JP3792587B2 - Surgical manipulator - Google Patents

Surgical manipulator Download PDF

Info

Publication number
JP3792587B2
JP3792587B2 JP2002068030A JP2002068030A JP3792587B2 JP 3792587 B2 JP3792587 B2 JP 3792587B2 JP 2002068030 A JP2002068030 A JP 2002068030A JP 2002068030 A JP2002068030 A JP 2002068030A JP 3792587 B2 JP3792587 B2 JP 3792587B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
arm
axis direction
mri
intermediate support
unit
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
JP2002068030A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2003265499A (en
Inventor
不二夫 田島
幸司 西澤
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hitachi Ltd filed Critical Hitachi Ltd
Priority to JP2002068030A priority Critical patent/JP3792587B2/en
Publication of JP2003265499A publication Critical patent/JP2003265499A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP3792587B2 publication Critical patent/JP3792587B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Manipulator (AREA)
  • Magnetic Resonance Imaging Apparatus (AREA)

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、手術用マニピュレータに係わり、特にMRI(magnetic resonance imager:核磁気共鳴計測装置)環境に対応する手術用マニピュレータに好適なものである。
【0002】
【従来の技術】
従来のMRI環境に対応する手術用マニピュレータとしては、特開2000−254876号公報に記載されているように、マニピュレータの作業環境における空間占有率が低く、マニピュレータのエンドエフェクタに遠隔から駆動力を伝達することができ、マニピュレータの滅菌や医療機器へのノイズを低減することができ、また手術用マニピュレータをMRI環境下でも使用可能にすることができるようにするために、アーム機構とエンドエフェクタを有するマニピュレータであって、前記アーム機構とエンドエフェクタの間に前記マニピュレータに伝達する位置姿勢伝達機構を有し、前記位置姿勢伝達機構はリンク機構に固定した第1のリンクとエンドエフェクタに固定する第2のリンクとを6自由度の位置姿勢伝達が可能なリンク機構で連結し、てこ−パラレルリンク式位置姿勢伝達機構としたものがある。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述した従来技術におけるパラレルリンク機構は作業座標における位置・姿勢の可動範囲が狭いという課題があった。換言すれば、MRIの内部などの限定された狭隘空間で手術用マニピュレータによる作業を実現しようとした場合、安全性と作業性はトレードオフの関係にあるが、手術手技の中には吻合・縫合といった複雑かつ局所的に大きな姿勢変化を要するものがあり、そういった手術操作を上述した従来技術の機構で対応することが難しいという課題があった。
【0004】
さらにMRIの磁場や電磁波との干渉が極めて少なく、安全に動作する手術用マニピュレータを実現するためには、少なくとも内部へ入り込み撮像領域にまで至る部分の材質は非磁性かつ絶縁体が望ましい。このため、上述した従来技術には述べられていないが、MRIの内部に入り込むリンク部材の材質を例えばエンジニアリングプラスチックやエンジニアリングセラミックなどにすることが考えられるが、強度・剛性が不足してリンク部材が途中で撓むあるいは動作中に大きな振幅で振動するといったことが起こる可能性があり、先端の位置姿勢を正確に制御することが難しいという課題が生ずる。
【0005】
また、スタッフおよび他の器具・装置類の衝突や、地震などの不慮の災害によって手術用マニピュレータの土台部分が動く場合、単にリンク部材を長尺にした構造の手術用マニピュレータでは大きな範囲で動いてしまうおそれがあるという課題がある。
【0006】
また、様々な対象・症例・手技において必要かつ充分な可動範囲はそれぞれ異なるものであるが、従来の一般的な手術用マニピュレータでは、これを制御的に限定するのみで、機構的な動作制限を行なうようにしていないため、動作範囲外への運動を本質的に阻止することが難しいという課題があった。例えば小さな範囲での動作で充分な作業においては、手術用マニピュレータが不必要に大きな動きをする危険性が存在し、逆に小さな範囲でのみ動作するように機構を構成してしまうと、別のより大きな動作範囲を必要とする作業には適用できなかった。そのため、安全性を確保しつつ様々な対象・症例・手技に対して同一の手術用マニピュレータを用いることが難しかった。
【0007】
本発明の目的は、MRI内部における作業性と安全性を両立できる手術用マニピュレータを提供することにある。
【0008】
本発明のその他の目的と有利点は以下の記述から明らかにされる。
【0009】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するための本発明の手術用マニピュレータは、MRIの外部から撮像領域へ延在するように設けられるアーム部と、前記アーム部のMRI撮像領域側先端部に配置されて姿勢を制御する姿勢制御機構部と、前記アーム部のMRI外部側に配置されると共に伝達機構を介して前記姿勢制御機構部を駆動する姿勢制御機構駆動部と、前記アーム部のMRI外部側に配置されると共に前記アーム部のMRI外部側の位置を制御駆動する位置制御駆動機構部と、前記アーム部と前記位置制御駆動機構部とを結合する駆動結合部と、前記アーム部の支点として前記アーム部の中間部を支持する中間支持部と、前記中間支持部を外部に固定するための中間支持固定部材とを備え、前記中間支持部はMRI空間内に位置される前記アーム部の中間部を支持し、前記中間支持部と前記中間支持固定部材との固定位置は前記アーム部の長手方向の複数箇所で可変可能としたことにある。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施例を図に基づいて説明する。
【0011】
本実施例の手術用マニピュレータの全体構成を図1に基づいて説明する。図1は本発明の一実施例を示す手術用マニピュレータの構成図である。
【0012】
図1において、1は先端関節駆動部で構成される姿勢制御機構駆動部、2はアーム根元駆動部で構成される位置制御駆動機構部、3はアーム根元支持部で構成される駆動結合部、4はアーム部、5は中間支持部、6は先端関節部で構成される姿勢制御機構部、7は中間支持固定部材、8は駆動部固定用土台、9は開放型MRI、9aはMRI9の上部磁石、9bはMRI9の下部磁石、11は患者横臥台、12は患者、13は中間支持取付部を表す。
【0013】
本実施例における手術用マニピュレータは、姿勢制御機構駆動部4、位置制御駆動機構部2、駆動結合部3、アーム部1、中間支持部5および姿勢制御機構部6を備えて構成されている。また、本実施例におけるMRI9は上部磁石9a、下部磁石9bおよび患者横臥台11を備えて構成されている。そして、患者横臥台11はMRIの外で患者を横たえたのちに平行移動され、MRI9の上部磁石9aおよび下部磁石9bの間に患者を導き、手術対象の患部が撮像中心へ概略位置決めされる。
【0014】
アーム部1はMRI9の外部から撮像領域へ延在するように設けられている。姿勢制御機構部6はアーム部1のMRI撮像領域側に位置して姿勢を制御するように設けられている。姿勢制御機構駆動部4は、アーム部1のMRI外部側に配置されると共に、伝達機構を介して姿勢制御機構部6を駆動するように設けられている。位置制御駆動機構部2は、アーム部1のMRI外部側に配置されると共に、MRI外部側の位置を制御駆動するように設けられている。駆動結合部3はアーム部1と位置制御駆動機構部2とを結合するように設けられている。中間支持部5は、アーム部1の支点としてアーム部1の中間部を支持すると共に、MRI撮像領域内に位置される前記アーム部の中間部を支持するように設けられている。そして、姿勢制御機構駆動部4と位置制御駆動機構部2とは独立した駆動機構で構成されている。
【0015】
中間支持部5はその固定プレート51を中間支持取付部13を介して中間支持固定部材7に固定される。中間支持固定部材7は上部磁石9aに固定される。また固定部7は中間支持部5を固定する部分がアーム部1の長手方向に複数ヶ所設けられている。この固定する部分の位置を変えて中間支持部5を固定することによって、駆動部固定用土台8の設置位置との関係で、アーム部1の先端部におけるおよその可動範囲を規定することができる。したがって、手術の種類に合わせて適切な可動範囲を設定するように中間支持部5の固定位置を変えることにより、より安全性を高めることができる。
【0016】
手術用マニピュレータはMRI9の磁場内に置かれるため、その構成材料・部品はMRI装置の撮像に干渉しないように選定される。
【0017】
すなわち、手術用マニピュレータの機構材料はポリエーテルエーテルケトンやFRP、各種マシナブルセラミックス・エンジニアリングセラミックス(ただしアルミナ系若しくはCFRPのように導電性材料の繊維が混入しているものは除く)などが用いられる。特に、ベアリングはセラミックベアリング、ねじやボルトはポリエーテルエーテルケトン製のものが用いられる。なお、磁場から比較的遠い土台部分については、アルミニウム合金や真鍮が一部使用される。
【0018】
また、手術用マニピュレータの関節部にはアクチュエータが備えられ、治療操作に必要な力がこれらによって発生されるが、これらのアクチュエータはPZT等のセラミックにおける電歪効果を利用した所謂圧電アクチュエータやその応用である超音波モータが用いられる。超音波モータの構造材もセラミックベアリングや真鍮・アルミニウム合金など極力非磁性材料を用いる。そして、各関節部の変位は、光ファイバにより導かれ、エンコーダ盤によって変調(例えばエンコーダ盤の回転に応じた数の矩形波にする)された光や透過または反射された光を再度光ファイバによってMRI装置の磁場の外に導き、そこで電気信号に変換したのちこれを用いて各関節の位置検出を行なう。
【0019】
次に、手術用マニピュレータを構成する各要素の詳細について順次説明する。
【0020】
まず、位置制御駆動機構部2を図2に基づいて説明する。図2は図1の手術用マニピュレータにおける位置制御駆動機構部の斜視図である。
【0021】
図2において、21はX軸方向土台プレート、22a〜22cはX、Y、Z軸方向アクチュエータ、23a〜23cはX、Y、Z軸方向駆動用ボールネジ、24a〜24cはX、Y、Z軸方向リニアガイド、25a〜25cはX、Y、Z軸方向リニアエンコーダ、26はX軸方向移動プレート、27はY軸方向移動プレート、28はZ軸方向固定プレート、29はZ軸方向移動プレート、29aは駆動結合部取付用穴を示す。なお、X、Y、Z軸方向リニアガイド24a〜24cは並置された二つのガイドで構成されている。X軸方向移動プレート26はY軸方向土台プレートを兼ねている。Y軸方向移動プレート27はZ軸方向土台プレートを兼ねている。
【0022】
X軸方向土台プレート21は駆動部固定用土台8に固定される。この土台プレート21はリニアガイド24aを介してX軸方向移動プレート26と連結されている。このX軸方向リニアガイド24aはX軸方向土台プレート21に固定されたX軸方向に延びるレールとX軸方向移動プレート26に固定されたX軸方向に延びるレールとが摺動可能に結合されて構成されると共に、これらが二つ平行に設けられて形成されている。このX軸方向リニアガイド24aによって、X軸方向移動プレート26の動作は一方向(X軸方向)に拘束される。X軸方向土台プレート21に固定されたX軸方向アクチュエータ22aは回転駆動力を発してX軸方向駆動用ボールネジ23aを回転させるようになっている。X軸方向駆動用ボールネジ23aはX軸方向移動プレート26に螺合されているので、X軸方向駆動用ボールねじ23aの回転力はX軸方向移動プレート26に対する直線的推進力に変換される。これによって、X軸方向移動プレート26はX軸方向に移動される。
【0023】
このX軸方向移動プレート26の直線移動量はX軸方向リニアエンコーダ25aにより検出され、組み込まれた制御系(図示せず)に送られる。制御系は、この検出された移動量に基づいてX軸方向移動プレート26を目標位置へ移動せしめるようアクチュエータ22aを駆動する。目標位置の入力に関しては、例えば多関節多自由度機構を術者が操作し、その動作を検出し処理することで目標値としたり、あるいは一般的な計算機の入出力インターフェイスを利用したりすることが考えられる。また、状況によってはMRI9やその他の診断装置や光を利用した空間位置姿勢計測装置の計測データをもとに制御用計算機が目標位置を生成し、それに従って動作することも考えられる。
【0024】
Y軸方向移動プレート27はY軸方向リニアガイド24bを介してX軸方向移動プレート26と連結されている。このY軸方向リニアガイド24bはX軸方向移動プレート26に固定されたY軸方向に延びるレールとY軸方向移動プレート27に固定されたY軸方向に延びるレールとが摺動可能に結合されて構成されると共に、これらが二つ平行に設けられて形成されている。これによって、Y軸方向移動プレート27の動作は一方向(Y軸方向)に拘束される。X軸方向移動プレート26に固定されたY軸方向アクチュエータ22bは回転駆動力を発してY軸方向駆動用ボールネジ23bを回転させるようになっている。Y軸方向駆動用ボールネジ23bはY軸方向移動プレート27に螺合されているので、Y方向駆動用ボールネジ23bの回転力はY軸方向移動プレート27に対する直線的推進力に変換される。これによって、Y軸方向移動プレート27はY軸方向に移動される。
【0025】
このY軸方向移動プレート27の直線移動量はY軸方向リニアエンコーダ25bにより検出され、制御系に送られる。制御系は、この検出された移動量に基づいてY軸方向移動プレート27を目標位置へ移動せしめるようアクチュエータ22bを駆動する。なお、アクチュエータ22bを駆動するための制御系はX軸方向アクチュエータ22aの制御系と同一でもよいし別でもよい。
【0026】
Z軸方向固定プレート28とZ軸方向移動プレート29はZ軸方向リニアガイド24cを介して連結されている。Z軸方向移動プレート29は上下の一方向にのみ運動を拘束される。Z軸方向固定プレート28はY軸方向移動プレート27に固定され、Y軸方向移動プレート27の上面に垂直に立設されている。Z軸方向リニアガイド24cはZ軸方向固定プレート28に固定されたZ軸方向に延びるレールとZ軸方向移動プレート29に固定されたZ軸方向に延びるレールとが摺動可能に結合されて構成されると共に、これらが二つ平行に設けられて形成されている。これによって、Z軸方向移動プレート29の動作は一方向(Z軸方向)に拘束される。Y軸方向移動プレート27に固定されたZ軸方向アクチュエータ22cは回転駆動力を発してZ軸方向駆動用ボールネジ23cを回転させる。Z軸方向駆動用ボールネジ23cはZ軸方向移動プレート29に螺合されているので、Z軸方向駆動用ボールネジ23cの回転力はZ軸方向移動プレート29に対する直線的推進力に変換される。これによって、Z軸方向移動プレート29はZ軸方向に移動される。
【0027】
このZ軸方向移動プレート29の直線移動量はZ軸方向リニアエンコーダ25cにより検出され、制御系に送られる。制御系は、この検出された移動量に基づいてZ軸方向移動プレート29を目標位置へ移動せしめるようZ軸方向アクチュエータ22cを駆動する。なお、Z軸方向アクチュエータ22cを駆動するための制御系はX軸方向アクチュエータ22aおよびY軸方向アクチュエータ22bの制御系と同一でもよいし別でもよい。
【0028】
Z軸方向移動プレート29の上部には駆動結合部3を取り付けるための二つの取付穴29aが形成されている。この取付穴29aに駆動結合部3からネジまたは突起等挿入してZ軸方向移動プレート29と駆動結合部3との相対的な運動を拘束せしめるようになっている。
【0029】
各プレート21、26、27、28、29は、非磁性金属であるジュラルミンのうち強度の高いグレードの材質のものか、もしくはポリエーテルエーテルケトンの高強度グレードなどエンジニアリングプラスチックの何れかを使用するようにしている。しかしながら、位置制御駆動機構部2がMRI9の撮像中心からかなり離れ所謂5ガウスラインと呼ばれる磁場強度の境界近傍に配置される場合には、加工性や価格等とのトレードオフを勘案して前述したグレードを下げるようにしてもよい。
【0030】
各アクチュエータ22a〜22cは電磁力を発生しない超音波モータが用いられている。そして、各アクチュエータ22a〜22cのケーシングはジュラルミン、軸は黄銅、軸受はセラミックなどの材料を用いて非磁性化対応を施している。また、各ボールネジ23a〜23cは強度と磁性(磁化率)の低さを考慮してベリリウム銅が用いられている。
【0031】
リニアガイド24a〜24cは、ベリリウム銅からなるレールとブロック、チタンもしくは黄銅からなるビス、セラミックからなるボール、樹脂からなるエンドプレートを備えて構成されている。チタンや黄銅はベリリウム銅と同様低磁化率材料であり、その他の材質は非磁性かつ絶縁体である。
【0032】
リニアエンコーダ25a〜25cは、MRI9の磁場や高周波の影響の及ばない地点から光ファイバを通して入射光を導き、透過または反射した光を光ファイバを通して再び前記地点まで戻し、これをフォトトランジスタ等を用いた光電変換回路によってエンコーダ信号としている。本実施例では、リニアエンコーダ25a〜25cを図示したが、モータもしくはボールネジの回転を検出する回転型の光ファイバエンコーダを用いるか、もしくは光や赤外線、音波といったMRI9の発する磁場や高周波と干渉しない媒体を利用する位置計測装置を用いて位置計測を行なうようにしてもよい。
【0033】
次に、駆動結合部3を図3に基づいて説明する。図3は図1の手術用マニピュレータにおける駆動結合部の斜視図である。
【0034】
図3において、31は固定プレート、32は垂直回転フレーム、33は垂直回転軸、34は垂直回転軸止め、35は前後回転軸、36は前後回転ブロック、37はアーム捻り回転用摺動材、38はアーム捻り回転駆動用歯車、39はアーム捻り回転量検出用エンコーダ、30はアーム捻り回転アクチュエータを示す。
【0035】
固定プレート31は取付穴29a(図2参照)を利用してZ軸方向移動プレート29に固定される。垂直回転フレーム32は、固定プレート31から上方に突出する垂直回転軸33に底部が嵌合され、垂直回転軸33を回転中心として自由回転する。この垂直回転軸33を直接駆動するアクチュエータは存在しない。前後回転ブロック36は、フレーム32の両側面から内方に突出する前後回転軸35に両側面部が嵌合され、前後回転軸35を回転中心として自由回転する。アーム捻り回転用摺動材37は前後回転ブロック36の中央部に貫通穴を形成するように設置され、その穴内にはアーム部1が通されている。アーム部1の外壁とアーム捻り回転用摺動材37の内壁が滑らかに摺動するようにしたことにより、アームの捻り回転が容易に行なえる。
【0036】
以上の垂直・前後・捻りの3方向への回転軸は一点で交差するように構成され、これらによるジンバル構造が形成されている。これによって、垂直・前後の自由回転は、X・Y・Z軸が駆動され、アーム部1の中間を同様のジンバル構造で拘束されることによって生じる。ただし、捻り回転はそれらとは干渉せずにアクチュエータ30によって駆動される。
【0037】
前後回転ブロック36の上部にはアーム捻り回転アクチュエータ30とアーム捻り回転量検出用エンコーダ39が取り付けられている。アクチュエータ30の出力はアーム捻り回転駆動用歯車38を介して伝達される。またアームの回転量はエンコーダ39により検出される。
【0038】
駆動結合部3の各要素の材質にはポリエーテルエーテルケトン等の高強度エンジニアリングプラスチックが用いられている。特にアーム捻り回転用摺動材37は摺動部分を有するため摺動グレードの高い(耐摺動性の高い)ものが選択されている。駆動結合部3は撮像中心から遠いため、非磁性金属の部分的使用も可能であるが、より好ましいのはエンジニアリングプラスチックやエンジニアリングセラミックを用いることである。アクチュエータ30は前述したアクチュエータ22a〜22cと同様に非磁性化対応された超音波モータが用いられる。エンコーダ39には光ファイバ導光型のものが用いられ、MRI9の磁場と特に励起高周波によるノイズの混入、およびRF信号に対する干渉を防ぐようになっている。
【0039】
次に、姿勢制御機構駆動部4を図4を用いて説明する。図4は図1の手術用マニピュレータにおける姿勢制御機構駆動部の説明図である。なお、図4(a)は平面図、図4(b)は側面図である。
【0040】
図4において、41は複合円筒、42a〜42dは複合円筒41を回転させるアクチュエータ、43は動力伝達用ワイア、44はエンコーダへの変位伝達用ワイア、45は変位伝達用プーリ、46は複合円筒41の回転変位を検出するエンコーダ、47a〜47bは動力伝達用ワイア43のテンションプーリ、48は複合円筒回転用摺動体、49は筐体を示す。複合円筒41は駆動用と変位伝達用の円筒を兼ねている。
【0041】
これらが2基あって箱状に構成され、2系統の動力をワイア43で先端へ伝達することにより姿勢制御機構部6を制御駆動するようになっている。
【0042】
複合円筒41は径の異なる円筒を積み重ねた形状をしており、最下段円筒の外周を複数のアクチュエータ42a〜42dによって押さえることによって回転される。アクチュエータ42a〜42dは突起状の接触部を有し、この接触部が長辺方向平面内で楕円を描く。これらの接触部を複合円筒41に接触させると、これらの接触部が位相を合わせて複合円筒41の外周部を円周方向に押すことになり、複合円筒41が回転する。中段円筒は動力伝達用プーリの役目をする。この中段円筒には動力伝達用ワイア43が巻き付けられており、ワイア43はテンションプーリ47a〜47bによって弛み防止のための張力が与えられた状態でアーム部1の内部を通り姿勢制御機構部6へ至っている。複合円筒41の最上段円筒にはエンコーダ46への変位伝達用ワイア44が巻き付けられている。ワイア44は変位伝達用プーリ45にも巻き付けられており、プーリ45は複合円筒41の回転変位を検出するようにエンコーダ46を回転させる。なお、筐体49と複合円筒41との間の滑らかな回転のために、複合円筒回転用摺動体48が挟み込まれている。この摺動体48の代わりに非磁性材料(例えばセラミック)のベアリングを用いてもよい。
【0043】
筐体49の材質はエンジニアリングプラスチックが望ましいが、撮像中心から遠いことや強度・加工性等のトレードオフを考慮してジュラルミン等の非磁性(一般的に磁化率が低いとされている意)金属を用いてもよい。複合円筒41、変位伝達用プーリ45、テンションプーリ47a〜47bはエンジニアリングプラスチックが用いられている。アクチュエータはセラミックの構造体をジュラルミンのケーシングに納めたものが用いられる。その他ネジなどもチタン、黄銅、もしくはエンジニアリングプラスチック等が使用されている。
【0044】
