JP2003265499A - 手術用マニピュレータ - Google Patents
手術用マニピュレータInfo
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Abstract
おいて、MRI内部における作業性と安全性を両立でき
るようにする。 【解決手段】MRI9の外部から撮像領域へ延在するよ
うに設けられるアーム部1と、アーム部1のMRI側先
端部に配置されて姿勢を制御する姿勢制御機構部6と、
アーム部1のMRI外部側に配置されると共に伝達機構
を介して姿勢制御機構部6を駆動する姿勢制御機構駆動
部4と、アーム部1のMRI外部側に配置されると共に
MRI外部側の位置を制御駆動する位置制御駆動機構部
2と、アーム部1と位置制御駆動機構部2とを結合する
駆動結合部3と、アーム部1の支点としてアーム部1の
中間部を支持する中間支持部5とを備える。そして、姿
勢制御機構駆動部4と位置制御駆動機構部2とは独立し
た駆動機構で構成する。また、中間支持部5はMRI空
間内に位置されるアーム部1の中間部を支持する。
Description
ータに係わり、特にMRI(magnetic resonanceimage
r:核磁気共鳴計測装置)環境に対応する手術用マニピ
ュレータに好適なものである。
ピュレータとしては、特開2000−254876号公
報に記載されているように、マニピュレータの作業環境
における空間占有率が低く、マニピュレータのエンドエ
フェクタに遠隔から駆動力を伝達することができ、マニ
ピュレータの滅菌や医療機器へのノイズを低減すること
ができ、また手術用マニピュレータをMRI環境下でも
使用可能にすることができるようにするために、アーム
機構とエンドエフェクタを有するマニピュレータであっ
て、前記アーム機構とエンドエフェクタの間に前記マニ
ピュレータに伝達する位置姿勢伝達機構を有し、前記位
置姿勢伝達機構はリンク機構に固定した第1のリンクと
エンドエフェクタに固定する第2のリンクとを6自由度
の位置姿勢伝達が可能なリンク機構で連結し、てこ−パ
ラレルリンク式位置姿勢伝達機構としたものがある。
技術におけるパラレルリンク機構は作業座標における位
置・姿勢の可動範囲が狭いという課題があった。換言す
れば、MRIの内部などの限定された狭隘空間で手術用
マニピュレータによる作業を実現しようとした場合、安
全性と作業性はトレードオフの関係にあるが、手術手技
の中には吻合・縫合といった複雑かつ局所的に大きな姿
勢変化を要するものがあり、そういった手術操作を上述
した従来技術の機構で対応することが難しいという課題
があった。
めて少なく、安全に動作する手術用マニピュレータを実
現するためには、少なくとも内部へ入り込み撮像領域に
まで至る部分の材質は非磁性かつ絶縁体が望ましい。こ
のため、上述した従来技術には述べられていないが、M
RIの内部に入り込むリンク部材の材質を例えばエンジ
ニアリングプラスチックやエンジニアリングセラミック
などにすることが考えられるが、強度・剛性が不足して
リンク部材が途中で撓むあるいは動作中に大きな振幅で
振動するといったことが起こる可能性があり、先端の位
置姿勢を正確に制御することが難しいという課題が生ず
る。
衝突や、地震などの不慮の災害によって手術用マニピュ
レータの土台部分が動く場合、単にリンク部材を長尺に
した構造の手術用マニピュレータでは大きな範囲で動い
てしまうおそれがあるという課題がある。
要かつ充分な可動範囲はそれぞれ異なるものであるが、
従来の一般的な手術用マニピュレータでは、これを制御
的に限定するのみで、機構的な動作制限を行なうように
していないため、動作範囲外への運動を本質的に阻止す
ることが難しいという課題があった。例えば小さな範囲
での動作で充分な作業においては、手術用マニピュレー
タが不必要に大きな動きをする危険性が存在し、逆に小
さな範囲でのみ動作するように機構を構成してしまう
と、別のより大きな動作範囲を必要とする作業には適用
できなかった。そのため、安全性を確保しつつ様々な対
象・症例・手技に対して同一の手術用マニピュレータを
用いることが難しかった。
性と安全性を両立できる手術用マニピュレータを提供す
ることにある。
述から明らかにされる。
の本発明の手術用マニピュレータは、MRIの外部から
撮像領域へ延在するように設けられるアーム部と、前記
アーム部のMRI撮像領域側先端部に配置されて姿勢を
制御する姿勢制御機構部と、前記アーム部のMRI外部
側に配置されると共に伝達機構を介して前記姿勢制御機
構部を駆動する姿勢制御機構駆動部と、前記アーム部の
MRI外部側に配置されると共に前記アーム部のMRI
外部側の位置を制御駆動する位置制御駆動機構部と、前
記アーム部と前記位置制御駆動機構部とを結合する駆動
結合部と、前記アーム部の支点として前記アーム部の中
間部を支持する中間支持部とを備え、前記姿勢制御機構
駆動部と前記位置制御駆動機構部とは独立した駆動機構
で構成し、前記中間支持部はMRI空間内に位置される
