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図面 (20)

課題・解決手段

本開示は、屈曲可能であり、チャネルを中に備えた複数の屈曲セグメントを含む、操向可能な部材と、操向可能な部材を通過するように配置され、操向可能な部材を曲げるように配置されており、操向可能な部材は、少なくとも1つの外向きに開口したルーメンを含み、屈曲アクチュエーションワイヤが、ルーメンを通過している、複数の屈曲アクチュエーションワイヤとを含む、外科手術装置を提供する。

概要

背景

外科手術において使用される外科手術装置は、外科手術部位の場所、および、どのように外科手術部位が治療されるかに応じて、異なる構造を有している。近年では、既存の外科手術装置によってアクセスすることまたは最小侵襲外科手術を実施することが困難な外科手術部位のエリアにおいて外科手術を実施するために、ロボットを使用するさまざまなタイプの外科手術機器が開発されている。これらの外科手術装置は、屈曲可能なエレメントを含むことによって、人間の身体の中でさまざまな方向に移動するように構成されており、それらは、米国特許第6,858,005号明細書を含む多くの文献に開示されている。

その遠位端部において屈曲可能な外科手術装置は、その内側のワイヤの移動によって曲がる。しかし、これらの外科手術装置は、微細に操作することが難しく、それらがワイヤによって曲げられるときにバックラッシュを生成させる、または、他のワイヤの移動を制限するというような、いくつかの問題を明らかにしている。また、曲げられる、または曲がるときにこれらの外科手術装置は、その中に埋め込まれている多くのコンポーネントを有しており、多くのコンポーネントは、複雑な方式で互いに接続されており、したがって、それらを小型化することは困難である。

概要

本開示は、屈曲可能であり、チャネルを中に備えた複数の屈曲セグメントを含む、操向可能な部材と、操向可能な部材を通過するように配置され、操向可能な部材を曲げるように配置されており、操向可能な部材は、少なくとも1つの外向きに開口したルーメンを含み、屈曲アクチュエーションワイヤが、ルーメンを通過している、複数の屈曲アクチュエーションワイヤとを含む、外科手術装置を提供する。

目的

第1のセンサ171は、屈曲前と所望の屈曲運動との間の第1の屈曲アクチュエーションワイヤ403aの引張力の変化を感知したことに応答して第1のフィードバック信号S1を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

管腔内視鏡外科手術装置であって、近位端部および遠位端部を有する屈曲可能な内視鏡と、ロボット外手術アームであって、エンドエフェクタ、近位端部および遠位端部を有する少なくとも1つの操向可能なセグメントであって、前記エンドエフェクタの位置は、前記遠位端部または前記操向可能なセグメントの位置によって制御される、少なくとも1つの操向可能なセグメント、近位端部および遠位端部を有する可撓性のチューブ状の部材であって、前記操向可能なセグメントは、前記チューブ状の部材の前記遠位端部に動作可能に接続されている、チューブ状の部材、前記チューブ状の部材の前記近位端部に動作可能に接続されているアダプター、ならびに、前記アダプターおよび前記チューブ状の部材を通って前記操向可能なセグメントの中へ延在する複数のワイヤであって、少なくともその第1の部分が前記操向可能なセグメントに接続されており、少なくとも前記チューブ状の部材の中において、前記ワイヤのそれぞれは、シースの中に囲まれている、複数のワイヤ、を含む、ロボット外科手術アームと、ロボット外科手術アームポジショナであって、ベース、前記ベースに対して移動可能である移動可能なハウジング、ならびに、前記移動可能なハウジングに対して移動可能である位置決め部材であって、前記少なくとも1つのチューブ状の部材の前記近位端部は、前記位置決め部材に接続されている、位置決め部材、を含む、ロボット外科手術アームポジショナと、前記内視鏡の前記遠位端部が遠位カップラーからのものである、遠位カップラーと、近位端部および遠位端部を有し、前記少なくとも1つの可撓性のチューブ状の部材の一部分を取り囲む第1の可撓性シースであって、前記第1の可撓性シースの前記近位端部は、前記移動可能なハウジングに対して適切な位置に固定されており、前記遠位端部は、前記遠位カップラーに接続されている、第1の可撓性シースとを含む、管腔内視鏡外科手術装置。

請求項2

中間カップラーをさらに含み、前記中間カップラーは、少なくとも第1の開口部を有しており、前記内視鏡の前記近位端部と前記遠位端部との間で前記内視鏡に接続されており、前記内視鏡は、前記中間カップラーの中の前記第1の開口部を通って延在している、請求項1に記載の管腔内視鏡外科手術装置。

請求項3

前記少なくとも1つのチューブ状の部材は、前記中間カップラーの中の第2の開口部を通って延在しており、前記第2の開口部の中で移動可能であるが、前記第2の開口部の半径方向に前記第2の開口部から分離しないように制約されている、請求項2に記載の管腔内視鏡外科手術装置。

請求項4

第2の可撓性シースをさらに含み、前記第2の可撓性シースは、前記中間カップラー、ならびに、前記内視鏡および前記少なくとも1つのチューブ状の部材の一部分を取り囲む、請求項3に記載の管腔内視鏡外科手術装置。

請求項5

前記移動可能なハウジングは、前記ベースに対して線形に移動可能である、請求項1に記載の管腔内視鏡外科手術装置。

請求項6

前記移動可能なハウジングは、固定された前記ベースに対して回転方向に移動可能である、請求項1に記載の管腔内視鏡外科手術装置。

請求項7

前記移動可能なハウジングは、機械的なキャリッジを含み、前記機械的なキャリッジは、少なくとも第1のケージと、前記第1のケージに動作可能に連結されているブリッジ部材とを有しており、前記第1の可撓性シースの前記近位端部は、前記ブリッジ部材に接続されている、請求項1に記載の管腔内視鏡外科手術装置。

請求項8

前記操向可能な部材は、アーチ形の方向に屈曲するように構成されている複数の屈曲セグメントを含む、請求項1に記載の管腔内視鏡外科手術装置。

請求項9

少なくとも2つの隣接する屈曲可能なセグメントの屈曲方向は、互いに平行からオフセットされている、請求項8に記載の管腔内視鏡外科手術装置。

請求項10

前記操向可能な部材は、第1の複数の屈曲可能なセグメントおよび第2の複数の屈曲可能なセグメントを含み、前記第1および第2の複数の屈曲可能なセグメントは、カップラーによって接続されている、請求項8に記載の管腔内視鏡外科手術装置。

請求項11

近位端部および遠位端部を有する第3の可撓性シースをさらに含み、前記第3の可撓性シースは、前記少なくとも1つの屈曲可能な内視鏡の一部分を取り囲み、前記第3の可撓性シースの前記近位端部は、前記移動可能なハウジングに対して適切な位置に固定されており、前記遠位端部は、前記遠位カップラーに接続されている、請求項1に記載の管腔内視鏡外科手術装置。

請求項12

管腔内視鏡外科手術の方法であって、管腔内視鏡外科手術装置を提供するステップであって、前記管腔内視鏡外科手術装置は、近位端部および遠位端部を有する屈曲可能な内視鏡、遠位端部、近位端部、および、前記近位端部と前記遠位端部との間でその中に延在する少なくとも1つの導管を含む、少なくとも1つのロボットアーム、前記少なくとも1つのロボットアームの前記近位端部に動作可能に連結されている少なくとも1つのロボットポジショナ、ならびに、前記少なくとも1つのロボットアームの少なくとも一部分を取り囲み、近位端部および遠位端部を含む第1のシースであって、前記内視鏡の前記遠位端部および前記少なくとも1つのシースの前記遠位端部は、遠位カップラーに連結され、前記管腔内視鏡外科手術装置の遠位端部を形成している、第1のシースを含む、ステップと、その前記遠位端部を含む、前記第1のシースの中に配設されている前記少なくとも1つの外科手術アームの少なくとも一部分によって、前記管腔内視鏡外科手術装置の前記遠位端部を自然の身体のオリフィスを通して挿入するステップと、その前記遠位端部を含む、前記少なくとも1つの外科手術アームの少なくとも一部分を前記第1のシースの中に配設された状態に維持しながら、前記屈曲可能な内視鏡を操向することによって、前記管腔内視鏡外科手術装置を体腔の中の所望の外科手術部位ナビゲートするステップと、少なくとも1つのステアリングワイヤを提供するステップであって、前記少なくとも1つのステアリングワイヤは、前記ロボットアームの前記導管を通って、その少なくとも前記近位端部から、その前記遠位端部に隣接するがその前記遠位端部から間隔を置いて配置された場所へ延在しており、それによって、前記少なくとも1つのワイヤの選択的な張力付加が、その前記遠位端部に隣接する前記少なくとも1つのロボットアームの屈曲を引き起こす、ステップと、前記管腔内視鏡外科手術装置を体腔の中の所望の外科手術部位へナビゲートする前記ステップの間に、前記少なくとも1つのワイヤの張力解放し、それによって、前記内視鏡とともに屈曲するように前記アームを十分に可撓性にするステップと、前記少なくとも1つのワイヤを張力付加しながら、前記外科手術部位における前記シースから前記アームを前進させるステップと、前記外科手術部位において外科手術タスクを実施するステップとを含む、方法。

請求項13

前記内視鏡および前記少なくとも1つのシースの前記遠位端部と前記近位端部との間に位置している少なくとも1つの中間カップラーをさらに含む、請求項12に記載の方法。

請求項14

前記少なくとも1つの中間カップラーは、前記少なくとも1つの中間カップラーを通る少なくとも第1の開口部および第2の開口部を含み、前記内視鏡は、前記第1の開口部の中において前記少なくとも1つの中間カップラーに接続されている、請求項13に記載の方法。

請求項15

前記管腔内視鏡外科手術装置を体腔の中の所望の外科手術部位へナビゲートする前記ステップの後に、前記内視鏡および第1のシースを固定し、前記外科手術部位に対する移動に対抗して、その前記遠位端部の移動を制限することをさらに含む、請求項12に記載の方法。

請求項16

ベースと、前記ベースに対して移動可能である移動可能な部材とを含む位置決め部材をさらに含み、前記第1のシースは、前記移動可能な部材に留置されている、請求項12に記載の方法。

請求項17

前記管腔内視鏡外科手術装置を体腔の中の所望の外科手術部位へナビゲートする前記ステップの間に、前記ベースに対して線形および回転方向のうちの少なくとも1つに前記移動可能な部材を移動させることによって、前記第1のシースを移動させることをさらに含む、請求項16に記載の方法。

請求項18

前記少なくとも1つのロボットポジショナは、前記移動可能な部材の中に装着されている、請求項16に記載の方法。

請求項19

前記移動可能な部材に対して前記ロボットポジショナを移動させることによって、前記ロボットアームの前記遠位端部を移動させることをさらに含む、請求項18に記載の方法。

請求項20

前記少なくとも1つのロボットアームの前記遠位端部は、操向可能な部材およびエンドエフェクタを含み、前記少なくとも1つのワイヤは、前記操向可能な部材に接続されている、請求項19に記載の方法。

請求項21

前記少なくとも1つのロボットアームの前記遠位端部は、操向可能な部材およびエンドエフェクタを含み、前記少なくとも1つのワイヤは、前記エンドエフェクタの移動を作動させるために移動可能である、請求項19に記載の方法。

請求項22

ベースの上に装着され、前記ベースの上を線形に移動可能であるキャリッジと、前記キャリッジから延在しており、前記キャリッジによって支持されている、少なくとも1つのサポートと、前記キャリッジの上に支持されている少なくとも1つのフレームであって、前記キャリッジの線形移動によって線形に移動可能であり、また、前記サポートから延在する軸線周りに回転方向に移動可能である、少なくとも1つのフレームと、前記少なくとも1つのフレームによって支持されている少なくとも1つのロボットコントローラであって、前記少なくとも1つのフレームの内向きにおよび外向きに、線形に移動可能である、少なくとも1つのロボットコントローラと、操向可能な部材に接続するように構成されているカップリングであって、前記操向可能な部材の端部は、前記少なくとも1つのロボットコントローラの動作によって作動可能なエンドエフェクタを備えて構成されている、カップリングと、可撓性シースに接続するように構成されている可撓性シースカップリングとを含む、外科手術器具

請求項23

前記少なくとも1つのロボットコントローラは、前記フレームの中で回転可能である、請求項22に記載の外科手術器具。

請求項24

前記ロボットコントローラは、前記フレームの上のギヤに連結されているリングギヤに連結されている、請求項23に記載の外科手術器具。

請求項25

前記フレームから間隔を置いて配置されており、前記フレームによって支持されている、シースサポートであって、可撓性シースに接続するように構成されている、シースサポートをさらに含む、請求項22に記載の外科手術器具。

請求項26

前記キャリッジの上に支持されている第2のフレームであって、前記キャリッジの線形移動によって線形に移動可能であり、また、前記サポートから延在する軸線の周りに移動可能である、第2のフレームと、前記第2のフレームによって支持されている第2のロボットコントローラであって、前記第2のフレームの内向きにおよび外向きに、線形に移動可能である、第2のロボットコントローラと、操向可能な部材に接続するように構成されている第2のカップリングであって、前記操向可能な部材の端部は、前記第2のロボットコントローラの動作によって作動可能なエンドエフェクタを備えて構成されている、第2のカップリングと、をさらに含む、請求項22に記載の外科手術器具。

請求項27

前記フレームから間隔を置いて配置されており、前記フレームによって支持されている、シースサポートと、近位端部および遠位端部を有する可撓性シースであって、前記フレームの反対側の前記シースサポートの側にあるその近位端部において、前記シースサポートに接続されている、可撓性シースと、第1の操向可能な部材の端部が、前記少なくとも1つのロボットコントローラの動作によって作動可能なエンドエフェクタを備えて構成されている、第1の操向可能な部材であって、前記少なくとも1つのロボットコントローラから前記可撓性シースの内向きに延在している、第1の操向可能な部材と、第2の操向可能な部材の端部が、前記少なくとも1つのロボットコントローラの動作によって作動可能なエンドエフェクタを備えて構成されている、第2の操向可能な部材であって、前記第2のロボットコントローラから前記可撓性シースの内向きに延在している、第2の操向可能な部材とをさらに含む、請求項26に記載の外科手術器具。

請求項28

前記第1の操向可能な部材および前記第2の操向可能な部材は、前記少なくとも1つのロボットコントローラに接続されている近位部分と、第1のエンドエフェクタおよび第2のエンドエフェクタにそれぞれ接続されている遠位部分とを含み、前記フレームの内向きおよび外向きへの前記少なくとも1つのロボットコントローラの移動は、前記可撓性シースの前記端部に対する前記第1のエンドエフェクタおよび前記第2のエンドエフェクタの位置を変化させる、請求項27に記載の外科手術器具。

請求項29

前記可撓性シースの前記遠位端部の内向きに延在するカップラーをさらに含み、前記カップラーは、前記カップラーを通る少なくとも第1の開口部と、前記カップラーを通る第2の開口部とを含み、前記第1の操向可能な部材が、前記第1の開口部の中に延在可能であり、前記第2の操向可能な部材が、前記第2の開口部の中に延在可能である、請求項28に記載の外科手術器具。

請求項30

操向可能な部材に接続するように構成されている前記カップリングは、外側シェルおよび複数の器具コネクターを含むハウジングを含み、前記複数の器具コネクターは、そこから前記操向可能な部材の内向きに延在するワイヤにそれぞれ連結されており、前記少なくとも1つのロボットコントローラは、複数のコントローラコネクターをさらに含み、それぞれのコントローラ接続部は、単一の器具コネクターに連結するように構成されている、請求項22に記載の外科手術器具。

請求項31

前記少なくとも1つのロボットコントローラは、複数のリニアモータを含み、それぞれ1つが、前記コントローラコネクターのうちの単一のものに接続されている、請求項30に記載の外科手術器具。

請求項32

中間カップラーをさらに含み、前記中間カップラーは、前記可撓性シースの中に位置しており、その中に少なくとも第1の開口部と、その中に第2の開口部とを有しており、前記第1の操向可能な部材は、前記中間カップラーの中の前記第1の開口部を通って延在しており、前記第2の操向可能な部材は、前記中間カップラーの中の前記第2の開口部を通って延在している、請求項27に記載の外科手術器具。

請求項33

前記外科手術器具は、ワイヤをさらに含み、前記ワイヤは、その第1および第2の端部において、前記器具コネクターのうちの異なるものに連結されており、前記外科手術器具は、前記ワイヤに接続されているワイヤコネクターをさらに含み、前記エンドエフェクタは、4つのバーリンケージを含み、前記4つのバーリンケージのうちの第1および第2のリンケージは、第1の枢動ピンによって一緒に連結されており、前記4つのバーリンケージのうちの第3のおよび第4のリンケージは、第2の枢動ピンによって接続されており、前記ワイヤコネクターは、前記第2のピンに接続されており、前記ワイヤは、前記第1の枢動ピンの上を通っている、請求項28に記載の外科手術器具。

技術分野

0001

関連出願の相互参照
本出願は、2017年6月29日に出願された「外科手術装置」という標題の米国仮出願第62/526,881号の利益を主張し、それは、その全体が参照により本明細書に組み込まれている。

0002

本発明は、外科手術装置に関し、より具体的には、屈曲可能な(bendable)エレメントをその遠位端部に含むことによって屈曲動作を実施することができる外科手術装置に関する。

背景技術

0003

外科手術において使用される外科手術装置は、外科手術部位の場所、および、どのように外科手術部位が治療されるかに応じて、異なる構造を有している。近年では、既存の外科手術装置によってアクセスすることまたは最小侵襲外科手術を実施することが困難な外科手術部位のエリアにおいて外科手術を実施するために、ロボットを使用するさまざまなタイプの外科手術機器が開発されている。これらの外科手術装置は、屈曲可能なエレメントを含むことによって、人間の身体の中でさまざまな方向に移動するように構成されており、それらは、米国特許第6,858,005号明細書を含む多くの文献に開示されている。

0004

その遠位端部において屈曲可能な外科手術装置は、その内側のワイヤの移動によって曲がる。しかし、これらの外科手術装置は、微細に操作することが難しく、それらがワイヤによって曲げられるときにバックラッシュを生成させる、または、他のワイヤの移動を制限するというような、いくつかの問題を明らかにしている。また、曲げられる、または曲がるときにこれらの外科手術装置は、その中に埋め込まれている多くのコンポーネントを有しており、多くのコンポーネントは、複雑な方式で互いに接続されており、したがって、それらを小型化することは困難である。

