JP2016185335A - 向上した巧緻性および感度で最低侵襲性外科手術を行うための力反映外科手術器具および位置決め機構 - Google Patents

Abstract

【課題】遠隔操作者システム制御下での人体の組織の保持・操作する手段を提供する。【解決手段】患者に固定されるための基部；基部に装着され、支持部材を備える位置決め機構１４であって、支持部材は、基部に対して複数の自由度で作動する位置決め機構；支持部材に着脱可能に結合された細長部材にエンドエフェクタを結合させるリスト機構を備える外科手術器具であって、エンドエフェクタは支持部材に複数の自由度で作動し、かつ、外科手術器具が患者に挿入されてエンドエフェクタを外科的作業部位に隣接した位置に置くように適合されている外科手術器具；ならびに位置決め機構および外科手術器具に結合されたマスターデバイス１５０であって、マスターデバイスは、位置決め機構およびエンドエフェクタの動きを制御し、かつ、マスターデバイスは、力フィードバック情報を外科手術器具から複数の自由度で受け取る、遠隔外科手術システム１０。【選択図】図１

Description

発明の分野
本発明は、広義には、最低侵襲性外科手術の遂行を高めるための方法および装置に関す
る。具体的には、本発明は、最低侵襲性外科手術手順を行う外科医の能力を増大させる、
サーボ機構を利用した外科手術システムに関する。より具体的には、本発明は、高い巧緻
性、小さな摩擦、小さな慣性および良好な力反映(force reflection)を有する最低侵襲
性外科手術のための外科手術器具と器具位置決めシステムとの新規な組合せに関する。

発明の背景
最低侵襲性医療技術は、診断上または外科手術手順の間に損傷される無関係な組織の量
を低減し、これにより、患者の回復時間、不快感および有害な副作用を低減することを目
的としている。今日、米国において毎年約２１，０００，０００件の外科手術が行われて
いる。これらの外科手術の内約８，０００，０００件は潜在的に最低侵襲に行うことが可
能であると推定されている。しかし、最低侵襲性外科手術器具および技術ならびにこれら
を修得するために必要なさらなる外科手術訓練の制限のために、現在のところ、わずかに
約１，０００，０００件の外科手術でしかこれらの技術は用いられていない。

最低侵襲性外科手術技術の進歩は、劇的な影響をもたらし得る。標準的な外科手術の場
合の平均入院日数は８日間であり、同等の最低侵襲性外科手術の場合の平均日数は４日間
である。従って、最低侵襲性技術を全面的に採用することによって、２８，０００，００
０日間の入院日数ならびに入院費用だけでも年間数十億ドルを節減し得る。患者の回復時
間、患者の不快感、外科的副作用および仕事から離れる時間も最低侵襲性外科手術によっ
て低減される。

最低侵襲性外科手術の最も一般的な形態は内視鏡検査である。おそらく、最も一般的な
形態の内視鏡検査は、最低侵襲性の検査および腹腔内外科手術である腹腔鏡検査である。
標準的な腹腔鏡検査外科手術の場合、患者の腹部にガスを注入し、カニューレスリーブを
小さな切開部（約１／２インチ）に通し、これにより、腹腔鏡検査外科手術器具のための
入口を得る。

腹腔鏡検査外科手術器具は、広義には、外科手術部位(surgical field)を見るための
腹腔鏡、ならびに、鉗子、把持具(graspers)、鋏、ホチキス(staplers)およびニードルホ
ルダ(needle holder)のような作業工具(working tools)を含む。作業工具は、長さ約１
２インチの延長チューブによって各工具の作業端がハンドルから離れていることを除けば
、従来の（開腹）手術で使用されるものと同様である。

外科手術手順を行う際、外科医は、カニューレに器具を通し、カニューレを通して器具
を前後にスライドさせ、カニューレ内で器具を回転させ、腹壁内において器具を梃子で動
かし（即ち、旋回させ）、そして器具の遠位端上のエンドエフェクタ(end effector)を
作動させることによって器具を操作する。器具は、概ね腹壁筋肉内の切開部によって規定
される回転中心周りを旋回する。外科医は、腹腔鏡検査カメラによって提供される腹部作
業部位(worksite)の画像を表示するテレビモニタによって、手順を監視する。

関節鏡検査、後腹膜鏡検査(retroperitoneoscopy)、骨盤鏡検査(pelviscopy)、腎盂尿
管鏡検査(nephroscopy)、膀胱鏡検査、脳槽鏡検査(cisternoscopy)、洞房鏡検査(sinosco
py)、子宮鏡検査および尿道鏡検査においても同様の内視鏡検査技術が用いられる。これ
らの最低侵襲性外科手術技術全てに共通する特徴は、人体内の作業部位を可視化し、特別
設計された外科手術器具を自然の細孔または小さな切開部を介して作業部位まで通すこと
により人体の組織および器官を操作し、これにより、開腹外科手術的アクセスを形成する
ことによって周辺組織にもたらされる付随外傷を回避することである。

現在の最低侵襲性外科手術技術には多くの欠点がある。第１に、典型的に、作業部位の
映像は、手術室内にある直立型モニタ上に表示される２次元映像である。３次元的な深さ
の手掛かりが外科医から奪われ、手の動きを映像上に表示される工具の動きと関連付ける
ことが困難であり得る。第２に、器具は、器具が体壁を貫通する地点で旋回し、これによ
り、器具の先端が外科医の手とは反対方向に動く。第３に、現存のＭＩＳ器具は、開腹外
科手術における工具を配置する際の可撓性を外科医に与えない。ほとんどの腹腔鏡検査工
具は、剛性シャフトを有しており、小さな切開部の方向からの作業部位への接近が制限さ
れる。第４に、多くの内視鏡検査器具の長さおよび構造は、組織および器官によって工具
のエンドエフェクタ上にかかる力を感じる外科医の能力を低減する。

これらの問題を克服して内視鏡検査手順の専門技術を得るためには、多量の練習および
絶えず内視鏡検査工具に慣れ親しむようにすることが要求される。しかし、外科医の内視
鏡検査外科手術の制限への適合化にも関わらず、この技術は、トロカールまたは焼灼外傷
による内臓穿孔のような開腹外科手術では滅多に見られない合併症を増大させた。さらに
、最低侵襲性医療行為の拡張に対する最大の課題の１つである外科手術工具の巧緻性の欠
如および工具を使用する困難さは依然として残っている。

外科医の巧緻性を向上するとともに、外科医が遠れた場所から患者を手術することを可
能にする、外科手術用の遠隔外科手術システム(Telesurgery systems)が開発されつつあ
る。遠隔外科手術は、外科医が工具を直接保持して動かすのではなく外科手術器具の動き
を間接的に制御する外科手術システムの総称である。遠隔外科手術用のシステムの場合、
遠れた場所にいる患者の身体の画像が外科医に提供される。外科医は、３次元画像を見な
がら、サーボ機構駆動器具(servomechanism-actuated instrument)の動きを制御するマ
スターデバイスを操作することによって患者に対して外科手術手順を施す。行為に対して
器具が位置決めされる方位と同じ方位で、手術部位の画像に対して外科医の手およびマス
ターデバイスを位置決めする。手術中、この器具は、組織把持具、ニードルホルダ等のよ
うな様々な外科手術器具の機械的な駆動および制御を提供し、それぞれが外科医のために
様々な機能、即ち、針の保持または駆動、血管の把持または組織の切開を行う。

このような遠隔外科手術システムは、開腹手順および内視鏡検査手順の両方のために提
案されている。遠隔外科手術技術に関する最新技術の概要は"Computer Integrated Sur
gery: Technology And Clinical Applications" (MIT Press, 1996)に見られる。
さらに、遠隔外科手術用の従来のシステムは、米国特許第5,417,210号、第5,402,801号、
第5,397,323号、第5,445,166号、第5,279,309号、および第5,299,288号に記載されている
。

提案されている遠隔操作器(telemanipulators)を用いた遠隔外科手術を行うための方法
は、多数の新たな課題を生み出している。このような課題の１つは、外科医が遠隔外科手
術システムを操作する際に、位置、力および触覚を外科手術器具から外科医の手に伝達し
て、外科手術器具を直接手で操作した場合と同じ感覚を外科医が持つようにすることであ
る。例えば、器具が患者内の組織構造または器官に係合した時に、システムは、器具に対
する反作用力(reaction force)を検出してこの力を外科医に伝達し得るべきである。手
術部位周辺領域の組織を誤って損傷してしまう可能性を低減するためには、器具に力反映
を提供する必要がある。力反映によって、器具が組織に係合したときに器具の動きに対す
る抵抗を外科医が感じることが可能になる。力反映を提供するシステムの能力は、機構内
の摩擦、重力、外科手術器具の慣性および外科的切開部において器具にかかる力のような
要因によって制限される。力センサを用いた場合でも、慣性、摩擦、およびモータと力セ
ンサとの間の適合性(compliance)によって、外科医に提供される力反映の質が低下する。

