JP2009516574A - 曲げ可能な装置の形状を決定する方法 - Google Patents

Abstract

本発明の実施形態は、少なくとも２個の制御要素を第１量と第２量だけ移動させて、曲げ可能な装置をある位置まで曲げることと、第１量と第２量を測定することと、第１量と第２量から装置の位置、形状又は構成を決定することとにより、装置を位置決めする方法に関する。

Description

本願は、「相補制御ワイヤを用いて関節動作セグメントの角度を測定する方法」と題して２００５年１１月２２日に出願されて、全体が参考のために本明細書に組込まれた米国特許仮出願第６０／７３９，３５３号の優先権の利益を主張する。

曲げ可能な装置は、カテーテル、大腸内視鏡、内視鏡等の多くの形態で存在する。制御要素は、装置を所望形状に曲げたり、例えば、手術や診査処置のために必要なだけ、装置を操舵又は操縦する部品として使用される。装置が、最終的に所望位置に到達するように制御される間、装置の形状を知ることは、装置を操縦したり処置を援助するのに有用な情報を提供する。

曲げ可能な装置の形状を断定する改良された技術が大いに必要とされている。

本発明の一実施形態は、曲げ可能な装置を曲げることなく、少なくとも２個の制御要素を第１量と第２量だけ移動させることと、第１量と第２量を測定することと、第１量と第２量から装置の形状を決定することとにより、装置の形状を決定する方法を提供する。一代替策では、上記移動ステップが、制御要素に接続されたアクチュエータを使用せずに実行される。別の代替策では、上記移動ステップが、上記測定ステップの前に少なくとも２個の制御要素からゆるみを除去する。一態様では、上記除去ステップが、既知の駆動指令をアクチュエータに付与することにより行われる。一実施形態において、駆動指令が、装置の位置を変更するには不十分である。一実施形態において、駆動指令は、アクチュエータに印加される電流である。別の実施形態において、上記除去ステップが、アクチュエータを少なくとも２個の制御要素の一方に連結するコネクタにおいてなされる張力測定を用いて行われる。別の実施形態において、上記除去ステップが、センサーからの入力を受けるフィードバックループを用いて行われる。一態様では、上記センサーからの入力が、制御要素の張力測定に関する。一実施形態において、上記センサーが、曲げ可能な装置の上又は中に配置されている。別の実施形態において、上記センサーが、曲げ可能な装置をアクチュエータに接合するコネクタの上又は中に配置されている。更に別の態様では、上記センサーが、制御要素に接続されたアクチュエータの上又は中に配置されている。

別の代替策では、第１時間中に第１力限界で少なくとも２個の制御要素からゆるみを除去した後、第２時間中に異なる第２力限界で少なくとも２個の制御要素からゆるみを除去することにより、ステップが行われる。一態様では、第１力限界が第２力限界より小さい。

別の実施形態において、上記決定ステップが、第１量及び第２量を装置の形状、位置又は構成に相関付けるルックアップテーブルを用いる。別の態様では、上記決定ステップが、第１量及び第２量と装置の形状、位置又は構成の間のモデル化運動学関係を用いる。別の態様では、上記決定ステップが、少なくとも２個の制御要素の計算位置デルタを用いる。別の態様では、上記決定ステップが、少なくとも２個の制御要素内の相補制御要素の計算位置デルタを用いる。別の態様では、上記決定ステップが、少なくとも２個の制御要素内の１対の対向する制御要素の計算位置デルタを用いる。更に別の代替実施形態において、上記測定ステップが、装置を曲げるのに使用されていない制御要素を移動させるステップ（ａ）と、装置を曲げるのに使用されていない制御要素の計算位置デルタを決定するステップ（ｂ）とを含む。一態様では、上記決定ステップが、装置を曲げるのに使用されていない制御要素の計算位置デルタを用いる。

一代替策では、曲げ可能な装置を管腔内に位置決めするステップが、移動ステップの前に行われる。別の態様では、上記移動ステップが、装置に作用する管腔によって行われる。別の態様では、上記決定ステップが、上記管腔の形状を決定するために使用される。

本明細書に記載した全ての公報と特許出願は、各々の個々の公報や特許出願が特に個々に本明細書に参考のために組込まれたと記載されたのと同程度に、本明細書に参考のために組込まれている。

多数の関節動作装置、曲げ可能な装置と操舵可能な装置が用いられている。このような装置と各種の制御システムの例は、例えば、米国特許第６，４６８，２０３号、米国特許第６，８５８，００５号、「内視鏡用の関節動作可能なコネクタ装置」と題して２００４年１１月１２日に出願された米国特許出願第１０／９８８，２１２号であって、米国特許出願公開第２００６／００５２６６４号に記載されており、これらの文献の各々の全体が参考のために本明細書に組込まれている。上記の出願と特許は、本願と同じ譲受け人に譲渡されている。

本明細書に記載された技術は、曲げ可能な装置の形状を変更したり装置を操縦するのに使用される制御手段の位置に関する情報を測定又は操作することによって、装置の形状を決定するのに使用される。本明細書に記載された技術はいくつかの利点を有する。その技術は、測定に使用される力と、操舵可能な装置を操縦するのに使用される制御ワイヤのくねりとから影響を受けない。その技術は、装置の形状を繰返し確実に再現する。その上、本明細書に記載された技術は、操舵可能な装置を制御するのに用いられる制御ワイヤ又はケーブルの測定値を使用して、装置の形状の測定及び／又は決定を可能にする。本発明の方法を行う各種の代替実施形態の詳細は、例示の曲げ可能な装置と装置制御システムの説明の後に理解されるだろう。

図１は、制御可能な物品１１００を移動させるシステム１０００の略図を示す。ユーザー入力装置１１４０とシステムコントローラ１１４５の一方又は両方の制御下の力発生器が、制御可能な物品１１００を移動させるのに使用される力を発生する。力発生器によって発生される力は、力伝達要素１１３５とコネクタアセンブリ１１２０を用いて、制御可能な物品に伝達される。制御可能な物品は、又、関節動作装置又は曲げ可能装置でもよい。

