手术支持装置及其控制方法
【专利摘要】一种手术支持装置至少使用第一标记来检测被检测体的位置和取向，所述被检测体具有主体部分和操纵部分，第一标记附接到所述主体部分，第二标记附接到所述操纵部分，该手术支持装置至少使用所述第二标记来检测操纵输入状态，并且基于所检测的位置、取向和操纵输入状态使得从机械手的手术器械与所述被检测体互锁。
【专利说明】手术支持装置及其控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种远程地操纵的手术支持装置及其控制方法。
[0002]本申请要求于2012年2月27日提交的日本专利申请N0.2012-040011以及于2011年8月4日提交的美国临时专利申请N0.61/515203的优先权，通过引用将这些专利申请的内容并入本文。
【背景技术】
[0003]传统上，将具有主机械手(master manipulator)和从机械手(slavemanipulator)的主从式手术支持装置称为手术支持装置，主机械手由操作者来操纵，从机械手基于从主机械手输出的信号运动。
[0004]已知使用检测操作者的手的位置和取向以及打开和闭合状态的跟踪装置使得手术支持装置工作(例如，参见专利文献I)。
[0005]在专利文献I中描述的跟踪装置包括:手套，所述手套上附接有多个标记；以及检测器，所述检测器检测所述标记的位置。因此，当操作者戴上附接有多个标记的手套并且移动他/她的手时，可以使得从机械手基于手的位置和取向以及打开和闭合状态来工作。
[0006]引用列表
[0007]专利文献
[0008][专利文献I]美国专利公开N0.2011/0118753
【发明内容】
[0009]技术问题
[0010]然而，在专利文献I中所描述的跟踪装置中，手的位置和取向以及打开和闭合状态是基于附接到手套的所有标记的相对位置关系来计算的。由于手的位置、取向以及打开和闭合状态相对于多个所检测的标记是独立的并且是计算出的，因此计算量增加。当采用模式匹配技术来减少计算负荷时，根据手指或手掌的弯曲状态存在所述标记的位置关系的许多模式并且因此应当预先准备大量的模式。
[0011]由于具有相同构造的多个标记附接至手套，因此这些标记可能被错误地识别并且可能发生针对手术支持装置的错误输入。
[0012]考虑到上述情况而做出本发明，并且本发明的目的在于提供一种手术支持装置及其控制方法，该手术支持装置能够利用简单的构造准确地远程输入操纵。
[0013]问题的解决方案
[0014]为了实现上述目的，本发明提供了如下装置。
[0015]根据本发明的第一方面，提供了一种手术支持装置，所述手术支持装置包括:操纵输入单元，所述操纵输入单元基于来自操作者的输入来输出操纵命令；以及动作单元，所述动作单元基于所述操纵命令使手术器械运动，所述操纵输入单元包括:被检测体，所述被检测体由所述操作者把持；以及检测装置，所述检测装置检测所述被检测体，所述被检测体包括:主体部分，所述主体部分上布置有第一标记，所述第一标记由所述检测装置检测；操纵部分，所述操纵部分被布置在所述主体部分中并且由所述操作者来操纵；以及第二标记，所述第二标记被布置在所述主体部分和所述操纵部分中的至少一个中。所述第二标记的状态响应于对所述操纵部分的操纵来改变。所述检测装置至少使用所述第一标记来计算能够确定所述被检测体的位置和取向的信息并且至少使用所述第二标记来计算能够确定所述操纵部分的操纵输入状态的信息，并且所述操纵输入单元基于由所述检测装置计算的结果将用于使得所述手术器械运动的命令作为操纵命令输出到所述动作单元，由此基于所述被检测体的所述位置和所述取向以及所述操纵输入状态来控制所述手术器械的动作。 [0016]根据本发明的第二方面的手术支持装置，在第一方面中，所述操纵部分可移动地连接到所述主体部分，所述第二标记被布置在所述操纵部分中，并且所述检测装置至少使用所述第一标记来计算所述主体部分的位置和取向并且基于所述第二标记的位置来计算所述操纵部分的所述操纵输入状态。
[0017]根据本发明的第三方面的手术支持装置，在第二方面中，所述操纵部分能够相对于所述主体部分打开和闭合。
[0018]根据本发明的第四方面的手术支持装置，在第一至第三方面中，所述第一标记所在的第一位置和所述第二标记所在的第二位置彼此不同，除了所述第一位置与所述第二位置以外，所述第一标记与所述第二标记在至少一个事项方面不同，并且所述检测装置基于所述事项在所述第一标记与所述第二标记之间进行区分。
[0019]根据本发明的第五方面的手术支持装置，在第一至第三方面中，仅所述第一标记所在的第一位置和所述第二标记所在的第二位置彼此不同，并且所述检测装置仅基于所述第一标记的所述第一位置与所述第二标记的所述第二位置之间在所述操纵输入单元上的相对位置关系在所述第一标记与所述第二标记之间进行区分。
