JP2012157744A - モジュール式力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】モジュール式力センサ装置を提供すること。
【解決手段】力およびトルクの感知、ならびに遠隔ロボット手術を行う外科医へのフィードバックを向上するための、モジュール式力センサ装置、方法およびシステムが提供される。一実施形態では、モジュール式力センサは、複数のひずみゲージを含む管部分と、ロボット手術システムのマニピュレータアームに動作可能に結合することができる手術器具のシャフトに、動作可能に結合するための近位管部分と、末端部分に結合される手首関節に近位で結合するための遠位管部分とを含む。
【選択図】図３Ａ

Description

本発明は、概して手術ロボットシステムに関し、より具体的には、手術器具に加えられた力を感知するための改良型システム、装置、および方法に関する。

ロボット支援手術において、外科医は一般的に、患者から離れている場所（例えば、患者から離れた手術室の反対側や異なる部屋、または全く異なる建物等）から、手術部位における手術器具の動作を制御するマスタコントローラを操作する場合がある。マスタコントローラは、通常、ハンドヘルドのリストジンバル、ジョイスティック、外骨格グローブ（ｅｘｏｓｋｅｌｅｔａｌ ｇｌｏｖｅ）、ハンドピース等の手入力デバイスを１つ以上含み、これらのデバイスは、手術部位における器具の位置や向きを、関節を介して操作するためのサーボモータを備えたコントローラを介して、手術器具に動作可能に結合されている。サーボモータは、一般的には、電気機械デバイス、または、手術器具（切開された手術部位に直接、または、患者の腹部等の体腔内に切開により挿入されたトロッカースリーブを通して導入されている）を支持し、制御するために互いに連結された複数の関節や接点等を含む手術マニピュレータアーム（「スレーブ」）の一部である。外科手術に依存して、外科医の種々の機能（例えば、組織の牽引、針の保持もしくは駆動、縫合、血管の把持、または、組織の切開、焼灼、もしくは凝固等）を実行するために、組織把持器、針ドライバ、電気外科用焼灼プローブ等、種々の手術器具が利用可能である。外科医は、手術の間、非常に多くの異なる手術器具／道具を使用する場合がある。

遠隔ロボット手術を行う新たな方法は、多くの課題を新たに生み出した。そのような課題の一つは、ロボットマニピュレータを介して手術器具により操作されている組織を正確に「感じる」能力を、外科医に提供することである。外科医は、器具または縫合糸によって加えられる力の視覚的な標示に頼らざるを得ない。システムの手の制御機器を通して、あるいは視覚的表示や可聴音等の他の手段によって、ユーザである外科医に力やトルクのフィードバックを与えるには、ロボット内視鏡手術器具のエンドエフェクタ等（例えば、ジョー、把持器、刃等）の器具の先端に加わる力やトルクを感知することが望ましい。ＤＬＲのＧ．Ｈｉｒｚｉｎｇｅｒの研究室によるこの目的のための１つのデバイスが、非特許文献１に記載されており、その内容は、すべての目的において、参照することにより本願に組み入れられる。しかし、その設計では、手首関節に遠位に（あるいは外側に）力センサを配置していることが不利であり、これにより、ワイヤまたは光ファイバが屈曲する手首関節を通らなければならず、かつ、ヨー軸とグリップ軸が別個の旋回軸に位置しなければならなかった。

もう一つの問題は、手術を行うためには一般に比較的小さな器具が望ましいため、エンドエフェクタの機械的作動のために必要なワイヤを、可能な限り小さい空間に収納し配置することであった。
Ｆ．Ｃｅｐｏｌｉｎａ ａｎｄ Ｒ．Ｃ．Ｍｉｃｈｅｌｉｎｉ、「Ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ Ｆｉｘｔｕｒｅｓ ｆｏｒ Ｌｏｗ−Ｉｎｖａｓｉｖｅｎｅｓｓ Ｓｕｒｇｅｒｙ」、Ｉｎｔ’ｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｅｄｉｃａ１ Ｒｏｂｏｔｉｃｓ ａｎｄ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ａｓｓｉｓｔｅｄ Ｓｕｒｇｅｒy、Ｖｏｌ．ｌ、Ｉｓｓｕｅ １，ｐａｇｅ ５８

したがって、患者の手術部位において手術器具を遠隔制御するための、改良された遠隔ロボットシステムおよび方法が必要とされている。特に、これらのシステムおよび方法は、ユーザによる器具の認識および制御を改善するために、力およびトルクの正確なフィードバックを外科医に提供するように、構成されなければならない。

本発明は、ロボット手術を行っている外科医への力およびトルクのフィードバック、ならびに外科医による力およびトルクの感知を改善するための装置、システムおよび方法を提供する。一実施形態では、モジュール式力センサは、複数のひずみゲージを含む管部分と、ロボット手術システムの操作アームに動作可能に結合することができる手術器具のシャフトに、動作可能に結合するための近位管部分と、末端部分に結合される手首関節に、近位で結合するための遠位管部分とを含む。

軸方向に配向したひずみゲージのグループが、モジュール式装置を介してロボット手術器具の可動式手首の近位（または内側）の器具のシャフトの遠位端の上またはその近くに位置し、器具の遠位先端での力およびトルクを、（可動式手首等での）先端の構成の変化または定常状態の温度の変動によるエラーを伴わずに感知する。

有利には、本発明は、力および／またはトルクの感知および外科医へのフィードバックを改善し、器具の柔軟な手首関節に繊細なワイヤを通す問題を実質的に排除する。力センサ装置は、別個のモジュール式コンポーネントとして製造、テスト、較正が行われ、従来の器具組立工程において他のコンポーネントと一体化されてもよい。さらに、センサ構造部材に対して、設計上の考慮によってセンサに必要な機械的特性に悪影響を与えるような器具のシャフトの材料とは異なる材料を選択することができる。

