JPH08215211A - 遠隔手術支援装置とその方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 複数の術者が多くの自由度を必要とするよう
な手術作業を行うことのできるマスタ・スレーブ型の遠
隔手術支援装置を提供する。 【構成】 作業環境情報検出手段104及び計測情報処理
手段118からの画像情報や力覚・近接覚情報から臨場感
制御情報を臨場感制御情報生成手段101で生成して術者
へ提示する。術者はこの提示を見ながら動作指令入力手
段114を用いて動作入力を行い、これにしたがって患部
組織操作手段102で患部125への作業が実行される。動作
指令入力手段114へは操作指令入力手段103より各術者の
操作力と患部125からの反力が合成・提示される。 【効果】 複数の術者が臨場感制御情報を参照し、又術
者の操作力や患部からの反力を感じ取りながら作業が行
える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、遠隔手術支援装置及び
その方法に係り、とくに１人以上の術者が自由度の高い
マニピュレータによって術具または治療器を遠隔操縦し
て脳・神経系・眼球等の外科的治療を行うことを支援す
るのに適した遠隔手術支援装置及びその方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、術者が視覚的に再構成された計測
機器のデータを参照しながら脳神経等の手術を行う装置
としては、例えば特開平4-53533号に示されているよう
に、術者がMRIの画像を参照しながらカテーテルの位置
決めと挿入を指示すると、位置決め機構が計算機により
自動制御される磁気共鳴モニタリング治療装置がある。
また、脳手術作業用の装置としては、特開平3-121064号
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4-53533号に記載の公知例は、主にカテーテルで
の治療を想定しており、微細血管や神経に癒着した腫瘍
の除去など高度かつ複雑な作業スキルによる患部の直接
操作を要するような手術を行うことは難しい。また静磁
場中で操作を行うからアクチュエータに超音波モータ
(圧電素子)を用いている。このため柔らかい組織を扱う
作業を可能にするためのコンプライアンスを与えにく
い。またモダリティが磁気共鳴のみであるため、開頭な
どを行った場合の頭蓋骨の形状の変化が捉えにくいこと
や、計測内容が形状のみであり機能計測を行っていない
こと、計測および表示内容が二次元断層画像でありあま
り直観的でないなど、情報支援の形態としてやや不完全
である。

【０００４】また、上記従来技術のうち、特開平3-1210
64号に記載の公知例は、定位脳手術用であり穿刺のみを
行うことができる。しかし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持つ機構を複数必要とす
るものも存在し、このような場合には対応できない。ま
た、この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。

【０００５】また、特開平4-146097号に記載の公知例
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。

【０００６】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講演論文集に記載の公知例では、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。

【０００７】また、以上の公知例においては、いずれも
マスタマニピュレータとスレーブマニピュレータがあく
までも一対一の対応であり、１つのマスタマニピュレー
タで複数のスレーブマニピュレータを操ることによる作
業の高度化・操作の簡単化、および複数のマスタマニピ
ュレータで１つのスレーブマニピュレータを操ることに
よるトレーニング機能などが欠けている。

【０００８】また、以上の公知例では、いずれも術者が
１人であることを暗黙のうちに仮定しており、複数の術
者による共同手術作業機能や、多数のマスタマニピュレ
ータで１つのスレーブマニピュレータを操ることによる
トレーニング機能などが欠けている。

【０００９】さらに、以上の公知例では、術前・術中に
かかわらず、得られた情報はあくまでも術者のためのも
のでしかなかった。また対象が実際の疑似生体組織であ
るか計算機内のモデルであるかにかかわらず、手術のシ
ミュレーションを行う機能がなく、その結果を役立てる
こともなかった。

【００１０】本発明の一つの目的は、１人以上の術者が
視覚的に再構成された各種計測機器のデータを参照しな
がら、自由度の高いマニピュレータによって術具または
治療器を遠隔操縦することで脳・神経系・眼球等の外科
的治療を行うことを支援する遠隔手術支援装置及びその
方法を提供することである。

【００１１】本発明の他の目的は、狭隘空間内で手先に
多くの自由度かつ複数の協調を必要とするような手術作
業を行うことのできるマスタ・スレーブ型の遠隔手術支
援装置及びその方法を提供することである。

【００１２】本発明の他の目的は、複数の術者が協調し
ながら手術作業を行うことのできるマルチマスタ・マル
チスレーブ型の遠隔手術支援装置及びその方法を提供す
ることである。

【００１３】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
低下を補う遠隔手術支援装置及びその方法を提供するこ
とである。

【００１４】本発明の他の目的は、患者と術者の間の血
液感染を防ぐ遠隔手術支援装置及びその方法を提供する
ことである。

【００１５】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手術支援
装置及びその方法を提供することである。

【００１６】本発明の他の目的は、術者の間で作業スキ
ルの伝達を行うことのできる遠隔手術支援装置を提供す
ることである。

【００１７】本発明の他の目的は、手術トレーニング・
手術シミュレーションからそれらの結果を利用した患者
へのインフォームド・コンセント、そして手術までを一
貫して行える遠隔手術支援装置を提供することである。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明は、１人以上の術
者が術具または治療器を遠隔操作することによって手術
作業を支援するための遠隔手術支援装置において、上記
術具または治療器とその駆動機構とから成るところの患
部組織操作手段と、術前および術中において患部とその
周辺に変動磁場・電磁波・超音波のうちの1種類以上を
周期的に印加し、透過あるいは共鳴信号を計測すること
により生体内部情報を計測するための生体内部情報計測
手段と、該手段により計測された生体内部情報から三次
元の計測情報画像を生成するための計測情報処理手段
と、患部の画像情報を取り込み、また上記患部組織操作
手段の患部への接近状態及び接触力を検出するための作
業環境情報検出手段と、該手段の出力と上記計測情報処
理手段の出力とを合成加工して臨場感制御情報として各
術者に提示するための臨場感制御情報生成手段と、該手
段により提示された臨場感制御情報に基づいて各術者が
起こした動作を入力するための動作指令入力手段と、該
手段の出力した動作指令を操作指令情報へと変換しこれ
を上記患部組織操作手段へと伝えるとともに、上記作業
環境情報検出手段により検出された接触力を上記患部組
織操作手段へ伝えるための操作指令生成手段と、から成
ることを特徴とする遠隔手術支援装置を開示する。

【００１９】また、本発明は、前記患部組織操作手段の
術具または治療器の位置決めのための機構は、変動磁場
に対して感度の低い材料および動作原理で構成されて成
ることを特徴とする遠隔手術支援装置を開示する。

【００２０】また、本発明は、前記臨場感制御情報生成
手段が生成する臨場感制御情報は、前記作業環境情報検
出手段が取り込んだ画像情報および前記計測情報処理手
段により生成された計測情報画像と合成して術者に提示
するための仮想画像と、術者に音響情報として提示する
ための仮想音場と、前記操作指令生成手段において前記
接触力と合成して術者に提示するための仮想反力情報
と、の内の少なくとも１つを含むことを特徴とする遠隔
手術支援装置を開示する。

【００２１】また、本発明は、操作指令生成手段は、前
記作業環境情報検出手段により検出された力覚情報と前
記臨場感制御情報生成手段により生成された仮想反力と
を合成した合成反力を前記動作指令入力手段を介して各
術者に伝えることを特徴とする遠隔手術支援装置を開示
する。

【００２２】また、本発明は、前記患部組織操作手段
は、前記術具または治療器を介して操作指令を入力とし
て患部に対する位置決めを行い、運動エネルギ、光エネ
ルギ、電気エネルギ、熱エネルギのうちの少なくとも１
つのエネルギを発生または伝達することにより患部組織
の変形、破壊、または変性を行うものであることを特徴
とする遠隔手術支援装置を開示する。

【００２３】また、本発明は、前記臨場感制御情報生成
手段により生成された臨場感制御情報および前記計測情
報処理手段により生成された計測情報画像の一方または
双方を記憶するための記憶手段を設け、該手段に記憶さ
れた情報を用いて仮想的に手術作業を行うことにより術
者の訓練を行う機能を付加し、または上記記憶手段に記
憶された情報を患者に提示して病状の説明を行う機能を
付加したことを特徴とする遠隔手術支援装置を開示す
る。

【００２４】また、本発明は、前記記憶手段に前記臨場
感制御情報および計測情報画像の一方または双方を生成
するモデルを記憶させ、このモデルを用いて術者の訓練
を行う機能を付加し、または上記記憶手段に記憶された
情報を患者に提示して病状の説明を行う機能を付加した
ことを特徴とする遠隔手術支援装置を開示する。

