JP2008155031A - カメラ保持装置及びその方法 - Google Patents

Abstract

【課題】腹腔鏡手術に有用なカメラ保持装置であって、４自由度の運動性能を有し、且つ、腹腔鏡手術中に内視鏡チューブの空間位置を制御して施術対象の身体を囲繞する施術作業空間全域において任意の配向姿勢を選択することができるカメラ保持装置を提供する。
【解決手段】腹腔鏡手術に用いる内視鏡に４自由度の運動性能をもたせて安定保持できるカメラ保持装置。 腹腔鏡手術中に内視鏡チューブの空間位置を制御して施術対象の身体を囲繞する施術作業空間全域において任意の配向姿勢を選択することができる。
【選択図】図８ａ

Description

本発明は腹腔鏡手術用カメラ保持装置およびその機構に関するものである。このカメラ保持装置は簡単に設置および分解が可能で、使用に簡便であり、外科医の手術作業を妨げることなく使用でき、物理的容積が小さく、安価である。

腹腔鏡手術で外科医は、体表の小切開部に細長い器具を挿通して施術する際に内視鏡カメラで生体内構造を観察するが、外科医は両手を使って手術をせねばならないので、従来はアシスタントが内視鏡を保持していた。
外科医の手術の技量は、使用器具に比べてカメラの位置やモニタに表示される画像に大きく依存することになり、且つ、正立画像で表示する必要があり、そのために、正立画像を表示できるようアシスタントが内視鏡を正しい空間位置に維持して、安定して正しい姿勢位置に保持しなければならない重要な問題がある。こうした問題を解決するために、たとえば、ラップマン（Ｌａｐｍａｎ）やエンドアシスト（Ｅｎｄｏａｓｓｉｓｔ）のように、外科医の施術中は内視鏡を保持するロボット等を用いる新規な装置がいくつか開発されている。ところが、こうした装置は高価で、設置が困難で、使用が面倒であり、外科医の施術技術に制限を与え、しかも、他の手術器具よりかなり大きく物理的制約があり、所望する動作に比べて腕部材等の動きが大きくなる。

もう一つ、ロボットＬＥＲ（ＴＩＭＣ−ＧＭＣＡＯラボラトリが開発）のＬＥＲは患者の腹部に直接載置するコンパクトなカメラ保持ロボットと、電源およびロボット制御装置を内蔵した電子ハウジングよりなる（米国特許出願公開第２００６／０１００５０１号）。このＬＥＲは比較的小型であるが、直径１１０ｍｍのリング状基部を備えており、これを患者の皮膚に直接接触させるか、近傍に置かなければならない。このリング状基部は患者の身体の上方空間を占有して外科医の活動を妨げ、他のトーカルの選択や手術手法の変更を余儀なくされ、しかも、セットアップに４０分程の長い時間がかかるなどの不都合があった。また、ＬＥＲは３自由度の運動性しかなく外科医が観察できる画像の配向などを制御する能力はなかった（ＬＥＲは内視鏡を軸回りに回転できない）。

図１ａ〜１ｃに関連技術を開示した従来技術を概略的に示している。
腹腔鏡手術は、傷口が小さく回復が早いので、患者に処方することが一般的になりつつあるが、腹腔鏡手術を行うには外科医や産婦人科医、更には、手術室看護師スタッフが特殊な訓練を行う必要がある。また、そのための器具も高価なものが多く、すべての病院が利用できるものではない。

従来の腹腔鏡手術には、ヒトである助手が機械装置と自動化されたロボットアシスタントを交互に手動で切り替えるシステムを利用したものがある。
ところがこの改良型の技術は機構の４自由度を実現しておらず、外科医の施術技術に制限を与える欠点がある。さらには、手術中に内視鏡チューブの空間位置を制御して施術対象の身体を囲繞する施術作業空間全域において任意の配向姿勢につける性能もなかった。
したがって、外科医の施術を妨げることなく４自由度の運動性を備え、内視鏡を保持して容易に制御できるカメラ保持装置が強く望まれていた。しかも、腹腔鏡手術中に内視鏡チューブの空間位置を制御して施術対象の身体を囲繞する施術作業空間全域において任意の配向姿勢を選択することができるカメラ保持装置が望まれていた。

本発明の目的は、腹腔鏡手術に有用なカメラ保持装置であって、４自由度の運動性能を有し、且つ、腹腔鏡手術中に内視鏡チューブの空間位置を制御して施術対象の身体を囲繞する施術作業空間全域において任意の配向姿勢を選択することができるカメラ保持装置を提供することにある。

本発明の他の目的は、物理的容積が小さい上記したカメラ保持装置を提供することにある。

更に、本発明の目的は、
（ａ）（ｉ）少なくとも１つのズーム機構と、（ｉｉ）少なくとも一つの内視鏡回転機構を有し、内視鏡に対して着脱可能であるハウジング３０９と、
（ｂ）回転方位測定器３０４と、
（ｃ）摺動方位測定器３０５と
からなることを特徴とするカメラ保持装置を提供することにある。

更に、本発明の目的は、
（ａ）モータハウジングと、
（ｂ）前記ズーム機構に運動を伝達する手段と、
（ｃ）前記内視鏡回転機構に運動を伝達する手段と、
（ｄ）前記回転方位測定器に運動を伝達する手段と、
（ｅ）前記摺動方位測定器に運動を伝達する手段と
からなることを特徴とするカメラ保持装置を提供することにある。

更に、本発明の目的は、前記ズーム機構でズーム動作を行い、内視鏡回転機構で内視鏡を長軸回りに回転させ、且つ、内視鏡回転機構、ズーム機構、回転方位測定器、摺動方位測定器の１以上をカメラ保持機構の他の運動部分と独立させたことを特徴とするカメラ保持装置を提供することにある。

