JP5785538B2 - 腹腔鏡手術用のロボットシステム - Google Patents

Description

本発明は、外科手術、より詳細には低侵襲腹腔鏡手術に際し外科用器具または機器を保持するまたは扱うためのロボットシステムに関する。本発明のロボットシステムは支持構造体を備えており、遠隔操作ステーションから遠隔式に操作することが可能な１つまたは複数のアームが摺動式にそこに装着されている。

この支持構造体に装着された該アームはそれぞれ、２つの要素からなる間接式の組立体として構成されている。２つの要素は互いに蝶番により取り付けられており、第１部材は支持構造体に対して回転させることができる。

本発明は、ロボット手術の分野および具体的には低侵襲手術の分野における一般的な用途が認められる。低侵襲手術では、極めて精密に外科用器具を操作する必要がある従来の手術のものよりも小さな切開部が形成される。これらの切開部から外科手術が行なわれるが、これには内部器官の映像を取得しそれらをテレビモニタに伝送し、それによって外科医をそのような外科処置を行なうように誘導することができるビジョンカメラの導入（腹腔鏡検査法）が含まれる。

ロボット手術によるこれらの外科処置は、専用の通信ラインを介してロボットシステムに接続された遠隔操作ステーションを利用することによって遠隔式に行なわれる。

ロボットシステムが人の腕のように動くように設計された機構を含むことで、ロボットのアームを様々な位置に配置することが可能になる。このような機構は、支持構造体に設置され蝶番により取り付けられた部材によって形成される１つまたは複数のアームによって形成されているため、アームを器具、末端器官またはグリッパーなどの末端作動体あるいは外科手術を行なうための他のデバイスを操作するための空間内で適切に動かすことができる。動作は、遠隔操作ステーションから遠隔式に受信されたコマンドによって行なわれる。

該アームはそれぞれ間接式の構造体であり、互いに蝶番により取り付けられた複数の部材を備え、支持構造体に対して回転可能に設置されている。間接式の部材を備えたロボットアーム機構の一例はスカラとして知られるロボットであり、これはＸ軸とＹ軸の中では自由に動くが垂直軸Ｚにおいてはその動作が制限され、簡単で短距離の処置が通常行なわれる。

これらの機構の制限は典型的には、低侵襲手術に適したロボットシステムを実現するために複雑な電子機器と機械を集中的に利用することによって克服される。これは全体として複雑になることによりロボットシステムに好ましくないコストがかかることを意味する。

特許文献１には、１つのアームが摺動式に垂直方向に装着された支持構造体を備えた３の自由度を有するロボット機構が記載されている。アームは互いに蝶番により取り付けられた第１部材と第２部材を備える。第１部材は支持構造体に蝶番により取り付けられており、それを利用して器具を配置することができる。しかしながらこのような機構には、外科用機器（トロカール）によって器具を挿入するために器具を適切に配置することができないという欠点がある。

特許文献２は、低侵襲心臓手術手技を行なうためのシステムについて言及している。このシステムは、所定の空間において器具を扱うように適合された間接式のアームを備える。該アームには複数の自由度があり、一実施形態ではそれらは３つのモータ駆動式の継手（移動および回転するように駆動させることができる）、すなわち２つの受動継手と、アームの端部に配置された器具を駆動させるために回転させることができる１つのモータ駆動式の継手とを備える。このロボットシステムには、患者の切開部から器具を十分効果的に配置することができないという欠点がある。

米国特許出願公開２００３／２０８１８６ 米国特許第５７６２４５８号

本発明は、腹腔鏡手術用、具体的には（これ以外を除外するものではない）低侵襲手術用のロボットシステムを提供する。本発明のロボットシステムは、今までこのような目的で使用されていたロボットシステムと比べてかなり簡単な構造を有する。本明細書で提供されるロボットシステムの構造が簡単であることに加えて、本発明は、器具、末端器官またはグリッパーなどの末端作動体あるいは外科手術を行なうためのデバイスを適切に配置することが可能な特定の機構と、患者の切開部から適切に挿入されるように高い可動性とを備えた腹腔鏡手術用のロボットシステムを特徴とする。

本発明の低侵襲腹腔鏡手術用のロボットシステムは垂直の柱を備える支持構造体を備えており、その長手軸を中心としてアームを回転させることができる。柱は固定式のプラットフォームに設置することができ、このプラットフォームは必要であれば移動を簡単にするために車輪を備えることが好ましい。１つまたは複数のロボットアームが柱に対して垂直方向に摺動式に装着される。２つ以上のロボットアームが支持構造体に設けられる場合、該アームは、地面からのその高さを調節するためにそれらを垂直方向に摺動式にずらすことができるように装着されており、よって外科用器具を適切な位置に効果的に配置することが可能である。