0005

本明細書で提供されているのは、第1のチューブ状のエレメント、第2のチューブ状のエレメント、および第3のチューブ状のエレメント、ならびに、機械的なキャリッジを含み、第2および第3のチューブ状のエレメントのそれぞれは、その遠位端部において、エンドエフェクタを含み、少なくとも第2および第3のチューブ状の部材は、機械的なキャリッジから延在しており、機械的なキャリッジは、オペレーターの制御の下で、第2および第3のチューブ状の部材の遠位端部を、線形におよび中心軸線周り軌道上に移動させるように構成されている、内視鏡デバイスである。追加的に、第2および第3のチューブ状の部材の遠位端部におけるエンドエフェクタのそれぞれは、機械的なキャリッジの中に移動可能に装着されたロボットコントローラに接続されており、ロボットコントローラは、第2および第3のチューブ状の部材の遠位端部をその長手方向軸線に対して線形におよび回転方向に独立して移動させるように構成されている。

0006

1つの態様では、第1の、第2の、および第3のチューブ状のエレメントは、その長さに沿って複数の場所において配置されている連結部材によって互いに連結されており、連結部材は、軌道軸線に対するチューブ状の部材の移動を制約するが、少なくとも第2および第3のチューブ状の部材が第1のチューブ状の部材に対して線形に移動することを許容する。さらなる態様では、第1の、第2の、および第3の部材、ならびに連結部材は、生体適合性チューブなどのような、囲まれたシースの中に取り囲まれている。

0007

別の態様では、エンドエフェクタは、コンフォーマブルエクステンション(conformable extension)を含み、コンフォーマブルエクステンションは、その一方の端部の上の第2または第3のチューブ状の部材のうちの少なくとも1つの遠位端部から延在するリンケージのセットを含み、その反対側端部においてツールエレメントを含み、それぞれのリンケージは、それを通る中心軸線を含み、リンケージの軸線は、同一直線上にあることが可能であり、リンケージは、一緒になって、第2または第3のチューブ状の部材の遠位端部からツールエレメントへ延在する概して真っ直ぐなエレメントとして、コンフォーマブルエクステンションを構成させており、または、少なくとも1つの1対の隣接するリンケージの軸線は、互いに対して所定の角度になっており、コンフォーマブルエクステンションが曲げられるようになっている。追加的に、コンフォーマブルエクステンションが接続されているチューブ状の部材の回転によって、コンフォーマブルエクステンションは、その内部軸線の周りに回転される。ロボットコントローラは、コンフォーマブルエクステンションに連結されており、第2および第3のチューブ状の部材の屈曲および回転移動を可能にし、機械的なキャリッジは、ロボットコントローラ、ひいては、ロボットコントローラに取り付けられている第2および第3のチューブ状の部材を、オペレーターの制御の下で線形に移動させる。エンドエフェクタは、鉗子カッティングブレード、組み合わせられた鉗子およびカッティングブレード、ならびに、他のエレメント(それによって、外科医などのようなオペレーターが、体腔の一部分を切り取ることによって除去し、結果として生じる創傷縫合して閉じることが可能である)を含むことが可能である。

0008

以降では、本発明の例示的な実施形態による外科手術装置が、図面を参照して具体的に説明される。ここで、コンポーネント間位置関係の説明は、基本的に、図面を参照して行われる。図面において、実施形態の構造は、明確化のために、簡単化されているかまたは誇張され得る。したがって、本発明は、これらの例示的な実施形態に限定されるのではなく、その代わりに、さまざまな種類のデバイスが、追加され、変更され、または省略され得る。

0009

例示的な実施形態は、挿入部の内側に複数の通路を有する外科手術装置を参照して説明される、さまざまな種類の外科手術器具が、それぞれの通路の中に位置する。しかし、本発明は、この例示的な実施形態に限定されず、さまざまな外科手術装置に適用可能であり、さまざまな外科手術装置は、遠位端部において屈曲可能なカテーテル内視鏡、および外科手術ロボットを含むことに留意されたい。

図面の簡単な説明

0010

本発明の例示的な実施形態による外科手術装置を図示する図である。
図1の外科手術器具のうちの1つの断面図である。
操向可能な部材の屈曲に起因するワイヤの緩みを概略的に図示する図である。
操向可能な部材の屈曲に起因するワイヤの緩みを概略的に図示する図である。
操向可能な部材の屈曲に起因するワイヤの緩みを概略的に図示する図である。
方向的な1自由度を有する屈曲セグメントの構造を図示する図である。
方向的な1自由度を有する屈曲セグメントの構造を図示する図である。
方向的な1自由度を有する屈曲セグメントの構造を図示する図である。
方向的な1自由度を有する屈曲セグメントの構造を図示する図である。
方向的な2自由度を有する屈曲セグメントの構造を図示する図である。
方向的な2自由度を有する屈曲セグメントの構造を図示する図である。
方向的な2自由度を有する屈曲セグメントの構造を図示する図である。
方向的な2自由度を有する屈曲セグメントの構造を図示する図である。
方向的な2自由度を有する屈曲セグメントの構造を図示する図である。
方向的な2自由度を有する屈曲セグメントの構造を図示する図である。
可撓性のヒンジ構造体を使用する操向可能な部材を図示する図である。
可撓性の背骨構造体を使用する操向可能な部材を図示する図である。
側方支持部材を備えた操向可能な部材を図示する図である。
側方支持部材を備えた操向可能な部材を図示する図である。
側方支持部材を備えた操向可能な部材を図示する図である。
側方支持部材を備えた操向可能な部材を図示する図である。
側方支持部材を備えた操向可能な部材を図示する図である。
側方支持部材を備えた操向可能な部材を図示する図である。
側方支持部材を備えた操向可能な部材を図示する図である。
側方支持部材を備えた操向可能な部材を図示する図である。
側方支持部材を備えた操向可能な部材を図示する図である。
側方支持部材を備えた操向可能な部材を図示する図である。
側方支持部材を備えた操向可能な部材を図示する図である。
ダブルヒンジ構造体を使用する接続セグメントを有する操向可能な部材を図示する図である。
ダブルヒンジ構造体を使用する接続セグメントを有する操向可能な部材を図示する図である。
ダブルヒンジ構造体を使用する接続セグメントを有する操向可能な部材を図示する図である。
ダブルヒンジ構造体を使用する接続セグメントを有する操向可能な部材を図示する図である。
ダブルヒンジ構造体を使用する接続セグメントを有する操向可能な部材を図示する図である。
ダブルヒンジ構造体を使用する接続セグメントを有する操向可能な部材を図示する図である。
経路調節部材を使用する操向可能な部材を図示する図である。
経路調節部材を使用する操向可能な部材を図示する図である。
経路調節部材を使用する操向可能な部材を図示する図である。
経路調節部材を使用する操向可能な部材を図示する図である。
操向可能な部材の屈曲を図示する図である。
操向可能な部材の屈曲を図示する図である。
修正された実施形態による操向可能な部材の屈曲を図示する断面図である。
修正された実施形態による操向可能な部材の屈曲を図示する断面図である。
修正された実施形態による操向可能な部材の屈曲を図示する断面図である。
ワイヤ終端部材によって屈曲アクチュエーションワイヤを固定する方法を図示する図である。
ワイヤ終端部材によって屈曲アクチュエーションワイヤを固定する方法を図示する図である。
ワイヤ終端部材によって屈曲アクチュエーションワイヤを固定する方法を図示する図である。
エンドエフェクタをワイヤ終端部材として構成する例を図示する図である。
エンドエフェクタの構造を図示する図である。
エンドエフェクタの構造を図示する図である。
スリーブを中に備えた外科手術装置のさまざまな例を図示する図である。
スリーブを中に備えた外科手術装置のさまざまな例を図示する図である。
スリーブを中に備えた外科手術装置のさまざまな例を図示する図である。
スリーブを中に備えた外科手術装置のさまざまな例を図示する図である。
外科手術器具の端部および操作部の接続構造体を図示する図である。
屈曲アクチュエーションワイヤを移動させるための操作部の構成を概略的に図示する図である。
屈曲アクチュエーションワイヤを移動させるための操作部の構成を概略的に図示する図である。
屈曲アクチュエーションワイヤを移動させるための操作部の構成を概略的に図示する図である。
理想的な連続的な可撓性アームの中の、屈曲の前および後の屈曲アクチュエーションワイヤの長さを概略的に図示する図であり、図33Aは、屈曲の前の屈曲アクチュエーションワイヤの長さを示す図であり、図33Bは、屈曲の後の屈曲アクチュエーションワイヤの長さを示す図である。
理想的な連続的な可撓性アームの中の、屈曲の前および後の屈曲アクチュエーションワイヤの長さを概略的に図示する図であり、図33Aは、屈曲の前の屈曲アクチュエーションワイヤの長さを示す図であり、図33Bは、屈曲の後の屈曲アクチュエーションワイヤの長さを示す図である。
実際の条件において屈曲の前および後の屈曲アクチュエーションワイヤの長さを概略的に図示する図であり、図34Aは、屈曲の前の屈曲アクチュエーションワイヤの長さを示す図であり、図34Bは、屈曲の後の屈曲アクチュエーションワイヤの長さを示す図である。
実際の条件において屈曲の前および後の屈曲アクチュエーションワイヤの長さを概略的に図示する図であり、図34Aは、屈曲の前の屈曲アクチュエーションワイヤの長さを示す図であり、図34Bは、屈曲の後の屈曲アクチュエーションワイヤの長さを示す図である。
本発明の例示的な実施形態による例示的な屈曲セグメントを図示する図である。
本発明の例示的な実施形態による図35の中の例示的な張力調整部材を図示する図である。
図36の例示的な張力調整部材のうちの1つの枢動運動を図示しており、図37Aは、左側に曲がっている張力調整部材の正面図であり、図37Bは、右側に曲がっている張力調整部材の正面図である。
図36の例示的な張力調整部材のうちの1つの枢動運動を図示しており、図37Aは、左側に曲がっている張力調整部材の正面図であり、図37Bは、右側に曲がっている張力調整部材の正面図である。
図36の中の例示的な張力調整部材構造体によりワイヤの緩みが改善されることを概略的に図示する図であり、図38Aは、屈曲の前の屈曲アクチュエーションワイヤの長さを示す図であり、図38Bは、屈曲の後の屈曲アクチュエーションワイヤの長さを示す図である。
図36の中の例示的な張力調整部材構造体によりワイヤの緩みが改善されることを概略的に図示する図であり、図38Aは、屈曲の前の屈曲アクチュエーションワイヤの長さを示す図であり、図38Bは、屈曲の後の屈曲アクチュエーションワイヤの長さを示す図である。
屈曲アクチュエーションワイヤの合計長さ変化(ΔL)が屈曲角度θ関数として変化することを図示するシミュレーション結果である。
本発明の例示的な実施形態による外科手術器具を図示するブロック図である。
本発明の例示的な実施形態による外科手術器具を図示する概略図である。
本発明の例示的な実施形態による屈曲運動中の外科手術器具を図示する図である。
本発明の別の例示的な実施形態による外科手術器具を図示するブロック図である。
本発明の別の例示的な実施形態による外科手術器具を図示する概略図である。
本発明の例示的な実施形態によるパーソナライズされたマスタコントローラを図示するブロック図である。
本発明の例示的な実施形態によるパーソナライズされたマスタコントローラを概略的に図示する図である。
本発明の例示的な実施形態による制御プラットフォームおよび接続パーツを概略的に図示する図である。
本発明の例示的な実施形態による3つのタイプの交換可能グリップを図示する斜視図であり、図48Aは、グリップタイプのものを示す図であり、図48Bは、ピンセットタイプのものを示す図であり、図48Cは、腹腔鏡下の手用器具タイプのものを示す図である。
本発明の例示的な実施形態による3つのタイプの交換可能グリップを図示する斜視図であり、図48Aは、グリップタイプのものを示す図であり、図48Bは、ピンセットタイプのものを示す図であり、図48Cは、腹腔鏡下の手用器具タイプのものを示す図である。
本発明の例示的な実施形態による3つのタイプの交換可能グリップを図示する斜視図であり、図48Aは、グリップタイプのものを示す図であり、図48Bは、ピンセットタイプのものを示す図であり、図48Cは、腹腔鏡下の手用器具タイプのものを示す図である。
本発明の別の実施形態によるパーソナライズされたマスタコントローラを概略的に図示する図である。
図49の中のパーソナライズされたマスタコントローラの制御プラットフォームのパーツ(すなわち、ベース部材可動部材、および、3つのパラレルキネマティクスチェイン)を概略的に図示する図である。
本発明の例示的な実施形態による、制御プラットフォームの可動部材に取り付けられている交換可能グリップを示す、図49の一部分の拡大図である。
本発明の例示的な実施形態による、制御プラットフォームの可動部材から取り外されている交換可能グリップを示す、図49の一部分の拡大図である。
導入チューブおよびその上の外科手術デバイスがその中に挿入されていることを示す人間の口および食道の概略断面図である。
本発明の外科手術デバイスを位置決めするための位置決めおよび制御デバイスの等角図である。
本発明の外科手術デバイスのロボットアームのための中空部材およびシースの概略斜視図である。
本発明の外科手術デバイスのロボットアームの一部分の等角図である。
本発明の外科手術デバイスの遠位カップラーの平面図である。
58−58における図57の遠位カップラーの断面図である。
本発明の外科手術デバイスの中間カップラーの平面図である。
図54の位置決めおよび制御デバイスの一部分の等角図であり、それによって、その一部分が前方位置へ移動されていることを示す図である。
図54の位置決めおよび制御デバイスの一部分の等角図であり、それによって、その一部分が前方位置へ移動され、回転されていることを示す図である。
内視鏡の概略図である。
本発明の外科手術デバイスのロボットコントローラの等角図である。
ワイヤのためのアクチュエータを示す図63のロボットコントローラのうちの1つの等角図である。
本発明の外科手術装置のワイヤカップラーの端部の等角図である。
本発明の外科手術デバイスのエンドエフェクタの平面図である。

実施例

0011

本発明、ならびに、そのさまざまな特徴および有利な詳細は、非限定的な実施形態を参照して、より完全に説明されており、非限定的な実施形態は、添付の図面に図示されており、以下の説明の中に詳述されている。周知の材料、製造技法、パーツ、および機器の説明は、不必要に本発明を曖昧にしないようにするために詳細には省略されている。しかし、詳細な説明および特定の例は、本発明の好適な実施形態を示しているが、図示目的のためだけに与えられており、限定のために与えられているのではないことを理解されたい。根底にある発明概念の精神および/または範囲の中のさまざまな置換、修正、追加、および/または再配置が、この開示から当業者に明らかになる。

0012

以降では、本発明の例示的な実施形態による外科手術装置が、図面を参照して具体的に説明される。ここで、コンポーネント間の位置関係の説明は、基本的に、図面を参照して行われる。図面において、実施形態の中の構造は、明確化のために、簡単化されているかまたは誇張され得る。したがって、本発明は、この例示的な実施形態に限定されるのではなく、その代わりに、さまざまな種類のデバイスが、追加され、変更され、または省略され得る。

0013

本明細書で使用されているように、患者対象者という用語は、デバイスによる医学介入を受け取る者を表している。特定の態様では、患者は、人間の患者である。他の態様では、患者は、コンパニオンアニマルスポーツアニマル家畜、または家畜類動物である。

0014

この例示的な実施形態は、挿入部の内側に延びる複数の通路を有する外科手術装置を参照して説明される、さまざまな種類の外科手術器具が、それぞれの通路の中に位置する。しかし、本発明は、この例示的な実施形態に限定されず、さまざまな外科手術装置に適用可能であり、さまざまな外科手術装置は、遠位端部において屈曲可能なカテーテル、内視鏡、および外科手術ロボットを含むことに留意されたい。

0015

図1は、本発明の例示的な実施形態による外科手術装置を図示する図である。図1に図示されているように、外科手術装置1は、外科手術装置の遠位端部に設けられた挿入部20と、挿入部20の近位端部に位置する操作部10とを含む。

0016

挿入部20は、外科手術の間に外科手術部位の中へ挿入される外科手術器具10の部分を形成している。挿入部20は、遠位カップラー1140の中で終端する可撓性で生体適合性の取り囲むシース202から構成されており(たとえば、図56を参照)、外科的手術において使用するための少なくとも1つの外科手術器具30が、シース202の中に選択的に位置しているか、または、シース202から延在されている。外科手術器具30は、取り囲むシース202の外側壁部によって画定される中空通路の中に選択的に位置している。外科手術器具30が、取り囲むシース202および遠位カップラー1140から延在されているときには、外科手術器具30は、挿入部20の遠位端部16において遠位カップラー1140から外向きに延在しており、また、外科手術器具30は、この位置において、外科手術を実施するのに有用であるか、または、外科手術器具30がその中に位置している体腔のイメージキャプチャーするのに有用である。挿入部長さは、図1において図示しやすくするために短くされており、実際のデバイスでは、1メートルを超えるオーダーの長さであることが可能である。

0017

図1の実施形態において、図1の外科手術装置の挿入部20のシース202は、3つの外科手術器具30を含み、3つの外科手術器具30は、シース202を通って延在しており、また、図1に示されているように、シース202の端部においてカップラーの外向きに延在している。図1では、4つの外科手術器具のうちの2つは、その遠位端部においてそのエンドエフェクタ300として鉗子31を含む。そのような外科手術器具は、外科医または医者などのようなオペレーターによって使用され、鉗子を操作することによってさまざまな外科的手術を実施することが可能である。追加的に、ブレード縫合ユニット、針などを含む、他のさまざまなタイプの外科手術エレメントが、外科手術器具30のエンドエフェクタとして配備され得る。実施形態において、第3の外科手術器具は、イメージングユニット32である。イメージングユニット32は、体腔表面のイメージをキャプチャーするための電荷結合素子と、電荷結合素子が体腔のイメージをキャプチャーすることを可能にするために体腔表面を照射する照射デバイス、たとえば、LEDなどとを含む。代替的に、第4の外科手術器具、たとえば、作業チャネルをその中に備えたルーメンユニット33などは(作業チャネルを通して、さまざまな器具が挿入され得る)、シース202を通して延在され、カップラーにおいて終端することが可能である。

0018

挿入部20の遠位端部16から延在する外科手術器具30は、その柔軟な部分が適切なスペースの中で曲げられるかまたはその他の方法で操作され得るように構成されており、柔軟な部分がその中に配備されている体腔の内側壁部に対して特定の配向で面するように、柔軟な部分の端部を方向付けする。外科手術器具30の一部分の屈曲は、挿入部20の遠位端部16の方向および配向とは異なる方向もしくは配向に外科的手術が実施されること、または、異なる方向もしくは配向からイメージをとることを可能にする。本明細書において、挿入部20の遠位端部16に対してその配向を変化させるための外科手術器具30の操作は、外科手術器具30に沿って延在する複数のワイヤによって提供され、それは、詳細に下記にさらに説明される。

