JP2021129815A - 手術支援装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 製造コストの高騰を来すことなく安全性の向上を図ると共に手術具の先端部における位置精度の向上を図る。【解決手段】 順に動作可能に連結された複数の可動体と、少なくとも一つの可動体を動作させる駆動力を発生する少なくとも一つのアクチュエーターとを備え、複数の可動体のうち連結方向における一端に位置された可動体には手術具を保持する保持部が設けられ、連結方向において手術具側に位置され保持部を有する可動体を含む少なくとも一つの可動体が遠位側可動体として設けられ、連結方向において手術具から最も離隔して位置された可動体を含み遠位側可動体以外の可動体が近位側可動体として設けられ、アクチュエーターによる駆動力以外の外部からの力が付与されたときの可動体における動作の許容程度を動作許容度としたときに、遠位側可動体の動作許容度が近位側可動体の動作許容度より大きくされた。【選択図】図2

Description

本発明は、順に動作可能に連結された複数の可動体と可動体を動作させる駆動力を発生するアクチュエーターとを備えた手術支援装置についての技術分野に関する。
近年、手術支援装置を用いた外科手術が普及しつつある。このような手術支援装置は、順に動作可能に連結された複数の可動体と可動体を動作させる駆動力を発生するアクチュエーターとを備え、連結方向における一端に位置された可動体に保持部が設けられている。複数の可動体はアーム部又は関節部として設けられ、保持部には患者の体腔に一部が挿入される手術具が保持される。手術具としては内視鏡を有するタイプや鉗子と内視鏡の双方を有するタイプ等の各種のタイプが手術の種類や状況に応じて使用される。
手術支援装置において、複数の可動体がそれぞれ所定の方向へ動作されると、可動体の動作に伴って手術具が移動されると共に手術具の姿勢が変化され、手術具の一部(先端部)が患者の体腔に挿入された状態で外科手術が行われる。
上記のような手術支援装置を用いた外科手術は、一般に、手術室に設置された手術支援装置をマスタースレーブ方式により術者(医師)が遠隔から操作することによって行われる。このような外科手術が行われる際には、手術具の移動の基準点とされるピボット点が設定される。手術支援装置におけるピボット点は、可動体に機構的に固定される方式か、制御ソフト上で仮想的に設定される方式に大別される。
ピボット点は患者の体腔に形成され手術具が挿入されるポートに略一致する位置であり、トロッカーが使用される場合にはトロッカーの位置に略一致される。従って、手術具が患者の体腔に挿入される状態においては、手術具の一部が常にピボット点を通るように手術具の位置や姿勢が制御され、手術具の一部がピボット点を通ることにより患者の体表付近の組織に対する負荷の発生が防止されて安全性が確保される。
一方、手術支援装置を用いた外科手術においては、手術の安全性を高める他に手術の正確性を高めることも重要であり、手術の正確性を高めるためには、可動体の位置や姿勢が精密に制御され体腔に挿入される手術具の先端部における位置精度が高められる必要がある。
しかしながら、外科手術が行われる手術室には執刀医や助手の他に多くの手術用器具が存在する一方で手術室の広さが限られているため、手術支援装置の十分な配置空間を確保することができない場合もあり、手術室に存在する人や器具等が意図せず手術支援装置に接触し接触による力が外部からの力として可動体に付与され、可動体の位置や姿勢が変化して手術具の位置や姿勢が乱れるおそれがある。
従って、可動体の位置や姿勢を精密に制御するためには、意図せず可動体に外部から力が付与されたときに、この外力によって可動体が変位しないようにする必要があり、可動体間の連結部分が高い剛性を有することが望まれる。このような可動体間の連結部分における高い剛性を確保して外力による不具合の発生を防止する手段としては、一般に、電動機により駆動力を発生する電動アクチュエーターによって可動体を動作させる方法がある。電動アクチュエーターが用いられることにより、電動アクチュエーターの保持力によって可動体間の連結部分が強固な状態で保持され、意図せず可動体に外部から力が付与されたときの可動体の変位が防止される。
ところが、例えば、外科手術は炭酸ガス等によって腹腔を膨張させた気腹状態で行われることも多く、腹腔圧の変化により、装置に設定された仮想のピボット点とポートにおける実際のピボット点との間に誤差が生じることがある。このような誤差が生じた場合に、上記のように可動体間の連結部分が高い剛性を有している構成であると、設定された仮想のピボット点が維持された状態で各可動体が動作されるため、ポートの周辺の体表付近の組織に手術具が接触し、接触による大きな負荷によって組織の損傷等が発生し安全性が阻害されるおそれがある。
そこで、従来の手術支援装置には、可動体に作用するトルクをトルクセンサーによって測定しトルクセンサーの測定結果に応じて可動体を動作させることにより、制御ソフト上で設定された仮想のピボット点と患者のポートにおける実際のピボット点との間の誤差の発生による組織の損傷等を防止しようとしたものがある(例えば、特許文献1参照)。
特表2018−516656号公報
ところが、特許文献1に記載された手術支援装置は、トルクセンサーを用いることにより、仮想のピボット点とポートにおける実際のピボット点との間の誤差の発生による組織の損傷等を防止しようとしているが、このような構成においてはトルクセンサーの実装により製造コストの高騰を来す上に各可動体に対する動作制御が複雑化してしまう。
従って、製造コストの高騰を来すだけでなく、各可動体に対する動作制御の複雑化によりポートの周辺の体表付近の組織に対する負荷の発生を十分に抑制することが困難になるおそれがある。
そこで、本発明手術支援装置は、製造コストの高騰を来すことなく安全性の向上を図ると共に手術具の先端部における位置精度の向上を図ることを目的とする。
第1に、本発明に係る手術支援装置は、順に動作可能に連結された複数の可動体と、少なくとも一つの前記可動体を動作させる駆動力を発生する少なくとも一つのアクチュエーターとを備え、前記複数の可動体のうち連結方向における一端に位置された前記可動体には手術具を保持する保持部が設けられ、連結方向において前記手術具側に位置され前記保持部を有する前記可動体を含む少なくとも一つの前記可動体が遠位側可動体として設けられ、連結方向において前記手術具から最も離隔して位置された前記可動体を含み前記遠位側可動体以外の前記可動体が近位側可動体として設けられ、前記アクチュエーターによる駆動力以外の外部からの力が付与されたときの前記可動体における動作の許容程度を動作許容度としたときに、前記遠位側可動体の前記動作許容度が前記近位側可動体の前記動作許容度より大きくされたものである。
