JP2020509848A - ガイドワイヤを操縦するためのシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

本開示の実施形態は、ガイドワイヤを操縦するためのシステムを含むことができ、そのシステムは、ガイドワイヤに一体的に接続されたガイドワイヤ先端部であり且つ中空体中に複数の非対称凹部を含む第１のジョイントおよび第２のジョイントを有する中空体を含むガイドワイヤ先端部と、第１および第２のジョイントに操作可能に接続された複数のテンドンと、テンドンに操作可能に接続され且つガイドワイヤ先端部に動きの多自由度を与えるようにテンドンを操作するように構成されたコントロールユニットと、を含む。【選択図】図１ｃ

Description

［関連出願への相互参照］
２０１８年３月９日に出願された本出願は、２０１７年３月１０日に出願された、「多自由度マイクロスケールガイドワイヤのアクティブコントロール用の、システム、方法および装置、ならびにデバイス」という名称の米国仮特許出願第６２／４６９，５７０号の利益を主張し、その全内容および主旨は、以下に完全に記載されるかのように、参照によって組み込まれる。

［背景技術］
末梢動脈疾患（ＰＡＤ）を治療するためのほとんどの処置において、執刀医は、ガイドワイヤとして知られている細いワイヤに運ばれる様々なカテーテルを使用しなければならない。これらのカテーテルは、アテレクトミー（ａｔｈｅｒｅｃｔｏｍｙ）を行うためのツール（マイクロドリルなど）、および、動脈上のさらなる堆積物の防止に寄与するためのドラッグデリバリーユニット（薬でコートしたバルーンの形式）、のいずれかを装備してもよい。医師は、ガイドワイヤの動きをリアルタイムの透視像上で観察しながら、ワイヤベースの挿入、後退、および回転によって、手動で目標動脈へガイドワイヤを誘導する。２次元の視覚的フィードバックの下において、ガイドワイヤ先端部の巧みな誘導は困難で時間がかかることであり、また、かなりの経験を必要とする。

本開示の様々な実施形態は、通常、ガイドワイヤを操縦するためのシステムおよび方法に関する。

本開示の実施形態は、ガイドワイヤを操縦するためのシステムを含むことができ、前記システムは、前記ガイドワイヤの遠位端に一体的に接続されたガイドワイヤ先端部であり且つ第１のジョイントおよび第２のジョイントを有する中空体を含むガイドワイヤ先端部であって、前記第１のジョイントは前記中空体中に第１の複数の非対称凹部を含み、前記第２のジョイントは前記中空体中に第２の複数の非対称凹部を含む、ガイドワイヤ先端部と、前記ガイドワイヤ先端部の前記中空体内に配置された、第１のテンドン（腱）、第２のテンドン、第３のテンドン、および第４のテンドンであって、前記第１および第２のテンドンは前記第１のジョイントに操作可能に接続され、前記第３のおよび第４のテンドンは前記第２のジョイントに操作可能に接続されている、第１〜第４のテンドンと、前記第１のテンドンおよび前記第２のテンドンに操作可能に接続されたコントロールユニットと、を含み、前記コントロールユニットは、前記ガイドワイヤ先端部の動きの第１の自由度をもたらす方式で前記第１のジョイントが曲がるように前記第１のテンドンおよび前記第２のテンドンを操作するように構成されており、前記コントロールユニットはさらに、前記第１の自由度とは異なる前記ガイドワイヤ先端部の動きの第２の自由度をもたらす方式で前記第２のジョイントが曲がるように前記第３のテンドンおよび前記第４のテンドンを操作するように構成されている。

本開示の実施形態は、ガイドワイヤを操縦するためのガイドワイヤ先端部を含むことができ、前記ガイドワイヤ先端部は、第１の複数の非対称凹部を含む第１のジョイントと、第２の複数の非対称凹部を含む第２のジョイントとを含む中空の細長体と、前記中空の細長体内に配置された、第１のテンドン、第２のテンドン、第３のテンドン、および第４のテンドンであって、前記第１のテンドンおよび前記第２のテンドンは前記第１のジョイントに操作可能に接続され、前記第３のテンドンおよび前記第４のテンドンは前記第２のジョイントに操作可能に接続されている、第１〜第４のテンドンと、を含む。

上記実施形態のいずれかにおいて、前記第１のジョイントおよび前記第２のジョイントは、同じ領域に配置することができる。

上記実施形態のいずれかにおいて、前記第１のジョイントと前記第２のジョイントとは、第１の長さだけ分離することができる。

上記実施形態のいずれかにおいて、前記中空体は、第１の端部および反対の第２の端部を含むことができ、前記第１のジョイントは、前記第２の端部から第２の長さだけ分離されている。

上記実施形態のいずれかにおいて、前記ガイドワイヤ先端部は、約０．１ｍｍ〜約０．９ｍｍの幅を有することができる。

上記実施形態のいずれかにおいて、前記中空体は内壁を含むことができ、前記第１のテンドンと前記第２のテンドンとは、前記内壁の反対の側に配置することができ、前記第３のテンドンと前記第４のテンドンとは、前記内壁の反対の側に配置することができる。

上記実施形態のいずれかにおいて、前記第１、第２、第３、および第４のテンドンは、超弾性ワイヤを含むことができる。

前記第１のテンドンおよび前記第２のテンドンは、前記第１のジョイントの遠位端に取り付けることができ、前記第３のテンドンおよび前記第４のテンドンは、前記第２のジョイントの遠位端に取り付けることができる。

上記実施形態のいずれかにおいて、前記第１および第２の複数の凹部のそれぞれの凹部は、矩形の、三角形の、または正弦曲線の形状とすることができる。

上記実施形態のいずれかにおいて、前記ガイドワイヤ先端部は生体適合材料からなるものとすることができる。例えば、上記実施形態のいずれかにおいて、前記ガイドワイヤ先端部はニチノールからなるものとすることができる。

上記実施形態のいずれかにおいて、前記中空体のベースに隣接する、前記中空体内に配置されたルーティングウェッジ（ｒｏｕｔｉｎｇ ｗｅｄｇｅ）をさらに含むことができ、前記ルーティングウェッジは、前記第１および第２のテンドンを空間的に分離し、前記ルーティングウェッジは、前記第３および第４のテンドンを空間的に分離する。いくつかの実施形態において、前記ルーティングウェッジは複数のウェッジ部を含むことができ、前記複数のウェッジ部は、中央チャンネルおよび複数の外側チャンネルを規定することができる。いくつかの実施形態において、前記システムは、前記中空の細長チューブ内に配置された複数のスロットであって前記複数のウェッジ部を受けるための複数のスロットをさらに含むことができる。

上記実施形態のいずれかにおいて、前記コントロールユニットは、ガイドワイヤ操作組立体およびガイドワイヤローラ機構を含む。いくつかの実施形態において、前記ガイドワイヤ操作組立体は、前記ガイドワイヤを前進させ、後退させ、回転させるための複数のモータを含むことができる。いくつかの実施形態において、前記ガイドワイヤ操作組立体は、前記ガイドワイヤローラ機構を介して前記ガイドワイヤを前進させるための第１のモータを含むことができる。いくつかの実施形態において、前記ガイドワイヤローラ機構は、第１のローラおよび第２のローラを含むことができ、且つ、第１のモータに操作可能に結合することができ、前記ガイドワイヤの一部は前記第１のローラと前記第２のローラとの間に配置することができる。上記実施形態のいずれかにおいて、前記コントロールユニットは、前記ガイドワイヤを格納するための溝形経路を含むことができる。上記実施形態のいずれかにおいて、前記コントロールユニットは、弾性結合部に操作可能に結合されたシャフトをさらに含むことができ、前記シャフトは、第２のモータによって操作可能で、且つ、前記溝形経路から前記ガイドワイヤローラ機構まで前記ガイドワイヤを送り出すように構成することができる。

上記実施形態のいずれかにおいて、前記第１の複数の非対称凹部は、前記第２の複数の非対称凹部に対して垂直とすることができる。上記実施形態のいずれかにおいて、前記ガイドワイヤ先端部および前記ガイドワイヤは連続体とすることができる。

