JP2016513500A - 外科環境で器具の屈曲を促進するための方法、装置およびシステム - Google Patents

Abstract

医療的および外科的用途のために製造する容易性を維持しながら、大きな関節運動度での屈曲を促進する器具が、議論される。本器具は、略円筒状外周を有するロッドと、ロッド全体を通る非円筒状経路とを備える、屈曲区分を有する。複数の区分は、ロッドの長さに沿っており、材料が除去され、部分的空隙がロッドの屈曲を可能にするように、複数の部分的空隙を形成する。非円筒状経路は、円筒状ロッドの長さに沿って中立軸に近接して少なくとも１つの補助的構成要素と、ロッドの長さに沿って上部に近接して軸外作動ワイヤとを搬送することが可能である。

Description

（関連出願への相互参照）
本願は、２０１３年３月８日に出願された米国仮出願第６１／７７４，９０１号（代理人事件番号第４１６６３−７０７．１０１）および２０１４年３月７日に出願された米国出願第１４／２０１，６１０号（代理人事件番号第４１６６３−７０７．２０１）に基づく利益を主張しており、これらの内容は本明細書中に参考として援用される。

（発明の背景）
（１．発明の分野）
本願の分野は、医療デバイスに関する。より具体的には、本発明の分野は、外科手術を実施するための装置、システム、および方法に関する。

（２．関連技術の説明）
ロボット的外科手術が、患者の回復時間を改善する多くの利点を有し、医療および外科的用途器具の精密制御を可能にする。ロボット工学では、エンドエフェクタは、ロボットのアームの端部におけるデバイスであり、環境と相互作用するように設計される。このデバイスの正確な特質は、ロボットの用途に依存する。例えば、エンドエフェクタのいくつかの実施例は、一式の鉗子、一対の剪刀、レーザ、カメラ、焼灼ツール、ニードル、または再位置付けされることが可能であることから利点を得るであろう任意の他の器具の先端部を含み得る。

直列ロボットマニピュレータから由来して、前述に議論されるように、エンドエフェクタは、ロボットの最終リンク（または端部）を意味する。この端点において、ツールはが取着される。広い意味では、エンドエフェクタは、作業環境と相互作用するロボットの一部として見られることができる。

多くの関節運動デバイスは、アセンブリを作るための多くの小さな葉状部品を備える屈曲区分を使用する。典型的には、アセンブリは、個々の構成要素が加工することが困難になるため、より小さい幾何学形状で製造することが困難である。

既存の解決策に関する別の課題は、エンドエフェクタのための補助的構成要素を収容することであって、これは、引張ワイヤ、電気的ワイヤ、流体ライン、および光ファイバを含み得る。屈曲区分内部にあるこれらの構成要素の場所は、屈曲区分の性能および安定性に影響を与える。全てのビームは、直線状または屈曲状であるとき同一の長さのままであろう、本体内部にある想像線を有し、この線は、構造物の中立軸と名付けられる。中立軸領域はいかなる歪または応力も被らない。典型的には、この線のいずれかの側にある材料は、歪を被り、延在または圧縮されるかのいずれかであろう。屈曲部の内側は、圧縮し、屈曲部の外側は、延在するであろう。内側および外側屈曲部表面に対するその関係とともに、中立軸の例証のための図１を参照されたい。

例えば、補助的構成要素が、中立軸領域の外側に留置される場合、さらに屈曲区分に対して浮動することが可能である場合、屈曲区分内外に摺動するであろう。そうでなければ、構成要素は、かけられる軸力に起因して、座屈または伸展するであろう。図２は、構成要素の中立軸から離れるように留置される構成要素の関係の例証図を描写する。

屈曲区分のための既存の解決策は、薄肉管から製造される小さな関節運動可能器具のためにもたらされている。例えば、複雑なパターンが、優先的屈曲方向を生じさせる起伏を作るために管材の中に切断される。しかしながら、大きい偏向が、要求される場合、管材の材料の多くは、そのような屈曲を可能にするために、除去されることが必要であろう。その結果、排除されたそのたくさんの材料を伴う薄肉管は、機械的に安定したままにするために、多くの構造および能力を不可避的に損失する。