【００２５】また、本発明は、１人以上の術者がマスタ
マニピュレータを操作することにより、術者または治療
器を具備したスレーブマニピュレータを駆動して患部に
対する手術作業を行うための遠隔手術支援方法におい
て、各術者ごとのマスタマニピュレータから出力される
動作指令を予め定めた重み付け係数を乗じて加算した合
成指令により１つのスレーブマニピュレータを駆動する
ことを特徴とする遠隔手術支援方法を開示する。

【００２６】

【作用】本発明によれば、１人以上の術者が視覚的に再
構成された各種計測機器のデータを参照しながら自由度
の高いマニピュレータによって術具または治療器を遠隔
操縦することで、脳・神経系・眼球等の外科的治療を行
うことを支援する遠隔手術支援システムおよび方法を実
現することができる。

【００２７】また、本発明によれば、狭隘空間内で手先
に多くの自由度かつ複数の協調を必要とするような手術
作業を行うことのできるマスタ・スレーブ型の遠隔手術
支援装置を実現することができる。

【００２８】また、本発明によれば、複数の術者が協調
しながら手術作業を行うことのできるマルチマスタ・マ
ルチスレーブ型の遠隔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手術支
援装置を実現することができる。

【００３２】また、本発明によれば、術者の間で作業ス
キルの伝達を行うことのできる遠隔手術支援装置を実現
することができる。

【００３３】また、本発明によれば、手術トレーニング
・手術シミュレーションからそれらの結果を利用した患
者へのインフォームド・コンセント、そして手術までを
一貫して行える遠隔手術支援装置を実現することができ
る。

【００３４】

【実施例】以下、本発明の詳細を実施例により説明す
る。図１は、本発明になる遠隔手術支援装置の一実施例
を示すブロック図で、仮想反力情報108、合成加工画像1
09及び仮想音場110を出力する臨場感制御情報生成手段1
01、その一部がスレーブマニピュレータにより構成さ
れ、スレーブマニピュレータ位置情報115を出力する患
部組織操作手段102、操作指令情報111及び合成反力112
を出力する操作指令生成手段103、力覚センサ情報105、
近接覚センサ情報106、視覚センサ情報107、及び拡大倍
率情報116を出力する作業環境情報検出手段104、生体内
部計測用入力信号119及び生体内部の計測情報121を出力
し又生体内部を透過または反射した出力信号120を入力
とする生体内部情報計測手段117、三次元再構成等視覚
化された生体内部情報122を出力する計測情報処理手段1
18、動作指令113を出力する動作指令入力手段114から成
っている。

【００３５】この構成に於て、作業環境情報検出手段10
4は、そのセンサ部分を患部組織操作手段102の構成要素
であるスレーブマニピュレータ先端および周辺に持ち、
視覚センサと上記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デー
タ124として検出する。

【００３６】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、計測情報処理手段1
18の出力した生体内部の三次元再構成画像情報と、スレ
ーブマニピュレータ位置情報115とを加工・合成し、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１人以上の術者に示される。

【００３７】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、各術者の感じることのでき
るレンジに変換される。臨場感制御情報生成手段101で
生成された仮想反力には、レンジ変換された実反力およ
び自分以外の術者の操作力が加え合わせられ、動作指令
入力手段114を介して各術者に伝えられる。

【００３８】各術者は、臨場感制御情報生成手段101に
より示された情報をもとに、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103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102
は、拡大倍率情報116をパラメータとして操作指令情報1
11を解釈実行し、患部組織を操作123する。このとき同
時に、生体内部情報計測手段117が一定時間ごとに計測
用入力信号119を患部125に向かって入力し、そこから透
過または反射した出力信号120を捉える。この信号はデ
ィジタル化され、計測情報として計測情報処理手段118
へ送られる。計測情報処理手段118は、一定時間ごとに
得られる計測情報に演算を加え、その結果を三次元画像
情報として再構成する。

【００３９】以下、各手段の詳細な構成及び動作につい
て説明する。図2は、臨場感制御情報生成手段101の一構
成例を示すもので、作業環境情報加工器201、両眼視界
操作器202、加工画像表示用ディスプレイ203、仮想音場
再生手段210から成り、作業環境情報加工器201により生
成された仮想画像情報と実画像である視覚センサ情報10
7を加工したもの、および三次元再構成・視覚化された
生体内部情報122とを合成した合成画像情報211、両眼視
界操作器202の制御信号213、及び仮想音場110を術者の
数だけ外部へ出力する。また、作業環境情報加工器201
には、その内部にデータ記録用の二次記憶部214を備
え、各センサ情報(視覚、力覚、近接覚)の時系列データ
等を記録しておくことができる。これは後述の手術シミ
ュレーションやトレーニングに用いられる。

【００４０】図2を上から見たのが図14である。各術者
の手首から先は手術環境内ではスレーブマニピュレータ
の先端1401になったように見える。ここで術者が複数の
場合は、図36に示すように1つのディスプレイ203を多方
向から参照するような構成や、図37に示すように各術者
に対してディスプレイ203を割り当てる構成が考えられ
る。図36は比較的少人数の術者向けの構成である。この
場合は、各術者に対して固有のスレーブマニピュレータ
が割り当てられ、各々自分の腕の延長がディスプレイの
中へ続いているような感覚を抱く。なおかつ術者同士は
同じ画像をあたかも患部の光学的拡大映像を見ているか
のように(たとえばそこにレンズを据えたかのように)参
照でき、直接に話し合うことができる。図37の構成で
は、各術者がそれぞれ自分の腕の延長がディスプレイの
中へ続いているような感覚を抱くが、実際のスレーブマ
ニピュレータは各術者の操作力を重み付けし重ね合わせ
たものにより操縦される。これについては後述する。ま
た図37の構成においては、各自にディスプレイが与えら
れていることから、特に両眼視界操作器202を装着する
必要はなく、たとえばレンチキュラーレンズを用いて両
眼に別々の画像を見せることにより立体視を実現するな
どの方法も考えられる。

【００４１】次に作業環境情報加工器201の動作例を図1
5〜図24を用いて説明する。まず図15〜図18を用いて仮
想画像情報の生成について説明する。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、ステップ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をもとにスレーブマニピュレータ先端目標位置と
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)の1つ又は複数を用いて表現する(ステップ1506)。こ
こで近接覚センサとしては、例えば超音波あるいは光の
反射波の強度及びそれらが帰るまでの時間を計測するこ
とで距離情報を得るようにする。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)。こうし
てステップ1504またはステップ1506の処理が終わると、
距離又は応力を表す色等からなる仮想画像を原画像に重
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。さらにこの画像に対して
三次元再構成された生体内部情報122を重ねてもよい
し、重ねずに表示してもよい。その場合異なるディスプ
レイを用意してもよいし、同じディスプレイの上に別の
ウィンドウを開いて表示してもよい。なお、この場合、
重ねて表示された色の種類、明度、彩度等が距離を表し
ているのか応力を表しているのかを示す必要がある。こ
のためには、例えばマニピュレータ自体の表示色でこれ
を区別できるようにすればよい。

【００４２】図16は、スレーブマニピュレータの先端の
運動を色の種類・明度・彩度と対応させて表示する場合
の動作を示している。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)等で表現
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)。さらに
この画像に対して三次元再構成された生体内部情報122
を重ねてもよいし、重ねずに表示してもよい。その場合
異なるディスプレイを用意してもよいし、同じディスプ
レイの上に別のウィンドウを開いて表示してもよい。

【００４３】図17は、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て表示する場合の
動作を示している。まず視覚センサ情報107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)。
次に各点の赤外波長成分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170
2)。最後に原画像に重ねて表示する(ステップ1703)。こ
の表示方法では、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。また赤
外波長領域画像のかわりに、画像再構成された生体内部
情報たとえばMRI、X-ray CT、超音波CTなどによって得
られた画像情報を用いることもできる。

【００４４】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)。そしてベクトルの
大きさと方向を半透明な矢印で表現したのち(ステップ1
802)、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)。

【００４５】以上のように図15〜図18の処理により生成
あるいは合成された仮想画像情報は、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(術者)に提示さ
れる。図36のような場合に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。また図37のように各術者にディスプレ
イが割り当てられている場合は、前述のレンチキュラー
レンズ方式のように、装着デバイスの要らない立体視方
式も可能である。さらにこの画像に対して三次元再構成
された生体内部情報122を重ねてもよいし、重ねずに表
示してもよい。その場合異なるディスプレイを用意して
もよいし、同じディスプレイの上に別のウィンドウを開
いて表示してもよい。