本開示の例示的な実施形態による、２次元の非対称凹部デザインを有するガイドワイヤ先端部の概略を示す。 本開示の例示的な実施形態による、２次元の非対称凹部デザインを有するガイドワイヤ先端部の概略を示す。 本開示の例示的な実施形態による、２次元の非対称凹部デザインを有するガイドワイヤ先端部の概略を示す。 本開示の例示的な実施形態による、ルーティングウェッジの概略を示す。 本開示の例示的な実施形態による、ルーティングウェッジの断面図を示す。 本開示の例示的な実施形態による、非対称凹部デザインの概略を示す。 本開示の例示的な実施形態による、同じ領域に配置された自由度を備える非対称凹部デザインの概略を示す。 本開示の例示的な実施形態による、ガイドワイヤの操作および前進のためのコントロールユニットの概略を示す。 本開示の例示的な実施形態による、ガイドワイヤの操作および前進のためのコントロールユニットの概略を示す。 本開示の例示的な実施形態による、ガイドワイヤの操作および前進のためのコントロールユニットの概略を示す。 本開示の例示的な実施形態による、垂直に配向した凹部を用いる、２自由度のマイクロスケールのガイドワイヤ先端部の概略を示す。 本開示の例示的な実施形態による、最小の熱影響部を示す、機械加工されたニチノールチューブの走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）像を示す。 本開示の例示的な実施形態による、未変形状態にあるジョイントの順運動モデルを示す。 本開示の例示的な実施形態による、変形状態にあるジョイントの順運動モデルを示す。 本開示の例示的な実施形態による、ロボットのガイドワイヤの作業空間を示す。 ジョイント中の一つの凹部を２本のチューブおよび１つのカーブした壁の組み合わせとして概略的にモデル化することを示すイメージであり、本開示の例示的な実施形態によるものである。 曲がっているときの凹部の変形を示すイメージであり、本開示の例示的な実施形態によるものである。 本開示の例示的な実施形態による、摩擦係数（μ）およびベースジョイントの曲げ弾性（Ｅ_b）を評価することに役立つラップ角（α）（ｗｒａｐｐｉｎｇ ａｎｇｌｅ）の様々な値に対する、テンドンのテンション（τ）とジョイントの曲率（κ）との関係において見られるヒステリシスのグラフ表示を示す。 本開示の例示的な実施形態による、ガイドワイヤの２自由度間で見られる結合を示す、ｘ₀−ｚ₀面におけるガイドワイヤ先端部の突出のグラフ表示（上）と、結合モデルの使用が２自由度における定常誤差を最小限にすること（下）とを示す。 本開示の例示的な実施形態による、ガイドワイヤベース−ジョイント−空間変数上で位置コントロールを行う閉ループコントロールシステムを示す。 本開示の例示的な実施形態による、グラウンドトルース曲率（κ_real）（ｇｒｏｕｎｄ ｔｒｕｔｈ ｃｕｒｖａｔｕｒｅ）に対する、オブザーバ（ｏｂｓｅｒｖｅｒ）によって明らかにされた評価された曲率（κ_est）（システムに与えられた任意の軌道の集合でサンプリングされた）のグラフ表示を示す。 本開示の例示的な実施形態による、システムの追跡精度をテストするための、拮抗運動に基づくコントローラハードウェアを図示する。 本開示の例示的な実施形態による、ｘ₀軸上の三角形および四角形の基準入力に対するベースジョイントの追跡結果のグラフ表示を示す。 本開示の例示的な実施形態による、周波数が異なる正弦曲線に対する追跡結果を示す。

開示の好ましい実施形態が詳細に説明されるが、他の実施形態が考えられることが理解されるべきである。従って、開示がその範囲において、以下の記載の中で述べられまたは図に示された、構成要素の構造および配置の詳細に限定されることを意図するものではない。開示は、他の実施形態が可能であり、且つ、様々な方法で、実践または実行できる。また、好ましい実施形態について記載する際に、特定の技術用語が明確性のために用いられる。

また、明細書および添付の特許請求の範囲において使用される、単数形「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」および「その（ｔｈｅ）」は、文脈が明らかに他のものを指示していない限り、複数の指示対象を含むことに留意が必要である。

また、好ましい実施形態について記載する際に、技術用語が明確性のために用いられる。意図されているのは、それぞれの語句が、当業者によって理解される最も広い意味を意図しており且つ同様の目的を達成するのに同様の方法で動作するすべての技術的な等価物を含むことである。

ここで、範囲は、「約」または「およそ」１つの特定の値から、および／または、「約」または「およそ」別の特定の値までのものとして表現されることができる。そのような範囲が表現される場合、他の実施形態は、１つの特定の値から、および／または、別の特定の値まで、を含む。

「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」または「含有する（ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ）」または「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」という語句は、少なくとも指定された化合物、元素、粒子、または方法ステップが、組成または物品または方法の中にあることを意味するが、他の化合物、物質、粒子、方法ステップがあることを除外せず、それはたとえ他のそのような化合物、物質、粒子、方法ステップが指定されたものと同じ機能を持っているとしてもである。

また、１つ以上の方法ステップについての言及は、追加の方法ステップまたはそれらの明白に特定されたステップ間の中間の方法ステップの存在を排除しないことが理解されるべきである。同様に、デバイスまたはシステム中の１つ以上の構成要素についての言及は、追加の構成要素または明白に特定されたそれらの構成要素間に介在する構成要素の存在を排除しないことが理解されるべきである。

本開示の実施形態は、ガイドワイヤ先端部に動きの多自由度を与えることができるガイドワイヤ先端部およびガイドワイヤ操縦システムに関する。例示的な実施形態において、本開示は、例えば、ガイドワイヤ先端部に２自由度を与える複数の非対称凹部を含む、垂直に配向した２つのジョイントを含むガイドワイヤ先端部を含む。既知のガイドワイヤは、リアルタイムの透視像上でガイドワイヤの動きを観察しながら、ワイヤベースの挿入、後退、および回転によって目標動脈まで手動で誘導されなければならない。２次元の視覚的フィードバックの下において、そのようなガイドワイヤ先端部の巧みな誘導は困難で時間がかかることであり、また、かなりの経験を必要とする。ここに開示された実施形態は有利になりえる。なぜなら、それらは、ガイドワイヤの作業空間を拡張し、プラークまたは他の構造（経路に沿った血管分岐部など）の周りを通るようにガイドワイヤの遠位端において誘導する能力を医師に与えるためである。換言すれば、本開示の実施形態は、医師が、鋭く曲がった動脈経路を通ってガイドワイヤを操縦することを可能にできる。

ここに開示された実施形態のさらなる利点は、医師が、彼らが放射線に曝露されたり患者が過度の放射線量に曝露されたりすることなく、ガイドワイヤの動作を遠隔操作でコントロールできることを含みうる。ガイドワイヤシステムのこのコントロールは、ジョイスティックインタフェースを用いて促進できる。このシステムでは、医師は、例えば透視像に基づく血管中のガイドワイヤの挿入の程度、ガイドワイヤの回転／ワイヤに与えるトルク（必要に応じて）、および遠位の自由度の操作、を連続的にコントロールできる。ガイドワイヤの先端部の位置は、遠位の自由度の操作に加えて、血管中のガイドワイヤの挿入長さによって決定できる。システムは、非常に柔軟にすることができる。なぜなら、それによって、医師が、処置のすべての局面をコントロールすることが可能になるためである。ここに開示された実施形態は、アテレクトミー処置（それがなされる前にガイドワイヤが所定位置にあることを必要とする）を用いた末梢動脈疾患（ＰＡＤ）の治療に特に有用となりうる。