コネクタアセンブリ１１２０は、力発生器１１１０によって発生されて制御可能な物品１１００に印加される動力の伝達を完了する。コネクタアセンブリ１１２０の２個の部分１１２５と１１３０は着脱自在に連結されている。コネクタ部分１１２５は、第１コネクタ部分又は力発生側コネクタである。コネクタ部分１１３０は、第２コネクタ部分又は制御可能な物品側のコネクタ部分である。コネクタ部分１１２５と１１３０が連結状態にある時、力伝達要素１１３５は接合されて、力発生器１１１０によって発生された力は、制御可能な物品１１００に印加される。コネクタ部分１１２５と１１３０が連結されていない時、単一一体物としての実施形態において、コネクタ部分１１３０、力伝達要素１１３５と制御可能な物品１１００を、コネクタ部分１１２５、力伝達要素１１３５と力発生器１１１０又はアクチュエータ１１１５から取外せる。

コネクタアセンブリ１１２０は、２個の部分１１２５と１１３０を迅速に接続及び接続解除する能力を付与して、単一の力伝達部分が、多数の制御可能な物品と共に使用できる。現在、例えば、内視鏡等の関節動作装置は、典型的に、内視鏡の先端における制限された制御を提供するように、４本だけのケーブルを有する。更に、コネクタは、高操縦性で制御可能な物品によって使用される多数の力伝達要素のコンパクトな構成と効率的な連結を提供する。下記するように、コネクタは、又、センサーを収容してもよい。

下記するように、コネクタによって提供される構成は、又、装置の曲げの決定において、ケーブルゆるみの効率的な除去又はケーブル運動の測定の許容等の他の有利な点をもたらす。更に、コネクタは、ケーブルを測定するのに使用されるセンサの止着、配置、操作及び／又は運転を許容するように修正し得る。コネクタ１１２０は、制御可能な物品の適当な運転と関節動作を確保するのを助けるように、センサー及び／又は安全性特徴を含んでもよい。以下の説明において、コネクタは、コネクタ１１２０の実施形態と第１コネクタ部分１１２５及び第２コネクタ部分１１３０の実施形態を指す。一つのセンサー又は特徴は、係合要素（即ち、下記のキャリッジアセンブリ１２０）又は力伝達要素１１３５自身の並進又は運動を指示又は検出する。別のセンサー又は特徴は、又、係合要素（即ち、下記のキャリッジアセンブリ１２０）又は力伝達要素１１３５自身の並進又は移動の量あるいは制御ケーブルの運動量の他の表示を検出及び測定又は定量する。別のセンサー又はインジケータを、装置の曲げ又は位置に相関付けるのに使用される既知位置の当接に基づく信号を発生する発生するように使用してもよい。

図２は、本発明の一実施形態にかかるコネクタアセンブリ１１０の斜視図を示す。コネクタアセンブリ１１０は、第１コネクタ部分１１２（不図示であるがハウジング１０９内）と第２コネクタ部分１１４を含む。第１コネクタ部分１１２はハウジング１０９内である。第２コネクタアセンブリ１１４は、各々がキャリッジアセンブリ１２０を有する複数のガイドウェイ１１８を含む。各キャリッジアセンブリ１２０は、１個以上の係合部１２２を有する。第２コネクタ部分１１４内のキャリッジアセンブリ１２０上の係合部１２２は、第１コネクタ部分１１２のキャリッジアセンブリ１２０上の係合部１２２と係合するように構成されている。キャリッジアセンブリ１２０の一端は、力伝達要素１３０又はケーブルに接続される。図示の実施形態において、ケーブルはボーデンケーブルである。ケーブルは、ゆるみ領域１１６を貫通する。ゆるみ領域１１６は、制御可能な物品の移動中に発生するケーブルゆるみのための追加空間を許容する。その後、ケーブルは、制御可能な物品に望むように接続される。

ハウジング１０９は、コネクタアセンブリ１１０を支持する構造的基部を提供する。本実施形態では、第１コネクタ部分１１２（不図示）はハウジング１０９内に固定される。第１コネクタ部分とそのキャリッジアセンブリは、力伝達要素１３０を介してアクチュエータ１０５に接続される。４個のアクチュエータ１０５が図示されているが、対応する個数のキャリッジアセンブリを駆動するために、より多くのアクチュエータを使用してもよいことを理解すべきである。ハウジング１０９は、又、第２コネクタ部分１１４を受承するように構成された開口１０７を提供する。オプションとして、開口１０７と第２コネクタ部分１１４の一部の一方又は両方は、接続前の正確な整列を確保するためにキー締めされてもよい。第２コネクタ部分１１４が開口１０７に装入される時、第１コネクタ部分１１２と第２コネクタ部分１１４は、例えば、カム作動レバーや当業者には公知の他の係合装置等の適当なクイックリリース機構を用いて係合させられる。第１コネクタ部分１１２と第２コネクタ部分１１４が係合させられる時、アクチュエータ１０５によって発生される力が、制御可能な物品に伝達される。

図３は、曲げ可能な装置がテンドン駆動式内視鏡２５１０である実施形態を示す。内視鏡２５１０は、オプションとして装置から消去してもよい、手動で又は選択的に操舵可能な遠位部２５１６、自動制御対象部分２５２０と軟質で受動操作される近位部２５１４を設けた細長い本体２５１２を有する。操舵可能な遠位部２５１６は、手で（即ち、セグメントを関節動作させる従来の内視鏡手動制御の機械力を用いて）又はアクチュエータからの機械的支援で関節動作させ得る。その上、いくつかの実施形態は、ユーザーが、操舵指令を内視鏡セグメント運動に変換するコントローラに、ジョイスティック２５４４又は他の入力装置を介して操舵指令を入力することを許容する。

自動制御対象部分２５２０はセグメント化され、各セグメントは、操舵運動の全範囲で屈曲し得る。遠位部２５１６も制御可能なセグメントである。セグメント化内視鏡の構造と操作のより詳細な説明は、２００２年８月２７日に出願されて、全体が参考のために本明細書に組込まれた米国特許出願第１０／２２９，５７７号にある。