[0020]根据本发明的第六方面的手术支持装置，在第三方面中，所述检测装置使用所述第一标记与所述第二标记两者来计算所述主体部分的所述位置和所述取向以及所述操纵输入状态。
[0021]根据本发明的第七方面的手术支持装置，在第四方面中，所述第二标记的状态量根据所述操纵部分的操纵量来改变。
[0022]本发明的第八方面的一种手术支持装置的控制方法，该控制方法使用被检测体来控制所述手术支持装置，所述被检测体具有附接有第一标记的主体部分和附接有第二标记的操纵部分，所述控制方法包括:检测所述被检测体的所述第一标记和所述第二标记；至少使用所检测的第一标记来计算能够确定所述被检测体的位置和取向的第一信息，并且至少使用所检测的第二标记来计算能够确定所述操纵部分的操纵输入状态的第二信息；以及使用所述第一信息和所述第二信息来控制布置在所述手术支持装置中的手术器械的运动。
[0023]本发明的有益效果
[0024]根据手术支持装置及其控制方法，可以利用简单的构造来准确地远程地输入操纵。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]图1是例示根据本发明的第一实施方式的手术支持装置的整体构造的图。[0026]图2是例示手术支持装置中的被检测体的平面图。
[0027]图3是例示被检测体的平面图。
[0028]图4是例示提供给手术支持装置的手术器械的示例的示意图。
[0029]图5是例示手术支持装置中的检测装置的构造的示意图。
[0030]图6是例示检测手术支持装置中的被检测体的方法的图。
[0031]图7是例示检测手术支持装置中的被检测体的方法的图。
[0032]图8是例示检测手术支持装置中的被检测体的方法的图。
[0033]图9是例示检测手术支持装置中的被检测体的方法的图。
[0034]图10是例示手术支持装置的变型例的部分构造的示意图。
[0035]图11是例示根据本发明的第二实施方式的提供给手术支持装置的被检测体的平面图。
[0036]图12是例示被检测体的平面图。
[0037]图13是例示被检测体的平面图。
[0038]图14是例示 第二实施方式的变型例中的被检测体的平面图。
[0039]图15是例示被检测体的平面图。
[0040]图16是例示被检测体的平面图。
[0041]图17是例示第二实施方式的另一个变型例中的被检测体的平面图。
[0042]图18是例示被检测体的平面图。
[0043]图19是例示根据本发明的第三实施方式的提供给手术支持装置的被检测体的平面图。
[0044]图20是例示被检测体的平面图。
[0045]图21是例示第三实施方式的变型例中的被检测体的平面图。
[0046]图22是例示被检测体的平面图。
【具体实施方式】
[0047]第一实施方式
[0048]下面将描述根据本发明的第一实施方式的手术支持装置I及其控制器方法。图1是例示根据该实施方式的手术支持装置的整体构造的图。图2是例示手术支持装置中的被检测体的平面图。图3是例示被检测体的平面图。图4是例示提供给手术支持装置的手术器械(surgical instrument)的示例的示意图。
[0049]如图1所示，手术支持装置I包括主机械手(操纵输入单元)2、从机械手(动作单元)14、显示装置20和控制装置21。
[0050]主机械手2用于使得从机械手14响应于操作者Op的运动而运动，并且包括由操作者Op把持的被检测体3和检测该被检测体3的检测装置10。在该实施方式中，主机械手2和控制装置21的转换处理单元22构成操纵输入单元，该操纵输入单元输出用于使得从机械手14运动的操纵命令。
[0051]如图1和图2所示，被检测体3用于允许把持该被检测体3的操作者Op将操纵输入到主机械手2。被检测体3包括主体部分4和与该主体部分4可移动地连接的操纵部分6。[0052]主体部分4是具有第一标记5的构件，所述第一标记5附接到该主体部分4的外表面。附接到该主体部分4的第一标记5被排列在该主体部分4的外表面上的彼此分离的三个位置处。第一标记5例如通过印刷被布置在主体部分4的外表面上。
[0053]第一标记5被定位并且排列在主体部分4上。因此，第一标记5的位置和取向与主体部分4的位置和取向相对应。所述三个第一标记5被排列为使得以所述第一标记5为顶点的三角形的三条边的长度彼此不同。结果，可以基于第一标记5的相对位置关系来唯一确定主体部分4的取向。
[0054]在该实施方式中，为了允许被布置在稍后将描述的成像单元11中的多个相机中的一个捕获所有第一标记5的图像，第一标记5被排列在主体部分4的外表面上的平面部分或者非常轻微弯曲的部分中。
