JP2017136400A - 器具インターフェース - Google Patents

Abstract

【課題】器具の交換を容易にしたロボット式の医療器具用の機械的インターフェースを提供する。【解決手段】ロボット医療器具用の機械的インターフェースは、器具の作動部分の移動を引き起こさずに器具２００と駆動システム２２０との係合を許容する。器具インターフェースは、医療器具及び駆動システムの一方にある対称的なテーパ付きの或いは円筒形の突起と、駆動システム及び医療器具の他方にある相補的なボア２５０とを含み得る。突起及びボアの対称性は、医療器具に対する駆動システムの回転角度に拘わらず、突起がボアに圧縮適合されることを可能にする。【選択図】図２

Description

最少侵襲的な医療措置のために利用されるようなロボット制御システムは、比較的小さい工具又は器具を精密に制御し且つ駆動させる大きい複雑な機器を含み得る。（ここで使用されるとき、「ロボット」又は「ロボット式に」の用語及び類似表現は、遠隔操作又は遠隔操作型ロボットの特徴を含む。）

図１Ａは、既知のロボット式に制御されるシステム１００の実施例を例示している。（例えば、Intuitive Surgicalから入手可能なda Vinci(R) Surgical Systemの一部であり得る）システムは、多数のアーム１３０を有する患者側カート１１０を含む。各アーム１３０は、結合ポート１４０を有し、結合ポート１４０は、器具１５０を取り付けるための並びに器具１５０の操作用の機械的動力をもたらすための機械的インターフェースを備える駆動システムを概ね含む。医療措置のために夫々の医療器具１５０を移動し且つ位置付けるために、医療措置中にアーム１３０を使用し得る。

図１Ｂは、既知の器具１５０の底面図を示している。器具１５０は、伝動機構又は後部機構１５２（バックエンド機構）と、後部機構１５２から延びる主管１５４と、主管１５４の遠位端にある機能的先端部１５６とを概ね含む。先端部１５６は、医療措置中に使用し得るメス、ハサミ、ピンセット、又は焼灼器具のような医療工具を概ね含む。駆動ケーブル又は腱１５５（テンドン）は先端１５６に繋がり、主管１５４を通じて後部機構１５２まで延びる。後部機構１５２は、典型的には、器具１５０の駆動腱と駆動システム１４０の機械的インターフェースの電動軸との間の機械的継手をもたらす。具体的には、駆動システム１４０の機械的インターフェース上の相補的な機能と係合するような位置、大きさ、及び形状にさせられる突起又は穴のような機能を有するギア又はディスク１５３。典型的な器具においては、ディスク１５３の回転がそれぞれの腱１５５を引っ張り、先端部１５６内の対応する機械的リンクを作動させる。よって、システム１００は、先端部１５６を位置付け、方向付け、且つ操作するために、駆動腱１５５における動作及び張力を適宜制御し得る。既知の手術器具の更なる詳細は、例えば、Tierney et al．に発効した「Surgical Robotic Tools, Data Architecture, and Use」という名称の米国特許第７，０４８，７４５号中に記載されており、参照としてその全文をここに援用する。

駆動システム１４０から１つの器具１５０を取り外し、次に、その取り外した器具の代わりに他の器具を装着することによって、システム１００の器具１５０を交換し得る。装着プロセスは、ディスク１５３上の機能が駆動システム１４０の相補的な機能と適切に係合することを必要とするのが一般的である。しかしながら、装着前、器具１５０上のディスク１５３の向きは、患者側カート１１０に知られていないのが一般的である。更に、医療措置と医療措置との間に複雑な機器を洗浄し且つ殺菌することの困難性の故に、患者側カート１１０のような機器は、医療措置のために殺菌障壁（バリア）によって覆われることが多い。これらの殺菌障壁は、結合ポート１４０と器具後部１５２との間に介装される殺菌アダプタ（図示せず）を含み得る。例えば、上記参照した米国特許第７，０４８，７４５号及び参照としてその全文をここに援用するAnderson et al.に発効した「Sterile Surgical Adaptor」という名称の米国特許第７，６９９，８５５号は、幾つかの例示的な殺菌障壁及びアダプタシステムを記載している。