選択的に操舵可能な遠位部２５１６は、選択的に操舵又はどの方向にも、例えば、図示するように全１８０度まで曲げることができる。光ファイバーイメージングバンドル２５３４と１個以上の照明ファイバー２５３２は、近位部２５１４から遠位部２５１６まで本体２５１２を貫通する。別のやり方として、内視鏡２５１０は、内視鏡本体２５１２の遠位部２５１６に配置されたＣＣＤカメラ又はＣＭＯＳカメラ等のミニチュアビデオカメラを有するビデオ内視鏡として構成してもよい。ビデオカメラからの画像は、画像がリアルタイムに見られるビデオモニタに伝送ケーブル又は無線送信によって伝送され及び／又は記録装置によって、アナログ記録媒体、例えば、磁気テープ又はデジタル記録媒体、例えば、コンパクトディスク、デジタルテープ等に記録される。

内視鏡２５１０の本体２５１２は、オプションとして照明に使用される１個以上のアクセスルーメン２５２８、光源、インサフレーション又は灌注を提供するファイバー、空気チャンネル及び水チャンネルと真空チャンネルを含んでもよい。一般に、内視鏡２５１０の本体２５１２は、各種のチャンネルを元のままに維持しながら、座屈やキンク無しに小径カーブの回りを屈曲し得るように、極めて軟質である。大腸内視鏡として構成される時、内視鏡２５１０の本体２５１２は、典型的に、長さが１３５〜１８５ｃｍで直径が約１３〜１９ｍｍに及ぶ。内視鏡２５１０は、他の医療的及び工業的用途のための各種の他の寸法と構成で作ることができる。

制御可能な部分２５２０は、コンピュータで及び／又は内視鏡２５１０から所定距離に位置する電子コントローラ２５４０で制御可能な少なくとも１個のセグメント２５２２、好ましくはいくつかのセグメント２５２２からなる。セグメント２５２２は、空間内のセグメント２５２２の制御された運動を許容するように、力発生器又はアクチュエータに機械的に接続された力伝達要素又はテンドンを有する。テンドンを駆動するアクチュエータは、力をテンドンに印加し得る各種の異なる型式の機構、例えば、電気機械モータ、空圧シリンダ及び油圧シリンダ、空圧モータ及び油圧モータ、ソレノイド、形状記憶合金ワイヤ、電子ロータリーアクチュエータあるいは当分野で公知の他の装置又は方法を含んでもよい。コントローラ内のアクチュエータの直線並進は、所望程度のセグメント運動と関節動作に依存した効果的な関節動作を実行するように、相対的に短い距離を移動するように構成される。アクチュエータの運動は、下記の方法（図９）に対する入力を提供するように、センサーを使用して測定される。

各セグメント２５２２は、ワイヤ、光ファイバー、空気及び／又は水のチャンネル、各種の内視鏡工具又は各種の装置及びワイヤが挿通されるアクセスチャンネルを提供するように、貫通する少なくとも１個のルーメンを画成することが好ましい。重合体のカバー又はシース２５３０が、制御可能な部分２５２０と操舵可能な遠位部２５１６を含む内視鏡２５１２の本体上を延在する。このシース２５３０は、制御可能なセグメント２５２２、操舵可能な遠位部２５１６と近位部２５１４のフレキシブルチューブの間の滑らかな転移を提供することが好ましい。

ハンドル２５２４が、内視鏡の近位端に止着される。ハンドル２５２４は、直接観察のために、光ファイバーイメージングバンドル２５３４に接続された接眼レンズを含む。ケーブル２５５２が、ビデオモニタ、カメラ、例えば、ＣＣＤカメラ又はＣＭＯＳカメラ、あるいは、記録装置２５５０への接続を提供する。照明源２５３６と照明ケーブル２５３８は、照明ファイバー２５３２に接続又は照明ファイバー２５３４と連続である。別のやり方として、これらの接続のいくつか又は全てをコントローラ２５４０に設けることができる。ルア（ｌｕｅｒ）ロック継手２５２６が、ハンドル２５２４上に配置されて、各種の装置チャンネルに接続される。

ハンドル２５２４は、制御ケーブル２５４２を介して運動コントローラ２５４０に接続される。操舵コントローラ２５４４は、第２ケーブル２５４６を介して運動コントローラ２５４０に接続されるが、オプションとして、ハンドル２５２４に直接接続してもよい。別のやり方として、ハンドルは、例えば、ジョイスティックと、ダイアル、プーリやホイールの従来のディスクコントローラ等の形態でハンドルに直接一体化された操舵制御機構を有してもよい。操舵コントローラ２５４４は、ユーザーが、本体２５１２の選択的に操舵可能な遠位部２５１６を所望方向２５１８に選択的に操舵又は曲げることを許容する。操舵コントローラ２５４４は、図示のジョイスティック、又は、他の操舵制御機構、例えば、従来の内視鏡のデュアルダイアル又は回転ノブ、トラックボール、タッチパッド、マウス又はセンサーグローブでもよい。運動コントローラ２５４０は、本体２５１２の自動制御されるセグメント化近位部２５２０の運動を制御する。このコントローラ２５４０は、マイクロコンピュータで実行される運動制御プログラムを使って、又は、特定用途向け運動コントローラを使って実施される。

テンドンに力を印加するアクチュエータは、図示するように運動コントローラユニット２５４０に含まれてもよいが、別個に配置して制御ケーブルで接続してもよい。操舵可能な遠位部２５１６と制御可能なセグメント２５２２を制御するテンドンは、内視鏡本体２５１２の長さを延在すると共に、アクチュエータに接続される。図３は、テンドンが、ハンドル２５２４を貫通すると共に、クイックリリースコネクタ２５５４を介して運動コントローラ２５４０に直接接続されている変形例を示す。この実施形態では、クイックリリースコネクタ２２５４は、上記のコネクタ組立物又は係合組立物のいずれでもよい。この変形例では、アクチュエータがコネクタ２５４０と連通している限り、テンドンは独立してアクチュエータに接続され得るけれども、テンドンは、制御ケーブル２５４２の一部でもよい。