前記アーム部の中間部を支持する構成にしたことにあ
る。
づいて説明する。
成を図1に基づいて説明する。図1は本発明の一実施例
を示す手術用マニピュレータの構成図である。
される姿勢制御機構駆動部、2はアーム根元駆動部で構
成される位置制御駆動機構部、3はアーム根元支持部で
構成される駆動結合部、4はアーム部、5は中間支持
部、6は先端関節部で構成される姿勢制御機構部、7は
中間支持固定部材、8は駆動部固定用土台、9は開放型
MRI、9aはMRI9の上部磁石、9bはMRI9の
下部磁石、11は患者横臥台、12は患者、13は中間
支持取付部を表す。
は、姿勢制御機構駆動部4、位置制御駆動機構部2、駆
動結合部3、アーム部1、中間支持部5および姿勢制御
機構部6を備えて構成されている。また、本実施例にお
けるMRI9は上部磁石9a、下部磁石9bおよび患者
横臥台11を備えて構成されている。そして、患者横臥
台11はMRIの外で患者を横たえたのちに平行移動さ
れ、MRI9の上部磁石9aおよび下部磁石9bの間に
患者を導き、手術対象の患部が撮像中心へ概略位置決め
される。
へ延在するように設けられている。姿勢制御機構部6は
アーム部1のMRI撮像領域側に位置して姿勢を制御す
るように設けられている。姿勢制御機構駆動部4は、ア
ーム部1のMRI外部側に配置されると共に、伝達機構
を介して姿勢制御機構部6を駆動するように設けられて
いる。位置制御駆動機構部2は、アーム部1のMRI外
部側に配置されると共に、MRI外部側の位置を制御駆
動するように設けられている。駆動結合部3はアーム部
1と位置制御駆動機構部2とを結合するように設けられ
ている。中間支持部5は、アーム部1の支点としてアー
ム部1の中間部を支持すると共に、MRI撮像領域内に
位置される前記アーム部の中間部を支持するように設け
られている。そして、姿勢制御機構駆動部4と位置制御
駆動機構部2とは独立した駆動機構で構成されている。
間支持取付部13を介して中間支持固定部材7に固定さ
れる。中間支持固定部材7は上部磁石9aに固定され
る。また固定部7は中間支持部5を固定する部分がアー
ム部1の長手方向に複数ヶ所設けられている。この固定
する部分の位置を変えて中間支持部5を固定することに
よって、駆動部固定用土台8の設置位置との関係で、ア
ーム部1の先端部におけるおよその可動範囲を規定する
ことができる。したがって、手術の種類に合わせて適切
な可動範囲を設定するように中間支持部5の固定位置を
変えることにより、より安全性を高めることができる。
に置かれるため、その構成材料・部品はMRI装置の撮
像に干渉しないように選定される。
料はポリエーテルエーテルケトンやFRP、各種マシナ
ブルセラミックス・エンジニアリングセラミックス(た
だしアルミナ系若しくはCFRPのように導電性材料の
繊維が混入しているものは除く)などが用いられる。特
に、ベアリングはセラミックベアリング、ねじやボルト
はポリエーテルエーテルケトン製のものが用いられる。
なお、磁場から比較的遠い土台部分については、アルミ
ニウム合金や真鍮が一部使用される。
アクチュエータが備えられ、治療操作に必要な力がこれ
らによって発生されるが、これらのアクチュエータはP
ZT等のセラミックにおける電歪効果を利用した所謂圧
電アクチュエータやその応用である超音波モータが用い
られる。超音波モータの構造材もセラミックベアリング
や真鍮・アルミニウム合金など極力非磁性材料を用い
る。そして、各関節部の変位は、光ファイバにより導か
れ、エンコーダ盤によって変調(例えばエンコーダ盤の
回転に応じた数の矩形波にする)された光や透過または
反射された光を再度光ファイバによってMRI装置の磁
場の外に導き、そこで電気信号に変換したのちこれを用
いて各関節の位置検出を行なう。
要素の詳細について順次説明する。
いて説明する。図2は図1の手術用マニピュレータにお
ける位置制御駆動機構部の斜視図である。
ト、22a〜22cはX、Y、Z軸方向アクチュエー
タ、23a〜23cはX、Y、Z軸方向駆動用ボールネ
ジ、24a〜24cはX、Y、Z軸方向リニアガイド、
25a〜25cはX、Y、Z軸方向リニアエンコーダ、
26はX軸方向移動プレート、27はY軸方向移動プレ
ート、28はZ軸方向固定プレート、29はZ軸方向移
動プレート、29aは駆動結合部取付用穴を示す。な
お、X、Y、Z軸方向リニアガイド24a〜24cは並
置された二つのガイドで構成されている。X軸方向移動
プレート26はY軸方向土台プレートを兼ねている。Y
軸方向移動プレート27はZ軸方向土台プレートを兼ね
ている。
土台8に固定される。この土台プレート21はリニアガ
イド24aを介してX軸方向移動プレート26と連結さ
れている。このX軸方向リニアガイド24aはX軸方向
土台プレート21に固定されたX軸方向に延びるレール
とX軸方向移動プレート26に固定されたX軸方向に延
びるレールとが摺動可能に結合されて構成されると共
に、これらが二つ平行に設けられて形成されている。こ
のX軸方向リニアガイド24aによって、X軸方向移動