器具１５０のための典型的な装着プロセスは、可能であれば殺菌障壁が介在した状態で、ディスク１５３の向きを考慮せずに駆動システム１４０上に後部機構１５２を取り付けることを含む。次に、新たに装着される器具１５０の操作のために、相補的な機能が互いに噛合し合って確実に係合し合うのを保証するよう、装着手続中に駆動システム１４０内の駆動モータを多数回往復的に回転させ得る。装着プロセスのある時点で、駆動モータは確実に係合されるようになり、それぞれのディスク１５３を回転させる。しかしながら、駆動モータは異なる予測不能なときに器具１５０のそれぞれのディスク１５３と積極的に係合するので、装着される器具１５０は、装着手続中に時折予測不能な方法において移動し得る。器具が患者内に挿入されるとき、そのような予測不能な動作は受け入れられない。一般的に、装着手続中の器具先端部の無作為な動作に適合するために、明らかな空間が器具１５０の周りに必要とされる。

本発明は従来技術の上記課題を解決することを目的とする。

本発明のある特徴によれば、ロボット式の医療器具用の機械的インターフェースは、器具の先端部の移動を引き起こさない器具及び駆動システムの係合を許容する。従って、器具が所望の構成において手動で適当な位置に配された後に或いは器具が医療措置のために挿入された後でさえも、器具を患者側カート内の駆動システムと係合させ得る。これは器具の手動の挿入を許容し、その後、器具のロボット制御が続く。

１つの実施態様において、器具インターフェースは、医療器具及び（潜在的に殺菌障壁を含む）駆動システムのうちの一方の上に対称的なテーパ付きの又は円筒形の突起と、駆動システム又は医療器具の他方にある相補的なボアとを含む。円筒形の突起及びボアを用いるならば、ボアの直径を減少させ且つ医療器具に駆動トルクを移転するのに十分な摩擦力を備える器具を提供するために、例えば、ボアを含む機械的素子の周りに巻き付けられる腱内の張力を使用して、ボアの直径は収縮し得る。いずれにしても、突起及びボアの対称性は、医療器具に対する駆動システムの回転角度に拘わらず、突起がゴア内に圧縮嵌めされることを可能にする。

本発明の１つの特別な実施態様において、システムは、医療器具と、駆動システムとを含む。医療器具は、回転可能な素子を含み、回転可能な素子は、回転させられるときに医療器具を作動させる。駆動システムは、医療器具と解放可能に係合するよう構成されるインターフェースを有し、回転可能な素子の第１の機能及びインターフェースの第２の機能は、医療器具を作動させる回転を誘発させないで互いに係合し合うよう成形される。

本発明の他の実施態様は、医療器具である。医療器具は、作動させられる構造と、機械的素子とを含み、機械的素子は、機械的素子の回転が作動させられる構造を作動させるように接続される。機械的素子は、係合機能を有し、係合機能は、作動させられる構造の任意の姿勢のために、係合機能が、作動させられる構造を作動させる回転を誘発させないで、駆動システム上の相補的な係合機能と係合し得るように成形される。

本発明の更に他の実施態様は、医療器具のための駆動システムである。駆動システムは、モータと、モータに結合されるインターフェースとを含み、インターフェースは、モータの回転が医療器具を作動させるように医療器具と解放可能に係合するよう構成される。インターフェースは、係合機能を含み、係合機能は、医療器具の任意の姿勢のために、係合機能が、医療器具を作動させる回転を引き起こさないで、医療器具の相補的な係合機能と係合し得るように成形される。

本発明の更に他の実施態様は、医療器具及び駆動システムを係合させる方法である。方法は、医療器具の回転可能な素子及び駆動システムの駆動素子のいずれかを回転させないで医療器具の回転可能な素子上の第１の機能を駆動システムの駆動素子上の第２の機能と接触させることを含む。次に、それらの素子のいずれかを回転させないで回転可能な素子と駆動素子との間の摩擦を創成するために、係合力が適用される。そのように係合させられるとき、医療器具を作動させるために駆動システムを操作し得る。摩擦は駆動システムが第１の回転可能な素子に適用するトルクを第２の回転可能な素子に移転させ、それによって、医療器具を作動させる。