これにより、可動体に対してアクチュエーターによる駆動力以外の外部からの力が付与されたときに、手術具側に位置された遠位側可動体が手術具から離隔して位置された近位側可動体より外部からの力に応じて動作し易い状態にされる。
第2に、上記した本発明に係る手術支援装置においては、前記複数の可動体が動作方向においてそれぞれ1自由度を有し、前記可動体が六つ設けられ6自由度の動作が可能にされることが望ましい。
これにより、各可動体に対してそれぞれ行われる動作制御が単純化されると共に手術具の動作方向における自由度が多くなる。
第3に、上記した本発明に係る手術支援装置においては、前記近位側可動体と前記遠位側可動体がそれぞれ三つずつ設けられることが望ましい。
これにより、可動体の動作許容度に関する良好なバランスが確保される。
第4に、上記した本発明に係る手術支援装置においては、前記複数の可動体が動作方向においてそれぞれ1自由度を有し、前記可動体が七つ設けられ7自由度の動作が可能にされることが望ましい。
これにより、各可動体に対してそれぞれ行われる動作制御が単純化されると共に手術具の動作方向における自由度がより多くなる。
第5に、上記した本発明に係る手術支援装置においては、前記アクチュエーターとして気体の圧力の変化により駆動力を発生する少なくとも一つの空気圧アクチュエーターと電動機により駆動力を発生する少なくとも一つの電動アクチュエーターとが設けられ、前記近位側可動体が前記電動アクチュエーターによって動作され、前記遠位側可動体が前記空気圧アクチュエーターによって動作されることが望ましい。
これにより、手術具から離隔して位置された可動体が電動アクチュエーターによって動作され手術具に近い側に位置された可動体が空気圧アクチュエーターによって動作される。
第6に、上記した本発明に係る手術支援装置においては、前記可動体のうち前記近位側可動体のみが前記アクチュエーターによって動作されることが望ましい。
これにより、近位側可動体の駆動がアクチュエーターによって行われ遠位側可動体が動作に対する駆動源を有さない構成にされる。
本発明によれば、可動体に対してアクチュエーターによる駆動力以外の外部からの力が付与されたときに、手術具側に位置された遠位側可動体が手術具から離隔して位置された近位側可動体より外部からの力に応じて動作し易い状態にされるため、製造コストの高騰を来すことなく安全性の向上を図ると共に手術具の先端部における位置精度の向上を図ることができる。
図2乃至図8と共に本発明手術支援装置の実施の形態を示すものであり、本図は、手術支援装置等を示す概略斜視図である。 手術支援装置等の概念図である。 複数の本体が設けられた手術支援装置等を示す概略斜視図である。 適正なピボット動作により手術具の位置が変更された状態を示す概念図である。 適正なピボット動作により手術具の姿勢が変更された状態を示す概念図である。 ポートに対して手術具が垂直な状態で挿入されたときに手術具の位置がピボット点に対して相対的にずれた状態を示すものであり、左の図は患者に対する負荷が付与された状態を示す概念図であり、右の図は手術具が変位されて患者に対する負荷が抑制された状態を示す概念図である。 ポートに対して手術具が傾斜した状態で挿入されたときに手術具の位置がピボット点に対して相対的にずれた状態を示すものであり、左の図は患者に負荷が付与された状態を示す概念図であり、右の図は手術具が変位されて患者に対する負荷が抑制された状態を示す概念図である。 7自由度を有する構成にされた手術支援装置等を示す概念図である。
以下に、本発明手術支援装置を実施するための形態について添付図面を参照して説明する。
以下に示した実施の形態は、本発明手術支援装置を手術室の床等に設置されて使用されるタイプに適用した例を示す。但し、本発明の適用範囲は手術室の床等に設置されて使用されるタイプに限られることはなく、本発明は手術室の天井や壁面に取り付けられて使用されるタイプに適用することもできる。
尚、以下に示す前後上下左右の方向は説明の便宜上のものであり、本発明の実施に関しては、これらの方向に限定されることはない。
また、以下に示す手術支援装置は可動体が回動される構成を有しているが、この「回動」は任意の一点を含む基準軸(中心軸)の軸回り方向への動作を意味し、「回転」をも含む動作を言う。尚、以下には、可動体が回動動作される例を示すが、可動体は回動動作に限られず、直進動作が行われてもよく、「動作」は回動動作と直進動作の双方を含む意味である。
<手術支援装置等の構成>
先ず、手術支援装置1等の構成について説明する(図1乃至図3参照)。
手術室には手術台100が設置され、手術台100には患者200が、例えば、仰向けの状態で横たえられている(図1参照)。患者200の体腔201、例えば、腹壁201aにはポート202が形成される。ポート202には外科手術が行われるときに後述する手術具の一部(先端部)が挿入される。ポート202は軸状の手術具が挿入される小孔である。
手術支援装置1は手術室の床等に載置される土台2と土台2に固定された丸軸状のポール3とポール3に支持された本体4とを有している。土台2は手術台100の側方において床等に設置され、ポール3は上下に延びる状態で下端部が土台2に固定されている。
本体4はポール3に上下方向へ移動可能に支持され、各部が回動可能な状態で連結された構成にされ、ポール3に上下方向における所望の位置で固定可能にされている。
本体4は互いに回動可能に連結された第1の連結アーム5と第2の連結アーム6を有している。
第1の連結アーム5は水平方向に延びる形状に形成され、長手方向における一端部が被支持筒部5aとして設けられ、長手方向における他端部が支点部5bとして設けられている。第1の連結アーム5は被支持筒部5aにポール3が挿通され、手動又は電動によりポール3に対して上下方向へ移動可能にされていると共にポール3に対して被支持筒部5aを支点として軸回り方向へ回転可能にされている。
第1の連結アーム5はポール3に上下方向における所望の位置かつ軸回り方向における所望の位置で固定可能にされている。