更に、本発明の目的は、使い捨てにしたことを特徴とするカメラ保持装置を提供することにある。

また、本発明の目的は、前記カメラ保持装置において更に、前記内視鏡の自由度を変更しないでハウジングから取り外しできる簡単取外しハンドルを設けたことを特徴とするカメラ保持装置を提供することにある。

更に、本発明の目的は、前記カメラ保持装置において更に伸縮ガイドを設け、前記伸縮ガイドによって内視鏡に長軸回りの運動を与えることを特徴とするカメラ保持装置を提供することにある。

更に、本発明の目的は、
（ａ）ズームリング１と、
（ｂ）配向リング３と、
（ｃ）夫々が長さＬ１とＬ２の少なくとも２本のケーブル４ａ、４ｂと、
（ｄ）弾発力Ｋを有するバネ５と、
（ｅ）リング状基部６と
からなり、ケーブル長さＬ１、Ｌ２をバネの弾発力Ｋに応じて可変にして前記配向リングを前記リング状基部に対して運動させるようにしたことを特徴とするカメラ保持装置を提供することにある。

更に、本発明の目的は、前記回転機構が、少なくとも１本のケーブルと、少なくとも一つのウォーム歯車とからなり、前記ケーブルでウォーム歯車を介して内視鏡を回転させることを特徴とするカメラ保持装置を提供することにある。

更に、本発明の目的は、前記回転機構が、少なくとも一つの滑車列とからなり、前記滑車列によって内視鏡の空間角位置を制御することを特徴とするカメラ保持装置を提供することにある。

更に、本発明の目的は、前記カメラ保持装置を可搬構成にする手段を更に設けたことを特徴とするカメラ保持装置を提供することにある。

更に、本発明の目的は、（ａ）少なくとも一つの調整腕部材と、（ｂ）少なくとも一つのモータを有する基部とを更に備え、前記調整腕部材によって前記カメラ保持装置と前記基部が連結するようにしたことを特徴とするカメラ保持装置を提供することにある。

更に、本発明の目的は、前記ズーム機構が、調整ケーブル機構と、平行四辺形に組まれたロッド機構と、バネ機構と、負荷軽減装置と、回転ケーブル機構と、二重バネズーム機構のうちのいずれか一つの機構であることを特徴とするカメラ保持装置を提供することにある。

更に、本発明の目的は、内視鏡操作機構１と、重量支持構造２と、動力源３とからなることを特徴とするカメラ保持装置を提供することにある。

更に、本発明の目的は、前記カメラ保持装置において、前記内視鏡操作機構が（ａ）少なくとも１本のケーブルと、（ｂ）少なくとも一つのバネと、（ｃ）少なくとも一つのロッドとからなり、前記重量支持構造が（ａ）少なくとも１本のケーブルと、（ｂ）少なくとも一つのチェーンと、（ｃ）少なくとも一つのロッドとからなり、前記動力源が（ａ）少なくとも一つのモータと、少なくとも一つの差動装置と、少なくとも一つのピストンのうちの１以上よりなることを特徴とするカメラ保持装置を提供することにある。

更に、本発明の目的は、腹腔鏡手術中に内視鏡チューブの空間位置を制御して施術対象の身体を囲繞する施術作業空間全域において任意の配向姿勢を選択することを特徴とする方法を提供することにある。

本発明は特に、（ａ）前記カメラ保持装置を準備し、（ｂ）前記内視鏡を前記ハウジングに組み付け、（ｃ）最良の視野が得られるよう内視鏡を制御操作してなり、前記内視鏡の制御操作で内視鏡の運動に４自由度を与えたことを特徴とする方法を提供することにある。

更に、本発明の目的は、前記方法において、正確度を向上するために所期の視野範囲をズームイン乃至ズームアウトする処理を加えたことを特徴とする方法を提供することにある。

更に、本発明の目的は、前記方法において、前記ズームイン乃至ズームアウトする処理が、内視鏡の長軸回りに内視鏡を運動させる処理を加えたことを特徴とする方法を提供することにある。

更に、本発明の目的は、前記方法において、前記内視鏡を回転させる処理を加えたことを特徴とする方法を提供することにある。

更に、本発明の目的は、前記方法において、前記内視鏡を前記ハウジングに組み付ける処理を加えたことを特徴とする方法を提供することにある。

更に、本発明の目的は、前記方法において、前記内視鏡の長軸回りに前記内視鏡の回転角を制御する処理を加えたことを特徴とする方法を提供することにある。

更に、本発明の目的は、前記方法において、前記ズーム機構として、調整ケーブル機構と、平行四辺形に組まれたロッド機構と、バネ機構と、負荷軽減装置と、回転ケーブル機構と、二重バネズーム機構のうちのいずれか一つの機構を用いたことを特徴とする方法を提供することにある。

更に、本発明の目的は、前記方法において、前記カメラ保持装置を可搬構成に調整する処理を加えたことを特徴とする方法を提供することにある。

最後に、本発明の目的は、前記内視鏡の空間位置の任意の自由度を変更することなくズーム機構から内視鏡を取り外す処理を加え、カメラ保持機構の他の運動部分と独立させて前記内視鏡を作動させて内視鏡を取り外しによるシステム全体の再調整を不要にしたことを特徴とする方法を提供することにある。

