JP2007528238A - 手術器具を通すためのトロカール装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、手術器具（１５）を通すためのトロカール装置（９）に関し、器具（１５）により、患者（３）の内部器官上に作り出される力を測定する手段（１０、１７、１９）からなることを特徴とする。好ましい別形態においては、前記測定手段は、少なくとも１つの荷重センサ（１０、１９）の形を取り、本発明のトロカール装置上に配置される。

Description

発明の分野
本発明は、手術用器具を通すためのトロカール装置に関する。

発明の背景
腹腔鏡手術の操作とは、トロカールを介して通過させることができるような小口径を有する小型手術用器具を用いて、外科的処置を行うものであり、この小型手術用器具には、患者の腹壁または胸壁を介して挿入される中空管がある。

より具体的には、（a）患者の腹壁または胸壁に挿入し、外科医が目視して診察できるようにする腹腔鏡と、（b）腹腔鏡を介した視診のもとに手順を行うための器具とを挿入するのが腹腔鏡手術であり、腹部全体を開腹させる必要がない。

たとえ腹腔鏡手術はすべて手作業で行うことができても、時に自動化システムを用いて行われる。

この場合、腹腔鏡手術をより正確なものとするために、外科医は手術器具を直接手で操作せずに、電気機械的なインターフェイスを介して行う。

このように、外科医はインターフェイスを介して、コントロールアームを動かし、自動アームを、患者に対して直接稼動するように制御し、自動アームは、たとえば、手術器具または腹腔鏡に接続される。

しかし、これらの自動化システムを使用している間に見出される問題は、外科医は、腹腔鏡または器具により患者の内部器官に加えられた力を、直接推定することができないことである。

このため、外科医は、腹腔鏡の画像を表示する画面上に見られる、器官の変形を目測することにより、感覚の喪失を補う必要がある。

これが特に問題となるのは、非常に正確な顕微手術の動作が要求されるような、内視鏡外科手術の場合であり、この場合はすべての計測パラメータを知る必要がある。

現在の段階では、従来の（非内視鏡的な）用途向けとして、遠隔的に操作する制御システムがあり、操作者により患者に対して加えられる力を、外科医が制御することを可能にしている。

しかし、これらの方法は、感知される必要がある相互作用が、測定または推定が可能である、という前提に基づいている。

この場合、内視鏡手術において、滅菌、寸法、精度および費用の要求に見合った荷重トランスデューサを、患者の内部に取り付ける必要があるだろうと、予見することは困難である。

内部にあるトランスデューサを用いずに、器具と内部器官との間の相互作用力について正確な推定を得ることは、特に有利であろう。

本発明の目的は、このような問題を、既存の自動遠隔操作システムに取り付けることができる、簡易で安価な、信頼性の高い機器装置によって解決することにある。

発明の概要
本発明は、手術器具を通すためのトロカール装置に関し、前記器具により、患者の内部器官に対して与えられる力を測定する手段を有し、前記測定手段は、トロカール上にはめ込まれた、少なくとも１つの荷重トランスデューサの形を取り、荷重トランスデューサは、有利なことに、中央オリフィスを有するローラとして形成され、トロカールとガイドとの間に設置されていることを特徴とする。

ガイドは、有利なことに、縦軸（X-X）を有する管状部材の形を取り、一端において、縦軸（X-X）に対して垂直である円板を有し、前記荷重トランスデューサの前記中央オリフィスおよび前記トロカール装置に挿入されることを特徴とする。

本発明によるトロカール装置の第１の実施態様によると、器具は自動アームにより動かされ、第２の荷重トランスデューサは、自動アームの端部と、手術器具との間に設置されることを特徴とする。

本発明によるトロカール装置の第２の実施態様によると、器具は、ガイド上に設置されている移動機構、好ましくはローラ型の移動機構により動かされ、トロカール装置は、自動アームの端部により動かされる。

有利なことには、自動アームの動作は、全体としてインターフェイスから制御される。

詳細な説明
本発明はここに、添付の図面を参照して、単に説明として例を用いて説明するが、発明の範囲はこれに限るものではない。

本発明は、腹腔鏡形式の外科手術内における用途について示しており、中でも、トロカールが用いられるところの、すべての形式による遠隔操作外科手術、または研修外科医に外科手術を紹介したり、このような手術を訓練させたりするためのあらゆるシステムに、本発明の一般原則を応用してもよいことが理解されよう。