次に、中間支持部5を図5に基づいて説明する。図5は図1の手術用マニピュレータにおける中間支持部材の斜視図である。
【0045】
図5において、51は固定プレート、52は垂直回転フレーム、53は前後回転ブロック、54は中空円筒摺動材、55は前後回転軸、56は垂直回転軸を示す。
【0046】
中間支持部5は駆動結合部3と同様の構成であるが、向きが逆さまになっている点、アーム捻り回転駆動用の駆動系を有しない点、中空円筒摺動材54の内壁においてアーム部1の捻り回転および円筒軸方向に関するアーム部1の直動があり2方向に摺動する点が異なる。なお、駆動結合部3および中間支持部5に共通な構成例の詳細は後述する。
【0047】
次に、アーム部1を図6に基づいて説明する。図6は図1の手術用マニピュレータにおけるアーム部の斜視図である。
【0048】
図6において、14はアーム構造材、15は駆動結合部3からの抜け止め、16は駆動結合部3に付属したアーム捻り回転駆動用歯車38の受け側歯車、17はスペーサを示す。アーム構造材14は複数のアーム構造材14A、14Bで構成されている。抜け止め15、受け側歯車16およびスペーサ17はアーム構造材14A側に設けられている。
【0049】
アーム構造材14、抜け止め15、スペーサ17には、ポリエーテルエーテルケトン等のエンジニアリングプラスチックもしくはFRP等の材料が用いられている。受け側歯車16には強度や加工性などのトレードオフからジュラルミン等の非磁性金属が用いられている。アーム構造材14は筒状に形成されており、その内部は中空もしくは少なくとも姿勢制御機構部6への駆動伝達ワイア43が通るだけの空間を有している。また、強度を高めるために内部に補強構造を施してもよい。
【0050】
次に、姿勢制御機構部6について図7を用いて説明する。図7は図1の手術用マニピュレータにおける姿勢制御機構部の説明図である。なお、図7(a)は平面図、図7(b)は側面図である。
【0051】
図7において、61は首振部フレーム、62は術具ガイド用円筒、63a〜63bは軸止め、64a〜64bは軸支持部、65a〜65bは動力伝達用プーリ、66a〜66bは入力軸傘歯歯車、67a〜67bは動力伝達用ワイア、68は出力軸傘歯歯車を表す。
【0052】
動力伝達用プーリ65a〜65bは動力伝達用ワイア43によって駆動される。各プーリ65a〜65bは入力軸傘歯歯車66a〜66bと一体で回るように軸支持部64a〜64bに支持されている。入力軸傘歯歯車66a〜66bと出力軸傘歯歯車68は差動機構を構成し、動力伝達用ワイア43から入力軸傘歯歯車66a〜66bへ与えられる駆動量の向きと割合に応じて術具ガイド用円筒62の首振りと捻りが生じる。例えば入力軸傘歯歯車66a〜66bの回転が共通の回転軸に対して同方向かつ同じ角度量になるように各ワイア43を引くと術具ガイド用円筒62は捻れることなく首を振り、回転方向のみ逆になるようにすると首を振ることなく術具ガイド用円筒62に捻りの動きが生じる。なお、首振りと術具ガイドの捻りの軸はアーム捻りの回転軸と一点で交差するように配置されている。
【0053】
これらの首振り・捻り回転とアーム部1自身の捻り回転を合わせることによってアーム先端部での姿勢3自由度を制御することができる。また首振りとアーム捻り回転によってある方向を中心に十字に首を振る動作が容易に実現できる。これと位置制御駆動機構部2によって生ぜしめられる先端3自由度の位置制御動作とを合わせることによって、先端部に装備されるべき術具をトロカールを通して挿入し操作する経皮操作において必要な動作、すなわち所謂ピボットモーション(挿入時に皮膚や表面と交差している部分を不動にしたまま内部においてその先端で多自由度の動作を行なうこと。挿入部分の皮膚や表面を広げたりする危険性がなく、内視鏡下手術等では必須の動き)を容易に実現できる。
【0054】
次に、図8を用いて駆動結合部3の構成例の詳細を補足説明する。図8は図3の駆動結合部の詳細説明図である。
【0055】
図8において、33aは垂直回転軸33の軸部、33b、33cは垂直回転軸33の摺動材、35aは前後回転軸35の軸部、35bは前後回転軸35のスペーサ、35cは前後回転軸35の摺動材、36aは前後回転ブロック36の嵌込穴を表す。
【0056】
垂直回転軸33の軸部33aは固定プレート31の下部に嵌め込まれ、摺動材33b〜33cを介して固定プレート31および垂直回転フレーム32を貫通し、軸止め34により結合される。これにより垂直回転フレーム32は固定プレート31に対して垂直方向軸周りに自由回転することができる。
【0057】
前後回転軸35の摺動材35cは前後回転ブロック36の嵌込穴36aに嵌め込まれている。前後回転軸35の軸部35aは垂直回転フレーム32の側面部分およびスペーサ35bを貫通して摺動材35c内に至る。ここにおいて軸部35aと摺動材35cとの摺動が生じ、アーム捻り回転用摺動材37は前後に(言い換えると、アーム部1を上下に傾斜して)自由回転することができる。
【0058】
なお、中間支持部5の詳細構造も上述した駆動結合部3の詳細構造と同じである。
【0059】
駆動結合部3および中間支持部5の材質に関しては既に述べた通りであり、ポリエーテルエーテルケトンなどのエンジニアリングプラスチックを主に用いることが望ましい。摺動部分に関しては、さらに耐摺動性のグレードの高いものを選択することが望ましい。特に、中間支持部5は撮像中心により近く、またMRI9の空間内に配置されるため、非磁性であっても金属の使用は極力しない方がよい。
【0060】
中間支持部5は中間支持固定部材7を介してMRI9に固定されているので、スペースファクタが良好であるが、MRI9に固定することが難しい場合には、時不変である空間座標系を有すると考えられるものに対して固定してもよい。例えば図9に示すように中間支持固定部材7Aを介して土台8に固定されるようにしてもよい。
【0061】
次に、手術用マニピュレータの動作を図10を用いて説明する。図10は図1の手術用マニピュレータの動作を説明する斜視図である。
【0062】
図10において、101はX軸駆動方向を示す矢印、102はY軸駆動方向を示す矢印、103はZ軸駆動方向を示す矢印、104はアーム捻り回転駆動方向を示す矢印付き円弧、105は姿勢制御機構部6の首振り駆動方向を示す矢印付き円弧、106は姿勢制御機構部6の捻り駆動方向を示す矢印付き円弧、107はX軸・Y軸若しくはその両方が駆動されることにより引き起こされる垂直回転フレーム32の回転方向を示す矢印付き円弧(点線)、108はZ軸が駆動されることにより引き起こされる前後回転ブロック36の回転方向を示す矢印付き円弧(点線)、109はX軸・Y軸若しくは両方が駆動されることにより引き起こされる垂直回転フレーム52の回転方向を示す矢印付き円弧(点線)、110はZ軸が駆動されることにより引き起こされる前後回転ブロック53の回転方向を示す矢印付き円弧、111はアーム捻り回転軸、112は姿勢制御機構部部首振り回転軸、113は術具ガイド用円筒62の捻り回転軸、114は垂直回転フレーム32の回転軸、115は上下回転ブロック36の回転軸、116は垂直回転フレーム52の回転軸、117は上下回転ブロック53の回転軸、118はX軸・Y軸・Z軸若しくは全軸を駆動したことによって引き起こされる中間支持部5における直動方向を示す矢印をそれぞれ表わす。
【0063】
位置制御駆動機構部2のX・Y・Z軸が動作方向101、102、103に関する直線運動を生じさせたとき、駆動結合部3がそれによって動き、垂直回転フレーム32および前後回転ブロック36が回転軸114、115を中心として回転方向107、108のような回転運動を起こす。一方、中間支持部5はMRI9に固定されているが、垂直回転フレーム52および前後回転ブロック53は駆動力に従って回転軸116、117を中心軸として回転方向109、110のように回転する。このときアーム中心軸111が直線であるので、回転方向107、109の回転変位量と回転方向108、110の回転変位量とは等しくなる。また、位置制御駆動機構部2を動かせば、駆動結合部3の各回転軸の交点と中間支持部5の各回転軸の交点との距離は変化する。すなわち、その際に中間支持部5においてアーム部1の長手方向に関する直動118が生ずる。
【0064】
以上のように、位置制御駆動機構部2のX・Y・Z軸を駆動させると、このような梃子と直動の組み合わせによって先端の位置を変化せしめる。このXYZ軸の直線変位と先端部の位置変位の関係は単純な幾何学的関係であり容易に求められる。係る変位においてアームの捻り軸に関する捻り角は変化しない。姿勢制御機構部6の首振りおよび捻りも同様である。よってまず前記の位置変位に伴う先端の姿勢変化を導き、それに加える形で中心軸111周りのアーム捻り104、112周りの先端首振り105、113周りの先端捻り106の姿勢制御を考えればよいことになる。
【0065】
以上のような機構であるため前述のようにピボットモーションを実現することが容易になる。ピボットモーションには先端捻りの自由度は必須ではないが、これがあることによって術具の姿勢を制御することができ、より複雑な手術操作を実現できることになる。
【0066】
以上に述べてきた手術用マニピュレータを構成する各要素、あるいは駆動のためのアクチュエータ、ワイア等のうち言及のなかったものに関しても、全て磁場に対して感応しない非磁性物質で構成するのは言うまでもない。構造材はジュラルミン(アルミニウム合金)やチタン合金などの非磁性金属、エンジニアリングプラスチックを用いる。また前記の例ではアクチュエータは非磁性材料のみで構成され電磁的な駆動原理を用いないものとしてば超音波モータを挙げたが、液圧・空気圧駆動アクチュエータなどを適用することも可能である。また、ワイアには靭性の高い高分子材料を用いることが望ましい。先端に装着を想定される術具の部分はエンジニアリングセラミックもしくはマシナブルセラミックで製作することが望ましい。
【0067】
以上のように構成された手術用マニピュレータには次のような利点がある。
(1)アーム部1のMRI外部側を限られた可動範囲の位置制御駆動機構部2で駆動すると共に、MRI9の空間内にアーム部1の支点となる中間支持部5を設けて中間支持部5の動作範囲を制限するようにしているので、長いアーム部1が振り回されたりするような危険な誤動作を機構的に防止することができる。
(2)アーム部1のMRI9の空間内に位置する部分に中間支持部5を設けているので、アーム部1のMRI側の先端における撓みが確実に軽減され、手術用マニピュレータとしての安全性・信頼性を高めることができる。
(3)姿勢を制御できる姿勢制御機構部6をアーム部1のMRI撮像領域側先端部に設けているので、姿勢制御機構部6の動作がごく限られた狭い範囲の空間で行なうことができ、狭いMRI撮像領域内での特別な手術に対応することが可能となる。姿勢制御機構部6として差動機構を用いているので、特にコンパクトな構造で狭い範囲の空間内を動作させることができる。
(4)姿勢制御機構部6の駆動源である姿勢制御機構駆動部4をMRI外部側に置いて姿勢制御機構駆動部4の駆動力をワイア43で姿勢制御機構部6に伝達するようにしているので、アーム部1の先端部にある姿勢制御機構部6の駆動のために手術用マニピュレータ全体としてはあまり動くことはないにもかかわらず、先端部において局所的に複雑な動作を実現できる。したがって、この点からも狭いMRI撮像領域内での特別な手術に対応することが可能となる。
(5)アーム部1のMRI外部側の位置駆動にX軸・Y軸・Z軸方向に直動する直動機構を用いているので、手術用マニピュレータの動きが直感的でわかりやすいものになる。これにより周囲の作業者の安全が図りやすくなる。
(6)姿勢制御機構部6の速度は主に位置駆動の速度と支点の位置で決まり、中間支持部5の固定位置を可変にしているので、通常容易には変更できない位置制御駆動機構部2の速度仕様を変えることなく、姿勢制御機構部6の速度仕様を可変にできる。例えば、中間支持部5を姿勢制御機構部6側へ持っていけば、姿勢制御機構部6の可動範囲が小さくなるとともに最高速度が小さくなる。これは微細操作に際してそのスケールに見合った速度(すなわち空間的な速度で言えば低速)で行なうことができることを意味する。逆に中間支持部5を姿勢制御機構部6の反対側に持っていけば、姿勢制御機構部6の可動範囲が広がるとともに最高速度が上がることとなり、大きな操作を速く行なうことができる。言い換えると、アーム部1の支点によって限定された可動範囲と、その端から端まで動く速度との比を常に同じに設定できるため、映像情報の倍率を調節すればつねに画面の中での先端部の速度は同じに見えるという効果もある。
(7)駆動結合部3および中間支持部5を共にジンバル構造にしたために、位置制御駆動機構部2のXYZ各軸を駆動したときにアーム長手方向周りの角度を変えない(姿勢に干渉しない)ようにできる。したがって位置制御駆動機構部2によって姿勢制御機構部6を抉ることがない。
(8)中間支持部5を動かすことによりアーム長手方向の動作倍率を一定に保ちつつ、長手方向と垂直な2方向の動作倍率が支点位置を変えることができる。想想定配置では手術用マニピュレータは患者の横からアプローチする。患者の体の横幅は概ねどの部分でも同じなので、この方向への動作倍率は一定でよい。一方、これと垂直な2方向に関しては、まず体軸と同じ方向があり、この方向には体が伸びているため、ある術式で体の上から下までアプローチしなければならないようなことがある場合(例えば、足から血管を採取し、それを上半身の手術で移植片として利用する場合など)にも対応できる。また垂直方向は使用する環境、特にMRIの高さやギャップ幅が様々である場合に対応することができる。
【0068】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、MRI内部における作業性と安全性を両立できる手術用マニピュレータを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例を示す手術用マニピュレータの構成図である。
【図2】図1の手術用マニピュレータにおける位置制御駆動機構部の斜視図である。
【図3】図1の手術用マニピュレータにおける駆動結合部の斜視図である。
【図4】図1の手術用マニピュレータにおける姿勢制御機構駆動部の説明図である。
【図5】図1の手術用マニピュレータにおける中間支持部材の斜視図である。
【図6】図1の手術用マニピュレータにおけるアーム部の斜視図である。
【図7】図1の手術用マニピュレータにおける姿勢制御機構部の説明図である。
【図8】図3の駆動結合部の詳細説明図である。
【図9】図5の中間支持部の固定構造の変形例を示す図である。
【図10】図1の手術用マニピュレータの動作を説明する斜視図である。
【符号の説明】
1…アーム部、2…位置制御駆動機構部、3…駆動結合部、4…姿勢制御機構駆動部、5…中間支持部、6…姿勢制御機構部、7、7A…中間支持固定部材、8…駆動部固定用土台、9a…上部磁石、9b…下部磁石、11…患者横臥台、12…患者、13…中間支持取付部、14…アーム構造材、15…抜け止め、16…受け側歯車、17…スペーサ、21…X軸方向土台プレート、22a〜22c…X、Y、Z軸方向アクチュエータ、23a〜23c…X、Y、Z軸方向駆動用ボールネジ、24a〜24c…X、Y、Z軸方向リニアガイド、25a〜25c…X、Y、Z軸方向リニアエンコーダ、26…X軸方向移動プレート、27…Y軸方向移動プレート、28…Z軸方向固定プレート、29…Z軸方向移動プレート、29a…駆動結合部取付用穴、31…固定プレート、32…垂直回転フレーム、33…垂直回転軸、33a、33b…スペーサ、摺動材、34…垂直回転軸止め、35…前後回転軸、35a…軸部、35b…スペーサ、36…前後回転ブロック、36a…嵌込穴、37…アーム捻り回転用摺動材、38…アーム捻り回転駆動用歯車、39…アーム捻り回転量検出用エンコーダ、30…アーム捻り回転アクチュエータ、41…複合円筒、42a〜42d…アクチュエータ、43…動力伝達用ワイア、44…変位伝達用ワイア、45…変位伝達用プーリ、46…エンコーダ、47a〜47b…テンションプーリ、48…複合円筒回転用摺動体、49…筐体、51…固定プレート、52…垂直回転フレーム、53…前後回転ブロック、54…中空円筒摺動材、55…前後回転軸、56…垂直回転軸、61は首振部フレーム、62…術具ガイド用円筒、63a〜63b…軸止め、64a〜64b…軸支持部、65a〜65b…動力伝達用プーリ、66a〜66b…入力軸傘歯歯車、68…出力軸傘歯歯車。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a surgical manipulator, and is particularly suitable for a surgical manipulator corresponding to an MRI (magnetic resonance imager) environment.
[0002]
[Prior art]
As described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-254876, a surgical manipulator corresponding to a conventional MRI environment has a low space occupancy rate in the work environment of the manipulator, and transmits a driving force to the end effector of the manipulator from a distance An arm mechanism and an end effector to enable sterilization of the manipulator, reduce noise to the medical device, and to enable the surgical manipulator to be usable even in an MRI environment A manipulator having a position / posture transmission mechanism for transmitting to the manipulator between the arm mechanism and an end effector, wherein the position / posture transmission mechanism is fixed to a link mechanism and a second link fixed to the end effector. Link machine capable of 6-DOF position and orientation transmission with other links In connecting, lever - there is that the parallel link type pose transmission mechanism.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, the above-described parallel link mechanism in the prior art has a problem that the movable range of the position / posture in working coordinates is narrow. In other words, safety and workability are in a trade-off relationship when working with a surgical manipulator in a limited confined space such as the inside of an MRI. However, there is a problem that it is difficult to cope with such a surgical operation with the above-described conventional mechanism.
[0004]
Furthermore, in order to realize a surgical manipulator that operates with little MRI magnetic field and electromagnetic waves and operates safely, it is preferable that the material of at least the portion that goes into the imaging region and is not magnetic is an insulator. For this reason, although not described in the above-described prior art, it is conceivable that the material of the link member that enters the inside of the MRI is, for example, engineering plastic or engineering ceramic, but the link member is insufficient due to insufficient strength and rigidity. There is a possibility that it will bend in the middle or vibrate with a large amplitude during operation, which causes a problem that it is difficult to accurately control the position and orientation of the tip.
[0005]
In addition, if the base part of the surgical manipulator moves due to an accident such as a collision with staff or other equipment or devices, or an earthquake, the surgical manipulator with a long link member will move within a large range. There is a problem that it may be
[0006]
In addition, the necessary and sufficient movable ranges for various subjects / cases / procedures are different from each other. However, with conventional general surgical manipulators, this is limited in terms of control, and mechanical operation limitations are limited. Since this is not done, there is a problem that it is difficult to essentially prevent movement outside the operating range. For example, if there is a risk that the operation manipulator will move unnecessarily large when working in a small range, if the mechanism is configured to operate only in a small range, It could not be applied to work that requires a larger operating range. Therefore, it has been difficult to use the same surgical manipulator for various subjects, cases, and procedures while ensuring safety.