0019

操作部10は、挿入部20の近位端部に設けられており、挿入部20および/または外科手術器具30を操作するように構成されている。操作部10の遠位端部は、挿入部20の近位端部に接続されており、この例示的な実施形態では、挿入部20に取り外し可能に接続され得る。少なくとも1つの駆動部が、操作部10の中に設けられている。駆動部40は、挿入部20、および/または、外科手術器具30のさまざまなタイプのワイヤ部材に機械的に接続され、駆動部40は、外科手術器具30の一部の屈曲移動を含む、挿入部20および/または外科手術器具30のさまざまな運動を可能にする。駆動部の構造および動作が、本明細書において後に詳述される。

0020

以降では、上記に説明された外科手術装置の詳細な構成が、図面を参照して、より詳細に説明される。

0021

図2は、図1の外科手術器具のうちの1つの断面図である。図2に図示されているように、外科手術器具30は、遠位端部において、操向可能な部材100を含み、操向可能な部材100は、その長さを横切る1つまたは複数の場所において屈曲可能であり、同様に、チューブ状の可撓性部材200の中心長手方向軸線18の周りに回転可能である。操向可能な部材100は、中空チャネル(この図には示されていない)を備えた複数の屈曲セグメント110を有しており、複数の屈曲セグメント110は、直列に互いに接触している。可撓性材料を含むチューブ状の可撓性部材200が、駆動部40(たとえば、図54を参照)から延在しており、操向可能な部材100の近位端部との接続部において終端している。それぞれのチューブ状の可撓性部材200は、中空チューブとして構成されており、それによって、外科手術器具30の遠位端部への接続部から駆動部40の間に延在する複数のワイヤ部材、および、駆動部40から操向可能な部材100へ延在して駆動部40へ戻るさらに複数のステアリングワイヤが延在している。図2では、エンドエフェクタ300が、操向可能な部材100の遠位端部に設けられており、エンドエフェクタ300が、本明細書において後に詳述されるように、エンドエフェクタアクチュエーションワイヤ500によって選択的に作動される。

0022

操向可能な部材100のそれぞれの屈曲セグメント110は、屈曲アクチュエーションワイヤ400の制御の下でそれらの間の角度方向の運動を可能にする方式で、隣接する屈曲セグメント110に接続されている。屈曲アクチュエーションワイヤ400は、操向可能な部材100およびチューブ状の可撓性部材200を通過するような方式で位置しており、屈曲アクチュエーションワイヤ400の遠位端部は、操向可能な部材100に接続されており、屈曲アクチュエーションワイヤ400の近位端部は、個々の導管を通って延在しており、個々の導管は、可撓性部材の長さを通して延在し、個々の導管は、駆動部分40に接続されている。それぞれの屈曲セグメント110は、長さ方向に形成されている複数のルーメン112を含み、それにより、屈曲アクチュエーションワイヤ400が、ルーメン112の中に位置し、ルーメン112を通って延びてよい(図5A)。したがって、屈曲アクチュエーションワイヤ400が操作部10によって移動されるとき、複数の屈曲セグメント110は、ヒンジ式に移動し、したがって、操向可能な部材100を曲げる。

0023

図3は、ワイヤ400の動きによって操向可能な部材の屈曲に起因する、ワイヤの中でつくられる緩みを概略的に図示する図である。屈曲セグメント110の各々がLの長さおよび2rの幅を有するとする。隣接する屈曲セグメント110は、それらの対面する側部の中間(それは、外周からrの距離にある)において、ヒンジ接続されている。屈曲アクチュエーションワイヤ400が、それぞれの屈曲セグメントの幅の2つの対向する側部に位置しており、それぞれの屈曲セグメントの側部(それは、それぞれのヒンジ接続された部分からLの距離にある)を通過するとする。

0024

図3Aは、操向可能な部材の2つのセグメント間の相対的な屈曲移動の前の操向可能な部材の2つのセグメントを図示しており、図3Bは、曲率半径Rまで曲げられたときの操向可能な部材の2つのセグメントを図示している。ワイヤ400は、その第1の側において、操向可能な部材の最も遠位のセグメントに接続されており、そこからチューブ状の可撓性部材200を通して駆動ユニットへ通っており、駆動ユニットにおいて、ワイヤ400は、プーリー巻き付けられており、そこから、ワイヤの残りの長さが、チューブ状の可撓性部材200を通って延在して戻り、チューブ状の可撓性部材200の最も遠位のセグメントの反対側に接続している。図3Bでは、2つの屈曲セグメント110の間のベンドの角度は、θによって示されている。以下の等式は、屈曲の前の2つの屈曲セグメントの間の2つのワイヤ部分の長さの総計と、屈曲の後の2つのワイヤ部分の長さの総計とを比較する。屈曲の前の2つのワイヤ部分の長さがそれぞれL1およびL2によって示されており、屈曲の後の2つのワイヤ部分の長さがそれぞれL1’およびL2’によって示されている場合に、2つの長さの間の差ΔLは、以下の通りである。

0025

上記式から見ることができるように、屈曲の後の2つの屈曲セグメントの間の2つのワイヤ部分の長さの総計は、屈曲の前のものよりも小さい。したがって、両側のワイヤが互いに連動して操作されるときに、ΔLの緩みが、それぞれの屈曲セグメントの間に作り出される。これは、屈曲が起こるときに、曲率中心の反対側のワイヤの長さの変化の量(L1’−L1)は、曲率中心の近くのワイヤの長さの変化の量(L2−L2’)よりも小さいからである。したがって、屈曲に起因して、バックラッシュが生成され、したがって、微調節を困難にする。

0026

それとは対照的に、この例示的な実施形態では、屈曲セグメントは、屈曲によって引き起こされる緩みを最小化するために、さまざまな形状で構成され得る。図4は、改善された屈曲セグメント構造による、ワイヤの緩みを概略的に図示する図である。図4に図示されているように、屈曲アクチュエーションワイヤが位置するルーメン112の一部が開いているように、改善された屈曲セグメント110は構成されている(図5を参照)。ここで、tは、オープンルーメン部分の長さを示している。曲率中心の近くのワイヤは、オープンルーメン部分に起因して、より短い経路を有しているが、曲率中心の反対側のワイヤは、対応するオープンルーメン部分において、過剰な長さが追加される経路を有する。このケースでは、曲率中心の近くのワイヤの経路L2*は、長さが以前の経路(図3のL2’)に等しく、曲率中心の反対側のワイヤの経路L1*は、以前の経路(図3のL1’)よりも長い。この経路長さの増加は、曲率中心の反対側のオープンルーメン部分の側壁(屈曲セグメントの中心の近く)がスタブリング部分(stumbling portion)114を形成し、経路を通過する屈曲アクチュエーションワイヤ400がスタンブリング部分114に接触してスタンブルする(stumble)からである(図5を参照)。したがって、改善された屈曲セグメントを使用して屈曲が起こるとき、ΔLは、以下の通りである。

0027

上記に述べられているように、改善された屈曲セグメント110が緩みの長さΔLを低減させるように構成されている状態で、外科手術装置1の移動は、微細に制御され得る。一般的に、オープンルーメン部分の長さtは、屈曲セグメントの長さLの10%以上であることが可能である。屈曲セグメントの寸法、ベンドの角度などに応じて、緩みの長さΔLの低減の量は異なるが、緩みの長さΔLは、おおよそ30%以上だけ低減され得る。

0028

改善された屈曲セグメントは、さまざまな方式で設計され得る。以降では、屈曲セグメントのさまざまな例示的な実施形態が、図5から図11を参照して詳細に説明される。

0029

図5は、1自由度を有する屈曲セグメントの構造を図示する図である。図5に示されている屈曲セグメント110は、中空チャネル111がその中に形成された本体部を有する。1対の接続パーツ120が、本体部の長さの一方の端部に設けられており、他の1対の接続パーツ120が、反対側の端部に設けられている。それぞれの対の接続パーツ120は、本体部の幅の2つの対向する側部に互いに向かい合って位置しており、中空チャネル111が、それらの間の中間にある。

0030

それぞれの屈曲セグメント110は、隣接する屈曲セグメントにヒンジ接続されており、この実施形態では、それぞれの屈曲セグメント110は、その接続パーツによって相互接続されており、接続パーツは、隣接する屈曲セグメントに連結されている。図5では、接続パーツ120は、それらを一緒にピン止めすることによって接続されている。しかし、接続パーツ120は、たとえば、ヒンジシャフトなどによって、互いに対して物理的に拘束される必要はなく、ヒンジ軸線の周りに互いに対して移動することが可能である。接続パーツ120のヒンジシャフトがすべて同じ配向を有するので、すなわち、接続パーツ120のヒンジシャフトが互いに平行になっているので、図5の操向可能な部材は、1自由度を有しており、1自由度では、操向可能な部材が(図面に示されているように)左または右に曲がる。体腔の周りに360度にわたって体腔の部分に面するように、操向可能な部材100の遠位端部を位置付けおよび配向させることを可能にするために、チューブ状の可撓性部材200は、駆動部40によってその長手方向軸線18の周りに回転可能であり、駆動部40は、操向可能な部材100がルーメンの側壁部に面しているときに、操向可能な部材の遠位端部が体腔の内側壁部の周りに面している方向を、オペレーターが円周方向に移動させることを可能にする。

0031

それぞれの屈曲セグメント110は、1対のルーメン112を含み、1対のルーメン112の中に、屈曲アクチュエーションワイヤが位置する。1対のルーメン112は、屈曲セグメント110の断面の中心に対して概して平行に、中空本体部の壁表面を通って延在する開口部を通して形成されており、また、1対のルーメン112は、屈曲セグメント110の断面の中心の周りに対称的に配置されており、したがって、互いから所定の距離に間隔を置いて配置されている。

0032

図5Aおよび図5Bに示されているように、屈曲セグメント110のルーメンは、部分的に開いている。具体的には、それぞれのルーメンは、クローズドルーメン部分112bを含み、クローズドルーメン部分112bは、その端部のいずれかにおいてオープンルーメン部分112aへと開口している。クローズドルーメン部分112bでは、ルーメン壁部が、図5Bに示されているように、壁表面によって囲まれており、屈曲アクチュエーションワイヤが、この囲まれている構造に起因して、クローズドルーメン部分112bの中に拘束されるようになっている。それとは対照的に、オープンルーメン部分112aでは、その壁部の少なくとも一部は、オープン構造を有する。したがって、オープンルーメン部分112aの中に位置する屈曲アクチュエーションワイヤは、このオープン部分においてルーメンの外向きに移動可能であり得る。

0033

この例示的な実施形態では、オープンルーメン部分112aは、屈曲セグメントの外側の壁部113aの部分(外側の壁部113aの部分は、屈曲セグメントの断面の中心の反対側にある)が開いている構造を有する。したがって、屈曲セグメントの相対的なアーチ形の移動が起こるときに、結果として生じる曲げられる操向可能な部材の曲率中心の近くのワイヤ400aは、オープンルーメン部分の外側部分に向けて(外向き方向に)移動し、それは、屈曲セグメントが、ルーメンが屈曲セグメントの長さまたは高さにわたって閉じられている屈曲セグメントと比較して、より短い長さで接続されることを可能にする。屈曲セグメント110の反対側のルーメン112では、ワイヤ400bは、屈曲セグメントの断面の中心の最も近くのオープンルーメン部分の壁部113bの部分に接触して引っ張られ、オープンルーメン部分は、スタンブリング部分114を形成し、ワイヤが、スタンブリング部分114に接触してスタンブルし、すなわち、ワイヤ400bとオープンルーメンの壁部113bとの間の摩擦は、ワイヤ400bを少なくとも壁部113bに接触して瞬間的に結合させる。したがって、屈曲が起こるときに、曲率中心の反対側のワイヤ400bは、ルーメン112の内側壁部とのより大きい接触面積を有し、それによって、緩みの長さを低減させる。

0034

図5Aおよび図5Bでは、クローズドルーメン部分112bがルーメン長さの中間に形成され、オープンルーメン部分112aがクローズドルーメン部分112bのどちらの側にも位置するように、屈曲セグメント110のそれぞれのルーメン112は構成されていることが示されている。これは、単なる例に過ぎず、長さに沿ってルーメン112の一方の側が、オープンルーメン部分を形成することが可能であり、他方の側が、クローズドルーメン部分を形成することが可能である。代替的に、1対の隣接する屈曲セグメントのオープンルーメン部分は、ヒンジシャフトに対して対称的に配置され得る。このように、屈曲アクチュエーションワイヤが位置するルーメンは、屈曲セグメントの断面の中心に近い壁表面(内側壁表面)113bがその断面の中心の反対側の壁表面(外側壁表面)113aよりも長くなるように、さまざまに変更され得る。

0035

図5Aおよび図5Bは、オープンルーメン部分112aがクローズドルーメン部分112bよりも長いことを図示しているが、本発明は、それに限定されず、屈曲セグメントの構造および隣接する屈曲セグメント間の弓形の移動の最大角度に応じて、さまざまな構成を有することが可能である。ルーメン長さ全体の20%以上を占めるオープンルーメン部分の長さが、緩みの長さを低減させるために有利であり得ることに留意されたい。

0036

屈曲セグメントの接続パーツは、図5に示されているような接続パーツを一緒にピン止めする以外に、さまざまな方式で形成され得る。図6は、隣接する屈曲セグメント間の異なるタイプの接続部の例を図示している。

0037

図6の屈曲セグメントは、その一方の端部に1対の接続パーツ120、および、その対向する端部において1対の凹部パーツ121をそれぞれ含む。屈曲セグメント110の接続パーツ120は、隣接する屈曲セグメントの凹部パーツ121の中に収容され、自由ヒンジ接続部を形成している。接続部は、自由ヒンジ接続部である。その理由は、セグメントが、互いから離れるようなその移動を防止するようにピン止めされていないか、または、その他の方法で物理的に拘束されていないからである。図6のAの接続パーツ120は、凸形の丸い表面を備えた突出部からそれぞれ構成されており、凹部パーツ121は、対応する突出部を収容する調和した凹形の丸みを帯びた凹部をそれぞれ有している。したがって、それぞれの接続パーツ120は、対応する凹部パーツ121の表面に沿ってスライドすることが可能であり、隣接する屈曲セグメントの中心線が互いに対して角度方向に移動可能であるようになっている。図6Bの接続パーツ120は、線形の縁部で終端するV字形状の突出部からそれぞれ構成されており、凹部パーツ121は、V字形状の切り欠き状の溝部をそれぞれ有しているが、V字形状の突出部の対向する脇面間の角度は、V字形状の切り欠きの脇面間の角度よりも小さくなっており、したがって、V字形状の突出部の線形の縁部が、V字形状の切り欠きのベースの上に着座されているときには、突出部のいずれかの側にクリアランスまたは自由スペースが存在しており、突出部、ひいては、隣接する屈曲セグメントの中心線は、互いに対して角度方向に移動可能である。

0038

図7は、2自由度を有する屈曲セグメントの構造を示す図である。図7の屈曲セグメントは、それらの間の相対的な角度方向の移動を可能にするように、隣接する屈曲セグメントにそれぞれ接続されており、屈曲の一方の端部において屈曲セグメントに接続されている第1の軸線またはヒンジシャフトh1のうちの一方と、屈曲セグメントの他方の端部において屈曲セグメントに接続されているヒンジシャフトh2とが、異なる配向を有するように、具体的には、おおよそ、互いから90度のオフセットを有するように、それぞれが構成されている。したがって、図7の屈曲セグメント100は、図5および図6に関して述べられていることとは異なり、2自由度以上で移動可能な操向可能な部材を構成している。

0039

具体的には、図7のそれぞれの屈曲セグメント110は、屈曲セグメント110の一方の端部に1対の接続パーツ120を含み、屈曲セグメント110の反対側の端部に1対の凹部パーツ121を含む。それぞれの1対の接続パーツ120は、1対の凹部121に面している。図5Aおよび図5Bの場合のように、接続パーツ120は、それぞれの屈曲セグメント110は、丸い表面を備えた凸形の突出部から構成されており、凹部は、調和した丸みを帯びた輪郭の凸形の凹部のようになっており、隣接する屈曲セグメント110の凸形の突出部を収容する。

0040

図7Bに図示されているように、それぞれの屈曲セグメント110において、1対の接続パーツ120の丸みを帯びた部分の中心を通って延在する軸線と、凹部121の丸みを帯びた表面の中心を通って延在する軸線とは、互いに直交している。すなわち、1対の接続パーツおよび1対の凹部は、屈曲セグメント110の断面に関して異なる場所に位置決めされている(より具体的には、1対の接続パーツおよび1対の凹部の中心を通って延在する軸線同士は、90度で交差している)。

0041

したがって、屈曲セグメント110は、第1の軸線またはヒンジシャフトh1のうちの1つの上で、一方の側の隣接するセグメントに対してヒンジ式に移動し、第2の軸線h2の上で、屈曲セグメント110の反対側端部における隣接するセグメントに対してヒンジ式に移動する。すなわち、第1のヒンジシャフトおよび第2のヒンジシャフトの軸線の配向が、互いに直交する交互に配置されるように、屈曲セグメントの接続パーツは構成されている。したがって、図7の屈曲セグメント110は、それぞれの隣接する屈曲セグメント110に対して1自由度で移動するが、複数の屈曲セグメント110から形成される操向可能な部材100の配向は、2自由度で構成可能である。

0042

操向可能な部材100のこの実施形態では、それぞれの屈曲セグメント110は、4つのルーメン112を含み、4つのルーメン112は、その対向する端部の間で、長さに沿って形成されている。図7Aおよび図7Bに図示されているように、それぞれのルーメン112は、屈曲セグメントの外側壁部の内向きに延在し、接続パーツ120および凹部パーツ121を形成している。4つのルーメン112のそれぞれの1つは、接続パーツおよび凹部が形成されている場所に整合されており、本体部の周りに90度間隔で間隔を置いて配置されている。

0043

屈曲アクチュエーションワイヤ400が、それぞれ、4つのルーメン112の各々の中に位置する。これらのアクチュエーションワイヤ400の中でも、一方の対のワイヤが、操向可能な部材100の一方のシャフトの屈曲を誘発し、他方の対のワイヤが、他方のシャフトの屈曲を誘発する。