本発明を理解できるよう、本発明の実施の方法を添付の図面を参照して説明するが、発明を限定するものではない。

以下は、当業者により発明を実施できるように本発明の最良の実施形態を以下の説明によって明らかにし、且つ、本発明による腹腔鏡手術のためのカメラ保持装置の作用、効果、原理を開示するが、様々に改変可能であることは当業者には明らかであろう。
即ち、本発明は、腹腔鏡手術に有用なカメラ保持装置を提供するもので、特に、４自由度の運動性能を有し、且つ、腹腔鏡手術中に内視鏡チューブの空間位置を制御して施術対象の身体を囲繞する施術作業空間全域において任意の配向姿勢を選択することができるカメラ保持装置を提供することにある。

また、本発明は、腹腔鏡手術中に内視鏡チューブの空間位置を制御して施術対象の身体を囲繞する施術作業空間全域において任意の配向姿勢を選択できる方法を提供することにある。この方法は特に、（ａ）前記カメラ保持装置を準備し、（ｂ）前記内視鏡を前記ハウジングに組み付け、（ｃ）最良の視野が得られるよう内視鏡を制御操作してなり、前記内視鏡の制御操作で内視鏡の運動に４自由度を与えたことを特徴とする。
内視鏡を操作は４自由度で行える。
ここでの「滑車」とは円周に沿って溝を有するホイールであって、滑車の溝にロープ、ケーブル、ロープなどが架けられた手段である。この滑車によって、加えられた力の方向の変換し、回転力の伝達など線形運動や回転運動機構において機械的利点を提供できる。
ここでの「ジンバル」とは、単軸回りに物体の回転を許す旋回支持機構である。
ここでの「物理的容積が小さい」とは、小型であることを意味し、特にヒトの掌程度の大きさを指すが、特に大きさに限定するものではない。
ここでの「４自由度」とは、図５に示す独立した４つの自由度を意味する。
ここでの「調整ケーブル機構」とは図１４に示されたズーム機構を意味する。
ここでの「平行四辺形に組まれたロッド機構」とは図１８ａおよび図１８ｂに示したズーム機構を意味する。
ここでの「バネ機構」とは図１９ａおよび図１９ｂに示したズーム機構を意味する。
ここでの「負荷軽減装置」とは図２０に示したズーム機構を意味する。
ここでの「回転ケーブル機構」とは図２３に示したズーム機構を意味する。
ここでの「二重バネズーム機構」とは図２７に示したズーム機構を意味する。
ここでの「ズーム誘導杆」とは図２５に示したズーム機構を意味する。

図２、３にカメラ保持装置を図示している。
図２に示すように、カメラ保持装置１００は、回転方向に自由度を構成する機構３０４（回転ＤＦ）と、摺動方向に自由度を構成する機構３０５（摺動ＤＦ）と、ハウジング３０９とからなる。ハウジング３０９は回転およびズーム機構を収納している。回転ＤＦ３０４と、摺動ＤＦ３０５と、ハウジング３０９は使い捨てできる。カメラ３０８と、内視鏡３０７と、トロカール３０６を図２に示している。図２にはカメラ保持装置１００の機構も示している。カメラ保持装置は次の２主要素からなる。即ち、内視鏡の前後運動および側方運動（摺動ＤＦおよび回転ＤＦ）をさせることが可能な弧状を呈する第一部分と、ズームおよび内視鏡の回転特性を担う第二部分とからなる。この機構は前後に０度〜１８０度、側方にも０度〜１８０度の範囲で内視鏡を移動位置決め可能とする。

上記のように、カメラ保持装置は、円弧状ガイドに沿うジンバル機構を移動させる円弧状ハウジングを有する。円弧状の基部には、ナット１０を前後に移動させる送りネジ１５を有するハウジングを備えている。移動ナットは、直線のナット運動をジンバル機構に伝達するリンク２０を有するジンバルに連結しており、円弧状ガイドに送前後運動ができるようになっている（摺動ＤＦ）。送りネジのハウジング（前後移動ネジのハウジング３０）は、第一部分を送りネジの長手方向軸回りに側方に回転させるもう一つの機構（回転ＤＦ）に連結している。この機構は送りネジを回転させるために同時に必要なモーメントを作り出す。すなわち、第一部分を、できれば可撓軸で離れたところからモータに連結させて駆動するとよい。離間させることで機構の影響を少なくできるのでかなり有利になる。

［ズーム・回転機構］
ズーム機構と内視鏡回転機構は同じハウジング３０９に設けられている。ハウジングは、弧状に摺動するジンバルに接続している。バネは一端でジンバルに連結しており、他端でハウジングに連結してハウジングが下方へ運動できるようにしている。ワイヤーも一端でジンバルに連結しており、他端でハウジングに連結してジンバルとハウジングを所期の間隔に保っている。
これらの機構は、モータ筐体に収納されたモータに連結された可撓軸に介して、または、機構の芯軸に直接取り付けられたモータによって駆動される。

［内視鏡回転機構］
可撓軸は、モータ筐体に収納されたモータをウォーム歯車の軸に連結して、はめ歯車を回転させる。このはめ歯車は内視鏡の基部近傍部を通す中心通路を有している。ロック補助機構（図示なし）は内視鏡３０７を固定および解除する機能を有している。

［ズーム機能］
可撓軸はウォーム歯車の芯軸に接続されている。ズームインする際には、ウォーム歯車に機械的に連結しているドラムでワイヤーを巻き上げてドラムと筒部材との間隔を短くする。モータが回転を停止すると、バネがワイヤーの張力を維持する。ウォーム歯車の機構によって、バネ１８５が伝達筐体の不要なズレを防止する。ズームアウト時、モータが逆方向に回転する。ワイヤーを緩めてバネを張架する。
バネは図３ｃ、５、６に示した伸縮ガイドの一部であってもよい。