第2の連結アーム6は水平方向に延びる形状に形成され、長手方向における一端部が支点部6aとして設けられ、長手方向における他端部が支持軸部6bとして設けられている。第2の連結アーム6は支点部6aが第1の連結アーム5の支点部5bと上下に重ねられ互いに回動可能な状態で連結されている。第2の連結アーム6は手動又は電動により第1の連結アーム5に対して支点部6aを支点として回動可能にされている。
本体4は関節部として機能する第1の可動体7を有し、第1の可動体7は第2の連結アーム6の支持軸部6bに回動可能に連結されている(図1及び図2参照)。第1の可動体7は第2の連結アーム6側の端部が基端側連結部7aとして設けられ、第2の連結アーム6側と反対側の端部が先端側連結部7bとして設けられている。第1の可動体7は基端側連結部7aが第2の連結アーム6の支持軸部6bに回動可能に連結され、例えば、上下方向に延びる基準軸Aの軸回り方向へ第2の連結アーム6に対して回動される。従って、第1の可動体7が第2の連結アーム6に対して回動されることにより、手術支援装置1は動作方向における1自由度を有している。
第1の可動体7には電動機により駆動力を発生する第1の電動アクチュエーター8が配置されている。第1の可動体7は第1の電動アクチュエーター8の駆動力によって第2の連結アーム6に対して回動される。このように第1の可動体7が第1の電動アクチュエーター8の駆動力によって回動されるため、第1の可動体7と第2の連結アーム6の連結部分30Aは第1の電動アクチュエーター8の保持力によって強固な状態で保持されて高い剛性を有している。尚、第1の電動アクチュエーター8は第2の連結アーム6に配置されていてもよい。
本体4はアーム部として機能する第2の可動体9を有し、第2の可動体9は第1の可動体7の先端側連結部7bに回動可能に連結されている。第2の可動体9は、長手方向における一端部が基端側連結部9aとして設けられ、長手方向における他端部が先端側連結部9bとして設けられている。第2の可動体9は基端側連結部9aが第1の可動体7の先端側連結部7bに回動可能に連結され、例えば、第2の可動体9と第1の可動体7の連結方向に直交する方向に延びる基準軸Bの軸回り方向へ第1の可動体7に対して回動される。従って、第2の可動体9が第1の可動体7に対して回動されることにより、手術支援装置1は動作方向における1自由度を有している。
第2の可動体9には、例えば、リンク機構が設けられ、リンク機構は二組の平行なリンク部10、10、・・・とリンク部10、10、・・・を結合する結合ピン11、11、・・・とを有している。第2の可動体9は第1の可動体7側に位置された結合ピン11、11が第1の可動体7の先端側連結部7bに回動可能な状態で連結されている。
第2の可動体9には電動機により駆動力を発生する第2の電動アクチュエーター12が配置されている。第2の可動体9は第2の電動アクチュエーター12の駆動力によって第1の可動体7に対して回動される。このように第2の可動体9が第2の電動アクチュエーター12の駆動力によって回動されるため、第2の可動体9と第1の可動体7の連結部分30Bは第2の電動アクチュエーター12の保持力によって強固な状態で保持されて高い剛性を有している。尚、第2の電動アクチュエーター12は第1の可動体7に配置されていてもよい。
第2の可動体9は先端側連結部9bが中間連結部材13に連結されている。第2の可動体9は中間連結部材13側に位置された結合ピン11、11が中間連結部材13の一端部に回動可能な状態で連結されている。第2の可動体9は第2の電動アクチュエーター12の駆動力によって回動されるため、第2の可動体9と中間連結部材13の連結部分30C1は第2の電動アクチュエーター12の保持力によって強固な状態で保持されて高い剛性を有している。
本体4はアーム部として機能する第3の可動体14を有し、第3の可動体14は中間連結部材13に連結されている。第3の可動体14は、長手方向における一端部が基端側連結部14aとして設けられ、長手方向における他端部が先端側連結部14bとして設けられている。第3の可動体14は基端側連結部14aが中間連結部材13に連結され、例えば、第3の可動体14と中間連結部材13の連結方向に直交する方向に延びる基準軸Cの軸回り方向へ中間連結部材13に対して回動される。従って、第3の可動体14が中間連結部材13に対して回動されることにより、手術支援装置1は動作方向における1自由度を有している。
第3の可動体14には、例えば、リンク機構が設けられ、リンク機構は二組の平行なリンク部15、15、・・・とリンク部15、15、・・・を結合する結合ピン16、16、・・・とを有している。第2の可動体9は中間連結部材13側に位置された結合ピン16、16が中間連結部材13の他端部に回動可能な状態で連結されている。
尚、上記には、第2の可動体9と第3の可動体14が中間連結部材13を介して連結された例を示したが、手術支援装置1においては、中間連結部材13が設けられず第2の可動体9と第3の可動体14が中間連結部材13を介することなく連結されていてもよい。第2の可動体9と第3の可動体14が中間連結部材13を介することなく連結される場合には、第3の可動体14が第2の可動体9に対して回動されることにより、手術支援装置1が動作方向における1自由度を有する。
第3の可動体14には電動機により駆動力を発生する第3の電動アクチュエーター17が配置されている。第3の可動体14は第3の電動アクチュエーター17の駆動力によって中間連結部材13に対して回動される。このように第3の可動体14が第3の電動アクチュエーター17の駆動力によって回動されるため、第3の可動体14と中間連結部材13の連結部分30C2は第3の電動アクチュエーター17の保持力によって強固な状態で保持されて高い剛性を有している。尚、第3の電動アクチュエーター17は中間連結部材13に配置されていてもよい。
上記した第1の可動体7と第2の可動体9と第3の可動体14は連結方向において何れも手術具から離隔した位置にある近位側可動体50、50、50とされる。近位側可動体50とされた第1の可動体7と第2の可動体9と第3の可動体14においては、上記したように、連結部分30A、30B、30C1、30C2が高い剛性を有している。