別の課題の１つは、効果的な遠隔外科手術を可能にするために、器具が、高応答性でな
ければならず且つ外科手術手順において外科医が使用し得る急速な手の動きに正確に追従
しなければならないことである。この高速応答性性能を達成するためには、適切に高いサ
ーボ帯域幅を有するように外科手術サーボ機構システムを設計しなければならない。これ
により、小さい慣性を有するとともに比較的低い比のギアまたはプーリー結合(pulley c
ouplings)を有する駆動モータを用いるように器具を設計することが必要になる。システ
ムが、制御が容易な機構を用いて、外科手術を行う際のより高い自由度を提供することに
よって、標準的な内視鏡検査技術よりも外科医の巧緻性を向上させ得ることも好ましい。

別の課題の１つは、最低侵襲性外科手術を可能にするために、小さな切開部を通過でき
るように器具が小さくコンパクトでなければならないことである。典型的に、ＭＩＳ手順
は、直径５ｍｍ〜１２ｍｍのカニューレを通して行われる。

従って、遠隔操作者システムの制御下で人体の組織を保持および操作するためのサーボ
機構(servomechanical)外科手術装置が必要である。

外科手術器具にかかる力の敏感なフィードバックを外科医に提供し得るサーボ機構外科
手術装置を提供することも望まれる。

装置上に作用する重力を補償して、外科医がこれらの力を感じないようにするサーボ機
構外科手術装置を提供することもさらに望まれる。

高応答性で、大きな移動範囲を有し、外科手術手順を行う際に外科医が頻繁に使う急速
な手の動きに正確に追従し得るサーボ機構外科手術装置を提供することもさらに望まれる
。

制御が容易なリストジョイント(wrist joint)を提供することによって、外科医が内視
鏡検査外科手術を行う際の巧緻性を高めるサーボ機構外科手術装置を提供することもさら
に望まれる。

発明の要旨および目的
従って、本発明の目的の１つは、遠隔操作者システムの制御下において人体の組織を保
持および操作するサーボ機構外科手術装置を提供することである。

外科手術器具にかかる力の敏感なフィードバックを外科医に提供し得るサーボ機構外科
手術装置を提供することも本発明の目的の１つである。

装置上に作用する重力を補償して、外科医がこれらの力を感じないようにするサーボ機
構外科手術装置を提供することも本発明のさらに別の目的の１つである。

高応答性で、大きな移動範囲を有し、外科手術手順を行う際に外科医が頻繁に使う急速
な手の動きに正確に追従し得るサーボ機構外科手術装置を提供することも本発明のさらに
別の目的の１つである。

制御が容易なリストジョイントを提供することによって、外科医が内視鏡検査外科手術
を行う際の巧緻性を高めるサーボ機構外科手術装置を提供することも本発明のさらに別の
目的の１つである。

本発明の上記目的に従って、本願出願人らは、内視鏡検査外科手術に適したコンパクト
なサーボ機構動作の外科手術器具を含むサーボ機構システムを記載する。器具は、２つの
対向する旋回顎を有し、旋回リスト部材を有し得る。器具は、外科医が操作するマスター
コントロールにサーボ機構を介して接続するように構成される。サーボ機構システムと組
み合わされたとき、器具およびリスト部材は、４段階の力反映を高感度に提供することが
できる。器具は、広い移動範囲にわたって２の自由度で器具を動かすことができる位置決
め機構上に搭載される。マクロ−マイクロ作動(actuation)および制御システムによって
、外科医に反映された力によって位置決め機構上に作用する重力、慣性および他の外的な
力(extraneous forces)の影響が排除される。
本発明によって、以下が提供される：
（１）関節部を有する外科手術器具、位置決め機構、およびコントローラを有する、最低
侵襲性外科手術のためのシステムであって、
該関節部を有する外科手術器具は小さな切開部を通して外科的作業部位に隣接する位置
まで患者の内部に挿入されるように構成されており、該関節部を有する外科手術器具は取
り付けブラケットに結合された細長い支持部材にリスト機構によって接続された外科手術
用エンドエフェクタを有しており、該取り付けブラケットは該外科手術器具を該位置決め
機構に解放可能に接続するように構成されており、該外科手術器具は４つのアクチュエー
タにより該外科手術器具の該エンドエフェクタを該取り付けブラケットに対して４の自由
度で移動するように操作され、
該位置決め機構は、該患者に対して固定された基部と、該外科手術器具の該取り付けブ
ラケットに対して解放可能に接続されるように構成された支持ブラケットと、該基部を該
支持ブラケットに接続するアームリンケージとを有し、該アームリンケージは複数の剛性
リンクおよびジョイントを有し、該アームリンケージが２つのアクチュエータによって該
支持ブラケットを該基部に対して２の自由度で移動するように操作されることにより、該
位置決め機構および該外科手術器具の組み合わせは、該外科手術器具の該エンドエフェク
タを該基部に対して６の自由度で移動させるように動作可能であり、
該外科手術器具は少なくとも３の自由度で該コントローラに力フィードバックを与え、
該位置決め機構は該コントローラに力フィードバックを与えない、システム。
（２）前記関節部を有する外科手術器具および前記位置決め機構は、マクロ−マイクロ作
動方式に従ってともに操作される、項目１に記載のシステム。
（３）前記位置決め機構はさらに、前記基部を手術室台に接続するセットアップジョイン
トを有する、項目１に記載のシステム。
（４）前記コントローラと前記外科手術器具との間に力のスケーリングを提供する、項目
２に記載のシステム。
（５）前記外科手術器具に加えられる力は前記コントローラで増幅される、項目２に記載
のシステム。
（６）前記コントローラと前記外科手術器具との間にインピーダンススケーリングを提供
する、項目２に記載のシステム。
（７）前記コントローラと前記外科手術器具との間にインピーダンススケーリングを提供
する、項目４に記載のシステム。
（８）最低侵襲性外科手術のためのシステムであって、
小さな切開部を通して外科的作業部位に隣接する位置まで患者の内部に挿入され、該外
科的作業部位においてヒト組織の操作を行う外科的操作手段と、
該外科的操作手段を解放可能に支持し、該外科的操作手段を２の自由度で移動させる位
置決め手段とを有し、
該外科的操作手段は、ヒト組織を操作するための外科手術用エンドエフェクタを有して
おり、
該外科的操作手段は、関節部を有するリスト機構を有しており、該リスト機構は該外科
手術用エンドエフェクタ手段を細長い支持部材に接続し、該外科手術用エンドエフェクタ
が該細長い支持部材に対して２の自由度で移動することを可能にし、
該外科的操作手段はさらに、該細長い支持部材を取り付けブラケットに対して、該細長
い支持部材が該取り付けブラケットに対して２の自由度で移動可能であるように接続する
１つ以上のジョイントを有し、
該取り付けブラケットは、該外科的操作手段を該位置決め手段に対して解放可能に接続
するように構成されることにより、
該位置決め機構および該外科的操作手段の組み合わせは、該外科的操作手段の該エンド
エフェクタを該基部に対して６の自由度で移動させるように動作可能であり、
該外科的操作手段は少なくとも３の自由度で該コントローラ手段に力フィードバックを
与え、該位置決め機構は該コントローラ手段に力フィードバックを与えない、システム。
（９）前記外科的操作手段および前記位置決め手段は、マクロ−マイクロ作動方式に従っ
てともに操作される、項目８に記載のシステム。
（１０）前記位置決め機構はさらに、前記位置決め手段を手術室台に接続するセットアッ
プ手段を有する、項目８に記載のシステム。
（１１）前記コントローラ手段と前記外科的操作手段との間に力のスケーリングを提供す
る、項目９に記載のシステム。
（１２）前記外科的操作手段に加えられる力は前記コントローラ手段で増幅される、項目
１０に記載のシステム。
（１３）前記コントローラ手段と前記外科的操作手段との間にインピーダンススケーリン
グを提供する、項目９に記載のシステム。
（１４）前記コントローラ手段と前記外科的操作手段との間にインピーダンススケーリン
グを提供する、項目１１に記載のシステム。
（１５）最低侵襲性外科手術のための方法であって、
取り付けブラケットに結合された細長い支持部材にリスト機構によって接続された外科
手術用エンドエフェクタを有しており、該取り付けブラケットは外科手術器具を位置決め
機構に解放可能に接続するように構成された、関節部を有する外科手術器具を提供する工
程と、
患者に対して固定された基部と、該外科手術器具の該取り付けブラケットに対して解放
可能に接続されるように構成された支持ブラケットと、該基部を該支持ブラケットに接続
するアームリンケージとを有し、該アームリンケージは複数の剛性リンクおよびジョイン
トを有する、位置決め機構を提供する工程と、
該外科手術器具を該位置決め機構に結合する工程と、
該外科手術器具を小さな切開部を通して外科的作業部位に隣接する位置まで挿入する工
程と、
該外科手術器具の該エンドエフェクタを該取り付けブラケットに対して４の自由度で移
動させ、該位置決め機構の該支持ブラケットを該基部に対して２の自由度で移動させるよ
うに複数のアクチュエータを操作する工程と、
該外科手術器具からの力フィードバック情報を該コントローラに少なくとも３の自由度
で伝送する工程と、
を包含することにより、
該外科手術器具の該エンドエフェクタは該外科的作業部位に対して６の自由度で位置決
めされ、力フィードバック制御が３の自由度で提供される、方法。
（１６）前記複数のアクチュエータを操作する工程は、該アクチュエータをマクロ−マイ
クロ作動方式に従って操作することを包含する、項目１５に記載の方法。
（１７）セットアップジョイントを提供する工程および、該セットアップジョイントを前
記位置決め機構の基部および手術室台に接続する工程をさらに包含する、項目１５に記載
の方法。
（１８）前記複数のアクチュエータを操作する工程は、前記コントローラと前記外科手術
器具との間に力のスケーリングを提供するように該アクチュエータを操作することを包含
する、項目１６に記載の方法。
（１９）前記複数のアクチュエータを操作する工程は、前記コントローラにおいて前記外
科手術器具に加えられる力を増幅するように該アクチュエータを操作することを包含する
、項目１８に記載の方法。
（２０）前記複数のアクチュエータを操作する工程は、前記コントローラと前記外科手術
器具との間にインピーダンススケーリングを提供するように該アクチュエータを操作する
ことを包含する、項目１６に記載の方法。
（２１）前記複数のアクチュエータを操作する工程は、前記コントローラと前記外科手術
器具との間にインピーダンススケーリングを提供するように該アクチュエータを操作する
ことを包含する、項目１８に記載の方法。