本発明の実施態様に従った医療器具を利用し得るロボット制御システムの患者側カートを示す概略図である。 駆動モータとの整列のために回転を必要とする駆動ギア又はディスクを利用する既知の医療器具を示す底面図である。 器具が器具の動作先端部の移動又は活性化を伴わずに一組の駆動モータと係合し得る本発明の実施態様を示す概略図である。 駆動モータが機械的素子の回転を伴わずに後部機構と係合し得る本発明の実施態様に従った後部機構の機械的素子及び駆動モータを示す概略図である。 殺菌アダプタの一部が医療器具の後部機構の機械的素子と駆動モータとの間に介装された本発明の実施態様を示す概略図である。 医療器具が医療器具の先端部の移動又は作動を伴わずに駆動モータと係合し得るテーパ付き突起を有する本発明の実施態様を示す概略図である。 キャプスタン内のボアを収縮させて駆動モータと係合するようキャプスタンの周りに巻き付けられる腱によって引き起こされる圧縮を使用する本発明の実施態様を示す概略図である。 駆動機構と医療器具との間の不整列に適合させるよう浮動シャフト又は緩みシャフトを利用する本発明の実施態様を示す概略図である。 駆動機構と器量器具との間の不整列に適合させるよう可撓シャフトを利用する本発明の実施態様を示す概略図である。

異なる図面における同じ参照記号の使用は、類似の又は同一の品目であることを示す。

本発明のある特徴によれば、器具の継手又は先端部を作動させ或いはその他の方法で移動させることなく医療器具を駆動システム上に装着し且つ駆動システムと係合させ得る。器具の駆動機構及び機械的インターフェースの相対的な向きを維持するよう圧縮又は摩擦を通じて確実に係合する対称的な機械的素子を使用して、作動を伴わない係合を実施し得る。１つの実施態様において、駆動システム又は後部機構の対称的なテーパ付きシャフトは、後部機構又は駆動システムの機械的素子の対称的なテーパ付きボア又はスロット内に適合し、摩擦がシャフト及びスロット付き機械的素子の向きを維持する。他の特別な実施態様では、シャフト及び機械的素子の相対的な向きを確実に保持するよう直径が収縮するボアを含む機械的素子内に対称的なシャフトを挿入し得る。例えば、駆動モータのシャフトは、キャプスタンのボア内に適合し得、キャプスタンは、キャプスタンの周りに巻き付けられる腱の張力がボアをシャフト上に崩壊させるよう十分に可撓である。器具を作動させないで器具を装着する能力は、器具が駆動システム上に装着される前に所望の構造において器具を適当な位置に配置することを可能にし、且つ、器具がカニューレ内に挿入された後に或いは患者内に挿入された後にさえも器具の装着を可能にする。

図２は、医療器具２００が１つ又はそれよりも多くのテーパ付き駆動シャフト２３０を有する駆動システム２２０上に乗る後部機構２１０を有する、本発明の実施態様を例示している。駆動システム２２０は、器具２００が医療措置中に或いは異なる医療措置のために装着され或いは取り外されることを可能にする、図１の患者側カート１１０のような医療システムの結合ポート又は工具ホルダの一部であり得る。テーパ付きシャフト２３０は、駆動システム２２０の駆動モータ２４０のシャフトであってよく、器具２００の継手区画、例えば、器具先端部１５６の動作のためにモータシャフトに付着し且つモータ回転を後部機構２１０に伝動する別個の素子であってもよい。一般的に、器具先端部１５６は任意の所望の種類であり得るが、器具先端部１５６は主シャフト１５４の遠位端にあり、腱１５５は主シャフト１５４を通じて延びて先端部１５６に繋がるように図２に例示されている。後部機構２１０は、モータ２４０の回転を腱１５５の移動に変換する伝動機構（図示せず）を概ね含み、それは先端部１５６内の継手を含む器具２００の継手を作動させる。

テーパ付きシャフト２３０は、円形の断面を備えるテーパ状の形状を生成する従来的な技法を使用して精密に機械加工される、簡単で、低コストで、頑健な機械的素子であり得る。多くの種類のテーパをテーパ付きシャフト２３０上に利用し得る。例えば、端部タング(end tang)又はガイド(guide)を備える或いは備えないモールステーパを使用し得る。テーパ付きシャフト２３０はそれらの軸で回転自在であり、それらのそれぞれの回転軸について対称的である、即ち、円の形断面を有する。