[0007]
An object of the present invention is to provide a surgical manipulator capable of achieving both workability and safety in the MRI.
[0008]
Other objects and advantages of the present invention will become apparent from the following description.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
To achieve the above object, the surgical manipulator of the present invention controls the posture by being arranged at the MRI imaging region side tip of the arm unit provided to extend from the outside of the MRI to the imaging region. A posture control mechanism unit that is disposed outside the MRI of the arm unit, and a posture control mechanism drive unit that drives the posture control mechanism unit via a transmission mechanism, and is disposed outside the MRI of the arm unit. In addition, a position control drive mechanism that controls and drives the position of the arm portion outside the MRI, a drive coupling portion that couples the arm portion and the position control drive mechanism, and a fulcrum of the arm portion An intermediate support part for supporting the intermediate part; An intermediate support fixing member for fixing the intermediate support portion to the outside, The intermediate support part supports an intermediate part of the arm part located in the MRI space. The fixing position of the intermediate support part and the intermediate support fixing member can be changed at a plurality of positions in the longitudinal direction of the arm part. There is.
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0011]
The overall configuration of the surgical manipulator of this embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a block diagram of a surgical manipulator showing an embodiment of the present invention.
[0012]
In FIG. 1, 1 is a posture control mechanism drive unit composed of a tip joint drive unit, 2 is a position control drive mechanism unit composed of an arm root drive unit, and 3 is a drive coupling unit composed of an arm root support unit, 4 is an arm part, 5 is an intermediate support part, 6 is a posture control mechanism part composed of a tip joint part, 7 is an intermediate support fixing member, 8 is a driving part fixing base, 9 is an open type MRI, and 9a is an MRI 9 part. An upper magnet, 9b is a lower magnet of the MRI 9, 11 is a patient lying base, 12 is a patient, and 13 is an intermediate support attachment.
[0013]
The surgical manipulator in the present embodiment includes an attitude control mechanism drive unit 4, a position control drive mechanism unit 2, a drive coupling unit 3, an arm unit 1, an intermediate support unit 5, and an attitude control mechanism unit 6. In addition, the MRI 9 in the present embodiment includes an upper magnet 9a, a lower magnet 9b, and a patient lying base 11. Then, the patient lying table 11 is translated after laying the patient outside the MRI, the patient is guided between the upper magnet 9a and the lower magnet 9b of the MRI 9, and the affected area to be operated is roughly positioned to the imaging center.
[0014]
The arm unit 1 is provided so as to extend from the outside of the MRI 9 to the imaging region. The posture control mechanism unit 6 is provided on the MRI imaging region side of the arm unit 1 so as to control the posture. The posture control mechanism drive unit 4 is disposed outside the MRI of the arm unit 1 and is provided so as to drive the posture control mechanism unit 6 via a transmission mechanism. The position control drive mechanism unit 2 is arranged on the MRI outside side of the arm unit 1 and is provided so as to control and drive the position on the MRI outside side. The drive coupling unit 3 is provided so as to couple the arm unit 1 and the position control drive mechanism unit 2. The intermediate support part 5 is provided so as to support the intermediate part of the arm part 1 as a fulcrum of the arm part 1 and to support the intermediate part of the arm part located in the MRI imaging region. The attitude control mechanism drive unit 4 and the position control drive mechanism unit 2 are configured by independent drive mechanisms.
[0015]
The intermediate support portion 5 has its fixing plate 51 fixed to the intermediate support fixing member 7 via the intermediate support mounting portion 13. The intermediate support fixing member 7 is fixed to the upper magnet 9a. The fixing portion 7 is provided with a plurality of portions for fixing the intermediate support portion 5 in the longitudinal direction of the arm portion 1. By changing the position of the fixing portion and fixing the intermediate support portion 5, an approximate movable range at the distal end portion of the arm portion 1 can be defined in relation to the installation position of the drive portion fixing base 8. . Therefore, the safety can be further improved by changing the fixing position of the intermediate support portion 5 so as to set an appropriate movable range in accordance with the type of surgery.
[0016]
Since the surgical manipulator is placed in the magnetic field of the MRI 9, its constituent materials and parts are selected so as not to interfere with the imaging of the MRI apparatus.
[0017]
That is, as the mechanical material of the surgical manipulator, polyether ether ketone, FRP, various machinable ceramics / engineering ceramics (excluding those mixed with conductive material fibers such as alumina or CFRP) are used. . In particular, the bearing is a ceramic bearing, and the screws and bolts are made of polyetheretherketone. In addition, about the base part comparatively far from a magnetic field, aluminum alloy and brass are used partially.
[0018]
In addition, an actuator is provided in a joint part of a surgical manipulator, and a force necessary for a therapeutic operation is generated by these. These actuators are so-called piezoelectric actuators utilizing an electrostrictive effect in ceramics such as PZT and applications thereof. An ultrasonic motor is used. Non-magnetic materials such as ceramic bearings and brass / aluminum alloys are also used as the structural material for ultrasonic motors. The displacement of each joint is guided by an optical fiber, and light modulated or transmitted by the encoder board (for example, the number of rectangular waves according to the rotation of the encoder board) or transmitted or reflected light is again transmitted by the optical fiber. It guides out of the magnetic field of an MRI apparatus, converts it there into an electrical signal, and then uses it to detect the position of each joint.
[0019]
Next, details of each element constituting the surgical manipulator will be sequentially described.
[0020]
First, the position control drive mechanism 2 will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a perspective view of the position control drive mechanism in the surgical manipulator of FIG.
[0021]
In FIG. 2, 21 is an X-axis direction base plate, 22a to 22c are X, Y, and Z axis direction actuators, 23a to 23c are X, Y, and Z axis direction driving ball screws, and 24a to 24c are X, Y, and Z axes. Direction linear guides, 25a to 25c are X, Y and Z axis direction linear encoders, 26 is an X axis direction moving plate, 27 is a Y axis direction moving plate, 28 is a Z axis direction fixed plate, 29 is a Z axis direction moving plate, Reference numeral 29a denotes a drive coupling portion mounting hole. The X, Y, and Z-axis direction linear guides 24a to 24c are composed of two guides arranged in parallel. The X-axis direction moving plate 26 also serves as a Y-axis direction base plate. The Y-axis direction moving plate 27 also serves as a Z-axis direction base plate.
[0022]
The X-axis direction base plate 21 is fixed to the drive unit fixing base 8. The base plate 21 is connected to the X-axis direction moving plate 26 through a linear guide 24a. The X-axis direction linear guide 24 a is configured such that an X-axis direction rail fixed to the X-axis direction base plate 21 and an X-axis direction rail fixed to the X-axis direction moving plate 26 are slidably coupled. It is configured and two of them are provided in parallel. The operation of the X-axis direction moving plate 26 is restricted in one direction (X-axis direction) by the X-axis direction linear guide 24a. The X-axis direction actuator 22a fixed to the X-axis direction base plate 21 generates a rotational driving force to rotate the X-axis direction driving ball screw 23a. Since the X-axis direction driving ball screw 23 a is screwed to the X-axis direction moving plate 26, the rotational force of the X-axis direction driving ball screw 23 a is converted into a linear propulsive force with respect to the X-axis direction moving plate 26. As a result, the X-axis direction moving plate 26 is moved in the X-axis direction.
[0023]
The linear movement amount of the X-axis direction moving plate 26 is detected by the X-axis direction linear encoder 25a and sent to a built-in control system (not shown). The control system drives the actuator 22a to move the X-axis direction moving plate 26 to the target position based on the detected movement amount. Regarding the input of the target position, for example, the operator operates the multi-joint multi-degree-of-freedom mechanism, detects and processes the movement, and sets the target value, or uses a general computer input / output interface. Can be considered. Also, depending on the situation, the control computer may generate a target position based on the measurement data of the MRI 9 and other diagnostic apparatuses and the spatial position and orientation measurement apparatus using light, and may operate according to the target position.
[0024]
The Y-axis direction moving plate 27 is connected to the X-axis direction moving plate 26 via a Y-axis direction linear guide 24b. The Y-axis direction linear guide 24b is configured such that a rail extending in the Y-axis direction fixed to the X-axis direction moving plate 26 and a rail extending in the Y-axis direction fixed to the Y-axis direction moving plate 27 are slidably coupled. It is configured and two of them are provided in parallel. Thus, the operation of the Y-axis direction moving plate 27 is restricted in one direction (Y-axis direction). The Y-axis direction actuator 22b fixed to the X-axis direction moving plate 26 generates a rotational driving force to rotate the Y-axis direction driving ball screw 23b. Since the Y-axis direction driving ball screw 23 b is screwed to the Y-axis direction moving plate 27, the rotational force of the Y-direction driving ball screw 23 b is converted into a linear propulsive force with respect to the Y-axis direction moving plate 27. As a result, the Y-axis direction moving plate 27 is moved in the Y-axis direction.