図１は、位置決め機構に装着される力反映器具を含むサーボ機構手術システムの概略図である。 図２は、力反映手術器具および位置決め機構を制御するための好適なマスターデバイスの斜視図である。 図３は、器具を患者に挿入した状態での位置決め機構が前および後ろの位置にある場合の概略図である。 図４ａは、力反映手術器具の斜視図である。 図４ｂは、器具の回転運動をケーブル駆動により作動させる場合の概略図である。 図５は、力反映器具の遠位端の斜視図である。 図６は、ケーブルおよびプーリーを示す力反映器具の簡略化された概略図である。 図７は、駆動モータを示す位置決め機構の基部の斜視図である。 図８ａは、駆動モータの駆動シャフトに巻き付けられたケーブルの斜視図である。図８ｂは、駆動モータの駆動シャフトに巻き付けられ、ドラム機構を駆動するケーブルの斜視図である。図８ｃは、本発明による別の好適なケーブル駆動方法を示す概略図である。 図９は、別の好適な力反映器具のリスト部材の上面図である。 図１０は、単純なマスター−スレーブシステムを例示的に示すための概略図である。

好適な実施形態の詳細な説明
第１の実施形態の器具は、長手方向の軸に沿う近位端および遠位端を有する細長い支持
部材を含む。遠位リスト部材は、リストジョイントにより、支持部材の遠位部に回転可能
に連結される。第１および第２の対向する作業部材は、それぞれ第１および第２の駆動さ
れるキャプスタンに装着される。第１および第２の駆動されるキャプスタンは、それぞれ
第１および第２のキャプスタンジョイントにより、リスト部材に回転可能に装着される。
第１、第２、第３および第４の中間アイドラプーリーは、リストジョイントを中心に回転
可能にリスト部材に装着される。第１、第２、第３および第４のケーブルを含むケーブル
駆動システムが設けられる。中間アイドラプーリーの各々は、１つのケーブルによって係
合され、駆動されるキャプスタンの各々は、２つのケーブルによって係合されて駆動され
る。ケーブル駆動システムは、リスト部材をリストジョイントを中心に旋回させることが
でき、且つ、キャプスタンジョイントを中心に作業部材を互いに独立して旋回させること
ができる。

好適な実施形態では、第１および第２のキャプスタンジョイントは、共通の軸に沿って
いる。器具は、第１、第２、第３および第４のケーブルをそれぞれ駆動するための第１、
第２、第３および第４のアクチュエータをさらに含む。４つのアクチュエータがすべて作
動されると、ケーブル駆動システムは、支持部材を長手方向の軸に沿って並進させること
ができる。

第１および第２の近位アイドラプーリーは、第１から第４のケーブルを係合して引っ張
る。さらに、第５および第６のケーブルは、第１および第２の近位アイドラプーリーに接
続される。第３の近位アイドラプーリーは、支持部材の近位部に回転可能に装着され、第
５および第６のケーブルを係合して引っ張り、それにより、第１および第２の近位アイド
ラプーリーおよび第１から第４のケーブルを引っ張る。アクチュエータは、好ましくは、
中間アイドラプーリーと近位アイドラプーリーとの間に配置される駆動モータである。

支持部材は、支持部材の近位部と遠位部とを分離して、近位部を遠位部に対して長手方
向の軸周りに回転させる回転式ジョイントをさらに含む。第５のアクチュエータは、第７
のケーブルによって支持部材の遠位部に連結され、遠位部を長手方向の軸周りに回転させ
る。第１から第４のケーブルは、遠位部の回転中に長手方向の軸周りにねじれることが可
能である。

器具は、マスターデバイスおよびコントローラによって制御されるスレーブデバイスで
ある。器具およびマスターデバイスの動きと、器具およびマスターデバイスに与えられる
力とは、器具とマスターデバイスとの間でスケーリング（scale）され得る。２の自由度
を有し、４つのバーを有するリンケージ位置決め機構は、作業部位に対して器具を位置決
めするための器具に装着される。位置決め機構は、器具に、終点を位置決めするための余
剰な(redundant)自由度を与える。位置決め機構と器具との組み合わせにより、マスター
デバイスを操作しているユーザは、器具の位置決めおよび使用の間に器具が受ける力を、
従来のシステムよりも高い感度で感じることができる。

本発明はまた、器具を駆動するための第１、第２、第３および第４のケーブルを含む器
具を駆動するためのケーブル駆動システムを提供する。第１の近位アイドラプーリーは、
第１および第２のケーブルを回転可能に係合して引っ張る。第２の近位アイドラプーリー
は、第３および第４のケーブルを回転可能に係合して引っ張る。第５および第６のケーブ
ルは、第１および第２の近位アイドラプーリーに連結され、第１および第２の近位アイド
ラプーリーを引っ張る。第３のより近位アイドラプーリーは、支持部材に回転可能に連結
され、第５および第６のケーブルを回転可能に係合して引っ張る。第１、第２および第３
のアクチュエータが含まれ、これら各々のアクチュエータは、第１から第６のケーブルの
うちの１つを駆動する。

好適な実施形態では、線形ベアリングが、支持部材と摺動的に係合される状態で装着さ
れ、支持部材が線形ベアリングに対して往復運動することを可能にする。ケーブル駆動シ
ステムは、第４のアクチュエータをさらに含み、第１から第４のアクチュエータの各々が
、第１から第６のケーブルのうちの１つを駆動する。

外科手術器具の好適な属性についての詳細はまた、本出願人による、「Wrist Mechani
sm For Surgical Instrument For Performing Minimally Invasive Surgery Wi
th Enhanced Dexterity And Sensitivity」および「Articulated Surgical Instru
ment For Performing Minimally Invasive Surgery With Enhanced Dexterity
And Sensitivity」と題された、本願と同日出願の同時係属中の出願に記載される。本明
細書において、上記出願の開示を参考として援用する。