図３は第一部分の破断図である。送りねじを回転させることで移動ナットの線形運動が得られる。移動ナット１０を前進させると、ナットがジンバルに接続されたリンクチェーン２０を押圧する。湾曲ガイド４０に設けられた小ホイールによってリンクの運動が保たれる。リンク運動は接続部材６０あるいは図２のリンク２０を介して直接外側ジンバル５０に伝達されるが、こうした機構の物理的大きさ以外、数を限定するものではない。
図３ａに、カメラ３０８を覆う滅菌スリーブ１３１を更に備えたカメラ保持装置を概略的に示している。
図３ｂは同じ機構の全体を別の視点で示した概略図である。
図３ｃに伸張状態の伸縮ガイド５５を示している。

図４は単一の湾曲ガイド３１１と一本のチェーンのリンク３１２を用いて機構を実現した説明図である。この構成にはいくつかの利点がある。つまり、機構全体を薄厚に構成でき、機構から内視鏡を簡単に着脱できることである。たとえば、内視鏡をクリーニングする場合に有効である。

図５は機構の４自由度を説明する図である。つまり、回転ｅ１（回転ＤＦ）、回転ｅ２（摺動ＤＦ）、ｅ３回りの回転（内視鏡回転機構）、ｅ３回りのズーム運動の４自由度である。

図６および図７は伸縮ガイド機構の説明図である。伸縮ガイド機構によって、内視鏡を長軸に沿って運動させる内視鏡の「ズーム運動」が可能となる。
更に図６には、ハウジング３０９と弧状機構（図３に例示）との接続関係が示されている。伸縮ガイド５５はハウジング３０９を内側ジンバル６２に連結させている。前述のように、弧状が側方に回転するとジンバルは弧状に摺動する。内側ジンバルとの剛接続を維持しながら、伸縮ガイドが内視鏡３０７を長軸に沿って移動させてズーム運動を実現する。
内視鏡３０７はハウジングに固定され、内側ジンバルに通される。
また、内視鏡の自由度を変更しないで内視鏡をハウジングから取り外す簡単取外しハンドルを備えている。

ズーム機構の構成を図７に示している。
ズーム機構は、可撓軸（図８の要素３０３）によって、あるいは、小モータによって直接、右回りあるいは左回りに回転させられる第一ウォーム歯車７１を有する。第一ウォーム歯車が回転すると、第一はめ歯車７２が回転する。
第一はめ歯車７２は第一ドラム７３と同軸であり、第一はめ歯車が回転すると、第一ドラムも回転し、回転方向によってドラムに巻き付けられたワイヤー７５を巻き上げ乃至巻き戻す。
ワイヤーを巻き戻す方向に回転すると、伸縮ガイド５５に納められたバネ１８５が伸張してハウジングを上方に押圧し、ジンバル６２とハウジング３０９の間隔を広げ、その結果として、「ズームアウト」動作が行われる。
ワイヤーを巻き上げる回転を実行すると、ジンバル６２とハウジング３０９の間隔を狭めて、結果として、「ズームイン」動作が行われる。

図７に内視鏡を長軸回りに回転させる機構を示している。この機構は第２ウォーム歯車７６と第二はめ歯車７７よりなる。
この機構は、可撓軸（図８の要素３０３）によって、あるいは、小モータによって直接、右回りあるいは左回りに回転させられる第二ウォーム歯車７６を有する。第二ウォーム歯車７６が回転すると、第二はめ歯車７７が回転する。
この実施例では、はめ歯車を内視鏡に直接摩擦結合させてもよい。第二はめ歯車７７を回転させると、内視鏡は同一方向に回転する。
図２８ｂに示す本発明の別の実施例のように、内視鏡に直接取り付けたリングに開けた孔に通すピンを介して第二はめ歯車７７を摩擦力で回転するようにしてもよい。第二はめ歯車７７を回転させると、リングが回転し、且つ、内視鏡も同じ方向に回転する。

図８ａ、８ｂ、８ｃは腹腔鏡手術用のカメラ保持機構の一例を示している。カメラ保持手段は、モータ収納部３０１と、ズーム・回転機構３０２、摺動方位測定器、回転方位測定器、スライダ３００に応答動作するアーム部、回転運動をズーム機構３０３に伝達する可撓線材を有するチューブとからなる。
本発明は腹腔鏡手術用の内視鏡システムを制御する手段および方法に関し、図９に示すように内視鏡（カメラ３０８を内蔵）を腹部乃至胸部の小切開に挿通する。

更に本発明の目的は、腹腔鏡手術における内視鏡チューブの空間位置を制御するために用いる携帯型小型内視鏡機構を提供することにある。本発明の装置は安価であり、備え付けや分解が簡単で、使用が簡便であり、外科医の施術技巧に制限を与えることがなく、しかも、物理的容積が小さいなどの利点がある。

本発明の装置を小型化するには以下の要件で可能となる。
１．モータから運動部を離間させ、モータの動力をケーブルで伝達する。
２．線形ズーム動作を達成させるためにロボットなどでなく、機構の他の運動要素から独立して全域ズーム運動が可能な線形ズーム機構を備える。
３．不要な回転運動を補償するようなロボット（例えば「ＬＥＲ」）や、あるいは、小さな回転を得るために大きく運動するロボットアームの運動による機構（例えば「ＡＥＳＯＰ」「ＥｎｄｏＡｓｓｉｓｔ」「Ｌａｐｍａｎ」）とは異なり、本発明の機構における他の運動要素から独立して内視鏡を縦軸回りに回転させる回転機構を備える。

図１０に、本発明の一実施例におけるシステムの全体を概略的に示している。このシステムは、内視鏡操作機構１と、重量支持構造２と、動力源３の３つの主要部からなる。詳述すると、ケーブル、バネ、ロッドを有する内視鏡操作機構と、ケーブル、チェーン、ロッドからなる重量支持構造と、モータ乃至アクチュエータとピストンよりなる動力源である。