図１ａ〜図１ｃは、本開示の１つ以上の実施形態による、例示的なガイドワイヤ先端部１００を示す。図１ａおよび図１ｂに示されるように、ガイドワイヤ先端部１００は、第１の端部１０３ａおよび第２の端部１０３ｂを有し、２つ以上のジョイント１１０ａ、１１０ｂを含む中空の細長体１０１を含むことができる。図１ｃに図示されるように、２つ以上のジョイント１１０ａ、１１０ｂは、複数の凹部１０５を含むことができる。いくつかの実施形態において、中空の細長体１０１は、第１の複数の凹部１０５を含む第１のジョイント１１０ａ、および、第２の複数の凹部を含む第２のジョイント１１０ｂを含むことができる。いくつかの実施形態において、複数の凹部１０５が、ガイドワイヤ先端部１００の多自由度の動きを可能にできる。

いくつかの実施形態において、中空の細長体は、チューブとすることができる。いくつかの実施形態において、図２ａに図示されるように、凹部のうちのいくつかまたはすべては、非対称凹部とすることができる。非対称凹部は、デバイスの中立の曲がり面１３０を、デバイスの中心軸（通常、対称な凹部で見られる）ではなく、デバイスの外縁の方にオフセットさせることができる。凹部の非対称パターンは、ガイドワイヤ先端部が、より長いモーメントアームで凹部カットの面における一方向に曲がることを可能にでき、その結果、より大きな動きの範囲を可能にする。

いくつかの実施形態において、図１ａ〜図１ｃに図示されるように、第１の複数の凹部を、第２の複数の凹部に対して垂直とすることができる。これによって、第１および第２のジョイントが互いに垂直であることを可能にできる。ジョイントの垂直は、中空の細長体を第１の複数の凹部に対して９０°回転させ、第２の複数の凹部を機械加工することによって達成できる。他の実施形態において、第１の複数の凹部は、互いに垂直でなくともよい。例えば、第２の複数の凹部は、第１の複数の凹部から、５°、１０°、１５°、２０°、３５°、３０°、３５°、４０°、４５°、５０°、５５°、６０°、６５°、７０°、７５°、８０°、８５°、９５°、１００°、１０５°、１１０°、１１５°、１２０°、１２５°、１３０°、１３５°、１４０°、１４５°、１５０°、１５５°、１６０°、１６５°、１７０°、１７５°または１８０°オフセットすることができる。いくつかの実施形態において、第２の複数の凹部は、第１の複数の凹部から、１°〜５°、６°〜１０°１１°〜１５°１６°〜２０°、２１°〜２５°、２６°〜３０°、３０°〜４５°、４５°〜６０°、６０°〜７５°、７５°〜９０°、９０°〜１００°、１００°〜１２０°、１２０°〜１３５°、１３５°〜１５０°、１５０°〜１６０°、１６０°〜１７５°、または１７５°〜１８０°オフセットすることができる。

複数の凹部のそれぞれを構成する個々の凹部は、任意の幾何学的形状とすることができる。例示的な実施形態において、凹部は矩形とすることができる。他の実施形態において、凹部は、例えば、正弦曲線または三角形の形状とすることができる。いくつかの実施形態において、複数の凹部は異なる形状とすることができる。他の実施形態において、第１のジョイントは、第２の複数の凹部とは異なる形状を有する第１の複数の凹部を有することができる。一実施形態において、凹部の形状は、矩形、正弦曲線、半円形、および三角形からなる群より選ぶことができる。

ガイドワイヤ先端部は、幅および長さによって規定できる。凹部は、深さによって規定できる。いくつかの実施形態において、凹部の深さは、ガイドワイヤ先端部の幅の５０％よりも大きくすることができる。いくつかの実施形態において、凹部の深さは、ガイドワイヤ先端部の幅の約５５％、約６０％、約６５％、約７０％、約７５％、約８０％、約８５％、約９０％、または約９５％とすることができる。いくつかの実施形態において、凹部の深さは、ガイドワイヤ先端部の幅の約５１％〜約５４％、約５６％〜約５９％、約６１％〜約６４％、約６６％〜約６９％、約７１％〜約７４％、約７６％〜約７９％、約８１％〜約８４％、約８６％〜約８９％、または約９１％〜約９４％とすることができる。他の実施形態において、凹部の深さは、ガイドワイヤ先端部の幅の５０％以下とすることができる。例えば、いくつかの実施形態において、凹部の深さは、ガイドワイヤ先端部の幅の約１０％、約１５％、約２０％、約２５％、約３０％、約３５％、約４０％、約４５％、または約５０％とすることができる。いくつかの実施形態において、凹部の深さは、ガイドワイヤ先端部の幅の約１１％〜約１４％、約１６％〜約１９％、約２１％〜約２４％、約２６％〜約２９％、約３１％〜約３４％、約３６％〜約３９％、約４１％〜約４４％、または約４６％〜約４９％とすることができる。もちろん、いくつかの実施形態において、凹部間で深さが異なりうるというように、複数の凹部のうちのすべての凹部が同じ深さを有する必要があるとは限らない。一実施形態において、例えば図２ｂに図示されるように、凹部は、同じ領域に配置することができ、中空の細長体の幅の５０％を超えない。他の実施形態において、凹部は、同じ領域に配置することができ、中空の細長体の幅の５０％を超えることができる。同じ領域に配置された凹部を備える実施形態において、凹部は、中空の細長体の周長の約２５％とすることができる。同じ領域に配置された凹部を備える一実施形態において、ジョイントは、同じ領域にある凹部によって、両方の自由度で動くことができる。

ガイドワイヤ先端部は、多自由度の動きが可能である。例えば、いくつかの実施形態において、図１ａ〜図１ｃに図示されるように、ガイドワイヤ先端部は、２自由度を有することができる。しかしながら、本開示の実施形態は、２自由度を超える動きの自由度を含むことができる、と考えられる。これは、中空の細長体に沿ったジョイントの数および配向を調整することによって達成できる。例えば、追加の自由度が必要な場所において、追加の複数の非対称凹部を含むより多くのジョイントを設けることによって、追加の自由度が含まれてもよい。

いくつかの実施形態において、第１および第２のジョイントは、第１の長さだけ分離することができる。例えば、いくつかの実施形態において、第１の長さは、ガイドワイヤの概ね全長までの任意の長さとすることができる。例えば、いくつかの実施形態において、第１のジョイントと第２のジョイントとの間の距離が個々の凹部の間の距離以下であるように、第２のジョイントが第１のジョイントのすぐ後に続くように、第２のジョイントは、第１のジョイントと同じ領域に配置することができる（例えば図２ｂに図示されるように）。他の実施形態において、第１および第２のジョイントは、ガイドワイヤに沿った自由度の要求される場所に応じて、所定の長さである第１の長さだけ、分離することができる。

中空体は、第１の端部および反対の第２の端部を含むことができる。いくつかの実施形態において、第１のジョイントは、第１または第２の端部から、第２の長さだけ分離することができる。いくつかの実施形態において、ガイドワイヤ先端部の第１の端部またはその近傍で第１のジョイントが始まるように、第２の長さを調整できる。第１のジョイントと、第１または第２の端部との間の長さは、ガイドワイヤに沿った自由度の要求される場所に応じて、所望により調整できる。

なお、本開示の例示的な一実施形態を、動脈を通してガイドワイヤを操縦するためのシステムとすることができる一方、例えば、内視鏡ツール、神経外科、眼科または泌尿器科用の操縦できる内視鏡ツール、または、小型の内視鏡ツールが使用されてもよい任意の用途といった本発明の他の用途が考えられる。換言すれば、「ガイドワイヤ」という語句のあらゆる使用によって、「ガイドワイヤ」は、身体の一部を通して誘導することを可能にする他のツールを示すことができる、ということが理解される。