0044

それぞれのルーメンは、上述の例と同様に、部分的に開いている。図7Aに図示されているように、屈曲セグメント110の外側壁部の内向きにおよび概して平行に延在するそれぞれのルーメン112の一部分は、突き出ているパーツ120を通って延在するクローズドルーメン部分112bと、そこから接続パーツ120または凹部121が存在していない屈曲セグメント110の反対側端部へ延在するオープンルーメン部分112aとを含み、また、そこから90度オフセットされたルーメンにおいて、凹部121を通って延在するクローズドルーメン部分112bと、そこから接続パーツ120または凹部121が存在していない接続部分110の反対側端部へ延在するオープンルーメン部分112aとを含む。

0045

図7は、接続パーツ120または凹部121を通って延在するルーメン112を図示しているが、ルーメン112は、接続パーツ120および凹部121からオフセットされてもよい。実施形態では、接続パーツ120および凹部121は、それぞれの屈曲セグメント110の本体部の側面の周りに(たとえば、周囲に沿って)90度間隔で間隔を置いて配置されてもよい。したがって、それぞれのルーメン112は、2つの隣接する接続パーツ120の間、および、2つの隣接する凹部121の間に位置していてもよく、好ましくは、接続パーツ120および凹部121から45度の場所に位置していてもよい。

0046

このケースでは、図8に図示されているように、クローズドルーメン部分112bが屈曲セグメントの対向する端部の間に延在するルーメンの長さの中間に形成されており、オープンルーメン部分112aがクローズドルーメン部分112bのどちらの側にも形成されるように、それぞれのルーメン112は構成されていてもよい。

0047

図7および図8は、丸い表面を備えた突出部から構成されている接続パーツ120、および、接続パーツ120を収容する凹部121に関して説明されてきた。しかし、これは、単なる例に過ぎず、図6のBに示されているように、接続パーツは、線形の縁部を備えた突出部から構成されていてもよく、凹部は、V字形状の切り欠き状の溝部であってもよい(図9Aおよび図9Bを参照)。そうでなければ、図5に示されているように、それぞれが接続パーツおよび凹部を含むというよりもむしろ、2つの接続パーツは、ヒンジ状の移動を可能にする方式で一緒にピン止めされていてもよい。

0048

図7から図9に示されている例示的な実施形態は、隣接する屈曲セグメントの相対的なアーチ形の位置決めを可能にするための接続構造体を提供しており、この接続構造体では、1対の接続パーツが1つの屈曲セグメントに設けられており、1対の凹部が別の屈曲セグメントに設けられている。代替的に、1つの接続パーツおよび1つの凹部が、1つの屈曲セグメントの一方の端部に位置し、それらの間に延在する屈曲セグメントの中空部分によって間隔を離して配置されていてもよく、隣接する屈曲セグメントの接続パーツおよび凹部が、第1の屈曲セグメントのものと逆に位置し、隣接する屈曲セグメント110の間の接続部を提供している。

0049

図10は、連続的な可撓性のヒンジ構造体を用いる操向可能な部材の代替的な構築体を図示している。図10に図示されているように、屈曲セグメント110は、ディスク状のプレートの形状になっており、屈曲セグメント110間に位置している可撓性の接続パーツ120によって接続されている。図5から図9の操向可能な部材は、接続パーツの機械的なヒンジ構造体を使用して曲げられ得るが、図10の操向可能な部材は、接続パーツの弾性を使用して曲げられ得る。

0050

より具体的には、図10の操向可能な部材は、互いに一体的に形成された複数の屈曲セグメント110および複数の接続パーツ120から構成されている。たとえば、操向可能な部材は、可撓性のプラスチック樹脂を使用する成形方法によって製造され得る。図10に図示されているように、それぞれの屈曲セグメント110およびそれぞれの接続パーツ120は、その端部から端部まで延びる中空チャネル111を有する。接続パーツ120は、それぞれの屈曲セグメント110間に設けられており、中空チャネルの2つの対向する側部から半径方向外側に延在する壁構造を有する。接続パーツ120(壁構造)は、隣接する接続パーツが配置されている方向に対して垂直の方向に配置されている。したがって、図10の操向可能な部材は、2自由度で曲がることが可能である。

0051

屈曲アクチュエーションワイヤ400がそれに沿って位置する4つのルーメン112は、90度間隔で配置されている。それぞれのルーメン112は、それぞれのルーメン112が接続パーツ120の外側縁部を貫通するポイントに形成されている。この場合には、先述の例示的な実施形態と同様に、それぞれのルーメン112は、部分的に開いているルーメン部分112である。図11に図示されているように、それぞれのルーメンのクローズドルーメン部分112bは、それぞれのルーメンが接続パーツを貫通するポイントに形成されており、そのオープンルーメン部分112aは、屈曲セグメントが貫通されるクローズドルーメン部分112bのどちらの側にも形成されている。したがって、この例示的な実施形態の操向可能な部材100は、屈曲アクチュエーションワイヤ400が移動するときに、接続パーツ120を通って曲がることが可能である。

0052

図11は、可撓性の中央背骨構造を使用する操向可能な部材を図示する。図11の操向可能な部材100は、ディスク状のプレートからそれぞれ構成されている屈曲セグメント110、および、屈曲セグメントの中心同士を接続するための背骨構造を使用する接続パーツ120を含む。接続パーツ120は、それぞれの屈曲セグメント間に設けられる個々の部材から構成され得るか、または、複数の屈曲セグメントを貫通する単一の部材から構成され得る。このケースでは、接続パーツ120は、屈曲アクチュエーションワイヤ400が移動するときに曲がる可撓性材料を含む。

0053

また、図11の操向可能な部材は、4つのルーメン112を含み、それぞれのルーメンは、部分的に開いている。具体的には、ルーメン112は、ルーメンの長さの中間部に形成されているクローズドルーメン部分112b、および、クローズドルーメン部分112bのどちらの側にも形成されているオープンルーメン部分112aを含むことが可能である。

0054

上記に記載されている例示的な実施形態では、緩みを最小化することができる屈曲セグメントが、屈曲によって引き起こされるバックラッシュを防止するために使用されている。操向可能な部材は、バックラッシュを防止するために、他のさまざまな方式で構成され得る。

0055

図12から図14は、側方支持部材130を備えた操向可能な部材を図示する図である。側方支持部材130は、弾性材料または超弾性材料を含み、側方支持部材130は、その形状が、オリジナル形状、たとえば、概して直線の形状から逸脱した後に、操向可能な部材100をそのオリジナル形状に戻すための復元力を働かせる。この操向可能な部材100は、その中に少なくとも1つの側方支持部材130を含み、少なくとも1つの側方支持部材130は、十分な弾性的な強度およびエネルギー貯蔵能力を備えて構成されており、側方支持部材130が曲げられた後に、および、側方支持部材130を曲げる力が除去された後に、側方支持部材130を初期配向復元させる。

0056

図12Aから図12Cは、側方支持部材によって提供される屈曲特性を図示している。図12に図示されているように、少なくとも1つの屈曲アクチュエーションワイヤ400が、駆動部40によって図12Bの中の矢印の方向に引っ張られる場合には、操向可能な部材100が曲がる。このケースでは、操向可能な部材100は、少なくとも1つの側方支持部材130を含み、屈曲アクチュエーションワイヤ400が操作され、側方支持部材130の剛性打ち勝つことによって屈曲を引き起こす(図12B)。その後に、対応する屈曲アクチュエーションワイヤ400が解放されると、すなわち、駆動部40の方向に引っ張られなくなると(図12C)、側方支持部材130がそのオリジナル配向を取り戻す結果として、操向可能な部材100はそのオリジナル配向に戻る。

0057

従来では、一方の側の屈曲アクチュエーションワイヤが、操向可能な部材100を1つの方向に曲げるように操作される間に、他方の側の屈曲アクチュエーションワイヤが、操向可能な部材100をそのオリジナルの中立の配向に戻すように操作される。したがって、操向可能な部材100が、配向を復元しているワイヤが後退されるかまたは引っ張られ得るよりも速くそのオリジナル配向へ復元されるときに、操向可能な部材100をそのオリジナルの中立の配向に戻すために引っ張られているワイヤの中に、緩みが起こり、バックラッシュを引き起こす。しかし、図12に示されているような側方支持部材130の使用によって、屈曲アクチュエーションワイヤの中の緩みによって引き起こされるバックラッシュは、屈曲の間に問題とならないことが可能である。

0058

図13Aから図13Cは、側方支持部材を使用する操向可能な部材のさまざまな例示的な実施形態を図示する。図13に図示されているように、操向可能な部材100は、複数の屈曲アクチュエーションワイヤ400および複数の側方支持部材130を含むことが可能である。側方支持部材130は、線形スプリングとして機能するさまざまなタイプの構造、たとえば、ワイヤ構造または中空チューブ構造などで構成され得る。操向可能な部材100の屈曲セグメント110は、2自由度で互いに対し動くように構成されており、屈曲アクチュエーションワイヤ400および側方支持部材130がそこを通過する複数のルーメン112を含むことが可能である。

0059

図13Aから図13Cでは、複数の屈曲アクチュエーションワイヤ400および複数の側方支持部材130が、それらの間にスペースを伴って配置されている。図13Aおよび図13Bでは、4つの屈曲アクチュエーションワイヤ400が、屈曲セグメント110の本体部の周りに90度間隔で配置されており、4つの側方支持部材130は、それぞれの屈曲アクチュエーションワイヤ400の間に45度間隔で配置されている。このケースでは、図13Aに示されているように、4つの屈曲アクチュエーションワイヤ400が、屈曲セグメント110の接続パーツ120を通過するように配置されていてもよく、また、図13Bに示されているように、4つの側方支持部材130が、屈曲セグメント110の接続パーツ120を通過するように交互に配置されていてもよい。代替的に、図13Cに示されているように、屈曲アクチュエーションワイヤ400および側方支持部材130の対は、周囲に沿ってそれぞれの接続パーツ場所の間に対として配置され、したがって屈曲セグメント110の接続パーツ120を通過しない。

0060

図13Dおよび図13Eでは、側方支持部材130は、中空チューブ構造を有しており、屈曲アクチュエーションワイヤ400が、側方支持部材のそれぞれの内側に位置する。側方支持部材130および屈曲アクチュエーションワイヤ400は、屈曲セグメント110の本体部の周りに90度間隔で配置され得る。図13Dでは、側方支持部材130および屈曲アクチュエーションワイヤ400は、屈曲セグメントの接続パーツを通過するように配置されている。図13Eでは、側方支持部材130および屈曲アクチュエーションワイヤ400は、それぞれの接続パーツ場所の間に位置しており、接続パーツを通過しないようになっている。

0061

図14は、事前に形状決めされた側方支持部材によって提供される屈曲特性を図示する。図12および図13の側方支持部材は、ワイヤが引っ張らない操向可能な部材の中立位置に対応する形状を有する。したがって、操向可能な部材は、屈曲アクチュエーションワイヤによって曲げられ、側方支持部材によって中立に戻るように構成されている。それとは対照的に、図14の側方支持部材130は、1つの方向に曲げられた形状を有するように構成されており、側方支持部材130の弾性が、1つの側への操向可能な部材の屈曲に貢献するようになっている。

0062

例では、図14の側方支持部材130は、操向可能な部材100を左に曲げるように事前に形状決めされている。側方支持部材130を中に備えた操向可能な部材は、アクチュエーションワイヤの任意の操作なしに、左へ曲げられたままになっている(図14A)。屈曲セグメント110の反対側の屈曲アクチュエーションワイヤ400が、第1の張力Fによって下向きに引っ張られる場合に、操向可能な部材100は、直線配向へと再配向した状態に設置され得る(図14B)。ここで、第1の張力Fは、側方支持部材130の剛性によって生成されるモーメント平衡状態になるのに十分な大きさである。屈曲アクチュエーションワイヤ400が、より大きい第2の張力F’によって引っ張られる場合には、操向可能な部材は、右へ曲げられる(図14C)。このケースでは、屈曲アクチュエーションワイヤ400に働かされる張力が第1の張力Fまで低減される場合には、操向可能な部材100は、図14Bの中のその位置へ移動し、また、屈曲アクチュエーションワイヤ400に働かされる張力が完全に解放される場合には、操向可能な部材100は、左へ曲がる(図14A)。

0063

この事例では、操向可能な部材は、側方支持部材130の剛性の結果として、直線位置または初期の曲げられた位置へ移動し、それによって、ワイヤバックラッシュなしの操向可能な部材100の屈曲制御を可能にする。図14は、事前に形状決めされた側方支持部材および屈曲アクチュエーションワイヤを使用する、1自由度を有する屈曲機構を示しているが、事前に形状決めされた側方支持部材を使用するさまざまな屈曲機構が採用され得る。

0064

それに加えて、図15から図17に示されているように、バックラッシュを引き起こさない接続セグメントを使用する屈曲機構、および、側方支持部材を使用する上述の方法が使用され得る。

0065

図15は、接続セグメントによって接続されている屈曲セグメント110の屈曲によって引き起こされるワイヤ経路差を図示する。先述の例示的な実施形態では(たとえば、図3から図9では)、それぞれの屈曲セグメント110は、本体部の中に設けられた接続パーツ120を通って、隣接する屈曲セグメントに直接的に連結されており、それぞれの対の隣接する屈曲セグメント110の間で共有される1つのヒンジ軸に沿って互いに対して動く。それとは対照的に、図15に示されているように、接続セグメント140が、それぞれの対の隣接する屈曲セグメント110の間に設けられており、2つの隣接する屈曲セグメントが、それぞれ、接続セグメント140の2つの端部に接続されている。接続セグメント140は、ダブルヒンジジョイント構造を有しており、ダブルヒンジジョイント構造は、接続セグメント140の上の2つのポイントが2つの異なる部材に対するヒンジ接続関係を形成することを可能にする。したがって、1対の隣接する屈曲セグメント110は、それぞれ、接続セグメント140の2つの端部に連結されており、ヒンジシャフトを共有することなく、異なるヒンジシャフトに対して回転するようになっている。

0066

屈曲セグメント110のどちらの側にもあるワイヤ間の距離を2rとし、接続セグメントの2つのヒンジシャフト間の距離をLとしよう。屈曲セグメント110は、1対のワイヤの間の中間のポイントにおいて(すなわち、それぞれのワイヤからrの距離において)、接続セグメント140にヒンジ接続され得る。

0067

図15Aは、屈曲の前の隣接する屈曲セグメントを図示しており、図15Bは、曲率半径Rの曲げをつくるために動かされたときの隣接する屈曲セグメントを図示している。図15Bでは、2つの隣接する屈曲セグメント110の間のベンドの角度は、θによって示されている。また、屈曲によって生成される屈曲セグメントと接続セグメントとの間のベンドの角度θproxおよびθdistalは等しいことを仮定することが可能である。このケースでは、以下の等式は、屈曲の前の2つの屈曲セグメントの間の2つのワイヤ部分の長さの総計と、屈曲の後の2つのワイヤ部分の長さの総計とを比較するために使用される。屈曲の前の2つのワイヤ部分の長さは、それぞれ、L1およびL2によって示されており、屈曲の後の2つのワイヤ部分の長さは、それぞれ、L1’およびL2’によって示されている。
L1=L2=L





L1+L2=L1’+L2’

0068

すなわち、接続セグメント140によって接続されている操向可能な部材100が曲げられる場合には、屈曲の前の2つのワイヤ部分の長さの総計(L1+L2)と、屈曲の後の2つのワイヤ部分の長さの総計(L1’+L2’)とは、実質的に等しい。したがって、屈曲によって引き起こされるワイヤの緩みが防止され得る。

0069

図15では、屈曲セグメント140と接続セグメント110との間のベンドの角度θproxおよびθdistalが等しいことを仮定している。その理由は、屈曲が、同じワイヤによってそれぞれの屈曲セグメントに起こるからである。しかし、実際の屈曲が起こるときには、接続セグメント140と屈曲セグメント110との間のベンドの角度は、実質的に同様の範囲内にあるが、それらはわずかに異なっている。したがって、2つの屈曲セグメントが単一のヒンジシャフトの上で一緒に連結されている構造と比較して、緩みの長さは最小化され得る。

0070

図16は、接続セグメント、および、接続セグメントによって接続されている屈曲セグメントを図示する斜視図である。図17は、接続セグメントを含む操向可能な部材を図示する斜視図である。

0071

図16に図示されているように、接続セグメント140は、異なるポイントにおいて、第1の屈曲セグメント110aおよび第2の屈曲セグメント110bにヒンジ接続されている。接続セグメント140は、中央開口を通って離れた2つの本体部141を含む。それぞれの本体部141は、その長さの一方の端部に第1のヒンジパーツ142aを含み、他方の端部に第2のヒンジパーツ142bを含む。第1および第2の屈曲セグメント110aおよび110bは、それぞれ、第1および第2のヒンジパーツ142aおよび142bに連結されており、それらが異なるヒンジ軸線の周りに接続セグメントに対して移動するようになっている。

0072

図16では、第1のヒンジパーツ142aおよび第2のヒンジパーツ142bは、丸い表面を備えた突出部からそれぞれ構成されており、丸い表面を備えた突出部は、屈曲セグメント110の内向きに延在して形成されている凹部121bの中に収容されており、突出部表面は、凹部の表面に沿ってスライドし、屈曲セグメント110a、bと接続部分140との間のヒンジ式の移動を可能にする。しかし、これは、単なる例に過ぎず、第1および第2のヒンジパーツのうちの少なくとも1つは、突出部を収容するための凹部であってもよく、または、他のヒンジ構造体によって接続されてもよい。

0073

接続セグメント140は、中空スペースをその内側に備えたガイド部材143をさらに含み、ガイド部材143は、互いに向かい合う2つの本体部141を一緒に結び付けている。ガイド部材143の中空スペースは、さまざまな種類のワイヤ部材、たとえば、屈曲アクチュエーションワイヤまたはエンドエフェクタアクチュエーションワイヤなどが通過することを可能にし、また、結果として生じる操向可能な部材100の屈曲の間に、内部コンポーネントがその外向きに移動することを防止する。ガイド部材143の断面は、屈曲セグメントの断面と同様であることが可能である。このケースでは、屈曲アクチュエーションワイヤが通過する部分は、屈曲アクチュエーションワイヤの移動を制限しないように開いていることが可能である。

