JP2022539024A - 医療装置のための無菌バリアおよびセンサセット - Google Patents

Abstract

医療装置のための無菌バリアおよびセンサ構成が記載される。無菌バリアは、バッテリパックまたはセンサパックなどの内部構成要素を環境および患者から隔離する。

Description

［関連出願］
本出願は、２０１９年６月３０日に出願された米国仮特許出願第６２／８６８，９４０号からの優先権の利益を主張し、その内容は参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。

本発明は、無菌バリアおよびセンサセットを有する医療装置、ならびに装置構成要素およびユーザの動きを制御および追跡するための関連アルゴリズムに関する。

医療装置、特に外科用装置は、患者への感染または他の汚染の危険性を最小限にするために、使用中無菌のままでなければならない。

内部部品および機構を有する医療装置は、洗浄および滅菌が困難であり、特に、装置またはその内部構成要素（例えば、センサ、モータパック）が２つ以上の手順で使用される場合、健康上の危険をもたらす可能性がある。装置の外部部品を分解し、洗浄し、滅菌し、次いで装置を再び組み立てることなく、そのような装置の無菌性を維持することは困難である。さらに、センサおよびモータパックなどの内部構成要素は、繊細であり、しばしば、滅菌または繰り返し滅菌することができない。

医療装置の非滅菌部分と患者との間の接触を防止することができる、管状シースなどのバリアは、当技術分野で知られている。しかしながら、このようなバリアは、感染性粒子を患者に伝達してしまう内部構成要素および可動部品を適切に遮蔽しない。

したがって、内部構成要素および可動部品を保護し、内部構成要素または装置全体の再滅菌の必要性を排除する、無菌バリアを有する医療装置が必要とされている。

本発明の一態様によれば、モータパック、内部部品、センサ、電気回路、および／または制御インターフェースセンサの充填および固定を可能にする区画を有する医療装置が提供される。

本発明の別の態様によれば、収容された部品と無菌エンドエフェクタとの間に無菌バリアが提供され、無菌バリアは、内部部品からエンドエフェクタへの力およびモーメントの伝達を可能にしながら、無菌エンドエフェクタの汚染の可能性を低減する。

本発明の別の態様によれば、センサパックと装置およびユーザの部分との間を相関させながら、外科医が操作する制御インターフェースの動きを測定することができるセンサパックを有する医療装置が提供される。

別段の定義がない限り、本明細書で使用されるすべての技術用語および／または科学用語は、本発明が適用される当技術分野の通常の当業者が一般的に理解するのと同じ意味を有する。本明細書に記載されたものと類似または同等の方法および材料が、本発明の実施形態の実施または試験において使用され得るが、例示的な方法および／または材料が以下に記載されている。矛盾する場合は、定義を含む特許明細書が支配する。さらに、材料、方法、および例示は例示的なものに過ぎず、必ずしも限定的であることを意図していない。

本発明は、添付の図面を参照して、単なる例として本明細書に記載される。ここで図面を詳細に特に参照すると、示された詳細は例として、本発明の好ましい実施形態の例示的な議論の目的のためだけであり、本発明の原理および概念的態様の最も有用で容易に理解される説明であると考えられるものを提供するために提示されることが強調される。この点に関して、本発明の基本的な理解のために必要である以上に詳細に本発明の構造的詳細を示す試みはなされておらず、図面を用いてなされた説明は、本発明のいくつかの形態が実際にどのように具現化され得るかを当業者に明らかにする。