軸方向運動トランスデューサ（「深さ参照装置」とも呼ぶ）２５４８は、内視鏡本体２５１２が前進及び後退する時に、内視鏡本体２５１２の軸方向運動、即ち、深さ変化を測定するために設けられる。深さ参照装置２５４８は、多くの可能な構成で作ることができる。例えば、図３の軸方向運動トランスデューサ２５４８は、内視鏡２５１０の本体２５１２を囲むリング２５４８として構成される。軸方向運動トランスデューサ２５４８は、手術台や患者の身体上の内視鏡２５１０の挿入点等の固定参照点に止着されることが好ましい。深さ参照装置２５４８とその異なる例並びにセグメント関節動作とケーブル操作は、２００２年８月２７日に出願されて、全体が参考のために本明細書に組込まれた米国特許出願第１０／２２９，５７７号に、より詳細に説明されている。

図４は、セグメントを曲げる単一テンドンの部分略図を示す。明瞭さのために、他のテンドンとセグメントを含む、全内視鏡の他の部分は図４から削除されている。テンドンケーブルに印加される張力は、セグメント全体を横切って伝達され、曲げが生じる。ボーデンケーブル２６１０は、セグメント２６０１の基部２６２２に止着されていると共に近位アクチュエータ端２６０３に固定されたスリーブ２６１４を有する。テンドンケーブル２６１２は、アクチュエータ２６０５と遠位セグメント端２６３０に接続されている。張力をテンドン２６１２に印加することにより、意図されたセグメント２６０１だけが曲げられて、より近位のセグメントは影響を受けない。テンドン２６１２は、アクチュエータ２６０５により張力下に置かれ、これは、この変形例では、モーターがテンドンケーブル２６１２を引付ける時に生じる。図９について後述する方法のための情報を提供するために、センサーを図４の部品のいずれかに設けてもよい。

図５Ａ乃至図５Ｃは、ねじれた通路をナビゲートするテンドン駆動式内視鏡の変形例を示す。通路７０１は図５Ａに示される。この通路は、例えば、結腸の一部を表す。図５Ａにおいて、装置７０４の遠位先端が指定された曲げに接近する。図５Ｂは、遠位先端が、適当な曲線又は曲げ７０６を呈するように、想像線位置７０５から実線位置に操舵される。この操舵は、ユーザー、例えば、医師によって手動で、あるいは、通路の壁の近接度を決定する自動検出方法を使用して、又は、装置だけで発生される通路画像を、もしくは、装置の外でイメージングモダリティによって発生される画像と組合せて使用して自動的に行うことができる。上述したように、操舵可能な先端の曲げは、テンドン又は適当な曲げに帰着するテンドンの組合せに張力を印加することによって行われる。

装置は、次に、図５Ｃで再び前進させられる。装置が前進させられると、選択された曲線が内視鏡の近位長さに沿って伝播する結果、内視鏡の曲げ７０６が、通路７０１に対して相対的に同じ位置に残る。これは、壁との過度の当接を防止すると共に、内視鏡が、ねじれた通路７０１に沿ってより容易に移動することを許容する。内視鏡は、運動コントローラと連通し、運動コントローラは、通路内の内視鏡の位置、例えば、挿入深さ並びに内視鏡の通路を画成する選択された曲げ又は曲線を監視することができる。深さは、例えば、上記の軸方向運動トランスデューサ２５４８によって、又は、より直接的な測定手法によって決定することができる。同様に、各セグメントの形状は、テンドンに印加される張力によって、又は、テンドンケーブルの変位の直接測定等の直接測定によって決定することができる。運動コントローラは、例えば、装置を遠位側に移動させるにつれて、より近位側のセグメントの側部の長さをより遠位側のセグメントの側部の対応する長さに等しく設定することによって、セグメントの選択した形状を人体内の特定の位置又は深さに伝播させ得る。コントローラは、又、内視鏡の本体を自動的に操舵するために、又は、他の目的のために、例えば、分析用に内視鏡通路のバーチャルマップを作製するために、この情報を使用することができる。

テンドン変位を測定する外に、運動コントローラだけ、本発明のコネクタだけ又は協働するコントローラとコネクタは、又、テンドンの伸びと圧縮を調整することができる。例えば、運動コントローラは、テンドン、特に、張力や圧縮を活発に受けていないテンドンのゆるみを制御することができる。運動コントローラのこの作用は、後述する本発明の方法に使用してもよい。不活発なテンドンのゆるみを許容することは、より近位側のセグメントを関節動作させるのに必要な力の量を減らす。上記の変形例において、内視鏡の遠位先端のへそ部は、個々のテンドンのゆるみを許容する空間を包含する。

曲げ及び前進プロセスは、段階的に又は連続的にすることができる。もし段階的に、例えば、テンドンがセグメント長さだけ前進させられると、次の近位セグメント７０６は、前のセグメント又は操舵可能な遠位部と同じ形状に曲げられる。テンドンが前進させられるにつれてセグメントを増分的に曲げることによって、より連続的なプロセスが得られる。これは、例えば、セグメントがナビゲート曲線より小さい時に、コンピュータ制御によって達成される。

図６は、２本又は３本のテンドンを使用することにより、操舵可能な遠位部を含む制御可能なセグメントを関節動作させることができるセグメント関節動作の例を示す。図６は、この例では、３本のテンドンによって作動させられる本発明の制御可能なセグメントの可能な運動範囲の一例を示す。弛緩直立位置３００１のセグメントは、ｘ−ｙ平面に対して実際上どの方向にも曲げることができる。図は、図示例として、元の位置３００１に対してある角度で曲げられたセグメント３００２を示す。角度αとβは、セグメントが呈する曲げを指す。角度βは、ｘ−ｙ平面内の角度を指し、角度αは、ｘ−ｚ平面内の角度を指す。一変形例において、内視鏡の制御可能なセグメントは、角度βにおいて全３６０度、又、角度αにおいて９０度まで曲げることができる。９０度より大きい角度αは、内視鏡のルーピングを生じる。図６において、セグメントは、角度αに沿って約４５度曲げられている。セグメントの運動の自由度は、とりわけ、関節動作方法、セグメントの寸法、セグメントを形成する材料とセグメントを形成するやり方によって部分的に決定される。これらの要因のいくつかをここで述べる。

操舵可能な遠位部並びに内視鏡と制御可能なセグメントは、曲げ可能であるが、非圧縮性又は非膨張性であることが好ましい。よって、図６において、弛緩セグメント３００１の中心線３００４は、曲げた後のセグメント３００２の中心線３００６と近似的に同じ長さである。