したがって、全て、製造する容易性を確実にしたまま、エンドエフェクタの端部での安定性を提供するために、十分な量の剛性を維持しながら、大きな関節運動度での器具の屈曲を促進するための方法および装置を有することが、有益となるであろう。

（発明の要旨）
本明細書に説明される実施形態は、製造する容易性を維持しながら、大きな関節運動度での器具の屈曲のための方法、装置、およびシステムを対象とする。

他の実施形態では、管の代わりに、中実ロッドを用いて始動することによって関節運動区画を作るための方法および装置を対象とする。まず、材料は、屈曲を可能にするためにロッドの両側から除去される。一実施形態では、ロッドは、作動ワイヤを収容するために、材料を断面から除去する。

他の実施形態では、断面は、エンドエフェクタに関する補助的構成要素を収容する。

一実施形態は、屈曲区分の中立軸に近接して経路補助的構成要素の経路を留置することを提供する。その結果、これは、関節屈曲区分の関節と補助的構成要素との間の相互作用を減少させる。さらに、より予測可能な屈曲およびエンドエフェクタ挙動をもたらす。例えば、限定としてではなく、関節運動引張ワイヤおよび補助的構成要素を収容するために、断面から材料を除去することは、医療手技の間で解決することが可能である、屈曲剛性および反力の量の操作を可能にする。

一実施形態では、構成要素は、限定ではないが、ニチノールおよび他の類似する材料等、後に議論されるであろう、超塑性材料から製造される。構造物の剛性は、構造物が、運動の全範囲を通して十分な安定性を提供することを確実にするために、断面プロフィールの設計を介して操作された。構造物は、構造物に対してモーメントをかけ、そしてモーメントが構造物から除去されると、最初の位置に戻ることによって、有意な屈曲を達成する。

この作動は、単に、先端部において１本の引張ワイヤを要求するにすぎず、これは、モーメントを生成するために引っ張られ、モーメントを軽減するために緩められることを必要とするであろう。

代替実施形態では、構成要素は、超塑性材料から製造されるが、断面は、プロフィールに上に起伏を組み込むことによって、異なる内側プロフィールを可能にし、デバイスは、最初に逃げ溝（ｃｌｅａｒａｎｃｅ ｈｏｌｅ）を作ることを必要とせず、ワイヤＥＤＭ（放電加工機）プロセスを使用して、製造されることに適する。

図１は、中立軸の説明を促進する図である。 図２は、中立軸の説明を促進する図である。 図３は、本発明の第１の実施形態による、屈曲撓曲部のための装置を描写する。 図４は、図３の断面側面図である。 図５は、有限要素解析（ＦＥＡ）による、図３のモデル表現図である。 図６は、図３に描写される、第１の実施形態の関節運動の位置を描写した図である。 図７は、本発明の一実施形態による、アセンブリの等角図であり、主題である撓曲部は、エンドエフェクタの中に組み込まれる。 図８は、本発明の第２の実施形態による、屈曲撓曲部のための装置を描写する。 図９は、図８のわきの断面図である。 図１０は、図９の屈曲挙動を描写する、わきの断面図である。

ある好ましい実施形態および実施例が、下記に開示されるが、本発明の主題は、他の代替実施形態および／または使用、ならびにそれらの修正および均等物まで、具体的に開示される実施形態を越えて拡大する。したがって、本明細書に添付される請求項の範囲は、下記に説明される特定の実施形態のいずれかによって限定されない。例えば、本明細書に開示される任意の方法またはプロセスでは、本方法またはプロセスの作用または動作は、任意の好適なシーケンスにおいて実施されてもよく、必ずしも、任意の特定の開示されるシーケンスに限定されない。種々の動作は、ある実施形態を理解する際に役立ち得る様式で、順に、複数の別々の動作として説明され得るが、しかしながら、説明の順序は、これらの動作が、順序依存することを含意するように解釈されるべきではない。加えて、本明細書に説明される構造、システム、および／またはデバイスは、一体化される構成要素として、または別個の構成要素として具現化されてもよい。

種々の実施形態を比較する目的のために、これらの実施形態のある側面および利点が、説明される。必ずしも、全てのそのような側面または利点は、任意の特定の実施形態によって達成される必要はない。したがって、例えば、種々の実施形態は、必ずしも、本明細書にまた教示または示唆され得るような他の側面または利点を必ずしも達成することなく、本明細書に教示されるような利点のうちの１つの利点または利点群を達成または最適化する様式において実行されてもよい。