図１は、インターフェースおよびツールシャフトに接続されたモータユニットの実施形態を示す図である。 図２は、図１のモータユニットの構成要素を示す図である。 図３Ａは、本発明のモータユニットに接続可能な機器アダプタおよびギアボックスを示す図である。 図３Ｂは、本発明のモータユニットに接続可能な機器アダプタおよびギアボックスを示す図である。 図４Ａは、本発明のモータユニットのモータパック構成要素を示す図である。 図４Ｂは、本発明のモータユニットのモータパック構成要素を示す図である。 図５Ａは、本発明のモータユニットの無菌シェル構成要素を示す。 図５Ｂは、本発明のモータユニットの無菌シェル構成要素を示す。 図６Ａは、本発明のモータユニットのアッセンブリを示す図である。 図６Ｂは、本発明のモータユニットのアッセンブリを示す図である。 図６Ｃは、本発明のモータユニットのアッセンブリを示す図である。 図７Ａは、本発明のモータユニットのシェルのモータおよびギアボックスインターフェースを示す。 図７Ｂは、本発明のモータユニットのシェルのモータおよびギアボックスインターフェースを示す。 図７Ｃは、本発明のモータユニットのシェルのモータおよびギアボックスインターフェースを示す。 図７Ｄは、本発明のモータユニットのシェルのモータおよびギアボックスインターフェースを示す。 図８Ａは、機器アダプタおよびギアボックス構成要素のギアボックスにモータヘッドを相互接続する駆動系を示す図である。 図８Ｂは、機器アダプタおよびギアボックス構成要素のギアボックスにモータヘッドを相互接続する駆動系を示す図である。 図８Ｃは、機器アダプタおよびギアボックス構成要素のギアボックスにモータヘッドを相互接続する駆動系を示す図である。 図９Ａは、ユーザインターフェース（図９Ｂ）のハウジング内に配置されたセンサパックを示す医療装置（図９Ａ）のシェルに取り付けられたユーザインターフェースを示す図である。 図９Ｂは、ユーザインターフェース（図９Ｂ）のハウジング内に配置されたセンサパックを示す医療装置（図９Ａ）のシェルに取り付けられたユーザインターフェースを示す図である。 図１０Ａは、本発明のセンサパックの一実施形態を示す図である。 図１０Ｂは、本発明のセンサパックの一実施形態を示す図である。 図１１Ａは、ユーザインターフェースのハウジング内へのセンサパックの充填を示している。 図１１Ｂは、ユーザインターフェースのハウジング内へのセンサパックの充填を示す。 図１１Ｃは、ユーザインターフェースのハウジング内へのセンサパックの充填を示す。 図１１Ｄは、ユーザインターフェースのハウジング内へのセンサパックの充填を示す。 図１２Ａは、ユーザインターフェースのフィンガーインターフェース機構を示す。 図１２Ｂは、ユーザインターフェースのフィンガーインターフェース機構を示す。 図１２Ｃは、ユーザインターフェースのフィンガーインターフェース機構を示す。 図１３Ａは、センサパックを担持する手首ブレスレットを示す。 図１３Ｂは、センサパックを担持する手首ブレスレットを示す。 図１３Ｃは、センサパックを担持する手首ブレスレットを示す。 図１３Ｄは、センサパックを担持する手首ブレスレットを示す。 図１４は、装置およびユーザ内および上の可能なセンサ位置を示す図である。 図１５は、装置の制御インターフェースの主要構成要素、エンドエフェクタ、およびそれらの関連する角度を示す。 図１６は、装置の制御および追跡のためのいくつかの較正および設定機能を示すフローチャート図である。 図１７は、装置の制御および追跡のためのいくつかの較正および設定機能を示すフローチャート図である。 図１８は、装置の制御および追跡のためのいくつかの較正および設定機能を示すフローチャート図である。 図１９は、装置の制御および追跡のためのいくつかの較正および設定機能を示すフローチャート図である。 図２０は、装置の制御および追跡のためのいくつかの較正および設定機能を示すフローチャート図である。

本発明は、患者および環境から内部構成要素を隔離する無菌バリアを有する装置であり、したがって、滅菌なしにそのような内部構成要素の再使用を可能にする。

本発明の原理および動作は図面および添付の説明を参照することにより、より良く理解することができる。

本発明の少なくとも１つの実施形態を詳細に説明する前に、本発明は、その出願において、以下の説明に記載されるか、または実施例によって例示される詳細に限定されないことが理解されるべきである。本発明は他の実施形態が可能であり、または様々な方法で実施または実行されることが可能である。また、本明細書で使用される語法および用語は説明の目的のためのものであり、限定とみなされるべきではないことを理解されたい。

医療装置のための無菌バリアは当技術分野で周知であり、典型的には、患者と接触する装置または構成要素全体を覆うシース／カバーの形態をとる。

そのようなシースは、患者の汚染を防止するのにいくらか有効であるが、再使用されるか、または再使用可能な装置の一部である内部構成要素の汚染を防止するのにしばしば有効ではない。センサ、電気部品、およびモータパックなどの内部構成要素は繊細であり、いくつかの形態の滅菌によって損傷を受ける可能性があるため、これらの再使用可能な構成要素の滅菌は、典型的には消毒液による手動洗浄を介して実行され、これは、病原体および汚染物質を完全に根絶することに失敗する可能性がある、時間がかかり、骨の折れる作業である。

医療機器にはいくつかの感染経路が存在する。
（ｉ）モータパック（または別の内部構成要素）は、体腔内の圧力がモータパック内の圧力未満である場合に、汚染物質をエンドエフェクタに移動させ得る。
（ｉｉ）エンドエフェクタは、体腔内の圧力がモータパック内の圧力よりも大きい場合に、血液などの汚染物質をモータパック（または別の内部構成要素）に移動させ得る。
（ｉｉｉ）（ｉ）と（ｉｉ）のサイクルは、体腔と外部大気との間の圧力差が交互する場合である。

無菌バリアは、内部構成要素または装置全体を滅菌する必要性を排除することができる。本発明の実施形態は、患者（エンドエフェクタ）と接触する装置構成要素から隔離され、病原体および汚染物質を患者に伝達せずに滅菌する必要がない、センサおよびモータパックを有する外科用装置に関する。

本発明を実施に移す一方で、本発明者らは、患者から、および患者と接触する装置の構成要素から、容易に直列化できない内部構成要素を隔離するために、医療装置において使用され得る、いくつかの無菌バリア構成を考案した。