いくつかの実施形態（例えば、動脈を通してガイドワイヤが用いられる実施形態）において、ガイドワイヤ先端部は、約０．１ｍｍ〜約０．９ｍｍの幅を有することができる。いくつかの実施形態において、ガイドワイヤ先端部の幅は、約０．３、０．３３ｍｍ、約０．３５ｍｍ、約０．４ｍｍ、約０．４５ｍｍ、約０．５０ｍｍ、約０．５５ｍｍ、約０．６０ｍｍ、約０．６５ｍｍ、約０．７ｍｍ、約０．７５ｍｍ、約０．７８ｍｍ、約０．８ｍｍ、約０．８５ｍｍ、約０．８８、または約０．８９ｍｍ、約０．９ｍｍとすることができる。いくつかの実施形態において、ガイドワイヤの幅は、約０．３１ｍｍ〜約０．３４ｍｍ、約０．３６ｍｍ〜約０．３９ｍｍ、約０．４１ｍｍ〜約０．４４ｍｍ、約０．４６ｍｍ〜約０．４９ｍｍ、約０．５１ｍｍ〜約０．５４ｍｍ、約０．５６ｍｍ〜約０．５９ｍｍ、約０．６１ｍｍ〜約０．６４ｍｍ、約０．６６ｍｍ〜約０．６９ｍｍ、約０．７１ｍｍ〜約０．７４ｍｍ、約０．７６ｍｍ〜約０．７９ｍｍ、約０．８１ｍｍ〜約０．８４ｍｍ、または約０．８６ｍｍ〜約０．８９ｍｍとすることができる。一実施形態において、ガイドワイヤ先端部の幅は、約１．０ｍｍより大きくすることができる。例えば、小児神経外科では、幅が約２．０ｍｍの内視鏡ツールを用いることができる。

いくつかの実施形態において、複数のテンドンは、中空の細長体内に配置することができる。例示的な実施形態において、図１ａおよび図１ｂに図示されるように、第１のテンドン、第２のテンドン、第３のテンドンおよび第４のテンドンを、中空の細長体内に配置することができる。いくつかの実施形態において、第１および第２のテンドンは第１のジョイントに操作可能に接続されることができ、第３のおよび第４のテンドンは第２のジョイントに操作可能に接続されることができる。いくつかの実施形態において、第１および第２のテンドンは第１のジョイントの遠位端に操作可能に接続されることができ、第３のおよび第４のテンドンは第２のジョイントの遠位端に操作可能に接続されることができる。いくつかの実施形態において、複数のテンドンは、ジョイントの遠位端にはんだ付けすることができる。他の実施形態において、中空の細長体の内壁は、当該壁と平行にテンドンを保持することが可能な複数のスリットであって、その中でテンドンが終端となることが可能な複数のスリットを含むことができる。テンドンは、中空の細長体の特定の内壁に操作可能に接続することができる。例えば、一実施形態において、第１のテンドンは、第１のジョイントの第１の内壁に操作可能に接続することができ、第２のテンドンは、第１のジョイントの第２の内壁に操作可能に接続することができる。一実施形態において、第３のテンドンは、第２のジョイントの第１の内壁に操作可能に接続することができ、第４のテンドンは、第２のジョイントの第２の内壁に操作可能に接続することができる。

いくつかの実施形態において、複数のテンドンは、超弾性ワイヤからなるものとすることができる。超弾性材料は、約１０％以内の変形まで可逆的に変形することができる任意の材料を含んでもよい。例えば、いくつかの実施形態において、テンドンは、ニチノールからなるものとすることができる。しかしながら、テンドンは、任意の生体適合材料（必ずしも超弾性でない生体適合材料を含む）からなるものとできることが理解されるべきであり、生体適合材料は、生体適合金属、生体適合合金、生体適合プラスチック、または生体適合コーティングを含む材料など、を含むがそれらに限定されない。他の生体適合材料は、例えばチタンまたはステンレス鋼などを含んでもよいが、それらには限定されない。

さらに、いくつかの実施形態において、図１ａ〜図１ｅに図示されるように、ガイドワイヤ先端部は、中空体の遠位端に隣接する、中空体内に配置された１つ以上のルーティングウェッジ１１５をさらに含むことができる。１つ以上のルーティングウェッジは、複数のテンドン１１７を空間的に分離するために用いることができる。例えば、図１ａ〜図１ｅに図示されるように、ルーティングウェッジ１１５は、中央チャネル１５７の付近に配置された複数のウェッジ部１５３ａ、１５３ｂ、１５３ｃを含むことができる。中央チャネル１５７は、中空の細長体１０１の内部を通してテンドン１１７および他のハードウェアをコントロールするために用いることができる。さらに、図１ｄ〜図１ｅに図示されるように、複数のウェッジ部１５３ａ、１５３ｂ、１５３ｃはそれぞれ、中空の細長体の内部においてテンドン１１７および他のハードウェアを送るための外側チャネル１５５によって分離することができる。いくつかの実施形態において、複数のウェッジ部１５３ａ、１５３ｂ、１５３ｃは、剛性のグラデーションを与えるために弾性材料からなるものとすることができる。いくつかの実施形態において、複数のウェッジ部１５３ａ、１５３ｂ、１５３ｃは、３Ｄプリントされたものとすることができ、中空の細長体に切り込まれたスロット１５９を通じて中空の細長体１０１に独立して挿入することができる。いくつかの実施形態において、スロット１５９は、レーザカットで形成できる。理解されるように、すべてのウェッジ１５３ａ、１５３ｂ、１５３ｃがひとたび中空の細長体１０１内に挿入されると、中央チャネル１５７および外側チャネル１５５が形成される。

ガイドワイヤの操縦のためのシステムと一体にした時、自由度をもたらす方式でジョイントが曲がるようにテンドンを操作することができる。例えば、ガイドワイヤ先端部の動きの第１の自由度をもたらす方式で第１のジョイントが曲がるように第１および第２のテンドンを操作することができ、第３および第４のテンドンは、ガイドワイヤ先端部の動きの第２の自由度をもたらす方式で第２のジョイントを曲げることができる。いくつかの実施形態において、第１の自由度を、第２の自由度とは異なるものとすることができる。いくつかの実施形態において、複数のテンドンは、ジョイントが２方向にコントロールされることを可能にできる。

中空の細長体は、内壁を含むことができる。いくつかの実施形態において、２自由度の動きをもたらすために、第１のテンドンと第２のテンドンとは、内壁の反対の側に配置されており、第３のテンドンと第４のテンドンとは、内壁の反対の側に配置されている。いくつかの実施形態において、第１、第２、第３および第４のテンドンは、異なる場所に配置することができる。一実施形態において、追加の自由度は、中空の細長体上の追加のジョイントに追加のテンドンを操作可能に接続することによってもたらすことができる。いくつかの実施形態において、テンドンは、中空の細長体を通して最中央部の付近で送ることができ、中空の細長体に取り付けるために必要な場所では分岐することができる。

ガイドワイヤおよびガイドワイヤ先端部は、任意の生体適合材料からなるものとすることができる。いくつかの実施形態において、生体適合材料は、生体適合金属または合金である。いくつかの実施形態において、生体適合材料はニチノールである。例えば、いくつかの実施形態において、ガイドワイヤおよびガイドワイヤ先端部のいずれかまたは両方は、ニチノールからなるものとすることができる。しかしながら、ガイドワイヤおよびガイドワイヤ先端部は、変形なしで高い張力を扱うことができる任意の生体適合材料からなるものとできることが理解されるべきであり、生体適合材料（必ずしも超弾性ではない）は、生体適合金属、生体適合合金、生体適合プラスチック、または生体適合コーティングを含む材料、を含むがそれらに限定されない。他の生体適合材料は、例えばチタンまたはステンレス鋼を含んでもよいが、それらには限定されない。

ガイドワイヤ先端部および各々の凹部は、微細加工が可能な任意のプロセスおよび機械類を用いて作製できる。例えば、いくつかの実施形態において、各々の凹部は、フェムト秒レーザ、ピコ秒レーザ、またはナノ秒レーザを用いて作製することができる。レーザは、様々な波長のものとすることができ、例えば、赤外線レーザを含むことができる。同じ目的で、より大きい幅のガイドワイヤのために、マイクロミル（ｍｉｃｒｏ−ｍｉｌｌ）が用いられてもよい。