本体4は関節部として機能する第4の可動体18を有し、第4の可動体18は第3の可動体14の先端側連結部14bに回動可能に連結されている。第4の可動体18は第3の可動体14側の端部が基端側連結部18aとして設けられ、第3の可動体14と反対側の端部が先端側連結部18bとして設けられている。第4の可動体18は基端側連結部18aが第3の可動体14の先端側連結部14bに回動可能に連結され、例えば、第4の可動体18と第3の可動体14の連結方向に延びる基準軸Dの軸回り方向へ第3の可動体14に対して回動される。従って、第4の可動体18が第3の可動体14に対して回動されることにより、手術支援装置1は動作方向における1自由度を有している。
第4の可動体18には第1の空気圧アクチュエーター19の駆動力が伝達され、第1の空気圧アクチュエーター19は空気等の気体の圧力の変化により駆動力を発生する。第4の可動体18は第1の空気圧アクチュエーター19の駆動力によって第3の可動体14に対して回動される。このように第4の可動体18が第1の空気圧アクチュエーター19の駆動力によって回動され、第4の可動体18と第3の可動体14の連結部分30Dは電動アクチュエーターより弱い保持力によって保持されて近位側可動体50、50、50の連結部分30A、30B、30C1、30C2より低い剛性にされている。
本体4は関節部として機能する第5の可動体20を有し、第5の可動体20は第4の可動体18の先端側連結部18bに回動可能に連結されている。第5の可動体20は第4の可動体18側の端部が基端側連結部20aとして設けられ、第4の可動体18と反対側の端部が先端側連結部20bとして設けられている。第5の可動体20は基端側連結部20aが第4の可動体18の先端側連結部18bに回動可能に連結され、例えば、第5の可動体20と第4の可動体18の連結方向に直交する方向に延びる基準軸Eの軸回り方向へ第4の可動体18に対して回動される。従って、第5の可動体20が第4の可動体18に対して回動されることにより、手術支援装置1は動作方向における1自由度を有している。
第4の可動体18には第2の空気圧アクチュエーター21の駆動力が伝達され、第2の空気圧アクチュエーター21は空気等の気体の圧力の変化により駆動力を発生する。第5の可動体20は第2の空気圧アクチュエーター21の駆動力によって第4の可動体18に対して回動される。このように第5の可動体20が第2の空気圧アクチュエーター21の駆動力によって回動されるため、第5の可動体20と第4の可動体18の連結部分30Eは電動アクチュエーターより弱い保持力によって保持されて近位側可動体50、50、50の連結部分30A、30B、30C1、30C2より低い剛性にされている。
本体4は第6の可動体22を有し、第6の可動体22は第5の可動体20の先端側連結部20bに回動可能に連結されている。第6の可動体22は、例えば、略円筒状に形成され、少なくとも一部が保持部22aとして設けられている。第6の可動体22は第5の可動体20の先端側連結部20bに回動可能に連結され、例えば、第5の可動体20に対して軸方向に延びる基準軸Fの軸回り方向へ回動される。従って、第6の可動体22が第5の可動体20に対して回動されることにより、手術支援装置1は動作方向における1自由度を有している。
第6の可動体22には第3の空気圧アクチュエーター23の駆動力が伝達され、第3の空気圧アクチュエーター23は空気等の気体の圧力の変化により駆動力を発生する。第6の可動体22は第3の空気圧アクチュエーター23の駆動力によって第5の可動体20に対して回動される。このように第6の可動体22が第3の空気圧アクチュエーター23の駆動力によって回動されるため、第6の可動体22と第5の可動体20の連結部分30Fは電動アクチュエーターより弱い保持力によって保持されて近位側可動体50、50、50の連結部分30A、30B、30C1、30C2より低い剛性にされている。
上記した第4の可動体18と第5の可動体20と第6の可動体22は連結方向において何れも手術具側に位置された遠位側可動体60、60、60とされる。遠位側可動体60とされた第4の可動体18と第5の可動体20と第6の可動体22においては、上記したように、連結部分30D、30E、30Fが近位側可動体50とされた第1の可動体7と第2の可動体9と第3の可動体14の連結部分30A、30B、30C1、30C2より低い剛性を有している。
第6の可動体22の保持部22aには手術具70が保持される。手術具70は、例えば、全体として軸状に形成され、保持部22aに保持される被保持部71と被保持部71から突出されたシャフト部72とシャフト部72の先端に連続して設けられた屈曲部73と屈曲部73に連続して設けられた鉗子等の操作部74とを有している。
手術具70は保持部22aにシャフト部72の軸方向へ移動可能な状態で保持されていてもよい。
シャフト部72は少なくとも屈曲部73と操作部74を含む先端部が患者200の体腔201に形成されたポート202に挿通される。また、シャフト部72は、外科手術においてトロッカー80が用いられる場合には、先端側の部分がトロッカー80を介してポート202に挿通される。
屈曲部73はシャフト部72の軸方向に対して屈曲可能にされ、屈曲部73がシャフト部72に対して屈曲されることにより操作部74の姿勢が変化される。
尚、上記には、複数の可動体を有する一つの本体4を備えた手術支援装置1を例として示したが、手術支援装置1に設けられる本体4の数は一つに限られることはなく複数であってもよい(図3参照)。このような手術支援装置1において、例えば、二つの本体4、4が設けられる場合に、第1の連結アーム5に対してそれぞれ回動可能にされた二つの第2の連結アーム6、6が設けられ、第2の連結アーム6、6にそれぞれ第1の可動体7、7が連結される構成にされていてもよい。
このように複数の本体4が設けられることにより、複数の手術具70によって外科手術を行うことが可能になり手術時間の短縮化を図ることが可能になる他に、異なる種類の複数の手術具70を使用して高度な外科手術を行うことも可能になる。
<手術支援装置の動作>
次に、手術支援装置1の動作について説明する(図4乃至図7参照)。
上記のように構成された手術支援装置1は、外科手術が行われる際に、保持部22aに保持された手術具70の位置と姿勢を所望の状態に変更するように第1の可動体7と第2の可動体9と第3の可動体14と第4の可動体18と第5の可動体20と第6の可動体22が回動動作される。尚、手術支援装置1においては、保持部22aに保持された手術具70の位置と姿勢を所望の状態に変更するように第1の可動体7と第2の可動体9と第3の可動体14と第4の可動体18と第5の可動体20と第6の可動体22が直進動作されてもよい。