[0055]可以额外设置三个或更多个标记，从而处理在操纵期间将三个第一标记5中的某个第一标记5屏蔽的情况。当三个第一标记5中的某一个第一标记被屏蔽时,使用额外标记中的另一个标记来计算位置和取向。
[0056]三个或更多个标记5可以排列在片上，并且该片可以附接至主体部分4的外表面。
[0057]如图1所示，操纵部分6被设置为对布置在从机械手14中的手术器械16进行操纵并且由操作者Op来操纵。在该实施方式中，操纵部分6用于打开和闭合一对钳片(forcepspiece)17，该对钳片17布置在作为手术器械16的夹持钳的处理部分18中(参见图4)。操纵部分6包括从主体部分4的外表面突出的一对杆状部7，如图2和图3所示。每个杆状部7的一端设置有枢轴部8，该枢轴部8支撑杆状部7以能够相对于主体部分4转动。状态根据对操纵部分6的操纵而变化的第二标记9附接至每个杆状部7的另一端。
[0058]在该实施方式中，第二标记9响应于对操纵部分6的操纵而与操纵部分6 —起移动。在该实施方式中，第二标记9所在的第二位置与第一标记5所在的第一位置不同，但是除了位置之外，第一标记5和第二标记9具有相同的构造。
[0059]该对杆状部7被设置为彼此面对，在该对杆状部7之间插设有主体部分4。通过使得各个杆状部7绕对应的枢轴部8转动，操纵部分6可以执行与被布置在手术器械16中的一对钳片17的动作相对应的打开和闭合动作。例如，操纵部分6的打开和闭合机构包括连杆机构6a和对连杆机构6a进行偏置以打开杆状部7的偏置构件6b。
[0060]图5是例示手术支持装置中的检测装置的构造的示意图。图6和图7是例示在手术支持装置中检测被检测体的方法的图。
[0061]如图5所示，检测装置10包括成像单元11、图像识别单元12和输出单元13。
[0062]检测装置10至少使用第一标记5来计算能够确定被检测体3的位置和取向的信息并且至少使用第二标记9来计算能够确定操纵部分6的操纵输入状态的信息。
[0063]通过基于检测装置10的计算结果将用于使手术器械16运动的命令作为操纵命令输出到从机械手14，主机械手2基于被检测体3的位置和取向以及操纵输入状态来控制手术器械16的运动。
[0064]成像单元11是当用户使用被检测体3时对该被检测体3进行成像的装置。当使用手术支持装置I时，成像单元11的成像视野被设置为对由用户移动被检测体3的整个空间(在下文中称为“工作空间Q1”)进行成像。成像单元11至少包括:第一相机，该第一相机从预订方向捕获工作空间Ql的图像；以及第二相机，该第二相机从所述预订方向以外的方向捕获图像。因此，成像单元11可以捕获位于工作空间Ql中的被检测体3的至少两个图像，所述至少两个图像具有不同的角度。成像单元11可以包括三个或更多个相机。成像单元11可以包括预备相机(preliminary camera)以处理操作者Op或另一个障碍物被插入在被检测体3与相机之间的情况。成像单元11向图像识别单元12输出所捕获的图像。[0065]图像识别单元12通过对所捕获的图像进行图像识别处理来独立地识别第一标记5和第二标记9。在该实施方式中，主机械手2中的第一标记5的第一位置和第二标记9的第二位置彼此不同，并且图像识别单元12仅基于第一标记5和第二标记9在主机械手2上的相对位置关系在第一标记5与第二标记9之间进行区分。例如，通过将第一标记5和第二标记9的相对位置关系的多个模式存储在图像识别单元12中并且将从成像单元11输入的图像与存储在图像识别单元12中的模式相组合，获取第一标记5和第二标记9在工作空间Ql中的坐标。在该实施方式中，由于第一标记5在主体部分4中的位置关系是固定的，因此可以首先检测到以第一标记5为顶点的三角形(参见图6)并且可以将位于该三角形外部的标记检测为第二标记9。另外，作为图像识别处理，可以适当地采用已知手段。
[0066]输出单元13将由图像识别单元12获取的坐标作为坐标信息输出到控制装置21的转换处理单元22。在该实施方式中，从输出单元13输出的坐标信息包括:允许转换处理单元22确定被检测体3的位置和取向的信息(第一信息)和允许转换处理单元22确定操纵部分6的操纵输入状态的信息(第二信息)。以预定传输时间从输出单元13输出坐标信息，而不考虑被检测体3在工作空间Ql中移动的事实。
[0067]如图1所示，从机械手14包括具有内窥镜装置15和手术器械16 (下文中也统称为“手术器械等”)的从臂19以及使得手术器械等和从臂19致动的致动器(没有示出)。布置在从机械手14中的致动器根据从控制装置21中输出的驱动信号来工作。
[0068]如图1所示，布置在从机械手14中的内窥镜装置15获取处理目标或手术器械16的图像并且向显示装置20输出所获取的图像。