0074

図17の操向可能な部材は、複数の接続セグメント140を含み、隣接する接続セグメント140は、互いに直交するヒンジ軸を有するように構成されている。それぞれの屈曲セグメント110は、4つのルーメン112を有しており、屈曲アクチュエーションワイヤ400が4つのルーメン112のそれぞれに位置するようになっている。したがって、操向可能な部材100は、2自由度で曲がることが可能である。このケースでは、屈曲アクチュエーションワイヤ400は、屈曲セグメント110の本体部の周りでそれぞれのヒンジシャフト場所の間に位置し得、接続セグメント140のヒンジシャフトを通過しないようになっている。

0075

別の例示的な実施形態では、図18Aおよび図18Bは、操向可能な部材100の屈曲に起因して、湾曲した経路を形成するワイヤの緩みを概略的に図示する。図3は、屈曲が起こるときに、曲げられた直線の経路に従うワイヤを示しているが、図18は、屈曲が起こるときに、湾曲した経路に従うワイヤを示している。屈曲の前の2つのワイヤ部分の長さが、それぞれ、L1およびL2によって示され、屈曲の後の2つのワイヤ部分の長さが、それぞれ、L1’およびL2’によって示される場合には、2つのワイヤ部分の長さの間の関係は、以下の通りである。

L1’+L2’=(R+r)θ+(R−r)θ=2Rθ

[ΔLslack<ΔLFig3=4R(tan(θ/2)−sin(θ/2))]

0076

屈曲が起こるときに曲げられた直線の経路を形成する図3のワイヤと比較して、湾曲した経路を形成する図18のワイヤは、緩みの長さに関して、おおよそ30%の低減を有することが可能である。この原理を使用して、屈曲アクチュエーションワイヤは、経路調節部材を含むことによって、屈曲が起こるときに湾曲した経路を形成するように構成されており、それによって、緩みを最小化する。

0077

図19は、経路調節部材を使用する操向可能な部材を図示する図である。図19に図示されているように、操向可能な部材100は、プレート状の屈曲セグメント110と、屈曲セグメント間に位置する壁状の接続パーツ120とを含む。また、4つのルーメン112が、屈曲セグメント100の外側縁部および接続パーツ120を貫通するように形成されている(図10の説明を参照)。

0078

図19Bに図示されているように、屈曲アクチュエーションワイヤ400は、それぞれのルーメンの中に直接的に位置するというよりもむしろ、それぞれのルーメンの中の経路調節部材150の内側に位置する。経路調節部材150は、金属などのような弾性材料を含み、操向可能な部材100が曲げられるときに曲がり、それによって、湾曲したワイヤ経路を形成する(このケースでは、経路調節部材の剛性は、図13Dおよび図13Eに示されているように復元力を作り出すのに十分に高くなっている必要はなく、湾曲した経路を形成するのに十分な弾性力であれば目的を果たす)。したがって、この例示的な実施形態による屈曲アクチュエーションワイヤ400は、曲げられている直線の経路に沿って曲がるのではなく、湾曲した経路に沿って曲がり、それによって、ワイヤ緩みの長さを最小化する。

0079

この例示的な実施形態は、可撓性のヒンジ構造体を使用する操向可能な部材に関して経路調節部材が使用されている例に関連して説明されてきたが、経路調節部材の使用によって、図11から図17に示されている操向可能な部材の中にワイヤを設置するなどのように、修正を行うことが可能である。

0080

図20Aおよび図20Bは、操向可能な部材の屈曲を図示する。図20Bに図示されているように、屈曲の初期段階において、屈曲は、操向可能な部材100全体にわたって均一ではなく、屈曲アクチュエーションワイヤ300が取り付けられる操向可能な部材の遠位端部に、屈曲が集中されている。したがって、ワイヤの端部が操向可能な部材100の内向きの方向に移動されているときに、力は、操向可能な部材の遠位端部に直接的に伝達され、その近位端部における操向可能な部材のより少ない屈曲を結果として生じさせる。

0081

図21Aから図21Cは、本発明の1つの例示的な実施形態による操向可能な部材100の側面図である。図21A図21B、および図21Cは、操向可能な部材が遠位端部においてよりも近位端部において容易に曲がる幾何学的に強化された構造を形成することで操向可能な部材の遠位端部における屈曲の集中を低減する実施形態を示す。

0082

具体的には、図21Aに示されているように、屈曲セグメント110は、操向可能な部材の断面の中心から所定の距離に形成されたルーメンを有しており、操向可能な部材の近位端部に近ければ近いほど、屈曲セグメントの中のルーメンは、操向可能な部材の断面の中心から遠く離れるようになる。このケースでは、操向可能な部材100に印加されるモーメントは、遠位端部においてより小さくなり、近位端部に向けて増加する。したがって、操向可能な部材100は、その近位端部に向けてより容易に曲がる。

0083

図21Bでは、接続パーツ120は、操向可能な部材100の長さに沿って、形状が徐々に変化するように構成され得、操向可能な部材が遠位端部においてよりも近位端部において容易に曲がるようになっている。例では、図21Bに図示されているように、近位端部においてよりも遠位端部において大きい断面幅を有するように接続パーツを構成することによって、長さに沿った屈曲特性が調節され得る。代替的に、接続パーツの幅を調節することは別にして、接続パーツは、ジョイント構造を有する接続パーツの移動の範囲を調節することを含む、他のさまざまな方式の形状変化で構成され得る。

0084

また、図21Cに示されているように、屈曲セグメント110間の距離は、長さに沿って変化することが可能である。具体的には、屈曲セグメント間の距離が、遠位端部に向けてより短くなり、近位端部に向けてより長くなるように、接続パーツ120が位置決めされ得る。このケースでは、屈曲セグメント間の距離が長くなればなるほど、操向可能な部材の屈曲が容易になる。これは、遠位端部の近くの屈曲の制限、および、近位端部の近くの屈曲特性の改善を結果として生じさせる。

0085

この構成の操向可能な部材は、ルーメンに沿って位置する複数の屈曲アクチュエーションワイヤを有しており、それぞれの屈曲アクチュエーションワイヤの遠位端部は、操向可能な部材の遠位端部に設けられているワイヤ終端部材410によって固定されている。

0086

図22Aから図22Cは、ワイヤ終端部材を使って屈曲アクチュエーションワイヤを操向可能な部材100に固定する方法を図示する。操向可能な部材100および屈曲アクチュエーションワイヤ400は、サイズが非常に小さいので、個々の屈曲アクチュエーションワイヤを操向可能な部材の遠位端部に固定することは、極めて困難である。したがって、この例示的な実施形態は、複数の屈曲アクチュエーションワイヤを容易に固定することができるワイヤ終端部材を使用する。

0087

図22Aに図示されているように、ワイヤ終端部材410は、一方の側にネジ山411を有しており、操向可能な部材100の遠位端部にねじ込まれている。また、ワイヤ終端部材は、複数の孔部412を含み、複数の屈曲アクチュエーションワイヤが複数の孔部412を通過しており、孔部412は、操向可能な部材の中のルーメンに対応する場所に形成されている。したがって、図22Bに示されているように、ワイヤ終端部材410は、屈曲アクチュエーションワイヤ400がワイヤ終端部材の孔部の中に挿入されている状態で操向可能な部材100の遠位端部にねじ込まれ得(図22A)、それによって、屈曲アクチュエーションワイヤを操向可能な部材100に固定することを容易にする(図22のBおよびC)。

0088

ワイヤ終端部材410は、操向可能な部材100とエンドエフェクタ300との間に設けられているコンポーネントであることが可能である。このケースでは、ワイヤ終端部材410は、操向可能な部材100の遠位端部にねじ込まれ得、エンドエフェクタ300は、ワイヤ終端部材410に接続され得る。代替的に、図23に図示されているように、屈曲アクチュエーションワイヤ400をエンドエフェクタ300の内側に固定することによって、および、エンドエフェクタ300を操向可能な部材100の遠位端部に直接的にねじ込むことによって、エンドエフェクタ300は、ワイヤ終端部材として使用され得る。

0089

図22は、図10に示されている構造を有する操向可能な部材に関連して説明されてきたが、操向可能な部材が他の構造を有する場合にも、屈曲アクチュエーションワイヤは同様に固定され得ることは言うまでもない。

0090

上記の議論では、操向可能な部材のさまざまな例示的な実施形態は、図5から図22を参照して説明されてきた。操向可能な部材100は、エンドエフェクタを有する外科手術装置のコンポーネントとして説明されているが、本発明はそれに限定されない。たとえば、本発明は、さまざまな種類の外科手術器具、たとえば、作業チャネルを備えたイメージングユニットまたはルーメンユニットなどに関する、屈曲可能な操向可能な部材に適用可能である。

0091

図2に戻って参照すると、エンドエフェクタ300が、操向可能な部材の遠位端部に設けられている。上記に説明されているように、エンドエフェクタ300は、操向可能な部材100の遠位端部に直接的に連結され得、または、ワイヤ終端部材などのようなコンポーネントを通してそれに連結され得る。エンドエフェクタ300は、外科手術において使用するためのさまざまなタイプの外科手術エレメントを含む。図2は、例として鉗子31を含むエンドエフェクタを図示している。

0092

エンドエフェクタ300の近位端部は、エフェクタアクチュエーションワイヤ500に接続されている。エフェクタアクチュエーションワイヤ500は、操向可能な部材100のチャネル111の中に位置しており、操向可能な部材100および筒状の可撓性部材200を通して操作部10に機械的に接続されている。したがって、エフェクタアクチュエーションワイヤ500は、それが操作部10によって長さ方向に移動するときに、エンドエフェクタ300を作動させる。

0093

図24は、エンドエフェクタの動作原理を概略的に図示する断面図である。エンドエフェクタ300は、エフェクタアクチュエーションワイヤ500が操作部10の方向に引っ張られているときに、第1のモードで動作し(図24A)、また、エフェクタアクチュエーションワイヤ500がエンドエフェクタ300の方向に引っ張られているときに、第2のモードで動作する(図24のB)。第1のモードでは、アクチュエーションワイヤ500がエンドエフェクタから離れる方向に引っ張られるときには、エンドエフェクタの鉗子が閉じ、アクチュエーションワイヤ500にかかる引っ張り力が解放されるときには、鉗子の中の内部スプリングメカニズムが、そのジョーを開ける。エフェクタアクチュエーションワイヤ500を操作部の方向に引っ張る作用は、操作部の駆動部40によって容易に行われ、それによって、力をエンドエフェクタに伝達することが可能である。他方では、エフェクタアクチュエーションワイヤ500をエンドエフェクタ300の方向に戻す作用は、駆動部400によって適正に行われない可能性がある。その理由は、エフェクタアクチュエーションワイヤがワイヤ構造を有するからである。したがって、この例示的な実施形態では、エンドエフェクタ400は、弾性的な本体部341を含み、弾性的な本体部341の弾性を使用してエンドエフェクタの方向にエンドエフェクタアクチュエーションワイヤ500の端部を引っ張ることによって、第2のモード動作を実施する。

0094

具体的には、図24に図示されているように、エンドエフェクタのエフェクタモジュールは、外科的手術を実施するための器具部分310、および、器具部分310を作動させるためのアクチュエーション部分320を含む。器具部分310は、アクチュエーション部分320にリンク接続され、器具部分310のジョイント330が固定されている状態で、外科手術エレメント、たとえば図1および図2の鉗子31がアクチュエーション部分320の移動によって両側で開閉されるように構成されている。弾性的な本体部341は、アクチュエーション部分の近位端部に位置し得る。エフェクタアクチュエーションワイヤ500が操作部10によって引っ張られるときに、アクチュエーション部分320は、弾性的な本体部341を押しながら後方へ移動し、したがって、外科手術エレメントが閉じられる(図24A)。また、エフェクタアクチュエーションワイヤ500に作用する力が操作部10によって解放されるときには、弾性的な本体部341の復元力は、アクチュエーション部分320を器具部分310の方向に移動させ、それによって、外科手術エレメントを開く(たとえば図24を参照)。このように、エンドエフェクタの作動機構は、弾性的な本体部の使用によって簡単化され得る。

0095

弾性的な本体部を使用するエンドエフェクタの構造は、さまざまな方式で設計され得る。図25は、そのようなエンドエフェクタの例を図示する図である。図25に図示されているように、エンドエフェクタ300は、エフェクタモジュール301および本体部部分340を含み、エフェクタモジュール301が本体部部分340に装着される。エフェクタモジュール301の器具部分310は、本体部部分340の遠位端部に露出されるように構成されており、そのアクチュエーション部分320は、本体部部分340の内側に収容される。器具部分310およびアクチュエーション部分320を接続するジョイント330は、本体部部分340に固定され得、アクチュエーション部分320は、本体部部分340の内側を往復運動することが可能である。本体部部分340の内側に設けられている弾性的な本体部341は、アクチュエーション部分320の後方に位置しており、アクチュエーション部分320の近位端部は、エフェクタアクチュエーションワイヤ500に接続されている。したがって、器具部分310は、エフェクタアクチュエーションワイヤ500および弾性的な本体部341によってアクチュエーション部分320を移動させることによって操作される。

0096

また、エンドエフェクタ300のすべてまたは一部は、操向可能な部材100の遠位端部に取り外し可能に接続され得る。したがって、外科手術のために必要とされるさまざまな器具が、選択的に締結されて使用され得る。例では、エフェクタモジュール301が、エフェクタアクチュエーションワイヤ500の遠位端部に取り付け可能であるか、または、エフェクタアクチュエーションワイヤ500の遠位端部から取り外し可能であるように、図25のエンドエフェクタ300は構成されている。エフェクタモジュール301、および、エフェクタアクチュエーションワイヤ500の遠位端部は、さまざまな方式で取り外し可能に締結され得る。たとえば、図25に図示されている例示的な実施形態によれば、それらは、磁気的に一緒に締結され得る。したがって、アクチュエーション部分320の近位端部またはエフェクタアクチュエーションワイヤ500の遠位端部の少なくともいずれかは、磁気的な本体部から構成されており、磁気的な本体部が締結を可能にする。

0097

上記に説明されているように、この例示的な実施形態による外科手術器具は、屈曲可能な操向可能な部材100、および、動作可能なエンドエフェクタ300を含む。また、操向可能な部材100およびエンドエフェクタ300は、屈曲アクチュエーションワイヤ400およびエフェクタアクチュエーションワイヤ500などのような、複数のワイヤ部材によって移動される。これらのワイヤ部材は、操向可能な部材100および筒状の可撓性部材200を通過するように配置されている。したがって、ワイヤ部材が線形に配置されており、ワイヤ部材のそれぞれが最短の経路を有するようになっている場合には、ワイヤの移動は、操向可能な部材の屈曲または可撓性部材の撓み(flexing)によって制限または影響され得る。したがって、この例示的な実施形態では、ワイヤ部材のトラベルの経路を形成する少なくとも1つのスリーブが、操向可能な部材または可撓性部材の内側に設けられ得る。このスリーブは、スリーブが設けられる部分の最大長さ(たとえば、曲げられるまたは撓まされるときのその部分の長さ)よりも長く、したがって、ワイヤ部材は、操向可能な部材が曲げられるかまたは可撓性部材が撓まされるときでも十分に長い経路を有する。

0098

図26は、エフェクタアクチュエーションワイヤのトラベルの経路を図示する断面図である。図26に図示されているように、エフェクタアクチュエーションワイヤ500の一方の端部は、エンドエフェクタ300の近位端部に装着されており、他方の端部は、操作部10に機械的に接続されている(図1)。エフェクタアクチュエーションワイヤ500の経路を形成するスリーブ600の一方の端部は、操向可能な部材100の遠位端部またはエンドエフェクタ300の近位端部において適切な場所に固定されている。また、他方の端部は、筒状の可撓性部材200の近位端部において適切な場所に固定されている。この場合には、スリーブ600は、スリーブの2つの端部が固定されている部分の長さ(操向可能な部材の長さおよび可撓性部材の長さの総計)よりも長い。スリーブに加えられるこの過剰な長さ(図26A)は、操向可能な部材100が曲げられているときにでも(図26B)、エフェクタアクチュエーションワイヤ500の経路のためにより多くの空間を与える。したがって、エンドエフェクタ300の移動は、操向可能な部材100の屈曲移動から切り離され得、エンドエフェクタ300の移動が操向可能な部材100の屈曲移動によって影響を受けることを防止する。

0099

図27は、屈曲アクチュエーションワイヤのトラベルの経路を図示する図である。図27に図示されているように、屈曲アクチュエーションワイヤ400の経路を留置するためのスリーブ600が設けられ得る。このケースでは、スリーブ600の一方の端部は、操向可能な部材100の近位端部または可撓性部材200の遠位端部に固定されており、他方の端部は、可撓性部材200の近位端部に固定されている。スリーブ600は、スリーブが設置されている部分の線形の長さに加えられる過剰な長さを有するように構成されている。したがって、操向可能な部材100の屈曲は、筒状の可撓性部材200の撓みによって影響を受けないことになる。

0100

図28および図29は、2つの屈曲可能な部分を備えた屈曲アクチュエーションワイヤ400のトラベルの経路を図示する図である。以前の図面は、操向可能な部材100が1つの屈曲部分を有する構造を図示しているが、操向可能な部材100は、遠位端部の操向可能な部分101および近位端部の操向可能な部分102に分割され得、それらは別々に曲がることが可能である。このケースでは、遠位端部の操向可能な部分101は、遠位端部屈曲アクチュエーションワイヤ401によって曲げられ、近位端部の操向可能な部分102は、近位端部屈曲アクチュエーションワイヤ402によって曲げられる。遠位端部屈曲アクチュエーションワイヤ401の一方の端部は、遠位端部の操向可能な部分101遠位端部に固定されており、遠位端部の操向可能な部分101の中のルーメンを通過し、次いで、操向可能な部材100および可撓性部材200の中空チャネルを通って操作部10まで延在している。また、近位端部屈曲アクチュエーションワイヤ402の一方の端部は、近位端部の操向可能な部分102の遠位端部に固定されており、近位端部の操向可能な部分102の中のルーメンを通過し、次いで、筒状の可撓性部材200の中空チャネルを通って操作部10まで延在している。この場合には、2つの遠位端部屈曲アクチュエーションワイヤ401および2つの近位端部屈曲アクチュエーションワイヤ402が設けられ、それぞれの屈曲部分において1自由度を有することが可能であり、または、4つの遠位端部屈曲アクチュエーションワイヤ401および4つの近位端部屈曲アクチュエーションワイヤ402が設けられ、それぞれの屈曲部分において2自由度を有することが可能である。