本明細書に説明される実施形態は、大きな関節運動度を有し、遠隔外科手技の間、要求される力を消散するために十分な剛性を提供する、最小侵襲的外科器具の遠位屈曲区分のための装置を対象とする。他の実施形態は、遠位屈曲区分を使用する方法と、これを作製するための方法とを提供する。

一実施形態は、屈曲区分の中立軸に近接して補助的構成要素の経路を留置することを提供する。その結果、これは、関節屈曲区分の関節と補助的構成要素との間の相互作用を減少させる。さらに、本発明の実施形態は、より予測可能な屈曲およびエンドエフェクタ挙動を提供する。例えば、限定としてではなく、断面から材料を除去することは、関節運動引張ワイヤおよび補助的構成要素を収容し、故に、屈曲剛性は、所望の特徴を達成するために、操作されることができる。

一実施形態では、構成要素は、超塑性材料から製造される。一実施形態では、この材料は、ニチノールであり、室温および／または体温において超弾性相を伴う。また、他の実施形態は、任意の超弾性合金の使用を含む。さらに別の実施形態では、慣性モーメントは、構造物が、構造物に対してモーメントを生成することによって有意な屈曲を達成し、モーメントが除去されると最初の位置に戻るように、調整された。この作動は、単に、先端部において１本の引張ワイヤを要求し、これは、モーメントを生成するために引っ張られ、モーメントを軽減するために緩められることを必要とするにすぎないであろう。

代替実施形態では、上記構成要素は、超塑性材料から製造されるが、断面は、プロフィール上に起伏を組み込むことによって、異なる内側プロフィールを可能にし、本デバイスは、最初に逃げ溝を作ることを必要とせずに、ワイヤＥＤＭ（放電加工機）プロセスを使用して、製造されることに適する。

図３Ａを参照すると、本発明の実施形態に従って完成した屈曲区分３００が、描写される。図３Ｂは、屈曲区分３００の軸を通した長手縦方向断面であり、図３Ｃは、図３Ｂの線Ｃに沿った屈曲区分３００の長手方向断面を示し、図３Ｄは、図３Ｂの線Ｄに沿った屈曲区分３００の軸方向断面を示す。

図３Ｂを参照すると、材料が、空隙３０２を作るために、ロッドの上部に沿って、好ましくは、屈曲区分の長さに沿って除去される。下記に議論されるように、この空隙は、この好ましい実施形態の付加的特徴を作るために、ロッド内で材料の除去を補助するために作られる。材料はまた、涙滴状区分３０４からも除去され、涙滴状区分３０４に隣接して、材料がその場に残され、葉状部３０６を形成する。空隙３０８（下記に説明される）を通って延在する腱張材（図示せず）が、屈曲区分３００の遠位端に取着される。図内に示されるように、張力が、腱張材に印加されると、屈曲区分は、下方に屈曲し、涙滴状空隙３０４は、葉状部３０６が内向きに移動することを可能にし、屈曲が、中実の脊柱３１０に沿って実現される。当業者は、涙滴状空隙および葉状部の形状の選択が、脊柱３１０を形成するために残された材料の量と同様に、設計選択対象であることを認識するであろう。

ここで、図３Ｃを参照すると、非円筒状チャネル３１２が、中実ロッドの長さの下方へ形成される。好ましくは、ロッドの外周、そしてそれ故、屈曲区分は、延伸ハイポチューブのものに類似する、略円筒状形状を有する。先行技術の屈曲区分は、ハイポチューブから切断される材料を有し、そしてそれ故、同様に円筒状内径を有し、これは、先行技術の屈曲区分の長さに沿って均一の側壁厚をもたらす。屈曲区分の外径が小さいとき、ハイポチューブ壁は、大きな関節運動度が要求されるとき、および遠位端にある外科ツールが、所望の手技を実施するために、この剛性を要求する場合、十分な強度および剛性を提供しない。本発明の実施形態は、屈曲区分を通る非円筒状チャネル３１２を提供し、これは、材料を軸外に分配し（すなわち、非均一の壁厚）、構造上の剛性を屈曲区分に提供し、軸外の腱張材のための経路３１４と、ツール作動または関節運動ケーブル等の補助ケーブル（図示せず）のための中立軸に近接する経路３１６とを提供することを可能にする。