図７Ａ乃至図７Ｅは、曲げ可能な装置のセグメントを作動するための３本のテンドンの使用を示す。この例に示す制御要素は、全て、ハウジング又はスリーブ３０１４により同軸に囲まれた内部ケーブル３０１２を有するボーデンケーブル３０１０であり、内部ケーブル３０１２はスリーブ３０１４内を移動自在である。ボーデンケーブルは、引張力又は圧縮力を印加するように使用されて、即ち、押圧又は引張られて、内視鏡を関節動作させると共に、遠隔作動されて、内視鏡に沿った位置で所望通りに力を伝達する。テンドンケーブルをセグメント３０２０の遠位端に、又、テンドンハウジング３０１４をセグメント３０２２の近位端に止着することにより、テンドンからの力がセグメントを横切って又は介して作用する。図７Ａは、テンドンケーブル用の３個の止着個所３０２０を有するセグメントの平面図を示す。

一変形例において、操舵可能な遠位部を含む各セグメントを作動させるために、４本以上のテンドンを使用することはできるけれども、３本のテンドンが使用される。３本のテンドンは、セグメント又は内視鏡をその長手軸心の回りに回転させる必要なしに、セグメントをどの方向にも確実に関節動作させることができる。３本のケーブルテンドン３０１２は、セグメントの縁部近くで等間隔に離隔して、セグメント３０２０の遠位端に止着されることが好ましい。図７Ａにおいて、テンドンは、２時位置、６時位置と１０時位置で止着される。各セグメントを制御するテンドンはアクチュエータの方へ近位側に突出するので、空間の関係から、より少ないテンドンを使用することが望ましい。よって、セグメントを制御するために、２本のテンドンを使用することができる。セグメントを３次元に関節動作させるのを支援するために、１個以上の偏倚要素、例えば、ばねを含むことが望ましい。別の変形例では、セグメントをその長手軸心の回りに回転させながら２方向の運動を制御することにより、セグメントを３次元空間内で曲げるために２本のテンドンを使用してもよい。

図７Ｂは、３本のテンドンが止着された弛緩セグメントを示す。テンドンスリーブ３０１４は、対応するケーブル止着個所の真下でセグメント３０２２の近位端に止着されている。図７Ｃ、図７Ｄと図７Ｅは、各制御テンドン３０１０によって別個に曲げられたこのセグメントを示す。

図７Ｃに示すように、第１テンドン３０３０を引付けることにより張力を印加する結果、セグメントが第１テンドン３０３０の方向に曲げられる。即ち、図７Ｂに示すように曲げられていないセグメントの頂部を見下ろす時、第１テンドンが６時位置に止着されている場合、このテンドンだけを次に引付けると、セグメントが６時位置の方へ曲げられる。同様に、図７Ｄにおいて、２時位置に止着されている第２テンドン３０３２のみに張力を印加すると、セグメントが２時方向に曲げられる。最後に、１０時位置のテンドン３０３４を引付けることは、セグメントを１０時位置の方に曲げる。全ての場合において、曲げは連続的であり、印加される張力がより大きくなればなる程、曲げがより大きくなる（図６のｘ−ｚ平面内の角度α）。個々のテンドン又は２本のテンドンの組合せを引付けることにより、セグメントをどの方向にも曲げることができる。よって、セグメントを１２時方向に曲げるには、第２テンドン３０３２と第３テンドン３０３４の両方を等しい力で引張ることができる。別のやり方として、６時位置の第１テンドン３０３０を、単独で又は押す第２テンドン３０３２と第３テンドン３０３４と組合せて、引張ることにより、同じ構成が得られる。

これらの全ての変形例において、テンドンの円周方向位置及び／又は偏倚要素は、例示であって、上記例に限定されることを意図していない。むしろ、それらは、当業者の理解する所望の効果に応じて変更される。

図８Ａと図８Ｂは、曲げ可能な装置８００の単純化セグメント８１０を示す。セグメント８１０は、例えば、図１及び図３で上述したように構成できる曲げ可能な装置内のセグメントである。制御要素８２０と８３０は、上記のものに類似していると共に、セグメント８１０を曲げるように作動される。２個の制御要素は、本発明の方法の説明を簡素化するように図示されている。しかしながら、本発明は、２個の制御要素だけを使用する曲げセグメント又は２個の制御要素だけを有するセグメントのみに限定されない。所望程度の制御を提供するために、３個の制御要素（即ち、図６及び図７）又はより多い制御要素を使用することができる。本発明の実施形態の技術が、例えば、各関節動作軸心のための２本の対向制御ワイヤを有する関節動作セグメントを利用する操舵可能な装置と制御システムに適用される。別のやり方として、３要素システムでは、関節動作セグメントが、関節動作の両軸心を制御するように協働する３個の制御要素を有する。

相補制御ワイヤが、セグメントの曲げを制御するように協働する。２本又は１対の相補制御ワイヤが、例えば、平面内の装置の曲げを制御するために使用される。図８Ａと図8Ｂに示すように、制御ワイヤ８２０と８３０は、セグメント８１０のための１対の相補制御ワイヤである。関節動作の平面は、図面紙面内にある。図８Ａにおいて、制御要素８２０と８３０は、セグメント８１０が真直又は曲げられていない中立位置８４０にある。正常使用時に、例示セグメント８１０の関節動作は、一方の制御要素を引張ると共に、対向する制御要素をゆるんだままにすることによって、達成される。図８Ｂは、位置８３５まで右に曲げたセグメント８１０を示す。制御要素８２０がゆるんでいる状態で制御ワイヤ８３０を引張ることにより、位置８３５が達成される。その結果、制御要素８３０を引張ることは、制御要素８３０を中立位置８４０から量８６０だけ移動させる。セグメント８１０の位置８３５への移動は、制御要素８２０を中立位置８４０から量８５０だけ移動させる。

図９のフローチャートは、本発明にかかる、曲げ可能な装置の形状を決定する方法の実施形態を示す。第１ステップ、ステップ９１０は、装置を曲げずに少なくとも２個の制御要素を第１量と第２量だけ移動させることを含む。一実施形態において、曲げ可能な装置を管腔内で位置決めするステップが、移動ステップの前に行われる。