図１を参照して、遠隔外科手術システム１０は、ある場所にいる外科医が、別の場所に
いる患者に外科手術を行うことを可能にする。外科医は、患者と同じ手術室にいてもよく
、何マイルも離れた場所にいてもよい。遠隔外科手術システム１０は、装着ブラケット３
６により位置決め機構１４に装着される力反映外科手術器具１２を含む。器具１２および
位置決め機構１４は、コンピュータ１１およびマスターデバイス１５０によって制御され
る。マスターデバイス１５０は、遠隔地にいる外科医によって操作される。器具１２およ
び位置決め機構１４は、駆動モータＭ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４、Ｍ５、Ｍ６およびＭ７（図
４ａ、図４ｂ、図６および図７）によって、一連のケーブルおよびプーリーとともに駆動
される。

器具１２は、小さい摩擦、小さい慣性、および高帯域幅を有するが、移動範囲は小さい
。位置決め機構１４は、移動範囲は大きいが、器具１２よりも大きい慣性および低い帯域
幅を有する。マクロ−マイクロ作動方式において器具１２と位置決め機構１４とを組み合
わせることにより、その個々の構成要素のいずれよりも、高められた操作能力および力感
知能力を有するシステムが得られる。位置決め機構１４は、余剰な自由度を有する遠隔外
科手術システム１０を与え、手術作業部位にある位置決め器具１２の助けとなり、器具１
２がほぼ、必要な手術を行うための適切な位置となる。このように、器具１２を位置決め
機構１４に装着することにより、遠隔外科手術システム１０には、器具１２の使用を通し
て良質な力制御が与えられ、それと同時に、位置決め機構１４のため、大きい移動範囲を
有する。

器具１２は、回転式ジョイント２６によって遠位部２８ｂに回転可能に連結される近位
部２８ａを有する。近位部２８ａは、摺動ジョイント３０を形成する摺動ブラケット９６
に摺動自在に連結される。摺動ブラケット９６は、ブラケット３６に固定される。遠位部
２８ｂは、リストジョイント１６によって管状支持部材２４に回転可能に連結されるリス
ト部材を含む。２つの対向する作業部材２０ａおよび２０ｂはそれぞれ駆動されるキャプ
スタン１８ａおよび１８ｂに固定され、駆動されるキャプスタン１８ａおよび１８ｂはそ
れぞれキャプスタンジョイント１９ａおよび１９ｂを中心に回転可能にリスト部材２２に
連結される。作業部材２０ａおよび２０ｂは、鋏、開創器、針ドライバおよび電気メス(e
lectrocautery)器具などの標準の外科手術器具の操作端であり得る。

器具１２は、５の自由度を有し、摺動ジョイント３０が、長手方向の軸Ｃに沿って線形
動作を与え、回転ジョイント２６が、軸Ｃ周りの回転動作を与え、リストジョイント１６
が、軸Ｂ周りの回転動作を与え、キャプスタンジョイント１９ａおよび１９ｂが、作業部
材２０ａおよび２０ｂに対して、軸Ａ周りの回転動作を与える。器具１２は、マスターデ
バイス１５０に４段階(four degrees)の力反映を与えるため、外科医は、手術処置の触
知（tactile）フィードバックを有し得る。これらの力反映段階は、作業部材２０ａおよ
び２０ｂに与えられる力と、作業部材２０ａと２０ｂとの間の保持力とを含む。しかし、
力の反映は、任意の特定の実施形態において必要に応じてより多いまたはより少ない動作
軸に与えられ得る。

位置決め機構１４は、軸Ｅ−Ｅ周りに回転する、４つのバーを有するリンケージからな
る、２の自由度を有するリンケージである。位置決め機構１４は、ジョイント３４、３８
、４８、５０、５２、５４および５６によって共に結合される一連の剛性部材３６、４０
、４２、６０および６２を有する。位置決め機構１４はまた、耳部５８を有する基部６８
を含み、耳部５８は、シャフト６４および６６を係合して、軸Ｅ−Ｅ周りに旋回するジョ
イント５７を形成する。ジョイント５６は、リンク６２が、軸Ｅ−Ｅに直交する軸Ｄ−Ｄ
周りに回転することを可能にする。剛性部材３６、４０、４２、６０および６２の４つの
バーを有するリンケージは、この回転をブラケット３６を介して器具１２に伝え、器具１
２を軸Ｅ−Ｅおよび軸Ｄ’−Ｄ’周りに回転させる（軸Ｄ’−Ｄ’は、軸Ｄ−Ｄに平行で
あり、軸Ｅ−Ｅに直交する）。このように、４つのバーを有するリンケージは、器具１２
の点Ｐ_ｓを、遠隔中心１１１に中心を有する球体の表面の周りで移動させるように動作す
る。

ここでは４つのバーを有するリンケージが示されているが、本発明は、任意の適切な位
置決め機構を組み込み得る。最低侵襲性外科手術が最小である手術に適切なものとするた
めに、位置決め機構は、外科手術器具を、器具１２が患者に挿入される開口で交差する軸
周りに旋回させなければならない。本発明の利点の１つは、位置決め機構が、力フィード
バック情報を与える必要がないことであり、これにより、位置決め機構の広い設計範囲が
可能となる。

図２を参照して、器具１２および位置決め機構１４を制御するのに適切な触覚マスター
デバイス１５０の簡略化された図が示される。マスターデバイス１５０は、マウント１５
６（部分的に図示）に旋回可能に連結される、２の自由度を有するリンケージ１５８を含
む。使用中、マウント１５６は、マウントが一定の基準点を与えるように、コンソールま
たはカートまたは同様の固定支持体に適切な位置で固定される。リンケージ１５８は、回
転式ジョイント１７０、１７１および１７２を含む。作業部材制御機構１５２は、ジンバ
ルジョイント１６４によってリンケージ１５８の遠位端１５４に連結される。マスターデ
バイス１５０はまた、一連のエンコーダ（図示せず）を含み、このエンコーダは、器具１
２および位置決め機構１４の駆動モータを制御するために、コンピュータ１１に、各ジョ
イントの回転位置を与える。

使用中、外科医は、自分の親指および人差し指を、作業部材制御機構１５２のフィンガ
グリップ１６６に入れて、マウント１５６に対する機構１５２の位置および向きを操作す
る。これにより、器具１２および位置決め機構１４の動きを制御し、手術部位に対する器
具１２の遠位端の位置を制御する。

マスターデバイス１５０の機構１５２は、軸Ｆ−Ｆ、Ｈ−ＨおよびＫ−Ｋに沿って３つ
の並進自由度を有する。マスターデバイス１５０のジョイント１７０、１７１および１７
２の回転は、ジンバルジョイント１６４の中心点である機構１５２上の点Ｐ_ｍの位置を決
定する。点Ｐ_ｍの位置により、作業部材２０ａおよび２０ｂをつなぐ弧の途中に位置する
点Ｐ_ｓ（図１、図４および図５参照）の位置が制御される。これにより、機構１５２を操
作する際に外科医によって引き起こされる、軸Ｆ−Ｆ、Ｈ−ＨおよびＫ−Ｋに沿った点Ｐ
_ｍの並進は、ジョイント１７０、１７１および１７２のエンコーダによって検出される。
エンコーダからの情報は、コンピュータ１１に与えられ、コンピュータ１１は、位置決め
機構１４および器具のモータに対する適切な電流を制御して、器具の点Ｐ_ｓの対応する動
きを引き起こす。

マスターデバイス１５０の機構１５２はさらに、軸Ｆ−Ｆ、Ｈ−ＨおよびＫ−Ｋ周りに
３つの回転自由度を有する。機構１５２のリンググリップ１６６を、矢印１７６で示すよ
うに、ジンバルジョイント１６４に対して軸Ｆ−Ｆ周りに回転させることにより、器具１
２の作業部材２０ａおよび２０ｂの、軸Ｇ周りの正味の回転が制御される（図１、図４お
よび図５）。軸Ｇは、リスト部材２２から軸Ａに対して垂直な方向に且つ作業部材２０ａ
と２０ｂとの間に延びる軸である。作業部材２０ａおよび２０ｂの軸Ｇ周りの正味の回転
は、器具構成要素の軸Ａ−ＡおよびＢ−Ｂ周りの協調(coordinate)された回転を必要とす
る。コンピュータ１１は、標準的な方法に従って、マスターの回転から器具の回転への適
切な変換を決定する。同様に、機構１５２を、矢印１７８で示すように軸Ｋ−Ｋ周りに、
または矢印１７４で示すように軸Ｈ−Ｈ周りに回転させることはさらに、器具１２の軸Ａ
−Ａ、Ｂ−ＢおよびＣ−Ｃ周りの協調運動を引き起こし、それにより器具の作業部材の対
応する回転運動を引き起こす。