以下に記載するように、これらのバリアは、モータパックおよびバッテリ、ならびにセンサパックを環境から、ならびに病原体および汚染物質による潜在的な汚染から隔離するために使用することができる。このように、これらのバリアは、使用の間の滅菌を必要とせずに、内部構成要素の再使用を可能にする。

本明細書では、いくつかのバリア構成が考えられる。このような構成は、モータおよびセンサパックおよびバッテリのような内部構成要素を有する任意の医療装置に使用することができる。使用および装置の種類に応じて、医療装置は、これらのバリアのうちの１つ以上を組み込むことができる。

以下は、エンドエフェクタを有する操縦可能なシャフトに接続されたユーザインターフェースを有する外科用装置（腹腔鏡）との関連で、本発明の無菌バリアを記載する。本発明の無菌バリアはまた、内視鏡、腹腔鏡またはカテーテルなどの医療装置とともに使用され得ることが理解される。

モータパック
いくつかのプロトタイプを実験しながら、本発明者は、直列的に係合するモータパックが装置本体の長さを大幅に増加させることを発見した。加えて、電子パックとモータとの間の直列係合もまた、装置本体の長さを増加させた。これらの問題を解決するために、本発明者は、本発明のモータパックを、機器ギアボックスをモータで囲むように配置し、電子ボードおよびバッテリをギアボックスの周囲に配置し（ギアボックスはモータパック内に配置される）、これにより装置本体および装置の全長を実質的に減少させる。

図１～図９Ｂは、本明細書で総称してモータユニット１０と呼ばれるモータパックおよび関連する構成要素を示す。モータユニット１０は、ユーザインターフェース５２と、シャフト５４の遠位端５８に位置決めされたエンドエフェクタ５６（図示の把持器５６）を有するシャフト５４とを含む装置５０（図示の腹腔鏡５０）に一体化することができる。シャフト５４は、剛性または操縦可能であることができる。操縦可能なシャフトの例は、米国特許出願公開第２０１５０３６６５７２号明細書に記載されており、これは参照により本明細書に完全に組み込まれる。

モータユニット１０は、外部から滅菌され（かつ再滅菌されてもよい）、モータパック１１を収容するように寸法決めされた取り外し可能なシェル１２を含む。シェル１２は、シェル本体１４とフロントカバー１６とを含む。シェル１２は、ＰＰＳＵまたはＰＥＥＫまたはＰＳＵ＋シリコーン（再使用可能）から製造され、典型的には長さ８０～１４０ｍｍ、幅５０～１００ｍｍ、高さ５０～１００ｍｍである。シェル１２は、モータパック１１を環境から隔離し、したがって、シェル１２の壁を越えて汚染物質または病原体が移動するのを防止する。

図２は、モータパック１１およびシェル１２の配置を示す。モータパック１１はシェル本体１４の内側に位置決めされ、フロントカバー１６はモータパック１１を貫通して位置決めされた円筒状部品１８とともにシェル本体１４に取り付けられる。図６Ａ～Ｃは、モータユニット１０のアセンブリを示す。

（シャフト５４に取り付けられた）機器アダプタおよびギアボックス２０は、フロントカバー１６の円筒状構成要素１８内に取り付け可能であり、（本明細書で説明する）シェル１２に設けられたアダプタを介してモータパック１１とインターフェースする。機器アダプタおよびギアボックス２０は、使用されるツールシャフトに固有であり、異なる種類のツール間で変化するが、任意のモータユニット１０に接続可能である。

図３Ａ～Ｂは、機器アダプタおよびギアボックス２０をより詳細に示す。図３Ａは、無菌アダプタ２２およびオプションのエンドエフェクタエネルギコネクタ２４（図示の単極型コネクタ）を示す、機器アダプタおよびギアボックス２０のシェルインターフェース端部を図示する。挿入ガイド２５は、機器アダプタおよびギアボックス２０をモータパック１１と整列させるために設けられている。図３Ｂは、機器アダプタおよびギアボックス２０をシェル１２およびオプションのエンドエフェクタエネルギコネクタ２８に接続する際に、ユーザが把持することができるフィンガーホールド２６を示す機器アダプタおよびギアボックス２０のシャフト側を図示する。

図４Ａ～Ｂは、カバー３０および内部構成要素を含むモータパック１１を示す。モータパック１１は、１つ以上のモータ３２と、関連するギア３４（４つが示されている）とを含む。ギア３４は、シェル１２内のアダプタとインターフェースする、突出しているモータヘッド３６で終端する（以下でさらに説明する）。モータヘッド３６（図４Ａに最も良く示されている）は、結合のためにアダプタに押し込まれる。

モータパック１１は、フロントカバー１６の（円筒状の）構成要素１８を受け入れる開口３８を含む。スロット４０は機器をシェル内に案内し、それをロックするために設けられる。少なくともＩＭＵチップ３３は、電気回路基板３１上に設置される。