本発明の範囲は請求項によって定義され、これは参照することにより本項に組み入れられる。当業者は、以下の１つ以上の実施形態の詳細な説明を鑑みて、本発明の実施形態をより完全に理解することができるとともに、そのさらなる利点を理解することができるであろう。最初に、簡単に説明された図面の添付用紙を参照されたい。
本発明は、例えば、以下を提供する。
（項目１）
モジュール式力センサ装置であって、
複数のひずみゲージを含む管部分と、
該複数のひずみゲージを覆っているカバーと、
ロボット手術システムのマニピュレータアームに動作可能に結合することができる手術器具のシャフトに、動作可能に結合する近位管部分と、
末端部分に結合される手首関節に、近位で結合する遠位管部分と
を備える、モジュール式力センサ装置。
（項目２）
上記管部分は陥没しており、上記近位管部分は隆起している、項目１に記載の装置。
（項目３）
上記管部分は、上記手術器具の上記シャフトの材料とは異なる材料を含む、項目１に記載の装置。
（項目４）
上記複数のひずみゲージは、４個ずつの２つのグループから成る８個のひずみゲージを含み、１つのグループのひずみゲージのそれぞれは、上記シャフトの周りで９０度の間隔を置いている、項目１に記載の装置。
（項目５）
上記複数のひずみゲージは、３個ずつの２つのグループから成る６個のひずみゲージを含み、１つのグループのひずみゲージのそれぞれは、上記シャフトの周りで１２０度の間隔を置いている、項目１に記載の装置。
（項目６）
上記複数のひずみゲージは、上記シャフトの周りで９０度の間隔を置いている４個のひずみゲージを含む、項目１に記載の装置。
（項目７）
上記複数のひずみゲージは、上記シャフトの周りで１２０度の間隔を置いている３個のひずみゲージを含む、項目１に記載の装置。
（項目８）
各ひずみゲージは、上記陥没している管部分の縦方向軸と平行な軸に沿って、１個の別のひずみゲージと整列させられる、項目１に記載の装置。
（項目９）
上記ひずみゲージのそれぞれのひずみ感知主方向は、上記シャフトの縦方向軸と平行に配向させられる、項目１に記載の装置。
（項目１０）
上記複数のひずみゲージは、光ファイバ、箔、弾性表面波、および半導体型ひずみゲージより成る群から選択される、項目１に記載の装置。
（項目１１）
ひずみゲージは、ファブリ・ペロー型ひずみゲージおよびファイバブラッググレーティング型ひずみゲージより成る群から選択される、項目１に記載の装置。
（項目１２）
上記カバーは、ガラス繊維、樹脂、および電気遮蔽物より成る群から選択される材料から成る、項目１に記載の装置。
（項目１３）
上記近位管部分は、上記管部分の縦方向軸に沿った複数の溝を含む、項目１に記載の装置。
（項目１４）
上記手首関節は、ヨー軸およびグリップ軸のための共通の旋回軸を共有する、項目１に記載の装置。
（項目１５）
上記末端部分は、ジョー、鋏、把持器、持針器、マイクロダイセクタ、ステープル留め器、鋲打ち器、吸引洗浄具、クリップ留め器、切断刃、焼灼プローブ、洗浄器、カテーテル、および吸引オリフィスより成る群から選択される、項目１に記載の装置。
（項目１６）
モジュール式力センサ装置であって、
複数のひずみゲージを有する管部分と、ロボット手術システムのマニピュレータアームに動作可能に結合することができる手術器具のシャフトに、動作可能に結合する近位管部分とを含む内管と、
該内管を覆っている外管であって、該近位管部分に固定して結合され、該外管からの軸方向荷重に実質的に干渉せずに横方向荷重を感知するために、該内管の遠位管部分に動作可能に結合される、外管と
を備える、モジュール式力センサ装置。
（項目１７）
上記外管は、エラストマを介して上記遠位管部分に動作可能に結合される、項目１６に記載の装置。
（項目１８）
上記外管は、低摩擦材料から成る環状リングを介して上記遠位管部分に動作可能に結合される、項目１６に記載の装置。
（項目１９）
上記外管は、低摩擦コーティングを介して上記遠位管部分に動作可能に結合される、項目１６に記載の装置。
（項目２０）
上記管部分は、上記手術器具の上記シャフトの材料とは異なる材料から成る、項目１６に記載の装置。
（項目２１）
上記複数のひずみゲージは、４個ずつの２つのグループから成る８個のひずみゲージを含み、１つのグループのひずみゲージのそれぞれは、上記シャフトの周りで９０度の間隔を置いている、項目１６に記載の装置。
（項目２２）
上記複数のひずみゲージは、３個ずつの２つのグループから成る６個のひずみゲージを含み、１つのグループのひずみゲージのそれぞれは、上記シャフトの周りで１２０度の間隔を置いている、項目１６に記載の装置。
（項目２３）
上記複数のひずみゲージは、上記シャフトの周りで９０度の間隔を置いている４個のひずみゲージを含む、項目１６に記載の装置。
（項目２４）
上記複数のひずみゲージは、上記シャフトの周りで１２０度の間隔を置いている３個のひずみゲージを含む、項目１６に記載の装置。
（項目２５）
上記複数のひずみゲージは、光ファイバ、箔、弾性表面波、および半導体型ひずみゲージより成る群から選択される、項目１６に記載の装置。
（項目２６）
ひずみゲージは、ファブリ・ペロー型ひずみゲージおよびファイバブラッググレーティング型ひずみゲージより成る群から選択される、項目１６に記載の装置。
（項目２７）
上記外管は、ガラス繊維、樹脂、および電気遮蔽物より成る群から選択される材料から成る、項目１６に記載の装置。
（項目２８）
上記末端部分は、ジョー、鋏、把持器、持針器、マイクロダイセクタ、ステープル留め器、鋲打ち器、吸引洗浄具、クリップ留め器、切断刃、焼灼プローブ、洗浄器、カテーテル、および吸引オリフィスより成る群から選択される、項目１６に記載の装置。
（項目２９）
上記近位管部分は、上記管部分の縦方向軸に沿った複数の溝を含む、項目１６に記載の装置。