プレート26の動作は一方向(X軸方向)に拘束され
る。X軸方向土台プレート21に固定されたX軸方向ア
クチュエータ22aは回転駆動力を発してX軸方向駆動
用ボールネジ23aを回転させるようになっている。X
軸方向駆動用ボールネジ23aはX軸方向移動プレート
26に螺合されているので、X軸方向駆動用ボールねじ
23aの回転力はX軸方向移動プレート26に対する直
線的推進力に変換される。これによって、X軸方向移動
プレート26はX軸方向に移動される。
量はX軸方向リニアエンコーダ25aにより検出され、
組み込まれた制御系(図示せず)に送られる。制御系
は、この検出された移動量に基づいてX軸方向移動プレ
ート26を目標位置へ移動せしめるようアクチュエータ
22aを駆動する。目標位置の入力に関しては、例えば
多関節多自由度機構を術者が操作し、その動作を検出し
処理することで目標値としたり、あるいは一般的な計算
機の入出力インターフェイスを利用したりすることが考
えられる。また、状況によってはMRI9やその他の診
断装置や光を利用した空間位置姿勢計測装置の計測デー
タをもとに制御用計算機が目標位置を生成し、それに従
って動作することも考えられる。
アガイド24bを介してX軸方向移動プレート26と連
結されている。このY軸方向リニアガイド24bはX軸
方向移動プレート26に固定されたY軸方向に延びるレ
ールとY軸方向移動プレート27に固定されたY軸方向
に延びるレールとが摺動可能に結合されて構成されると
共に、これらが二つ平行に設けられて形成されている。
これによって、Y軸方向移動プレート27の動作は一方
向(Y軸方向)に拘束される。X軸方向移動プレート2
6に固定されたY軸方向アクチュエータ22bは回転駆
動力を発してY軸方向駆動用ボールネジ23bを回転さ
せるようになっている。Y軸方向駆動用ボールネジ23
bはY軸方向移動プレート27に螺合されているので、
Y方向駆動用ボールネジ23bの回転力はY軸方向移動
プレート27に対する直線的推進力に変換される。これ
によって、Y軸方向移動プレート27はY軸方向に移動
される。
量はY軸方向リニアエンコーダ25bにより検出され、
制御系に送られる。制御系は、この検出された移動量に
基づいてY軸方向移動プレート27を目標位置へ移動せ
しめるようアクチュエータ22bを駆動する。なお、ア
クチュエータ22bを駆動するための制御系はX軸方向
アクチュエータ22aの制御系と同一でもよいし別でも
よい。
プレート29はZ軸方向リニアガイド24cを介して連
結されている。Z軸方向移動プレート29は上下の一方
向にのみ運動を拘束される。Z軸方向固定プレート28
はY軸方向移動プレート27に固定され、Y軸方向移動
プレート27の上面に垂直に立設されている。Z軸方向
リニアガイド24cはZ軸方向固定プレート28に固定
されたZ軸方向に延びるレールとZ軸方向移動プレート
29に固定されたZ軸方向に延びるレールとが摺動可能
に結合されて構成されると共に、これらが二つ平行に設
けられて形成されている。これによって、Z軸方向移動
プレート29の動作は一方向(Z軸方向)に拘束され
る。Y軸方向移動プレート27に固定されたZ軸方向ア
クチュエータ22cは回転駆動力を発してZ軸方向駆動
用ボールネジ23cを回転させる。Z軸方向駆動用ボー
ルネジ23cはZ軸方向移動プレート29に螺合されて
いるので、Z軸方向駆動用ボールネジ23cの回転力は
Z軸方向移動プレート29に対する直線的推進力に変換
される。これによって、Z軸方向移動プレート29はZ
軸方向に移動される。
量はZ軸方向リニアエンコーダ25cにより検出され、
制御系に送られる。制御系は、この検出された移動量に
基づいてZ軸方向移動プレート29を目標位置へ移動せ
しめるようZ軸方向アクチュエータ22cを駆動する。
なお、Z軸方向アクチュエータ22cを駆動するための
制御系はX軸方向アクチュエータ22aおよびY軸方向
アクチュエータ22bの制御系と同一でもよいし別でも
よい。
結合部3を取り付けるための二つの取付穴29aが形成
されている。この取付穴29aに駆動結合部3からネジ
または突起等挿入してZ軸方向移動プレート29と駆動
結合部3との相対的な運動を拘束せしめるようになって
いる。
は、非磁性金属であるジュラルミンのうち強度の高いグ
レードの材質のものか、もしくはポリエーテルエーテル
ケトンの高強度グレードなどエンジニアリングプラスチ
ックの何れかを使用するようにしている。しかしなが
ら、位置制御駆動機構部2がMRI9の撮像中心からか
なり離れ所謂5ガウスラインと呼ばれる磁場強度の境界
近傍に配置される場合には、加工性や価格等とのトレー
ドオフを勘案して前述したグレードを下げるようにして
もよい。
を発生しない超音波モータが用いられている。そして、
各アクチュエータ22a〜22cのケーシングはジュラ
ルミン、軸は黄銅、軸受はセラミックなどの材料を用い
て非磁性化対応を施している。また、各ボールネジ23
a〜23cは強度と磁性(磁化率)の低さを考慮してベ
リリウム銅が用いられている。
