作軸の位置より挿入部の位置及び／または姿勢を
求める第３のステップと、操作手段から得た位置情報を
もとに前記挿入部の位置及び／または姿勢を動作させる
第４のステップを有することを特徴とする手術用マニピ
ュレータシステム。

【００４７】（１５）前記支持機構は、前記挿入部の取
付部において回転自在な少くとも１つの関節軸を有し、
いずれの関節軸の軸中心も挿入部の中心とが１点で交わ
る（１０）記載の手術用マニピュレータシステム。

【００４８】（１６）前記支持機構は、前記挿入部の取
付部において回転自在な少くとも１つの関節軸を有し、
そのうち少くとも１つの関節軸が、挿入部の中心と交わ
らない（１０）記載の手術用マニピュレータシステム。

【００４９】前記（１０）の構成によれば、体表面の挿
入孔に無理な力を及ぼすことなく、内視鏡、処置具等の
挿入部の先端部が体腔内における任意の位置及び／また
は姿勢を取りながら、観察及び／または処置を行うこと
が可能となる。したがって、体腔内で観察および処置を
行なうのに十分な自由度を有するとともに、それらの作
業中に目的以外の臓器に接触して無理な力を与えること
のないという効果を奏する。

【００５０】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、術者がマスタマニピュレータの操作を行うと、これ
に追従して第１のスレーブマニピュレータが動作し、体
腔内に挿入された手術器具を操作することができ、また
術者の頭部に表示装置およびセンサが固定されているた
め、術者が頭部を動かすと、前記センサの動きに追従し
て第２のスレーブマニピュレータが動作し、この第２の
スレーブマニピュレータに固定された内視鏡が術野の画
像を前記表示装置に表示し、術者は表示装置に表示され
た画像を観察しながら手術器具で処置ができる。したが
って、体腔内にいるような臨場感の中で処置が可能とな
るため開腹術の感覚で内視鏡下手術が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１の実施例を示す手術用マニピュ
レータシステムの全体の構成図。

【図２】同実施例の結合部の構造を示す横断平面図。

【図３】同実施例の作用説明図。

【図４】同実施例の動作手順を示すフローチャート。

【図５】この発明の第２の実施例を示す結合部の構造を
示す縦断正面図。

【図６】この発明の第３の実施例を示す結合部の構造を
示す横断平面図。

【図７】この発明の第４の実施例を示す手術用マニピュ
レータシステムの全体の構成図。

【図８】同実施例の作用説明図。

【符号の説明】

１…手術台、２…患者、４…処置具、５…処置用マニピ
ュレータ、６…内視鏡、７…観察用マニピュレータ、
８，１０…マニピュレータ操作装置、９…マスタマニピ
ュレータ、１１…３次元ディジタイザ、１２…ヘッドマ
ウントディスプレイ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 術者が操作できる領域内に設定されたマ
   スタマニピュレータと、術野にアクセスするように設定
   された前記マスタマニピュレータの操作に追従した動き
   を行う第１のスレーブマニピュレータと、前記第１のス
   レーブマニピュレータに固定され、体腔内に挿入する手
   術器具と、術者の頭部に固定された表示装置と、術者の
   頭部または前記表示装置に固定されたセンサと、前記セ
   ンサの動きに追従した動きを行う第２のスレーブマニピ
   ュレータと、前記第２のスレーブマニピュレータに固定
   され、前記表示装置にその画像を表示する内視鏡とを具
   備したことを特徴とする手術用マニピュレータシステ
   ム。