図１Ａは、本発明の実施形態によるロボット手術システムおよび方法の斜視図である。 図１Ｂは、本発明の実施形態による、図１Ａのロボット手術システムのロボット手術アームシステムの斜視図である。 図１Ｃは、本発明の実施形態による、図１Ａのロボット手術システムのマスタコンソールの正面斜視図である。 図２は、本発明の実施形態による、手首関節の近位（または内側）に動作可能に結合されたモジュール式力センサ装置を含む手術器具の斜視図である。 図３Ａは、本発明の実施形態による、モジュール式力センサ装置の斜視図である。 図３Ｂは、本発明の実施形態による、手術器具のシャフトおよび末端部分に動作可能に結合された、図３Ａのモジュール式力センサを示す。 図３Ｃは、本発明の実施形態による、モジュール式力センサの一部を覆っている保護カバーを備えた、図３Ａのモジュール式力センサを示す。 図４Ａは、本発明の他の実施形態による、モジュール式力センサ装置の内管の斜視図である。 図４Ｂは、本発明の実施形態による、モジュール式力センサ装置の図４Ａの内管を覆っている外管／カバーの部分断面図である。 図４Ｃは、本発明の実施形態による、モジュール式力センサ装置の図４Ｂの内管および外管の間に介在する材料と、モジュール式力センサ装置に動作可能に結合されたワイヤまたは光ファイバとを示す。 図４Ｄは、本発明の実施形態による、手術器具の手首関節の近位（または内側）に動作可能に結合されたモジュール式力センサ装置の部分断面図を示す。

本発明の実施形態およびその利点は、以下に続く詳細な説明を参照することにより最も良く理解される。１つ以上の図において示される同様の要素を識別するために、同様の参照数字が使用されていることを理解されたい。また、図は必ずしも実寸とは限らないことを理解されたい。

本発明は、特に開放外科手術、神経外科手術（定位脳手術等）、および内視鏡外科手術（腹腔鏡検査、関節鏡検査、胸腔検査等）を含む、ロボット支援外科手術を患者に対して行う間に、組織に加わる力を感知するためのマルチコンポーネントのシステム、装置、および方法を提供する。本発明の装置および方法は、外科医が患者から離れた場所からサーボ機構を介して手術器具を操作することができる、遠隔ロボット手術システムの一部として特に有用である。そのためには、本発明のマニピュレータ装置またはスレーブは、通常、力の反映（ｆｏｒｃｅ ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）によるテレプレゼンスシステムを形成するために、６以上の自由度（例えば、位置に対する自由度３、向きに対する自由度３）を有する運動的に等価なマスタによって駆動される。好適なスレーブ−マスタシステムの説明は、１９９５年８月２１日出願の米国特許出願第０８／５１７，０５３号に見ることができ、そのすべての開示は、すべての目的において、参照することにより本願に組み入れられる。

図面を詳細に参照すると、同様の数字は同様の要素を示すが、本発明の実施形態によるロボット手術システム１０が示されている。図１Ａ〜１Ｃに示されているように、ロボットシステム１０は、一般に、手術台Ｏの上または近くに置かれた１つ以上の手術マニピュレータアセンブリ５１と、外科医Ｓが手術部位を観察してマニピュレータアセンブリ５１を制御することができるようにするための、外科医用コンソール９０に位置するマスタ制御アセンブリとを含む。また、システム１０は、１つ以上の観察鏡アセンブリと、マニピュレータアセンブリ５１に取り外し可能に結合されるように構成された複数の手術器具アセンブリ５４とを含む（以下でより詳細に説明する）。ロボットシステム１０は、通常、少なくとも２つのマニピュレータアセンブリ５１、好ましくは３つのマニピュレータアセンブリ５１を含む。マニピュレータアセンブリ５１の正確な数は、特に外科手術および手術室内の空間的制約という要因に依存する。以下に詳細に説明するように、アセンブリ５１の１つは、一般的には、手術部位を観察するための観察鏡アセンブリ（例えば内視鏡手術等で）を操作し、一方、他のマニピュレータアセンブリ５１は、患者Ｐに対して種々の処置を行うために手術器具５４を操作する。

外科医がそのアシスタントに話しかけて、直接手術処置を監視することができるように、通常は手術台Ｏと同じ部屋に位置する外科医用コンソール９０に、制御アセンブリが位置してもよい。しかし、外科医Ｓは患者Ｐとは異なる部屋、または全く異なる建物に位置してもよいことを理解されたい。マスタ制御アセンブリは、一般的に、支持部と、手術部位の画像を外科医Ｓに表示するためのモニタと、マニピュレータアセンブリ５１を制御するための１つ以上のマスタとを含む。マスタは、ハンドヘルドのリストジンバル、ジョイスティック、グローブ、トリガガン、手動コントローラ、音声認識デバイス等、種々の入力デバイスを含んでもよい。好ましくは、マスタは、関連した手術器具アセンブリ５４と同じ自由度を備え、テレプレゼンス、つまり外科医が手術部位のすぐそばにいて作業しているという認識と、直感、つまり、まるで自分の手の一部のように直接的および直感的に器具５４を制御しているという強い感覚を外科医が持つような、マスタが器具５４と一体化しているという認識とを、外科医に提供する。遠隔ロボットシステムを操作しているときに、手術器具から外科医の手に位置、力、および触知的な感覚が伝達されるように、位置、力、および触覚のフィードバックセンサ（図示せず）が、器具アセンブリ５４上に使用されてもよい。操作者にテレプレゼンスを提供するための好適なシステムおよび方法の１つが、１９９５年８月２１日出願の米国特許出願第０８／５１７，０５３号に記載されており、これは前述のように参照することにより本願に組み入れられる。