図５Ａ～Ｂは、シェル１２をより詳細に示す。シェル１２の背面（ユーザに面する）は、外科医がユーザインターフェースハンドル５２を最良の人間工学的角度まで移動させることができるインターフェースレール４２と、シェルを介して押し力をモータパックに位置するセンサに伝達する機械的プッシュロッド７５を収容する幾つかの機械的プッシュボタンおよびチャネル７１とを含む。（センサは、容量的、光学的、または機械的であってもよい。）プッシュロッド７５の（図７Ｂにも示されている）ヘッドボタン７０を押すことによって、外科医は、ジョーの回転速度、ジョーの回転角、制御モードなどのモードを選択することができる。ポート７３は、モータユニット電源コードのような外部の異なるタイプのコード、またはエネルギコード（モノポーラ、バイポーラ）を、シェル１２を介してモータパック１１に接続するために使用してもよい。シェル１２は、シェル壁１３と、モータパック１１を受け入れるための開口１５とを含む。

図７Ａ～Ｄは、シェル１２内のギアボックス２０のモータパック１１および機器アダプタのインターフェースを示す。プッシュボタン７０は、ロッド７５を押し込むことによって、モータユニット１１内に配置されたセンサ８３を作動させる。ポート７３の内部開口７７はシール７９（例えば、Ｏリング）を含み、これは、モータユニットを無菌環境から絶縁したままで、外部コードをモータユニット１１に接続することを可能にする。例えば、外部電源コードは、開口７３を介してモータユニット１１内に配置された電源コネクタ８１に接続されることになり、一方、シール７９は、電源コードの他の外部部分が電源コード遠位プラグによって汚染されないことを保証する。モータヘッドアダプタ７６は、モータヘッド３６の回転を伝達し、モータモーメントをギアトレイン先端ヘッド７２に伝達するトレインを駆動する。遠位ヘッド７２は、機器のギアボックス２０のアダプタ２２と係合し、機器エンドエフェクタジョーおよび関節の制御を可能にする。

シェルとモータパックが完全に係合されると、機械的モードスイッチのヘッドは、それらが作動するセンサ８３の近くに配置される。外科医がモードボタンのヘッド７０の１つを押すと、プッシュロッド７５の遠位ヘッドがモータパックに向かって動き、指定されたモードセンサを起動し、所望のモードが選択される。

図８Ａ～Ｃは、モータヘッドアダプタ７６と機器ヘッドアダプタ７２との間を相互接続するための複数のギアを含む駆動トレイン７４を示す。駆動トレインは、シェルの一体部分であってもよいし、シェルに接続された別個のモジュールであってもよい。駆動トレインは、モータパックから外科用機器にモータの回転を伝達する。ギア駆動トレインにより、製造業者は、モータパックを変更する必要なしに、ギア駆動トレインを変更するだけで、装置を現在のまたは将来の機器の様々なものに適合させることができる。例えば、ステープラー、クリップアプライヤーまたは血管シーラーのような動力ツールの場合、電力機器アダプタに伝達されるモーメントを増大させるために、ギアの直径を変えることができる。ニードルホルダー、フックまたは把持器のような他の機器では、迅速な動作が必要とされる場合、製造業者は機器により迅速な回転を伝達するギアトレインを選択し得る。より少ない自由度を有するいくつかの動力ツールはより少ない電動入力を必要とすることがあり、この場合、２つ以上のモータを単一の出力に組み合わせたギアトレイン設計を使用することができる。また、機器ギアボックスの異なる幾何学的形状に適合させるために、ギアトレインの幾何学的構成を変更することもできる。

図８Ａ～Ｂは、モータパックのシェルとその内側の構成要素を示している。モータからの動力をシェル内のギアトレインに伝達する４つの入力アダプタ７６は、シェルのコーナーに配置されている。ギアトレインはＴ形成に配置された出力ヘッドにモータを移動させ、３つの機器ヘッド７２を水平線に、１つの機器ヘッドを中央モータヘッドの下に配置する。

図８Ｂは、シェルおよびギアトレインの上面図である。各ギアトレインは、以下のようにラベル付けされる。
Ｊギアトレインは、モータパックからの動力をジョー機構に伝え、ジョーの開閉動作を可能にする。
Ｒギアトレインは、モータパックからの動力をジョー機構に伝え、ジョーのロール動作を可能にする。
Ａ１ギアトレインは、モータパックからの動力をアーティキュレーションに伝達し、シャフトのアップ／ダウンアーティキュレーションを可能にする。
Ａ２ギアトレインは、モータパックからの電源をアーティキュレーションに伝達し、シャフトの右／左のアーティキュレーションを実行する。

センサパック
機器機能を制御するために、本発明は、外科医の手にフィットするように成形された制御インターフェースを描写し、外科医がエンドエフェクタを患者の体内に同時に位置決めし、関節の曲げを制御するために制御インターフェースを配向し、ジョーを操作することを可能にする。制御インターフェースは３つの主要構成要素、すなわち、フィンガーインターフェースを含む制御インターフェース本体、背部インターフェース５９、およびセンサカプセルに対する容器として機能するハンドルを有する。