[0025]
The linear movement amount of the Y-axis direction moving plate 27 is detected by the Y-axis direction linear encoder 25b and sent to the control system. Based on the detected movement amount, the control system drives the actuator 22b to move the Y-axis direction moving plate 27 to the target position. The control system for driving the actuator 22b may be the same as or different from the control system for the X-axis direction actuator 22a.
[0026]
The Z-axis direction fixed plate 28 and the Z-axis direction moving plate 29 are connected via a Z-axis direction linear guide 24c. The movement of the Z-axis direction moving plate 29 is restricted only in one vertical direction. The Z-axis direction fixed plate 28 is fixed to the Y-axis direction moving plate 27 and is erected vertically on the upper surface of the Y-axis direction moving plate 27. The Z-axis linear guide 24c is configured by a slidably coupled rail extending in the Z-axis direction fixed to the Z-axis direction fixed plate 28 and a rail extending in the Z-axis direction fixed to the Z-axis direction moving plate 29. At the same time, these two are formed in parallel. Thereby, the operation of the Z-axis direction moving plate 29 is restricted in one direction (Z-axis direction). The Z-axis direction actuator 22c fixed to the Y-axis direction moving plate 27 generates a rotational driving force to rotate the Z-axis direction driving ball screw 23c. Since the Z-axis direction driving ball screw 23 c is screwed to the Z-axis direction moving plate 29, the rotational force of the Z-axis direction driving ball screw 23 c is converted into a linear propulsive force with respect to the Z-axis direction moving plate 29. As a result, the Z-axis direction moving plate 29 is moved in the Z-axis direction.
[0027]
The linear movement amount of the Z-axis direction moving plate 29 is detected by the Z-axis direction linear encoder 25c and sent to the control system. The control system drives the Z-axis direction actuator 22c so as to move the Z-axis direction moving plate 29 to the target position based on the detected movement amount. The control system for driving the Z-axis direction actuator 22c may be the same as or different from the control system for the X-axis direction actuator 22a and the Y-axis direction actuator 22b.
[0028]
Two attachment holes 29 a for attaching the drive coupling portion 3 are formed in the upper part of the Z-axis direction moving plate 29. A screw or a protrusion is inserted into the mounting hole 29a from the drive coupling portion 3 to restrain relative movement between the Z-axis direction moving plate 29 and the drive coupling portion 3.
[0029]
Each plate 21, 26, 27, 28, 29 is made of either a non-magnetic metal duralumin made of a high strength grade material or an engineering plastic such as a polyether ether ketone high strength grade. I have to. However, in the case where the position control drive mechanism unit 2 is disposed far from the imaging center of the MRI 9 and in the vicinity of the boundary of the magnetic field strength called the so-called 5 gauss line, it has been described above in consideration of trade-offs with workability and price. The grade may be lowered.
[0030]
Each of the actuators 22a to 22c is an ultrasonic motor that does not generate electromagnetic force. The casings of the actuators 22a to 22c are made nonmagnetic by using materials such as duralumin for the shaft, brass for the shaft, and ceramic for the bearing. In addition, beryllium copper is used for each of the ball screws 23a to 23c in consideration of strength and low magnetism (magnetic susceptibility).
[0031]
The linear guides 24a to 24c include rails and blocks made of beryllium copper, screws made of titanium or brass, balls made of ceramic, and end plates made of resin. Titanium and brass are low magnetic susceptibility materials like beryllium copper, and other materials are non-magnetic and insulators.
[0032]
The linear encoders 25a to 25c guide the incident light through the optical fiber from the point where the magnetic field and high frequency of the MRI 9 do not affect, and return the transmitted or reflected light to the point again through the optical fiber, using a phototransistor or the like. An encoder signal is generated by a photoelectric conversion circuit. In this embodiment, the linear encoders 25a to 25c are illustrated. However, a rotating optical fiber encoder that detects the rotation of a motor or a ball screw is used, or a medium that does not interfere with a magnetic field or high frequency generated by the MRI 9, such as light, infrared rays, and sound waves. Position measurement may be performed using a position measurement device that uses the.
[0033]
Next, the drive coupling part 3 is demonstrated based on FIG. FIG. 3 is a perspective view of a drive coupling portion in the surgical manipulator of FIG.
[0034]
In FIG. 3, 31 is a fixed plate, 32 is a vertical rotating frame, 33 is a vertical rotating shaft, 34 is a vertical rotating shaft stop, 35 is a front and rear rotating shaft, 36 is a front and rear rotating block, 37 is a sliding material for arm twist rotation, Reference numeral 38 denotes an arm twist rotation driving gear, 39 an arm twist rotation amount detection encoder, and 30 an arm twist rotation actuator.
[0035]
The fixed plate 31 is fixed to the Z-axis direction moving plate 29 using an attachment hole 29a (see FIG. 2). The vertical rotation frame 32 is fitted at the bottom to a vertical rotation shaft 33 protruding upward from the fixed plate 31 and freely rotates about the vertical rotation shaft 33 as a rotation center. There is no actuator that directly drives the vertical rotation shaft 33. The front / rear rotation block 36 is fitted with front / rear rotation shafts 35 projecting inwardly from both side surfaces of the frame 32, and freely rotates about the front / rear rotation shaft 35. The arm twist rotating sliding member 37 is installed so as to form a through hole in the central portion of the front / rear rotating block 36, and the arm portion 1 is passed through the hole. Since the outer wall of the arm portion 1 and the inner wall of the arm twist rotation sliding member 37 slide smoothly, the arm can be easily twisted and rotated.
[0036]
The above-mentioned rotation axes in the three directions of vertical, front-back, and twisting are configured to intersect at one point, thereby forming a gimbal structure. As a result, the vertical / front / rear free rotation is generated by driving the X, Y, and Z axes and constraining the middle of the arm portion 1 with a similar gimbal structure. However, the torsional rotation is driven by the actuator 30 without interfering with them.
[0037]
An arm twist rotation actuator 30 and an arm twist rotation amount detection encoder 39 are attached to the upper part of the front / rear rotation block 36. The output of the actuator 30 is transmitted via the arm twisting rotation driving gear 38. The rotation amount of the arm is detected by the encoder 39.
[0038]
A high-strength engineering plastic such as polyether ether ketone is used as the material of each element of the drive coupling portion 3. In particular, since the arm twist rotating sliding member 37 has a sliding portion, a material having a high sliding grade (high sliding resistance) is selected. Since the drive coupling portion 3 is far from the imaging center, it is possible to partially use a non-magnetic metal, but it is more preferable to use engineering plastic or engineering ceramic. As the actuator 30, an ultrasonic motor adapted to be non-magnetic is used in the same manner as the actuators 22 a to 22 c described above. An optical fiber light guide type encoder 39 is used to prevent interference of the MRI 9 magnetic field and noise due to the excitation high frequency and interference with the RF signal.
[0039]
Next, the attitude control mechanism driving unit 4 will be described with reference to FIG. FIG. 4 is an explanatory diagram of a posture control mechanism driving unit in the surgical manipulator of FIG. 4A is a plan view and FIG. 4B is a side view.
[0040]
In FIG. 4, 41 is a composite cylinder, 42a to 42d are actuators for rotating the composite cylinder 41, 43 is a power transmission wire, 44 is a displacement transmission wire to the encoder, 45 is a displacement transmission pulley, and 46 is a composite cylinder 41. , 47a to 47b are tension pulleys of the power transmission wire 43, 48 is a composite cylindrical rotating slide, and 49 is a housing. The composite cylinder 41 serves as both a driving cylinder and a displacement transmitting cylinder.
[0041]
Two of these are configured in a box shape, and the attitude control mechanism 6 is controlled and driven by transmitting the power of two systems to the tip by the wire 43.
[0042]
The composite cylinder 41 has a shape in which cylinders having different diameters are stacked, and is rotated by pressing the outer periphery of the lowermost cylinder with a plurality of actuators 42a to 42d. The actuators 42a to 42d have a projecting contact portion, and this contact portion draws an ellipse in the long side plane. When these contact portions are brought into contact with the composite cylinder 41, these contact portions are in phase and push the outer peripheral portion of the composite cylinder 41 in the circumferential direction, and the composite cylinder 41 rotates. The middle cylinder serves as a power transmission pulley. A power transmission wire 43 is wound around the middle cylinder, and the wire 43 passes through the inside of the arm portion 1 to the posture control mechanism portion 6 in a state where tension for preventing slackening is applied by tension pulleys 47a to 47b. Has reached. A displacement transmission wire 44 to the encoder 46 is wound around the uppermost cylinder of the composite cylinder 41. The wire 44 is also wound around a displacement transmission pulley 45, and the pulley 45 rotates the encoder 46 so as to detect the rotational displacement of the composite cylinder 41. For smooth rotation between the housing 49 and the composite cylinder 41, a composite cylinder rotating slide 48 is sandwiched. A bearing made of a non-magnetic material (for example, ceramic) may be used instead of the sliding body 48.
[0043]