【００４６】以上のように、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、各術者の操作しやすさを増すこと
ができる。また生体内部情報画像を実画像と同時に参照
することにより、従来より高度な判断を下すことができ
る。さらに患部の位置を正確に把握することが可能にな
るため、特に視認が困難な病変組織に対して正確な手術
を行うことができる。

【００４７】次に、図19〜図22を用いて、作業環境情報
加工器201による仮想音場110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1901、ステップ1902)。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)等の1つ又
は複数を用いて表現する(ステップ1906)。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)等の1つ又は複数を用いて表現す
る(ステップ1904)。こうしてステップ1904または1906の
処理が終わると、上記の音情報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。なお、この場合にも仮想音場が応力
分布を表しているのか距離を表しているのかが区別でき
るようにする必要があるが、それは例えば音程をかえる
とか、音の断続を行うなどにより容易に表示できる。

【００４８】図20は、スレーブマニピュレータの先端の
運動を音量・音質・音程・音色と対応させる場合の動作
を示すもので、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)等で表現する(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2003)。

【００４９】図21は、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場合の動作を示すもの
で、まず視覚センサ情報107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)。そしてスレーブ
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210によって再生す
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。また
赤外波長領域画像のかわりに、画像再構成された生体内
部情報たとえばMRI、X-ray CT、超音波CTなどによって
得られた画像情報からスレーブマニピュレータ先端部の
明るさをとり出し、上記の方法で可聴化することも患部
位置の特定には有効であると考えられる。

【００５０】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ことも考
えられる。この一例を図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2201)。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2202)、最後に仮想音場再生手段2101によ
って再生する(ステップ2203)。

【００５１】以上のようにして作業環境情報加工器201
によって生成された仮想音場は、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、各術者の
操作しやすさを増すことができる。

【００５２】次に図23〜図24を用いて仮想反力情報108
の生成について説明する。図23はその一例を示すもの
で、まず力覚センサ情報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2301、ステップ2302)。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230
3)。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ｍ階微分値
あるいはｍ階差分値(ｍ=1、2、…)

【数１】 r₁=(dr/dt)t_n r₂=(d²r/dt²)t_n ： を計算する（ステップ2304）。ここでt_nはｎ(=0、1、2…)
番目のサンプリング時刻であり、（・）t_nは（）内の変
数の時刻t_nに於る値を示すものとする。そしてマニピュ
レータ先端と患部との間に働く仮想反力Ｆv(r、r₁、r₂…)
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。

【００５３】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107か
ら赤外領域の光強度分布を抽出する(ステップ2401)。次
に、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。

【００５４】この場合の仮想反力Fvの計算方法も前述と
同様である。但しここで生成した仮想反力と図23の処理
で得た仮想反力を同時に生成、出力するとどちらの量を
表しているかがわからなくなる。従ってどちらの場合で
あるかは予めモード切り換えなどして設定しておくよう
にする。

【００５５】以上のようにして、マニピュレータ先端の
仮想反力又は患部の温度を表す仮想反力を術者に与える
ことにより、より一層の臨場感を付け加えることがで
き、各術者の操作しやすさを増すことができる。また図
24のステップ2401にて、赤外波長領域の光強度のかわり
に、画像再構成された生体内部情報、たとえばMRI、X-r
ay CT、超音波CTなどによって得られた画像情報のマニ
ピュレータ先端部の明るさをとり出し、これを上記の方
法で反力に変換すれば、言わば非接触の触診とでも言う
べき操作が行え、患部位置の特定や操作のしやすさなど
の面から非常に有効である。

【００５６】以上に示したように、情報加工生成手段20
1は、力覚センサ情報105、近接覚センサ情報106、視覚セ
ンサ情報107、スレーブマニピュレータ先端位置情報11
5、三次元再構成・視覚化された生体内部情報122を重畳
したり加工を加えたり、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を行う。即ち、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とらえるこ
とのできるものに変換するという質の変換、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というレンジの適正化、ある感覚
器官により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
換するという感覚器官の交換等を行う。これにより手術
に対する臨場感を制御することができ、各術者の操作し
やすさを増すことができる。

【００５７】次に操作指令生成手段103について説明す
る。図3は操作指令生成手段103の構成を示すブロック図
で、動作指令の伝達を制御する仮想的接点307、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した
り、雑音除去に相当する再帰的演算を行って実反力情報
309を出力する力覚センサ情報演算部308、動作指令情報
113から動作モード・制御モードを設定し動作指令入力
手段114の各関節データを取り込む指令変換器310、Ａ／
Ｄ変換器318、Ｄ／Ａ変換器319、ある術者に対して、自
分以外の各術者の操作量(例えば操作力)に重み付けをし
たものを加え合わせて変換することにより得た値を反力
として与える他者操作力演算器320及び力・トルク変換
器322から成っている。図中における矢線は信号もしく
は情報の流れを示し、多重化されているものもある。す
なわち合成反力112と動作指令113の信号は動作指令入力
手段114の数と等しいチャンネル数があり、また力覚セ
ンサ情報105、近接覚センサ情報106、及び仮想反力情報
108は患部組織操作手段102中のスレーブマニピュレータ
の本数と等しいチャンネル数を有する。

【００５８】次に力覚センサ情報演算部308、他者操作
力演算器320及び力・トルク変換器322の動作を図25及び
図26を用いて説明する。まず、力覚センサ情報演算部30
8では、力覚センサ情報105の大きさを人間の筋力に対し
て適正なレベルに変換し(ステップ2501)、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)。そして各自由度に対する重み付けを行
ったのち(ステップ2503)、他者操作力演算器320の出力3
21と仮想反力情報108の値を加算して合成反力情報を生
成し(ステップ2504)、力・トルク変換器322へ入力する
（ステップ2505）。力・トルク変換器322では、図26で
示したように、合成反力情報を動作指令入力手段114の
反力発生部の各関節トルク値に変換し(ステップ2601)、
Ｄ／Ａ変換器319でアナログ情報として出力する(ステッ
プ2602)。これは動作指令入力手段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)。これらの処理は動作指令入力手段の数だ
け、すなわちチャンネルの数だけ行われる。なお、他者
操作力演算器320の詳細な動作については後に詳しく述
べる。

【００５９】次に指令変換器310の動作を図27を用いて
説明する。操作指令入力手段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)、患部組織操作手段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患部組織
操作手段102へ出力する(ステップ2705)。ここで、動作
モードによっては許されない制御モードがあるからステ
ップ2704に於る制御モードの決定は、そのような許され
ない制御モード以外のものから、適当に設定したアルゴ
リズムに従って自動的に選定するか、あるいは動作指令
入力手段114からの入力により決定する。こうして制御
モードの決定と患部組織操作手段102への出力が終わる
と、Ａ／Ｄ変換器319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2707)。そして患部組織操作手段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270
8)、動作モードを監視し(ステップ2709)、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
ばステップ2706へ戻る（ステップ2710、2711）。このと
き患部組織操作手段102へ送られるデータ列の構造は図2
8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ｔ_nまでの位置姿
勢データ列2804からなっており、これらがシーケンシャ
ルに患部組織操作手段102へ伝えられる。

【００６０】次に仮想的接点307の動作を説明する。図2
9はその動作アルゴリズムを示したもので、まずスレー
ブマニピュレータ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
ステップ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及びその各
成分の大きさ、仮想反力の大きさ及びその各成分の大き
さ、制御モードが速度サーボのときは速度指令ベクトル
の大きさ及びその各成分の大きさを調べ、すべて一定値
以下であったらステップ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〜ステップ2910)。以上を
すべてのチャンネルについて行う。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。

【００６１】次に動作指令入力手段114について図30を
用いて説明する。動作指令入力手段114は複数用いられ
るが構成は同じで、把持部-反力発生部結合用電磁石300
1、把持部拘束用ソレノイド制御信号3002及び結合用電
磁石電流制御信号3003、把持部拘束用ソレノイド3004、
動作モード切り替えスイッチ3006、把持部3007、球状結
合部3008、球面継手3009、直動型円筒静電アクチュエー
タ3010から成っている。操作指令生成手段103から各ア
クチュエータごとに分解して出力された合成反力112
は、上記の各アクチュエータへ制御入力3011として印加
される。各アクチュエータ3010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。また、アクチュ
エータ3010の変位は図示しない変位センサで検出され、
変位センサ出力3012として出力される。各術者は把持部
3007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3006を操作して動作モード設定信号3005
を出力することにより行う。このとき、把持部3007と反
力発生部の間の球状結合部3008は、電磁石の磁力によっ
て結合されている。この結合部3008は動作モードと入力
の大小に応じて、磁力制御手段3001からの把持部拘束用
ソレノイド制御信号3002及び結合用電磁石電流制御信号
3003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。