ロボットシステムの各アームは第１部材と第２部材を備える。第１および第２部材は共にシャフトまたは継手を介して互いに対して蝶番により取り付けられている。一方でアームの第１部材は支持構造体に回転可能に設置されており、該第１部材はその長手軸を中心として回転するように適合されている。具体的にはアームの第１部材は、支持構造体と一体式の延長部に回転可能に設置される。

ロボットアームの第２部材は、外科用器具または機器を装着するためにその一端において少なくとも２つの受動自由度を有する継手を受けるように適合されている。２つ以上のロボットアームが設けられる場合、アームは支持構造体の長手軸を中心として互いから独立して回転することができる。このような機構によって有意に簡素化された組立体が実現する。

本発明のいくつかの実施形態では、該継手は器具を装着するのに少なくとも２の自由度を有しており、例えばジンバル式の継手など３の自由度を有する場合もある。システムに２つの受動自由度を採り入れることによって、１軸の安定性（通常器具または機器の方向の軸における）および患者の切開部から器具を操作するのに適した空間運動が達成される。

したがってこの組立体は、全部で５の自由度（４の自由度に加えて、器具を配置しこれを操作しやすくするための支持構造体の垂直方向の変位）を備えており、それゆえトロカールを介して穿通場所によって規定される方向で患者に形成された腔（例えば腹腔）の中に常に器具を配置することができる。

一実施形態では、ロボットアームの第１部材の長手軸は、第１部材と第２部材の接合軸に対して少なくとも概ね直交することができる。

アームの第２部材は２本のロッドを備えることができ、これらのロッドは互いに対してほぼ平行に配置され、その中にアームの第１部材の一端を設置し、そこに蝶番により取り付けるのに適した距離だけ隔てられている。これによりロボットアームの第１および第２部材が衝突せずに回転することができる。

本発明の低侵襲腹腔鏡手術用のロボットシステムの他の目的、利点および特徴は、本発明の好ましい実施形態の記載から明らかになるであろう。この記載は、非制限的な例として提示されており、それは添付の図面に例示されている。

本発明によるロボットシステムに適合された遠隔操作システムの線図である。 ２本のアーム構造を備えた本発明のロボットシステムの一実施形態の斜視図である。 本発明のロボットシステムの一実施形態の斜視図である。 自由度が示されているロボットシステムの運動学的連鎖の線図である。

低侵襲腹腔鏡手術を行なうための遠隔操作システム１００が図面に示されている。遠隔操作システム１００は、本発明による２つのロボットシステム２００を有するワークステーション１１０と、このロボットシステム２００を操作し制御するための遠隔操作ステーション１２０とを備える。遠隔操作ステーション１２０は、利用可能なアームの一方を動かすことによって調節することができる所望の拡大係数（ズーム）と展望で作業場の光景を表示する３次元制御システム１３０を含む。

オペレータの制御コマンドを遠隔操作ステーション１２０によってロボットシステム２００の動作に変換することで手作業のオペレータの能力を高めることができ、より信頼性が上がるように手術を管理することができる。これによりオペレータの腕の動作を介してロボットシステム２００の間接式のロボットアーム２１０、２２０をジェスチャーによって操作し制御することが可能になる。オペレータが彼／彼女の両手によって行なうことができる動作は、補助用の作動ペダル（図示せず）の助けを借りてアーム２１０、２２０のいずれかに意のままに適用することができる。ロボットシステム２００のロボットアーム２１０、２２０（図３に示される）は電気によって作動され、器具、末端器官または末端作動体９００（グリッパーまたは手術を行なうのに適した外科用デバイスなど）それぞれの位置を突き止め配置することができる。

遠隔操作ステーション１２０とロボットシステム２００の接続は、制御ユニット１４０を介して行なわれる。制御ユニット１４０はコンピュータネットワークによって構成されており、このコンピュータネットワークは、ロボットアーム２１０、２２０の経路をリアルタイムで管理し、外科用器具９００の配置をアーム２１０、２２０によって制御することが可能であり、その結果アームはオペレータのコマンドの動作と常に一致する。制御ユニット１４０はまた、ロボットアーム２１０と２２０との間の衝突を避けるために動作の調整を行ない、オペレータの事前に定義された判断基準に従ってその経路を観察し修正する。制御ユニット１４０によって変動する基準軸で操作することが可能になり、この軸は、垂直方向の作業範囲の位置ではタスクの動作を容易にする目的でオペレータの意志で所定の位置と向きにリセットされるが、他の位置では動作は患者６００の腹部の容積の範囲内で実施される。また、必要に応じて作動ステーション内のセンチメートル単位の動作をミリメートル単位の動作に調節するために倍率を変えることも可能である。さらにこのようなユニット１４０により、患者６００の安全性を高めるために各々のアーム２１０、２２０の作業量の抑制を規定することができる。手術台７００および患者６００の上にアームを最初に適切に配置するのを容易にするために、ユニット１４０を介して、アーム２１０、２２０の使用できる作業空間を表示することが可能である。