一実施形態は、屈曲区分の中立軸に近接するように、補助的構成要素の経路を留置することを提供する。その結果、これは、関節屈曲区分の関節と補助的構成要素との間の相互作用を減少させる。さらに、この実施形態は、より予測可能な屈曲およびエンドエフェクタ挙動を提供する。例えば、関節運動引張ワイヤおよび補助的構成要素を収容するために、断面から十分な材料を除去し、故に、屈曲剛性は、所望の特徴を達成するために、操作されることができる。図４は、図３Ｃに示されるのと同じ断面である。構造物に対する断面の場所は、図５に例証される。区分ｃ−ｃが、屈曲を経験し、構造物の偏向に貢献するであろう領域３１０の断面を示す。区分ｄ−ｄが、構造物を関節運動させ、そしてエンドエフェクタを操作するために要求される構成要素を支持かつ格納するために胸郭に類似するシャーシ３１６を提供する、構造の領域を示す。この図では、ハッチング斜線区分（ハッチング領域と称される）が、中実の断面を描写する。例えば、区分ｃ−ｃは、上部の中実断面を有する。対照的に、区分ｄ−ｄは、全チャネルの周囲に中実の断面を有する。

図の上部の近傍の破線は、本装置の中立軸を描写する。また、破線矢印は、下方向における中立軸から離れるような優先的な屈曲の方向を描写する。

区分ｃ−ｃと区分ｄ−ｄとの両方の断面図は、補助的構成要素（図示せず）および関節運動ワイヤ（図示せず）を収容するために、２つの楕円形状鍵開口部または管腔を描写する。いくつかの実施形態では、上記補助的構成要素は、
エンドエフェクタにおける作動を発生させるための引張ワイヤと、
照射、レーザ、および視覚のためのファイバと、
空気力学および／または水力学と、
電線と、
作業チャネルのための開放管腔（開放アーキテクチャデバイス、エンドエフェクタが作業チャネルを通され、そして交換可能である、）と、
エンドエフェクタを支持する伸縮自在管と、
のうちの任意または全てを含み得る。

一実施形態では、上部開口部または管腔は、補助的構成要素を収容し、そして底部開口部は、装置の屈曲を制御する関節運動ワイヤを収容する。しかしながら、当業者は、少なくとも、部分的に、屈曲装置の医療的、外科的、または他の用途に基づく異なる管腔構成および留置が、本発明から逸脱することなく、使用されてもよいことを認識する。

図５は、関節運動ワイヤと撓曲部との間の相互作用を示す有限要素分析（ＦＥＡ）による、図３のモデル表現図である。

図６は、図３−４に描写される実施形態の関節運動した位置を描写する図である。この写真は、顕微鏡下で捕捉された、構造物の均一の屈曲を例証する。一実施形態では、関節運動度は、少なくとも、部分的に、構造物の長さに沿った起伏／空隙の量に基づく。この実施形態では、起伏の一側面はまた、葉状部が接触すると、構造物が強制停止することを可能にする（障壁に衝打したことのフィードバック）。その結果、本発明の実施形態は、過剰な関節運動および構造物に対する潜在的な損傷を防止することに役立つ。

図７は、本発明において請求される主題の一実施形態による、アセンブリの等角図であり、主題である撓曲部は、エンドエフェクタの中に組み込まれている。

図８は、本発明の別の実施形態による、屈曲撓曲部のための装置を描写する。当業者は、非円筒状チャネル３１２の形状が、屈曲区分の所望の屈曲および剛性特性を達成するために変形されることができることを認識するであろう。図８に描写される設計の断面（図９に示される）は、内側プロフィールが閉じ始めることを可能にする。プロフィールにこの起伏を組み込むことによって、本デバイスは、最初に、逃げ溝を作ることを必要とせず、ワイヤＥＤＭプロセスを使用して、製造されることに適する。