図１は、インターフェイス２から遠隔的に操作する手術過程の実施において使用される、より具体的には、内視鏡外科手術において使用される自動化システム１を示す。

インターフェイス２は、ディスプレイスクリーン３、および外科医が手動で動かすことのできる一対のコントロールアーム４の形を取る。

インターフェイス２は、手術を受けている患者６が載せられた手術台５とともに使用される。

手術台５は、一組の自動アーム７とともに使用され、自動アームは、腹腔鏡、カメラ、一組の鉗子、メス等とともに使用してもよいことが理解されよう。

有利なことには、外科医により２本のコントロールアーム４を移動させることが、自動アーム７を移動させることにつながり、いくつかの自動アーム７を、２本のコントロールアーム４によって制御でき、インターフェイス２により、外科医が遠隔的に誘導したい自動アーム７を選択することができることが理解されよう。

有利なことには、インターフェイス２は座席８を有しており、手術中、外科医により大きな快適さを提供し、また操作の間、長時間立ち続けることによる疲労を軽減する。

図２は、自動アームによって動く機器とともに使用される、トロカール装置の分解斜視図である。

有利なことには、当技術分野において公知であるトロカール９が用いられる。すなわち、中空管状部材の形を取り、手術過程内で患者６の胸壁に挿入される。

トロカール９は、当技術分野において公知であって、市販された第１の荷重トランスデューサ１０、例えば、ATI Nano43（登録商標）として知られるトランスデューサに装着される。

第１の荷重トランスデューサ１０は、形状において円筒形であり、好ましくはローラ状であり、中央オリフィス１１を有し、その中には、移動の間は受動であり密閉されるガイド１２を挿入することができる。

ガイド１２は中空管状部材１３の形を取り、一端において、管状部材１３の縦軸（X-X）に対して横向きに配置されている円板１４を有する。

有利なことには、管状部材１３は、第１の荷重トランスデューサの中央オリフィス１１およびトロカール９に挿入される。

ガイド１２は有利なことに、滅菌材料製であり、例えばステンレス鋼などである。

ガイド１２および第１の荷重トランスデューサ１０により構成される組立部を堅固にするため、当技術分野において公知なゴムシールを、２つの部材間に追加する（図示しないが、当技術分野において公知である）。

器具１５は、例えば腹腔鏡であるが、自動アーム７の端部１６に接続され、ガイド１２内に、１つまたは２つの自由度をもって、例えば、（X-X）に対して移動させたり、および／または（X-X）のまわりを回転させたりして、スライドさせることができる。

器具１５は、当技術分野において公知なあらゆる型式の手術用器具であり、トロカール９内に挿入することができる。

第２の荷重トランスデューサ１７は、当技術分野において公知であり、一般に市販された、例えばATI Nano43（登録商標）として知られるトランスデューサであるが、自動アーム７の端部１６と、器具１５との間に配置される。

第２の荷重トランスデューサ１７における形状および機能の選択は、第１の荷重トランスデューサ１１における形状および機能の選択に左右されない。
有利なことには、第２の荷重トランスデューサ１７は、形状において円筒状であり、例えば中央オリフィス１８からなるローラ状である。

器具１５と、患者６の内部器官との間の相互作用力を知るために、トロカール９と、器具１５との間の接続時のねじれによる力やモーメントを考慮した運動方程式に基づいて、推定器が開発されている。

より具体的には、ねじれ、すなわち、ボディｉによりボディｊ上に加えられる機械的動作の任意の１点における力とモーメントを、

と表し、およびボディｉ上の重力場の動きを表すねじれを

と表すことにより、トロカールは静的にモデル化されることができ、当該システムは平衡状態にあると見なされる。

動的効果を除外することにより、器具１５の平衡方程式は、以下のように定められる。

しかし、動的効果を考慮するために、トランスデューサを配置してボディの加速度を測定または推定し、測定結果を目標のモデルと併せて用いて、慣性効果を補ってもよく、この技術は当業者に周知である。

このとき、ガイド１２の平衡方程式は、以下のように定められる。

第１の荷重トランスデューサ１０は、

を測定することができ、また第２の荷重トランスデューサ１７は、

を測定することができる。

これら上述の２式に基づいて、器具１５と、患者６の内部器官との間の相互作用力を判定することができる。

得られた数式は

となり、このとき

である。

一旦

が測定されると、

が、

の測定結果と同一の基準および同一の点で表されるが、推定の実行は、当業者に自明である。

その後、重力ねじれは以下のように算出される。

この計算は、重量モデルを基礎としているものであり、当業者に自明である。

最終的に、すべてのねじれは、測定点

における、測定基準

で表され、この結果、器具１５による、患者６の内部器官への相互作用が推定される。すなわち

となる。

この推定は、当技術分野において公知な計算機でなされ、器具により内部器官に対して加えられる力を、当技術分野において公知な形式の電気的手段を利用して、インターフェイス２上に表示するのに用いられる。