各テーパ付きシャフト２２０は、後部機構２１０の機械的素子２６０の相補的なテーパ付き穴又はスロット２５０内に適合するよう更に成形される。機械的素子２６０は、例えば、対応するテーパ付きシャフト２３０の形状と一致し且つ具体的にはテーパ付きシャフト２３０の円形の断面と一致する円形の断面を有する刳り抜いたスピンドルであり得る。より一般的には、それらの軸で回転自在である器具後部２１０の任意の機械的素子内にテーパ付き穴２５０を形成し得、後部機構２１０の伝動システムは、スロット付き機械的素子２６０の回転を腱１５５及び器具先端部１５６の移動に変換する。例えば、図３は、モータ２４０のテーパ付きシャフト２３０がキャプスタン２６０のテーパ付き穴又はボア２５０内にどのように直接的に適合するかを示している。１つの具体的な実施態様において、テーパ付き穴２５０は、参照としてその全文をここに援用する「Passive Preload and Capstan Drive for Surgical Instruments」という名称の米国特許出願公開第２０１０／００８２０４１号中に記載されているように、腱１５５に運動を伝動するキャプスタン内に形成される。より一般的には、キャプスタンは、モータ回転を腱移動及び器具作動に変換するよう後部機構２１０内で利用し得る機械的素子２６０の１つの実施例であるに過ぎない。

図４は、殺菌障壁内の殺菌アダプタ４００を駆動素子４４０と医療器具を作動するよう回転可能である機械的素子２６０との間にどのように介装し得るかを概略的に例示している。例示の構造において、殺菌アダプタ４００は、円周軸受４２０内で回転自在な素子４１０を含み、円周軸受４２０は、所望の医療機能を遂行すると同時に素子４１０が回転可能な素子４６０及び駆動素子４４０の回転軸に対応する軸について回転するのを可能にする迷路シール（封止）を用いて殺菌障壁を維持する。素子４１０は、例えば、駆動素子４４０と回転可能な素子２６０内の穴２５０との間に介装されるよう成型される約０．５〜２ｍｍの厚さの機械的抵抗性のプラスチックの層であり得る。具体的には、図４中の素子４１０は、マニピュレータ側で駆動素子を受け取り且つ医療器具の後部機構の一部である回転可能な素子２６０のテーパ付き穴２５０内に適合する突起を有するよう成形される。手術野の無菌性を維持するよう、殺菌障壁の殺菌シート４３０又は他の部分を軸受４２０に接続し得る。図４は、本発明に関連する一般的な動作原理を例示するよう概略的な方法において殺菌アダプタの機能を例示している。上記参照によって組み込んだ米国特許第７，０４８，７４５号及び７，６９９，８５５号は、医療器具用の幾つかの殺菌アダプタの機能の追加的な記載を提供している。

図４は、駆動素子４０が回転を伴わずに障壁素子４１０と係合し得るテーパ付き形状を有する本発明の実施態様も示している。代替的に、駆動素子４４０は、キー溝付き又は粗い表面を有し得、障壁素子４１０は滑らかであり得るが、駆動素子４４０上に押されるよう十分にコンプライアントである（適合する）。更に他の代替的な実施態様では、駆動素子４４０は、障壁素子４４０の相補的機能と係合する突起又は圧痕を備えるキー溝付き係合機能を有する。駆動素子４４０上の及び障壁素子４１０のマニピュレータ側のキー溝付き機能を用いるならば、殺菌障壁がマニピュレータに適合されるときにキー溝付き機能を割り当てるために、駆動素子４４０又は障壁素子４１０の回転が必要であり得る。しかしながら、殺菌障壁は、一度医療措置のためにマニピュレータに適合され得、あらゆる医療器具がマニピュレータに係合される前に適合される。障壁素子４１０の器具側は如何なる回転も伴わずにボア２５０に適合するよう成形される表面を有するので、駆動システム上の器具と係合するときに、駆動素子４４０、障壁素子４１０、又は回転可能な素子２６０の回転は必要とされない。