【００６２】図35は磁力制御手段3001の動作を示すフロ
ーで、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)。この場合、結合部3008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3007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3504)。またこの結合部3008
とソレノイド3004から成る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。なお直動型円筒静電アクチュエータ3010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102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。

【００６３】なお把持部3007としては、図30中に示す筆
記用具状のものの他に、図38に示すようなものが例とし
て考えられる。(a)はピンセット状、(b)は結紮器具状、
(c)は鉗子状のものであり、操作者はいずれも把持反力
発生用アクチュエータ3801により発生する反力を感じな
がら操作することができる。(b)(c)では把持部の指を掛
ける部分の片方または両方が回転軸3802を中心に回転す
るようになっている。このときに、ソレノイド3004によ
るクリッピングおよび磁力の両方を解除することによ
り、操作者は把持部3007を交換することができる。すな
わち操作者は状況に応じた把持部を着脱して動作指令入
力に用いることができる。装着の際にジョイントの導通
が検出されると、把持部の形状に応じた初期信号が操作
指令生成手段103を経由して患部組織操作手段102に伝え
られ、それに応じた器具を効果器に持つマニピュレータ
が割り付けられる。よってこの部分だけを何種類か用意
しておけばよく、あらかじめ器具の数だけ動作指令入力
手段を用意する必要はない。これにより操作者がどの入
力手段を用いればどの器具が使用できるかを迷うことが
なくなる。また入力手段は1本の手に対して1つで足りる
ので、手元のスペースを広くとることができる。

【００６４】次に図39を用いて他者操作力演算器320に
ついて説明する。ある1本のスレーブマニピュレータに
対して複数の動作指令入力手段114を割り当てることを
考える。その数をn台とし、まず各動作指令入力手段に
対して重み付けW1〜Wnを設定しておく(ステップ3901)。
ただし

【数２】W1 + W2 + ....Wn = 1; Wk >= 0(k=1〜n) である。また力帰還を行う場合を想定して作業対象から
の力反射についての重み付けも設定しておく。これをWr
1〜Wrnとする。上と同様に

【数３】Wr1 + Wr2 + ... Wrn = 1; Wrk >= 0(k=1〜
ｎ） とする（ステップ3901)。Wkの大きさはどの動作指令入
力手段が支配的かを示す。次に各動作指令入力手段から
入力された動作指令情報113を力に変換する(ステップ39
02)。このとき力指令モードであれば変換の必要はない
が、位置・速度等が指令値の場合は指令と応答の誤差を
適切な伝達関数に入力して得られたものを先端駆動力指
令値として用いる。これらの値は大きさと方向を持つベ
クトル量でありそれをf1〜fnとする。このときk番目(k=
1〜n)の動作指令入力手段に与えられる反力のうち、他
者操作力に起因するものを計算する(ステップ3903)。こ
れをFref_kとおくと

【数４】Fref_k = W1f1 + W2f2 + ... + Wk-1fk-1 + Wk
+1fk+1 + ... + Wnfn と表せる。また力帰還を行う場合は、k番目(k=1〜n)の
動作指令入力手段に与えられる力反射Fext_k = Wrk * F
extを計算する(ステップ3904)。ここでFextは力覚セン
サ情報105でありベクトル量である。

【００６５】上記の処理で通常はWk = Wrk(k=1...n)と
するのが自然であると考えられる。すなわちより支配的
な入力手段に対してより大きな割合で力反射を返すとい
う方法である。しかし一般には必ずしもWk = Wrkである
必要はなく、また方向に関して異方性を持たせることも
できる。すなわちWk、 Wrkを行列表現してやればよい。
その場合

【数５】W1 + W2 + ... +Wn = I; Wk^tWk >= 0 ただし上付のtは行列の転置を表し、Ｉは単位行列であ
る。Wrkも同様である。最後に上記のFref_kとFext_kを
加えて出力する(ステップ3905)。これは仮想反力情報10
8と加え合わせられる。

【００６６】以上のアルゴリズムにより、異なる入力手
段から動作を入力する者同士が、相手の発生力と対象物
の反力を感じながら作業を行うことが可能になる。これ
を用いれば、例えば手術の手さばきを「手取り足取り」
教えることが可能になり、手術シミュレーションと組み
合わせるなどすることにより外科的技能を伝達すること
ができる。

【００６７】次に図４を用いて作業環境情報検出手段10
4の説明を行う。この手段は、視覚センサ402、視覚セン
サの取り付け部403、この両者を連結する受動回転関節4
04、視差角調整用リニアアクチュエータ405、及び患部
を照らす照明410と、スレーブマニピュレータの先端部
分411に取り付けられた力覚センサ及びそのと力覚信号
前処理回路412、近接覚センサと近接覚信号前処理回路4
13を有し、さらに右目用画像信号406、左目用画像信号4
07を取り込んで視覚センサ情報107を生成出力し、リニ
アアクチュエータ405と照明410の制御信号408と409を生
成出力し、また力覚センサ信号414及び近接覚センサ信
号416を取り込んで、力覚センサ前処理回路制御信号415
及び近接覚制御前処理回路制御信号417によるセンサ制
御と、力覚センサ信号105、近接覚センサ信号106の出力
を行うところの演算制御手段401を有している。

【００６８】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。演算制御手段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。演算制御手段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。まず図32に示す
ように、患部組織操作手段102の粗動部503（図5、後
述）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40
5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、左右視覚センサ402は受動回
転関節404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。一方照明410の明るさのを制
御は図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)、ａ ＝ (患部までの距
離)／(基準距離)を求める(ステップ3302)。次にｂ ＝
（現在の倍率)／(基準倍率)を求め(ステップ3303)、最
後にａ²×ｂ²に比例した値に光量を制御する(ステップ3
304)。以上の図32、33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。

【００６９】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。力覚センサは力覚センサ信号414を、近接覚セ
ンサは近接覚センサ信号416をそれぞれ出力するが、そ
の際に演算制御手段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。この制御信号としては、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、図31に示すような制御を行う。
まず前処理回路内の増幅器出力をサンプリングして零次
ホールドし(ステップ3101)、これをＡ／Ｄ変換し(ステ
ップ3102)、ｃ＝(センサ信号の基準値)／(センサ信号の
値)を求める(ステップ3103)。次に前処理回路に増幅率
をｃ倍するように指令する(ステップ3104)。ステップ31
01〜3103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。そののち再び上記
増幅器出力をサンプリング−零次ホールドし(ステップ3
105)、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ｃで割る(ステップ3107)。すなわち信
号レベルが小さい時には、前処理回路の増幅率を上げ
て、信号が演算制御手段401へ入力されるまでの間に混
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。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。

【００７０】次に患部組織操作手段102について説明す
る。患部組織操作手段102の全体的構成は図５に示すよ
うに、操作指令解釈及び制御手段502、粗動部503、微動
部504及び超微動部508からなっている。これらの各部分
は、通常よく用いられる構造材料に比べて、磁場によっ
て力を受けることがきわめて少ない材質、例えばプラス
チックなどの高分子材料のみを用いて製作される。これ
により、後述の生体内部情報計測手段117の構成要素の1
つにMRIを用いた時も、磁場に影響されずに患部組織操
作を行うことができる。また逆に言うと、術中すなわち
患部組織操作中にもMRIによる生体内部情報を得られる
ことになるため、術中における患部周辺組織の変形を実
時間で追ったり、特に脳においては、形状に加えて機能
計測を行いながらの手術が可能になる。ここで超微動部
508には複数本のマニピュレータがあり、それらのその
先端に種々の治療用効果器を備えているものもあればな
にも取り付けられていないものもあるなど様々である。
ある状況でどのマニピュレータが動くかは動作指令入力
手段103からの信号によりあらかじめ割り当てられてい
るものとする。操作指令111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
令解釈及び制御手段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505各ジョイントおよび超微動部508の(必要であれば
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505の各ジョイントへの制御入力506、及び超微動部各
ジョイント及びエンドエフェクタへの制御入力509は、
上記の操作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。