また、質量や重心といった物理パラメータ、ならびに荷重トランスデューサの位置および相対方向、トロカール９に対する器具１５の位置といった幾何パラメータは、モデルが特定されている場合には推測的に分かるか、または初期較正手順から得られるものであるが、このような実施は当業者にとって従来のものである。

図３は、荷重トランスデューサおよび移動機構とともに用いられるトロカールの分解斜視図である。

図３は、本発明によるトロカール装置の代替的な説明であり、ここでは、手術用器具と、患者の内部器官との間の相互作用力を判定するために、単一の荷重トランスデューサを組み込みさえすればよい。

以下の説明では、図２中のものと同一部材の参照に、同一の参照番号が付されている。

器具１５により、患者６の内部器官に対して与えられる力を評価するために、管状部材１３の形を取るガイド１２、および円板１４が、当技術分野において公知なトロカール９上に設置される。

有利なことに、ガイド１２は管状部材１３の形を取り、一端において、管状部材１３の縦軸（X-X）に対して垂直な円板１４を有する。

ガイド１２と、トロカール９との間には、図２のトロカールにおいてすでに用いられているものと同型の荷重トランスデューサ１９が配置されている。すなわち、器具１５および受動ガイド１２を通すための、中央オリフィス２０を有するローラ状である。

このように、荷重トランスデューサ１９は当技術分野において公知であり、一般に市販され、例えば、ATI Nano43（登録商標）として知られるトランスデューサなどがある。

ガイド１２の管状部材１３は、荷重トランスデューサ１９の中央オリフィス２０、およびトロカール９に挿入される。

移動機構２１は、ガイド１２の円板１４上に設置され、器具１５の（X-X）に沿って縦方向へ移動するようなことを可能にする（図３には、より明確にするための図示はしないが、これと同一型のものが図２にある）。

有利なことには、移動機構２１は、当技術分野において公知であり、例えばローラ移動機構である。

トロカール９は、自動アーム７の端部１６により、直接動かされる。

これに代え、トロカール９を独立した自動化システムにより動かし、トロカール９を異なった方向に傾けられるようにしてもよい。
従って、器具１５と、患者６の内部器官との間のあらゆる力が、移動機構２１により荷重トランスデューサ１９へと伝えられる。

有利なことには、当技術分野において当業者に公知の力フィードバック制御が開発され、外部トランスデューサ１９を用いて、トロカール９により発生する摩擦に妨げられずに、ボディ内の力を制御することを可能にしている。

より正確に述べれば、図２のトロカールと同様、器具１５と内部器官６との間の相互作用力を推定するために、ねじれ、すなわち、ボディｉによりボディｊ上に与えられる機械的動作の、任意の１点における力とモーメントを、

と表し、ボディｉ上の重力場の動きを表すねじれを

と表すことにより、トロカールは静的にモデル化されることができ、当該システムは平衡状態にあると見なされる。

これは、手術において使用される速度において、加速度における慣性の効果は無視してよいと見なされてもよいためである。

トロカール９の各種の力をモデル化し推定するために、器具１５、移動機構２１およびガイド１２の平衡方程式が、以下のように定められる。

器具１５の平衡方程式

移動機構２１の平衡方程式

ガイド１２の平衡方程式

注目すべきなのは、

は、荷重トランスデューサ１９により測定される力である。

器具１５と、患者１６の内部器官との間の相互作用力が推定されることになる。すなわち

となる。

前記３つの方程式を組み合わせることにより、下記の数式が得られる。

これにより、最終的に求められるのは、

従って、トランスデューサ１９により測定される力は、器具１５と、患者６の内部器官との間の内力であるが、器具１５、受動ガイド１２および移動機構２１で構成される組立部の重量を除く。

さらに、注目すべきなのは、受動ガイド１２と器具１５との間の摩擦、および胸壁とトロカール９との間の相互作用は、測定値には含まれない。

従って、器具１５と、患者６の内部器官との間の相互作用を推定するために、荷重トランスデューサ１９により発生するねじれ、すなわち

が、最初に測定されなければならない。

その後、重力場のねじれ、すなわち

を計算する必要がある。

ここで、器具１５と、患者６の内部器官との間の相互作用は、以下の式により推定することができる。

重力ねじれを計算するために、いくつかの方法が一般に用いられている。

− 器具１５、移動機構２１およびガイド１２の重量モデル（質量および重心の位置）のいずれも完全に分かっている。
この場合、重力ねじれの計算は、自動アーム１６上に配置され、トロカール９に直接接続されている位置センサにより求められた、トロカール９の方向の測定値に基づいて、および移動機構２１上に設置された位置センサにより求められた、ガイド１２に対する器具１５の位置の測定値からなされるが、この測定手段は、当業者に自明である。