このとき第1の可動体7が回動されると、第1の可動体7の回動動作に伴って第2の可動体9と第3の可動体14と第4の可動体18と第5の可動体20と第6の可動体22が動作されて手術具70の位置又は姿勢が変更され、第2の可動体9が回動されると、第2の可動体9の回動動作に伴って第3の可動体14と第4の可動体18と第5の可動体20と第6の可動体22が動作されて手術具70の位置又は姿勢が変更される。また、第3の可動体14が回動されると、第3の可動体14の回動動作に伴って第4の可動体18と第5の可動体20と第6の可動体22が動作されて手術具70の位置又は姿勢が変更され、第4の可動体18が回動されると、第4の可動体18の回動動作に伴って第5の可動体20と第6の可動体22が動作されて手術具70の位置又は姿勢が変更される。さらに、第5の可動体20が回動されると、第5の可動体20の回動動作に伴って第6の可動体22が動作されて手術具70の位置又は姿勢が変更され、第6の可動体22が回動されると、第6の可動体22の回動動作に伴って手術具70が回動される。
外科手術は、例えば、手術室に設置された手術支援装置1をマスタースレーブ方式により術者(医師)が遠隔から操作することによって行われる。マスタースレーブ方式は、複数の機器が協調して動作される際に、複数の機器の制御や操作を司るマスター機とマスター機の制御下で動作されるスレーブ機とに役割を分担する方式であり、この外科手術においては、術者が操作する図示しない操作装置(コントロール装置)がマスター機とされ、手術支援装置1がスレーブ機とされる。
外科手術において手術支援装置1を使用する際には、先ず、患者200の位置に応じて第1の連結アーム5をポール3に対して上下方向へ移動させて本体4の上下方向における位置を設定し、次いで、施術位置に応じて第1の連結アーム5をポール3に対して回動させると共に第2の連結アーム6を第1の連結アーム5に対して回動させて手術具70の位置を設定する。
外科手術が行われる際には、手術具70の移動の基準点とされるピボット点Pが設定される(図4及び図5参照)。
ピボット点Pは手術具70が挿入されるポート202に略一致する位置であり、トロッカー80が使用される場合にはトロッカー80の位置に略一致される。従って、手術具70が患者200の体腔201に挿入される状態において、手術具70の一部が常にピボット点Pを通るように位置が制御されて適正なピボット動作が行われれば、元の位置(図4の位置G)に対して手術具70の位置が変化(図4の位置H)しても患者200の体表付近の組織に対する負荷の発生が防止されて安全性が確保される。
尚、図4には、シャフト部72の軸方向へ移動された手術具70について、理解を容易にするために、移動前の手術具70と移動後の手術具70とを軸方向に直交する方向に意図的に僅かにずらし、位置Gにおける手術具70を示す実線と位置Hにおける手術具70を示す破線とが重ならないように示している。
また、手術具70が患者200の体腔201に挿入される状態において、手術具70の一部が常にピボット点Pを通るように姿勢が制御されて適正なピボット動作が行われれば、元の姿勢(図5の姿勢J)に対して手術具70の姿勢が変化(図5の姿勢K)しても患者200の体表付近の組織に対する負荷の発生が防止されて安全性が確保される。
一方、外科手術においては、手術室に執刀医や助手や多くの手術用器具が存在するため、特に、手術室の広さが限られる場合には、手術室に存在する人や器具等が手術支援装置1の各部に意図せず接触し、接触による力が外部からの力として可動体に付与されて可動体の位置や姿勢が変化し、可動体の位置や姿勢の変化に伴って手術具70の位置や姿勢が乱れるおそれがある。
また、外科手術が炭酸ガス等によって腹腔201aを膨張させた気腹状態で行われるような場合には、腹腔圧の変化により制御ソフト上で設定された仮想のピボット点Pとポート202における実際のピボット点Pとの間に誤差が生じる可能性もある。また、このような誤差は患者200の心拍状態の変化や呼吸によっても生じる可能性がある。
このように外部から可動体等に力が付与されたりピボット点Pの誤差が生じたりすると、仮想のピボット点が維持された状態で各可動体が動作されるため、手術具70の位置がピボット点Pに対して相対的にずれてしまう。このとき可動体間の連結部分30、30、・・・の剛性が高い場合には、各可動体が回動し難く手術具70の各可動体に対する位置が変化し難いため、手術具70の一部又はトロッカー80の一部が体腔201におけるポート202の開口縁に押し付けられ(図6の左側の図及び図7の左側の図参照)、ポート202の周辺の体表付近の組織に対して大きな負荷が生じて組織の損傷等が発生し安全性が阻害されるおそれがある。
しかしながら、手術支援装置1にあっては、上記したように、遠位側可動体60、60、60として設けられた第4の可動体18と第5の可動体20と第6の可動体22の各連結部分30D、30E、30Fが近位側可動体50、50、50として設けられた第1の可動体7と第2の可動体9と第3の可動体14の各連結部分30A、30B、30C1、30C2より剛性が低くされている。
従って、第1の電動アクチュエーター8、第2の電動アクチュエーター12、第3の電動アクチュエーター17、第1の空気圧アクチュエーター19、第2の空気圧アクチュエーター21及び第3の空気圧アクチュエーター23による駆動力以外の外部からの力が付与されたときの可動体における回動の許容程度を動作許容度(回動許容度)とすると、遠位側可動体60、60、60の動作許容度(回動許容度)が近位側可動体50、50、50の動作許容度(回動許容度)より大きくされている。即ち、手術支援装置1の各部に駆動力以外の外部からの力が付与されたときには、遠位側可動体60、60、60として設けられた第4の可動体18と第5の可動体20と第6の可動体22の方が近位側可動体50、50、50として設けられた第1の可動体7と第2の可動体9と第3の可動体14より回動し易い状態にされている。
このように手術支援装置1にあっては、遠位側可動体60、60、60が近位側可動体50、50、50より回動し易い状態にされているため、外部から可動体等に力が付与されたりピボット点Pの誤差が生じて手術具70の一部又はトロッカー80の一部がポート202の開口縁に接したときに、第4の可動体18と第5の可動体20と第6の可動体22が回動可能な状態にされている(図6の右側の図及び図7の右側の図参照)。