図１１は本発明の他の実施例によるカメラ保持装置の概略図であり、このカメラ保持装置は、ズームリング１と、ズーム機構２と、配向リング３と、夫々が長さＬ１、Ｌ２、Ｌ３の３本のケーブル４ａ、４ｂ、４ｃと、バネ５と、リング状基部６からなる。要素７は施術対象の身体の切開孔である。
ケーブル長さＬ１、Ｌ２をバネの弾発力に応じて可変にして、配向リングをリング状基部に対して運動させるようにしており、図１２に平衡状態を示している。ケーブルの長さＬ１、Ｌ２、Ｌ３を協働させて短くすることでズーム動作を実現できるが、この機構には更に、ケーブルの長さＬ１、Ｌ２、Ｌ３を独立して作動させることでズーム動作を得られるようにしてもよい。
異なった長さのケーブルに張力を与えると、図１３に示すような配向位置に固定できる。ケーブルの長さを調整できる機構によって、配向ケーブルの変化および内視鏡を所期の角度への傾斜が可能になる。内視鏡は長軸回りに回転させる必要があるが、外科医は姿勢を変えることなく操作することができる。

図１４に、本発明の一実施例による「調整ケーブル」ズーム機構１４００を概略的に示している（図１８ａ、１８ｂ、１９ａ、１９ｂ、２０、２３、２７には他のズーム機構を示している）。ズーム動作は、内視鏡の姿勢を変えずに前後に運動する動作である。図１４に示すように、このズーム機構には更に、調整ケーブル１４１と、枢軸Ｐ1,2、Ｐ2,3、Ｐ3,4、Ｐ1,4を有する４つのリンクＲ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４と、枢軸Ｐ1,4に第一端を有し、枢軸Ｐ2,3に第二端を有する調整ケーブルを含む線形バネとからなる。
連結バネ１４２と調整ケーブルが枢軸Ｐ1,2と枢軸Ｐ1,4の距離を決定し、内視鏡のズーム位置が決まる。

図１５は回転機構の概略説明図である。図１５から分かるように、回転ケーブル１５１が、内視鏡リングに取り付けられたウォーム歯車１５２に接続されている。ケーブルがウォーム歯車１５２を回転させると、内視鏡リンク１５３に取り付けられた歯車が回転し、歯車に通された内視鏡が同じだけ回転する。

図１６は本発明のカメラ保持装置の可搬性を示す。図１６示したように、カメラ保持装置には調整腕部材１６１と、モータを収納した基部１６２を備えている。この機構は、図１７に示すように軌道１７１を用いて患者のベッドの傍に配置される。

図１８ａ〜ｂ、図１９ａ〜ｂ、図２０は異なるズーム機構の実施例を示しており、（１）平行四辺形に組まれたロッド機構（１８ａ〜ｂ０参照）と、（２）バネ機構（図１９ａ〜ｂ参照）と、（３）負荷軽減装置（図２０参照）とからなり、バネ機構はリング状ズーム機構と配向リング機構を連結している。
小型モータはＺケーブルを有している。支持システムは、一方でバネを圧縮するために必要な応力を低減し、他方でズーム運動応答性を増大させる機能を持つ。少ないズーム運動を行うには、巻き締めを多くする必要がある。
図１８ａ〜ｂに本発明における「平行四辺形に組まれたロッド機構」によるズーム機構を示している。
図１８ａ〜ｂから分かるように、このズーム機構は、平行四辺形構成ロッド２５と、バネ２２と、ズームリング２１と、配向リング２３と、駆動Ｚケーブル２０とからなる。
第一段階（図１８ａ）で、バネ２２は圧縮し、Ｚケーブル２０を引っ張ると、圧縮バネ２２が解除され（図１８ｂ）、ズームリング２１と配向リング２３の間隔が狭まる。このように、ズーム動作が得られ、内視鏡３０７が位置ｈ０から位置ｈ１へと移動する。駆動Ｚケーブル２０を解除して押し出すと、引き続いてズーム動作は深くなる。

図１９ａ、１９ｂに「バネ機構」によるズーム機構を示している。
図１９ａ、１９ｂから分かるように、このズーム機構は、ズームリング２１と、配向リング２３と、ズームリング２１と配向リング２３を接続するバネ２４とからなる。
Ｚケーブル２０を引くとバネ２４が圧縮し（図１９ｂ）、ズームリング２１と配向リング２３の間隔が狭まる。
図２０に「負荷軽減装置」によるズーム機構を示している。図２０に示したように、このズーム機構は、モータ２７と、ズームリング２１と、配向リング２３と、ズームリング２１と配向リング２３を接続する負荷軽減装置２８とからなる。

図２１、２２に、ケーブル長さを変える別の実施例を示している。図２１、２２の実施例では滑車列７０を用いてケーブルの長さを変化させている。滑車列を内視鏡動作機構に設けている。
図２１にこのズーム機構の概略断面図を示している。滑車列７０は、芯軸とワイヤーを備えたドラムを有しているが、駆動する軸が可撓軸でも剛性軸でもよい。この種の構成は、ワイヤー長さを組み合わせて内視鏡の空間角度位置を制御できる動作原理であればどのような構成でもよい。上記の調整腕部材を通すワイヤーを囲繞する機構について上記滑車列は都合よく用いることができる。

図２２に三次元概略図を示しており、回転機構を作動させるワイヤー８０を図示している。
図２３に「回転ケーブル」ズーム機構を示している。このズーム機構は、逆方向の２つのネジを回転ケーブルで回転させることで実現する。つまり、ネジＲ２３１とネジＬ２３１を一方向に回転させると、ナットが接近し、内視鏡がズームイン動作を行う。また、ネジを逆方向に回すことでナット間隔が広がり、図２３に示すように内視鏡がズームアウト動作を行う。

