手术支持系统和手术支持系统的控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及具有冗余关节(joint)的手术支持系统和能够控制手术支持系统的手术支持系统的控制方法。
[0002]要求2012年11月30日提交的美国临时专利申请N0.61/731，802的优先权，该专利申请的内容以引用方式并入本文中。
【背景技术】
[0003]近期，为了尝试节省医疗设施中的人手，已经对由机器人进行医疗治疗开展了研宄。特别地，在外科手术领域，在由具有多个自由度(多个关节)的机械手对患者执行治疗的手术支持系统中，已经阐明了各种提议。在这种手术支持系统中，已知的是，直接接触患者体腔的机械手可由远程操作设备进行远程操作。
[0004]这里，当使用手术支持系统执行针-钩操作(用内窥镜进行手术时尤其困难)时，在滚动与机械手远端附接的夹具的同时钩住针。这里，滚轴关节没有设置在其远端的机械手中，另一个关节根据用于滚动与远端附接的夹具的滚动协作地进行操作。在这种情况下，可操作多个关节与周围的内部器官等相碰。
[0005]另一方面，因为所谓的冗余关节被安装在例如远端部分，所以在专利文献I中公开了只能够决定远端的位置和方向的主-从机械手。另外，在冗余关节中，设置具有运动轴的关节，运动轴是旋转轴和线性移动轴中的一种，并且在初始状态下，关节的运动轴是平行的，在机械手中设置具有与旋转轴和线性移动轴属于同种类型的运动轴的另一个关节。
【发明内容】
[0006]技术问题
[0007]通常，在专利文献I等中公开的在远端安装有冗余关节的手术支持系统的情况下，用于根据来自操作单元的操作信息计算机械手的各关节的驱动量的反向动力学计算变复杂。在这种情况下，例如，因为冗余关节暂时固定，所以机械手的自由度可与操作单元的自由度相一致，当机械手的关节一对一地彼此对应时，可简化反向动力学计算。
[0008]然而，当操作人员固定的冗余关节被切换时，手术期间带给操作人员的负担增加。
[0009]本发明提供了其中基于位置关系计算单元计算的切换位置关系由机械手控制单元自动地执行具有冗余关系的关节的切换的手术支持系统和手术支持系统的控制方法。因此，不需要操作主设备的操作单元的操作人员切换关节，可减少手术期间带给操作人员的负担，可高效地执行手术。
[0010][问题的解决方案]
[0011]根据本发明的第一方面，一种手术支持系统，其被构造成使用安装在机械手的远端侧的治疗单元，在使用图像采集单元进行观察的同时，对作为治疗目标的目标组织执行治疗，所述机械手的远端侧是当从所述机械手的固定端看时的远端，该手术支持系统包括:
[0012]所述机械手，其具有对应于多个自由度的多个关节并且包括所述多个关节之中具有冗余关系的至少两个冗余关节；
[0013]操作单元，其被构造成提供对应于所述多个自由度的操作信息；
[0014]位置关系计算单元，其被构造成计算所述目标组织或所述治疗单元和所述图像采集单元之间的切换位置关系；
[0015]控制单元，其被构造成根据所述操作信息来控制关节的操作，
[0016]其中，所述控制单元基于所述切换位置关系，使用所述至少两个冗余关节中的一个作为驱动关节并且使用所述至少两个冗余关节中的其它冗余关节作为固定关节来控制所述机械手。
[0017]根据本发明的第二方面，在根据第一方面所述的手术支持系统中，所述切换位置关系可代表所述目标组织或所述治疗单元和所述图像采集单元之间的距离，当所述切换位置关系等于或小于阈值时，所述控制单元可使用所述至少两个冗余关节中与所述机械手的远端最靠近的关节作为驱动关节，
[0018]当所述切换位置关系大于阈值时，使用所述至少两个冗余关节中与所述机械手的远端最远离的关节作为驱动关节。
[0019]根据本发明的第三方面，在根据第一方面所述的手术支持系统中，所述位置关系计算单元可包括:
[0020]图像采集单元检测单元，其被构造成检测所述图像采集单元的位置；
[0021]治疗单元检测单元，其被构造成检测所述治疗单元的位置，所述位置关系计算单元可被构造成基于检测到的所述图像采集单元的位置和检测到的所述治疗单元的位置，计算所述治疗单元和所述图像采集单元之间的距离作为切换位置关系。
[0022]根据本发明的第四方面，根据第三方面所述的手术支持系统还可包括能够获取图像的所述图像采集单元。