このインターフェース設計は、制御インターフェース本体の再滅菌を可能にする一方で、センサカプセルに含まれる繊細な電気構成要素を滅菌する必要性を排除する。また、この設計は、制御インターフェース本体に何らかの変更を加える必要なしに、センサカプセルに含まれる電気回路およびセンサの将来のアップグレードを可能にする。さらに、ハンドルは、センサカプセルを交換する必要なしに交換することができる。

センサカプセル内の電気回路と制御インターフェース本体との間の完全な絶縁を確保するために、センサカプセルは密封され、センサはそれらの測定リファレンスから絶縁される。

例えば、回転測定リファレンスとして機能する磁石を備えたホール効果センサ（メレキシスなど）が制御インターフェース本体内に埋め込まれ、（図１０Ｂに示される）ホール効果センサ１２０、１３０が密封されたセンサカプセル内に配置される。磁石とセンサの間には直接の接触はないが、ホール効果センサは、センサと磁石の間の角度位置を正確に測定することができる。絶縁コンセプトは回転ポテンショメータに対しても有効であり、そこでは、センサ電気回路を制御インターフェース本体に露出させることなく、静止リファレンスベースをポテンショメータ回転子に結合することができる。

図９Ａ～１１Ｄは、本明細書ではセンサパック１００と称される本発明のセンサパックの一実施形態を示す。

センサパック１００は、装置５０のユーザインターフェース５２（本明細書ではコントローラまたは制御インターフェースとも呼ばれる）のハウジング５３内に配置される。図１１Ａ～図１１Ｄに示すように、センサパック１００は、ヒンジ付きカバー５５を開き、センサパック１００をハウジング５３内の凹部５７内にスライドさせることによって、ハウジング５３内に装填される。センサパックは、モータパック内に配置された類似のセンサによって測定される、モータパックの配向に対する制御インターフェースの配向を連続的に感知し得るセンサを含む。

上述したように、センサパック１００はまた、指（フィンガー）の動きを感知し得るセンサ１２０、１３０を含んでもよい。フィンガーインターフェースは、指（フィンガー）の動きを、センサパックのところのセンサ１２０、１３０の近くに位置するセンサリファレンスとして機能するマグネットに転送する。センサパックに位置するセンサは、図１２Ａ～Ｃに示されるように、センサリファレンス回転または移動を測定する。

センサパック１００は、機器エンドエフェクタを制御するために、センサによって得られたデータをモータパックに送信するために、独立したエネルギー源と、有線または無線の接続性（例えば、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標））とを含むことができる。センサパック１００はまた、メモリ回路を含んでもよい。

センサパック１００は、図１０Ａ～Ｂに示されている。センサパック１００は、ポリカーボネート、ＡＢＳなどの材料で作られたカプセル１１０内に密封される。センサパックは、２つのメレキシスセンサを含むことができる。第１のメレキシスセンサ１２０は、フィンガーパッドレバー間の角度を測定する。この測定は、エンドエフェクタのジョー間の角度を制御する。第２のメキシスセンサー１３０は、フィンガーパッドレバーの回転を測定する。この測定は、エンドエフェクタジョーの回転を制御する。センサパック１００は、少なくとも１つのＩＭＵ（慣性測定ユニット）センサ１４０を含むことができる。以下の実施例のセクションでは、センサ機能をより詳細に説明する。

凹部５７内に配置され、カバー５５が閉じられると、センサパック１００は、ハウジング内に密封され、環境および患者から隔離される。

センサパック１００が装置５０に機能的に結合されると、外科医は、対話ボタンを押すことにより、センサカプセルをスリープモードから「復帰（ｗａｋｅｓ）」させる。センサパック１００は、信号をモータパックに送信し、モータパックをスリープモードから「目覚め（ａｗａｋｅｓ）」させ、装置を使用する準備が整う。

装置を使用するために、外科医は、トロカールを通して患者の体内に機器を挿入し、機器を配置し、必要に応じてジョーおよび関節を作動させる。本明細書に記載されるように、フィンガーインターフェースは、ロールおよびジョーの開／閉動作を制御し、一方、制御インターフェースの動きは、関節の偏向および配向を制御する。

センサパック内およびモータパック内に配置されたセンサからの信号の測定は、異なる制御モードにプログラムすることができる制御プロセッサによってサンプリングされる。制御モードは、対話ボタン５６を押すシーケンスによって外科医によって選択される。選択されたモードは、処置の異なる段階において、外科医の変化するニーズを反映する。

例えば、外科医はノット（knots）を予備形成するために関節を任意の方向に偏向させることを好む場合があり、一方、別の外科的段階では、関節をシャフトに対して特定の向きに固定すること、または縫合糸を予備形成するために空間内で固定された配向に関節を維持することを好む場合がある。

外科医が人間工学的に不快である場合、関節は、外科医が制御インターフェースをより好ましい位置に配向することを可能にする所望の配向でフリーズさせることができる。次いで、関節を再び可能に制御するために、関節をフリーズ解除することができる。