本開示の実施形態は、動脈を通してガイドワイヤを操縦するためのシステムを含むことができ、そのシステムは、ガイドワイヤの遠位端に一体的に接続されたガイドワイヤ先端部であり且つ第１のジョイントおよび第２のジョイントを有する中空体を含むガイドワイヤ先端部であって、第１のジョイントは中空体中に第１の複数の非対称凹部を含み、第２のジョイントは中空体中に第２の複数の非対称凹部を含む、ガイドワイヤ先端部と、ガイドワイヤ先端部の中空体内に配置された、第１のテンドン、第２のテンドン、第３のテンドン、および第４のテンドンであって、第１および第２のテンドンは第１のジョイントに操作可能に接続され、第３のおよび第４のテンドンは第２のジョイントに操作可能に接続されている、第１〜第４のテンドンと、第１のテンドンおよび第２のテンドンに操作可能に接続されたコントロールユニットと、を含み、コントロールユニットは、ガイドワイヤ先端部の動きの第１の自由度をもたらす方式で第１のジョイントが曲がるように第１のテンドンおよび第２のテンドンを操作するように構成されており、コントロールユニットはさらに、第１の自由度とは異なるガイドワイヤ先端部の動きの第２の自由度をもたらす方式で第２のジョイントが曲がるように第３のテンドンおよび第４のテンドンを操作するように構成されている。

ガイドワイヤ先端部は、一体的にガイドワイヤに接続されている。例えば、いくつかの実施形態において、ガイドワイヤ先端部は、分離したピースではなく、ガイドワイヤ自体の先端部とすることができる。換言すれば、ガイドワイヤ先端部およびガイドワイヤは、連続体とすることができる。他の実施形態において、ガイドワイヤ先端部は、ガイドワイヤ本体に微細溶接または圧入されたか、または、先端部を封入した後に微細機械加工された、分離したピースとすることができる。

いくつかの実施形態において、動脈を通してガイドワイヤを操縦するためのシステムは、複数のテンドンおよびガイドワイヤに操作可能に接続されたコントロールユニットを含むことができる。コントロールユニットは、例えば、動脈を通したガイドワイヤの操作および前進に用いることができる。いくつかの実施形態において、ガイドワイヤを操縦するためのシステムは、自動化することができ、以下を可能にする４自由度を含むことができる。１）ガイドワイヤの遠位の２自由度曲げ能力。２）複数のモータの動作によって、ガイドワイヤを前進させ、および血管から後退させる能力。３）複数のモータによる、血管内でのガイドワイヤの回転。遠位の器用さを可能にするために、モータ（例えば圧電モータなど）を用いて、ピッチおよびヨー運動能力を可能にすることができる。長さ（主に遠位部分の最後の５ｍｍ）に沿ったガイドワイヤの器用さを可能にすることによって、ガイドワイヤの遠位の操縦能力を可能にすることができる。

図３ａは、動きの４自由度を可能にする例示的なコントロールユニットを示す。血管内でのガイドワイヤの回転を可能にするために、ガイドワイヤ操作組立体の全体をシャフトにマウントすることができ、そのシャフトの動作は、モータ３０５ｂによってコントロールできる。さらに、ガイドワイヤ３５０を前進させ、および血管から後退させるために、モータ３０５ｂは、ガイドワイヤの軌道のらせん状溝３２５の内側においてガイドワイヤ操作組立体３２０を動かすことを可能にするように、弾性結合部３１５でシャフトに取り付けることができる。ガイドワイヤの軌道は、らせん状溝３２５に並び且つそれと平行な囲いとすることができ、ガイドワイヤ操作組立体の全体の移動によって、ガイドワイヤの自由度をコントロールすることができる。

図３ｂは、本発明の１つ以上の実施形態による、ガイドワイヤ先端部の遠位の自由度をコントロールするためのガイドワイヤ操作組立体３２０を示す。らせん状溝３２５の内側において、ガイドワイヤ操作組立体３２０の全体の動作を容易にするために、ガイドワイヤ操作組立体３２０は、シャフト３２１および弾性結合部３１５に取り付けることができる（図３ａに示される）。いくつかの実施形態において、ロール方向、ピッチ方向またはヨー方向における変形を防止するために、弾性結合部３１５は、曲げ剛性だけでなく、かなりのねじれ剛性を有することができる。例えば、いくつかの実施形態において、弾性結合部３１５は、弾性コイル（例えば高剛性スプリング）とすることができ、弾性コイルは、例えばプラスチック、真鍮、ニチノール、チタンまたはステンレス鋼からなるが、それらには限定されない。さらに、ガイドワイヤ操作組立体３２０がらせん状溝を横断し、ガイドワイヤがらせん状溝から引き出されるように、弾性結合部３１５は、弾性コイルの伸張を容易にすることができる。換言すれば、ガイドワイヤ操作組立体３２０がらせん状溝３２５の中心からより遠くに移動するように、弾性結合部３１５は伸張できる。シャフト３２１および弾性結合部３１５は、ガイドワイヤ操作組立体３２０の全体が、低摩擦および充分なクリアランスで、らせん状溝３２５中でガイドされることを可能にする。いくつかの実施形態において、ベアリング組立体を、ガイドワイヤの軌道の上および下に取り付けることができる。ベアリング組立体をらせん状溝３２５の内側の軌道に接触させることによって、（テンションがかかった弾性結合により）らせん状溝３２５に沿ったガイドワイヤ操作組立体３２０の滑らかな動作を容易にし、システム全体の剛性を実現し、締め付けられて動かなくなることを防止できる。いくつかの実施形態において、ベアリング組立体は、密封されたラジアルベアリング組立体を含むことができる。内部のらせん軌道３１７にガイドワイヤの全長を格納することによって、システム全体をコンパクトにすることができ、システムのための長い直線状の格納囲いの必要性を防止する（従ってより低体積）。いくつかの実施形態において、らせん軌道３１７およびらせん状溝３２５は、３Ｄプリントすることができる。

いくつかの実施形態において、例えば血管内部のガイドワイヤの前進は、モータ３０５ｂの動作と、モータ３０５ａに取り付けられたガイドワイヤローラ機構３１０の対応するローラとをコントロールすることによって、コントロールできる。図３ｃは、一例のガイドワイヤローラ機構３１０を示す。いくつかの実施形態において、ガイドワイヤローラ機構３１０は、モータ３０５ａおよびモータ３０５ｂの、比例する速度の同期した動きによってガイドワイヤを前進させることができるローラ３４０ａ、３４０ｂを含むことができる。

図３ｃに見られるように、モータ３０５ａは、１自由度（すなわち、一平面における後進および前進）を操作できる。モータ３０５ｃが動くように指令される場合、それは直線ステージを動かし、そして反対のテンドンを反対方向に動かし、それによって、システムにおけるテンションを維持する。近接しているが異なる面における類似の動作を結合することによって、ツールの遠位端の動作を、３次元で達成できる。これは、例えば、医師が、プラークの周囲で「操縦」したり、狭い空間で誘導したりすることを可能にする。

ガイドワイヤの遠位端の特定の自由度の動作中に、ジョイント間結合だけでなくジョイント内結合を最小にするか除去するために、ガイドワイヤ内にテンドンを適切に送ることは重要である。ガイドワイヤテンドンを送ることは、結合されていないジョイントの動作を達成するために、ガイドワイヤの本体に微細な溝を形成することによって容易にできる。ジョイントの長さおよび曲率半径と比較してガイドワイヤの直径は無視できるため、テンドンによってジョイントに加えられた力の方向がジョイントの屈曲部の伸張および剛性コントロールを可能にすることを、ルーティングは保証する。これは、いくつかの実施形態において、ガイドワイヤ先端部の近位端の前にウェッジを組み込むことによって達成でき、近位ジョイントに取り付けられる前に近位テンドンが送られることを可能にし、その結果、特定の自由度に対する剛性コントロールを可能にする。いくつかの実施形態において、テンドンの明瞭な分離を可能にし且つジョイント間結合およびジョイント内結合を最小にするために、ガイドワイヤの長さに沿ってウェッジを置くことができる。

上記の実施形態はガイドワイヤ先端部に関して述べられているが、ガイドワイヤ先端部の使用は、ガイドワイヤの先端部を示してもよいし、または、ガイドワイヤに付け加えられる分離可能なピースを示してもよい。そのため、上記の特性は、ガイドワイヤ先端部およびガイドワイヤの両方に適用してもよい。