[0069]手术器械16被设置为处理内窥镜装置15的视野内的处理目标。手术器械16的类型没有具体限制，并且可以根据处理细节适当地采用已知的手术器械。手术器械16不限于可以附接至从机械手14的手术器械，还可以是与从机械手14协作的工具。
[0070]在该实施方式中，将包括可以打开和闭合的一对钳片17的夹持钳描述为手术器械16的示例(参见图4)。在夹持钳中，钳片17经由预定的旋转轴彼此连接并且该对钳片17构成处理部分18。由布置在夹持钳或者从臂19中的位置和取向检测装置来检测处理部分18的位置和取向。由位置和取向检测装置检测到的处理部分18的位置和取向被输出到控制装置21或者被控制装置21参考。
[0071]位置和取向检测装置的示例是布置在从臂19的每一个关节轴(joint shaft)中的编码器。处理部分18的位置和取向可以通过对这些关节位移进行运动学分析来计算。
[0072]如图1所示，显示装置20被安装在与主机械手2的检测装置10相同的底座上，并且被布置在操作者Op的前面。显示装置20包括显示由内窥镜装置15获取的图像的显示面板。该显示面板可以适当地采用液晶面板或有机EL面板。该显示面板可以是显示立体图像的面板。显示立体图像的显示面板可以采用能够通过使用专用眼镜来分离左眼图像和右眼图像的构造或者可以利用裸眼来立体地观看图像的构造。
[0073]控制装置21包括与检测装置10连接的转换处理单元22和与转换处理单元22连接且与从机械手14的致动器连接的从驱动单元23。
[0074]转换处理单元22通过使用布置在从机械手14中的位置和取向检测装置来获取从机械手14的跟踪信息，该从机械手14的跟踪信息指示手术器械16和从臂19的位置和取向以及布置在手术器械16中的处理部分18的状态。将从机械手14的跟踪信息存储在转换处理单元22中，作为在例如通过正交坐标系统限定的预定三维空间中手术器械16和从臂19的位置和取向以及处理部分18的位置和取向。
[0075]从检测装置10输出的被检测体3的坐标信息被输入到转换处理单元22。被检测体3的坐标信息以预定的发送时间被输入到转换处理单元22中，并且被获取到转换处理单元22作为被检测体3在转换处理单元22中的跟踪信息。
[0076]转换处理单元22具有使被检测体3的跟踪信息的坐标系与从机械手14的跟踪信息的坐标系相互匹配的坐标系转换功能。转换处理单元22具有使被检测体3的跟踪信息的比例(scale)与从机械手14的跟踪信息的比例相互匹配的比例转换功能(scaleconverting function)。通过使用坐标转换功能和比例转换功能,可以将在观看显示装置20的同时移动被检测体3的操作者Op的运动适当地转换成从机械手14的运动。转换处理单元22还存储第二标记9间的距离与钳片17的远端间的距离之间的对应关系。
[0077]转换处理单元22将用于使从机械手14运动的操纵命令输出到从驱动单元23。从转换处理单元22输出的操纵命令例如包括:用于确定被布置在从机械手14中的多个致动器中的要运动的致动器的信号和用于确定该致动器的运动量的信号。
[0078]从驱动单元23根据来自转换处理单元22的操纵命令来驱动从机械手14的致动器。
[0079]下面将描述手术支持装置I的控制方法和操作。
[0080]当使用手术支持装置I时，操作者Op把持被检测体3并且将手指钩在操纵部分6上(参见图1)。当操作者Op移动主体部分4时，布置在主体部分4中的第一标记5随着主体部分4 一起移动(参见图2和图3)。此时，由布置在检测装置10中的成像单元11对第一标记5进行成像。布置在操纵部分6中的第二标记9随着操纵部分6—起移动。此时，由布置在检测装置10中的成像单元11对第二标记9进行成像。
[0081]在该实施方式中，基于预先存储在检测装置10中的第一标记5和第二标记9的排列模式对第一标记5和第二标记9进行区分。在操作者面对显示装置20并且观看显示装置20的取向中，检测装置10基于具有前后轴、上下轴和左右轴作为坐标轴的正交坐标系在三维空间(即，工作空间)中检测第一标记5的位置和取向以及第二标记9的位置和取向。
[0082]这里,第一标记5的取向和位置与主体部分4的取向和位置相对应，并且第二标记9的取向和位置与操纵部分6的取向和位置相对应。检测装置10将第一标记5和第二标记9在检测装置10中限定的三维空间中的坐标信息输出到转换处理单元22。
[0083]转换处理单元22将从该从机械手14获取的从机械手14的跟踪信息与从检测装置10输出的坐标信息(被检测体3的跟踪信息)相比较并且控制处理部分18的位置和取向以及布置在处理部分18中的钳片17的打开和闭合。
[0084]首先，将描述处理部分18的位置和取向的控制。