手術部位の画像が外科医用コンソール上の外科医の手に隣接して提供されるように、モニタ９４は観察鏡に適切に接続される。好ましくは、モニタ９４は、外科医が実際に手術野を覗き込んでいると感じるように配向されているディスプレイ上に画像を表示する。そのために、手術器具５４の画像は、観察点（つまり、内視鏡または観察カメラ）が画像の視点からではない場合でも、実質的に操作者の手が位置している場所に位置しているように見える。さらに、好ましくは、操作者が、エンドエフェクタおよび手の制御機器を、実質的に実物の作業空間を見ているかのように操作できるように、リアルタイムの画像が立体画像に変換される。実物とは、画像の描写が、手術器具５４を物理的に操作している操作者の視点をシミュレートしている真の立体画像であることを意味するものである。このように、コントローラ（図示せず）は、立体画像が、カメラまたは内視鏡が手術器具５４のすぐ後ろに位置しているかのように見える画像となるように、手術器具５４の座標を認識された位置に変換する。この仮想の画像を提供するための好適な座標変換システムが、１９９４年５月５日出願の米国特許出願第０８／２３９，０８６号（現在では米国特許第５，６３１，９７３号）に記載されており、その開示の全体が、すべての目的において、参照されることにより本願に組み入れられる。

マスタの機械的な動作をマニピュレータアセンブリ５１に伝えるために、サーボ制御が提供される。サーボ制御は、コンソール９０とは分離されていても一体化されていてもよい。サーボ制御は、通常、手動マスタに、手術器具５１からの力およびトルクのフィードバックを提供する。さらに、サーボ制御は、認識された望ましくない状態（患者への過剰な力の付加、一致しないエンコーダの読取値等）に反応してシステム動作を安全に中断するか、あるいは少なくともすべてのロボットの動作を抑制するために、安全監視コントローラ（図示せず）を含んでもよい。システムが、外科医によって使用される手の急速な動作に迅速かつ正確に反応しながら、望ましくない外科医の手の揺れを除去することができるように、サーボ制御は、好ましくは、少なくとも１０Ｈｚの３ｄＢカットオフ周波数を有するサーボバンド幅を有する。本システムで効果的に操作するためには、マニピュレータアセンブリ５１は、比較的低い慣性を有し、駆動モータは比較的低い比歯車または滑車結合を有する。本発明の実践には、任意の適切な通常または専用のサーボ制御が使用されてもよく、システムのテレプレゼンスでの操作には、力およびトルクのフィードバックを組み込んだものが特に好ましい。

図２を参照すると、本発明の実施形態による、固いシャフト１１０の遠位端と、手首関節１２１の近位に動作可能に結合されたモジュール式力センサ装置１００とを含む手術器具５４の斜視図が示されている。手術用エンドエフェクタ等の末端部分１２０は、手首関節１２１を介して力センサ装置１００に結合される。筐体１５０は、堅いシャフト１１０の近位端に動作可能に結合され、機械的および電気的に器具５４をマニピュレータ５１に結合するインタフェース１５２を含む。

次に、図３Ａ〜３Ｃとともに図１Ａ〜１Ｃおよび図２を参照すると、本発明の実施形態による、力および／またはトルクを感知して外科医にフィードバックするための、改良された装置、システムおよび方法が説明される。図３Ａは、ある実施形態において、管１０２の表面に設置され、軸方向（管の縦方向軸ｚに平行）に配向している複数（例えば３、４、６または８）のひずみゲージ１０４（例えば１０４ａおよび１０４ｂ）を含む管１０２を含む、モジュール式力センサ装置１００を示す。図３Ｂは、本発明の実施形態による、シャフト１１０および末端部分１２０に動作可能に結合された、図３Ａのモジュール式力センサ装置１００を示す。図３Ｃは、管１０２を覆っているカバーまたはスリーブ１１３を含む、モジュール式力センサ装置１００の断面図を示す。

本発明の実施形態によれば、力センサ装置１００は、先端から所定の距離離れたところで、腹腔鏡手術器具５４のシャフト１１０の一部として組み込まれるように構成された、別個に製造可能なモジュールであって、先端には、特別のジョー、切断デバイス、または他の末端部分１２０を備えた、関節運動する手首があってもよい。一例では、管１０２は、十分強度のある材料でできていてもよく、また、末端部分１０２ｂおよび１０２ｃと、その間の陥没部分１０２ａとを含む、糸巻き形状であってもよい。ひずみゲージ１０４は、陥没部分１０２ａの表面に設置されてもよい。近位管部分１０２ｃは、手術器具５４のシャフト１１０に動作可能に結合し、遠位管部分１０２ｂは、手首関節１２１に動作可能に結合する。一例では、完成された力センサ装置の直径は、器具のシャフトの直径と一致し、これにより器具のアセンブリ全体（組み合わされた力センサ装置を含む）は余分な摩擦または障害なくカニューレまたはシールを通過することができる。