【００７１】図34は操作指令解釈及び制御手段502の動
作フローである。まず前記の操作指令生成手段103から
図28に示すようなシーケンスでが送られきたデータから
制御モード及び動作モードを読み込み(ステップ3401、
ステップ3402)、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3403)。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。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505及
び超微動部508の各関節角度指令値へ変換する(ステップ
3404)。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。次に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（ステップ3405）。
ここで動作モードに従って分岐し（ステップ3406）、移
動（MOVE）なら終了する。動作モードが把持（GRASP）
のときは、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
し(ステップ3407)、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)。また動作モードが解
放（RELEASE）のときは把持のときとほぼ同じである
が、ステップ3408に代わってポテンシャルの平衡点を前
記空間の外部に設定する点だけが異なる(ステップ341
0)。なお、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。ここには詳述しないが、従来から行われて
いるマスタ／スレーブが一対一に対応して位置／力制御
を行うモードや、前記のマスタ／スレーブが多対一にな
るモードも用意され、状況に応じて切り替えられるもの
とする。

【００７２】続いて粗動部503について図6を用いて説明
する。粗動部503は台座601、第1リンク602、第1ジョイ
ント603、第2リンク604、第2ジョイント605、第3リンク
606、第3ジョイントから成り、この第3ジョイントに微
動部608が設置されている。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601の
横方向に沿って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。第1リン
ク602の形状は半円形であるが、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、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604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、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。この第3リンク606の形状も
半円形である。微動部608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。第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、図5で説明した操作指令
解釈及び制御手段502に送られる。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
対応した機構及び自由度構成になり、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。

【００７３】次に図7を用いて微動部505を説明する。微
動部505は、台座リンク704、第1ジョイント705、第2リ
ンク706、第2ジョイント707、第3リンク708、第3ジョイ
ント709、微動部土台712から成っている。第1〜第3ジョ
イントはすべて回転ジョイントであり、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。即ち、距離に関しては微細作業に対応して小さ
い値が作業の対象となるが、姿勢変化（角度変化）に関
しては微細作業でも通常の作業と同じである。従って、
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508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508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。

【００７４】次に超微動部508を図8を用いて説明する。
超微動部508は、支柱801、リングレール802、第1ジョイ
ント803、第1リンク804、第2ジョイント805、第2リンク
（スレーブマニピュレータ先端）411、マイクロ冷凍素
子809から成っている。第1ジョイント803は、リングレ
ール802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。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411を第1ジョイント803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。

【００７５】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。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。こうして、低
侵襲かつ周辺の影響の少ない超微動部を実現できる。

【００７６】以上に述べたように、冷凍素子による組織
の変性破砕は多くのメリットがある。しかしながらすべ
ての外科的治療を冷凍破砕で行おうとするのは現実的で
ない。治療用の効果器は特に冷凍素子に限定する必要は
なく、従来から知られているものも組み合わせて利用す
る方がよい。よって上に述べたようなレーザメス、超音
波メス、電気メスを備えてもよいし、従来の小型鉗子や
メス、クリップなどを取り付けてもよい。マニピュレー
タは複数であるから異なる治療用効果器を備えたものを
用意しておくのは可能である。

【００７７】図8の第1ジョイント803を取り出したもの
が図9である。このジョイントは、内側固定子すなわち
リングレール802の微小部分901、多自由度移動子902、
第1リンク804が剛に結合されている外側固定子903、外
側固定子903の電極電圧を制御する駆動回路904、多自由
度移動子902の外周面電極電圧及び内周面電極電圧を制
御する駆動回路905及び907、内側固定子円筒901の電極
電圧を制御する駆動回路906、主コントローラ908から成
っている。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。電極には炭素分子を主体とした導電性
高分子化合物を用いる。

【００７８】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の内周には内側固定子円筒901と平行に電極が配置
されおり、外周には内側固定子円筒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
は多自由度円筒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。

【００７９】図10は図9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。そして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。

【００８０】図11において、外側固定子903は、その再
面が内周カバー1110及び外周カバーフィルム1113で覆わ
れ、両フィルム間には接着剤1112が充填されている。そ
して、炭素系高分子化合物電極1111が、円筒と円筒の中
心軸を含む平面との交線となるように、かつ等間隔に配
置されている。内側固定子901は、その両面が内周カバ
ーフィルム1104及び外周フィルム1107で覆われ、両フィ
ルム間には接着剤1106が充填されている。そして、炭素
系高分子化合物電極1105が円筒と円筒の中心軸に垂直な
平面との交線となるように、かつ等間隔に配置されてい
る。従ってその断面は図のように鎖線状となる。また、
多自由度移動子902は、その外周部分が外側固定子903
と、内側固定子901とその構造が同じである。そして、
内側固定子901と多自由度移動子902との間、及び同移動
子902と外側固定子903との間には絶縁液1108及び1109が
充填されている。

【００８１】図12は図10のＢ部断面拡大図で、図11と同
一部材には同一符号をつけて示している。この断面図で
は、断面方向が図11と直交しているため、電極の方向が
図11と逆になっている。

【００８２】次に図13を用いて第１ジョイント803の基
本動作原理を説明する。図13は外側固定子903と多自由
度移動子902の外周部分の組合せを示す断面図である。
外側固定子903の電極1111及び多自由度移動子902の外周
電極1303は、３本の電極を一組として三相交流電圧が配
線1301、1304を介して印加される。このとき電極1111と1
303に印加される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902は円筒の軸方向に並進する。多自由度移動子902の
内周部分と内側固定子901の間も同様である。そしてこ
の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902は回転を行う。そして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。したがって第１ジョイント803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の移動子902と外周固定子90
3の組合せに等しいので説明を省略する。

【００８３】次に生体内部情報計測手段117について図4
0を用いて説明する。本手段117は、計測用信号発信部40
01と計測用信号受信部4002から成っている。計測用信号
発信部4001には、X線、磁場、超音波といったさまざま
なモダリティの計測用信号が発信できるように、X線
管、超電導磁石および磁場コイル、超音波トランスデュ
ーサ等が備えられている。

【００８４】一方計測用信号受信部4002には、入力信号
119が患者の体内を透過あるいは反射して体外へ出てく
る出力信号120を受信するために、各モダリティに対応
した受信部が備えられている。X線管から発信され体内
を透過したX線はアレイ状の二次元X線センサにより受信
される。これらの送受信部を患者の周囲で回転させるこ
とにより非常に短時間で三次元CT画像のもとになる信号
を得ることができる。これはコーンビームCTと呼ばれる
方式である。磁場コイルにより発生した変動磁場はRFプ
ローブにより捉えられる。これはMRIと呼ばれている計
測装置と同じ原理を用いている。超音波トランスデュー
サの送信部と受信部は二次元のアレイ状に構成配置され
ている。

【００８５】以上の構成により、X線CTでは骨を含めた
患部近傍の形状情報のもとになる信号が得られる。MRI
では形状情報と肉眼で区別できない組織の違いの可視化
情報、また脳機能の可視化情報のもとになる信号が得ら
れる。超音波では形状情報と特に局所的な異常血流や運
動異常を示す情報のもとになる信号が得られる。これら
の多重モダリティによる計測は術前・術中の区別なく非
常に短い周期で行われ、得られた信号データは信号受信
部4002で数値化前処理を行う。数値化された計測情報12
1は、計測情報処理手段118へ送られる。

【００８６】次に計測情報処理手段118を図41を用いて
説明する。本手段118は、画像処理演算部4101、主記憶
部4102、二次記憶部4103、及びアドレスおよびデータバ
ス4104から成っている。画像処理演算部4101は、例えば
超並列計算機のような構成のものがよい。主記憶部4102
は通常のメモリ、二次記憶部4103は光磁気ディスクなど
の大容量記憶装置で、これら装置4101〜4103はアドレス
およびデータバス4104によって緊密に結合され、超高速
の画像処理演算を可能にしている。計測情報121はまず
画像処理演算部4101を通り主記憶部4102に蓄えられる。
この主記憶4102に蓄えられた情報は画像処理演算部4101
によって演算処理を受け、三次元画像情報に再構成され
る。再構成された情報122は臨場感制御情報101へ送ら
れ、他の画像と合成される。以上の構成により術前・術
中を問わず生体内部情報が三次元再構成・可視化され、
短い周期で更新されつつ術者に提示される。このとき再
構成された三次元画像情報は二次記憶部4103へ蓄えられ
る。このデータは術中以外でシミュレーションやトレー
ニングを行うために用いられる。