機構１５２は、フィンガグリップ１６６が矢印１７５によって示すようにくっついてお
よび離れて動き得るという点で、第７の自由度を有する。フィンガグリップ１６６の相対
的な動きは、モータＭ８のエンコーダＥ８により検出される。位置データは、エンコーダ
Ｅ８からコンピュータ１１へ伝送される。コンピュータＥ８は、その後、適切な信号を器
具１２のモータＭ１〜Ｍ４に伝送して、それに対応する、キャプスタンジョイント１９ａ
および１９ｂ並びに作業部材２０ａおよび２０ｂの相対的な運動を引き起こす。

作業部材制御機構１５２は、図２に示すような典型的な外科器具ハンドルを含み得るが
、変形例として外科医の指により操作され得るシンブルまたは同様のデバイスを含み得る
。別の実施形態による作業部材制御機構１５２は、器具１２を方向付ける(orientate)ジ
ンバルジョイント１６４に連結されたシンプルなウォンドにより置換され得る。記載して
いるシステムにおいてマスターとして用いられるに適した装置の１つは、参考のためここ
に援用する、”Ｆｏｒｃｅ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｎｇ Ｈａｐｔｉｃ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ
”いう名称の米国特許第５，５８７，９３７号に記載されている。別の適切なマスターデ
バイスは、参考のためここに援用する、”ＥｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌＨｕｍａ
ｎ−Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ Ｗｉｔｈ Ｆｏｒｃｅ−Ｆｅｅｄｂａｃｋ
”という名称の米国特許第５，５７６，７２７号に記載されている。本発明での使用にお
いて、上記文献に開示された装置は、作業部材を把持することからの力反映を提供するた
めに、より大きな(powered)更なる自由度の追加を要する。潜在的に、本実施形態におい
て、フィンガグリッパ１６６、モータＭ８およびエンコーダＥ８は、外科医の別の手で操
作されるように別個の機構上に位置し得る。あるいは、フィンガグリッパは、外科医が操
作するために、同一のデバイス上のモータおよびエンコーダに取り付けられ得る。

腹腔鏡を用いる手術のために遠隔外科手術システム１０を用いる場合、位置決め機構１
４を、手動操作セットアップジョイント（図示せず）に取り付ける。このセットアップジ
ョイントは、患者に対して適所に安定的に取り付けられた外科用カートに取り付けられ得
る。セットアップジョイントは、位置決め機構１４を、手術台に取り付けられたレールに
直接取り付けるためにも用いられ得る。第３の変形例において、セットアップジョイント
は、手術室において床、壁、または天井に恒久的に取り付けられ得る。全てのセットアッ
プジョイントに共通の特徴は、手術手順のためのセットアップ中に、位置決めアームの基
部が患者に対して相対的に移動することを可能にし、点１１１が手術部位の大まかなロケ
ーションにおいて患者の身体上の適切なエントリポイントにあるようにアームが位置づけ
られることを可能にするということである。好適には、セットアップジョイントは、６つ
の自由度を有し、従って患者に対する、位置決め機構１４の並進移動および回転を可能に
する。典型的には、セットアップジョイントは、リモートセンタ点１１１の患者に対する
移動手順中に適切な位置にロックされる。

図３を参照すると、セットアップジョイントを用いて工具を位置決めして工具を適切な
位置にロックした後、外科医は、マスターデバイス１５０を操作して患者の腹壁１１０の
小さい切開１１２を介して挿入されるカニューレ１１３を通して器具１２を移動させる。
マスターデバイス１５０の操作に応答して、器具１２の遠位部２８ｂが、摺動ジョイント
３０に沿って位置決め機構１４に対して下流に並進移動して、カニューレ１１３および腹
壁１１０を通って挿入される。一旦腹部内に入ると、器具１２の遠位部２８ｂはさらに、
所望の手術部位上に位置づけられる。図３は、大きな位置移動を行うために前方および後
方位置における、軸Ｄ−Ｄ周りに旋回する機構１４の動きを示す。位置決め機構１４は、
軸ＤおよびＥ周りに旋回して、遠隔外科手術システム１０の大きな移動を行う。その間、
細かい動きは、器具１２のジョイントによって行われる。器具１２上の点１１１は、位置
決め機構１４からの回転のリモート点であり、これはエントリ創傷１１２に一致する。位
置決め機構１４が軸Ｄおよび軸Ｅ周りに旋回すると、器具１２は点１１１周りに旋回する
。切開１１２近傍の点１１１は、器具１２が患者内で旋回している間、静止したままであ
ることに留意されたい。その結果、切開１１２は、器具１２を受け入れるに十分な大きさ
であればよい。

位置決め機構１４が旋回すると、リスト部材２２または作業部材２０ａ／２０ｂが組織
と係合してジョイント１６または１９ａ／１９ｂ周りの回転を引き起こす場合、器具１２
は、器具１２が位置決め機構１４に対して作業スペースの中央部に維持されるように、そ
れ自体を再び方向付ける。必要であれば、位置決め機構１４は、器具１２が再方向づけし
ている間、速度を弛め得る。

器具１２が一旦適切な位置にくると、外科医は、さらにマスターデバイス１５０を操作
することにより、器具１２で患者に必要な手術手順を行う。器具１２が受ける力は、マス
ターデバイス１５０によって外科医に戻って反映される(reflected back)。反映された
力は、外科医が手術手順をよりよく「感じる」ことを可能にするために、スケールアップ
され得る。その結果、外科医は、器具１２が、あまり抵抗を与えないタイプの組織に係合
することを感じることができる。さらに、マスターデバイス１５０の、器具１２に対する
移動は、器具１２の精度および巧緻性が増加し得るように、スケールダウンされ得る。

位置決め機構１４は広範囲の動きを有するように最適化されているため、器具１２より
も大きい慣性、大きい摩擦、および低い分解能を有する傾向にある。さらに、カニューレ
１１３内の摩擦力および切開１１２における妨げとなる力が、位置決め機構に適用され得
る。しかし、出願人による好適な実施形態において、力反映のために力を検出するのは、
主に器具である。そのため、位置決め機構のより大きい慣性および摩擦、ならびにそれに
作用する外的な力は、力反映系から除外される。従って、器具１２の先端とマスターデバ
イスとの間の力反映の質は、大幅に向上する。

図４Ａ、図４Ｂおよび図５を参照して、器具１２をより詳細に述べる。遠位部の管状支
持部材２４は軸Ｃに沿って延び、管状支持部材２４の長さ方向に延びる一連のケーブルＣ
１、Ｃ２、Ｃ３およびＣ４を収容している。ケーブルＣ１、Ｃ２、Ｃ３およびＣ４は、作
業部材２０ａおよび２０ｂの動作並びにリスト部材２２の方向を制御するジョイント１９
ａ、１９ｂおよび１６の回転を制御する。リスト部材２２は、２つの互いに対向する遠位
の耳部２１ａおよび２１ｂを含む。耳部２１ａおよび２１ｂは、軸Ａ−Ａに沿って延びる
キャプスタンジョイント１９ａおよび１９ｂのそれぞれにおいて、駆動されるキャプスタ
ン１８ａおよび１８ｂを支持するＵリンク(clevis)を形成する。リスト部材２２はさらに
、２つの対向する近位の耳部２３ａおよび２３ｂを含む。耳部２３ａおよび２３ｂは、軸
Ｂ−Ｂに沿って耳部２３ａと舌部２４ａとの間に延びる中間アイドラプーリー７０および
７２を、リストジョイント１６において支持するＵリンクを形成する。中間アイドラプー
リー７４および７６は、耳部２３ｂと舌部２４ａとの間で支持される。ケーブルＣ１、Ｃ
２、Ｃ３およびＣ４は、以下に詳細に記載するように、駆動されるキャプスタン１８ａ／
１８ｂ、並びに中間アイドラプーリー７０、７２、７４および７６と係合する。