力センサ装置１００は、末端部作動用ケーブルまたはロッドのための貫通路１０９を含む。末端部分１０２ｂの末端特徴１０８は、器具の主シャフトと、手首／ジョー／器具の他の末端サブアセンブリとの確実な取付けおよび角度調整を保証する。ひずみゲージ１０４からのリード線または光ファイバ１１６（例えばシールド付きツイストペアケーブル、同軸ケーブル、またはファイバケーブル）は、管１０２の近位管部分１０２ｃの溝１１２と、手術器具５４のシャフト１１０の対応する溝にはめ込まれてもよい。リード線または光ファイバ１１６は、その後、エポキシ等の粘着性のある埋め込み用樹脂中に埋め込まれてもよい。

一実施形態では、図３Ｃに示されるように、管１０２の表面上に設置されたひずみゲージ１０４および他の回路素子上に、カバー１１３が配置されてそれらを包み込み、それによりセンサの機械的保護が提供される。一例では、カバー１１３は、陥没部分１０２ａの上にはめ込まれた、機械的に保護するための織物スリーブであり、織物樹脂含浸ガラス繊維または金属編みの電気遮蔽物より成る。

２００５年１２月３０日出願の米国仮出願第６０／７５５，１０８号（この内容は前述のように参照することにより本願に組み入れられる）に開示されているように、ひずみゲージ１０４は、管１０２の外周に沿って、環状に一定の間隔を置かれてもよい（例えば、１２０度間隔で３つのゲージ、または９０度間隔で４つのゲージ等）。センサからの信号は、種々の和や差で算術的に結合され、器具の先端に付加された３つの垂直な力（例えば、Ｆｘ、Ｆｙ、およびＦｚ）と、シャフト軸に垂直な２つの軸（つまりｘ軸およびｙ軸）の周りのトルクの測定値を得る。本発明によれば、２組または２環のゲージを使用した場合、器具の遠位端での関節運動する手首機構の方向や有効レバーアーム長とは無関係に、力の測定が行われる。末端部分１２０に対して付加される力は、力感知素子によって検出され、力感知素子は、外科医にこれらの力を知らせるためのインタロゲータまたはプロセッサを介して（例えばマスタを介して）サーボ制御部に動作可能に結合されることができる。管の上の軸方向に異なる位置に、同様に配向したゲージの第２の環（例えば、３つのゲージを２組または４つのゲージを２組）を加えることにより、さらに加えられたトルクの情報（例えばＴｘおよびＴｙ）、および器具の手首の長さ、向き、および結果的なジョーの距離に対する力データの依存性の排除を獲得することができる。

一例では、従来の箔型の抵抗ゲージ、半導体ゲージ、ブラッググレーティング（Ｂｒａｇｇ ｇｒａｔｉｎｇ）もしくはファブリ・ペロー（Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ）技術を用いた光ファイバ型ゲージ、または、ひずみ感知弾性表面波（ＳＡＷ）デバイス等の他のゲージを含む、種々のひずみゲージを使用することができるが、これらに限定されない。光ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）ゲージは、既知の間隔で１つのファイバに沿って２つの感知素子が配置されることができ、これにより器具のシャフトに沿って４つのファイバを提供するだけでよいという点で、有利な場合がある。

どちらのファイバ技術も、光学的に符号化されたひずみ情報を、ロボット手術システムのコンピュータ制御ハードウェアに適合する電気信号に復号する、インタロゲータユニットが必要である。続いて、ひずみゲージ／センサからの信号に従って力を計算するために、プロセッサが使用されてもよい。

さらに、併設されたひずみのないゲージまたはポアソンひずみゲージがあってもよく、これらのゲージは各軸方向のゲージに隣接して外周方向に配向され、温度効果を排除するためのブリッジ完結回路に組み込まれる。ひずみゲージブリッジ回路は、器具先端のジョーに付加される横方向の力（ＦｘおよびＦｙ）による曲げ荷重に対する最良の信号を生成するように完成される。

抵抗箔または半導体ひずみゲージでは、雑音源を取り除くためにゲージ出力信号を増幅、フィルタリング、および／または変調するハイブリッド回路として、ベアダイ（ｂａｒｅ ｄｉｅ）演算増幅器等の能動部品と、二次抵抗またはコンデンサ等の受動部品とが、ボンドワイヤまたは光ファイバまたは厚いフィルム回路トレースで接続されたひずみゲージに隣接して取り付けられてもよい。そのような部品は、光ファイバゲージには必要がない。

力センサ装置１００が結合する手術器具５４は、器具のシャフト１１０の近位端での平行な導電トレースによる、外周方向に巻かれた絶縁されたフレックス回路型サービスループを含み、入力ゲージ励起電力および出力ゲージ信号を器具５４の固定筐体１５０へ伝えるとともに、器具のシャフトの実質的に自由な回転も可能にすることができる。

筐体１５０は、一実施形態では、無菌アダプタインタフェース１５２を介して、ロボットマニピュレータアーム５１と動作可能に連結される。該当する筐体、無菌アダプタインタフェース、およびマニピュレータアームは、米国特許出願第１１／３１４，０４０号および米国仮出願第６０／７５２，７５５号（ともに２００５年１２月２０日出願）に記載されており、これらの開示の全体（その中で参照により組み入れられているすべての文献を含む）が、すべての目的において、参照することにより本願に組み入れられる。該当するシャフト、末端部分、筐体、無菌アダプタ、およびマニピュレータアームは、カリフォルニア州サニーベールのＩｎｔｕｉｔｉｖｅ Ｓｕｒｇｉｃａｌ Ｉｎｃ．から入手可能である。