[0085]转换处理单元22基于三个第一标记5的坐标信息来识别主体部分4在工作空间中的位置和取向。当由转换处理单元22识别的主体部分4的位置和取向与从机械手14的跟踪信息之间的关系与预定的对应关系不同时，转换处理单元22激活从驱动单元23以使从臂19和手术器械16运动，从而满足预定的对应关系。此时，转换处理单元22执行用于使工作空间的坐标系与从机械手14的坐标系相匹配的坐标转换和比例转换，使用转换后的信息来创建操纵命令，并且将所创建的操纵命令输出到从驱动单元23。
[0086]下面将描述钳片17的打开和闭合的控制。
[0087]转换处理单元22计算当沿着与包括所有三个第一标记5的虚拟平面平行的虚拟平面进行测量时第二标记9之间的距离d (参见图7)。在该实施方式中，第二标记9的坐标由检测装置10来计算，并且转换处理单元22使用所述坐标来计算第二标记9之间的距离。当输入到转换处理单元22的第二标记9间的距离与从机械手14的跟踪信息中的钳片17的远端间的距离之间的关系与预定的对应关系不同时，转换处理单元22激活从驱动单元23以改变钳片17的打开程度，从而满足预定的对应关系。因此，操纵部分6相对于主体部分4的运动被传达(deliver)为从机械手14的钳片17的打开和闭合运动。
[0088]按照这种方式，转换处理单元22将从机械手14的跟踪信息与被检测体3的跟踪信息相比较并且输出操纵命令，从而在两个跟踪信息项(piece)彼此不同时使从机械手14的跟踪信息与被检测体3的跟踪信息相匹配。响应于从转换处理单元22输出的操纵命令，从驱动单元23使从臂19和手术器械16运动，从而与被检测体3的位置和取向以及操纵部分6的操纵输入状态相对应。
[0089]结果，从机械手14随着被检测体3的运动而运动。[0090]如上所述，根据该实施方式的手术支持装置I通过使用布置在被检测体3的主体部分4中并且其预定位置关系没有变化的第一标记5来检测被检测体3的位置和取向。根据该实施方式的手术支持装置I通过使用布置在被检测体3的操纵部分6中并且其预定位置关系变化的第二标记9来检测操纵部分6的操纵输入状态。因此，由于可以将第一标记5和第二标记9独立地检测为不同的标记，因此可以利用简单的构造来准确地远程地输入操纵。
[0091]这里，由于用于检测被检测体3的位置和取向的所有第一标记5都是相对于主体部分4进行定位的，因此容易检测到其位置和取向。由于可以基于其位置关系相对于主体部分4已知的第一标记5来区分第二标记9，因此除了标记所在的位置(诸如第一标记5的第一位置和第二标记9的第二位置)以外的构造可以彼此相同并且因此可以简化构造。
[0092]由于用于检测位置和取向的标记与用于检测操纵输入状态的标记独立的布置，因此可以减少错误的检测。
[0093]变型例1-1
[0094]下面将描述第一实施方式的变型例。图8和图9是例示在手术支持装置中检测被检测体的方法的图。
[0095]该变型例与第一实施方式的不同在于:在转换处理单元22中计算第二标记9之间的距离的方法。
[0096]转换处理单元22根据使用第一标记5的主体部分4的取向检测结果来限定主体部分4的中心轴01 (参见图8)。随后，针对第二标记9单独地计算从中心轴01到第二标记9的距离dl和d2 (参见图9)。因此，在该变型例中，转换处理单元22可以基于第二标记9相对于主体部分4的位置变化来计算操纵部分6的操纵输入状态。[0097]在该变型例中，即使当布置在操纵部分6中的第二标记9中的一个没有通过成像单元11成像而所述第二标记9中的另一个通过成像单元11成像，也可以获取与上述实施方式相同的检测结果。
[0098]变型例1-2
[0099]下面将描述第一实施方式的另一个变型例。
[0100]在第一实施方式中，已经说明了第一标记5所在的第一位置与第二标记9所在的第二位置不同。在该变型例中，除了第一位置和第二位置以外，第一标记5与第二标记9在至少一个事项方面不同。
[0101]例如，第一标记5与第二标记9具有不同的颜色。成像单元11至少可以独立地获取第一标记5的颜色和第二标记9的颜色。检测装置10独立的获取第一标记5的坐标和第二标记9的坐标，并且将所获取的坐标输出到转换处理单元22。
[0102]根据该变型例的构造，由于可以基于颜色对第一标记5和第二标记9进行彼此区分，因此转换处理单元22不需要执行根据第一标记5和第二标记9的相对位置关系来区分第一标记5和第二标记9的计算，并且因此减少了计算负荷。当第一标记5和第二标记9彼此接近时，可以减少错误地识别两种标记的可能性。
[0103]尽管已经在该变型例中说明了基于颜色来区分第一标记5和第二标记9，但是通过除了颜色之外将尺寸、形状、外形(figure)或光反射系数设置为不同，也可以实现相同的优点。
[0104]可以通过具有不同的发光周期或光强度的光源27来构造第一标记5和第二标记9。