第２ステップ、ステップ９２０は、第１量と第２量を測定することを含む。

制御要素の位置又は移動量は、任意の適当な位置で任意の適当な表示又は装置を使用して測定することができる。制御要素の移動量は、システムコントローラ１１４５、制御要素に接続されたアクチュエータ又はエンコーダを介した力発生器１１１０等の制御側あるいは他の適当な測定装置で取られた測定又は表示により得られる。制御ワイヤの移動量は、図４に示す部品のいずれかで取られた測定又は表示により得られる。制御要素の移動量は、センサー又は曲げ可能な装置をアクチュエータに接合するコネクタから取られた測定又は表示により得られる。例示コネクタは、図２に示す関節操作コネクタ１１０の実施形態を含むと共に、「制御可能な装置用のコネクタ装置」と題する米国特許出願第１０／９８８，２１２号であって、米国特許出願公開第２００６／００５２６６４号に詳述されている。制御要素の移動量は、曲げ可能な装置、図１に示す制御可能な物品１１００、図２５内のセグメント化装置２５１０、図４内のセグメント２６０１又はケーブル２６１２で取られた測定又は表示により得られる。

制御可能な装置、コネクタ（もしあれば）あるいは制御システム又は作動システムの部品のいずれも、センサーを含むように修正してもよい。これらのセンサーは、システム内のそれらの位置と制御ケーブルの関係に基づいて、制御ケーブルの移動量の測定値又は本発明の実施形態に有用な他の情報を提供する。センサーは、コネクタ部分１１２と１１４の一方又は両方又は本明細書に記載の接続解放機構のいずれかに配置される。例えば、リードスイッチ、電気光学スイッチ、抵抗スイッチ、接触スイッチ、光インジケータ、歪みゲージ、応力ゲージ、測定インジケータ等の本明細書に記載の機能を果たすために、広範な一般的に入手可能なセンサーのいずれを使用してもよい。アクチュエータを少なくとも２個の制御要素の一方に連結するコネクタで取られる張力測定を提供するために、センサーを使用してもよい。一実施形態において、測定装置は光学エンコーダである。一実施形態において、張力要素又はアクチュエータは永久磁石型ブラシ付きＤＣモータである。ＤＣモータの運動は、光学エンコーダを使用して、測定、制御及び監視される。

センサーは、方法９００のステップの性能を監視するのに使用されるフィードバックループへの入力を提供する。制御ワイヤからのゆるみ除去を監視するために、センサーを使用してもよい。一態様において、センサーからの入力は、制御要素の張力測定に関係する。

その上、センサーからの出力又は信号は制御システムに統合される。例えば、制御ケーブルの移動量を測定する表示として、コネクタの内部でのキャリッジアセンブリの移動を測定するために、コネクタ内のセンサーを使用することができる。このようなセンサーは、コネクタアセンブリの一部と連結又は連通されると共に、制御ケーブル位置を示す出力を有する。更に、制御システムは、装置の位置、形状と移動を制御及び／又は監視するために、装置上のエンコーダの代わりに又は装置上のエンコーダに加えてセンサーの出力を使用するように構成し得る。本発明で使用されるセンサーは、移動ステップ９１０、測定ステップ９２０及び／又は決定ステップ９３０中に使用される情報を提供するように構成されると理解される。

制御可能な物品が操舵可能な内視鏡である特定の例において、内視鏡及び異なるセグメントの先端又は内視鏡の位置は、キャリッジアセンブリ及びこれらのセグメントを制御するように使用されるケーブルの位置を用いて決定できる。別の例では、キャリッジアセンブリの走行長さを決定するために、センサーを使用してもよい。キャリッジアセンブリの走行長さは、本発明の測定ステップ又は決定ステップに対応するか又は該ステップの一部であるように使用される。例えば、キャリッジアセンブリ位置とセグメント角度の間の所定関係（即ち、ルックアップテーブル又は運動学関係）を、決定ステップの一部として使用できる。

図１に示すコネクタの実施形態は、ケーブル、キャリッジアセンブリ又はコネクタ１１２０内の他の部品の位置及び／又は移動を用いて制御ケーブルの位置を決定するのに特に適している。例えば、操舵可能な内視鏡又はその一部の先端の位置、形状及び／又は移動は、ケーブル、キャリッジアセンブリ又はコネクタ１１２０内の他の部品の位置を用いて制御ケーブルの位置を用いて測定及び／又は決定することができる。コネクタ内のケーブル、キャリッジアセンブリ又は部品の移動量は、曲げの量、程度又は型式あるいは装置位置と相関付けられる。コネクタ内の移動を監視、測定及び／又は決定することにより、制御可能な物品の先端、部分、セグメント又はモジュールの位置が、本発明の方法を用いて決定される。いつかの実施形態において、コネクタ内の制御ケーブルの直線運動の測定が、装置先端の位置と移動を含むセグメント位置を決定するのに使用される。移動を検出するセンサーは、コネクタ部分１１２と１１４の一方又は両方あるいは装置又は装置を関節動作させるのに使用されるアクチュエータのどこかあるいは制御システムに配置される。

オプションとして、移動ステップ、測定ステップ又は決定ステップの前に、ゆるみが制御要素から除去される。一実施形態において、ゆるみを制御要素から除去するステップは、測定ステップの前に行われる。一例では、制御要素の測定精度は、制御ワイヤからゆるみを除去するように、全ての制御ワイヤを一定の力で同時に引張ることによって得られる。全ての制御ワイヤを同時に引張ることは、ゆるみの除去が装置の位置を変更して測定手法に悪影響を及ぼす確度を低減する。

