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SIMULATION UNIT, CONTROL UNIT, AND OPERATION ROBOT CONTROL SYSTEM USING THEM, AND PROGRAM FOR SIMULATION UNIT meetings

Patent code P08A013723
File No. WASEDA-659
Posted date Sep 5, 2008
Application number P2006-266103
Publication number P2008-080021A
Patent number P4636618
Date of filing Sep 28, 2006
Date of publication of application Apr 10, 2008
Date of registration Dec 3, 2010
Inventor
  • (In Japanese)藤江 正克
  • (In Japanese)小林 洋
  • (In Japanese)星 雄陽
  • (In Japanese)川村 和也
Applicant
  • (In Japanese)学校法人早稲田大学
Title SIMULATION UNIT, CONTROL UNIT, AND OPERATION ROBOT CONTROL SYSTEM USING THEM, AND PROGRAM FOR SIMULATION UNIT meetings
Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a simulation unit which allows a grasp of the stress situation and the deformation situation in every part of an organ loaded with external force.

SOLUTION: The simulation unit 16 comprises a situation estimating means 31 for basing on the image data of an organ L to model the organ L and then using the model to estimate the stress situation and the deformation situation in every part of the organ L, wherein the situation estimating means 31 a rigid body equation determination section for using a finite element method to determine a rigid body equation expressing a relationship between the external force vector F to the organ L and the deformation vector U of the organ L, and a situation amount calculating section for using the rigid body equation to determine the stress in every part of the organ L, can use the external force loaded on the organ L to simulate the stress situation in every part of the organ.

Outline of related art and contending technology (In Japanese)

近年、大きな切開を要さずに患者への負担を少なくする低侵襲手術が注目されており、この低侵襲手術を行うためのマスタースレーブ方式の手術支援ロボットが種々研究開発されている。この手術支援ロボットは、内視鏡や処置具等を保持するマニピュレータと、このマニピュレータを動作させるロボットアームと、このロボットアームに対して術者が動作指令を与える操作装置とを備えており、当該操作装置を術者が操作すると、当該操作に応じてロボットアームが所望の動作を行うようになっている。


ところで、このようなマニピュレータのうち、その先端の処置部位にかかる力を測定可能な機能を有するものが知られている(特許文献1等参照)。このマニピュレータは、先端側の作業部で臓器を処置する際に、当該処置によって臓器に付与された外力に対する反力を検出し、当該反力を術者側の操作装置に伝えるようになっている。従って、このマニピュレータでは、処置具を実際に持って処置したときのような力覚が操作装置を通じて術者に与えられ、術者の操作性を向上させることができる。

【特許文献1】特開2005-103056号公報

Field of industrial application (In Japanese)

本発明は、低侵襲手術用のマニピュレータ等の処置具により臓器等の器官に外力が付加されたときに、当該器官の各部分の応力状態や変形状態を推定することのできるシミュレーション装置及びこれに関連する装置、システム及びプログラムに関する。

Scope of claims (In Japanese)
【請求項1】
 
対象者の器官の画像データに基づいて当該器官をモデル化し、このモデルを使って、前記器官に外力が付加されたときの当該器官の各部分の応力状態を推定する状態推定手段を備えたシミュレーション装置であって、
前記状態推定手段は、弾性率やポアソン比を含む材料パラメータからなる基礎データ及び生体組織が破壊に至る応力を表す破壊応力データが、前記器官の構成部分となる構成組織それぞれについて記憶された記憶部と、前記外力の付加前に撮像された前記画像データに基づいて前記器官の形状及び前記各構成組織の位置を求める形状位置特定部と、当該形状位置特定部で求められた前記器官の形状に基づいて前記器官を複数のメッシュに分割する要素分割部と、前記記憶部で記憶された前記基礎データに基づいて、前記外力と変位との関係を前記メッシュ毎に求め、前記器官に対する外力ベクトルと当該器官の変位ベクトルの関係を表す剛体方程式を有限要素法で求める剛体方程式決定部と、前記外力ベクトルを前記剛体方程式に代入して前記変位ベクトルを求め、この変位ベクトルから、前記材料パラメータを使って、前記各メッシュに作用する応力を求める状態量算出部と、当該状態量算出部で求められた前記各メッシュの応力について、前記記憶部で記憶された前記破壊応力データに関連して前記メッシュ毎に設定された所定の閾値を超えているか否かを判定することにより、前記構成組織の損傷の可能性があるか否かを判定する状態判定部とを備えたことを特徴とするシミュレーション装置。
【請求項2】
 
前記器官に外力が付加されているときの前記対象者の画像データに基づき、パラメータ同定法を用いて前記材料パラメータを補正する定数補正手段を更に備え、
前記定数補正手段は、前記材料パラメータに基づき前記状態量算出部で求めた少なくとも一部のメッシュの変位ベクトルと、当該メッシュについて前記外力が付加されているときの前記画像データの変化から求めた変位ベクトルとの差を解消するように前記材料パラメータを補正し、
前記剛体方程式決定部及び前記状態量算出部では、前記定数補正手段で求められた前記材料パラメータが使われることを特徴とする請求項1記載のシミュレーション装置。
【請求項3】
 