[0105]按照这种方式，可以基于第一标记5与第二标记9之间的不同(第一位置和第二位置以外的事项)来区分第一标记5和第二标记9。
[0106]变型例1-3
[0107]此外，下面将描述第一实施方式的另一个变型例。图10是示意性地例示根据该变型例的手术支持装置的部分构造的图。
[0108]在该变型例中，如在变型例2中所描述的那样，设置了在颜色、尺寸、形状、外形、光反射系数、发光周期或光强度方面彼此不同的第一标记5和第二标记9。如图10所示，检测装置10包括检测第一标记5的第一检测单元IOa和检测第二标记9的第二检测单元10b。
[0109]在该变型例中，由于用于检测主体部分4的位置和取向的检测系统和用于检测操纵部分6的操纵状态的检测系统是彼此独立的，因此可以容易地检测到对操纵部分6的操纵并且提高检测准确度。
[0110]对于在该变型例中的标记与检测单元的组合，可以采用适当的组合。包括两种类型的相机的检测装置的示例包括:包括红外传感器和颜色可区分相机作为检测单元的检测装置；包括具有不同的可识别波长的相机作为检测单元的检测装置；包括广角相机和变焦相机作为检测单元的检测装置；以及包括利用成像周期的延迟来捕获图像从而与第一标记5和第二标记9的发光周期相对应的相机作为检测单元的检测装置。
[0111]可以使用包括两种类型的传感器系统的检测装置来代替包括两种类型的相机的检测装置。其示例包括如下的检测装置。可以采用包括光学传感器作为检测单元和磁传感器作为检测单元的检测装置，该光学传感器检测反射标记作为第一标记5，该磁传感器检测磁线圈作为第二标记9。可以采用包括超声波传感器作为检测单元的检测装置，该超声波传感器检测作为第二标记9的超声波生成器。可以采用包括温度传感器作为检测单元的检测装置，该温度传感器检测作为第二标记9的热源。
[0112]代替包括两种类型的传感器系统的检测装置，可以使用包括一种类型的传感器系统的检测装置。例如，可以使用包括单个信号检测单元的检测装置，该单个信号检测单元检测作为第一标记5和第二标记9的具有不同频率的信号生成器。信号的示例包括光频率、电波频率和超声波频率。
[0113]第二实施方式 [0114]下面将描述根据本发明的第二实施方式的手术支持装置I。在下面描述的实施方式中，与第一实施方式中相同的要素通过相同的附图标记来引用并且其描述将不再重复。
[0115]图11至图13是例示根据该实施方式布置在手术支持装置中的被检测体的平面图。
[0116]如图1和图11所示，根据该实施方式的手术支持装置I与根据第一实施方式的手术支持装置的不同在于:设置被检测体3A和检测装置IOA来代替布置在主机械手2中的被检测体3和检测装置10，并且设置转换处理单元22A来代替布置在控制装置21中的转换处理单元22。
[0117]被检测体3A包括代替第二标记9的第二标记9A。
[0118]如图11至图13所示，第二标记9A包括线性移动杆25，该线性移动杆25通过操纵部分6的转动运动相对于主体部分4突出和缩回。线性移动杆25经由诸如连杆(link)的转换机构与操纵部分6的杆状部7连接，该转换机构将绕枢轴部8的转动运动转换成线性运动。在该实施方式中，当使一对杆状部7绕枢轴部8转动以闭合操纵部分6时，线性移动杆25从主体部分4突出。当使该对杆状部7绕枢轴部8转动以打开操纵部分6时，线性移动杆25缩回到主体部分4中。因此，线性移动杆25从主体部分4突出的长度改变以与操纵部分6的打开程度相对应。
[0119]检测装置IOA与第一实施方式类似地检测第一标记5。
[0120]检测装置IOA检测第二标记9A而不是在第一实施方式中描述的检测第二标记9。通过检测线性移动杆25的从主体部分4突出的部分的表面积的大小来检测第二标记9A。此时，由于图像中的线性移动杆25的表面积根据被检测体3与成像单元11的相机之间的距离而变化，因此使用被检测体3在工作空间Ql中的位置信息将线性移动杆25的表面积从图像中的大小校正到实际大小。检测装置IOA将使用第一标记5计算的与主体部分4有关的坐标信息和使用第二标记9A计算的线性移动杆25的表面积输出到转换处理单元22A。
[0121]转换处理单元22A使用由检测装置IOA计算的线性移动杆25的表面积来控制该对钳片17的打开程度。例如，当线性移动杆25完全缩回到主体部分4中时，从主体部分4突出的线性移动杆25的面积是零，这与该对钳片17完全打开的状态相对应。从主体部分4突出的线性移动杆25的面积大于预定面积的情况与该对钳片17完全闭合的状态相对应。例如，可以将该预定面积设置为当操纵部分6完全闭合时从主体部分4突出的线性移动杆25的面积。
[0122]在该实施方式中，转换处理单元22A基于布置在第二标记9A中的线性移动杆25的表面积的变化将用于控制该对钳片17的打开程度的操纵命令输出到从驱动单元23。利用该实施方式的构造，从机械手14可以与对被检测体3的操纵互锁，与第一实施方式类似。