作業部材２０ａおよび２０ｂは、それぞれの駆動されるキャプスタン１８ａおよび１８
ｂに取り外し可能に安定的に取り付けられる。作業部材２０ａおよび２０ｂは図中グリッ
パとして示しているが、作業部材２０ａおよび２０ｂは、はさみ、カッタ、把持具、鉗子
または縫合をステッチするニードルホルダなどの他のタイプの作業部材に置換され得る。
典型的には、作業部材は、ねじ、クリップまたは他の適切な固定具により、駆動されるキ
ャプスタン１８ａおよび１８ｂに安定的に取り付けられる。しかし、作業部材はまた、半
田付けまたは溶接などによって、駆動されるキャプスタンに恒久的に取り付けられ得、ま
たは駆動されるキャプスタンと一体的に形成され得る。

作業部材２０ａおよび２０ｂは共に、１形態の外科用エンドエフェクタを含む。本発明
の外科用器具において、他の外科用エンドエフェクタも用いられ得る。エンドエフェクタ
は単に、ハンドルが取り外された標準の外科用または内視用器具を含み、これらは、例え
ば、開創器、電気メス器具、マイクロ鉗子、マイクロニードルホルダ、切開はさみ、ブレ
ード、イリガートルおよび縫合糸を含む。エンドエフェクタは典型的には、１つまたは２
つの作業部材を含む。

器具１２の近位部２８ａは、支持ロッド１００並びに２つのガイドレール１０４および
１０６によって互いに連結された支持ブラケット９８および１０２を含む。ロータリジョ
イント２６を形成するロータリベアリング９１は、管状支持部材２４を支持する支持ブラ
ケット９８内に収容される。摺動ブラケット９６は線形ベアリングに沿って摺動可能にガ
イドレール１０４および１０６に取り付けられる。図１に示すように、摺動ブラケット９
６は、ブラケット３６によって位置決め機構１４に連結される。摺動ブラケット９６は好
適には、外科的用途のために、約８インチの移動を行う。駆動モータＭ１、Ｍ２、Ｍ３、
Ｍ４およびＭ５は、摺動ブラケット９６に取り付けられ、対応するケーブルＣ１、Ｃ２、
Ｃ３、Ｃ４およびＣ５を駆動する。各駆動モータＭ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４およびＭ５は、
コンピュータ１１にそれぞれの駆動シャフトの回転位置を供給する、対応するエンコーダ
Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３、Ｅ４およびＥ５を含む。

図４ａおよび図４ｂに示すように、駆動モータＭ５は、ケーブルＣ５からなるケーブル
駆動ループと係合する駆動シャフトキャプスタン９３を有する。ケーブルは、後部張力プ
ーリー８３回りに掛けられている。ケーブルは、アイドラプーリー８４および８５、並び
に、管状支持部材２４の近位端を形成する駆動キャプスタン９０回りに掛けられている。
従って、モータＭ５の作動は、管状支持部材２４およびそれが支持するエンドエフェクタ
を回転させるために用いられ得る。

図６を参照して、器具１２のケーブル駆動系をより詳細に述べる。作業部材２０ａおよ
び２０ｂ、リスト部材２２、および器具１２の長手方向軸Ｃに沿った並進運動は、Ｎ＋１
作動方式を為して配列されているケーブルＣ１、Ｃ２、Ｃ３およびＣ４によって駆動され
る。Ｎ＋１作動方式は、４つのケーブルを用いて３つの自由度を有するリストの作動を可
能にする。４つのケーブルは、３つの自由度を駆動するために必要な張力要素の、理論的
に可能な最小の数であり、従って器具が最小サイズおよび重量を有することを可能にする
。異なる動きの作動に必要な力の大きさが大幅に異なる場合には、より多くのケーブルを
用いる別の作動方式が望まれ得る。より多くのケーブルを用いることの不利な点は、重量
、複雑さ、および最小サイズが増加することである。

図６において、ケーブルＣ１〜Ｃ４をより容易に示すために、ジョイント２６の軸Ｃ−
Ｃ周りの回転運動は省略されている。このような回転は、モータＭ１〜Ｍ４並びにプーリ
ー７０、７２、７４および７６間においてケーブルＣ１〜Ｃ４をねじる結果となるにすぎ
ない。しかし、ケーブルは、このねじれがケーブルの経路の長さを大幅に変更しないよう
に、管状支持部材２４内に配置されている。しかし、器具の過剰な回転を防止するように
注意する必要がある。器具の過剰な回転は、ケーブルをねじれさせて互いに接触させ、ケ
ーブル間に摩擦を引き起こす。

図６に示すように、ケーブルＣ１およびＣ２は、連続ケーブルループ４４の２つの側を
形成する。ループ４４のケーブルＣ１は、近位アイドラプーリー８０、モータＭ１の駆動
シャフト、中間アイドラプーリー７０、および駆動されるキャプスタン１８ａと係合する
。ケーブルループ４４は、駆動されるキャプスタン１８ａからケーブルＣ２として戻り、
中間アイドラプーリー７６、モータＭ２の駆動シャフトおよび近位アイドラプーリー８０
と係合する。

図６に示すように、ケーブルＣ３およびＣ４は、ケーブル４６の連続ループの２つの側
を形成する。ケーブルループ４６のケーブルＣ３は、近位アイドラプーリー７８、モータ
Ｍ３の駆動シャフト、中間アイドラプーリー７２、および駆動されるキャプスタン１８ｂ
と係合する。ケーブルループ４６は、駆動されるキャプスタン１８ｂからケーブルＣ４と
して戻り、中間アイドラプーリー７４、モータＭ４の駆動シャフトおよび近位アイドラプ
ーリー７８と係合する。

図６に示すように、近位アイドラプーリー７８および８０は、近位アイドラプーリー７
８および８０の中心に安定的に取り付けられたケーブルＣ７およびＣ６によって張力を与
えられる。ケーブルＣ７およびＣ６は、近位アイドラプーリー８２と係合する単一のケー
ブル４５の２つの側を形成する。近位アイドラプーリー８２は、シャフト８２ａによって
支持ブラケット１０２に回転可能に取り付けられる。シャフト８２ａは好適には、リード
ねじなどの機構によって支持ブラケット１０２に移動可能に取り付けられる。リードねじ
は、その後、ケーブルＣ７およびＣ６を適切な張力に調節し得る。張力はまた、アイドラ
プーリー７８および８０を介してケーブルＣ１、Ｃ２、Ｃ３およびＣ４にも付与される。
同様のリードねじ張力付与方式が、アイドラプーリー８３の長手方向移動によって、ケー
ブルＣ５に張力を与えるために用いられ得る。これらの目的のために、アイドラプーリー
８２および８３は、図３に示す単一のシャフト８２ａではなく、別々に調節可能なシャフ
ト上に取り付けられることが必要であり得る。

駆動されるキャプスタン１８ａおよび１８ｂは、ケーブルＣ１からＣ４がそれぞれの中
間アイドラプーリと適切に係合することができるように、異なる直径を有し得る。ケーブ
ルＣ１およびＣ２は、外側中間アイドラプーリ７０および７６と係合し、一方、ケーブル
Ｃ３およびＣ４は、内側中間アイドラプーリ７２および７４と係合する。近位アイドラプ
ーリ７８および８０は、プーリ８０がプーリ７８よりも大きく、ケーブルを直線状に保つ
ような大きさになっている。

駆動モータＭ１、Ｍ２、Ｍ３およびＭ４は、ケーブルＣ１、Ｃ２、Ｃ３およびＣ４を駆
動させることによって、軸Ｂ−Ｂ周りのリスト部材２２の回転、軸Ｃ−Ｃに沿った器具１
２の長手方向の平行移動、および軸Ａ−Ａ周りの互いに独立した作業部材２２ａおよび２
２ｂの回転を制御する。駆動モータＭ１およびＭ２は、駆動モータＭ３およびＭ４によっ
て駆動されるケーブルＣ３／Ｃ４に対して同時にケーブルＣ１／Ｃ２を駆動させ、リスト
部材２２を軸Ｂ−Ｂ周りに回転させる。駆動モータＭ１は、駆動モータＭ２によって駆動
されるケーブルＣ２に対してケーブルＣ１を駆動し、キャプスタン１８ａおよびそれに取
り付けられた作業部材２０ａを軸Ａ−Ａ周りに回転させる。さらに、駆動モータＭ３は、
駆動モータＭ４によって駆動されるケーブルＣ４に対してケーブルＣ３を駆動させ、キャ
プスタン１８ｂおよびそれに取り付けられた作業部材２０ｂを軸Ａ−Ａ周りに回転させる
。４つの駆動モータＭ１、Ｍ２、Ｍ３およびＭ４はすべて、ケーブルＣ１、Ｃ２、Ｃ３お
よびＣ４を同時に駆動させ、器具１２を長軸Ｃ−Ｃに沿って並進させる。