[0023]根据本发明的第五方面，在根据第三方面所述的手术支持系统中，所述位置关系计算单元可被构造成只有当所述治疗单元位于所述图像采集单元的视场内时才计算切换距离。
[0024]根据本发明的第六方面，在根据第一方面所述的手术支持系统中，所述位置关系计算单元可被构造成基于通过拍摄所述治疗单元得到并且由所述图像采集单元获取的图像，计算所述治疗单元和所述图像采集单元之间的距离作为切换位置关系。
[0025]根据本发明的第七方面，在根据第一方面所述的手术支持系统中，所述图像采集单元可以能够获取通过从不同倾斜方向拍摄所述目标组织而得到的第一图像和第二图像，
[0026]所述位置关系计算单元可被构造成基于获取的所述第一图像和所述第二图像计算所述目标组织和所述图像采集单元之间的距离作为切换距离。
[0027]根据本发明的第八方面，一种手术支持系统的控制方法，其被构造成控制包括机械手的手术支持系统，所述机械手具有对应于多个自由度的多个关节并且包括所述多个关节之中具有冗余关系的至少两个冗余关节，该控制方法包括:
[0028]计算使用安装在所述机械手处的治疗单元进行治疗的目标组织或所述治疗单元与所述图像采集单元之间的切换位置关系；
[0029]使用所述至少两个冗余关节中的一个作为驱动关节并且使用所述至少两个冗余关节中的其它冗余关节作为固定关节，基于切换位置关系来控制所述机械手。
[0030][本发明的有利效果]
[0031]根据本发明的优选实施方式的手术支持系统，提供了其中基于位置关系计算单元计算的切换位置关系由机械手控制单元自动地执行具有冗余关系的关节的切换的手术支持系统和手术支持系统的控制方法。因此，不需要操作主设备的操作单元的操作人员切换关节，可减少手术期间带给操作人员的负担，可有效地执行手术。
【附图说明】
[0032][图1]
[0033]图1是示出根据本发明的第一优选实施方式的手术支持系统的全貌。
[0034][图2]
[0035]图2是示意性示出根据本发明的第一优选实施方式的手术支持系统的从机械手中的一个的视图。
[0036][图3]
[0037]图3是示出根据本发明的第一优选实施方式的手术支持系统的框图。
[0038][图4]
[0039]图4是示意性示出根据本发明的第一优选实施方式的手术支持系统的从机械手中的另一个的远端侧的视图。
[0040][图5]
[0041]图5是示出根据本发明的第一优选实施方式的手术支持系统的操作单元的立体图。
[0042][图6]
[0043]图6是用于描述根据本发明的第一优选实施方式的手术支持系统的控制设备测得的切换距离的视图。
[0044][图7]
[0045]图7是用于描述根据本发明的第一优选实施方式的手术支持系统的控制方法的视图。
[0046][图8]
[0047]图8是示出根据本发明的第一优选实施方式的手术支持系统的控制方法的流程图。
[0048][图9]
[0049]图9是示出根据本发明的第二优选实施方式的手术支持系统的框图。
[0050][图10]
[0051]图10是用于描述根据本发明的第二优选实施方式的使用手术支持系统进行的过程的视图。
[0052][图11]
[0053]图11是示出根据本发明的第三优选实施方式的手术支持系统的框图。
[0054][图12]
[0055]图12是示出当将手术钳设置成相对接近内窥镜时的图像和构成该图像的放大像素中的一些的视图。
[0056][图13]
[0057]图13是示出当将手术钳设置成相对远离内窥镜时的图像和构成该图像的放大像素中的一些的视图。
[0058][图14]
[0059]图14是示出根据本发明的第四优选实施方式的手术支持系统的框图。
[0060][图15]
[0061]图15是示出根据本发明的第四优选实施方式的与手术支持系统一起使用的内窥镜的视图。
[0062][图16]
[0063]图16是示出根据本发明的第四优选实施方式的内窥镜所获取的第一图像和第二图像的示例的视图。
[0064][图17]
[0065]图17是用于描述根据本发明的第四优选实施方式的手术支持系统的控制设备测得的切换距离的另一个示例的视图。
[0066][图18]
[0067]图18是用于描述根据本发明的第四优选实施方式的手术支持系统的控制设备测得的切换距离的另一个示例的视图。
【具体实施方式】
[0068](第一优选实施方式)
[0069]下文中，将参照