[0123]代替使用控制线性移动杆25的表面积变化的方法，可以基于线性移动杆25的远端与近端之间的距离的变化来控制钳片17的打开程度。
[0124]变型例2-1
[0125]下面将描述第二实施方式的变型例。图14至图16是例示该变型例中的被检测体的平面图。
[0126]如图14至图16所示，该变型例与第二实施方式的不同在于:在主体部分4中形成窗口 4a，并且在主体部分4内部布置线性移动构件26来代替相对于主体部分4突出和缩回的线性移动杆25。
[0127]通过使得线性移动构件26在窗口 4a中移动，线性移动构件26的暴露面积变化。
[0128]在该变型例中，可以使用线性移动构件26相对于窗口 4a的开口面积的暴露面积来指示该对钳片17的打开程度。
[0129]变型例2-2
[0130]下面将描述第二实施方式的另一个变型例。图17和图18是例示根据该变型例的被检测体的平面图。
[0131]如图17和图18所示，该变型例与上述变型例的不同在于:在第二标记9A中设置光源27来代替线性移动杆25，所述光源27的发光状态根据操纵部分6的杆状部7的打开和闭合而变化。
[0132]布置在第二标记9A中的光源27根据杆状部7的打开和闭合在光强度、闪烁周期和颜色中的至少一个方面变化。
[0133]在改变光源27的光强度的方法的另一个示例中，可以设置与线性移动杆25类似地线性移动的盖以及布置在主体部分4中并且由该盖覆盖的光源来代替在变型例2-1中所描述的线性移动杆25。在这种情况下，光源可以具有恒定的光强度或恒定的发光周期。在这种情况下，由于盖根据对操纵部分6的操纵进行移动并且由该盖覆盖的光源的面积变化，因此到达检测装置10的光强度也变化。
[0134]第三实施方式
[0135]下面将描述根据本发明的第三实施方式的手术支持装置。图19和图20是例示根据该实施方式布置在手术支持装置中的被检测体的平面图。
[0136]手术支持装置I与根据第一实施方式的手术支持装置的不同在于:该手术支持装置I包括所设置的被检测体3B来代替在第一实施方式中描述的被检测体3以及所设置的转换处理单元22B来代替在第一实施方式中描述的转换处理单元22。
[0137]被检测体3B包括如在第一实施方式中所描述的主体部分4和操纵部分6，并且在主体部分4中布置其排列与第一实施方式中的排列不同的第一标记5。
[0138]第一标记5布置在主体部分4的外表面上的一个位置并且第二标记9与第一实施方式类似地布置在操纵部分6的各个杆状部7中。
[0139]从第一标记5 到第二标记9的距离是相同的并且各第二标记9之间的距离小于第一标记5与第二标记9之间的距离。因此，即使当操纵部分6以任何打开程度打开，由第一标记5和第二标记9形成的三点都是等边三角形(equilateral triangle)的顶点。[0140]检测装置10将第一标记5和第二标记9在工作空间Ql中的坐标输出到转换处理单元22B。
[0141]转换处理单元22B基于由第一标记5和第二标记9形成的等边三角形的位置来计算被检测体3的位置。转换处理单元22B基于由第一标记5和第二标记9形成的等边三角形的方向来计算被检测体3的取向。第二标记9之间的距离是由第一标记5和第二标记9形成的等边三角形的底边的长度并且该底边可以被识别为与其它边不同。
[0142]按照这种方式，在该实施方式中，可以通过使用分别布置在主体部分4中的一个标记(第一标记5)和布置在操纵部分6的杆状部7中的其余标记(第二标记9)三个标记来检测被检测体3的位置和取向以及操纵部分6的操纵状态。因此，标记的数量小于第一实施方式的被检测体3中的标记的数量。因此，由于用于标记的空间减小了，因此可以容易地缩小被检测体3的尺寸。
[0143]变型例3-1
[0144]下面将描述上述实施方式的变型例。图21和图22是例示根据该变型例的被检测体的平面图。
[0145]如图21和图22所示，该变型例与第三实施方式的不同在于:在主体部分4中布置两个第一标记5并且在操纵部分6中的杆状部7中的一个中布置第二标记9。
[0146]布置在主体部分4中的两个第一标记5位于彼此分离的两个位置。所述两个第一标记5之间的距离是恒 定的。
[0147]在该变型例中，可以使用第一标记5和第二标记9三个点来检测被检测体3B的位置和取向。可以根据被检测体3B的位置和取向来计算主体部分的中心轴01。中心轴01与第二标记9之间的距离可以按照与变型例1-1相同的方式来计算。
[0148]因此，根据该变型例，可以使用第一标记5和第二标记9来检测被检测体3B的位置和取向以及操纵部分6的操纵输入状态。