ム銅からなるレールとブロック、チタンもしくは黄銅か
らなるビス、セラミックからなるボール、樹脂からなる
エンドプレートを備えて構成されている。チタンや黄銅
はベリリウム銅と同様低磁化率材料であり、その他の材
質は非磁性かつ絶縁体である。
I9の磁場や高周波の影響の及ばない地点から光ファイ
バを通して入射光を導き、透過または反射した光を光フ
ァイバを通して再び前記地点まで戻し、これをフォトト
ランジスタ等を用いた光電変換回路によってエンコーダ
信号としている。本実施例では、リニアエンコーダ25
a〜25cを図示したが、モータもしくはボールネジの
回転を検出する回転型の光ファイバエンコーダを用いる
か、もしくは光や赤外線、音波といったMRI9の発す
る磁場や高周波と干渉しない媒体を利用する位置計測装
置を用いて位置計測を行なうようにしてもよい。
する。図3は図1の手術用マニピュレータにおける駆動
結合部の斜視図である。
は垂直回転フレーム、33は垂直回転軸、34は垂直回
転軸止め、35は前後回転軸、36は前後回転ブロッ
ク、37はアーム捻り回転用摺動材、38はアーム捻り
回転駆動用歯車、39はアーム捻り回転量検出用エンコ
ーダ、30はアーム捻り回転アクチュエータを示す。
照)を利用してZ軸方向移動プレート29に固定され
る。垂直回転フレーム32は、固定プレート31から上
方に突出する垂直回転軸33に底部が嵌合され、垂直回
転軸33を回転中心として自由回転する。この垂直回転
軸33を直接駆動するアクチュエータは存在しない。前
後回転ブロック36は、フレーム32の両側面から内方
に突出する前後回転軸35に両側面部が嵌合され、前後
回転軸35を回転中心として自由回転する。アーム捻り
回転用摺動材37は前後回転ブロック36の中央部に貫
通穴を形成するように設置され、その穴内にはアーム部
1が通されている。アーム部1の外壁とアーム捻り回転
用摺動材37の内壁が滑らかに摺動するようにしたこと
により、アームの捻り回転が容易に行なえる。
軸は一点で交差するように構成され、これらによるジン
バル構造が形成されている。これによって、垂直・前後
の自由回転は、X・Y・Z軸が駆動され、アーム部1の
中間を同様のジンバル構造で拘束されることによって生
じる。ただし、捻り回転はそれらとは干渉せずにアクチ
ュエータ30によって駆動される。
り回転アクチュエータ30とアーム捻り回転量検出用エ
ンコーダ39が取り付けられている。アクチュエータ3
0の出力はアーム捻り回転駆動用歯車38を介して伝達
される。またアームの回転量はエンコーダ39により検
出される。
テルエーテルケトン等の高強度エンジニアリングプラス
チックが用いられている。特にアーム捻り回転用摺動材
37は摺動部分を有するため摺動グレードの高い(耐摺
動性の高い)ものが選択されている。駆動結合部3は撮
像中心から遠いため、非磁性金属の部分的使用も可能で
あるが、より好ましいのはエンジニアリングプラスチッ
クやエンジニアリングセラミックを用いることである。
アクチュエータ30は前述したアクチュエータ22a〜
22cと同様に非磁性化対応された超音波モータが用い
られる。エンコーダ39には光ファイバ導光型のものが
用いられ、MRI9の磁場と特に励起高周波によるノイ
ズの混入、およびRF信号に対する干渉を防ぐようにな
っている。
て説明する。図4は図1の手術用マニピュレータにおけ
る姿勢制御機構駆動部の説明図である。なお、図4
(a)は平面図、図4(b)は側面図である。
42dは複合円筒41を回転させるアクチュエータ、4
3は動力伝達用ワイア、44はエンコーダへの変位伝達
用ワイア、45は変位伝達用プーリ、46は複合円筒4
1の回転変位を検出するエンコーダ、47a〜47bは
動力伝達用ワイア43のテンションプーリ、48は複合
円筒回転用摺動体、49は筐体を示す。複合円筒41は
駆動用と変位伝達用の円筒を兼ねている。
統の動力をワイア43で先端へ伝達することにより姿勢
制御機構部6を制御駆動するようになっている。
た形状をしており、最下段円筒の外周を複数のアクチュ
エータ42a〜42dによって押さえることによって回
転される。アクチュエータ42a〜42dは突起状の接
触部を有し、この接触部が長辺方向平面内で楕円を描
く。これらの接触部を複合円筒41に接触させると、こ
れらの接触部が位相を合わせて複合円筒41の外周部を
円周方向に押すことになり、複合円筒41が回転する。
中段円筒は動力伝達用プーリの役目をする。この中段円
筒には動力伝達用ワイア43が巻き付けられており、ワ
イア43はテンションプーリ47a〜47bによって弛
み防止のための張力が与えられた状態でアーム部1の内
部を通り姿勢制御機構部6へ至っている。複合円筒41
の最上段円筒にはエンコーダ46への変位伝達用ワイア
44が巻き付けられている。ワイア44は変位伝達用プ
ーリ45にも巻き付けられており、プーリ45は複合円
筒41の回転変位を検出するようにエンコーダ46を回
転させる。なお、筐体49と複合円筒41との間の滑ら
かな回転のために、複合円筒回転用摺動体48が挟み込