例示的な実施形態において、ガイドワイヤ先端部は、ロボットで駆動でき、且つ、２自由度を含むことができる。それぞれの自由度は、ジョイントが２方向にコントロールされることを可能にする２つのテンドンによってコントロールできる。ジョイントをコントロールする各ペアのテンドンは、そのジョイントの遠位端に取り付けることができる。その結果、例えば図４に示されるように、４つのテンドンのすべては、ロボットの内孔を通して送ることができる。図４に見られるように、ガイドワイヤ先端部は、チューブに凹部をエッチングすることによって、ニチノールの単一チューブで構成できる。ガイドワイヤ先端部を作製するために、外径０．７８ｍｍおよび内径約０．６２ｍｍのニチノールチューブ（Ｃｏｎｆｌｕｅｎｔ Ｍｅｄｉｃａｌ、カリフォルニア、米国）に矩形の凹部を切り込むため、赤外線フェムト秒レーザ（Ｒｅｓｏｎｅｔｉｃｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ、マサチューセッツ、米国）が用いられた。ジョイントのエッチング間のチューブの回転を可能にするために、未加工のニチノールチューブを旋盤チャックに置き、レーザから一部を物理的に抽出することなしに完成したロボット本体が構成されることを可能にし、それによって、ポジショニングエラーを最小限にした。走査型電子顕微鏡の下でのこの構成および結果を、図５に示す。図５に見られるように、フェムト秒レーザパルスを用いることによって、凹部の周囲の熱影響部（ＨＡＺ）を最小限にすることができ、その結果、材料の事故的な処理なしで微細加工プロセスを行うことが可能になる。

ニチノールチューブに凹部を作製することによって、凹部の面においてチューブが曲がることを可能にでき、その結果、凹部の場所にジョイントが作製される。ジョイント間のチューブを回転することによって、これらのジョイントの向きを変更できる。ここで、未加工のチューブをジョイント間でπ／２だけ回転させ、それによって、互いに垂直となるようにジョイントを配向させた（例えば図１ｃ参照）。最終的に、直径０．１ｍｍのニチノールテンドン（Ｃｏｎｆｌｕｅｎｔ Ｍｅｄｉｃａｌ、カリフォルニア、米国）は、手動でチューブ内に送ることができ、端部をニチノールチューブの外壁に接合することができる。このモデルに対する妥当な仮定は、以下を含む。１）これらのテンドンが引かれる場合、これらのテンドンに正のテンションが加えられ、テンドンはチューブに負のテンションを及ぼすことができない。２）テンドンが、チューブの内壁においてそれらの取り付けポイントでポイント力（ｐｏｉｎｔ ｆｏｒｃｅ）を働かせ、チューブの壁に沿って一定の反力を働かせる。

ジョイント間の結合を最小限にするために、テンドンで駆動される連続体のロボットは、様々な荷重分離方法をしばしば使用する。例えば、本開示の実施形態は、内孔を通した、テンドンの「コントロールされた荷重結合」を達成することができる。これは、剛直なニチノールのストリップ（図１ｃに図示されるようにルーティングウェッジと呼ばれる）を挿入することによって達成される。図４に見られるように、ルーティングのストリップの２つの開口のそれぞれを通して、近位ジョイントの１つのテンドンおよび遠位ジョイントの１つのテンドンを送ることができる。その結果、ロボットの製造コストを低く維持しながら、ロボットにおける反復的なジョイント間荷重結合を達成できる。より複雑なルーティングメカニズムは、近位および遠位のジョイント間のより低レベルの荷重結合を達成しうるであろうが、より長い製造時間を招くだろう。

［ジョイントおよびロボットのモデル］
劣駆動ロボットのそれぞれのジョイントは、ロボットに依存しない運動学的変形の容易さを可能にする、区分上一定の曲率を有するものとしてモデル化できる。

例示的なガイドワイヤ先端部の運動学に関連する寸法は、図６ａで規定され、関連する構造は図６ｂに示される。それぞれのジョイントの最初の（未変形の）長さは、ｌ_ｕによって示される。テンドンが近位ジョイントを操作する場合、それは角度θだけ変形する。このジョイントの曲率は、κ_１＝θ／ｌ_ｕとして規定でき、このジョイントに対する同次変換行列は以下のように与えられる。

ここで、ＣおよびＳはそれぞれ、コサイン関数およびサイン関数を示す。同じ領域に配置された自由度を有するほとんどの連続マニピュレータとは異なり、マニピュレータの第２の自由度は、｛Ｆ₁｝からの一定距離ｌ_dに位置する。この自由度は、ｘ₀−ｙ₀面から角度φでロボットが出ることを可能にし、その曲率はκ₂＝φ／ｌ_uとして規定される。従って、先端部からロボットのベースへの最終変形は、以下のように定式化することができる。

Ｂ² ₃は、｛Ｆ_３｝から｛Ｆ_２｝に到達する。

最終的に、Ｂ³ ₄は、−ｙ₃に沿った長さｌ_eの、｛Ｆ₄｝から｛Ｆ₃｝への単純な変形を含む。ガイドワイヤの先端部における向きを無視し、与えられたタスク空間基準入力
を仮定する。
ここで、
は｛Ｆ₄｝の原点である。ガイドワイヤ先端部プロトタイプの寸法を用いて、ロボット先端部の作業空間が生成され、図７に表示される。

コントローラが所定の軌道を追従するためには、ガイドワイヤの逆運動学が、最初に規定されなければならない。式５は、以下の式となる。
続いて、

２つの未知数θおよびφがあり、従って、曲率（κ₁，κ₂）は、上記の式を用いて数的に導くことができる。ジョイントの角度の初期値は、
であり、その結果、θ_initial≦θ、φ_initial≦φとなり、正確な値が得られるまでジョイントの角度は増加することになる、と仮定する。

［ジョイント運動学および静力学］
上述の幾何学的な運動学に加えて、ロボットを含むそれぞれのジョイントについての充分な理解が深められなければならない。これは、ジョイントの曲率から、ジョイントのベースに加えられたテンションまでのマッピングを含む。伝統的に、配置空間（κ）からアクチュエータ空間パラメータ（ｕ）までのマッピングが考慮される。しかしながら、特にニチノールチューブの壁にテンドンが接合されるポイントにおいて、チューブの内孔を通るテンドンの経路における微小な変化によってこの関係に導入される大きな分散が存在する。一方、テンションと曲率との関係は、より反復可能でより一貫している。ここで、単一のテンドンは、ロボットのベースジョイントの遠位端に直接送られると仮定する。

［モーメントと曲率との関係］
図８ａに示されるように、ジョイントの曲がり角度は、２つのチューブおよび１つのカーブした壁によって形成されるそれぞれの凹部の変形に起因する。図は、カーブした壁には曲げ変形がほとんどなく、チューブが、曲がり面に垂直である明白な横方向の変形を有することを示す（図８ｂ）。チューブの縮小および拡張は、チューブのそれぞれの層の寸法を変え、横方向におけるチューブの曲がり角度を生ずる。観察によれば、それぞれの凹部の曲がり角度は、主として、チューブの曲がり角度に由来する。カーブした壁およびチューブの、単純化された線形の静学モデルを、概念を示すために用いることができる。

凹部ジョイントの曲がり角度の合計に比例するジョイントの曲率κは、凹部にあるすべてのチューブの曲がり角度の重ね合わせによって近似でき、それは、曲率κとテンドンの力Ｐとの間の線形の以下の関係を示す。

ここで、Ｅ_bは、ジョイントの曲げ弾性として規定できる。分析的なモデルは、凹部ジョイントが曲がる挙動に関する理論的な説明を与えることができるが、Ｅ_bの正確な値は、後述する実験から見積もることができる。