方法の一実施形態は、測定ステップの前に１組の制御ワイヤの少なくとも２個の制御要素からゆるみを除去するステップを含む。ゆるみの除去が精度の上昇につながる一方、ゆるみ除去中の不注意な装置セグメント移動は精度を低下させる。除去ステップは、装置の位置を変更せずに完了する。装置の位置を確実に変更させない一方法は、アクチュエータを既知の駆動指令で作動させることである。一代替策では、装置の位置を変更させるには不十分な駆動指令が選択される。一つの型式の駆動指令は、アクチュエータを操作するのに使用される駆動電流である。低駆動電流が、選択されて、ゆるみを除去するのに使用されるが、関節動作を生じない。低駆動電流は、セグメント移動を確実に発生させないが、ゆるみを低速で除去する。別のゆるみ除去技術では、第１時間中に第１力限界で少なくとも２個の制御要素からゆるみを除去した後、第２時間中に異なる第２力限界で少なくとも２個の制御要素からゆるみを除去するステップが設けられる。一代替策では、第１力限界は第２力限界より小さい。２ステップゆるみ除去プロセスの使用は、全体のゆるみ除去のために、最初に、小さな力が短時間印加されることを許容する。次に、第１時間が経過した後、全体のゆるみが除去されそうである時、ゆるみ除去のための力限界が増加させられる。とにかく、選択された力限界は、セグメントの関節動作を生じるには不十分である。この方法は、ワイヤセットの非制御ワイヤに使用することができる。例えば、実際に得られた角度や位置を測定するために、制御のために現在使用されていないワイヤからゆるみを引抜く。本発明の方法のステップの信頼性と反復性を向上させるために、一般に、軟質制御要素に関連して理解されるゆるみ除去の概念は、制御要素を張力下に置くことにより、制御ロッド、半剛性制御要素又は剛性制御要素に適用され得ることが理解される。

２ステップ力除去手法の一代替策では、第１ステップが、小さい力での高速除去である。次に、除去速度が低減されると共に除去力が増大させられる。このようにして、第１ステップは、全体ゆるみを迅速に除去し、第２ステップは、ゆるみの除去を確認すると共に、測定ステップ中の高精度のためにワイヤを張力下に保持する。相補制御ケーブルが使用される場合、ワイヤの釣合せ動作が、印加されたゆるみ除去力がセグメントの関節動作を生じる傾向を抑える。

第３ステップ、ステップ９３０は、装置の位置を第１量と第２量から決定することを含む。

セグメントを曲げるために制御要素を移動させ、次に、移動量を測定した後、次のステップは、測定量から装置の位置を決定することである。コモンモード因子の除去を支援する一手法は、位置デルタの使用を伴う。その手法は、測定に使用される力並びに操舵可能な装置を操縦するのに使用される制御ワイヤのねじれの影響を受けない。位置デルタは、制御ケーブル用に得られた測定情報を正規化するのに使用される。位置デルタは、図８Ａ及び図８Ｂを参照して説明する。位置デルタは、測定位置から中立位置又は較正位置を減ずることによって計算できる。制御要素８２０用の位置デルタは、測定位置８５０から中立位置８４０を減ずることにより得られる。同様に、制御要素８３０用の位置デルタは、測定位置８６０から中立位置８４０を減ずることにより得られる。一態様において、測定ステップは、少なくとも２個の制御要素の計算位置デルタを使用する。一実施形態において、制御ワイヤ８２０と８３０等の対向する制御ワイヤから位置デルタ８７０を合計すると、セグメントの曲げ、角度又は形状と関係を有する結果を生じる。

一実施形態において、決定ステップは、少なくとも２個の制御要素内の相補制御要素の計算位置デルタを使用する。別の実施形態において、決定ステップは、少なくとも２個の制御要素内の１対の対向制御要素の計算位置デルタを使用する。対向する制御ワイヤの位置デルタ又は位置デルタの和とセグメントの形状又は角度の間の関係は、本質的に、ケーブルのねじれ／摩擦及び測定に使用される力の影響を受けない。一実施形態において、対向制御ワイヤから位置デルタを合計すると、セグメントの角度と直線状関係を有する結果を生じる。決定ステップを行うのに多数の手法を用いてもよい。一手法では、決定ステップは、第１量及び第２量を装置位置と相関付けるルックアップテーブルを使用することを備える。更に別の手法では、決定ステップは、第１量及び第２量と装置位置の間のモデル化運動学関係を使用することを備える。

本発明の方法の一実施形態において、相補制御ワイヤが、制御ワイヤが弛緩した後にセグメントが占める角度を測定するために使用される。制御ワイヤが弛緩している時、装置は、その周囲の形状を取ることが許容される。その周囲は、装置を移動させる外力として働く。この時、装置の曲げ、位置、形状又は角度等の本発明の方法を用いて決定される情報は、装置の位置、形状又は角度に影響する周囲の形状の表示として使用される。これは、管腔の形状を決定する決定ステップを使用する一つのやり方である。その結果、移動ステップが、制御要素に接続されたアクチュエータを使用せずに実行される。別の実施形態において、移動ステップが、装置に作用する管腔によって行われる。

測定ステップの別の実施形態において、装置の位置は、セグメントを制御するのに使用されていない制御要素（即ち、ゆるんだケーブル）を使用して決定される。この代替策では、移動ステップは、測定ステップは、装置を曲げるのに使用されていない制御要素を移動させることを含む。その後、装置を曲げるのに使用されていない制御要素のための計算位置デルタを決定するステップを行う。位置デルタは、次に、上述のように使用することができる。この代替策の別の態様では、決定ステップは、装置を曲げるのに使用されていない制御要素の計算位置デルタを使用する。移動は、装置に対する外力によって実行される。

本明細書に記載する移動手法、測定手法と決定手法は、又、中立位置８４０を決定するのに使用してもよい。装置を正確に制御する能力は、中立位置又は較正位置を繰返し且つ確実に決定する能力に部分的に基づく。一例示位置は、図８Ａに示された真直で非関節動作位置である。装置は、装置を所望の較正位置に保持する較正取付具に手動で保持又は固定される。所望位置にあると、ゆるみは、全ての制御ワイヤから除去されて、各制御ワイヤに対する中立又は較正位置８４０を測定及び決定する。中立又は較正状態に対する制御ケーブルの特性を決定及び／又は確認するように、本明細書に記載する手法が周期的に使用される。このようにして、例えば、一時的伸び（即ち、延伸）又は永久伸び（即ち、ケーブル構造又はクリープ）による制御ワイヤ性能の変化が監視及び制御ワイヤ変化を補償するために使用される。