好ましい構成では、末端部分１２０は、マニピュレータアーム５１からの動作および電気信号を伝える、シャフト１１０および筐体１５０を通るケーブルを介した、ピッチおよびヨー運動、ｚ軸周りの回転、ならびにエンドエフェクタの作動を含む可動域を有する。ｘ軸、ｙ軸、およびｚ軸に沿った末端部分１２０の動きは、マニピュレータアーム５１により提供することができる。駆動アセンブリ、アーム、前腕アセンブリ、アダプタ、および他の該当する部品が、例えば、米国特許第６，３３１，１８１号、第６，４９１，７０１号、および第６，７７０，０８１号に記載されており、それらの開示の全体（その中で参照により組み入れられているすべての文献を含む）が、すべての目的において、参照することにより本願に組み入れられる。

本発明によれば、ジョー、鋏、把持器、持針器、マイクロダイセクタ、ステープル留め器、鋲打ち器、吸引洗浄具、クリップ留め器、切断刃、洗浄器、カテーテル、および吸引オリフィス等のエンドエフェクタを有する用具および有しない用具を含むが、これらに限定されない種々の手術器具を改良することができることに留意されたい。あるいは、手術器具は、組織の剥離、切除、切断または凝固のための電気手術プローブを備えてもよい。そのような手術器具は、カリフォルニア州サニーベールのＩｎｔｕｉｔｉｖｅ Ｓｕｒｇｉｃａｌ Ｉｎｃ．から市販されている。

上述の方法および装置において、較正工程を用いることが有利であり、本工程では、力とトルクの組み合わせが並行して、同時に、あるいは組み合わされて器具の先端に加えられながら、Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｔｘ、およびＴｙを得るためにゲージ出力を結合するための理論方程式に適用される補正係数およびオフセットが決定される。本較正は、補正係数およびオフセットを直接計算するか、もしくは、較正備品中または器具そのものの中に埋め込まれたニューラルネットワーク等の学習システムによって行われてもよい。いかなる較正方法においても、較正データは、器具が使用されている間も、個々の器具を使用する手術システムが正確にその補正係数およびオフセットを識別し適用することができるように、器具に埋め込まれた集積回路にプログラムされてもよい。

有利には、本発明の力センサ装置１００は、ロボット内視鏡手術器具のサイズおよび形状の制約に適応することができ、種々の器具に適する。それに伴い、末端部分１０２ｂ、１０２ｃは、種々の適合する形状やサイズに形成することができる。さらに、力センサ装置１００は、別個のモジュール式コンポーネントとして製造、テスト、較正が行われ、従来の器具組立工程において他のコンポーネントと一体化されてもよい。また、センサは、器具のシャフト上の接点と接合する好適な電気接点を備えたスリップオン式のモジュールとし、より高価なセンサを、限られたサイクル寿命のより低価格の器具と合わせて使用することができるようにしてもよい。さらに、センサ構造部材１０２は、設計上の考慮によって、センサに必要な機械的特性に悪影響を与えるような器具のシャフト１１０の材料とは異なる有利な材料から成ってもよい。

次に、図４Ａ〜４Ｄを参照すると、本発明の他の実施形態によるモジュール式力センサ装置２００が示されている。図１〜３に関連した上述のものと実質的に同様の部品または要素の説明は、図４Ａ〜４Ｄに関連する本実施形態においても適用されるが、重複する部分は省略される。

図４Ａは、本発明の実施形態による、モジュール式力センサ装置２００の内管２１８の斜視図である。内管２１８は、近位の隆起した末端部分２１８ｂと、陥没部分２１８ａとを含む。図１〜３に関連して上述したようなひずみゲージを、陥没部分２１８ａの表面に設置することができる。隆起した末端部分２１８ｂは、ひずみゲージ２０４からのリード線または光ファイバを通すための溝１１２を含んでもよい。

図４Ｂは、内管２１８を覆っている外管２１４の部分断面図である。一例では、力センサ装置２００の外管２１４は十分に強度のある材料でできた、同心状の管構造部材であって、ひずみゲージ、ならびに内管２１８および外管２１４の間の環状の隙間の中にある他の電子部品を包み込むことができる。一実施形態では、同心状の管は、近位部分２１８ｂの近くの近位端で固定結合されるとともに、遠位部分の近くの遠位端との間の狭い環状の隙間がエラストマー材料２１５で満たされ、該材料は、手首またはジョー作動装置ケーブルまたはロッドの変化する大きな軸方向の力が、ひずみゲージを備えた内管を介して伝達することを防ぐ。ゲージを備える一部分離された管は、外管であっても内管であってもよいことに留意されたい。組になった分離されていない管は、軸方向のケーブル全体の荷重を支えることができる。ゲージを環境から分離するために、ゲージは内側の管に設置することができることが好ましい。そのような実施形態では、外管２１４は、軸方向のケーブルの力を支え、かつ外管が機械的な保護を提供し、場合によっては内管２１８上のゲージ２０４に対するＥＭＩ遮蔽として機能することができるようにする。

図４Ｃは、モジュール式力センサ装置２００の内管２１８と外管２１４との間のエラストマー材料２１５と、ゲージ２０４に結合されたワイヤまたは光ファイバケーブル２１６を描いている。図４Ｄは、本発明の実施形態による、手術器具の手首関節２２１の近位に動作可能に結合されたモジュール式力センサ装置２００の部分断面図を示す。ひずみゲージ２０４からのリード２１６（例えばシールド付きツイストペアケーブル、同軸ケーブル、またはファイバケーブル）は、管２１８の近位管部分２１８ｂの溝２１２と、手術器具のシャフト２１０の対応する溝にはめ込まれてもよい。リード２１６は、次にエポキシ等の粘着性のある埋め込み用樹脂の中に埋め込まれてもよい。