以下の「例」セクションでは、インターフェースおよび関連するセンサの操作について説明する。

外科医が制御インターフェース本体を保持し、それを方向付ける間、指（フィンガー）は、フィンガーインターフェース９０の遠位端に位置するフィンガーパッド５２と接触する。外科医の指（フィンガー）の動きを測定するために、フィンガーインターフェース９０は、同時に操作され得る２つの機構、すなわち、フィンガーロール機構およびフィンガー開閉機構を含む。

フィンガーロールおよび開閉インターフェース機構は、図１２Ａに示される制御インターフェース本体に配置される。

図１２Ｂは、フィンガーロール機構を詳細に示す。外科医がフィンガーパッド５２を回転させると、可撓性シャフト２０２がそれと共に回転する。ハンドル内に位置するギア２０４は、シャフト２０２の端部に取り付けられている。ギア２０４は、シャフト２０７の２つの端部に連結されているギア２０６およびギア２０８を回転させる。ギア２０８は、シャフト２１２を回転させるギア２１０を回転させる。磁石２１６は、シャフト２１２の端部に埋め込まれ、密封されたセンサカプセル内に位置するホール効果センサ１３０の前方に位置決めされる。外科医が指（フィンガー）を回転させると、回転運動は上述のギアトレインによって伝達され、センサパック１００内に配置されたセンサによってサンプリングされる。

図１２Ｃは、フィンガー開閉インターフェース機構を詳細に示す。外科医は、フィンガーパッド５２間の角度を制御することによって、ジョーの開閉動作および角度を制御する。外科医がパッド５２を押圧すると、可撓性回転シャフト２０２内に位置するフィンガーの開閉シャフト２２０の端部は直線的に移動し、外科医がパッド５２を閉じると、シャフト２２０が前方に移動し、指（フィンガー）を解除すると、シャフト２２０が後方に移動する。連結トレイン２２２、２２４、２２６および２２８は、シャフト２２０の直線運動を磁石ハウス２３０の回転に変換する。磁石は、センサパック１００内に設置された別のホール効果センサ１２０からの検知距離に配置される。ホール効果センサ１２０は磁石の回転をサンプリングし、センサの読み取り値は、装置コントローラの入力として機能する。

図１３Ａ～Ｄは、ＩＭＵブレスレット装置を詳細に示す。図１３Ｄは、外科医の手首に装着されたＩＭＵブレスレット装置を示す。ＩＭＵブレスレット装置は、以下に詳細に記載されるように、装置エンドエフェクタ関節を制御および配向するために使用されるリファレンス測定としての役割を果たし得る。

ＩＭＵブレスレット装置３００は、ゴムまたは任意の他の可撓性ポリマーから製造されたストリップ３１０を含む。ストリップは、図１３Ａに示されるように、ＩＭＵ装置ハウジング３２０に接続される。ＩＭＵ装置ハウジング３２０は、図１３Ｂに示されるように、ＩＭＵ装置カプセル３３０を含む。

図１３Ｃは、ＩＭＵ装置ハウジング３３０の構造を詳細に示す。ＩＭＵ装置は、ＩＭＵチップ３３２および無線通信チップ３３８を有するＰＣＢ３３４を含む。オン／オフプッシュボタン３３６は、装置のスイッチを入れ、装置と装置内の制御回路との間の通信を開始し、ＩＭＵチップの配向の測定を開始するために使用される。ＩＭＵ３３２の測定値は、以下に記載されるように、エンドエフェクタ関節の配向を制御するために使用されてもよい。ＩＭＵカプセル装置３３０は、密封されたカプセル内の回路と共にパックされた再充電可能バッテリ３３９を含む。

図１４は、種々のＩＭＵ装置、手首ＩＭＵ３３２、ハンドルＩＭＵ１４０（センサパック１００内に位置する）、および外科用装置の一部（例えば、モータパック電気基板）に位置する装置ＩＭＵ３３のための可能な位置を示す。

ＩＭＵ装置からの信号は、手術装置の主制御回路によって同時に収集することができる。主制御回路は、関節を駆動するモータのための制御コマンドを計算するために、単一のＩＭＵ装置またはＩＭＵ装置の組み合わせを使用することができる。

本明細書で使用される「約」という用語は±１０％を指す。

本発明のさらなる目的、利点、および新規な特徴は限定することを意図しない以下の実施例を検討することにより、当業者に明らかになるのであろう。

例
ここで、以下の実施例を参照するが、これは上記の説明と共に、本発明を非限定的な様式で例示する。

インターフェースおよびセンサ
次に、入力として得られるセンサおよび関連するアルゴリズム、装置部分（インターフェース、装置本体、シャフト、先端、エンドエフェクタ）およびユーザハンドの動き、および、関節部材の出力、制御コマンドとしての計算について説明する。センサセットは、ハンドル内に配置された３つのＩＭＵセンサ、および／または手首ブレスレットおよび／または装置本体（例えば、モータユニットハウジングおよびシャフト）と、装置本体に対するハンドルの角度を測定するために、および／またはユーザの手首に対するハンドルの配向を測定するために配置することができる２対の相対センサ（ポテンショメータなど）とを含むことができる。