まれている。この摺動体48の代わりに非磁性材料(例
えばセラミック)のベアリングを用いてもよい。
チックが望ましいが、撮像中心から遠いことや強度・加
工性等のトレードオフを考慮してジュラルミン等の非磁
性(一般的に磁化率が低いとされている意)金属を用い
てもよい。複合円筒41、変位伝達用プーリ45、テン
ションプーリ47a〜47bはエンジニアリングプラス
チックが用いられている。アクチュエータはセラミック
の構造体をジュラルミンのケーシングに納めたものが用
いられる。その他ネジなどもチタン、黄銅、もしくはエ
ンジニアリングプラスチック等が使用されている。
する。図5は図1の手術用マニピュレータにおける中間
支持部材の斜視図である。
は垂直回転フレーム、53は前後回転ブロック、54は
中空円筒摺動材、55は前後回転軸、56は垂直回転軸
を示す。
であるが、向きが逆さまになっている点、アーム捻り回
転駆動用の駆動系を有しない点、中空円筒摺動材54の
内壁においてアーム部1の捻り回転および円筒軸方向に
関するアーム部1の直動があり2方向に摺動する点が異
なる。なお、駆動結合部3および中間支持部5に共通な
構成例の詳細は後述する。
る。図6は図1の手術用マニピュレータにおけるアーム
部の斜視図である。
は駆動結合部3からの抜け止め、16は駆動結合部3に
付属したアーム捻り回転駆動用歯車38の受け側歯車、
17はスペーサを示す。アーム構造材14は複数のアー
ム構造材14A、14Bで構成されている。抜け止め1
5、受け側歯車16およびスペーサ17はアーム構造材
14A側に設けられている。
サ17には、ポリエーテルエーテルケトン等のエンジニ
アリングプラスチックもしくはFRP等の材料が用いら
れている。受け側歯車16には強度や加工性などのトレ
ードオフからジュラルミン等の非磁性金属が用いられて
いる。アーム構造材14は筒状に形成されており、その
内部は中空もしくは少なくとも姿勢制御機構部6への駆
動伝達ワイア43が通るだけの空間を有している。ま
た、強度を高めるために内部に補強構造を施してもよ
い。
いて説明する。図7は図1の手術用マニピュレータにお
ける姿勢制御機構部の説明図である。なお、図7(a)
は平面図、図7(b)は側面図である。
2は術具ガイド用円筒、63a〜63bは軸止め、64
a〜64bは軸支持部、65a〜65bは動力伝達用プ
ーリ、66a〜66bは入力軸傘歯歯車、67a〜67
bは動力伝達用ワイア、68は出力軸傘歯歯車を表す。
達用ワイア43によって駆動される。各プーリ65a〜
65bは入力軸傘歯歯車66a〜66bと一体で回るよ
うに軸支持部64a〜64bに支持されている。入力軸
傘歯歯車66a〜66bと出力軸傘歯歯車68は差動機
構を構成し、動力伝達用ワイア43から入力軸傘歯歯車
66a〜66bへ与えられる駆動量の向きと割合に応じ
て術具ガイド用円筒62の首振りと捻りが生じる。例え
ば入力軸傘歯歯車66a〜66bの回転が共通の回転軸
に対して同方向かつ同じ角度量になるように各ワイア4
3を引くと術具ガイド用円筒62は捻れることなく首を
振り、回転方向のみ逆になるようにすると首を振ること
なく術具ガイド用円筒62に捻りの動きが生じる。な
お、首振りと術具ガイドの捻りの軸はアーム捻りの回転
軸と一点で交差するように配置されている。
身の捻り回転を合わせることによってアーム先端部での
姿勢3自由度を制御することができる。また首振りとア
ーム捻り回転によってある方向を中心に十字に首を振る
動作が容易に実現できる。これと位置制御駆動機構部2
によって生ぜしめられる先端3自由度の位置制御動作と
を合わせることによって、先端部に装備されるべき術具
をトロカールを通して挿入し操作する経皮操作において
必要な動作、すなわち所謂ピボットモーション(挿入時
に皮膚や表面と交差している部分を不動にしたまま内部
においてその先端で多自由度の動作を行なうこと。挿入
部分の皮膚や表面を広げたりする危険性がなく、内視鏡
下手術等では必須の動き)を容易に実現できる。
の詳細を補足説明する。図8は図3の駆動結合部の詳細
説明図である。
軸部、33b、33cは垂直回転軸33の摺動材、35
aは前後回転軸35の軸部、35bは前後回転軸35の
スペーサ、35cは前後回転軸35の摺動材、36aは
前後回転ブロック36の嵌込穴を表す。
ト31の下部に嵌め込まれ、摺動材33b〜33cを介
して固定プレート31および垂直回転フレーム32を貫
通し、軸止め34により結合される。これにより垂直回
転フレーム32は固定プレート31に対して垂直方向軸
周りに自由回転することができる。
ブロック36の嵌込穴36aに嵌め込まれている。前後
回転軸35の軸部35aは垂直回転フレーム32の側面
部分およびスペーサ35bを貫通して摺動材35c内に
至る。ここにおいて軸部35aと摺動材35cとの摺動
が生じ、アーム捻り回転用摺動材37は前後に(言い換
えると、アーム部1を上下に傾斜して)自由回転するこ
とができる。
駆動結合部3の詳細構造と同じである。
関しては既に述べた通りであり、ポリエーテルエーテル
ケトンなどのエンジニアリングプラスチックを主に用い