【００８７】以上の説明は、図1の実施例の詳細構成と
その手術支援だけでなく、手術のシミュレーションによ
るトレーニング、及び患者に於る手術の説明（インフォ
ームド・コンセント）にも応用できる。まず、シミュレ
ーション・トレーニング機能について説明する。この場
合には、最初に仮想患部を臨場感制御情報生成手段101
によって生成する。すなわち図2の二次記憶部214又は図
41の二次記憶部4103に計測データから三次元再構成して
生成した実際の患部画像情報を格納しておいてこれを利
用するか、あるいはなんらかのモデルから仮想の患部画
像情報を生成し、表示するとともに、仮想反力情報108
を生成し操作指令生成手段103へ送る。この場合、実世
界からの反力はないので仮想反力が合成反力に等しい。
この仮想反力は作業環境情報加工器201内の二次記憶部2
14に力学モデルを格納しておき、これに基づき計算され
る。これを各術者の動作指令入力手段に送り、仮想反力
を伝達する。場合によっては仮想音場の生成も行い、こ
れも提示する。術者はこれらの仮想環境の中で実世界の
スレーブマニピュレータを操縦する。マニピュレータは
術者の意図通りに動き、各センサ情報が検出される。そ
の中で視覚センサ情報だけを臨場感制御情報生成手段10
1に送り、仮想患部画像情報と合成する。このときに一
人でシミュレーションを行ってもよいし、既出の多対１
マスタ／スレーブ機能を用いることによって「手取り足
取り」のトレーニングを行ってもよい。作業環境情報加
工器201の中にある二次記憶部214はこの手術シミュレー
ション時の各データ時系列をさらに記録する。よってこ
れを別の機会に再生し動作や判断の評価をすることもで
きる。

【００８８】次に患者に対して手術を説明する場合につ
いて説明する。上記のシミュレーション結果は記録され
ているので、これを再生しながら患者に手術内容を説明
する。こうすることにより手術に対する患者の理解が深
まり、術者や手術そのものに対する信頼性を高めること
ができる。また仮想ではなく、実際の手術記録データを
用いる場合には以下のように行う。作業環境情報加工器
201の中にある二次記憶部214のデータと計測情報処理手
段118の中にある二次記憶部4103のデータは同期をとる
ための情報を含んでいる。その同期用の情報をもとに、
それらのデータを臨場感制御情報生成手段101のディス
プレイ203で合成再生する。場合によっては実画像のみ
の再生、あるいは三次元画像再構成された計測情報のみ
の再生も行うことができる。術者はこれを再生しながら
同じような症例の患者に手術を説明することができる。
こうすることにより上記と同様に手術に対する患者の理
解が深まり、術者や手術そのものに対する信頼性を高め
ることができる。

【００８９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
１人以上の術者が視覚的に再構成された各種計測機器の
データを参照しながら、自由度の高いマニピュレータに
よって術具または治療器を遠隔操縦することで脳・神経
系・眼球等の外科的治療を行うことを支援する遠隔手術
支援システムを実現することができる。また、本発明に
よれば、狭隘空間内で手先に多くの自由度かつ複数の協
調を必要とするような手術作業を行うことのできるマス
タ・スレーブ型の遠隔手術支援装置を実現することがで
きる。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
を補う遠隔手術支援装置を実現することができる。ま
た、本発明によれば、患者と術者の間の血液感染を防ぐ
遠隔手術支援装置を実現することができる。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手術支援装置を実現することが
できる。また、本発明によれば、術者の間で作業スキル
の伝達を行うことのできる遠隔手術支援装置を実現する
ことができる。また、本発明によれば、手術トレーニン
グ・手術シミュレーションからそれらの結果を利用した
患者へのインフォームド・コンセント、そして手術まで
を一貫して行える遠隔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】本発明になる遠隔手術支援装置の一実施例を示
すブロック図である。