遠隔操作ステーション１２０から磁気式位置センサ４５０を介して受信した信号１５０によって器具９００の経路に関する情報４６０が与えられる。電位差計または慣性センサなどの他の位置検出手段も利用可能である。これによりオペレータの運動能力が助長されるだけでなく、最も一般的な６Ｄ作動装置の機械的制約も回避することができる。したがってロボットシステム２００の制御装置６４０および器具９００の制御装置６５０ならびに衝突を避けるための制御装置６６０が可能になる。

ワークステーション１１０は、本発明による１つまたは複数のロボットシステム２００を備える。図３は、該ロボットシステム２００の１つを詳細に示している。ここに見ることができるように、各ロボットシステム２００は共通の支持構造体２３０に設置された２本のアーム２１０、２２０を備えている。各アーム２１０、２２０には、２．５ｋｇまでの力を加えることができるような耐荷重性があり、各アームが手術台７００のその片側で横にならんで作動するように、あるいは手術台７００の両側で１つずつ２本のアームを同時に使用するように適合されている。ロボットシステム２００のアーム２１０、２２０を所定の空間内で動かすことで適切な最小限の作業空間をカバーすることができる。この作業空間は、各アーム２１０、２２０の器具９００を配置することができる点の集合によって規定され、それは、その構造が完全に伸張されたときまたは完全に収縮されたとき器具９００が接近できる地点によって決められた面によって囲まれた空間に相当する。この実施形態の構造では、最小限の作業空間は、固定されているが高さは調節可能な同一の中心の中央に１ｍｍ未満の精度で配置された半径５０ｃｍの半球に相当する。

図２および図３に示される実施形態では、支持構造体２３０は、動かしやすいようにロック式の車輪２４５を有するプラットフォーム２４０に固定された垂直方向の柱２３５を備える。プラットフォーム２４０は下部２５０と、互いに対しておよび下部２５０に対して回転可能に設置された２つの上部２６０、２７０とを備える。支持構造体２３０の下部２５０がプラットフォーム２４０に固定されて手術の間ロボットシステム２００を保持する。柱２３５の上部２６０、２７０は、それらがＤで示される垂直方向に従って、すなわち支持構造体２３０のプラットフォーム２４０にほぼ直交して垂直に摺動することができるように設置されている。上部２６０、２７０が垂直方向に線形移動Ｄすることによって地面に対するロボットアーム２１０、２２０の高さを独立させて調節することが可能になり、これにより器具９００を適切に配置することができる。

簡単に記載するためにロボットシステム２００の片方のアーム２１０の構造を以下に記載するが、該アーム２１０、２２０はそれぞれ同一のまたは技術的に等価な構成であることを理解されたい。

本発明によって記載されるシステムのロボットアーム２１０は、互いに蝶番により取り付けられた２つの部材３００、４００を備える。

第１部材３００は支持構造体２３０に設置された細長い本体であり、そのため第１部材３００の長手軸Ｌ１を中心として回転することができる。より具体的には、この第１部材３００は上部２６０と一体式の延長部２６５に回転可能に設置されている（他方のロボットアーム２２０は、上部２７０に対応する延長部２７５に回転可能に設置されている）。よって第１部材３００は、ロボットアーム２１０の上部２６０の延長部２６５に対して長手軸Ｌ１を中心として回転することができ、２本のアーム２１０、２２０は共に支持構造体２３０、すなわち柱２３５の長手軸Ｌ３を中心として独立して回転することができる。

ロボットアーム２１０の第２部材４００が継手２８０を介してロボットアーム２１０の第１部材３００に蝶番により取り付けられることで、それらは図３に見ることができるように軸Ｌ２を中心に回転することができる。第１部材３００の長手軸Ｌ１は、第１部材３００および第２部材４００の継手２８０の軸Ｌ２にほぼ直交している。

ここに見ることができるように、関節を持つ第２の部材４００は２本のロッド４１０、４２０によって形成されており、これは図面の実施形態では楕円形の断面を有する。しかしながら、２本のロッド４１０、４２０は他の様々な幾何学形状を有することができることを理解されたい。２本のロッド４１０、４２０が所与の距離を空けて互いに平行に配置されることで、第２部材４００を第１部材３００の一端に接続させる一方、アーム２１０の２つの部材３００、４００がアーム２１０の２つのロッド４１０、４２０の共通の端部に配置された継手２８０の軸Ｌ２を中心として回転する際、互いに衝突するのを避けることができる。