ることが望ましい。摺動部分に関しては、さらに耐摺動
性のグレードの高いものを選択することが望ましい。特
に、中間支持部5は撮像中心により近く、またMRI9
の空間内に配置されるため、非磁性であっても金属の使
用は極力しない方がよい。
てMRI9に固定されているので、スペースファクタが
良好であるが、MRI9に固定することが難しい場合に
は、時不変である空間座標系を有すると考えられるもの
に対して固定してもよい。例えば図9に示すように中間
支持固定部材7Aを介して土台8に固定されるようにし
てもよい。
0を用いて説明する。図10は図1の手術用マニピュレ
ータの動作を説明する斜視図である。
示す矢印、102はY軸駆動方向を示す矢印、103は
Z軸駆動方向を示す矢印、104はアーム捻り回転駆動
方向を示す矢印付き円弧、105は姿勢制御機構部6の
首振り駆動方向を示す矢印付き円弧、106は姿勢制御
機構部6の捻り駆動方向を示す矢印付き円弧、107は
X軸・Y軸若しくはその両方が駆動されることにより引
き起こされる垂直回転フレーム32の回転方向を示す矢
印付き円弧(点線)、108はZ軸が駆動されることに
より引き起こされる前後回転ブロック36の回転方向を
示す矢印付き円弧(点線)、109はX軸・Y軸若しく
は両方が駆動されることにより引き起こされる垂直回転
フレーム52の回転方向を示す矢印付き円弧(点線)、
110はZ軸が駆動されることにより引き起こされる前
後回転ブロック53の回転方向を示す矢印付き円弧、1
11はアーム捻り回転軸、112は姿勢制御機構部部首
振り回転軸、113は術具ガイド用円筒62の捻り回転
軸、114は垂直回転フレーム32の回転軸、115は
上下回転ブロック36の回転軸、116は垂直回転フレ
ーム52の回転軸、117は上下回転ブロック53の回
転軸、118はX軸・Y軸・Z軸若しくは全軸を駆動し
たことによって引き起こされる中間支持部5における直
動方向を示す矢印をそれぞれ表わす。
作方向101、102、103に関する直線運動を生じ
させたとき、駆動結合部3がそれによって動き、垂直回
転フレーム32および前後回転ブロック36が回転軸1
14、115を中心として回転方向107、108のよ
うな回転運動を起こす。一方、中間支持部5はMRI9
に固定されているが、垂直回転フレーム52および前後
回転ブロック53は駆動力に従って回転軸116、11
7を中心軸として回転方向109、110のように回転
する。このときアーム中心軸111が直線であるので、
回転方向107、109の回転変位量と回転方向10
8、110の回転変位量とは等しくなる。また、位置制
御駆動機構部2を動かせば、駆動結合部3の各回転軸の
交点と中間支持部5の各回転軸の交点との距離は変化す
る。すなわち、その際に中間支持部5においてアーム部
1の長手方向に関する直動118が生ずる。
・Y・Z軸を駆動させると、このような梃子と直動の組
み合わせによって先端の位置を変化せしめる。このXY
Z軸の直線変位と先端部の位置変位の関係は単純な幾何
学的関係であり容易に求められる。係る変位においてア
ームの捻り軸に関する捻り角は変化しない。姿勢制御機
構部6の首振りおよび捻りも同様である。よってまず前
記の位置変位に伴う先端の姿勢変化を導き、それに加え
る形で中心軸111周りのアーム捻り104、112周
りの先端首振り105、113周りの先端捻り106の
姿勢制御を考えればよいことになる。
ピボットモーションを実現することが容易になる。ピボ
ットモーションには先端捻りの自由度は必須ではない
が、これがあることによって術具の姿勢を制御すること
ができ、より複雑な手術操作を実現できることになる。
構成する各要素、あるいは駆動のためのアクチュエー
タ、ワイア等のうち言及のなかったものに関しても、全
て磁場に対して感応しない非磁性物質で構成するのは言
うまでもない。構造材はジュラルミン(アルミニウム合
金)やチタン合金などの非磁性金属、エンジニアリング
プラスチックを用いる。また前記の例ではアクチュエー
タは非磁性材料のみで構成され電磁的な駆動原理を用い
ないものとしてば超音波モータを挙げたが、液圧・空気
圧駆動アクチュエータなどを適用することも可能であ
る。また、ワイアには靭性の高い高分子材料を用いるこ
とが望ましい。先端に装着を想定される術具の部分はエ
ンジニアリングセラミックもしくはマシナブルセラミッ
クで製作することが望ましい。
ータには次のような利点がある。 (1)アーム部1のMRI外部側を限られた可動範囲の
位置制御駆動機構部2で駆動すると共に、MRI9の空
間内にアーム部1の支点となる中間支持部5を設けて中
間支持部5の動作範囲を制限するようにしているので、
長いアーム部1が振り回されたりするような危険な誤動
作を機構的に防止することができる。 (2)アーム部1のMRI9の空間内に位置する部分に
中間支持部5を設けているので、アーム部1のMRI側
の先端における撓みが確実に軽減され、手術用マニピュ
レータとしての安全性・信頼性を高めることができる。 (3)姿勢を制御できる姿勢制御機構部6をアーム部1