上述のセンサセットは、数を減らすことができ、なおも同様の機能を提供する。例えば、センサセットは、ハンドルの３つのＩＭＵセンサ、手首ブレスレット、および装置（相対センサなし）、ハンドルの２つのＩＭＵセンサおよび装置（相対センサなし）、ハンドルの２つのＩＭＵセンサおよび手首ブレスレット（相対センサなし）、ハンドルの１つのＩＭＵセンサおよびハンドルと装置本体の間の相対センサ、または装置本体の１つのＩＭＵセンサおよびハンドルと装置本体の間の相対センサに縮小することができる。

センサの位置と測定値
図１４は、可能なセンサ位置を概略的に示す。図１５は、ここで参照される部分および角度を詳細に示す。

センサセットでは、以下の測定を行うことができる。
（ｉ）ハンドルと装置との間の相対的な測定は、相対センサを使用して、またはハンドルと装置のＩＭＵセンサ３３との間の差を計算することによって達成することができる。
（ｉｉ）ハンドルとユーザアーム（手首角度）との間の相対的な測定は、相対センサを使用して、またはハンドルと手首装着可能なＩＭＵ３３２装置センサとの間の差を計算することによって達成することができる。
（ｉｉｉ）装置とユーザアームとの間の相対的な測定は、チェーン内の相対センサを用いて、または装置ＩＭＵ３３と手首装着可能なＩＭＵ３３２装置センサとの間の差を計算することによって達成することができる。
（ｉｖ）ハンドル、装置またはアーム配向の絶対測定は、ＩＭＵセンサ３３、１４０、３３２を使用して達成することができる。
（ｖ）いくつかまたはすべてのＩＭＵ装置センサの組み合わせ。

ハンドル－関節人間工学的設定モード
ハンドル－関節設定モードは、装置を使用している間に、より良好な人間工学を達成するために、外科医によって使用され得る。腹腔鏡処置においてトロカールを使用する場合、トロカールの位置は、外科医の手と外科用装置およびシャフトとの間に非人間工学的な位置を課し得る。ＩＭＵ装置は、最適な人間工学的作業環境を達成するために、外科医が装置本体に対してハンドルを再配置することを可能にする。

外科医がより良好な人間工学的位置を達成するために、制御インターフェースハンドルを再配置することを望む場合、外科医は（図９Ｂに示される）対話ボタン５６を押し、装置制御回路は、関節をその現在の曲げ位置にロックする。ユーザが対話ボタンを押し続ける場合、ユーザは関節曲げ位置が変化しない間に、ハンドルを所望の人間工学的位置に移動させることができる。外科医が対話ボタンを解放すると、ハンドルの配向が関節の現在の曲げ位置のための新しい制御位置になり、新しいゼロ位置および制御インターフェース座標系の配向が再計算される。本質的に、外科医は処置中にいつでもこのシーケンスを繰り返し、ハンドルの座標系を自分の人間工学的ニーズに合わせて構成することができる。制御回路に埋め込まれたアルゴリズムは、センサの入力を所望の関節曲げに変換する。

上述した設定は、以下のようにセンサレベルで実施することができる。
ハンドルと装置の間の相対的なヨー角、ピッチ角、ロール角を

と設定する。ユーザは、シャフトを所望のハンドル装置配向に位置決めすることによって、相対角度

で新しい座標系を設定する。変換マトリックスは次のように設定される。

ハンドルと装置との間の相対角度がシフトされる。

関節曲げに対する変換された出力が計算される。

図１６は、このプロセスを説明するフローチャート図である。

関節安定化モード
次に、関節曲げが制御インターフェースの空間角度と装置の空間角度との間の差によって計算される制御モードを参照する。
θ_{Ｃｏｎｔｒｏｌ}＝θ_{ｄｅｖｉｃｅ}－θ_ｃｉ
θ_{Ｃｏｎｔｒｏｌ}には、外科医が装置を動作させている間に、装置の配向と位置が変更されたために生じる不明なθ_{ｐａｒａｓｉｔｉｃ}が含まれる。安定化機能は、寄生角（θ_{ｐａｒａｓｉｔｉｃ}）を測定し、θ_{Ｃｏｎｔｒｏｌ}からθ_{ｐａｒａｓｉｔｉｃ}を引いてこの寄生移動を相殺する。

このような設定は、以下のようにセンサレベルで実装することができる。
外科医が最初に装置で作業を開始すると、ハンドルの絶対ヨー、ピッチおよびロール

が初期化され、真っ直ぐな関節

に対応するように設定される。
関節の曲げは、ハンドルのシフトした配向によって制御される。

ユーザは、任意の時点で初期化

できる。

図１７は、このプロセスを説明するフローチャート図である。

代替的に、単一のＩＭＵセンサを使用する実施形態では、ユーザが最初に装置で作業を開始すると、装置の絶対ヨー、ピッチ、およびロール

が初期化

される。

ハンドルと装置との間の相対的なヨー角、ピッチ角およびロール角は、

をとる。関節の曲げは、ハンドルのシフトした配向によって制御される。

ユーザは、任意の時点で初期化

できる。

図１８は、このプロセスを説明するフローチャート図である。

ロック配向モードの実施
ロック配向モードは、ユーザが（慣性座標系に対して）先端の絶対配向を維持することを可能にする。装置の配向を変えるときに先端の絶対配向を維持する能力は、例えば、外科医が縫合線に沿って多数の縫合糸を予備成形するときに有用である。