アーム２１０の２本のロッド４１０、４２０の反対側の端部５００は、枢軸Ｌ４を介して外科用器具または機器９００を装着するように適合されている。枢軸Ｌ４によって器具９００とアーム２１０、２２０の第２部材４００のロッド４１０、４２０との衝突が回避される。機械継手５５０が端部５００に設けられ、これにより患者６００にある切開部から操作するのに適切な方法で作業空間内での器具９００の配置を調節することができる。この機械継手５５０は、外科用器具または機器９００の装着に適応した２つ以上の自由度を有する継手である。図面の実施形態では、機械継手５５０は、例えばジンバル式継手のような３の自由度を有する継手である。これにより２つの付加的な受動自由度を採用することができるだけでなく、１軸の安定性（通常器具９００を配置する軸）が実現する。したがって、器具９００を、図４に示されるように穿通場所９５０によって規定された方向で、患者６００に形成された腔（例えば、腹腔）の中に常に配置することができる。

トロカールを手動で調節する締付け部材を設けることができる。この締付け部材は、手作業で支持構造体２３０に装着することができる懸垂部材である。その一端においてこの懸垂部材に固定された２つの要素が手作業でロック可能な２つの玉継手を介して支持されており、この玉継手によってジンバル式継手を介して各々のトロカールを固定することが可能になり、患者の腹部６００での外科用器具または機器９００を用いて行われる労力を削減することができる。

図４は、本発明のロボットシステム２００の一実施形態の機械構造の運動学的連鎖を概略的に示している。示されるように、システム２００の各アーム２１０、２２０は、５の自由度を有するＤ-Ｇ-Ｇ-Ｇ-Ｇ+ジンバル式の開放した運動学的連鎖であり、この構造体の２つの連続する接点において異なる要素２３５、３００、４００、９００の相対運動を可能にする。

直進継手（垂直方向に並進する動きＤ）とは別に、軸Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３およびＬ４による４つの継手がモータ駆動され、変位Ｄは２本のアーム２１０、２２０によって共有される。

本発明を明細書に記載し、その好ましい一実施形態に関する添付の図面に示してきたが、本発明のロボットシステムには、以下の特許請求の範囲に定義される保護範囲から逸脱することなくいくつかの変更の余地がある。

Claims (6)

1. 支持構造体（２３０）を備えた腹腔鏡手術用のロボットシステム（２００）であって、前記支持構造体（２３０）は前記支持構造体（２３０）に摺動式に装着されて蝶番により取り付けられた少なくとも２つのアーム（２１０、２２０）を含み、前記アーム（２１０；２２０）が蝶番により互いに取り付けられた第１部材（３００）と第２部材（４００）とを備えており、前記第１部材（３００）が前記支持構造体（２３０）に蝶番により回転可能に取り付けられているもので、前記第１部材（３００）が前記第１部材（３００）の長手軸（Ｌ１）を中心として回転するように構成されており、前記第２部材（４００）が、器具（９００）を装着するために少なくとも２の自由度を有する継手（５５０）を受けるように構成され、前記アーム（２１０、２２０）が、前記支持構造体（２３０）の長手軸（Ｌ３）の周りに互いに独立して回転するように構成されていて、前記アーム（２１０、２２０）が互いに阻害せずに前記支持構造体（２３０）の周りにフル旋回で回転されうるように、互いに対して及び前記支持構造体（２３０）に対して回転可能に設置され互いに異なった高さに配置された、それぞれ対応する第１及び第２の上部（２６０、２７０）を伴い、前記第１及び第２の上部（２６０、２７０）は前記アーム（２１０、２２０）の高さを独立に調節するために垂直に摺動することができる、ロボットシステム（２００）。
2. 前記第１部材（３００）の前記長手軸（Ｌ１）が、前記第１部材（３００）と前記第２部材（４００）とを互いに接続する接合軸（Ｌ２）に少なくとも概ね直交している、請求項１に記載のロボットシステム（２００）。
3. 器具（９００）を装着するために少なくとも２の自由度を有する前記継手（５５０）がジンバル式継手である、請求項２に記載のロボットシステム（２００）。
4. 前記第２部材（４００）が、前記アームの第１部材（３００）が蝶番により取り付けられている２つの部品（４１０、４２０）からなっている、請求項３に記載のロボットシステム（２００）。
5. 前記第１部材（３００）が、前記支持構造体（２３０）と一体式の延長部（２６５；２７５）に回転可能に装着されている、請求項４に記載のロボットシステム（２００）。
6. 前記支持構造体（２３０）が垂直の柱を備えており、前記垂直の柱の長手軸（Ｌ３）を中心として前記アーム（２１０、２２０）が回転できる、請求項１に記載のロボットシステム（２００）。

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