摺動ブラケット９６上の位置決め駆動モータＭ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４およびＭ５は、器
具１２の遠位部２８ｂが小さな移動性質量（moving mass）を有するようにする。なぜな
ら、モータ自体は、器具の作動中に静止しているからである。モータは、位置決め機構１
４によって移動されるが、モータの重量および慣性は、力反映に影響しない。これは、上
記のように、好ましい実施態様では、器具１２のみが、マスターへ力を反映させるために
用いられるからである。さらに、ギアの代わりにケーブルを用いると、器具１２内の摩擦
量およびバックラッシュ（backlash）が減少する。小さな移動性質量および低摩擦の組合
せによって、器具１２は、力反映をマスター装置１５０に高感度で与えることが可能とな
る。

上記のプーリー、ケーブルおよびモータの構成に対するいくつかの可能な変更は、当業
者に明白である。ケーブルＣ１／Ｃ２、Ｃ３／Ｃ４、Ｃ５およびＣ７／Ｃ６は、同一のケ
ーブル側に図示したが、ケーブルＣ１からＣ７は、それぞれ、駆動されるキャプスタン１
８ａおよび１８ｂ、ならびに近位アイドラプーリー７８、８０および８２に安定して取り
付けられる個別のケーブルであってもよい。さらに、駆動モータＭ１、Ｍ２、Ｍ３および
Ｍ４は、ケーブルＣ１、Ｃ２、Ｃ３およびＣ４をそれぞれ駆動するように図示したが、い
くつかの駆動モータは、ケーブルＣ７およびＣ６を駆動するために、ケーブルＣ１〜Ｃ４
からケーブルＣ７およびＣ６に再配置され得る。特定の実施態様において用いられる特定
の駆動方式の選択は、器具１２によって用いられるべき力の制約、および作動中に移動す
る器具の部分の慣性および摩擦を減少させる必要性に依存する。

本発明の外科用器具はまた、駆動モータＭ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４およびＭ５を用いるも
のとして例示している。この駆動モータは、図３に示す位置エンコーダを有する標準的な
サーボモータであり得る。しかし、液圧アクチュエータおよび圧電モータなどの他のアク
チュエータが使用され得る。本発明の外科用器具においてアクチュエータとして用いられ
るためには、駆動機構は、可変かつ制御可能な力および位置制御を提供することができれ
ばよい。

図７を参照しながら、位置決め機構１４の駆動システムについて詳細に説明する。位置
決め機構１４は、セットアップジョイント６９（図示せず）に取り付けられた基部６８に
取り付けられている。位置決め機構１４は、駆動モータＭ６およびＭ７を有する。駆動モ
ータＭ６は、位置決め機構１４を軸Ｄ−Ｄ周りに約±６０゜の範囲で旋回させる。駆動モ
ータＭ７は、位置決め機構を軸Ｅ−Ｅ周りに約±９０゜の範囲で旋回させる。各駆動モー
タＭ６およびＭ７は、各ドラム４２および３２に安定して取り付けられた各ケーブルＣ８
およびＣ９を駆動する。駆動モータＭ６は、部材６２に取り付けられ、ドラム４２の周囲
を移動し、部材６２を軸Ｄ−Ｄ周りに回転させる。駆動モータＭ７は、基部６８に取り付
けられ、静止した状態を保ち、ドラム３２の周囲を移動し、位置決め機構１４を軸Ｅ−Ｅ
周りに回転させる。シャフト６４および６６は、ドラム４２から延び、耳部５８に連結し
、軸Ｅ−Ｅ周りの回転を可能にする。ドラム３２は、シャフト６６に固定されている。エ
ンコーダＥ６およびＥ７は、各駆動モータＭ６およびＭ７の駆動シャフトの回転位置をコ
ンピュータ１１に提供する。

位置決め機構１４は、好ましくは、位置決め機構１４および器具１２の質量が、軸Ｅ−
Ｅ周りにほぼ対称的に分布するように、静的に平衡にされる。例えば、駆動モータＭ６は
、軸Ｅ−Ｅの下に配置され、リンク４０、４２、６０および６２の重量と部分的につりあ
う。力反映を損なうことなく、さらなる平衡質量（counterweight）が加えられ得る。な
ぜなら、これらは、位置決め機構１４には慣性を加えるが、器具１２には慣性を加えない
からである。静的平衡は、アルミニウム管などの軽量材料をリンクの構築に用いて、位置
決め機構の質量を減少させることによって、容易になされ得る。静的平衡は、平衡負荷を
減少させるので有利である。静的平衡がないと、平衡負荷は駆動モータＭ６およびＭ７に
かけられる。さらに、静的平衡は、駆動モータＭ６またはＭ７のいずれかが故障したとき
に、位置決め機構１４および器具１２が急速に運動しないようにさせる１つの手段である
。

図８ａおよび図８ｂを参照すると、ケーブルＣ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４、Ｃ５、Ｃ８およ
びＣ９は、それぞれの駆動モータＭ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４、Ｍ５、Ｍ６およびＭ７の駆動
シャフトの周りに巻き付けていることによって駆動される。例えば、図８ａにおいて、ケ
ーブルループ４６のケーブルＣ４は、モータＭ４の駆動シャフトの周りに巻き付けられて
いる。ケーブルＣ４は、好ましくは、駆動シャフトの周りに２回巻き付けられ、ケーブル
Ｃ４と駆動シャフトとの間に十分な摩擦を提供し、すべりを防止する。さらにすべりを防
止するために、ケーブルは、はんだ、溶接または機械的固定手段によって、一点で駆動シ
ャフトに固定され得る。しかし、このような実施態様において、ケーブルの移動範囲は、
駆動シャフトまたはキャプスタンの周りに巻き付けられたケーブルの長さによって制限さ
れるので、ケーブルは数回巻き付けられることが通常必要である。

図８ｂは、位置決め機構１４のドラム３２および４２のケーブル駆動を示す。駆動モー
タＭ６のシャフトが回転すると、ケーブルＣ８は、シャフトの１サイドに巻き付き、他の
サイドからはなれる。従って、ケーブルＣ８は、モータＭ６のシャフトを通過して並進し
、結果としてドラム４２は回転する。モータＭ６のシャフトが、ドラム４２の表面に直接
接触しないことに留意されたい。

図８ｃは、駆動ケーブルの他の好ましい方法を示す。例えば、モータＭ４は、駆動ホイ
ール４３ａおよびアイドラホイール４３ｂを有し、その間で細長い部材４７を摩擦駆動さ
せる。ケーブルＣ４は、２つのハーフ４６ａおよび４６ｂからなり、これらは、部材４７
の対向する端部に固定されている。

図９は、他の好ましい器具１１７の遠位端およびリスト部材１１６を示す。器具１１７
は、４個でなく８個の中間アイドラプーリーを有するという点で、器具１２とは異なる。
器具１１７は、リスト接合部１６において中間アイドラプーリー７６、７４、７２および
７０を有するが、さらに中間アイドラプーリー７６ａ、７４ａ、７２ａおよび７０ａを有
し、これらは、シャフト１１８に沿ってつまみ２４ａ上のアイドラプーリー７６、７４、
７２および７０に隣接して配置されている。ケーブルＣ１、Ｃ２、Ｃ３およびＣ４は、各
中間アイドラプーリーの周りに完全に巻き付きはしないが、その代わりに、各プーリーの
表面と約９０゜で接触するだけである。これによって、ケーブルが互いに交差し、共に摩
擦するのが防止され、摩擦およびノイズが防止される。

図１０は、位置決め機構１４および器具１２のマクロ−マイクロ制御の背後にある原理
を示す。マクロ−マイクロ制御は、系の力学を利用して、スレーブシステムの出力端で測
定される慣性を減少させることによって力の感度を最適にする。特に、大抵の場合、遠位
の自由度は、近位の自由度が有するよりも小さい移動範囲を有する。我々の場合、腹腔鏡
器具の端部に取り付けられた小さなリストは、マクロ機器（位置決め機構）に取り付けら
れたマイクロ機器（リスト）に対応する。

ここで定義するように、マクロ−マイクロ制御とは、マクロ−マイクロシステムの遠位
側（患者と相互作用する側）から測定される有効慣性を、マクロ自由度の移動範囲を保持
しながら、マイクロ自由度の有効慣性付近に減少させることを目的として、適切なコント
ローラを介して連続して作動する２つ以上の余剰な自由度を用いることである。システム
の近位側として規定されるマクロ自由度は、グラウンドに対して作動し、通常、広範囲な
移動および慣性を有して大きい。マイクロ自由度は、対応する小さな範囲の移動および慣
性を有して小さく、マクロ自由度に対して作動し、システムの遠位側として規定される。