図９は、図８のわきの断面図である。撓曲部＃２上の２本の支柱７０２（図７）は、中立軸を中心に屈曲する傾向があるが、また、断面の中心部の中にわずかに屈曲する。この屈曲特徴は、閉じ始める「間隙」をもたらし、撓曲部が関節運動されるにつれて閉じ始め、そして、最終的に、大関節運動の間に完全に閉じるであろう。

また、この第２の実施形態では、開口部は、補助的構成要素の横挿入を可能にする。内側プロフィール上に拡開部を有する概念はまた、組立プロセスの間、利点を有する。例えば、部片を通して利用可能である間隙が存在し、関節運動ワイヤおよび補助的構成要素は、軸方向の代わりに、横方向に挿入されることができる。この組立選択肢はまた、関節運動ワイヤを切り離すことを必要とせず、撓曲部が交換されることを可能にする。

図１０は、図８−９に描写される実施形態の屈曲挙動を描写する、わきの断面図である。動作の間、間隙は、撓曲部が関節運動されるにつれて、閉じる傾向があり、したがって補助的構成要素を内側プロフィール管腔から「逃散」させる可能性を最小限にするであろう。間隙の存在に懸念がある場合、構成要素はさらに、アセンブリの中への一体化の前に間隙を閉鎖するために、間隙を伴って製造され、次いで、「形状設定」されることができる。

本明細書に任意の実施形態を用いて示される要素または構成要素は、具体的な実施形態のために例示的であり、そして本明細書に開示される他の実施形態において、またはそれらと組み合わせて使用されてもよい。本発明は、種々の修正および代替形態の影響を受けるが、それらの具体的な実施例は、図面に示されており、本明細書に詳細に説明されている。しかしながら、本発明は、開示される特定の形態または方法に限定されず、対照的に、それらの全ての修正、均等物、および代替を網羅する。

Claims (7)

1. 非侵襲的医療手技において使用するためのツールを搬送する屈曲区分であって、
   略円筒状外周を有するロッドと、
   前記ロッドの長さに沿った上部と、
   前記ロッドの長さに沿った底部であって、材料が、前記底部に沿って前記円筒状ロッドから除去される、底部と、
   前記ロッドの全体を通る非円筒状経路と、
   前記ロッドの長さに沿って複数の第２の区分に交互に隣接する複数の第１の区分であって、材料が、前記複数の第１の区分から除去され、部分的空隙が前記ロッドの上部に沿って前記ロッドの屈曲を可能にするように、前記複数の第２の区分に隣接して複数の前記部分的空隙を形成する、複数の第１の区分と、
   を備え、前記非円筒状経路は、前記円筒状ロッドの長さに沿って中立軸に近接する少なくとも１つの補助的構成要素と、前記ロッドの長さに沿って前記上部に近接して軸外作動ワイヤとを搬送することが可能である、屈曲区分。
2. 器具の屈曲を促進する装置であって、
   非円筒状管腔を伴うロッドを備え、
   前記ロッドは、前記ロッドの管腔の第１の断面形状および第２の断面形状を伴い、
   前記第１の断面形状は、屈曲を促進し、作動ワイヤを収容するように構成され、
   前記第２の断面形状は、少なくとも１つの補助的構成要素が中立軸に近接するように促進する、
   装置。
3. 前記非円筒状管腔は、前記補助的構成要素および作動ワイヤを収容する、接合された二重楕円形状管腔である、請求項２に記載の装置。
4. 前記ロッドの材料の断面は、一定の壁厚を用いて可能であるものと比較して、増加される剛性支持を促進する、請求項２に記載の装置。
5. 器具の屈曲を促進する装置であって、
   非円筒状管腔を伴うロッドを備え、
   前記ロッドは、屈曲を促進し、作動ワイヤを収容するために、前記ロッドの第１の断面および第２の断面を伴い、
   前記非円筒状経路は、少なくとも１つの補助的構成要素が中立軸に近接するように促進し、前記装置は、エンドエフェクタに結合される、
   装置。
6. 前記非円筒状経路は、前記補助的構成要素および作動ワイヤを収容する、二重楕円形状管腔を含む、請求項５に記載の装置。
7. 前記第２の断面は、前記第１の断面と比較して、増加される剛性支持を促進する、請求項５に記載の装置。