The material of the housing 49 is preferably an engineering plastic, but it is non-magnetic (generally considered to have a low magnetic susceptibility) metal such as duralumin in consideration of trade-offs such as the distance from the imaging center and strength / workability. May be used. Engineering plastic is used for the composite cylinder 41, the displacement transmission pulley 45, and the tension pulleys 47a to 47b. The actuator is a ceramic structure housed in a duralumin casing. Other screws such as titanium, brass, or engineering plastic are also used.
[0044]
Next, the intermediate support part 5 is demonstrated based on FIG. FIG. 5 is a perspective view of an intermediate support member in the surgical manipulator of FIG.
[0045]
In FIG. 5, 51 is a fixed plate, 52 is a vertical rotating frame, 53 is a front / rear rotating block, 54 is a hollow cylindrical sliding member, 55 is a front / rear rotating shaft, and 56 is a vertical rotating shaft.
[0046]
The intermediate support portion 5 has the same configuration as that of the drive coupling portion 3, but has an upside-down direction, does not have a drive system for arm twist rotation drive, and an arm portion on the inner wall of the hollow cylindrical sliding member 54. There is a difference in that there is a twisting rotation of 1 and a linear movement of the arm portion 1 in the cylindrical axis direction and sliding in two directions. The details of the configuration example common to the drive coupling portion 3 and the intermediate support portion 5 will be described later.
[0047]
Next, the arm part 1 will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a perspective view of an arm portion in the surgical manipulator of FIG.
[0048]
In FIG. 6, 14 is an arm structural member, 15 is a retaining member from the drive coupling portion 3, 16 is a receiving side gear of an arm twisting rotation driving gear 38 attached to the drive coupling portion 3, and 17 is a spacer. The arm structure material 14 includes a plurality of arm structure materials 14A and 14B. The stopper 15, the receiving side gear 16 and the spacer 17 are provided on the arm structure material 14 </ b> A side.
[0049]
For the arm structure material 14, the retaining member 15, and the spacer 17, an engineering plastic such as polyether ether ketone or a material such as FRP is used. A non-magnetic metal such as duralumin is used for the receiving gear 16 because of tradeoffs such as strength and workability. The arm structure member 14 is formed in a cylindrical shape, and the inside thereof is hollow or has at least a space through which the drive transmission wire 43 to the attitude control mechanism unit 6 passes. Further, a reinforcing structure may be provided inside to increase the strength.
[0050]
Next, the attitude control mechanism unit 6 will be described with reference to FIG. FIG. 7 is an explanatory diagram of a posture control mechanism unit in the surgical manipulator of FIG. 7A is a plan view and FIG. 7B is a side view.
[0051]
In FIG. 7, 61 is a swing part frame, 62 is a surgical instrument guide cylinder, 63a to 63b are shaft stops, 64a to 64b are shaft support parts, 65a to 65b are power transmission pulleys, and 66a to 66b are input shaft umbrellas. Tooth gears, 67a to 67b, power transmission wires, and 68, an output shaft bevel gear.
[0052]
The power transmission pulleys 65 a to 65 b are driven by the power transmission wire 43. The pulleys 65a to 65b are supported by shaft support portions 64a to 64b so as to rotate integrally with the input shaft bevel gears 66a to 66b. The input shaft bevel gears 66a to 66b and the output shaft bevel gear 68 constitute a differential mechanism, and the operation is performed according to the direction and ratio of the drive amount given from the power transmission wire 43 to the input shaft bevel gears 66a to 66b. The tool guide cylinder 62 is swung and twisted. For example, when each wire 43 is pulled so that the rotation of the input shaft bevel gears 66a to 66b is in the same direction and the same angular amount with respect to the common rotation shaft, the surgical instrument guide cylinder 62 is swung without twisting, If only the rotation direction is reversed, twisting motion occurs in the surgical instrument guide cylinder 62 without shaking the head. Note that the swing axis of the head swing and the surgical instrument guide are arranged so as to intersect the rotational axis of the arm twist at one point.
[0053]
By combining these swinging / twisting rotations and the twisting rotation of the arm 1 itself, it is possible to control the degree of freedom of posture 3 at the tip of the arm. In addition, an operation of swinging the head in a cross about a certain direction can be easily realized by swinging and twisting the arm. By combining this with the position control operation with 3 degrees of freedom of the distal end generated by the position control drive mechanism unit 2, the necessary operation in the percutaneous operation for inserting and operating the surgical instrument to be equipped at the distal end through the trocar, In other words, the so-called pivot motion (with the portion that intersects the skin and the surface at the time of insertion being fixed, performing a multi-degree-of-freedom operation at the tip thereof. There is no risk of spreading the skin and the surface of the insertion portion, (Essential movement in endoscopic surgery or the like) can be easily realized.
[0054]
Next, the details of the configuration example of the drive coupling unit 3 will be supplementarily described with reference to FIG. FIG. 8 is a detailed explanatory view of the drive coupling portion of FIG.
[0055]
8, 33a is a shaft portion of the vertical rotation shaft 33, 33b and 33c are sliding members of the vertical rotation shaft 33, 35a is a shaft portion of the front and rear rotation shaft 35, 35b is a spacer of the front and rear rotation shaft 35, and 35c is front and rear rotation. A sliding material 36 a of the shaft 35 represents a fitting hole of the front / rear rotation block 36.
[0056]
The shaft portion 33a of the vertical rotating shaft 33 is fitted into the lower portion of the fixed plate 31, passes through the fixed plate 31 and the vertical rotating frame 32 through the sliding members 33b to 33c, and is coupled by the shaft stopper 34. Accordingly, the vertical rotation frame 32 can freely rotate around the vertical axis with respect to the fixed plate 31.
[0057]
The sliding member 35 c of the front / rear rotating shaft 35 is fitted in the fitting hole 36 a of the front / rear rotating block 36. The shaft portion 35a of the front / rear rotating shaft 35 passes through the side surface portion of the vertical rotating frame 32 and the spacer 35b and reaches the sliding member 35c. Here, sliding between the shaft portion 35a and the sliding member 35c occurs, and the arm twist rotating sliding member 37 can freely rotate back and forth (in other words, tilting the arm portion 1 up and down).
[0058]
The detailed structure of the intermediate support part 5 is the same as the detailed structure of the drive coupling part 3 described above.
[0059]
The materials of the drive coupling portion 3 and the intermediate support portion 5 are as described above, and it is desirable to mainly use engineering plastics such as polyetheretherketone. As for the sliding portion, it is desirable to select one having a higher sliding resistance grade. In particular, since the intermediate support portion 5 is closer to the imaging center and disposed in the space of the MRI 9, it is better not to use metal as much as possible even if it is non-magnetic.
[0060]
Since the intermediate support portion 5 is fixed to the MRI 9 via the intermediate support fixing member 7, the space factor is good, but when it is difficult to fix to the MRI 9, it has a space coordinate system that is time-invariant. It may be fixed to what is considered. For example, as shown in FIG. 9, you may make it fix to the base 8 via the intermediate support fixing member 7A.
[0061]
Next, the operation of the surgical manipulator will be described with reference to FIG. FIG. 10 is a perspective view for explaining the operation of the surgical manipulator of FIG.
[0062]
In FIG. 10, 101 is an arrow indicating the X-axis drive direction, 102 is an arrow indicating the Y-axis drive direction, 103 is an arrow indicating the Z-axis drive direction, 104 is an arc with an arrow indicating the arm twist rotation drive direction, and 105 is a posture. An arc with an arrow indicating the swing drive direction of the control mechanism 6, 106 is an arc with an arrow indicating the twist drive direction of the attitude control mechanism 6, and 107 is caused by driving the X axis, the Y axis, or both. An arc with an arrow (dotted line) indicating the rotation direction of the vertical rotation frame 32, 108 is an arc with an arrow (dotted line) indicating the rotation direction of the front / rear rotation block 36 caused by driving the Z axis, and 109 is an X axis / Y An arc with an arrow (dotted line) indicating the direction of rotation of the vertical rotating frame 52 caused by driving the shaft or both, 110 is that the Z axis is driven Arcs with arrows indicating the rotation direction of the front / rear rotation block 53, 111 is an arm twist rotation shaft, 112 is a posture control mechanism section swing rotation shaft, 113 is a twist rotation shaft of the surgical instrument guide cylinder 62, and 114 is The rotation axis of the vertical rotation frame 32, 115 is the rotation axis of the vertical rotation block 36, 116 is the rotation axis of the vertical rotation frame 52, 117 is the rotation axis of the vertical rotation block 53, 118 is the X axis / Y axis / Z axis or all Arrows indicating the linear motion direction in the intermediate support portion 5 caused by driving the shaft are respectively represented.
[0063]
When the X, Y, and Z axes of the position control drive mechanism unit 2 cause linear motion in the operation directions 101, 102, and 103, the drive coupling unit 3 moves thereby, and the vertical rotary frame 32 and the front and rear rotary block 36 rotate. A rotational motion such as rotational directions 107 and 108 is generated about the axes 114 and 115. On the other hand, although the intermediate support portion 5 is fixed to the MRI 9, the vertical rotation frame 52 and the front / rear rotation block 53 rotate in the rotation directions 109 and 110 with the rotation shafts 116 and 117 as the central axes according to the driving force. At this time, since the arm center axis 111 is a straight line, the rotational displacement amounts in the rotational directions 107 and 109 are equal to the rotational displacement amounts in the rotational directions 108 and 110. Further, when the position control drive mechanism 2 is moved, the distance between the intersection of each rotation axis of the drive coupling portion 3 and the intersection of each rotation axis of the intermediate support portion 5 changes. That is, at that time, a linear motion 118 in the longitudinal direction of the arm portion 1 occurs in the intermediate support portion 5.