内視鏡コネクタとアセンブリは、大腸内視鏡と使用するように記載されてきたけれども、本発明のコネクタアセンブリと係合アセンブリは、多数の他の医療的及び工業的用途における広範な制御可能な物品の効率的な制御のために構成することができる。その上、本発明のコネクタアセンブリと係合アセンブリは、人体管を貫通して又は人体内をナビゲートするための上記原理を用いる、カテーテル、カニューレ、外科器具、管腔内装置及び／又はイントロデューサ・シースと共に使用するように構成することもできる。本発明のコネクタアセンブリと係合アセンブリは、例えば、機械、管、アクセスするのが困難な閉鎖容器等のねじれた領域内の検査及び探査といった工業的用途に使用することもできる。

更に別の変形例では、自動制御される近位部を、選択された経路を通って、もし必要なら、コントローラの電子メモリ内の３次元モデルを使用して所望位置に戻るよう制御するために、運動コントローラアセンブリを使用することができる。前述の例示実施形態は、第１コネクタ部分と第２コネクタ部分の機械的接続と力伝達を記載したけれども、本発明のコネクタの別の実施形態は、電気、空圧、油圧等を含むがこれらに限定されない他の形式のエネルギー、位置又は力伝達を含むように修正及び構成することができることが理解される。本発明を実施するための上記アセンブリ及び方法の修正と、当業者には容易な本発明の態様の変形例とは、請求項の範囲内にあるものとする。

制御可能な物品又は曲げ可能な装置を関節動作させるシステムの略図を示す。 コネクタアセンブリの斜視図である。 曲げ可能な装置又は制御可能な物品がセグメント化内視鏡である実施形態を示す。 セグメントを曲げる単一テンドンの部分略図を示す。 Ａ〜Ｃは、通路を横切る内視鏡を示す。 ３本の制御ケーブルの使用による曲げ運動の範囲を説明する。 Ａ〜Ｅは、セグメントを曲げるために３個の制御要素の使用を示す。 ＡとＢは、セグメントを曲げるために２本の制御ワイヤの使用を示す。 装置の位置を決定する方法を示すフローチャートである。

符号の説明

１０５ アクチュエータ
１０９ ハウジング
１１０ コネクタアセンブリ
１２０ キャリッジアセンブリ
１３０ 力伝達要素
１０００ システム
１１００ 制御可能な物品
１１１０ 力発生器
１１２０ コネクタアセンブリ
１１４０ ユーザー入力装置
２５１０ テンドン駆動式内視鏡
２５１４ 近位部
２５１６ 遠位部
２５２２ セグメント
２５２４ ハンドル
２５４０ 電子コントローラ
２５４２ 制御ケーブル
２５５０ 記録装置
２６０１ セグメント
２６０５ アクチュエータ
２６１０ ボーデンケーブル
２６１２ テンドンケーブル
２６１４ スリーブ

Claims (24)

1. 曲げ可能な装置の形状を決定する方法において、
   装置を曲げることなく、少なくとも２個の制御要素を第１量と第２量だけ移動させるステップと、第１量と第２量を測定するステップと、第１量と第２量から装置の形状を決定するステップとを備える方法。
2. 上記移動ステップが、制御要素に接続されたアクチュエータを使用せずに実行される請求項１に記載の方法。
3. 上記移動ステップが、上記測定ステップの前に少なくとも２個の制御要素からゆるみを除去する請求項１に記載の方法。
4. 上記除去ステップが、既知の駆動指令をアクチュエータに付与することにより行われる請求項３に記載の方法。
5. 駆動指令が、装置の位置を変更するには不十分である請求項４に記載の方法。
6. 上記除去ステップが、アクチュエータを少なくとも２個の制御要素の一方に連結するコネクタにおいてなされる張力測定を用いて行われる請求項３に記載の方法。
7. 上記除去ステップが、センサーからの入力を受けるフィードバックループを用いて行われる請求項３に記載の方法。
8. 上記センサーからの入力が、制御要素の張力測定に関する請求項７に記載の方法。
9. 上記センサーが、曲げ可能な装置の上又は中に配置された請求項７に記載の方法。
10. 上記センサーが、曲げ可能な装置をアクチュエータに接合するコネクタの上又は中に配置された請求項７に記載の方法。
11. 上記センサーが、制御要素に接続されたアクチュエータの上又は中に配置された請求項７に記載の方法。
12. 第１時間中に第１力限界で少なくとも２個の制御要素からゆるみを除去した後、第２時間中に異なる第２力限界で少なくとも２個の制御要素からゆるみを除去するステップを更に備える請求項３に記載の方法。
13. 第１力限界が第２力限界より小さい請求項１２に記載の方法。
14. 第１時間中のゆるみ除去速度が、第２時間中のゆるみ除去速度より大きい請求項１２に記載の方法。
15. 上記決定ステップが、第１量及び第２量を装置の形状に相関付けるルックアップテーブルを用いることを備える請求項１に記載の方法。
16. 上記決定ステップが、第１量及び第２量と装置の形状の間のモデル化運動学関係を用いることを備える請求項１に記載の方法。
17. 上記決定ステップが、少なくとも２個の制御要素の計算位置デルタを用いる請求項１に記載の方法。
18. 上記決定ステップが、少なくとも２個の制御要素内の相補制御要素の計算位置デルタを用いる請求項１に記載の方法。
19. 上記決定ステップが、少なくとも２個の制御要素内の１対の対向する制御要素の計算位置デルタを用いる請求項１に記載の方法。
20. 上記測定ステップが、更に、装置を曲げるのに使用されていない制御要素を移動させることと、装置を曲げるのに使用されていない制御要素の計算位置デルタを決定することとを備える請求項１に記載の方法。
21. 上記決定ステップが、装置を曲げるのに使用されていない制御要素の計算位置デルタを用いる請求項２０に記載の方法。
22. 上記移動ステップの前に、曲げ可能な装置を管腔内に位置決めするステップを更に備える請求項１に記載の方法。
23. 上記移動ステップが、装置に作用する管腔によって行われる請求項１に記載の方法。
24. 上記管腔の形状を決定するために、上記決定ステップを用いるステップを更に備える請求項２２に記載の方法。

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