［摩擦の影響］
上記のモーメントと曲率との関係は、無視できる摩擦の影響を仮定して設計された構成で明らかにされた。しかしながら、実際の状況（２つのテンドンが凹部ジョイントに取り付けられており、取り付けポイントに直接的には送られない）において、この関係における摩擦の影響を観察することができた。ロボットをコントロールするテンドンおよびロボットの直径が小さいために、テンドンのテンションは、アクチュエータへのテンドンの取り付けポイントにおいてのみ測定できる。その結果、摩擦は、上記で規定されたモーメントと曲率との関係に組み込まれなければならない。クーロン摩擦モデルは、測定されたテンドンのテンション（τ）とジョイントのベースに加えられたテンション（Ｔ）との以下の関係を評価するために用いられた。

ここで、μはルーティングチャンネルの摩擦係数であり、αはラップ角であり、ｖはテンドン速度である。従って、検知されたテンションとジョイントの曲率との関係は、以下の式で与えられる。

ラップ角の異なる値に対する図８のヒステリシスは、ｖの正の値および負の値の両方に対する、τとκとの線形の関係を表す。従って、これらの線形のカーブの勾配は、以下のように表すことができる。

角度αのヒステリシスループに対して、２つの勾配Ｅ¹ _b、Ｅ² _bは、図９に表すように規定できる。なお、次式のように仮定している。

勾配Ｅ¹ _b、Ｅ² _bが知られており、Ｅ_bの値は以下の式のように導かれる。

図９に見られるように、様々なラップ角に対して、このジョイント曲げ弾性（Ｅ_b）の値は、一定のままである。先に明示したように、ロボットのそれぞれのジョイントは、双方向コントロールのためにその遠位端に取り付けられた２つのテンドンを有する。その結果、ロボットのベースジョイントに関連する２つのラップ角の値（α₁，α₂）が用いられる。

［結合の効果］
上記のテンドンのルーティングによって、遠位のテンドンは、近位ジョイントにモーメントを与え、ジョイント間荷重結合を設計によって生じさせる。そのような結合がない場合、近位ジョイントを操作することなく遠位ジョイントを操作することは、ロボットの先端部をｙ₀−ｚ₀面において移動させるだけであろう。その結果、ｘ₀−ｚ₀面におけるロボット先端部の突出は、ｚ₀軸に沿った動作のみをもたらすであろう。しかしながら、ｘ₀−ｚ₀面におけるロボット先端部の突出は、両方の軸に沿った動作をもたらすことが観察された（図１０（上）、実線を参照）。この現象は、ジョイントの角度（θ≠０）が０でない値まで近位ジョイントがあらかじめ曲がっている場合でも確認された（図１０（上）、破線を参照）。これは、遠位ジョイントの純粋な操作が、近位ジョイントにおける付加的な曲がりをさらに引き起こすことを示す。ジョイント間結合をモデル化するために、式１５を以下のように修正できる。

ここで、Ｔ_iは、ジョイントｉのベースにおいて加えられるテンションである。この関係を用いることによって、２自由度の空間に先端部を置くことができる。結合モデルは、２自由度における定常誤差を改善し、誤差のユークリッドノルム（Ｅｕｃｌｉｄｅａｎ ｎｏｒｍ）は６．１ｍｍから３．２ｍｍまで減少する。

［コントロールシステム］
コントローラは、ロボットのベースジョイントをコントロールするために先に規定された、モーメントと曲率との関係を利用するために用いることができる。タスク空間はｘ_０−ｚ_０面として規定することができる（一方、ロボットの運転空間は依然として
である）。ロボット先端部のこのタスク空間軌道コントロールのために提案されたコントローラは、図１１に示される。上記で規定された幾何学的な逆運動学アルゴリズムへの入力（Ｐ_des）として、ｘ₀−ｚ₀面における軌道に沿った連続点が与えられる。この計算は、所望の曲率κ_desをもたらし、次に、それは、最も最近の状態評価κ_estを出力するオブザーバの出力と比較される。アクチュエータ変位用のＰＩコントローラは、以下のように設計される。
ここで、ｅ＝（κ_des−κ_est）である。

［オブザーバの設計］
図１１のオブザーバブロックは、ロボットの形状を評価するためにモーメントと曲率との関係を用いるように設計される。上記で規定された摩擦モデルを用いて、ｎ番目の離散時間型ステップにおいてベースジョイントの曲率κ_est［ｎ］を見積もるために、以下の関係を利用する区分的に線形のオブザーバが設計された。

ここで、［τ_min，τ_max］は、力の範囲であり、それに対して、ヒステリシス曲線の平坦域が、それぞれの時点で見積もられる。さらに、曲げ弾性関数
は、先に規定された項Γ_bとは異なり、以下のように規定できる。

ここでα_iは、現在関わっているテンドンのラップ角である。いくつかのポイントにおいて顕微鏡で見た曲率をサンプリングしながら、システムに対して任意の軌道の集合を与えることによってオブザーバがテストされた（図１２を参照）。このオブザーバを用いて、いずれかの方向におけるベースジョイントの曲率の満足できる評価が得られ、コントロールシステムにおけるフィードバックとして使用されてもよい。

［トラッキング性能］
コントローラをテストするために、図１３に図示されるように、コンパクトな構成が構築された。ロボットのそれぞれのジョイントは、その遠位端へ接合され、アクチュエータ側において拮抗するトランスミッションで終端となる２つのテンドンを有し、単一のピエゾ式リニアアクチュエータを用いる（ＳｍａｒＡｃｔ ＧｍｂＨ、オルデンバーグ、ドイツ）。以前のロボットのカテーテルコントローラにおいて用いられるものと同様に、トランスミッションは、事実上２つのテンドンの拮抗運動を可能にするプーリーの配置およびタイミングベルトで構成される。それぞれのテンドンは、５ポンドの最大荷重容量のロードセル（ｌｏａｄ ｃｅｌｌ）（Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ、カリフォルニア、米国）を介してトランスミッションに接合される。力センサ、エンコーダおよび顕微鏡からのデータはそれぞれ、１６ビットのＡＤＣ（モデル８２６、Ｓｅｎｓｏｒａｙ、ポートランド、米国）およびＵＡＲＴを介して得られる。ハフ変換（Ｈｏｕｇｈ ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）を用いる画像処理アルゴリズムは、各時点のベースジョイントの曲率に対して、グラウンドトルースを自動的に与える。最後に、マーカーが先端部に取り付けられ、ステレオカメラ（ＭｉｃｒｏｎＴｒａｃｋｅｒ Ｈ４０、トロント、オンタリオ、カナダ）は、ｘ₀−ｚ₀面におけるガイドワイヤプロトタイプの端部を追跡する。

次に、タスク空間において、ベースジョイントコントローラに、３つのタイプの入力プロファイル（正弦曲線の軌道、三角形の軌道、および四角形の軌道）が与えられた。それぞれの入力タイプの期間は、５０秒〜２５０秒の間で変更された。先に規定されたＰＩコントローラが、それぞれのステップの入力に対して無視できる定常状態誤差で、入力プロファイルを精密に追跡できることを、図１４ａ〜図１４ｂは図示する。さらに、それは、外科の環境においてしばしば見られる速度で追跡することもできる。

Claims (37)