[0064]
As described above, when the X, Y, and Z axes of the position control drive mechanism 2 are driven, the position of the tip is changed by such a combination of the lever and the linear motion. The relationship between the linear displacement of the XYZ axes and the positional displacement of the tip is a simple geometric relationship and can be easily obtained. With such displacement, the twist angle with respect to the twist axis of the arm does not change. The same applies to the swinging and twisting of the posture control mechanism unit 6. Therefore, first, it is necessary to consider posture control of the tip twisting 105 around the arm twists 104 and 112 around the central axis 111 and the tip twisting 106 around the central shaft 111 by introducing the change in the tip posture associated with the position displacement. become.
[0065]
Since the mechanism is as described above, it is easy to realize the pivot motion as described above. The pivot motion does not necessarily require a degree of freedom for twisting the tip, but the presence of this allows the posture of the surgical tool to be controlled and a more complicated surgical operation to be realized.
[0066]
It goes without saying that all the elements constituting the surgical manipulator described above, or actuators for driving, wires, etc. that are not mentioned are all made of a non-magnetic material that is insensitive to a magnetic field. . As the structural material, non-magnetic metals such as duralumin (aluminum alloy) and titanium alloy, and engineering plastics are used. In the above example, the actuator is made of only a non-magnetic material and does not use the principle of electromagnetic drive. However, an ultrasonic motor is used, but a hydraulic / pneumatic actuator can be applied. In addition, it is desirable to use a polymer material with high toughness for the wire. The part of the surgical tool that is supposed to be attached to the tip is preferably made of engineering ceramic or machinable ceramic.
[0067]
The surgical manipulator configured as described above has the following advantages.
(1) The MRI external side of the arm portion 1 is driven by the position control drive mechanism portion 2 having a limited movable range, and an intermediate support portion 5 serving as a fulcrum of the arm portion 1 is provided in the space of the MRI 9 to provide an intermediate support portion. Since the operation range of 5 is limited, a dangerous malfunction such as the long arm portion 1 being swung can be mechanically prevented.
(2) Since the intermediate support portion 5 is provided in the portion of the arm portion 1 located in the space of the MRI 9, the bending at the MRI side tip of the arm portion 1 is reliably reduced, and safety as a surgical manipulator Reliability can be increased.
(3) Since the posture control mechanism unit 6 capable of controlling the posture is provided at the distal end of the arm unit 1 on the MRI imaging region side, the operation of the posture control mechanism unit 6 can be performed in a narrow space. Therefore, it is possible to cope with a special operation in a narrow MRI imaging region. Since a differential mechanism is used as the attitude control mechanism unit 6, it is possible to operate in a narrow space with a particularly compact structure.
(4) The posture control mechanism drive unit 4 which is a drive source of the posture control mechanism unit 6 is placed outside the MRI so that the driving force of the posture control mechanism drive unit 4 is transmitted to the posture control mechanism unit 6 by the wire 43. Therefore, the operation manipulator as a whole does not move much for driving the posture control mechanism 6 at the distal end of the arm 1, but a complex operation can be locally implemented at the distal end. Therefore, from this point, it is possible to cope with a special operation in a narrow MRI imaging region.
(5) Since a linear motion mechanism that linearly moves in the X-axis, Y-axis, and Z-axis directions is used to drive the position of the arm unit 1 outside the MRI, the movement of the surgical manipulator becomes intuitive and easy to understand. This facilitates the safety of surrounding workers.
(6) The speed of the attitude control mechanism unit 6 is mainly determined by the position driving speed and the position of the fulcrum, and the fixed position of the intermediate support unit 5 is made variable. The speed specification of the attitude control mechanism unit 6 can be made variable without changing the speed specification. For example, if the intermediate support portion 5 is brought to the posture control mechanism portion 6 side, the movable range of the posture control mechanism portion 6 becomes smaller and the maximum speed becomes smaller. This means that fine operation can be performed at a speed commensurate with the scale (that is, low speed in terms of spatial speed). Conversely, if the intermediate support portion 5 is brought to the opposite side of the posture control mechanism portion 6, the movable range of the posture control mechanism portion 6 is widened and the maximum speed is increased, and a large operation can be performed quickly. In other words, the ratio of the range of movement limited by the fulcrum of the arm unit 1 and the speed of movement from end to end can always be set to be the same. Has the effect of appearing the same speed.
(7) Since both the drive coupling part 3 and the intermediate support part 5 have the gimbal structure, the angle around the arm longitudinal direction is not changed when the XYZ axes of the position control drive mechanism part 2 are driven (does not interfere with the posture). You can Therefore, the attitude control mechanism 6 is not beaten by the position control drive mechanism 2.
(8) The movement magnification in the two directions perpendicular to the longitudinal direction can change the fulcrum position while keeping the movement magnification in the longitudinal direction of the arm constant by moving the intermediate support portion 5. In the assumed configuration, the surgical manipulator approaches from the side of the patient. Since the width of the patient's body is almost the same in every part, the operation magnification in this direction may be constant. On the other hand, as for the two directions perpendicular to this, first, there is the same direction as the body axis, and since the body extends in this direction, it is necessary to approach from the top to the bottom of the body with a certain technique. In some cases (for example, when a blood vessel is collected from a foot and used as a graft in the upper body surgery), the present invention can also be handled. In addition, the vertical direction can cope with the environment to be used, especially when the height and gap width of MRI are various.
[0068]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to provide a surgical manipulator that can achieve both workability and safety within the MRI.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of a surgical manipulator showing an embodiment of the present invention.
2 is a perspective view of a position control drive mechanism unit in the surgical manipulator of FIG. 1. FIG.
FIG. 3 is a perspective view of a drive coupling portion in the surgical manipulator of FIG.
4 is an explanatory diagram of a posture control mechanism driving unit in the surgical manipulator of FIG. 1. FIG.
FIG. 5 is a perspective view of an intermediate support member in the surgical manipulator of FIG. 1;
6 is a perspective view of an arm portion in the surgical manipulator of FIG. 1. FIG.
7 is an explanatory diagram of a posture control mechanism unit in the surgical manipulator of FIG. 1. FIG.
FIG. 8 is a detailed explanatory diagram of the drive coupling portion of FIG. 3;
9 is a view showing a modified example of the fixing structure of the intermediate support portion in FIG.
10 is a perspective view for explaining the operation of the surgical manipulator of FIG. 1; FIG.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Arm part, 2 ... Position control drive mechanism part, 3 ... Drive coupling part, 4 ... Attitude control mechanism drive part, 5 ... Intermediate support part, 6 ... Attitude control mechanism part, 7, 7A ... Intermediate support fixing member, 8 ... Driving unit fixing base, 9a... Upper magnet, 9b... Lower magnet, 11 .. patient lying base, 12... Patient, 13 .. intermediate support mounting portion, 14. , 17 ... Spacer, 21 ... X-axis direction base plate, 22a-22c ... X, Y, Z-axis direction actuator, 23a-23c ... X, Y, Z-axis direction ball screw, 24a-24c ... X, Y, Z Axis direction linear guide, 25a to 25c ... X, Y, Z axis direction linear encoder, 26 ... X axis direction moving plate, 27 ... Y axis direction moving plate, 28 ... Z axis direction fixed plate, 29 ... Z axis direction moving plate , 29a ... drive connection Part mounting hole, 31 ... fixed plate, 32 ... vertical rotating frame, 33 ... vertical rotating shaft, 33a, 33b ... spacer, sliding material, 34 ... vertical rotating shaft stopper, 35 ... front / rear rotating shaft, 35a ... shaft, 35b ... Spacer, 36 ... Front / rear rotation block, 36a ... Fitting hole, 37 ... Sliding material for arm twist rotation, 38 ... Arm twist rotation drive gear, 39 ... Arm twist rotation amount detection encoder, 30 ... Arm twist rotation Actuator, 41 ... Compound cylinder, 42a-42d ... Actuator, 43 ... Power transmission wire, 44 ... Displacement transmission wire, 45 ... Displacement transmission pulley, 46 ... Encoder, 47a-47b ... Tension pulley, 48 ... Compound cylinder rotation Sliding body for use 49... Housing, 51... Fixed plate 52. Vertical rotating frame 53. Front and rear rotating block 54. Hollow cylindrical sliding material 55 Front / rear rotating shaft, 56: Vertical rotating shaft, 61: Oscillating part frame, 62: Cylinder for operating tool guide, 63a-63b: Shaft stopper, 64a-64b: Shaft support, 65a-65b ... Power transmission pulley, 66a ~ 66b ... input shaft bevel gear, 68 ... output shaft bevel gear.