− またはモデルを基礎とする計算に必要である、１以上のパラメータが分かっていない。
この場合、操作に先立って較正が行われる。これを受けて、当該システムは、移動機構２１および自動アーム７の端部１６を利用して、異なった幾何的配置に置かれ、このとき器具１５が患者６の内部器官に確実に接触しないようにする。

ここで、操作手順に従って、対応表を作るか、または重量モデルのパラメータを識別することが可能であり、これは当業者に周知である。

また、荷重トランスデューサ１９に代えて、器具１５に関する基準で、および荷重トランスデューサ１９に関する点に代えて、器具１５の端部に対応する点において、器具１５により患者６の内部器官に与えられる力のねじれを表すことが可能である。
この場合、トランスデューサ１９に関する器具の相対位置を知るのに十分であり、これは当業者にとっては従来のものである手段によって計算することができる。

このように、手術器具１５と、患者６の内部器官との間の相互作用力を、トロカール９の外側に配置された荷重トランスデューサ（１０、１７、１９）から判定することができる。

手術器具１５と、患者６の内部器官との間の相互作用力の推定は、荷重トランスデューサ（１０、１７、１９）により測定されたねじれに基づいてなされ、当技術分野において公知な計算機を用いて、器具１５により患者６の内部器官に対して与えられる力を、インターフェイス２上に即時に表示する。

有利なことには、外科医は、インターフェイス２より、超過することができない、患者６の内部器官に対して加えられるべき最大力を判定することができる。

この内部器官６に加えられる力の限界を用いることにより、より高い力による、強力で制御不能な動作を、患者６の内部器官に確実に与えないようにする。

有利なことには、インターフェイス２は、器具により加えられる力を監視する手段、および／または、器具により作り出された力を、コントロールアーム４を用いて、外科医に還元する手段を有する。

図１は、遠隔的に操作する内視鏡外科手術手動システムの概略図である。 図２は、本発明による、手術器具が自動アームにより動かされるトロカール装置の分解斜視図である。 図３は、本発明による、手術器具が移動機構により動かされるトロカール装置の分解斜視図である。

Claims (14)

1. 手術器具（１５）により、患者（６）の内部器官に対して与えられる力を測定する測定手段（１０、１７、１９）を含むことを特徴とする、前記手術器具（１５）を通すためのトロカール装置（９）。
2. 前記測定手段が、少なくとも１つの荷重トランスデューサ（１０、１９）の形を取ることを特徴とする、請求項１記載のトロカール装置。
3. 前記荷重トランスデューサ（１０、１９）が、前記トロカール（９）上に配置されていることを特徴とする、請求項２記載のトロカール装置。
4. 前記荷重トランスデューサ（１０、１９）が、中央オリフィス（１１、２０）を有するローラの形を取ることを特徴とする、請求項２記載のトロカール装置。
5. 前記荷重トランスデューサ（１０、１９）が、前記トロカール（９）と、ガイド（１２）との間に配置されていることを特徴とする、請求項２記載のトロカール装置。
6. 前記ガイド（１２）が、縦軸（X-X）を有する管状部材（１３）の形を取り、一端において、縦軸（X-X）に対して垂直である円板（１４）を有することを特徴とする、請求項５記載のトロカール装置。
7. 前記ガイド（１２）が、前記荷重トランスデューサ（１０、１９）の前記中央オリフィス（１１、２０）および前記トロカール装置（９）に挿入されることを特徴とする、請求項５記載のトロカール装置。
8. 前記器具（１５）が、自動アーム（７）により動かされることを特徴とする、請求項１記載のトロカール装置。
9. 第２の荷重トランスデューサ（１７）が、前記自動アーム（７）の端部（１６）と、前記手術器具（１５）との間に配置されることを特徴とする、請求項8記載のトロカール装置。
10. 前記器具（１５）は、移動機構（２１）により動かされることを特徴とする、請求項１記載のトロカール装置。
11. 前記移動機構（２１）が、前記ガイド（１２）上に配置されることを特徴とする、請求項１０記載のトロカール装置。
12. 前記移動機構（２１）が、ローラ型の移動機構であることを特徴とする、請求項１０記載のトロカール装置。
13. 自動アーム（７）の端部（１６）により動かされることを特徴とする、請求項１０記載のトロカール装置。
14. 前記自動アーム（７）の移動が、インターフェイス（２）から制御されることを特徴とする、請求項８記載のトロカール装置。

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