図２４、２５に本発明の別の実施例による装置全体を概略的に示している。図２４に示したように、この装置は、内視鏡操作機構１と、重量支持構造２と、操作アクチュエータ乃至動力源３の３つの主要部からなる。
図２５に内視鏡操作機構１を概略的に示している。この内視鏡操作機構は、回転リンク１２と、線形リンク１１ａ〜１１ｄと、ジンバルリング機構１４と、ズーム誘導杆１５と、ズーム回転内視鏡機構１６と、ケーブルチューブ１３とからなる。図において、内視鏡を腹腔に挿入するための施術対象の身体の切開孔を符号７で示している。

図２６は摺動リンク１１ａ〜１１ｃに沿う概略断面図である。リンク１１ａの頭部の孔にケーブル頭部１７を設けている。リンク１１ａがケーブル１８に引かれると、バネ１９ａ、１９ｂの付勢力に抗してリンク１１ｂへと摺動し、ジンバル１４の中心と回転リンク１２の中心との間隔が短くなる。ケーブル１８を離すと、バネ１９がリンク１１ａをリンク１１ｂから押し出され、リンク１１ｂはリンク１１ｃから押し出され、ジンバル１４の中心と回転リンク１２の中心の間隔が長くなる。どちらの場合も、ジンバルはピンホールに対して移動し、内視鏡の配向を変化させる。ケーブルが動かないと、バネがリンクを外側に押圧してケーブルに張力を与えながらバネの付勢力によって均衡が保たれる。ズーム機能は腹腔鏡手術に不可欠である。ズーム倍率を変えることででき、たとえば、「拡大」することで外科医が施術臓器の重要箇所の詳細を観察することができ、「縮小」することで内視鏡を引き離して手術状態の全体を観察することができる。もう一つの重要な特徴は、動かさずに画像の中心を維持しながらズーム機能を働かせることができることである。ズーム機能は内視鏡の配向姿勢を変えることなく作用させることができる。

図２７に上記の必要機能を作用させ得る二重バネズーム機構２７０を示している。ズーム作用は、内視鏡を腹腔に対して接近（ズームイン）させることも離反（ズームアウト）させることも内視鏡の配向姿勢を変化させずに実行できる。「ズームイン」はケーブル１６ａを短くすることで実行でき、「ズームアウト」はケーブル１６ａを延ばすことで実行できる。バネ１９ａ、１９ｂは一対のリンク１５ａ、１５ｂ間およびの一対のリンク１５ｃ、１５ｄ間の角度を大きくするほうに作用して「ズームアウト」動作を行う。ケーブル１６ａの長さが「ズームイン」の程度を決定する。内視鏡を動かさないと、バネの作用でケーブルは張力を持って均衡状態を維持する。筐体１６には、内視鏡のリニア運動、つまり、「ズームイン」と「ズームアウト」運動と、内視鏡の長軸回りの角回転を制御する２つの分離機構が収納されている。

図２８ａ〜２８ｃに、内視鏡のリニア運動、つまり、「ズームイン」と「ズームアウト」運動の原理を概略的に示している。
内視鏡を長軸回りに回転させる機能は腹腔鏡手術には重要で、内視鏡の配向姿勢を変化させるために挿入点７を通して内視鏡を回転させている時は、つまり、図２９で角度αおよび角度βの組み合わせで表される回転を実行している際は、角度変化の成分は内視鏡の長軸に沿わないこともある。前記角度成分が内視鏡の不要な回転を起こし、その結果、外科医が観察するビデオ画像に煩わしい回転運動が生じることもある。ヒトが内視鏡を保持する従来の腹腔鏡下手術では、手術画像を見やすくするために不必要な回転が生じないよう、たとえば、常に画像が水平になるように調整しながら内視鏡を保持する必要があった。

図２８ａ〜図２８ｃに、上記した必要な操作を実行すると共に、レンズをクリーニングにするために内視鏡を簡便に取り外せる回転機構８０を示している。はめ歯車１６３によって内視鏡ロッド３０７を中心に交差させて回転摺動運動を行えるようにしている。
位置決めピン１６４をはめ歯車１６３の上面に立設させており、円板１６５を内視鏡ロッド３０７に緊締させている。内視鏡を組み付ける際に筐体１６の上面を開放して内視鏡をはめ歯車１６３の中心を通して下面に開口した孔に組み付け、たとえば、位置決めピン１６４が円板１６５の開口１６６に装着されるまでジンバル１４等のリング部材に装着する。そして、筐体１６の上面を閉じて内視鏡が筐体１６から外れないように保持して、これによって内視鏡をズーム機構全体に固定合体させることができる。

連結した円板１６５を介してはめ歯車１６３と内視鏡３０７を運動させるネジ１６２を回転させると内視鏡が回転する。ネジ１６２の運動源としては、「遠隔」モータ乃至筐体の内部か近傍に設けた小型モータからの回転運動を伝達する回転軸手段を利用できる。必要に応じて、空間位置の自由度を変更させることなくズーム機構から内視鏡を簡便に取り外すようにすることも可能である。この特性は、外科医がシステムの位置に患わされないようにするためにも重要であり、また、ズーム機構全体の位置を維持するために内視鏡３０７に制約を与えないためにも確保すべき特性である。リンク１５、バネ１９、ケーブル１６ａの平衡がズーム深度を維持し、位置決めピン１６４と孔１６６の関係上の制限が回転角度を保つ。
内視鏡を再構成する場合、外科医が手術中に内視鏡を任意配向姿勢につけるためにも内視鏡を元の空間位置に戻しておく。内視鏡の運動範囲の包絡を図２９に示している。