Claims (2)

MRIの外部から撮像領域へ延在するように設けられるアーム部と、
前記アーム部のMRI撮像領域側先端部に配置されて姿勢を制御する姿勢制御機構部と、
前記アーム部のMRI外部側に配置されると共に伝達機構を介して前記姿勢制御機構部を駆動する姿勢制御機構駆動部と、
前記アーム部のMRI外部側に配置されると共に前記アーム部のMRI外部側の位置を制御駆動する位置制御駆動機構部と、
前記アーム部と前記位置制御駆動機構部とを結合する駆動結合部と、
前記アーム部の支点として前記アーム部の中間部を支持する中間支持部と、
前記中間支持部を外部に固定するための中間支持固定部材とを備え、
前記中間支持部はMRI空間内に位置される前記アーム部の中間部を支持し、
前記中間支持部と前記中間支持固定部材との固定位置は前記アーム部の長手方向の複数箇所で可変可能としたことを特徴とする手術用マニピュレータ。
An arm portion provided to extend from the outside of the MRI to the imaging region;
A posture control mechanism unit that is disposed at the MRI imaging region side tip of the arm unit and controls the posture;
An attitude control mechanism drive unit that is disposed on the MRI outside of the arm unit and drives the attitude control mechanism unit via a transmission mechanism;
A position control drive mechanism that is disposed outside the MRI of the arm and controls and drives the position of the arm outside the MRI;
A drive coupling unit coupling the arm unit and the position control drive mechanism unit;
An intermediate support part for supporting an intermediate part of the arm part as a fulcrum of the arm part;
An intermediate support fixing member for fixing the intermediate support part to the outside,
The intermediate support part supports an intermediate part of the arm part located in the MRI space,
The surgical manipulator characterized in that the fixing position between the intermediate support part and the intermediate support fixing member can be changed at a plurality of positions in the longitudinal direction of the arm part.
請求項1に記載の手術用マニピュレータにいて、前記アーム部、前記中間支持部および前記姿勢制御機構部の撮像領域内に位置する部材は非磁性でかつ絶縁性を有する材料で形成したことを特徴とする手術用マニピュレータ。  2. The surgical manipulator according to claim 1, wherein members located in an imaging region of the arm portion, the intermediate support portion, and the posture control mechanism portion are formed of a non-magnetic and insulating material. Surgical manipulator.
JP2002068030A 2002-03-13 2002-03-13 Surgical manipulator Expired - Lifetime JP3792587B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2002068030A JP3792587B2 (en) 2002-03-13 2002-03-13 Surgical manipulator