[0149]虽然已经参照附图详细描述了本发明的实施方式，但是具体构造不限于所述实施方式，而是在不脱离本发明的概念的情况下本发明包括设计上的改变。
[0150]在上述实施方式及其变型例中描述的要素可以适当地组合。
[0151]工业可应用性
[0152]根据所述手术支持装置及其控制方法，可以利用简单的构造来准确地远程地输入操纵。
[0153]附图标记列表
[0154]1:手术支持装置
[0155]2:主机械手(操纵输入单元)
[0156]3、3A、3B:被检测体
[0157]4:主体部分
[0158]4a:窗口
[0159]5:第一标记
[0160]6:操纵部分
[0161]7:杆状部
[0162]8:枢轴部[0163]9、9A:第二标记
[0164]10、IOA:检测装置
[0165]11:成像单元
[0166]12:图像识别单元
[0167]13:输出单元
[0168]14:从机械手
[0169]15:内窥镜装置
[0170]16:手术器械
[0171]17:钳片
[0172]18:处理部分
[0173]19:从臂
[0174]20:显示装置
[0175]21:控制装置
[0176]22、22A、22B:转换处理单元
[0177]23:驱动单元
[0178]Op:操作者
【权利要求】
1.一种手术支持装置，所述手术支持装置包括: 操纵输入单元，所述操纵输入单元被构造为基于来自操作者的输入来输出操纵命令；以及 动作单元，所述动作单元被构造为基于所述操纵命令使手术器械运动， 其中，所述操纵输入单元包括: 被检测体，所述被检测体被构造为由所述操作者把持；以及 检测装置，所述检测装置检测所述被检测体， 其中，所述被检测体包括: 主体部分，所述主体部分具有由所述检测装置检测的第一标记； 操纵部分，所述操纵部分被布置在所述主体部分中并且被构造为由所述操作者操纵；以及 第二标记，所述第二标记被布置在所述主体部分和所述操纵部分中的至少一个中，其中所述第二标记的状态响应于对所述操纵部分的操纵而改变， 其中，所述检测装置至少使用所述第一标记来计算能够确定所述被检测体的位置和取向的第一信息，并且至少使用所述第二标记来计算能够确定所述操纵部分的操纵输入状态的第二信息，并且 其中，所述操纵输入单 元基于由所述检测装置计算的结果将用于使得所述手术器械运动的命令作为操纵命令输出到所述动作单元，由此基于所述被检测体的所述位置和所述取向以及所述操纵输入状态来控制所述手术器械的动作。
2.根据权利要求1所述的手术支持装置，其中 所述操纵部分可移动地连接到所述主体部分， 所述第二标记被布置在所述操纵部分中，并且 所述检测装置至少使用所述第一标记来计算所述主体部分的位置和取向并且基于所述第二标记的位置来计算所述操纵部分的所述操纵输入状态。
3.根据权利要求2所述的手术支持装置，其中 所述操纵部分能够相对于所述主体部分打开和闭合。
4.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的手术支持装置，其中 所述第一标记所在的第一位置和所述第二标记所在的第二位置彼此不同， 所述第一标记与所述第二标记在除了所述第一位置和所述第二位置以外的至少一事项方面不同，并且 所述检测装置基于所述事项在所述第一标记与所述第二标记之间进行区分。
5.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的手术支持装置，其中 仅所述第一标记所在的第一位置和所述第二标记所在的第二位置彼此不同，并且所述检测装置仅基于所述第一标记的所述第一位置与所述第二标记的所述第二位置在所述操纵输入单元上的相对位置关系在所述第一标记与所述第二标记之间进行区分。
6.根据权利要求3所述的手术支持装置，其中 所述检测装置使用所述第一标记和所述第二标记两者来计算所述主体部分的所述位置和所述取向以及所述操纵输入状态。
7.根据权利要求4所述的手术支持装置，其中所述第二标记的状态量根据所述操纵部分的操纵量来改变。
8.一种手术支持装置的控制方法，该控制方法使用被检测体来控制所述手术支持装置，所述被检测体具有附接有第一标记的主体部分和附接有第二标记的操纵部分，所述控制方法包括: 检测所述被检测体的所述第一标记和所述第二标记； 至少使用所检测的第一标记来计算能够确定所述被检测体的位置和取向的第一信息，并且至少使用所检测的第二标记来计算能够确定所述操纵部分的操纵输入状态的第二信息；以及 使用所述第一信息和所述第二信息来控制布置在所述手术支持装置中的手术器械的运动。·
【文档编号】A61B19/00GK103717171SQ201280038440
【公开日】2014年4月9日 申请日期:2012年7月30日 优先权日:2011年8月4日
【发明者】小川量平, 岸宏亮 申请人:奥林巴斯株式会社