介装される殺菌アダプタを伴って或いは伴わないで、器具後部２１０の穴２４０を結合ポート２２０のテーパ付きシャフト２３０上に滑り込ませることによって、図２のシステムを使用する器具係合を行い得る。後部機構２１０を結合ポート２２０上に押し且つテーパ付きシャフト２３０をテーパ付き穴２５０内に駆動する係合力をもたらすために、ラッチ又は他の機構２７０を使用し得る。テーパはシャフト２３０及び穴２５０を所望の相対的な位置まで案内するので、シャフト２３０及び穴２５０の形状は、器具２００と駆動システム２２０との間の何らかの初期的な不整列に自動的に適合する。以下に更に記載するように、テーパ付きシャフト２３０又はスロット付き素子２６０のための可撓な取付けを用いて、後部機構２１０と結合ポート２２０との間の追加的な不整列或いは後部機構２１０又は結合ポート２２０の駆動軸の相対的な不整列又は間隔変動を適合させ得る。係合され且つ所定の場所に保持されるとき、対応する穴２４０の一致する内表面と接触する各テーパ付きシャフト２３０の全表面に亘る圧縮及び摩擦は、大量のトルク伝達をもたらし得るので、キー又はギア歯が駆動システム２２０から後部機構２１０にトルク又は回転運動を移転することは必要とされない。更に、係合手続中、後部機構２１０のスロット付き機械的素子２６０又はモータ２４０の回転は必要とされない。また、スロット付き素子２６０の任意の所望の構造又は先端部１５６の任意の姿勢を有しながら器具は係合され得、器具先端部１５６は係合中に移動しない。先端部１５６がカニューレ内に挿入される間に或いは手術現場で患者内でさえも、先端部移動の欠如は、係合プロセスを行うことを可能にする。

後部機構２１０及び駆動システム２２０の係合後の医療器具２００の制御は、医療器具２１０の姿勢（例えば、継手の位置）の測定及び各々のモータ２４０の回転角度の測定に基づき得る。代替的に、測定される所望の器具姿勢又は構造の間の相違を使用する制御プロセスを利用し得る。「Tension Control in Actuation of Multi-Joint Medical Instruments」という名称の米国特許出願番号第１２／９４５，７３４号は、医療器具の制御のための例示的なシステムを記載し、参照としてその全文をここに援用する。

図２は、駆動システム２２０が１つ又はそれよりも多くのテーパ付きシャフト２３０を含み且つ器具後部２１０が相補的なテーパ付き穴２３０を含むシステムを例示している。図５は、代替的な実施態様に従ったシステムを例示しており、そこでは、テーパ付きシャフト２３０は、医療器具５００の後部機構５１０から延び、後部機構５１０内の伝動機構を作動するよう回転させられ、且つ器具５００の継手を作動させ或いは移動させる。この構造において、駆動システム５２０内のモータ２４０は、殺菌アダプタの介装部分又はテーパ付きシャフト５３０の形状と相補的なテーパ付き穴５５０をもたらすよう成形される。テーパ付きシャフト及びテーパ付き穴の位置の逆転以外に、システム５００の器具ホルダ５２０及び後部機構５１０を係合させ得、図２を参照して上述したシステム２００の器具ホルダ２２０及び後部機構２１０と同様に操作し得る。上述のように、機能５３０及び５４０の間の摩擦が医療器具５００の操作のために必要とされるトルクを伝達するのに十分であるよう、結合システムは医療器具５００を駆動システム５２０に付着させて係合力を適用し得る。結合システムは、例えば、ラッチ２７０と、バネ予荷重５７０とを含み得る。