1. ガイドワイヤを操縦するためのシステムであって、
   前記ガイドワイヤの遠位端に一体的に接続されたガイドワイヤ先端部であり且つ第１のジョイントおよび第２のジョイントを有する中空体を含むガイドワイヤ先端部であって、前記第１のジョイントは前記中空体中に第１の複数の非対称凹部を含み、前記第２のジョイントは前記中空体中に複数の第２の非対称凹部を含む、ガイドワイヤ先端部と、
   前記ガイドワイヤ先端部の前記中空体内に配置された、第１のテンドン、第２のテンドン、第３のテンドン、および第４のテンドンであって、前記第１および第２のテンドンは前記第１のジョイントに操作可能に接続され、前記第３のおよび第４のテンドンは前記第２のジョイントに操作可能に接続されている、第１〜第４のテンドンと、
   前記第１のテンドンおよび前記第２のテンドンに操作可能に接続されたコントロールユニットと、を含み、前記コントロールユニットは、前記ガイドワイヤ先端部の動きの第１の自由度をもたらす方式で前記第１のジョイントが曲がるように前記第１のテンドンおよび前記第２のテンドンを操作するように構成されており、前記コントロールユニットはさらに、前記第１の自由度とは異なる前記ガイドワイヤ先端部の動きの第２の自由度をもたらす方式で前記第２のジョイントが曲がるように前記第３のテンドンおよび前記第４のテンドンを操作するように構成されている、ガイドワイヤを操縦するためのシステム。
2. 前記第１のジョイントおよび前記第２のジョイントは、同じ領域に配置されている、請求項１に記載のシステム。
3. 前記第１のジョイントと前記第２のジョイントとは、第１の長さだけ分離されている、請求項１および請求項２のいずれか１項に記載のシステム。
4. 前記中空体は、第１の端部および反対の第２の端部を含み、前記第１のジョイントは、前記第２の端部から第２の長さだけ分離されている、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のシステム。
5. 前記ガイドワイヤ先端部は、約０．１ｍｍ〜約０．９ｍｍの幅を有する、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のシステム。
6. 前記中空体は内壁を含み、前記第１のテンドンと前記第２のテンドンとは、前記内壁の反対の側に配置されており、前記第３のテンドンと前記第４のテンドンとは、前記内壁の反対の側に配置されている、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のシステム。
7. 前記第１、第２、第３、および第４のテンドンは、超弾性ワイヤを含む、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のシステム。
8. 前記第１のテンドンおよび前記第２のテンドンは、前記第１のジョイントの遠位端に取り付けられており、前記第３のテンドンおよび前記第４のテンドンは、前記第２のジョイントの遠位端に取り付けられている、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のシステム。
9. 前記第１および第２の複数の凹部のそれぞれの凹部は、矩形の凹部、三角形の凹部、および正弦曲線の凹部のうちの１つである、請求項１から請求項８のいずれか１項に記載のシステム。
10. 前記ガイドワイヤ先端部は生体適合材料からなる、請求項１から請求項９のいずれか１項に記載のシステム。
11. 前記ガイドワイヤ先端部はニチノールからなる、請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載のシステム。
12. 前記中空体のベースに隣接する、前記中空体内に配置されたルーティングウェッジをさらに含み、前記ルーティングウェッジは、前記第１および第２のテンドンを空間的に分離し、前記ルーティングウェッジは、前記第３および第４のテンドンを空間的に分離する、請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載のシステム。
13. 前記ルーティングウェッジは複数のウェッジ部を含み、前記複数のウェッジ部は、中央チャンネルおよび複数の外側チャンネルを規定する、請求項１２に記載のシステム。
14. 前記中空の細長チューブ内に配置された複数のスロットであって前記複数のウェッジ部を受けるための複数のスロットをさらに含む、請求項１３に記載のシステム。
15. 前記コントロールユニットは、ガイドワイヤ操作組立体およびガイドワイヤローラ機構を含む、請求項１から請求項１４のいずれか１項に記載のシステム。
16. 前記ガイドワイヤ操作組立体は、前記ガイドワイヤを前進させ、後退させ、回転させるための複数のモータを含む、請求項１５に記載のシステム。
17. 前記ガイドワイヤ操作組立体は、前記ガイドワイヤローラ機構を介して前記ガイドワイヤを前進させるための第１のモータを含む、請求項１５および請求項１６のいずれか１項に記載のシステム。
18. 前記ガイドワイヤローラ機構は、第１のローラおよび第２のローラを含み、且つ、第１のモータに操作可能に結合されており、前記ガイドワイヤの一部は前記第１のローラと前記第２のローラとの間に配置されている、請求項１５から請求項１７のいずれか１項に記載のシステム。
19. 前記コントロールユニットは、前記ガイドワイヤを格納するための溝形経路を含む、請求項１から請求項１８のいずれか１項に記載のシステム。
20. 前記コントロールユニットは、弾性結合部に操作可能に結合されたシャフトをさらに含み、前記シャフトは、第２のモータによって操作可能で、且つ、前記溝形経路から前記ガイドワイヤローラ機構まで前記ガイドワイヤを送り出すように構成されている、請求項１から請求項１９のいずれか１項に記載のシステム。
21. 前記第１の複数の非対称凹部は、前記第２の複数の非対称凹部に対して垂直である、請求項１から請求項２０のいずれか１項に記載のシステム。
22. 前記ガイドワイヤ先端部および前記ガイドワイヤは連続体である、請求項１から請求項２１のいずれか１項に記載のシステム。
23. ガイドワイヤを操縦するためのガイドワイヤ先端部であって、
    第１の複数の非対称凹部を含む第１のジョイントと、
    第２の複数の非対称凹部を含む第２のジョイントと、を含む
    中空の細長体と、
    前記中空の細長体内に配置された、第１のテンドン、第２のテンドン、第３のテンドン、および第４のテンドンであって、前記第１のテンドンおよび前記第２のテンドンは前記第１のジョイントに操作可能に接続され、前記第３のテンドンおよび前記第４のテンドンは前記第２のジョイントに操作可能に接続されている、第１〜第４のテンドンと、を含むガイドワイヤ先端部。
24. 前記ガイドワイヤ先端部は幅を有し、前記第１および第２の複数の非対称凹部は深さを有し、前記凹部の前記深さは、前記ガイドワイヤ先端部の前記幅の５０％よりも大きい、請求項２３に記載のガイドワイヤ先端部。
25. 前記第１のジョイントと前記第２のジョイントとは、第１の長さだけ分離されている、請求項２３および請求項２４のいずれか１項に記載のガイドワイヤ先端部。
26. 前記中空体は、第１の端部および反対の第２の端部を含み、前記第１のジョイントは、前記第２の端部から第２の長さだけ分離されている、請求項２３から請求項２５のいずれか１項に記載のガイドワイヤ先端部。
27. 前記ガイドワイヤ先端部は、約０．１ｍｍ〜約０．９ｍｍの幅を有する、請求項２３から請求項２６のいずれか１項に記載のガイドワイヤ先端部。
28. 前記中空体は内壁を含み、前記第１のテンドンと前記第２のテンドンとは、前記内壁の反対の側に配置されており、前記第３のテンドンと前記第４のテンドンとは、前記内壁の反対の側に配置されている、請求項２３から請求項２７のいずれか１項に記載のガイドワイヤ先端部。
29. 前記第１、第２、第３、および第４のテンドンの各々は、ワイヤを含む、請求項２３から請求項２８のいずれか１項に記載のガイドワイヤ先端部。
30. 前記第１のテンドンおよび前記第２のテンドンは、前記第１のジョイントの遠位端に取り付けられており、前記第３のテンドンおよび前記第４のテンドンは、前記第２のジョイントの遠位端に取り付けられている、請求項２３から請求項２９のいずれか１項に記載のシステム。
31. 前記第１および第２の複数の凹部は、実質的に垂直な壁によって規定された溝を含む、請求項２３から請求項３０のいずれか１項に記載のガイドワイヤ先端部。
32. 前記ガイドワイヤ先端部は生体適合材料からなる、請求項２３から請求項３１のいずれか１項に記載のガイドワイヤ先端部。
33. 前記ガイドワイヤ先端部はニチノールからなる、請求項２３から請求項３２のいずれか１項に記載のガイドワイヤ先端部。
34. 前記中空体のベースに隣接する前記中空体内に配置されたルーティングウェッジをさらに含み、前記ルーティングウェッジは、前記第１および第２のテンドンを空間的に分離し、前記ルーティングウェッジは、前記第３および第４のテンドンを空間的に分離する、請求項２３から請求項３３のいずれか１項に記載のガイドワイヤ先端部。
35. 前記ルーティングウェッジは複数のウェッジ部を含み、前記複数のウェッジ部は、中央チャンネルおよび複数の外側チャンネルを規定する、請求項３４に記載のシステム。
36. 前記中空の細長チューブ内に配置された複数のスロットであって前記複数のウェッジ部を受けるための複数のスロットをさらに含む、請求項３５に記載のシステム。
37. 前記第１の複数の非対称凹部は、前記第２の複数の非対称凹部に対して垂直である、請求項２３から請求項３６のいずれか１項に記載のシステム。