このような設定は、以下のようにセンサレベルで実装することができる。
ユーザがロック配向モードに入ると、装置の絶対ヨー、ピッチおよびロール

が初期化

される。また、装置に対する先端の相対角度

が初期化

される。関節の曲げ動作は装置の動きを補い、先端を同じ絶対配向に保つ。

ロック配向モードの間、ハンドル配向はジョーを制御する機能を維持しながら、関節の曲げを制御しない。ユーザがモードを出ると、上述の「ハンドル－関節人間工学的設定モード」と同様のクラッチ機能は、（選択された制御機能に応じて）その点から作業を継続するために、アーム配向、現在の関節と装置、ハンドルおよびアームの配向との間を相関させることができる。

図１９は、この機能のフローチャートである。

手首制御モードの実施
「手首制御モード」は、ユーザの腕と制御インターフェースハンドルとの間の相対角度を測定することによって、ハンドルと装置との間の相対運動によって引き起こされる寄生運動を回避することを目的とする。この制御モードは、ユーザが先端を直接制御するように手首角度を想定することによって、先端の配向をより本能的に制御することを可能にする。

このような設定は、以下のようにセンサレベルで実装することができる。ユーザが最初に手首制御モードで装置を操作し始めると、ハンドルおよびアームの相対的なヨーおよびピッチ

が初期化され、真っ直ぐな関節の配向

に対応するように設定される。関節の曲げの動きは、ハンドルの配向をシフトさせて制御する。

ユーザは任意の時点で初期化

できる。

図２０は、この機能のフローチャートである。

明確にするために、別個の実施形態の文脈で説明される本発明の特定の特徴は、単一の実施形態において組み合わせて提供されてもよいことが理解される。逆に、簡潔にするために、単一の実施形態の文脈で説明される本発明の様々な特徴は、別々にまたは任意の適切なサブコンビネーションで提供されてもよい。

本発明をその特定の実施形態に関連して説明してきたが、多くの代替、修正、および変形が当業者には明確であろうことは明らかである。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲の精神および広い範囲内にある、そのような代替、修正、および変形のすべてを包含することが意図される。本明細書において言及される全ての刊行物、特許および特許出願は、あたかも各個々の刊行物、特許または特許出願が参照により本明細書に組み込まれることを具体的かつ個別に示されたかのように、その全体が本明細書に参照により組み込まれる。さらに、本出願における任意の参考文献の引用または同定は、そのような参考文献が本発明の先行技術として利用可能であることを容認するものとして解釈されるべきではない。さらに、本出願の任意の優先権文書は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。

Claims (8)

1. ハウジングの近位端に取り付けられた外科医インターフェースを備える外科用ツールのためのコントローラであって、前記ハウジングはその遠位端において外科用ツールシャフトに取り付け可能であり、前記ハウジングは取り外し可能なセンサパックを格納するための密封可能な区画を含み、前記センサパックは、前記ハウジングの空間的配向を決定するためのものである、コントローラ。
2. 前記ハウジングに固定され、前記センサパックの配向信号を較正するためのセンサアレイをさらに備える、請求項１に記載のコントローラ。
3. センサパックの空間的配向を決定するための複数のセンサと、前記複数のセンサを密封するためのカプセルとを備える外科用装置のためのセンサパックであって、前記カプセルは、前記外科用装置のユーザインターフェースのハウジング内に位置決め可能である、センサパック。
4. 外科用装置のモータパックの駆動シャフトに係合可能な第１のインターフェースと、外科用ツールの駆動シャフトに係合可能な第２のインターフェースとを備える外科用装置のための無菌バリアエンクロージャであって、前記第１のインターフェースは前記第２のインターフェースから隔離される、無菌バリアエンクロージャ。
5. 前記第１のインターフェースおよび前記第２のインターフェースは、１つ以上のロッドまたはギアを介して前記エンクロージャ内で係合可能である、請求項４に記載の無菌バリアエンクロージャ。
6. 前記無菌バリアエンクロージャは、モータパックおよび／または外科用ツールの様々な駆動構成とインターフェースすることができる、請求項５に記載の無菌バリアエンクロージャ。
7. 複数の第１のインターフェースを備え、前記複数の第１のインターフェースの各第１のインターフェースは、特定のモータパックの前記駆動シャフトと係合することができる、請求項６に記載の無菌バリアエンクロージャ。
8. 各特定のモータパックは、前記駆動シャフトの位置または係合インターフェースタイプによって区別可能である、請求項７に記載の無菌バリアエンクロージャ。

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