従って、手術具70の一部又はトロッカー80の一部がポート202の開口縁に接したときには、この接触に追従して遠位側可動体60、60、60の少なくとも一つが回動されて手術具70が変位されるため、ポート202の周辺の体表付近の組織に対して手術具70から大きな負荷が付与されることがなく、体表付近の組織に損傷等が発生し難い。
<まとめ>
以上に記載した通り、手術支援装置1にあっては、可動体の連結方向において手術具70側に位置され保持部22aを有する第6の可動体22を含む少なくとも一つの可動体が遠位側可動体60として設けられ、連結方向において手術具70から最も離隔して位置された第1の可動体7を含み遠位側可動体60以外の可動体が近位側可動体50として設けられ、遠位側可動体60の動作許容度(回動許容度)が近位側可動体50の動作許容度(回動許容度)より大きくされている。
従って、可動体や手術具70に対してアクチュエーターによる駆動力以外の外部からの力が付与されたときに、手術具70に近い側に位置された遠位側可動体60が手術具70から離隔して位置された近位側可動体50より外部からの力に応じて回動し易い状態にされる。これにより、トルクセンサー等の別部品を用いて安全性の向上を確保する必要がなく、製造コストの高騰を来すことなく安全性の向上を図ることができると共に手術具70の先端部における位置精度の向上を図ることができる。
また、遠位側可動体60の動作許容度(回動許容度)が高いため、手術具70が患者200の各部に接したときに接触状態を反作用として敏感に反応させることが可能になり、手術時の可動体と患者200の接触を感知し易く、手術支援装置1を力覚提示機能を確保する構造として構成し易くなり、手術の正確性の向上及び安全性の向上を図ることができる。
また、手術支援装置1においては、複数の可動体が動作方向においてそれぞれ1自由度を有し、可動体が六つ設けられ6自由度の動作が可能にされている。
従って、各可動体に対してそれぞれ行われる動作制御が単純化されると共に手術具70の動作方向における自由度が多くなるため、可動体に対する動作制御の簡素化を図った上で手術具70の動作範囲の拡大及び手術具70の位置精度の向上を図ることができる。
また、六つの可動体によって6自由度の動作が可能にされることにより手術具70の直交する3軸方向への移動と3軸方向に対して傾斜する状態への姿勢の変更とが行われるため、患者200に対して所望の位置及び向きで手術具70を使用することが可能になり、手術の一層の正確性及び一層の安全性の向上を図ることができる。
即ち、手術具70の直交する3軸方向への移動と3軸方向に対して傾斜する状態への姿勢の変更を行うことが可能になるため、手術具70を空間上の任意の位置において所望の姿勢で保持することができる。
さらに、アクチュエーターとして気体の圧力の変化により駆動力を発生する複数の空気圧アクチュエーターと電動機により駆動力を発生する複数の電動アクチュエーターとが設けられ、近位側可動体50が電動アクチュエーターによって動作され、遠位側可動体60が空気圧アクチュエーターによって動作される。
従って、手術具70から離隔して位置された可動体が電動アクチュエーターによって回動され手術具70に近い側に位置された可動体が空気圧アクチュエーターによって回動されるため、可動体における回動位置の安定性を図ることができると共に外部からの力が付与されたときの可動体における動作許容度(回動許容度)が高まり安全性の向上を図ることができる。
さらにまた、手術具70に近い側に位置された可動体が力覚提示機能を実現し易い空気圧アクチュエーターによって回動されるため、手術時の可動体と患者200の体腔201との接触を感知し易くなり、手術の正確性及び安全性の向上を図ることができる。
<可動体に関する変形例>
以下に、可動体に関する変形例について説明する。
上記には、手術支援装置1が第1の可動体7と第2の可動体9と第3の可動体14と第4の可動体18と第5の可動体20と第6の可動体22の六つの可動体を備え、第1の可動体7と第2の可動体9と第3の可動体14が何れも近位側可動体50として設けられ第4の可動体18と第5の可動体20と第6の可動体22が何れも遠位側可動体60として設けられた例を示したが、手術支援装置1においては、少なくとも一つの近位側可動体50と少なくとも一つの遠位側可動体60が設けられていればよい。
即ち、可動体の連結方向において手術具70から最も離隔して位置された第1の可動体7が近位側可動体50として設けられ、可動体の連結方向において手術具70に最も近付いて位置された第6の可動体22が遠位側可動体60として設けられていればよく、他の可動体については手術具70から離隔する側に位置する可動体が近位側可動体50として設けられ手術具70側に位置する可動体が遠位側可動体60として設けられていれば任意の構成にすることが可能である。
例えば、第1の可動体7のみが近位側可動体50として設けられ第2の可動体9と第3の可動体14と第4の可動体18と第5の可動体20と第6の可動体22が遠位側可動体60として設けられていてもよく、第1の可動体7と第2の可動体9が近位側可動体50として設けられ、第3の可動体14と第4の可動体18と第5の可動体20と第6の可動体22が遠位側可動体60として設けられていてもよい。また、第1の可動体7と第2の可動体9と第3の可動体14と第4の可動体18が近位側可動体50として設けられ第5の可動体20と第6の可動体22が遠位側可動体60として設けられていてもよく、第1の可動体7と第2の可動体9と第3の可動体14と第4の可動体18と第5の可動体20が近位側可動体50として設けられ第6の可動体22のみが遠位側可動体60として設けられていてもよい。
但し、上記のように、手術支援装置1に三つの近位側可動体50と三つの遠位側可動体60が設けられることにより、6自由度を有する構成において駆動力以外の外部からの力が付与されたときの動作許容度(回動許容度)が高い遠位側可動体60と動作許容度(回動許容度)が低い近位側可動体50とが同数設けられた構成にされる。
従って、可動体の動作許容度(回動許容度)に関する良好なバランスが確保され、手術具70の広い動作範囲を確保した上で手術具70の位置精度の向上と手術時における安全性の向上を図ることができる。