0101

図28に図示されているように、遠位端部屈曲アクチュエーションワイヤ401の経路を留置するためのスリーブ600が設けられ得る。このスリーブ600の一方の端部は、遠位端部の操向可能な部分101の近位端部に固定され得、他方の端部は、筒状の可撓性部材200の近位端部に固定され得る。また、図29に図示されているように、近位端部屈曲アクチュエーションワイヤ402の経路を留置するためのスリーブ600が設けられ得る。このスリーブ600の一方の端部は、近位端部の操向可能な部分102の近位端部に固定され得、他方の端部は、筒状の可撓性部材200の近位端部に固定され得る。上述のスリーブの場合のように、それぞれのスリーブ600は、過剰な長さを有しており、したがって、それぞれの屈曲部分の屈曲移動は切り離され得る。

0102

上記に説明されているように、図26から図28を参照して説明されているスリーブ600は、それらが設置されている部分の長さに加えられる過剰な長さを有しており、スリーブ600は、弾性材料を含むことが可能であり、それらの形状がコンポーネントの移動とともに変化することを可能にする。そのようなスリーブ構造は、それぞれのコンポーネントの移動を他のものの移動から切り離すことを可能にし、幅の狭いチャネルの中のワイヤ部材が捩じられまたは摩擦によって損傷を受けることを防止する。

0103

図30は、外科手術器具の端部および操作部の接続構造体を図示する図である。上記に説明されているように、外科手術器具30は、挿入部20の中の通路の中にそれぞれ位置しており、外科手術器具の端部は、操作部10に機械的に接続されている。操作部10は、外科手術器具の複数のワイヤ部材Wに対応する伝達部材700、および、ワイヤに締結されることになるカップラー701を含む。外科手術器具のワイヤ部材Wは、近位端部において近位端部モジュールMをそれぞれ含み、それぞれの近位端部モジュールMは、対応するカップラー701に締結される。したがって、それぞれのワイヤ部材は、操作部の中のそれぞれの駆動部によって移動され得る。

0104

このケースでは、挿入部20および操作部10は、互いに取り付け可能であり、または、互いから取り外し可能であり、挿入部20の中に設けられている外科手術器具30も、操作部20に取り付け可能であり、または、操作部20から取り外し可能である。これは、挿入部または外科手術器具は、クリーニングされ得るかまたは新しいものと交換され得ることを意味している。外科手術器具30および操作部10は、さまざまな方式に取り外し可能に締結され得、たとえば、それらは、図30に示されているように、一緒に磁気的に締結され得る。したがって、外科手術器具の近位端部(具体的には、屈曲アクチュエーションワイヤおよびエフェクタアクチュエーションワイヤの近位端部モジュール)、または、操作部の遠位端部(具体的には、伝達部材のカップラー)は、磁気的な本体部から構成され得、磁力によって互いに取り付けられ、または互いから取り外され得る。

0105

図31および図32は、屈曲アクチュエーションワイヤ400を移動させるための操作部10の構成を概略的に図示している。上記に説明された外科手術器具のワイヤ部材Wは、操作部10の駆動部40に機械的に接続されており、駆動部40の移動とともに線形に移動する。駆動部は、アクチュエータ、リニアモータモータなどのような、さまざまなデバイスを使用して構築され得る。また、それぞれのワイヤ部材は、異なる駆動部に接続され得、それぞれのワイヤ部材が別々に移動することができるようになっている。

0106

この場合には、操向可能な部材100の中で互いに向かい合って位置する1対の屈曲アクチュエーションワイヤ400は、屈曲が起こるときに、反対側方向に移動する。具体的には、屈曲が起こるときに、曲率中心の近くの屈曲アクチュエーションワイヤは、より短い経路を有し、曲率中心の反対側の屈曲アクチュエーションワイヤは、より長い経路を有する。したがって、互いに向かい合う1対のワイヤは、単一の駆動部40の使用によって、同時に反対側方向に移動することが可能である。このケースでは、操作部は、駆動部の数を低減させることによって、コンパクトになるように設計され得る。

0107

図31では、操作部は、スクリュー部材41と、スクリュー部材41を回転させるための駆動部40とを含む。スクリュー部材41は、双方向リードスクリューであることが可能であり、双方向リードスクリューは、異なる配向を有する2つのネジ山部分が単一のスクリュー部材の上に形成されていることを意味している。したがって、第1の屈曲アクチュエーションワイヤ403に接続されることになる伝達部材のカップラーは、第1のネジ山41aに連結されており、第2の屈曲アクチュエーションワイヤ404に接続されることになる伝達部材のカップラーは、第2のネジ山41bに連結されている。したがって、駆動部が回転すると、第1の屈曲アクチュエーションワイヤ403および第2の屈曲アクチュエーションワイヤ404は、直線上を反対側方向に、対応する距離だけそれぞれ移動し、それによって、操向可能な部材を曲げる。また、第1の屈曲アクチュエーションワイヤ403および第2の屈曲アクチュエーションワイヤ404の移動の方向は、駆動部の回転の方向を変化させることによって逆転され得、したがって、それらが逆の方向に曲がることを可能にする。

0108

図32では、操作部は、1対のスクリュー部材と、スクリュー部材を回転させるための駆動部40とを含む。1対のスクリュー部材は、第1のネジ山41aを備えた第1のリードスクリュー42、および、第2のネジ山41bを備えた第2のリードスクリュー43から構成されており、第2のネジ山41bは、第1のネジ山に対して反対側方向に配向されている。第1のリードスクリュー42および第2のリードスクリュー43は、ギヤ44によって駆動部40に接続されており、駆動部の回転とともに同じ方向に回転する。第1の屈曲アクチュエーションワイヤ403は、第1のリードスクリュー42に機械的に接続されており、第2の屈曲アクチュエーションワイヤ404は、第2のリードスクリュー43に機械的に接続されている。したがって、図31の場合のように、モータ(この図に示さず)が回転するときには、第1および第2の屈曲アクチュエーションワイヤ403、404は、反対側方向に移動することが可能であり、操向可能な部材を曲げる。

0109

図31および図32は、対になった屈曲アクチュエーションワイヤを駆動するために例としてスクリュー部材を使用することを示しているが、さまざまなリンク構造体を使用して修正が行われ得ることは言うまでもない。

0110

図33は、理想的な連続的な可撓性アームの中の、屈曲の前および後の屈曲アクチュエーションワイヤの長さを概略的に図示する図である。図33Aは、理想的な連続的な可撓性アームの中の、屈曲の前の屈曲アクチュエーションワイヤの長さを示しており、一方、図33Bは、ワイヤ駆動機構A(たとえば、プーリー)によって引っ張られている理想的な連続的な可撓性アームの中の、屈曲の後の屈曲アクチュエーションワイヤの長さを示している。

0111

理想的な連続的な可撓性アームにおいて、屈曲アクチュエーションワイヤが、2rの幅を有するワイヤ駆動式機構Aの2つの対向する側部に位置するとする。ここで、「r」は、ワイヤ駆動式機構Aの半径を示しており、「L1」および「L2」は、ワイヤ駆動式機構Aの両方の対向する側部から屈曲セグメント(図示せず)への、屈曲の前の屈曲アクチュエーションワイヤの長さをそれぞれ示しており、「L1’」および「L2’」は、ワイヤ駆動式機構Aの両方の対向する側部から屈曲セグメント(図示せず)への、屈曲の後の屈曲アクチュエーションワイヤの長さをそれぞれ示しており、「L」は、ワイヤ駆動式機構Aの中心から屈曲セグメントへの長さを示しており、「R」は、指し示された矢印のようにワイヤ駆動式機構Aが引っ張られるときの曲率半径を示しており、また、ワイヤ駆動式機構Aによるベンドの角度は、「θ」によって示されている。

0112

図33に示されている理想的な連続的な可撓性アームにおいて、屈曲の前および後の屈曲アクチュエーションワイヤの合計の長さは、以下の等式のように表すことが可能である。
屈曲の前:L1+L2=2Rθ;
屈曲の後:L1’+L2’=(R+r)θ+(R−r)θ=2Rθ;L1+L2=L1’+L2’

0113

しかし、図34に示されているように、図34は、実際の条件において、屈曲の前(図34Aに示されている)、および、屈曲の後(図34Bに示されている)の、屈曲アクチュエーションワイヤの長さを概略的に図示する図である。図示されている図34Bのように、屈曲アクチュエーションワイヤは、引っ張られることによって引き伸ばされており(ΔL elongationとして示されている)、解放されたワイヤの上に緩みBを結果として生じさせ、それは、バックラッシュを引き起こす。この条件では、屈曲の前および後の屈曲アクチュエーションワイヤの長さの合計長さは、以下の等式のように表すことが可能である。
屈曲の前:L1+L2=2Rθ;
屈曲の後:L1’+L2’+ΔL elongation=(R+r)θ+(R−r)θ+ΔL elongation=2Rθ+ΔL elongation;
L1+L2≠L1’+L2’+ΔL elongation

0114

それとは対照的に、この例示的な実施形態では、屈曲セグメントは、張力調整部材を有する一連中間ジョイントを含むように構成され、伸びによって引き起こされる緩みを最小化することが可能である。図35は、本発明の例示的な実施形態による例示的な屈曲セグメントを図示する図である。図35では、屈曲セグメント80は、屈曲セグメントの長手方向軸線の方向に沿って配置されている4つの中間ジョイント81、82、83、84を含むように図示されている。それぞれの中間ジョイント81、82、83、84は、それぞれ、第1のリンク部分811、821、831、および841、ならびに、第2のリンク部分812、822、832、および842を有する。それぞれの中間ジョイント81、82、83、84は、隣接する中間ジョイントと直交して、平行に、または、任意の角度で、インタースタックされ(interstacked)得る。

0115

屈曲セグメント80は、それぞれの中間ジョイント81、82、83、84を通過する複数のルーメン801をさらに含む。したがって、同じ数の屈曲アクチュエーションワイヤ(明確化のために省略されている)が、それに対応して設けられ、それぞれのルーメン801をそれぞれ通過するように配置され、屈曲セグメント80を曲げるように配置され得る。

0116

それぞれの中間ジョイント81、82、83、84は、第1のリンク部分811、821、831、および841、ならびに、第2のリンク部分812、822、832、および842に連結されている2つの張力調整部材813、823、833、および843をさらに含む。それぞれの張力調整部材813、823、833、および843は、屈曲セグメントが曲がるときに、屈曲アクチュエーションワイヤの伸びを補償するように構成されており、それによって、屈曲アクチュエーションワイヤの長さが変更され、所定の長さに維持される。

0117

図36では、張力調整部材813は、2つのオフアクシスヒンジジョイント814を含むダブルヒンジ接続されたジョイントである。それぞれのオフアクシスヒンジジョイント814は、第1のリンク部分811に連結されている第1のインターフェーシングハーフ(interfacing half)815、815’と、第2のリンク部分812に連結されている第2のインターフェーシングハーフ816、816’とを含み、第2のインターフェーシングハーフ816、816’は、第1のインターフェーシングハーフ815、815’に対応して枢動される。この例示的な実施形態では、それぞれの第1のインターフェーシングハーフ815、815’は、それぞれ、突出部端部を有することが可能であり、一方、第2のインターフェーシングハーフ816、816’は、それに対応して、凹部端部を有することが可能である。別の例示的な実施形態では、それぞれの第1のインターフェーシングハーフは、その代わりに、凹部端部をそれぞれ有することが可能であり、一方、第2のインターフェーシングハーフは、それに対応して、突出部端部を有する。

0118

枢動運動は、屈曲配向に応じて、2つのオフアクシスヒンジ814のうちの一方上に起こることになる。図37は、図36の張力調整部材のうちの1つの枢動運動を図示しており、図37Aは、左側に曲がっている張力調整部材の正面図であり、図37Bは、右側に曲がっている張力調整部材の正面図である。図37Aに示されているように、中間ジョイントは、長手方向軸線方向からオフセットされている左ヒンジ814の上の左側の屈曲配向で曲がり、それによって、第1のインターフェーシングハーフ815だけが、左側で枢動可能に移動する。同様に、図37Bに示されているように、中間ジョイント81が右側で曲がるときには、第1のインターフェーシングハーフ815’だけが右側で枢動可能に移動する。

0119

図38は、ワイヤの伸びによって引き起こされるワイヤの緩みが図36の張力調整部材構造体を使用して最小化されることを概略的に図示する図である。図38Aは、張力調整部材構造体が曲がる前の屈曲アクチュエーションワイヤの長さを示しており、一方、図38Bは、張力調整部材構造体が曲がった後の屈曲アクチュエーションワイヤの長さを示している。

0120

図38Aおよび図38Bでは、「L」は、中間ジョイント81の中心軸線の方向に沿った、第1のリンク部分811または第2のリンク部分812の高さをそれぞれ示している。「L1」は、屈曲の前の第1のリンク部分811の左側と第2のリンク部分812との間のルーメンを通過する屈曲アクチュエーションワイヤの長さを示しており、一方、「L1’」は、屈曲の後の左側にある屈曲アクチュエーションワイヤの長さを示している。「L2」は、屈曲の前の第1のリンク部分811の右側と第2のリンク部分812との間のルーメンを通過する屈曲アクチュエーションワイヤの長さを示しており、一方、「L2’」は、屈曲の後の右側にある屈曲アクチュエーションワイヤの長さを示している。「r」は、それぞれのリンク部分の中心軸線から屈曲アクチュエーションワイヤが通過するルーメンへの半径を示している。「R」は、中間ジョイント81が曲がるときの曲率半径を示しており、ベンドの角度は、「θ」によって示されている。ここでは、「d」は、それぞれのリンク部分の中心軸線からそれぞれのオフアクシスヒンジジョイント814への距離を示している。

0121

図38Aおよび図38Bに示されているように、この例示的な実施形態において、ワイヤの伸びが無視される場合には、屈曲の前および後の屈曲アクチュエーションワイヤの長さの合計長さは、以下の等式のように表すことが可能である。
L1=L2=L;
L1’=2(R+r)sin(θ/2);L2’=2(R−r)sin(θ/2);L1=L2=L=L’=2(R−d)tan(θ/2);
L1+L2=4(R−d)tan(θ/2);
L1’+L2’=2(R+r)sin(θ/2)+2(R−r)sin(θ/2)=4Rsin(θ/2);
ここで、R=L/(2tan(θ/2))+d;
ΔL=(L1+L2)−(L1’+L2’)
=2L−4Rsin(θ/2)
=2L−4(L/(2tan(θ/2))+d)(sin(θ/2)

0122

図39は、Matlabを使用して計算された、屈曲角度θの関数として、屈曲アクチュエーションワイヤの合計長さ変化(ΔL)を図示するシミュレーション結果である。たとえば、L=2、d=0.45であるとき、θが設計されたジョイントの運動の範囲(0度から45度)にあるときに、ΔLは<0のままである。したがって、ワイヤの伸びによって引き起こされる緩みは、オフアクシスヒンジジョイントによって可能にされるΔLによって補償され得る。

0123

したがって、中間ジョイント81の枢動運動は、中間ジョイント81の長手方向軸線方向からオフセットされて位置するヒンジ814の上で起こる。屈曲アクチュエーションワイヤの伸びがオフアクシス枢動運動によって補償されるという点で、屈曲アクチュエーションワイヤの長さは変更され、所定の長さに維持される。

0124

図40は、本発明の例示的な実施形態による外科手術器具を図示するブロック図である。図41は、本発明の例示的な実施形態による外科手術器具を図示する概略図である。屈曲可能な操向可能な部材100が、外科手術器具30の遠位端部に設けられている。操向可能な部材100は、一緒に接続されている中空チャネル(図40および図41には示されていない)を備えた複数の屈曲セグメント110を有する。それぞれの屈曲セグメント110は、長さ方向に形成されている複数のルーメン112を含む。可撓性材料を含む筒状の可撓性部材200が、操向可能な部材100の近位端部に設けられている。筒状の可撓性部材200は、中空チューブを含むことが可能であり、外科手術装置1の遠位端部から接続されているさまざまなタイプのワイヤ部材が、中空チューブに位置する。随意的に、エンドエフェクタ300が、操向可能な部材100の遠位端部に設けられており、エンドエフェクタ300は、エフェクタアクチュエーションワイヤ500によって選択的に作動され得る(たとえば、図2図24図26を参照)。

0125

操向可能な部材100のそれぞれの屈曲セグメント110は、ヒンジ移動を可能にする方式で、隣接する屈曲セグメントに接続されており、屈曲アクチュエーションワイヤ400によって曲げられる(たとえば、図2を参照)。この例示的な実施形態では、第1の屈曲アクチュエーションワイヤ403aおよび第2の屈曲アクチュエーションワイヤ403bは、別々のルーメン112の中に位置し、操向可能な部材100および筒状の可撓性部材200を通過しており、第1の屈曲アクチュエーションワイヤ403aおよび第2の屈曲アクチュエーションワイヤ403bの遠位端部は、操向可能な部材100に接続されており、それらの近位端部は、駆動部材160に機械的に接続されている。したがって、第1の屈曲アクチュエーションワイヤ403aおよび第2の屈曲アクチュエーションワイヤ403bが、駆動部材160によって移動されるとき、複数の屈曲セグメント110が、ヒンジ式に移動し、したがって、操向可能な部材100の1自由度の屈曲運動を引き起こす。

0126

駆動部材160は、第1のモータ161、第2のモータ162、第1の運動伝達ユニット163、および、第2の運動伝達ユニット164を含む。第1のモータ161は、第1の運動伝達ユニット163を介して第1の屈曲アクチュエーションワイヤ403aに連結されており、第1のモータ161からの動力が、第1の屈曲アクチュエーションワイヤ403aに伝達され、第1の屈曲アクチュエーションワイヤ403aを作動させることができるようになっている。同様に、第2のモータ162は、第2の運動伝達ユニット164を介して第2の屈曲アクチュエーションワイヤ403bに連結されており、第2のモータ162からの動力を伝達し、第2の屈曲アクチュエーションワイヤ403bを作動させる。この例示的な実施形態では、第1の運動伝達ユニット163および第2の運動伝達ユニット164は、リードスクリューまたはボールスクリューであることが可能であるが、この構成に限定されない。