のMRI撮像領域側先端部に設けているので、姿勢制御
機構部6の動作がごく限られた狭い範囲の空間で行なう
ことができ、狭いMRI撮像領域内での特別な手術に対
応することが可能となる。姿勢制御機構部6として差動
機構を用いているので、特にコンパクトな構造で狭い範
囲の空間内を動作させることができる。 (4)姿勢制御機構部6の駆動源である姿勢制御機構駆
動部4をMRI外部側に置いて姿勢制御機構駆動部4の
駆動力をワイア43で姿勢制御機構部6に伝達するよう
にしているので、アーム部1の先端部にある姿勢制御機
構部6の駆動のために手術用マニピュレータ全体として
はあまり動くことはないにもかかわらず、先端部におい
て局所的に複雑な動作を実現できる。したがって、この
点からも狭いMRI撮像領域内での特別な手術に対応す
ることが可能となる。 (5)アーム部1のMRI外部側の位置駆動にX軸・Y
軸・Z軸方向に直動する直動機構を用いているので、手
術用マニピュレータの動きが直感的でわかりやすいもの
になる。これにより周囲の作業者の安全が図りやすくな
る。 (6)姿勢制御機構部6の速度は主に位置駆動の速度と
支点の位置で決まり、中間支持部5の固定位置を可変に
しているので、通常容易には変更できない位置制御駆動
機構部2の速度仕様を変えることなく、姿勢制御機構部
6の速度仕様を可変にできる。例えば、中間支持部5を
姿勢制御機構部6側へ持っていけば、姿勢制御機構部6
の可動範囲が小さくなるとともに最高速度が小さくな
る。これは微細操作に際してそのスケールに見合った速
度(すなわち空間的な速度で言えば低速)で行なうこと
ができることを意味する。逆に中間支持部5を姿勢制御
機構部6の反対側に持っていけば、姿勢制御機構部6の
可動範囲が広がるとともに最高速度が上がることとな
り、大きな操作を速く行なうことができる。言い換える
と、アーム部1の支点によって限定された可動範囲と、
その端から端まで動く速度との比を常に同じに設定でき
るため、映像情報の倍率を調節すればつねに画面の中で
の先端部の速度は同じに見えるという効果もある。 (7)駆動結合部3および中間支持部5を共にジンバル
構造にしたために、位置制御駆動機構部2のXYZ各軸
を駆動したときにアーム長手方向周りの角度を変えない
(姿勢に干渉しない)ようにできる。したがって位置制
御駆動機構部2によって姿勢制御機構部6を抉ることが
ない。 (8)中間支持部5を動かすことによりアーム長手方向
の動作倍率を一定に保ちつつ、長手方向と垂直な2方向
の動作倍率が支点位置を変えることができる。想想定配
置では手術用マニピュレータは患者の横からアプローチ
する。患者の体の横幅は概ねどの部分でも同じなので、
この方向への動作倍率は一定でよい。一方、これと垂直
な2方向に関しては、まず体軸と同じ方向があり、この
方向には体が伸びているため、ある術式で体の上から下
までアプローチしなければならないようなことがある場
合(例えば、足から血管を採取し、それを上半身の手術
で移植片として利用する場合など)にも対応できる。ま
た垂直方向は使用する環境、特にMRIの高さやギャッ
プ幅が様々である場合に対応することができる。
MRI内部における作業性と安全性を両立できる手術用
マニピュレータを提供することができる。
の構成図である。
駆動機構部の斜視図である。
部の斜視図である。
機構駆動部の説明図である。
部材の斜視図である。
の斜視図である。
機構部の説明図である。
である。
る斜視図である。
部、4…姿勢制御機構駆動部、5…中間支持部、6…姿
勢制御機構部、7、7A…中間支持固定部材、8…駆動
部固定用土台、9a…上部磁石、9b…下部磁石、11
…患者横臥台、12…患者、13…中間支持取付部、1
4…アーム構造材、15…抜け止め、16…受け側歯
車、17…スペーサ、21…X軸方向土台プレート、2
2a〜22c…X、Y、Z軸方向アクチュエータ、23
a〜23c…X、Y、Z軸方向駆動用ボールネジ、24
a〜24c…X、Y、Z軸方向リニアガイド、25a〜
25c…X、Y、Z軸方向リニアエンコーダ、26…X
軸方向移動プレート、27…Y軸方向移動プレート、2
8…Z軸方向固定プレート、29…Z軸方向移動プレー
ト、29a…駆動結合部取付用穴、31…固定プレー
ト、32…垂直回転フレーム、33…垂直回転軸、33
a、33b…スペーサ、摺動材、34…垂直回転軸止
め、35…前後回転軸、35a…軸部、35b…スペー
サ、36…前後回転ブロック、36a…嵌込穴、37…
アーム捻り回転用摺動材、38…アーム捻り回転駆動用
歯車、39…アーム捻り回転量検出用エンコーダ、30
…アーム捻り回転アクチュエータ、41…複合円筒、4
2a〜42d…アクチュエータ、43…動力伝達用ワイ
ア、44…変位伝達用ワイア、45…変位伝達用プー
リ、46…エンコーダ、47a〜47b…テンションプ
ーリ、48…複合円筒回転用摺動体、49…筐体、51
…固定プレート、52…垂直回転フレーム、53…前後
回転ブロック、54…中空円筒摺動材、55…前後回転