図１０は、２つの余剰アクチュエータ２０２および２０３によって動作するリニアスレ
ーブ器具２０１と、１つのアクチュエータ２０６を有するリニアマスターデバイス２０５
とからなる１つの自由度のマスター−スレーブシステムの一例を示す。Ｍ３は、スレーブ
デバイスの移動を制御するために用いられるマスターデバイス２０５を示す質量である。
Ｆ３は、マスターアクチュエータ２０６によって質量Ｍ３に与えられる力である。Ｍ１は
、広範囲な移動を有するマクロ機器を示す質量であり、これは、本発明の位置決め機構と
等価である。Ｆ１は、マクロアクチュエータ２０２によってグラウンドにかけられる力で
ある。マクロ機器は、マスター２０５の位置に直接スレーブされ、作業スペース内でマイ
クロ機器を維持するように動作する。広範囲な移動を可能にするために、マクロ機器は、
大きな構造を有し、通常、比較的大きい慣性、および恐らくは大きい摩擦を有する。しか
し、マクロ機器は、良好（高帯域幅）位置および速度制御を維持することが可能でなけれ
ばならない。

Ｍ２は、マクロ機器およびマスター２０５に対して、比較的小さい範囲の移動を有する
マイクロ機器を示す質量である。しかし、マイクロ機器Ｍ２は、小さな構造であるため、
マクロ機器と比較して小さい慣性および小さい摩擦を有するように構築することが可能で
ある。スレーブ自由度は共に、出力Ｘに寄与する。なぜなら、マイクロ機器は、連続して
マクロ機器上に設けられるためである。マイクロ機器の力Ｆ２は、Ｍ１とＭ２との間に与
えられる。Ｘ１は、マクロ機器の位置であり、Ｆ１は、マクロアクチュエータ２０２によ
ってマクロ機器とグラウンド２０４との間に与えられるモータ力である。Ｘ２は、マクロ
機器に対するマイクロ機器の位置である。Ｘは、Ｘ１とＸ２との組合せた結果のグラウン
ドに対するマイクロ機器の位置である。Ｘ３は、マスター器具Ｍ３の位置である。マスタ
ーＭ３を保持するユーザは、力反映として得られる力を感じる。

この代表的なマクロ−マイクロシステムを制御する式を以下に示す。これらの式におい
て、添え字ｄは、特定の位置または速度の所望値を示す。以下の式において、ｋ_ｐ１、ｋ
_ｐ２およびｋ_ｐ３は、位置利得であり、ｋ_ｖ１、ｋ_ｖ２およびｋ_ｖ３は速度利得である。
ＶはｄＸ／ｄｔ、すなわちマクロ−マイクロ機器の速度である。Ｖ１は、ｄＸ１／ｄｔ、
すなわちマクロ機器の速度である。ポスケール（posscale）は、マスターとスレーブとの
間のスケーリング動作（scale motion）に用いられる尺度ファクタである。例えば、ポ
スケールが１と等しいとき、マスターが１ｃｍ移動すると、スレーブは１ｃｍ移動する。
ポスケールが２と等しいとき、マスターが１ｃｍ移動すると、スレーブは１／２ｃｍ移動
する。

Ｘ_ｄ＝Ｘ_３／ポスケール 式１
Ｖ_ｄ＝Ｖ_３／ポスケール 式２
Ｘ_１ｄ＝Ｘ_ｄ 式３
Ｘ_２ｄ＝Ｘ_d−Ｘ_１ 式４
Ｘ_3d＝Ｘ・ポスケール 式５
Ｖ_1d＝Ｖ_d 式６
Ｖ_２ｄ＝Ｖ_ｄ−Ｖ_１ 式７
Ｖ_3d＝Ｖ・ポスケール 式８
Ｆ_１＝−ｋ_ｐ１（Ｘ_１−Ｘ_1d）−ｋ_ｖ１（Ｖ_１−Ｖ_１ｄ） 式９
Ｆ₂＝−ｋ_ｐ２（Ｘ_２−Ｘ_2d）−ｋ_ｖ２（Ｖ_２−Ｖ_２ｄ） 式１０
Ｆ₃＝−ｋ_ｐ3（Ｘ₃−Ｘ_3d）−ｋ_ｖ3（Ｖ₃−Ｖ_3ｄ） 式１１

上記の式は、マクロ−マイクロ制御の１つの特定の実施を示す。実施の改変は、システ
ムの安定性を向上させる目的で必要であり得る。しかし、上記の式から決定され得るよう
に、位置および速度利得は両方とも、システムインピーダンスおよび安定性に影響する。
マスターとスレーブとの間の力およびインピーダンススケーリングは、位置利得ｋ_ｐ１、
ｋ_ｐ２およびｋ_ｐ３およびファクタポスケールを変更することによって成し遂げられる。
特に、比ｋ_ｐ３／ｋ_ｐ２は、マスターとスレーブとの間の力利得を決定する。例えば、比
ｋ_ｐ３／ｋ_ｐ２＝２のとき、スレーブに与えられる力は、マスターで２倍に拡大される。
さらに、ポスケール＝１の場合、スレーブにおける物体の剛性（stiffness）もまたマス
ターで２倍になる。ｋ_ｐ３／ｋ_ｐ２＝２およびポスケール＝２の場合、スレーブの剛性は
、マスターでは変化しないが、力は２倍になる。速度利得ｋ_ｖ１、ｋ_ｖ２およびｋ_ｖ３は
、システムの安定性を制御するために用いられ得る。

マクロ−マイクロ制御の質的効果を理解するためには、小さい力がＭ２に加えられた場
合を想定するとよい。Ｍ２が小さい慣性および恐らく小さい摩擦を有しているため、Ｍ１
に比較して小さい抵抗で屈曲する。この移動はマスターＭ３で追跡される。ユーザがＭ３
を持っていれば、ユーザは力を感じとるであろう。Ｍ２に加わる力をユーザが感じる感度
は、Ｍ２のＭ１に対する慣性および摩擦が減少するにつれて増加する。Ｍ２をＭ１に結合
することの有用性は、Ｍ１がスレーブの移動の範囲を増加させることである。Ｍ２はＭ１
に比較して短い距離のみを移動するためＭ１はＭ１の運動ベース(moving base)を提供し
、結果として組み合わされたシステムは、Ｍ２の感度とＭ１の大きな移動範囲の両方を有
している。

図１０に示すマクロ−マイクロ作動方式は、単純な１の自由度のリニアシステムである
。しかし、同じ方式および同じ一般式を、周知のロボット工学および数学原理を用いて、
本出願人のシステムのような３自由度システムに容易に拡張することができる。器具１４
の点Ｐ_ｓの移動は３つの可能な自由度のみを有し、６の自由度を有する器具および位置決
め機構の組み合わせの移動によって冗長に制御される。点Ｐ_ｓの移動の各軸について、そ
の軸に沿う点の移動を制御する複数のアクチュエータが存在する。マクロ−マイクロ制御
下にあるそれらの各軸について、少なくとも１つのマイクロアクチュエータおよびマイク
ロアクチュエータと異なる少なくとも１つのマクロアクチュエータが存在する。

本発明をその好適な実施態様について特に示し説明してきたが、付属の請求項で規定さ
れる発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、形態および詳細について様々な変更を
なし得ることが当業者には理解されるであろう。本発明を腹腔鏡手術について説明したが
、他の形態の内視鏡手術ならびに開腹手術もまた行い得る。本器具はまた、高品質の力フ
ィードバックで巧緻性の高い器具を必要とする適切な遠隔操作アプリケーションにも用い
ることができる。アプリケーションの可能性としては、爆弾処理、危険物あるいは放射性
物質の取り扱い、深海アプリケーション、宇宙空間アプリケーション、またはその他の近
寄れない場所におけるアプリケーションを含む。

本発明の上記およびその他の目的、特徴ならびに利点は、図面の好適な実施形態の以下
のより具体的な説明から明らかになるであろう。図面を通して、同じ参照符号は、同じ部
分を示す。図面は、必ずしも一定の縮尺で示されている訳ではなく、本発明の原理を説明
する場所には強調を加えている。

Claims (1)

1. 本願明細書に記載された発明。

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