0127

張力モニタリング部材170がさらに設けられており、第1のセンサ171および第2のセンサ172を含む。第1のセンサ171は、第1の運動伝達ユニット163に連結され、第1の屈曲アクチュエーションワイヤ403aに連結されている。第1のセンサ171は、屈曲前と所望の屈曲運動との間の第1の屈曲アクチュエーションワイヤ403aの引張力の変化を感知したことに応答して第1のフィードバック信号S1を提供することが可能である。同様に、第2のセンサ172は、第2の運動伝達ユニット164および第2の屈曲アクチュエーションワイヤ403bに連結されている。第2のセンサ172は、屈曲前と所望の屈曲運動との間の第2の屈曲アクチュエーションワイヤ403bの引張力の変化を感知したことに応答して第2のフィードバック信号S2を提供することが可能である。この実施形態では、第1のセンサ171および第2のセンサ172は、ロードセルであるが、これに限定されない。第1の屈曲アクチュエーションワイヤ403aまたは第2の屈曲アクチュエーションワイヤ403bの引張力の変化は、電気的な値の変化(たとえば、電圧電流、または他のメータ)を提供し、電気的な値の変化は、ロードセルの上に設置されるロードに対して較正されている。

0128

上記に説明されているような駆動部材160および張力モニタリング部材170は、制御部材180に電気的にさらに接続されている。制御部材180は、第1のフィードバック信号S1に応答して第1の出力信号S3を提供し、第1のモータに伝達することが可能である。第1の出力信号S3を受信すると、第1のモータ161は、第1の屈曲アクチュエーションワイヤ403aを調節する(すなわち、引っ張るかまたは解放する)ように駆動されることになる。同様に、制御部材180は、第2のフィードバック信号S2に応答して第2の出力信号S4を提供し、第2のモータ162に伝達し、第2の屈曲アクチュエーションワイヤ403bを調節することが可能である。

0129

図42は、本発明の例示的な実施形態による、屈曲状態の外科手術器具を図示する図である。操向可能な部材100を曲げるために、第1の屈曲アクチュエーションワイヤ403aが作動される(すなわち、図42に示されているように、第1のモータ161の方向に向けて引っ張られる)とき、第1の屈曲アクチュエーションワイヤ403aおよび/または第2の屈曲アクチュエーションワイヤ403bの張力が、さまざまな理由で変化する。たとえば、第2の屈曲アクチュエーションワイヤ403bの屈曲方向に沿った、屈曲の前と後との間の長さの変化は、第1の屈曲アクチュエーションワイヤ403aのものよりも小さい。したがって、第2の屈曲アクチュエーションワイヤ403bの張力が変化を受けることになり、バックラッシュが、屈曲に起因して生成されることになり、したがって、微調節を困難にする。

0130

この例示的な実施形態では、第1の屈曲アクチュエーションワイヤ403aによって引き起こされる引張力の変化は、引張力によって誘発される電圧変化を介して、第1のセンサ171および第2のセンサ172によって、それぞれ測定およびモニタリングされ得る。次いで、第1のフィードバック信号S1および第2のフィードバック信号S2は、電圧変化に応答して制御部材180に提供される。第1のフィードバック信号S1および第2のフィードバック信号S2を受信および処理した後に、制御部材180は、第1の出力信号S3および第2の出力信号S4を、第1のモータ161および第2のモータ162に別々に提供することになる。次いで、第1のモータ161は、第1の出力信号S3に応答して動かなくなり、一方、第2のモータ162は、第2の出力信号S4に応答して所定の長さになるまで、操向可能な部材100の方向に向けて第2の屈曲アクチュエーションワイヤ403bを解放することになり、第1の屈曲アクチュエーションワイヤ403aおよび第2の屈曲アクチュエーションワイヤ403bが、再び所定の張力下に維持されるようになっている。

0131

図43は、本発明の別の例示的な実施形態による外科手術器具を図示するブロック図である。図44は、本発明の別の例示的な実施形態による外科手術器具を図示する概略図である。エンドエフェクタ300が体壁に頻繁に接触されるときに、または、エンドエフェクタ300が身体の中の経路に沿って前方へ押される間に身体の材料に対して摩擦を生成させるときに、または、エンドエフェクタ300を動作させるときにエンドエフェクタ300が反力を生成させるときに、エンドエフェクタ300は、さまざまな外力を受ける可能性がある。従来の外科手術では、外科医は、自分自身の指によってそのような外力を感じる。しかし、ロボット外手術では、外科医は、外力を直接的に感じることができず、外科医ができることは、自分の観察または経験だけによって推量することだけである。

0132

したがって、この実施形態では、ここで提供される外科手術器具30は、通信部材191を介して外科医ステーション190とともに機能することが可能である。

0133

上記に説明されているような第1のセンサ171および第2のセンサ172は、感知された値と、通常動作のときの張力が操向可能な部材100に印加されるときの値との間の電位差が、事前設定された閾値ΔVthを超えるかどうかに応じて、外力が印加されているかどうかを決定するように構成され得る。外力が印加されていることが決定されるとき、第1のセンサ171および第2のセンサ172は、第1の外力信号S5および第2の外力信号S6を制御部材180にそれぞれ提供することになる。制御部材180は、第1の外力信号S5および第2の外力信号S6に応答して通信部材191を介して伝達されるインストラクション信号S7をさらに提供することになる。

0134

通信部材191は、制御部材180の中の内臓式のものであってもよく、または、外部式のものであってもよい。また、通信部材191は、当技術分野の任意の電気通信技術を使用することが可能である。たとえば、いくつかの実施形態では、通信部材191は、ワイヤレストランスミッターおよびワイヤレスレシーバーを含むことが可能である(図には示されていない)。信号がデジタルであるかまたはデジタル化されており、制御部材180によって変調される、他の実施形態では、ワイヤレストランスミッターは、標準プロトコル、たとえば、Bluetooth(登録商標)に準拠して構成され得る。代替的に、標準のものであっても独自のものであっても、ハードワイヤトランスミッターまたはワイヤレストランスミッターの任意の他の適切な構成も使用され得る。さらに、ワイヤレストランスミッターは、そこから延在するアンテナ(図示せず)を含み、ワイヤレスレシーバーへの信号の伝達を促進させることが可能である。

0135

外科医ステーション190は、外科医によって手動で操作されように適合されており、そして、外科医の操作に応答して外科手術器具30の運動を制御する。この実施形態では、外科医ステーション190は、外科医ステーション190へのインストラクション信号S7に応答して抵抗力または振動に関連する情報を表示するように構成されている。1つの実施形態では、上記に説明されているような制御部材180は、触覚フィードバックコントローラ(図には示されていない)を含み、触覚フィードバックの形態のインストラクション信号S7を処理および伝達することが可能である。触覚フィードバックは、さまざまな形態を通して、たとえば、それに限定されないが、振動感覚(たとえば、振動)、力感覚(たとえば、抵抗)、および圧力感覚、熱知覚高温)、および/または冷凍知覚(低温)を含む、機械感覚を通して提供され得る。外科医ステーション190は、触覚ジョイスティック(図には示されていない)を含み、触覚フィードバックを外科医に伝え、外科医に外力を知らせることが可能である。

0136

他の実施形態では、抵抗力または振動に関連する情報は、グラフカル情報または聴覚情報として示され得る。ここでの外科医ステーション190は、そのようなグラフィカル情報または聴覚情報を表示するためのユーザーズインターフェースを含む、当技術分野で知られているさまざまなタイプのものであることが可能である。本明細書で提供される外科手術器具30によって、外力が、張力モニタリング部材170によって検出およびモニタリングされ得、また、可視化された形態で表示され、または、触覚フィードバックによって感知され得る。したがって、外科医は、テレオペレーション条件であっても、外科医ステーションの中のマスタデバイスを外力に対してタイムリーに使用して、追加的な力を印加することが可能である。また、外科手術器具30を使用する外科手術を実施する精度が増加されることになる。

0137

さらなる態様では、本発明は、ロボットなど、とともに使用するための、パーソナライズされたマスタコントローラを、とりわけ、ロボット外科手術デバイス、システム、および方法にさらに提供する。ロボット支援外科手術において、外科医は、典型的に、マスタコントローラを動作させ、外科手術部位におけるロボット外科手術デバイスの運動を遠隔制御する。マスタコントローラは、かなりの距離によって(たとえば、手術室にわたって、異なる部屋の中で、または、患者とは完全に異なる建物の中で)患者から分離されていてもよい。代替的に、マスタコントローラは、手術室の中の患者の極めて近くに位置決めされていてもよい。とにかく、マスタコントローラは、典型的に、1つまたは複数のマニュアル入力ハンドルを含むことになり、マニュアル入力ハンドルの外科医の操作に基づいて、図1に示されているような外科手術装置1を移動させるようになっている。典型的に、マニュアル入力ハンドルは、6自由度の滑らかな運動を可能にするように設計され得、6自由度の滑らかな運動は、3軸線の並進、および、3軸の回転に対応することが可能である。

0138

さらに、外科手術器具30を駆動し、さまざまな外科的手術を実施するために、マニュアル入力ハンドル自身は、グリッピング運動のための自由度を提供することが可能である。たとえば、内臓式のグリッピングデバイスが、マニュアル入力ハンドルの近位端部にさらに設けられていてもよく、グリッピングデバイスがレバー操作され得、はさみ、鉗子、または止血鉗子の運動、および、外科手術器具30の制御アクチュエーションをオペレーターが模倣することを可能にし、たとえば、エンドエフェクタ300(図1を参照)を作動させ、それをグリッピングすることによって、外科手術部位における組織および/または他の材料を移動させるようになっている。しかし、そのようなグリッピングデバイスは、交換可能でない可能性があり、したがって、オペレーターは、彼らがあまり熟知していない可能性のあるグリッピングデバイスを備えたマニュアル入力ハンドルを使用することを強いられる以外に選択肢がない。したがって、外科的手術のためのマスタコントローラを使用する精密制御は、より困難になる可能性がある。

0139

上記に概説されている理由のために、ロボット外科手術、遠隔外科手術、および、他の遠隔操作型ロボットの用途のための、改善されたデバイス、システム、および方法を提供することが有利である。例示的な実施形態では、パーソナライズされたマスタコントローラが、本明細書で提供される。図45は、本発明の例示的な実施形態によるパーソナライズされたマスタコントローラを図示するブロック図である。パーソナライズされたマスタコントローラ9は、プロセッサーP(たとえば、コンピューター)に連結され得、プロセッサーPは、外科手術装置1に電気的に接続されている。本明細書で提供されているように、パーソナライズされたマスタコントローラ9は、制御プラットフォーム90、接続パーツ91、および交換可能グリップ92を含むことが可能である。図45に示されているように、制御プラットフォーム90は、1つまたは複数の移動信号を定義および入力するように構成され、プロセッサーPを介して外科手術装置1(たとえば、図1を参照)の移動を制御することが可能である。

0140

いくつかの代替的な実施形態では、制御プラットフォーム90は、シリアルマニピュレーターであることが可能であり、シリアルマニピュレーターは、米国特許第7714836号明細書、米国特許第7411576号明細書、および米国特許第6417638号明細書に説明されているようなジョイントに接続されている複数のリジッドリンクを含み、これらの文献は、その全体が参照により本明細書に組み込まれている。たとえば、図46に示されているように、このタイプの制御プラットフォーム90は、ベース900aを含む本体部900と、入力ハンドル901と、第1の複数のセンサ902とを含むことが可能である。ベース900aは、実質的に垂直方向の配向を有する第1の軸線A01に関して回転することが可能である。入力ハンドル901は、第1のリンク903と、第2のリンク904と、外側ジンバル907および内側ジンバル908を含むジンバル構造体とを含むことが可能である。第1のリンク903は、第1のジョイント905を介して本体部900に対して枢動され、第1のジョイント905は、第1のリンク903が第2の軸線A02に関して移動することを可能にし、第2の軸線A02は、第1の軸線A01に対して実質的に垂直の配向を有する。第2のリンク904は、第2のジョイント906を介して第1のリンク903に対して枢動され、第2のジョイント906は、第2のリンク904が第3の軸線A03に関して移動することを可能にし、第3の軸線A03は、第2の軸線A02に対して実質的に平行になっている。

0141

ジンバル構造体は、第2のリンク904の自由端部に装着されており、外側ジンバル907および内側ジンバル908を含む。外側ジンバル907は、第2のリンク904によって枢動可能に支持されており、第4の軸線A04に関して回転することを許容されており、第4の軸線A04は、第3の軸線A03に対して実質的に垂直になっている。内側ジンバル908は、外側ジンバル907によって枢動可能に支持されており、第5の軸線A05に関して回転することを許容されており、第5の軸線A05は、第4の軸線A04に対して実質的に垂直になっている。接続パーツ91(図48A)が、内側ジンバル構造体908の上に装着されており、それに電気的に接続されている交換可能グリップ92が第6の軸線A06に関して回転することを可能にする。

0142

内側ジンバル構造体908の上に装着されている接続パーツ91は、入力ハンドル901および交換可能グリップ92を電気的に接続する。図47は、本発明の例示的な実施形態による制御プラットフォームに接続されている接続パーツを図示する斜視図である。1つの実施形態では、接続パーツ91は、プラグアンドソケットタイプコネクターであることが可能であるが、これに限定されない。図47に示されているように、1つの実施形態では、接続パーツ91のワンプロングプラグ911が、内側ジンバル908に連結され得、一方、対応するソケット構造体912が、交換可能グリップ92の遠位端部に装着され得(図48を参照)、交換可能グリップ92が、内側ジンバル構造体908の上に接続され得、第6の軸線A06に関して回転することを許容されるようになっており、第6の軸線A06は、第5の軸線A05に対して実質的に垂直になっている。代替的に、いくつかの実施形態では、接続パーツ91のワンプロングプラグ911が、交換可能グリップ92の遠位端部924に連結され得、一方、ソケット構造体912が、内側ジンバル908(図48を参照)に装着され得る。

0143

したがって、制御プラットフォーム90は、3つの並進自由度(X方向、Y方向、およびZ方向)ならびに3つの回転自由度(ピッチ運動ヨー運動、およびロール運動)を含む、6自由度移動を提供することが可能である。それによって、入力ハンドル901は、それが、それ自身で、または、装着された交換可能グリップ92によって、制御プラットフォーム90に対してX方向、Y方向、およびZ方向に並進可能であるときに、複数の位置メータP1を提供することが可能であり、かつ/あるいは、それが、それ自身で、または、装着された交換可能グリップ92によって、制御プラットフォーム90に対してピッチ運動、ヨー運動、およびロール運動で回転可能であるときに、複数の配向メータP2を提供することが可能である。

0144

1つの実施形態では、1つまたは複数の第1のセンサ902が、入力ハンドル901に装着され得、また、上述の位置メータP1および/または配向メータP2に応答して1つまたは複数の第1の移動信号S8を発生させるように構成され得る。第1のセンサ902は、たとえば、第1のジョイント905、第2のジョイント906、および/またはジンバル構造体907に装着され得る。いくつかの実施形態では、第1のセンサ902は、入力ハンドル901および/または装着された交換可能グリップ92の運動によって引き起こされる、たとえば、位置、配向、力、トルク、速度、加速度、歪み、変形、磁界、角度、および/または光など(これに限定されない)の状態または変化に基づいて、位置メータP1および/または配向メータP2を測定することができる任意のタイプのセンサであることが可能である。たとえば、第1のセンサ902は、圧力センサまたは力センサであることが可能であり、それは、それに限定されないが、圧電センサ、単純な圧電クリスタルセンサホール効果センサ、または抵抗歪みゲージセンサなどを含み、それらのすべては、スタンドアロンであるか、または、信号調整エレクトロニクスホイートストンブリッジ低ノイズ増幅器、A/Dコンバーターなど)と一体化され単一のチップもしくは単一のパッケージシールされたモジュールになっているかのいずれかであることが可能である。他の実施形態では、第1のセンサ902は、角度センサまたは回転センサであることが可能であるが、これに限定されない。特定の実施形態では、第1のセンサ902は、ホール効果センサであることが可能である。当技術分野で知られているように、ホール効果センサは、対応する磁石エレメント(図には示されていない)の存在下で使用され、位置メータP1および/または配向メータP2に応答する磁界を感知することが可能である。次いで、第1のセンサ902は、第1の移動信号S8を作り出し、それにしたがって、外科手術装置1の移動(たとえば、ロール、並進、またはピッチ/ヨー移動)を制御することが可能である。

0145

図48は、本発明の例示的な実施形態による交換可能グリップを図示する斜視図である。1つの実施形態では、本明細書で提供される交換可能グリップ92は、取り外し可能なハンドル921を含み、手動の外科手術器具からの実際のハンドルを模擬することが可能である。すなわち、交換可能グリップ92は、リアル感を外科医に提供するために、同じサイズおよび形状であることが可能であり、また、絞ることが可能であるかまたは固定され得る。たとえば、図48Aに示されている2つのグリップレバー922、923は、取り外し可能なハンドル921の近位端部において枢動され得、ピンチング運動またはグラスピング運動の自由度を提供するようになっている。両方のグリップレバー922、923は、矢印Hによって示されているように、取り外し可能なハンドルに対して、互いに向けて移動することを許容され得、ピンチング運動またはグラスピング運動の自由度を提供する。手術野、外科医、または動作に応じて、実際の標準的な外科手術用ハンドルを模擬するために、取り外し可能なハンドル921およびグリップレバー922、923は、図48Bおよび図48Cにそれぞれ示されているような、ピンセットまたは腹腔鏡下の手用器具などのような、さまざまなタイプの外科手術ツールとして交換可能であるように設計され得る。

0146

また、いくつかの実施形態では、取り外し可能なハンドル921は、その遠位端部924において、ソケット構造体912に装着されるか、または、ソケット構造体912から取り外され得る。本明細書で提供されるソケット構造体912は、接続パーツ91のワンプロングプラグ911に電気的に接続することができ、または、接続パーツ91のワンプロングプラグ911から切り離すことができ、取り外し可能なハンドル921が、それにしたがって外科医から入力される関連のグリッピング運動を受け入れるように器具を備えていることができるようになっており、対応する制御信号が、その後に作り出され、制御プラットフォーム90を介して外科手術装置1に伝達される。

0147

交換可能グリップ92のグリッピング運動を感知するために、1つの実施形態では、取り外し可能なハンドル921は、内側の中空チューブ状のスペースを画定することが可能であり、そこでは、第2のセンサ925が収容されており、グリップレバー922、923の運動によって引き起こされる、たとえば、位置、配向、力、トルク、速度、加速度、歪み、変形、磁界、角度、および/または光など(これに限定されない)の状態または変化に基づいて、少なくとも1つのメータP3を感知することが可能である。