図３０に、伸縮アーム部材の全長を変化させて内視鏡の角度を制御する機構を概略的に示している。図３０には、位置Ｐ０を始点（α＝０）とした内視鏡３０７の各運動を示している。摺動機構を作動させることでジンバルリング１４を点Ａから点Ｂへと移動させて、所期の位置Ｐ１へと挿入点７回りを回転移動させる。
リンク１１ａ、１１ｂ、１１ｃを共に短くすると、ジンバル１４の間隔と挿入位置７０が変化して不要なズーム動作を行う。このズーム動作の運動距離は計算でき、制御ズーム運動で補償することができる。

図３１は伸縮アーム部材を回転させることで内視鏡の別の回転角度βを制御する方法の概略説明図である。図３１における内視鏡３０７の各運動位置が始点位置Ｐ０となる。
回転機構を動作させることで、ジンバルリング１４を点Ａから点Ｂ、つまり、角度ψだけ径方向に運動させ、内視鏡３０７を挿入点７回りを角度βだけ回転させて所期の位置Ｐ１に移動させる。アーム部材１１の回転中、ジンバル１４と挿入点７の間隔は変化し、不要なズーム運動を起こすことになる。このズーム動作の運動距離は計算でき、制御ズーム運動で補償することができる。
前記アーム部材の２つの独立した運動の合成によって外界は内視鏡に任意の配向姿勢をとらせることができ、且つ、運動包絡範囲内で所期の位置に着けることができる。

図３２ａに上記機構の可搬性を示している。当該機構は、摺動手段２０２を移動させることでベットの脇の軌道２０１に沿って適宜位置に位置付けることができ、必要な場所に当該機構を設置するために外科医が旋回軸回りにシステムを回転させたり、システムを摺動させて高さを変えたりすることができる。図３２ｂは本発明のシステムの位置性能を示す平面図であり、回転角γと水平位置摺動範囲Ｘを示している。

図１ａ、１ｂ、１ｃは従来の技術の概略図である。 図２は本発明によるカメラ保持装置の概略図である。 図３は本発明によるカメラ保持装置の概略破断図であり、図３ａは滅菌スリーブを備えたカメラ保持装置の概略図であり、図３ｂは図３のカメラ保持装置の概略斜視図であり、図３ｃは伸張状態の伸縮ガイドを取り付けたカメラ保持装置の概略図である。 図４は単一湾曲ガイドを有する機構の概略説明図である。 図５は内視鏡操作機構の４自由度を説明する概略説明図である。 図６は伸縮ガイドの概略図である。 図７は伸縮ガイドの概略図である。 図８ａ、８ｂ、８ｃは、本発明の一実施例による腹腔鏡手術用のカメラ保装置の一例を示す概略図である。 図９は腹部乃至胸部の小切開部に内視鏡を挿通する方法を示している。 図１０は、本発明による腹腔鏡手術用のカメラ保装置の一例を概略的に示したもので、内視鏡操作機構１と、重量支持構造２と、動力源３の３主要素よりなる。 図１１は本発明の他の実施例による腹腔鏡手術用のカメラ保装置による内視鏡システムの概略側面図である。 図１２は図１１の内視鏡システムにおける基礎リングに対する配向リングの運動を示す概略説明図である。 図１３は図１１の内視鏡システムにおけるリングの姿勢を示す概略平面図である。 図１４は、本発明の一実施例による「調整ケーブル」ズーム機構を示す概略側面図である。 図１５は本発明による回転機構の概略説明図である。 図１６は本発明の機構の可搬性を示す。 図１７はベッドの脇に配置した本発明の機構の概略図である。 図１８ａ〜ｂは異なる３つのズーム機構の実施例を示し、平行四辺形に組まれたロッドを有する機構である。 図１９ａ〜ｂは異なる３つのズーム機構の実施例を示し、バネ機構である。 図２０は異なる３つのズーム機構の実施例を示し、負荷軽減装置を有する機構である。 図２１は内視鏡運動機構に設けられた滑車装置の概略断面図である。 図２２は図２１の三次元概略図である。 図２３は、芯ネジを回転させることで反対方向に運動する連結子からなるズーム機構の概略図である。 図２４は、内視鏡操作機構１と、重量支持構造２と、操作アクチュエータ３の３つの主要部からなる本発明の一実施例によるシステム全体を示す概略図である。 図２５は内視鏡操作機構１の概略図である。 図２６は図２５の摺動リンク１１ａ〜１１ｃに沿う概略断面図である。 図２７は本発明の他の実施例によるズーム機構（二重バネズーム機構）を示している。 図２８ａ、２８ｂ、２８ｃは本発明の他の実施例における回転機構を概略図である。 図２９は内視鏡の運動範囲を概略に示している。 図３０は、伸縮アーム部材の全長を変化させて内視鏡の角度を制御する方法を概略的に示している。 図３１は伸縮アーム部材を回転させることで内視鏡の角度βを制御する方法を概略的に示している。 図３２ａは本発明の機構の可搬性を概略的に示している。図３２ｂは回転角γおよび水平姿勢Ｘの摺動部材を含むシステムの位置性能を平面的に示した概略図である。

Claims (25)