また、手術支援装置1に三つの近位側可動体50と三つの遠位側可動体60が設けられることにより、三つの近位側可動体50によって手術具70の直交する3軸方向への位置の移動が可能にされると共に三つの遠位側可動体60によっても手術具70の直交する3軸方向への位置の移動が可能にされるため、三つの近位側可動体50、50、50によって手術具70の位置及び姿勢に関して高精度の位置決めを行った上で三つの遠位側可動体60、60、60によって手術時における安全性の向上を図ることができる。
<アクチュエーターに関する変形例>
次に、アクチュエーターに関する変形例について説明する。
上記には、第1の可動体7と第2の可動体9と第3の可動体14がそれぞれ電動アクチュエーターの駆動力によって回動され、第4の可動体18と第5の可動体20と第6の可動体22がそれぞれ空気圧アクチュエーターの駆動力によって回動される例を示したが、これらの可動体の駆動源は電動アクチュエーターと空気圧アクチュエーター以外に、例えば、油圧アクチュエーターを用いることが可能である。
手術支援装置1においては、近位側可動体50と遠位側可動体60の駆動に関し、近位側可動体50の駆動が電動アクチュエーターによって行われ遠位側可動体60の駆動が空気圧アクチュエーターによって行われる上記した構成の他に、近位側可動体50の駆動が電動アクチュエーターによって行われ遠位側可動体60の駆動が油圧アクチュエーターによって行われる構成であってもよく、近位側可動体50の駆動が油圧アクチュエーターによって行われ遠位側可動体60の駆動が空気圧アクチュエーターによって行われる構成であってもよい。
何れの構成においても、遠位側可動体60の動作許容度(回動許容度)が近位側可動体50の動作許容度(回動許容度)より大きくなる構成とすることで、手術具70の位置精度の向上と手術時における安全性の向上を図ることが可能である。
但し、手術具70における位置決め状態の安定化及び高精度化を図るためには、可動体間の連結部分30、30、・・・における剛性を最も高くし易い電動アクチュエーターによって近位側可動体50の駆動が行われることが望ましい。
また、手術支援装置1においては、近位側可動体50の駆動が電動アクチュエーター、油圧アクチュエーター又は空気圧アクチュエーターの何れかによって行われ、遠位側可動体60が回動動作に対する駆動源を有さない構成にすることも可能である。この場合に、遠位側可動体60は連結部分30、30、・・・における摩擦力によって回動状態が保持される。
従って、近位側可動体50は駆動が電動アクチュエーター、油圧アクチュエーター又は空気圧アクチュエーターの何れかによって行われるため能動的な駆動状態にされる。一方、遠位側可動体60は駆動源を有さないため受動的な駆動状態にされ、近位側可動体50の可動動作に伴って位置や姿勢が変化される。
このような近位側可動体50の駆動が電動アクチュエーター、油圧アクチュエーター又は空気圧アクチュエーターの何れかによって行われ遠位側可動体60が回動動作に対する駆動源を有さない構成にされた場合においては、手術具70から離隔して位置された可動体が電動アクチュエーターによって回動され手術具70に近い側に位置された可動体に駆動力が付与されない。
従って、遠位側可動体60の動作許容度(回動許容度)が近位側可動体50の動作許容度(回動許容度)より大幅に大きくなるため、可動体における回動位置の安定性を図ることができると共に外部からの力が付与されたときの可動体における動作許容度(回動許容度)が高く安全性の向上を図ることができる。
特に、遠位側可動体60が回動動作に対する駆動源を有さない構成にされると、遠位側可動体60の動作許容度(回動許容度)を遠位側可動体60の駆動が空気圧アクチュエーターによって行われる場合よりも高くすることが可能になり、手術時におけるより一層の安全性の向上を図ることができる。
また、手術具70の種類によっては体腔201の内部の撮影の機能のみを有するタイプも存在し、このような機能を有する手術具70が手術において使用される場合には鉗子等を有する手術具70と比較して厳密な位置精度を必要にしないこともある。
従って、撮影機能のみを有するタイプの手術具70が用いられる構成において、遠位側可動体60が回動動作に対する駆動源を有さない構成を適用することは特に好適である。
さらに、遠位側可動体60が回動動作に対する駆動源を有さない構成においては、遠位側可動体60がアクチュエーターの駆動力によっては回動されないため、手術時の可動体と患者200の体腔201との接触を感知し易く、手術支援装置1を力覚提示機能を確保する構造として構成し易くなり、手術の正確性の向上及び安全性の向上を図ることができる。
さらにまた、遠位側可動体60が回動動作に対する駆動源を有さない構成においては、アクチュエーターの数が少なくなるため、部品点数の削減及び構造の簡素化を図ることができる。
<自由度に関する変形例>
次いで、自由度に関する変形例について説明する(図8参照)。
上記には、手術支援装置1が6自由度を有する構成にされた例を示したが、手術支援装置1は、例えば、7自由度を有する構成にされていてもよい。手術支援装置1が7自由度の構成にされる場合には、例えば、第2の可動体9と第3の可動体14の間に第7の可動体24が設けられる。第7の可動体24は、例えば、中間連結部材13に代えて設けられていてもよい。
第7の可動体24は一端部が第2の可動体9の先端側連結部9bに回動可能に連結され、第7の可動体24が設けられることにより、第2の可動体9と第7の可動体24の間に連結部分30Gが形成される。第7の可動体24は、例えば、第7の可動体24と第2の可動体9の連結方向に延びる基準軸の軸回り方向へ第2の可動体9に対して回動される。従って、第7の可動体24が第2の可動体9に対して回動されることにより、手術支援装置1は動作方向における1自由度を有する。
第7の可動体24は他端部が第3の可動体14の基端側連結部14aに回動可能に連結される。第7の可動体24と第3の可動体14の間には連結部分30Cが形成される。第3の可動体14は、例えば、第7の可動体24と第3の可動体14の連結方向に直交する方向に延びる基準軸の軸回り方向へ第7の可動体24に対して回動される。
第7の可動体24には電動機により駆動力を発生する第4の電動アクチュエーター25が配置されている。第7の可動体24は第4の電動アクチュエーター25の駆動力によって第2の可動体9に対して回動される。このように第7の可動体24が第4の電動アクチュエーター25の駆動力によって回動されるため、第7の可動体24と第2の可動体9の連結部分30Gは第4の電動アクチュエーター25の保持力によって強固な状態で保持されて高い剛性を有している。第7の可動体24は第1の可動体7と第2の可動体9と第3の可動体14と同様に近位側可動体50とされる。尚、第4の電動アクチュエーター25は第2の可動体9に配置されていてもよい。