【図２】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】操作指令生成手段の一構成例を示す図である。

【図４】作業環境情報検出手段の一構成例を示す図であ
る。

【図５】患部組織操作手段の全体的構成を示す図であ
る。

【図６】粗動部の構成例を示す図である。

【図７】微動部の構成例を示す図である。

【図８】超微動部の構成例を示す図である。

【図９】超微動部の第1ジョイントを示す図である。

【図１０】第１ジョイントの２つの断面図である。

【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】第１ジョイントの基本動作原理を示す図であ
る。

【図１４】図2を上から見た図である。

【図１５】応力分布または距離の可視化データ生成アル
ゴリズム例を示す図である。

【図１６】マニピュレータ運動の色情報への変換アルゴ
リズム例を示す図である。

【図１７】マニピュレータ運動の図形情報への変換アル
ゴリズム例を示す図である。

【図１８】患部の温度分布の可視化データ生成アルゴリ
ズム例を示す図である。

【図１９】応力分布または距離の可聴化データ生成アル
ゴリズム例を示す図である。

【図２０】マニピュレータ運動の音場情報への変換アル
ゴリズム例を示す図である。

【図２１】患部の温度分布の可聴化データ生成アルゴリ
ズム例を示す図である。

【図２２】マニピュレータ運動の効果音への変換アルゴ
リズム例を示す図である。

【図２３】距離から仮想反力を生成するアルゴリズム例
を示す図である。

【図２４】温度分布から仮想反力を生成するアルゴリズ
ム例を示す図である。

【図２５】力覚センサ情報演算部の動作アルゴリズムを
示す図である。

【図２６】合成反力の変換アルゴリズムを示す図であ
る。

【図２７】指令変換部の動作アルゴリズムを示す図であ
る。

【図２８】操作指令情報のデータフォーマットを示す図
である。

【図２９】仮想的接点の動作アルゴリズムを示す図であ
る。

【図３０】動作指令入力手段の一構成例を示す図であ
る。

【図３１】力覚センサ信号処理アルゴリズムを示す図で
ある。

【図３２】視差角制御用アクチュエータの制御アルゴリ
ズムを示す図である。

【図３３】照明制御アルゴリズムを示す図である。

【図３４】解釈実行アルゴリズム例を示す図である。

【図３５】磁力制御手段のアルゴリズム例を示す図であ
る。

【図３６】複数の術者に1つのディスプレイを割り当て
た例を示す図である。

【図３７】複数の術者の一人ひとりに1つのディスプレ
イを割り当てた例を示す図である。

【図３８】動作指令入力手段における把持部分の例を示
す図である。

【図３９】他者操作力演算器の演算アルゴリズムを示す
図である。

【図４０】生体内部情報計測手段を示す図である。

【図４１】計測情報処理手段を示す図である。

【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 １０５ 力覚センサ情報 １０６ 近接覚センサ情報 １０７ 視覚センサ情報 １０８ 仮想反力情報 １０９ 合成加工画像 １１０ 仮想音場 １１１ 操作指令情報 １１２ 合成反力 １１３ 動作指令 １１４ 動作指令入力手段 １１５ スレーブマニピュレータ位置情報 １１６ 拡大倍率情報 １１７ 生体内部情報計測手段 １１８ 計測情報処理手段 １１９ 生体内部計測用入力信号 １２０ 生体内部を透過または反射した出力信号 １２１ 生体内部の計測情報 １２２ 三次元生体内部情報 １２３ 患部組織操作手段によって行われる操作 １２４ 各種センサによる検出データ １２５ 患部 ２０１ 作業環境情報加工器 ２０２ 両眼視界操作器 ２０３ 加工画像表示用ディスプレイ ２１０ 仮想音場再生手段 ２１１ 合成画像情報 ２１３ 両眼視界操作器２０２の制御信号 ２１４ 二次記憶部 ３０７ 仮想的接点 ３０８ 力覚センサ情報演算部 ３０９ 実反力情報 ３１０ 指令変換器 ３１６ 操作指令情報 ３１７ 合成反力情報 ３１８ Ａ／Ｄ変換器 ３１９ Ｄ／Ａ変換器 ３２０ 他者操作力演算器 ３２１ 重み付けされた他者操作力と実反力の和 ３２２ 力・トルク変換器 ４０１ 演算制御手段 ４０２ 視覚センサ ４０３ 視覚センサの取り付け部 ４０４ 受動回転関節 ４０５ 視差角調整用リニアアクチュエータ ４０６ 右目用画像信号 ４０７ 左目用画像信号 ４０８ リニアアクチュエータの制御信号 ４０９ 照明の制御信号 ４１０ 照明 ４１１ スレーブマニピュレータの先端部分の拡大図 ４１２ 力覚センサと力覚信号前処理回路 ４１３ 近接覚センサと近接覚信号前処理回路 ４１４ 力覚センサ信号 ４１５ 力覚信号前処理回路の制御信号 ４１６ 近接覚センサ信号 ４１７ 近接覚信号前処理回路の制御信号 ５０２ 操作指令解釈および制御手段 ５０３ 粗動部 ５０４ 変位（角度もしくは並進移動量）センサ情報 ５０５ 微動部 ５０６ 制御入力 ５０７ 変位センサ情報 ５０８ 超微動部 ５０９ 制御入力 ５１０ 変位センサ情報 ６０１ 台座 ６０２ 第１リンク ６０３ 第１ジョイント ６０４ 第２リンク ６０５ 第２ジョイント ６０６ 第３リンク ６０７ 第３ジョイント ６０８ 微動部 ７０４ 台座リンク ７０５ 第１ジョイント ７０６ 第２リンク ７０７ 第２ジョイント ７０８ 第３リンク ７０９ 第３ジョイント ７１２ 微動部土台 ８０１ 支柱 ８０２ リングレール ８０３ 第１ジョイント ８０４ 第１リンク ８０５ 第２ジョイント ８０６ 第２リンク ８０９ マイクロ冷凍素子 ９０１ リングレール８０２の微小部分 ９０２ 多自由度移動子 ９０３ 外側固定子 ９０４ 駆動回路１ ９０５ 駆動回路２ ９０７ 駆動回路３ ９０６ 駆動回路４ ９０８ 主コントローラ １１０４ 内側固定子の内周カバーフィルム １１０５ 炭素系高分子化合物電極 １１０６ 接着剤 １１０７ 内側固定子の外周カバーフィルム １１０８ 絶縁液 １１０９ 絶縁液 １１１０ 外側固定子の内周カバーフィルム １１１１ 炭素系高分子化合物電極 １１１２ 接着剤 １１１３ 外側固定子の外周カバーフィルム １３０１ 外側固定子の電極への配線 １３０３ 多自由度移動子の外周部分 １３０４ 多自由度移動子の外周部分への配線 ２８０１ ヘッダ ２８０２ 動作モード ２８０３ 制御モード ２８０４ 位置姿勢データ列 ３００１ 把持部−反力発生部結合用電磁石 ３００２ 把持部拘束用ソレノイド制御信号 ３００３ 結合用電磁石電流制御信号 ３００４ 把持部拘束用ソレノイド ３００５ 動作モード設定信号 ３００６ 動作モード切り替えスイッチ ３００７ 把持部 ３００８ 球状結合部 ３００９ 球面継手 ３０１０ 直動型円筒静電アクチュエータ ３０１１ アクチュエータ制御入力 ３０１２ 変位センサ出力 ３８０１ 把持反力発生用アクチュエータ ３８０２ 回転軸 ４００１ 計測用信号発信部 ４００２ 計測用信号受信部 ４１０１ 画像処理演算部 ４１０２ 主記憶部 ４１０３ 二次記憶部 ４１０４ アドレスバスおよびデータバス

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 竹内 裕之 東京都千代田区神田駿河台四丁目６番地 株式会社日立製作所内 (72)発明者 和田 紀彦 東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地 株式会社日立製作所デザイン研究所内