1. ４自由度の運動性能を有すると共に、腹腔鏡手術中に内視鏡チューブの空間位置を制御して施術対象の身体を囲繞する施術作業空間全域において任意の配向姿勢を選択することを特徴とした腹腔鏡手術に有用なカメラ保持装置。
2. 物理的容積が小さい請求項１に記載のカメラ保持装置。
3. 請求項２に記載のカメラ保持機構であって、
   （ａ）（ｉ）少なくとも１つのズーム機構と、（ｉｉ）少なくとも一つの内視鏡回転機構を有し、内視鏡に対して着脱可能であるハウジング３０９と、
   （ｂ）回転方位測定器３０４と、
   （ｃ）摺動方位測定器３０５と
   を備えたことを特徴とするカメラ保持装置。
4. 請求項３に記載のカメラ保持機構であって、
   （ａ）モータハウジングと、
   （ｂ）前記ズーム機構に運動を伝達する手段と、
   （ｃ）前記内視鏡回転機構に運動を伝達する手段と、
   （ｄ）前記回転方位測定器に運動を伝達する手段と、
   （ｅ）前記摺動方位測定器に運動を伝達する手段と
   を更に備えたことを特徴とするカメラ保持装置。
5. 使い捨て可能である請求項４に記載のカメラ保持装置。
6. 前記内視鏡の自由度を変更しないで内視鏡をハウジングから取り外しできる簡単取外しハンドルを更に設けたことを特徴とする請求項４に記載のカメラ保持装置。
7. 伸縮ガイドを設け、前記伸縮ガイドによって内視鏡に長軸回りの運動を与えることを特徴とする請求項４に記載のカメラ保持装置。
8. 請求項４に記載のカメラ保持機構であって、
   （ａ）ズームリング１と、
   （ｂ）配向リング３と、
   （ｃ）夫々が長さＬ１とＬ２の少なくとも２本のケーブル４ａ、４ｂと、
   （ｄ）弾発力Ｋを有するバネ５と、
   （ｅ）リング状基部６と
   を備えたことを特徴とするカメラ保持機構。
9. 前記ケーブル長さＬ１、Ｌ２をバネの弾発力Ｋに応じて可変にして前記配向リングを前記リング状基部に対して運動させるようにしたことを特徴とする請求項８に記載のカメラ保持装置。
10. 前記回転機構が、少なくとも１本のケーブルと、少なくとも一つのウォーム歯車とからなり、前記ケーブルでウォーム歯車を介して内視鏡を回転させることを特徴とする請求項４に記載のカメラ保持装置。
11. 前記回転機構が、少なくとも一つの滑車列とからなり、前記滑車列によって内視鏡の空間角位置を制御することを特徴とする請求項４に記載のカメラ保持装置。
12. 前記カメラ保持装置を可搬構成にする手段を更に設けたことを特徴とする請求項４に記載のカメラ保持装置。
13. （ａ）少なくとも一つの調整腕部材と、（ｂ）少なくとも一つのモータを有する基部とを更に備え、前記調整腕部材によって前記カメラ保持装置と前記基部を連結させたことを特徴とする請求項１２に記載のカメラ保持装置。
14. 前記ズーム機構が、調整ケーブル機構と、平行四辺形に組まれたロッド機構と、バネ機構と、負荷軽減装置と、回転ケーブル機構と、二重バネズーム機構のうちのいずれか一つの機構であることを特徴とする請求項４に記載のカメラ保持装置。
15. 内視鏡操作機構１と、重量支持構造２と、動力源３とからなることを特徴とする請求項１に記載のカメラ保持装置。
16. 請求項１５に記載のカメラ保持機構であって、
    前記内視鏡操作機構が
    （ａ）少なくとも１本のケーブルと、
    （ｂ）少なくとも一つのバネと、
    （ｃ）少なくとも一つのロッドとからなり、
    前記重量支持構造が
    （ａ）少なくとも１本のケーブルと、
    （ｂ）少なくとも一つのチェーンと、
    （ｃ）少なくとも一つのロッドとからなり、
    前記動力源が（ａ）少なくとも一つのモータと、少なくとも一つの差動装置と、少なくとも一つのピストンのうちの１以上よりなることを特徴とするカメラ保持装置。
17. 腹腔鏡手術中に内視鏡チューブの空間位置を制御して施術対象の身体を囲繞する施術作業空間全域において任意の配向姿勢を選択する方法であって、
    （ａ）請求項４に記載のカメラ保持装置を準備し、
    （ｂ）前記内視鏡を前記ハウジングに組み付け、
    （ｃ）最良の視野が得られるよう内視鏡を制御操作する
    ことからなり、前記内視鏡の制御操作で内視鏡の運動に４自由度を与えたことを特徴とする方法。
18. 正確度を向上するために所期の視野範囲をズームイン乃至ズームアウトする処理を加えたことを特徴とする請求項１７に記載の方法。
19. 前記ズームイン乃至ズームアウトする処理が、内視鏡の長軸回りに内視鏡を運動させる処理を加えたことを特徴とする請求項１８に記載の方法。
20. 前記内視鏡を回転させる処理を加えたことを特徴とする請求項１７に記載の方法。
21. 前記内視鏡を前記ハウジングに組み付ける処理を加えたことを特徴とする請求項１７に記載の方法。
22. 前記内視鏡の長軸回りに前記内視鏡の回転角を制御する処理を加えたことを特徴とする請求項１７に記載の方法。
23. 前記ズーム機構として、調整ケーブル機構と、平行四辺形に組まれたロッド機構と、バネ機構と、負荷軽減装置と、回転ケーブル機構と、二重バネズーム機構のうちのいずれか一つの機構を用いたことを特徴とする請求項１７に記載の方法。
24. 前記カメラ保持装置を可搬構成に調整する処理を加えたことを特徴とする請求項１７に記載の方法。
25. 前記内視鏡の空間位置の任意の自由度を変更することなくズーム機構から内視鏡を取り外す処理を加え、カメラ保持機構の他の運動部分と独立させて前記内視鏡を作動させて内視鏡を取り外しによるシステム全体の再調整を不要にしたことを特徴とする請求項１７に記載の方法。

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