軸、56…垂直回転軸、61は首振部フレーム、62…
術具ガイド用円筒、63a〜63b…軸止め、64a〜
64b…軸支持部、65a〜65b…動力伝達用プー
リ、66a〜66b…入力軸傘歯歯車、68…出力軸傘
歯歯車。
Claims (6)
- 【請求項1】MRIの外部から撮像領域へ延在するよう
に設けられるアーム部と、 前記アーム部のMRI撮像領域側先端部に配置されて姿
勢を制御する姿勢制御機構部と、 前記アーム部のMRI外部側に配置されると共に伝達機
構を介して前記姿勢制御機構部を駆動する姿勢制御機構
駆動部と、 前記アーム部のMRI外部側に配置されると共に前記ア
ーム部のMRI外部側の位置を制御駆動する位置制御駆
動機構部と、 前記アーム部と前記位置制御駆動機構部とを結合する駆
動結合部と、 前記アーム部の支点として前記アーム部の中間部を支持
する中間支持部とを備え、 前記姿勢制御機構駆動部と前記位置制御駆動機構部とは
独立した駆動機構で構成し、 前記中間支持部はMRI空間内に位置される前記アーム
部の中間部を支持することを特徴とする手術用マニピュ
レータ。 - 【請求項2】請求項1において、前記アーム部を筒状に
形成し、姿勢制御機構部を入力軸傘歯歯車および出力軸
傘歯歯車を噛み合わせた差動機構を有して形成し、前記
伝達機構を前記アーム部内の空間を通るワイアで形成し
たことを特徴とする手術用マニピュレータ。 - 【請求項3】MRIの外部から撮像領域へ延在するよう
に設けられるアーム部と、 前記アーム部のMRI撮像領域側先端部に配置されて姿
勢を制御する姿勢制御機構部と、 前記アーム部のMRI外部側に配置されると共に伝達機
構を介して前記姿勢制御機構部を駆動する姿勢制御機構
駆動部と、 前記アーム部のMRI外部側に配置されると共に前記ア
ーム部のMRI外部側の位置を制御駆動する位置制御駆
動機構部と、 前記アーム部と前記位置制御駆動機構部とを結合する駆
動結合部と、 前記アーム部の支点として前記アーム部の中間部を支持
する中間支持部とを備え、 前記駆動結合部はジンバル支持構造で前記アーム部のM
RI外部側を支持し、 前記中間支持部はMRI空間内に位置される前記アーム
部の中間部をアーム長手方向の直線運動を許すように支
持したことを特徴とする手術用マニピュレータ。 - 【請求項4】MRIの外部から撮像領域へ延在するよう
に設けられるアーム部と、 前記アーム部のMRI撮像領域側先端部に配置されて姿
勢を制御する姿勢制御機構部と、 前記アーム部のMRI外部側に配置されると共に伝達機
構を介して前記姿勢制御機構部を駆動する姿勢制御機構
駆動部と、 前記アーム部のMRI外部側に配置されると共に前記ア
ーム部のMRI外部側の位置を制御駆動する位置制御駆
動機構部と、 前記アーム部と前記位置制御駆動機構部とを結合する駆
動結合部と、 前記アーム部の支点として前記アーム部の中間部を支持
する中間支持部とを備え、 前記姿勢制御機構駆動部と前記位置制御駆動機構部とは
独立した駆動機構で構成し、 前記位置制御駆動機構部は空間三方向に対する直動機構
としたことを特徴とする手術用マニピュレータ。 - 【請求項5】MRIの外部から撮像領域へ延在するよう
に設けられるアーム部と、 前記アーム部のMRI撮像領域側先端部に配置されて姿
勢を制御する姿勢制御機構部と、 前記アーム部のMRI外部側に配置されると共に伝達機
構を介して前記姿勢制御機構部を駆動する姿勢制御機構
駆動部と、 前記アーム部のMRI外部側に配置されると共に前記ア
ーム部のMRI外部側の位置を制御駆動する位置制御駆
動機構部と、 前記アーム部と前記位置制御駆動機構部とを結合する駆
動結合部と、 前記アーム部の支点として前記アーム部の中間部を支持
する中間支持部と、 前記中間支持部を外部に固定するための中間支持固定部
材とを備え、 前記中間支持部はMRI空間内に位置される前記アーム
部の中間部を支持し、 前記中間支持部と前記中間支持固定部材との固定位置は
前記アーム部の長手方向の複数箇所で可変可能としたこ
とを特徴とする手術用マニピュレータ。 - 【請求項6】MRIの外部から撮像領域へ延在するよう
に設けられるアーム部と、 前記アーム部のMRI撮像領域側先端部に配置されて姿
勢を制御する姿勢制御機構部と、 前記アーム部のMRI外部側に配置されると共に伝達機
構を介して前記姿勢制御機構部を駆動する姿勢制御機構
駆動部と、 前記アーム部のMRI外部側に配置されると共に前記ア
ーム部のMRI外部側の位置を制御駆動する位置制御駆
動機構部と、 前記アーム部と前記位置制御駆動機構部とを結合する駆
動結合部と、 前記アーム部の支点として前記アーム部の中間部を支持
する中間支持部とを備え、 前記中間支持部はMRI空間内に位置される前記アーム
部の中間部を支持し、 前記アーム部、前記中間支持部および前記姿勢制御機構
部の撮像領域内に位置する部材は非磁性でかつ絶縁性を
有する材料で形成したことを特徴とする手術用マニピュ
レータ。
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