一例では、センサを備える外管が後方の機械装置の筐体に固定して設置される場合、回転関節サービスループを必要としないために、ワイヤの経路を単純化することができる。

有利には、エラストマーの相対的なせん断および圧縮特性が本設計概念を可能にする。低いせん断弾性係数を有する好適なエラストマー２１５は、センサを備えた管（上述のように管の一端でのみ固定接続されている）に対する、ケーブル荷重を支える管の相対的圧縮および伸張を可能にする。このように、ケーブル荷重および荷重変化はセンサに影響を与えない。一方、２つの比較的固い表面の間（表面の間の隙間は表面の広がりと比較して小さい）に閉じ込められたエラストマーは、閉じ込めている表面に垂直な方向（この場合では組み合わされた環状の管構造の半径方向）では、ほぼ非圧縮性の固定接続として振る舞う。これにより、軸方向に荷重がかかった管にもたらされる曲げモーメントは、センサ管に伝達され共有される。このように、センサ管は、器具の手首およびジョーへの横向き荷重による曲げモーメントを有利に検出することができるが、他の管が支える、より高い可変のケーブル荷重からの著しい干渉または「雑音」を受けることがない。有利には、内視鏡手術器具の力センサにおいて、荷重を支える部材を切り離すことにより、力センサに対する望ましい横方向のジョーの荷重により発生する曲げモーメントから、ジョー作動装置の望ましくない緊張材力（ｔｅｎｄｏｎ ｆｏｒｃｅ）を分離することができる。

あるいは、一方の端でケーブル荷重を支える管から、センサを備える管を軸方向に開放することの望ましい効果が、密着するよう機械加工された管の接続されていない端の間の環状の隙間に、より硬く低摩擦の材料の環状リングを挿入することによって得られ、それにより相対的な軸方向の動作を可能にしながら、横方向の先端の力による曲げモーメントに関連した横方向の動作を伝達することができるようにしてもよい。他の代替法は、密着するように管を形成し、遠位端の１つあるいは両方の面に低摩擦コーティングを施すことである。しかし、これらの代替法は、どれ程の密着度が信頼性をもって得られるかに依存して、センサ反応にわずかな不感帯を生じさせる場合がある。内管および外管の熱膨張係数もまた一致していなければならず、そうでなければ、必要とされる密着度は、加熱または冷却時に制限を受ける可能性がある。

上述のような同心状の管によって達成される同様の切り離し効果は、代替となる軸方向のフィンガ状部材により達成できる可能性があり、その場合、代替物の半分（または数個）が軸方向のケーブル荷重を支え、その代替物（または残り）が曲げ荷重を支えることも留意されたい。また、これらの部材は、近位端で固定接続され、一方、遠位端で軸方向に切り離されてもよい。

上述の実施形態は、本発明を例示するものであって制限するものではない。本発明の原理にしたがって、種々の修正や変形が可能であることも理解されたい。例えば、ひずみゲージの数やその構成は異なってもよいが、適用される力およびトルクの決定を可能にするものでなければならない。したがって、本発明の範囲は、以下の請求項によってのみ定義される。

Claims (35)