本発明の他の特徴によれば、駆動システム内のモータは、機械的素子の穴又はボアの径方向圧縮によって創成される摩擦係合を通じて後部機構の機械的素子を作動させ得る。例えば、図６は、図２の後部機構２１０のような後部機構の機械的素子６６０の円筒形ボア内に適合する円筒形シャフト６３０を有するモータ２４０を含むシステム６００を例示している。機械的素子６６０はキャプスタンであり、器具の関節継手に付着し得る駆動腱６５５がキャプスタン６６０の周りに巻回される。腱６５５は、キャプスタン６６０の周りに巻付き得且つ金属又は合成材料で作製され得るケーブル、ワイヤ、フィラメント、又は類似の構造であり得る。腱６５５内の張力の適用がキャプスタン６６０のボアの直径を減少させ、それによって、殺菌障壁の実質的に円筒形のプラスチック構成部品（図示せず）を伴って或いは伴わないで、キャプスタン６６０をシャフト６３０上に締め付けるよう、キャプスタン６６０は径方向に可撓である。殺菌アダプタの他の表面が回転を伴わずに輪郭付き表面と係合し得るならば、殺菌障壁素子、キャプスタン６６０、又はシャフト６３０のもう１つの表面は、係合の牽引及びトルク伝達能力を向上させるスプライン、歯、又は他の機能を含み得る。しかしながら、２つの表面の歯又はスプラインの噛合は、シャフト６３０及びキャプスタン６６０の回転を概ね必要とし、それは望ましくない場合がある。

モータ２４０を含む駆動システム上に器具を係合させるプロセスは、機械的素子６６０の如何なる回転をも伴わずに、シャフト６３０が（殺菌障壁の介装部分を伴って或いは伴わないで）機械的素子６６０のボア内に滑動し得るよう十分に緩められた腱６５５で更に開始し得る。シャフト６３０及び機械的素子６６０の相対的な向きに拘わらずシャフト６３０を機械的素子６６０内に挿入し得るよう、機械的素子６６０のボア及びシャフト６３０は対称的であり得る（円形の断面を有し得る）。その場合、後部機構内の機構は、可撓な機械的素子６６０をシャフト６３０上に締め付ける腱６５５の巻付きを引き起こすよう、腱６５５に対する予張力を増大させ或いは腱６５５に対して予張力を適用し得る。例えば、器具の本体に対して近位方向にキャプスタンを移動させることは、キャプスタンから延びる腱の両端の張力を増大させ、腱６５５の両端に結合される継手に対する対向するトルクを引き起こす。その結果、張力が増大させられるとき、継手移動は起こらない。代替的に、腱６５５内の張力を増大させる方向に駆動されるときにキャプスタン６６０がシャフト６３０により強力に結合するように、腱６５５の一端部のみが関節継手に付着するときには、キャプスタン６６０内への（キャプスタン、殺菌障壁、及び入力シャフトの間に少なくとも１つの滑らかな円筒形インターフェースを備える）シャフト６３０の挿入を許容するよう腱６５５内の予張力を事前設定し得る。その場合、キャプスタン６６０は、逆方向に駆動されるときにシャフト６３０に対して滑ることが許容され得る。

機械的素子６６０のボア及びモータシャフト６３０は、テーパ付きシャフト及び穴を使用する本発明の実施態様と同様に不整列に適合するテーパを有さない。しかしながら、係合プロセス中のモータ２４０及びキャプスタン６６０の初期的な不整列に適合するよう、シャフト６３０又はキャプスタン６６０内にコンプライアンスをもたらし得る。例えば、図７は、キャプスタン７６０が移動してシャフト５３０と整列し、次に、キャプスタン７６０がモータ６３０と係合されるときに、シャフト６３０及びモータ２４０の軸受によって主として支持されるような方法において、キャプスタン７６０が後部機構の構造７７０内に緩く保持される、本発明の実施態様を示している。代替的に、図８に示すように、器具の後部機構内の軸受８７０によってキャプスタン８６０を支持し得るが、キャプスタン８６０は、シャフト６３０及びキャプスタン８６０の整列のための移動を可能にするよう、撓み、例えば、バネ又は螺旋構造を含む。図７及び８に示す取付けのコンプライアンスは、駆動システム内の駆動素子及び医療器具内の対応する回転可能な素子の不整列に適合し、且つ医療器具内の対応する回転可能な素子に対する駆動システム内の多数の駆動素子の間隔又は向きにおける相違に適合し得る。

特定の実施態様を参照して本発明を記載したが、その記載は本発明の適用の一例に過ぎず、限定として解釈されてはならない。開示の実施態様の機能の様々の適合及び未来合わせは、以下の請求項によって定められるような本発明の範囲内にある。

Claims (1)

1. 明細書に記載し且つ図面に示すシステム。

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