Claims (35)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 １人以上の術者が術具または治療器を遠
   隔操作することによって手術作業を支援するための遠隔
   手術支援装置において、 上記術具または治療器とその駆動機構とから成るところ
   の患部組織操作手段と、 術前および術中において患部とその周辺に変動磁場・電
   磁波・超音波のうちの1種類以上を周期的に印加し、透
   過あるいは共鳴信号を計測することにより生体内部情報
   を計測するための生体内部情報計測手段と、 該手段により計測された生体内部情報から三次元の計測
   情報画像を生成するための計測情報処理手段と、 患部の画像情報を取り込み、また上記患部組織操作手段
   の患部への接近状態及び接触力を検出するための作業環
   境情報検出手段と、 該手段の出力と上記計測情報処理手段の出力とを合成加
   工して臨場感制御情報として各術者に提示するための臨
   場感制御情報生成手段と、 該手段により提示された臨場感制御情報に基づいて各術
   者が起こした動作を入力するための動作指令入力手段
   と、 該手段の出力した動作指令を操作指令情報へと変換しこ
   れを上記患部組織操作手段へと伝えるとともに、上記作
   業環境情報検出手段により検出された接触力を上記患部
   組織操作手段へ伝えるための操作指令生成手段と、から
   成ることを特徴とする遠隔手術支援装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の遠隔手術支援装置にお
   いて、前記患部組織操作手段の術具または治療器の位置
   決めのための機構は、変動磁場に対して感度の低い材料
   および動作原理で構成されて成ることを特徴とする遠隔
   手術支援装置。
3. 【請求項３】 請求項１に記載の遠隔手術支援装置にお
   いて、前記臨場感制御情報生成手段が生成する臨場感制
   御情報は、 前記作業環境情報検出手段が取り込んだ画像情報および
   前記計測情報処理手段により生成された計測情報画像と
   合成して術者に提示するための仮想画像と、 術者に音響情報として提示するための仮想音場と、 前記操作指令生成手段において前記接触力と合成して術
   者に提示するための仮想反力情報と、の内の少なくとも
   １つを含むことを特徴とする遠隔手術支援装置。
4. 【請求項４】 請求項３に記載の遠隔手術支援装置にお
   いて、前記仮想画像は、 前記術具または治療器が患部に接触しているときの患部
   及びその周辺の応力を、色の種類、明度及び彩度の内少
   なくとも１つを用いて表した画像であることを特徴とす
   る遠隔手術支援装置。
5. 【請求項５】 請求項３に記載の遠隔手術支援装置にお
   いて、前記仮想画像は、 前記術具または治療器が患部に接触していないときの上
   記術具または治療器と患部との間の距離を、色の種類、
   明度及び彩度の内少なくとも１つを用いて表した画像で
   あることを特徴とする遠隔手術支援装置。
6. 【請求項６】 請求項３に記載の遠隔手術支援装置にお
   いて、前記仮想画像は、 前記術具または治療器の先端の目標からの位置偏差、速
   度、及び加速度を、色の種類、明度及び彩度の内少なく
   とも１つを用いて表した画像であることを特徴とする遠
   隔手術支援装置。
7. 【請求項７】 請求項３に記載の遠隔手術支援装置にお
   いて、前記仮想画像は、 前記術具または治療器の先端の移動方向を示すベクトル
   図形であることを特徴とする遠隔手術支援装置。
8. 【請求項８】 請求項３に記載の遠隔手術支援装置にお
   いて、前記仮想画像は、 患部近傍の赤外線領域の映像を可視領域の波長に波長変
   換して生成した画像であることを特徴とする遠隔手術支
   援装置。
9. 【請求項９】 請求項３に記載の遠隔手術支援装置にお
   いて、前記仮想音場は、 前記術具または治療器が患部に接触しているときの患部
   及びその周辺の応力を、音の音量、音質、音程及び音色
   の内の少なくとも１つを用いて表した音場であることを
   特徴とする遠隔手術支援装置。
10. 【請求項１０】 請求項３に記載の遠隔手術支援装置に
    おいて、前記仮想音場は、 前記術具または治療器が患部に接触していないときの上
    記術具または治療器と患部との間の距離を、音の音量、
    音質、音程及び音色の内の少なくとも１つを用いて表し
    た音場であることを特徴とする遠隔手術支援装置。
11. 【請求項１１】 請求項３に記載の遠隔手術支援装置に
    おいて、前記仮想音場は、 前記術具または治療器の先端の目標からの位置偏差、速
    度、及び加速度を、音の音量、音質、音程及び音色の内
    の少なくとも１つを用いて表した音場であることを特徴
    とする遠隔手術支援装置。
12. 【請求項１２】 請求項３に記載の遠隔手術支援装置に
    おいて、前記仮想音場は、 前記術具または治療器の先端の移動方向を示すベクトル
    の大きさ及び方向を、風切り音の音量、音質、音程及び
    音色の内の少なくとも１つを用いて表した音場であるこ
    とを特徴とする遠隔手術支援装置。
13. 【請求項１３】 請求項３に記載の遠隔手術支援装置に
    おいて、前記仮想音場は、 患部近傍の赤外線映像から求めた温度を、音の音量、音
    質、音程及び音色の内の少なくとも１つを用いて表した
    音場であることを特徴とする遠隔手術支援装置。
14. 【請求項１４】 請求項３に記載の遠隔手術支援装置に
    おいて、前記仮想反力は、 前記術具または治療器の先端位置と患部との距離及びそ
    の時間に関する１階及び複数階の微分値から予め定めた
    数式により算出した力であることを特徴とする遠隔手術
    支援装置。
15. 【請求項１５】 請求項３に記載の遠隔手術支援装置に
    おいて、前記仮想反力は、 患部近傍の赤外線映像の強度分布を、奥行き方向反対向
    きの力で表したものであることを特徴とする遠隔手術支
    援装置。
16. 【請求項１６】 請求項１に記載の遠隔手術支援装置に
    おいて、操作指令生成手段は、前記作業環境情報検出手
    段により検出された力覚情報と前記臨場感制御情報生成
    手段により生成された仮想反力とを合成した合成反力を
    前記動作指令入力手段を介して各術者に伝えることを特
    徴とする遠隔手術支援装置。
17. 【請求項１７】 請求項１６に記載の遠隔手術支援装置
    に於て、前記動作指令入力手段からの動作指令を入力と
    して他の術者の操作により前記患部組織操作手段に加え
    られる力を算出するための他者操作力演算手段を前記操
    作指令生成手段に設け、該操作指令生成手段は、上記他
    者操作力演算手段の算出した各術者の操作による力と前
    記合成反力とに重み付けを行った加算結果を出力するこ
    とを特徴とする遠隔手術支援装置。
18. 【請求項１８】 請求項１に記載の遠隔手術支援装置に
    おいて、 前記患部組織操作手段は、前記術具または治療器を介し
    て操作指令を入力として患部に対する位置決めを行い、
    運動エネルギ、光エネルギ、電気エネルギ、熱エネルギ
    のうちの少なくとも１つのエネルギを発生または伝達す
    ることにより患部組織の変形、破壊、または変性を行う
    ものであることを特徴とする遠隔手術支援装置。
19. 【請求項１９】 請求項１８に記載の遠隔手術支援装置
    において、 前記運動エネルギの発生源は複数の自由度を持つマニピ
    ュレータであり、前記光エネルギまたは熱エネルギはレ
    ーザ光発生装置により発生し光ファイバで伝達されるこ
    とを特徴とする遠隔手術支援装置。
20. 【請求項２０】 請求項１９に記載の遠隔手術支援装置
    において、 前記マニピュレータの駆動機構は、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であることを特徴と
    する遠隔手術支援装置。
21. 【請求項２１】 請求項２０に記載の遠隔手術支援装置
    において、 前記アクチュエータは非磁性有機材料から構成されるこ
    とを特徴とする遠隔手術支援装置。
22. 【請求項２２】 請求項１９に記載の遠隔手術支援装置
    において、 前記マニピュレータは構造材として非磁性材料を使用す
    ることを特徴とする遠隔手術支援装置。
23. 【請求項２３】 請求項１に記載の遠隔手術支援装置に
    おいて、 前記術具の少なくとも１つは冷凍素子により構成された
    ものであることを特徴とする遠隔手術支援装置。
24. 【請求項２４】 請求項１に記載の遠隔手術支援装置に
    おいて、 前記臨場感制御情報生成手段により生成された臨場感制
    御情報および前記計測情報処理手段により生成された計
    測情報画像の一方または双方を記憶するための記憶手段
    を設け、該手段に記憶された情報を用いて仮想的に手術
    作業を行うことにより術者の訓練を行う機能を付加し、
    または上記記憶手段に記憶された情報を患者に提示して
    病状の説明を行う機能を付加したことを特徴とする遠隔
    手術支援装置。
25. 【請求項２５】 請求項２４に記載の遠隔手術支援装置
    において、 前記記憶手段に前記臨場感制御情報および計測情報画像
    の一方または双方を生成するモデルを記憶させ、このモ
    デルを用いて術者の訓練を行う機能を付加し、または上
    記記憶手段に記憶された情報を患者に提示して病状の説
    明を行う機能を付加したことを特徴とする遠隔手術支援
    装置。
26. 【請求項２６】 １人以上の術者が術具または治療器を
    遠隔操作することによって手術作業を支援するための遠
    隔手術支援装置において、 各術者が起こした動作を入力するためのマスタマニピュ
    レータと、 該マニピュレータの出力した動作指令を操作指令へと変
    換するための操作指令生成手段と、 該手段からの操作指令を解釈し駆動機構により患部に対
    する位置決めを行い、運動エネルギ・光エネルギ・電気
    エネルギ・熱エネルギのうちの1種類以上を発生または
    伝達することにより患部組織の変形・破壊・変性を行う
    ところの終端効果器を取り付けられたスレーブマニピュ
    レータと、からなることを特徴とする遠隔手術支援装
    置。
27. 【請求項２７】 請求項２６に記載の遠隔手術支援装置
    において、 前記マスタマニピュレータを複数個とし、前記スレーブ
    マニピュレータを１個もしくは複数個とするとともに、
    複数の前記仮想反力は、 前記術具または治療器の先端位置と患部との距離及びそ
    の時間に関する１階及び複数階の微分値から予め定めた
    数式により算出した力であることを特徴とする遠隔手術
    支援装置。
28. 【請求項２８】 請求項２６又は２７に記載の遠隔手術
    支援装置において、 術前および術中において患部とその周辺に変動磁場・電
    磁波・超音波のうちの1種類以上を周期的に印加し、透
    過あるいは共鳴信号を計測することにより生体内部情報
    を計測するための生体内部情報計測手段と、 該手段により計測された生体内部情報から三次元の計測
    情報画像を生成するための計測情報処理手段と、 患部の画像情報を取り込み、また上記スレーブマニピュ
    レータの患部への接近状態及び接触力を検出するための
    作業環境情報検出手段と、 該手段の出力と上記計測情報処理手段の出力を各術者に
    合成加工して臨場感制御情報として提示するための臨場
    感制御情報生成手段と、を付加したことを特徴とする遠
    隔手術支援装置。
29. 【請求項２９】 請求項２８に記載の遠隔手術支援装置
    において、 前記臨場感制御情報生成手段が生成する臨場感制御情報
    は、 前記作業環境情報検出手段が取り込んだ画像情報および
    前記計測情報処理手段により生成された計測情報画像と
    合成して術者に提示するための仮想画像と、 術者に音響情報として提示するための仮想音場と、 前記操作指令生成手段に於いて前記接触力と合成して術
    者に提示するための仮想反力情報と、の少なくとも１つ
    を含むことを特徴とする遠隔手術支援装置。
30. 【請求項３０】 １人以上の術者がマスタマニピュレー
    タを操作することにより、術者または治療器を具備した
    スレーブマニピュレータを駆動して患部に対する手術作
    業を行うための遠隔手術支援方法において、 各術者ごとのマスタマニピュレータから出力される動作
    指令を予め定めた重み付け係数を乗じて加算した合成指
    令により１つのスレーブマニピュレータを駆動すること
    を特徴とする遠隔手術支援方法。
31. 【請求項３１】 請求項３０に記載の遠隔手術支援方法
    において、 患部の生体内部情報を計測してその計測データから計測
    画像情報を生成し、また患部及び前記術具または治療器
    を外から撮像して患部画像情報を生成し、上記計測画像
    情報及び患部画像情報を合成して各術者に提示すること
    を特徴とする遠隔手術支援方法。
32. 【請求項３２】 請求項３０に記載の遠隔手術支援方法
    において、 前記術者または治療器と患部との距離又は接触力を検出
    してこれを術者に提示することを特徴とする遠隔手術支
    援方法。
33. 【請求項３３】 請求項３０に記載の遠隔手術支援方法
    において、 前記患部の温度分布を計測してこれを術者に提示するこ
    とを特徴とする遠隔手術支援方法。
34. 【請求項３４】 請求項３０に記載の遠隔手術支援方法
    において、 前記術具または治療器の先端の移動速度、加速度、及び
    目標位置からの偏差を求めて術者に提示することを特徴
    とする遠隔手術支援方法。
35. 【請求項３５】 請求項３０に記載の遠隔手術支援方法
    において、 前記術具または治療器の反力及び他術者の操作力を合成
    して各術者対応のマスタマニピュレータに伝えることを
    特徴とする遠隔手術支援方法。