1. モジュール式力センサ装置であって、
   内管であって、
   複数のひずみゲージを有する管部分と、
   ロボット手術システムの手術器具のシャフトに、動作可能に結合する近位管部分と、
   遠位管部分と
   を含む、内管と、
   該内管を覆っている外管であって、
   該外管は、該近位管部分に固定して結合され、
   該外管は、該手術器具の手首関節を該外管の遠位端に設置するように構成されており、
   該手首関節は、該手術器具の末端部分に結合され、該モジュール式力センサが、該手術器具の該シャフト上に設置された場合に、該モジュール式力センサ装置は、該手術器具の遠位部分に配置され、
   該外管は、該内管の該遠位管部分に動作可能に結合され、該複数のひずみゲージは、該外管からの軸方向荷重に実質的に干渉せずに横方向荷重を感知する、外管と
   を含む、装置。
2. 前記外管は、エラストマを介して前記遠位管部分に動作可能に結合される、請求項１に記載の装置。
3. 前記外管は、低摩擦材料を含む環状リングを介して前記遠位管部分に動作可能に結合される、請求項１に記載の装置。
4. 前記外管は、低摩擦コーティングを介して前記遠位管部分に動作可能に結合される、請求項１に記載の装置。
5. 前記管部分は、前記手術器具の前記シャフトの材料とは異なる材料から成る、請求項１に記載の装置。
6. 前記複数のひずみゲージは、４個ずつの２つのグループから成る８個のひずみゲージを含み、１つのグループのひずみゲージのそれぞれは、前記管部分の周りで９０度の間隔を置いている、請求項１に記載の装置。
7. 前記複数のひずみゲージは、３個ずつの２つのグループから成る６個のひずみゲージを含み、１つのグループのひずみゲージのそれぞれは、前記管部分の周りで１２０度の間隔を置いている、請求項１に記載の装置。
8. 前記複数のひずみゲージは、前記管部分の周りで９０度の間隔を置いている４個のひずみゲージを含む、請求項１に記載の装置。
9. 前記複数のひずみゲージは、前記管部分の周りで１２０度の間隔を置いている３個のひずみゲージを含む、請求項１に記載の装置。
10. 前記複数のひずみゲージは、光ファイバ、箔、弾性表面波、半導体型ひずみゲージより成る群から選択される、請求項１に記載の装置。
11. ひずみゲージは、ファブリ・ペロー型ひずみゲージおよびファイバブラッググレーティング型ひずみゲージより成る群から選択される、請求項１に記載の装置。
12. 前記外管は、ガラス繊維、樹脂、電気遮蔽物より成る群から選択される材料から成る、請求項１に記載の装置。
13. 前記末端部分は、ジョー、鋏、把持器、持針器、マイクロダイセクタ、ステープル留め器、鋲打ち器、吸引洗浄具、クリップ留め器、切断刃、焼灼プローブ、洗浄器、カテーテル、吸引オリフィスより成る群から選択される、請求項１に記載の装置。
14. 前記近位管部分は、前記管部分の縦方向軸に沿った複数の溝を含む、請求項１に記載の装置。
15. 低侵襲手術器具であって、
    シャフトと、
    該低侵襲手術器具の遠位端における手術ツールと、
    該シャフトに該手術ツールを結合する手首関節と、
    該手首関節の近位において該低侵襲手術器具の遠位部分に配置された力センサ装置と
    を含み、
    該力センサ装置は、該手首関節の近位において該シャフトの遠位端上に配置された複数のひずみゲージを含み、
    該シャフトの該遠位端の外径は、該遠位端の近位において該シャフトの外径以下である、低侵襲手術器具。
16. 前記力センサ装置は、スリップオン式の力センサモジュールを含む、請求項１５に記載の低侵襲手術器具。
17. 前記低侵襲手術器具に埋め込まれた集積回路をさらに含み、
    該集積回路は、その内部に前記力センサの較正データがプログラムされており、該低侵襲手術器具を用いる手術システムは、該較正データにアクセスすることが可能である、請求項１５に記載の低侵襲手術器具。
18. 前記シャフトの前記遠位端は、該遠位端の近位において該シャフトの前記外径未満の外径を有する管を含む、請求項１５に記載の低侵襲手術器具。
19. 前記力センサ装置は、前記遠位端の近位において前記シャフトの前記外径に等しい外径を有するカバーをさらに含む、請求項１８に記載の低侵襲手術器具。
20. 前記管は、前記シャフト上に設置された近位部分と、前記手首関節に結合された遠位部分と、該管の近位部分から該管の遠位部分まで延びている第３の部分とをさらに含み、
    前記複数のひずみゲージは、該第３の部分の周囲に配置されており、
    該第３の部分は、前記遠位端の近位において該シャフトの前記外径未満の外径を有する、請求項１８に記載の低侵襲手術器具。
21. 前記力センサ装置は、前記遠位端の近位において前記シャフトの前記外径に等しい外径を有するカバーをさらに含む、請求項２０に記載の低侵襲手術器具。
22. 前記カバーは、前記管の前記近位部分に取り付けられた近位端を有する外側同心状管状部材管をさらに含み、該外側同心状管状部材管と、前記管の前記第３の部分と、前記管の前記遠位部分との間に、環状の隙間を形成する、請求項２１に記載の低侵襲手術器具。
23. 前記環状の隙間において、材料の環状リングをさらに含み、
    該環状リングは、前記管を前記外側同心状管状部材に結合する、請求項２２に記載の低侵襲手術器具。
24. 前記環状リングは、エラストマを含む、請求項２３に記載の低侵襲手術器具。
25. 前記環状リングは、低摩擦材料を含む、請求項２３に記載の低侵襲手術器具。
26. 低侵襲手術器具のシャフトの遠位端に手首関節を結合することであって、該シャフトは、該遠位端の近位における外径を有し、該シャフトの該遠位端の外径は、該遠位端の近位において該シャフトの該外径以下である、ことと、
    該低侵襲手術器具の末端部分を該手首関節に結合することと、
    複数の力センサを該手首関節の近位における該シャフトの該遠位端上に配置することと
    を含む、方法。
27. 前記シャフトの前記遠位端は、陥没管部分を含み、前記配置することは、前記複数のひずみゲージを該陥没管部分上に設置することをさらに含む、請求項２６に記載の方法。
28. 前記シャフトの前記遠位端は、近位管部分と、遠位管部分と、該近位管部分と該遠位管部分との間に延びる第３の管部分とを有する管を含み、
    該近位管部分は、該シャフトに結合するように構成されており、
    該遠位管部分は、前記手首関節を支持して取り付けるように構成されており、
    前記配置することは、前記複数のひずみゲージを該第３の管部分上に設置することをさらに含む、請求項２６に記載の方法。
29. 前記第３の管部分は、前記近位管部分に対して陥没した陥没管部分を含み、
    前記設置することは、前記複数のひずみゲージを該陥没管部分上に設置することをさらに含む、請求項２８に記載の方法。
30. 前記第３の管部分は、前記手術器具の前記シャフトの材料とは異なる材料を含む、請求項２８に記載の方法。
31. 前記複数のひずみゲージを配置することは、前記シャフトの前記遠位端の周りで９０度の間隔を置いて４つのひずみゲージを配置することを含む、請求項２６に記載の方法。
32. 前記複数のひずみゲージを配置することは、前記シャフトの前記遠位端の周りで１２０度の間隔を置いて３つのひずみゲージを配置することを含む、請求項２６に記載の方法。
33. 前記複数のひずみゲージを配置することは、前記シャフトの縦方向軸に平行な軸に沿って、各ひずみゲージと１個の他のひずみゲージとを整列させることを含む、請求項２６に記載の方法。
34. 前記複数のひずみゲージのそれぞれのひずみ感知主方向は、前記シャフトの縦方向軸と平行に配向させられる、請求項２６に記載の方法。
35. 光ファイバ、箔、弾性表面波、半導体型ひずみゲージより成る群から前記複数のひずみゲージを選択することをさらに含む、請求項２６に記載の方法。