患者の器官を撮像する撮像装置と、前記患者の体内に挿入されるマニピュレータと、このマニピュレータを動作させる駆動装置と、前記患者の器官の画像データに基づいて当該器官をモデル化し、このモデルを使って、前記器官に外力が付加されたときの当該器官の各部分の状態を推定するシミュレーション装置と、所定の操作指令及び前記シミュレーション装置による推定結果に基づいて、前記マニピュレータを駆動させる駆動装置を制御する制御装置とを備え、
前記シミュレーション装置は、対象者の器官の画像データに基づいて当該器官をモデル化し、このモデルを使って、前記器官に外力が付加されたときの当該器官の各部分の応力状態を推定する状態推定手段を備え、
前記状態推定手段は、弾性率やポアソン比を含む材料パラメータからなる基礎データ及び生体組織が破壊に至る応力を表す破壊応力データが、前記器官の構成部分となる構成組織それぞれについて記憶された記憶部と、前記外力の付加前に撮像された前記画像データに基づいて前記器官の形状及び前記各構成組織の位置を求める形状位置特定部と、当該形状位置特定部で求められた前記器官の形状に基づいて前記器官を複数のメッシュに分割する要素分割部と、前記記憶部で記憶された前記基礎データに基づいて、前記外力と変位との関係を前記メッシュ毎に求め、前記器官に対する外力ベクトルと当該器官の変位ベクトルの関係を表す剛体方程式を有限要素法で求める剛体方程式決定部と、前記外力ベクトルを前記剛体方程式に代入して前記変位ベクトルを求め、この変位ベクトルから、前記材料パラメータを使って、前記各メッシュに作用する応力を求める状態量算出部と、当該状態量算出部で求められた前記各メッシュの応力について、前記記憶部で記憶された前記破壊応力データに関連して前記メッシュ毎に設定された所定の閾値を超えているか否かを判定することにより、前記構成組織の損傷の可能性があるか否かを判定する状態判定部とを備えたことを特徴とする手術用ロボットの制御システム。
【請求項4】
 
前記器官の部位毎の弾性率を体外側から測定可能な弾性率測定装置を更に備え、
前記シミュレーション装置は、前記弾性率測定装置で測定された弾性率を使って、前記器官の各部分の応力状態及び/又は変形状態を推定することを特徴とする請求項3記載の手術用ロボットの制御システム。
【請求項5】
 
対象者の器官の画像データに基づいて当該器官をモデル化し、このモデルを使って、前記器官に外力が付加されたときの当該器官の各部分の応力状態を推定するシミュレーション装置用のプログラムであって、
弾性率やポアソン比を含む材料パラメータからなる基礎データ及び生体組織が破壊に至る応力を表す破壊応力データが、前記器官の構成部分となる構成組織それぞれについて記憶された記憶部と、前記外力の付加前に撮像された前記画像データに基づいて前記器官の形状及び前記各構成組織の位置を求める形状位置特定部と、当該形状位置特定部で求められた前記器官の形状に基づいて前記器官を複数のメッシュに分割する要素分割部と、前記記憶部で記憶された前記基礎データに基づいて、前記外力と変位との関係を前記メッシュ毎に求め、前記器官に対する外力ベクトルと当該器官の変位ベクトルの関係を表す剛体方程式を有限要素法で求める剛体方程式決定部と、前記外力ベクトルを前記剛体方程式に代入して前記変位ベクトルを求め、この変位ベクトルから、前記材料パラメータを使って、前記各メッシュに作用する応力を求める状態量算出部と、当該状態量算出部で求められた前記各メッシュの応力について、前記記憶部で記憶された前記破壊応力データに関連して前記メッシュ毎に設定された所定の閾値を超えているか否かを判定することにより、前記構成組織の損傷の可能性があるか否かを判定する状態判定部として、前記シミュレーション装置のコンピュータを機能させることを特徴とするシミュレーション装置用のプログラム。
【請求項6】
 
前記器官に外力が付加されているときの前記対象者の画像データに基づき、パラメータ同定法を用いて前記材料パラメータを補正する定数補正手段として前記コンピュータを更に機能させ、
前記定数補正手段は、前記材料パラメータに基づき前記状態量算出部で求めた少なくとも一部のメッシュの変位ベクトルと、当該メッシュについて前記外力が付加されているときの前記画像データの変化から求めた変位ベクトルとの差を解消するように前記材料パラメータを補正し、
前記剛体方程式決定部及び前記状態量算出部では、前記定数補正手段で求められた前記材料パラメータが使われることを特徴とする請求項5記載のシミュレーション装置用のプログラム。
Industrial division
  • Therapeutic hygiene
  • Industrial robot
IPC(International Patent Classification)
Drawing

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JP2006266103thum.jpg
State of application right Right is in force
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