また、第7の可動体24は空気圧アクチュエーターの駆動力によって回動される構成にされていてもよい。この場合には第7の可動体24が近位側可動体50又は遠位側可動体60とされる。
上記のように複数の可動体が動作方向においてそれぞれ1自由度を有し、手術支援装置1が7自由度の構成にされることにより、各可動体に対してそれぞれ行われる動作制御が単純化されると共に手術具70の動作方向における自由度がより多くなるため、可動体に対する動作制御の簡素化を図った上で手術具70の一層の動作範囲の拡大及び手術具70の位置精度の向上を図ることができる。
特に、7自由度を有する構成は、本体4が複数設けられる手術支援装置1(図3参照)に適用されることが好適である。例えば、二つの本体4、4が設けられた手術支援装置1に7自由度の適用を行った場合には、手術具70、70における操作部74、74が略同じ位置及び同じ姿勢で保持された状態において、一方の第2の可動体9と一方の第3の可動体14の姿勢を他方の第2の可動体9と他方の第3の可動体14の姿勢に対して第7の可動体24、24の回動状態を変えることにより変更することが可能である。
従って、操作部74、74が略同じ位置及び同じ姿勢で保持された状態においても、一方の本体4と他方の本体4との干渉を容易に回避することが可能になり、安全性の向上及び手術における利便性の向上を図ることができる。
<その他>
上記した第1の可動体7と第2の可動体9と第3の可動体14と第4の可動体18と第5の可動体20と第6の可動体22と第7の可動体24の回動方向は、上記において示した方向に限られることはなく、手術具70が直交する3軸方向へ移動可能にされ任意の姿勢にされることが可能であれば、何れの方向にされていてもよい。
また、上記した第1の可動体7と第2の可動体9と第3の可動体14と第4の可動体18と第5の可動体20と第6の可動体22と第7の可動体24の構造はそれぞれ一例を示したものであり、第1の可動体7と第2の可動体9と第3の可動体14と第4の可動体18と第5の可動体20と第6の可動体22と第7の可動体24が回動可能な構成であれば任意の構造にすることが可能である。
さらに、上記には、6自由度又は7自由度を有する手術支援装置1を例として示したが、手術支援装置1は近位側可動体50によって少なくとも1自由度が確保され遠位側可動体60によって少なくとも1自由度が確保される構成であればよい。
1 手術支援装置
7 第1の可動体
8 第1の電動アクチュエーター
9 第2の可動体
12 第2の電動アクチュエーター
14 第3の可動体
17 第3の電動アクチュエーター
18 第4の可動体
19 第1の空気圧アクチュエーター
20 第5の可動体
21 第2の空気圧アクチュエーター
22 第6の可動体
22a 保持部
23 第3の空気圧アクチュエーター
50 近位側可動体
60 遠位側可動体
70 手術具
24 第7の可動体
25 第4の電動アクチュエーター
第3の可動体14には、例えば、リンク機構が設けられ、リンク機構は二組の平行なリンク部15、15、・・・とリンク部15、15、・・・を結合する結合ピン16、16、・・・とを有している。第3の可動体14は中間連結部材13側に位置された結合ピン16、16が中間連結部材13の他端部に回動可能な状態で連結されている。
第5の可動体20には第2の空気圧アクチュエーター21の駆動力が伝達され、第2の空気圧アクチュエーター21は空気等の気体の圧力の変化により駆動力を発生する。第5の可動体20は第2の空気圧アクチュエーター21の駆動力によって第4の可動体18に対して回動される。このように第5の可動体20が第2の空気圧アクチュエーター21の駆動力によって回動されるため、第5の可動体20と第4の可動体18の連結部分30Eは電動アクチュエーターより弱い保持力によって保持されて近位側可動体50、50、50の連結部分30A、30B、30C1、30C2より低い剛性にされている。

Claims (6)

  1. 順に動作可能に連結された複数の可動体と、
    少なくとも一つの前記可動体を動作させる駆動力を発生する少なくとも一つのアクチュエーターとを備え、
    前記複数の可動体のうち連結方向における一端に位置された前記可動体には手術具を保持する保持部が設けられ、
    連結方向において前記手術具側に位置され前記保持部を有する前記可動体を含む少なくとも一つの前記可動体が遠位側可動体として設けられ、
    連結方向において前記手術具から最も離隔して位置された前記可動体を含み前記遠位側可動体以外の前記可動体が近位側可動体として設けられ、
    前記アクチュエーターによる駆動力以外の外部からの力が付与されたときの前記可動体における動作の許容程度を動作許容度としたときに、
    前記遠位側可動体の前記動作許容度が前記近位側可動体の前記動作許容度より大きくされた
    手術支援装置。
  2. 前記複数の可動体が動作方向においてそれぞれ1自由度を有し、
    前記可動体が六つ設けられ6自由度の動作が可能にされた
    請求項1に記載の手術支援装置。
  3. 前記近位側可動体と前記遠位側可動体がそれぞれ三つずつ設けられた
    請求項2に記載の手術支援装置。
  4. 前記複数の可動体が動作方向においてそれぞれ1自由度を有し、
    前記可動体が七つ設けられ7自由度の動作が可能にされた
    請求項1に記載の手術支援装置。
  5. 前記アクチュエーターとして気体の圧力の変化により駆動力を発生する少なくとも一つの空気圧アクチュエーターと電動機により駆動力を発生する少なくとも一つの電動アクチュエーターとが設けられ、
    前記近位側可動体が前記電動アクチュエーターによって動作され、
    前記遠位側可動体が前記空気圧アクチュエーターによって動作される
    請求項1、請求項2、請求項3又は請求項4に記載の手術支援装置。
  6. 前記可動体のうち前記近位側可動体のみが前記アクチュエーターによって動作される
    請求項1、請求項2、請求項3又は請求項4に記載の手術支援装置。
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