0148

いくつかの実施形態では、第2のセンサ925は、当技術分野で知られている任意のタイプのセンサであることが可能である。たとえば、第2のセンサ925は、圧力センサまたは力センサであることが可能であり、それは、それに限定されないが、圧電センサ、単純な圧電クリスタルセンサ、ホール効果センサ、または抵抗歪みゲージセンサなどを含み、それらのすべては、スタンドアロンであるか、または、信号調整エレクトロニクス(ホイートストンブリッジ、低ノイズ増幅器、A/Dコンバーターなど)と一体化され単一のチップもしくは単一のパッケージのシールされたモジュールになっているかのいずれかであることが可能である。他の実施形態では、第2のセンサ925は、角度センサまたは回転センサであることが可能であるが、これに限定されない。特定の実施形態では、第2のセンサ925は、ホール効果センサであることが可能である。当技術分野で知られているように、ホール効果センサは、対応する磁石エレメント(図には示されていない)の存在下で使用され、磁界を感知することが可能であり、ホール効果センサが、グリップレバー922、923の運動によって引き起こされる磁界の状態または変化に基づいて、グリッピングメータP3および/またはP4を測定することができるようになっている。次いで、ホール効果センサは、第2の移動信号S9を作り出すことが可能であり、第2の移動信号S9は、それにしたがって、図1に示されているエンドエフェクタ300の移動(たとえば、グリッピングデバイス(たとえば、ジョーまたはブレード)であることが可能であるエンドエフェクタ300の開閉(グリッピング)移動)を制御することが可能である。

0149

図49は、本発明の別の例示的な実施形態によるパーソナライズされたマスタコントローラを概略的に図示する図である。図50は、図49のパーソナライズされたマスタコントローラの制御プラットフォームのパーツを概略的に図示する図である。この実施形態では、制御プラットフォーム90は、パラレルキネマティクス構造体を含むデバイス、とりわけ、Deltaパラレルキネマティクス構造デバイス(たとえば、米国特許出願公開第2008/0223165A1号明細書(この文献は、その全体が参照により本明細書に組み込まれている)に説明されているようなもの)であることが可能である。図49に示されているように、制御プラットフォーム90は、最大で6自由度(すなわち、X方向、Y方向、およびZ方向への最大で3つの並進自由度、ならびに、ピッチ配向、ヨー配向、およびロール配向への最大で3つの回転自由度)を提供するように適合されており、それぞれ、位置メータおよび配向メータを提供する。

0150

この実施形態では、制御プラットフォーム90は、ベース部材93と、可動部材94と、ベース部材93および可動部材94をそれぞれ連結する3つのパラレルキネマティクスチェイン95とを含むことが可能である。それぞれのパラレルキネマティクスチェイン95は、第1のアーム951を有しており、第1のアーム951は、対称軸線(すなわち、ベース部材93に対して垂直の中心線)に対して所定の距離にあるそれぞれの移動平面950の中で移動可能である。それぞれの第1のアーム951は、その関連の装着部材96と連結されており、それぞれの第1のアーム951が、関連の装着部材96に対して、ひいては、ベース部材93に対して、回転または枢動され得るようになっている。

0151

第2のアーム952を含むパラレルキネマティクスチェイン95が、可動部材94に連結され得る。それぞれの第2のアーム952は、2つのリンキングバー952a、952bを含む平行四辺形として考えられ得る。第2のアーム952の近位端部において、それぞれのリンキングバー952aおよび952bは、ジョイントまたはヒンジ97によって可動部材94と連結され得る。第2のアーム952の遠位端部において、それぞれのリンキングバー952a、952bは、ジョイントまたはヒンジ97によって、関連の第1のアーム951の端部と連結されている。それぞれの第2のアーム952、とりわけ、それぞれのリンキングバー952a、952bは、両方の端部において、2つの回転自由度を有することが可能である。

0152

したがって、ベース部材93と可動部材94との間に接続されているそれぞれのキネマティクスチェイン95は、ベース部材93、可動部材94、および3つのパラレルキネマティクスチェイン95によって画定されている移動スペースの中を移動され、(図50にそれぞれ示されているように、X方向、Y方向、およびZ方向に沿って)最大で3つの並進自由度を提供することが可能であり、1つまたは複数の位置メータP1を発生させる。Deltaパラレルキネマティクス構造デバイスに関するさらなる詳細は、たとえば、米国特許出願公開第2008/0223165A1号明細書に言及されている可能性があり、この文献は、その全体が参照により本明細書に組み込まれている。

0153

それに加えて、最大で3つの回転自由度は、可動部材94に連結されているリスト構造体940によって提供され得、それは、たとえば枢動ジョイントの形態の3つの枢動可能な接続部941、942および943を含む。枢動可能な接続部941、942および943のそれぞれは、可動部材94に対して回転自由度(それぞれ、図51のヨー配向、ピッチ配向、およびロール配向)を提供し、それによって、1つまたは複数の配向メータP2を発生させる。

0154

複数の第1のセンサ902が存在しており、複数の第1のセンサ902は、3つのパラレルキネマティクスチェイン95および可動部材94の移動によって引き起こされる1つまたは複数の位置メータP1および/または配向メータP2を検出し、それに続いて、メータP1および/またはP2に応答して第1の移動信号S8を発生させるために設けられている。たとえば、いくつかの第1のセンサ902が、それぞれの装着部材96にインストールされ、関連の第1のアーム951の運動によって引き起こされる少なくとも1つのメータをそれぞれ検出することが可能である。他の第1のセンサ902が、ジョイントまたはヒンジ97のうちのすべてまたは一部にインストールされ、関連の第2のアーム952の運動によって引き起こされる少なくとも1つのメータをそれぞれ検出することが可能である。代替的に、3つの第1のセンサ902が、それぞれ、3つの枢動可能な接続部941、942および943に設けられてもよい。

0155

図51は、図49の一部分の拡大図であり、例示的な実施形態による制御プラットフォームの可動部材に交換可能グリップが取り付けられていることを示している。また、図52は、図49の一部分の拡大図であり、例示的な実施形態による制御プラットフォームの可動部材から交換可能グリップが取り外されていることを示している。図52に示されているように、接続パーツ91は、枢動可能な接続部943の上にさらに装着され、接続パーツ91が入力ハンドル901および交換可能グリップ92を電気的に接続することができるようになっている。図52に示されているように、1つの実施形態では、接続パーツ91は、プラグアンドソケットタイプのコネクターを含むことが可能であるが、これに限定されない。たとえば、接続パーツ91のワンプロングプラグ911は、ネジ山913を介して交換可能グリップ92の取り外し可能なハンドル921に連結され得、一方、対応するソケット構造体912は、枢動可能な接続部943に装着され得、交換可能グリップが、枢動可能な接続部943に取り付けられ得るようになっているか(図51を参照)、または、枢動可能な接続部943から取り外され得るようになっており(図52を参照)、また、枢動可能な接続部943の回転軸線A10に関して回転することを許容されるようになっている。

0156

図53から図66は、本発明の外科手術ツールを概略的に図示しており、それは、食道内視鏡処置において使用するために構成されており、たとえば、食道の壁部の上の病変の除去のために構成されており、それに続いて、現場で外科手術ツールのエンドエフェクタを使用して部位を縫合して閉じるために構成されている。本明細書において、外科手術ツールは、複数のチューブ状の可撓性部材200を含み、複数のチューブ状の可撓性部材200は、それぞれ、その専用の取り囲むシース202の中に延在可能であり(図55)、それぞれの取り囲むシース202およびチューブ状の可撓性部材200は、外側シース1162の中に延在しており、可撓性チュービングは、操向可能な部材100(図56)およびその遠位端部におけるエンドエフェクタにおいて終端しており、それぞれのチューブ状の可撓性部材200は、その近位端部において、その専用の駆動部40に接続されている。追加的に、従来の内視鏡1000の挿入チューブ1002が、図54に概略的に示されているように、同様に、外側シース1162を通って延在している。内視鏡1000の取り囲むシース202および挿入チューブ1002のそれぞれは、遠位カップラー1140の中に終端しており、また、それらの遠位端部において、遠位カップラー1140の中に支持されている。外側シース1162は、遠位カップラー1140の第1の端部の上に延在しており、また、遠位カップラー1140の第1の端部の上にきつく適合しており、取り囲むシース202は、遠位カップラー1140の中で終端しており、外側シース1162および遠位カップラー1140は、外科手術ツールの導入部分1004の外側表面を一緒に構成している。遠位カップラー1140は、ステンレス鋼または別の生体適合性材料から製造されており、遠位カップラー1140は、チューブ状の可撓性部材200の端部、取り囲むシース202、および挿入チューブ1002を互いに対して相対的に位置決めする役割を果たしている。外側シース1162、取り囲むシース202、および可撓性のチューブ状の可撓性部材200は、生体適合性ポリマーから製造されており、生体適合性ポリマーは、患者の体腔の中へのその比較的に容易な挿入のために屈曲可能である。いくつかの実施形態では、第3の可撓性シース(図面に示されていない)がさらに設けられ得、第3の可撓性シースは、近位端部および遠位端部を有しており、第3の可撓性シースは、少なくとも1つの屈曲可能な内視鏡1000の一部分、たとえば、挿入チューブ1002を取り囲んでおり、第3の可撓性シースの近位端部は、機械的なキャリッジ1100に対して適切な位置に固定されており、遠位端部は、遠位カップラー1140に接続されている。

0157

図53に示されているように、患者が挿管され、導入チューブ1008がの中へ導入された後に、導入部分1004が、導入チューブ1008を通して導入され、遠位カップラー1140が、導入チューブ1008の外向きに、および、患者の食道の中に位置するようになっている。外科医または他のオペレーターは、従来の内視鏡に接続されているカメラ1012(図56を参照)を使用して、導入部分1004をこの位置へ操向し、患者の食道に沿って関心の場所に位置付ける。その後に、チューブ状の可撓性部材200は、駆動部40を使用して遠位カップラー1140から延在され(たとえば、図54を参照)、それらの端部の上の操向可能な部材100が、屈曲アクチュエーションワイヤ400の適正な張力付加または引っ張りによって配向され、関心の場所において外科手術処置を実施する。

0158

図54図60、および図61は、図53の処置において使用される外科手術ツールの追加的で代替的な構築体をさらに図示している。本明細書において、駆動部40は、機械的なキャリッジ1100を含み、機械的なキャリッジ1100は、手術室の中の患者に隣接して適切な位置にロックされ得るテーブルまたはカートの上部などのような、水平方向の表面1104に装着される。図54に示されているように、この構成における機械的なキャリッジ1100は、下側水平方向移動メカニズム1106と、それに接続されている回転メカニズム1108と、それに接続されている回転可能なハウジング1110と、ケージ、実施形態では、2つのケージ1112a、bとを含み、2つのケージ1112a、bのそれぞれの中に、ロボットコントローラ1114a、1114bが装着されている。また、第1のチューブ状の部材1116(本明細書では、標準的な内視鏡の挿入チューブ1002)が設けられている。本発明の先の実施形態の第1のチューブ状の可撓性部材200(図55を参照)を含む第2のチューブ状の部材1120の近位端部1118は、第1のロボットコントローラ1114aに接続されており、本発明の先の実施形態の第2のチューブ状の可撓性部材200を含む第3のチューブ状の部材1124の近位端部1122は、第2のロボットコントローラ1114bに接続されている。チューブ状の部材1120、1124のそれぞれは、延在部分1126、1128をさらに含み、延在部分1126、1128は、駆動部40から延在し、遠位端部1130、1132において終端している。

0159

図56から図58に示されているように、第1のチューブ状の部材1116は、概して延在する部分1136を含み、概して延在する部分1136は、また、そのマニピュレーターハウジング1138の遠位にある遠位端部1134において終端している(図54)。挿入チューブ1002の遠位端部は、カメラ1012と、ツールアクセスおよび制御をスライド式に提供するための作業チャネル1014と、照射デバイス(図示せず)、たとえば、LEDまたはライトバンドルなどと、灌漑ポートおよび吸い込みポート(図示せず)とを含む。遠位端部1130、1132、および1134は、遠位カップラー1140の中に留置されている。遠位カップラー1140は、外側円周方向壁部1142を含み、外側円周方向壁部1142は、その一方の端部において、低減された直径外側壁部1143によって終端しており、また、遠位カップラー1140は、低減された直径外側壁部1143を通って延在する複数の開口部、説明されている実施形態では、3つの開口部1146、1148、および1150を含む(図57および図58を参照)。取り囲むシース202の一方の端部は、開口部1148、1150のそれぞれの内向きに延在している。第1の開口部1146は、第1のチューブ状の部材の遠位端部1134を受け入れ、カメラ1012、作業チャネル1014、照射デバイス、ならびに、その灌漑ポートおよび吸い込みポート(図示せず)が、遠位カップラー1140の外部に露出されるようになっており、第2および第3の開口部1148、1150のそれぞれは、取り囲むシース202の遠位端部、ならびに、第2および第3のチューブ状の部材1120、1124の遠位端部1130、1132を受け入れ、第2および第3のチューブ状の部材1120、1124の遠位端部1130、1132が、その端面1145に対して延在および後退され得るようになっている。外側シース1162の端部は、遠位カップラー1140の低減された直径外側壁部1143の上に延在され、それによって、低減された直径外側壁部1143に留置される。図60最良に示されているように、取り囲むシース202の近位端部1164は、ブリッジ構造体1168の中に保持されており、ブリッジ構造体1168は、スライディングプレート1172(図61を参照)に概して平行に、スライディングプレート1172の上方に延在しており、スライディングプレート1172に対して外向きに延在しており、その第1の端部1165において、ケージ1112a、bの間に延在するクロスピース(図示せず)に留置されている。この構築によって、遠位カップラー1140の中に位置している取り囲むシース202の遠位端部は、ケージ1112a、bからの固定された長さを維持している。

0160

延在部分1126、1128、1136の結合および望ましくない状変形を防止するために、1つまたは複数の連結部材1154a、bが、それらの長さに沿って設けられ、取り囲む部分202を受け入れ、取り囲む部分202を通って、延在部分1126、1128、1136がその中に延在している。この実施形態では、図59に示されているように、それぞれの連結部材1154a、1154bは、概して円形プレート状の部材であり、チューブ状の部材の数に等しい数の開口部、この実施形態では、3つの開口部1156を有しており、3つの開口部1156は、連結部材1154a、bの中心の周りにおおよそ120度だけ互いから間隔を離して配置されている。延在部分1126、1128、1136のそれぞれは、開口部のうちの1つを通って延在している。第1のチューブ状の部材1116の延在部分1136は、それぞれの連結部材1154a、1154bの中の開口部1156aを通って延在している。第1のチューブ状の部材1116の外径、および、開口部1154aの内径は、第1のチューブ状の部材1116が開口部1154aを通して引っ張られるかまたは押され得るが、高い程度の力(外科手術装置1の使用の間に経験されるものよりも大きい力)がそれらの間に印加されるまで、第1のチューブ状の部材1116が連結部材1154a、bに対して移動することとならないように、サイズ決めされている。それとは対照的に、延在部分1126、1128を取り囲んでいる取り囲むシース202の外側周囲は、開口部1156b、cの内側周囲よりも小さくなっており、したがって、取り囲むシース202およびその中の延在部分1126、1128は、前方におよび逆方に開口部1156b、cを通って自由に移動することができる。しかし、取り囲むシース202および延在部分1126、1128、1136のそれぞれは、連結部材1156a、bの中心1160から半径方向内向きにまたは外向きに重大な移動に対して拘束されている。外側シース1162は、延在部分1126、1128、1136とともに、デバイスの導入部分1004を形成している。

0161

ロボット外科手術アーム1166が、チューブ状の部材1120、1124の延在部分1126、1128の遠位端部1130、1132のそれぞれに設けられている。本明細書においてさらに説明されるように、ロボット外科手術アーム1166aは、第1の操向可能な部材100aおよび第2の操向可能な部材100bをそれぞれ含み、ロボット外科手術アーム1166aは、コネクター1144によって相互接続されており、それぞれの操向可能な部材は、複数の屈曲セグメント110を含み、複数の屈曲セグメント110は、互いに枢動可能に接続されており、図3から図29に対して本明細書で説明されているリンケージのうちの1つまたは複数として構成されており、それらは、遠位カップラー1140に対して延在および後退されることとなる機械的なキャリッジ1100のエレメントの制御の下で制御可能に位置決め可能であり、それらが、連結部材遠位カップラー1140および外側シース1162の内向きに十分に後退されるか、または、図56に示されているようにそこから延在され得るようになっている。

0162

ここで図54図60、および図61を参照すると、機械的なキャリッジ1100の動作、ならびに、チューブ状の部材1116、1120、および1124、ならびに、ロボット外科手術アーム1166a、bの対応する運動が、図54図60、および図61に対して説明される。最初に図54を参照すると、機械的なキャリッジ1100の下側水平方向移動メカニズム1106は、ベース1170と、対向するローラー支持式スライディングガイド1174によってその中に移動可能に留置されるスライディングプレート1172と、下側ローリングサポート1176とを含む。第2および第3のチューブ状の部材1120、1124の場所から遠位のスライディングプレート1172の一方の端部において、アップライト1178が延在しており、アップライト1178は、ガセット1180によって、その両側において支持されている。アップライト1178の下側端部は、締結具によって、または、スライディングプレート1172に溶接されることによって、スライディングプレート1172に留置されており、ガセット1180は、同様に、スライディングプレート1172の上側表面、および、アップライト1178の側部表面に溶接されている。アクチュエータ1182、たとえば、空気圧式リニアドライブまたはリードスクリューベースのドライブなどが、その一方の端部において、アップライト1178の裏側に留置されており、その反対側端部は、たとえば、ベースプレート1170が基礎を置くのと同じ表面への接続によって、または、示されているようなベースプレート1170へのリジッドの接続などによって、機械的に接地されている。リニアアクチュエータ1182の作動は、たとえば、図54の中のその位置から図60の中のその位置へなど、スライディングプレート1172の線形移動を引き起こす。リニアアクチュエータは、リニアモータ、ステッパモータおよびリードスクリューメカニズム、または、スライディングプレート1172とベースプレート1170との間に1mm以下の移動を信頼性高く引き起こすことができる他のデバイスであることが可能である。

0163

回転可能なハウジング1110は、その後方に面する部分から延在するシャフト(図示せず)を通して、アップライト1178の中に支持されている軸受1186の中へ接続されている。回転アクチュエータ1188、実施形態では、回転可能なハウジングのその軸線の周りの1度未満によるアーチ形の移動を作動することができるステッパモータが、アップライト1178の後方側部に接続されており、そのシャフト(図示せず)は、回転可能なハウジングのシャフトに連結されている。回転アクチュエータの動作は、たとえば、図54に示されているその配向から図61に示されているその配向へなど、そのシャフトの中心線の周りの回転可能なハウジング1110の回転移動を引き起こす。

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