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2002068030A JP3792587B2 (en) 2002-03-13 2002-03-13 Surgical manipulator

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2003265499A JP2003265499A (en) 2003-09-24
JP3792587B2 true JP3792587B2 (en) 2006-07-05

Family

ID=29199227

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2002068030A Expired - Lifetime JP3792587B2 (en) 2002-03-13 2002-03-13 Surgical manipulator

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP3792587B2 (en)

Families Citing this family (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1903390B (en) * 2005-07-29 2010-10-06 重庆融海超声医学工程研究中心有限公司 MRI guiding high intensity focusing ultrasonic therapeutic system
SG179470A1 (en) * 2007-03-16 2012-04-27 Univ Nanyang Tech Method and apparatus for anorectal examination
JP5325621B2 (en) 2009-03-19 2013-10-23 オリンパス株式会社 Detection mechanism of joint displacement of manipulator
DE102009017581B4 (en) * 2009-04-18 2021-06-24 Igus Gmbh Multi-axis joint especially for robotics
JP2013141574A (en) 2012-01-12 2013-07-22 Toshiba Corp X-ray imaging apparatus and program
US9314926B2 (en) * 2012-02-15 2016-04-19 Intuitive Surgical Operations, Inc. Compact needle manipulator for targeted interventions
JP2014000491A (en) * 2012-06-15 2014-01-09 Canon Inc Vibration type driving device, medical apparatus, and medical system
JP6041549B2 (en) 2012-06-15 2016-12-07 キヤノン株式会社 Medical manipulator and medical imaging apparatus provided with the medical manipulator
JP6099356B2 (en) * 2012-10-25 2017-03-22 国立大学法人神戸大学 Shoulder joint mechanism and robot equipped with the same
JP6352605B2 (en) * 2013-08-28 2018-07-04 学校法人千葉工業大学 Rotation drive mechanism and joint mechanism of robot having the same
DE102016204271A1 (en) * 2016-03-15 2017-09-21 Kuka Roboter Gmbh Medical workplace with a magnetic resonance device and a medical robot
CN105729452A (en) * 2016-04-19 2016-07-06 合肥天一生物技术研究所 Manipulator for grapping blood type card
CN111839546A (en) * 2020-06-05 2020-10-30 哈工大机器人(中山)无人装备与人工智能研究院 Motion and small-size blood sampling robot

Also Published As

Publication number Publication date
JP2003265499A (en) 2003-09-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP3792587B2 (en) Surgical manipulator
JP5084865B2 (en) Device for operating medical tools in a patient&#39;s body
KR101854972B1 (en) Surgical robot
JP5923025B2 (en) Magnetic end effector and its guiding and positioning device
EP3643266A1 (en) Surgery supporting apparatus for controlling motion of robot arm, control method of the same, and non-transitory computer-readable storage medium
US20210401524A1 (en) Decoupling tool shaft from cable drive load
US9770299B2 (en) Treatment tool, manipulator, and surgery support system
KR101724227B1 (en) Medical robot
WO2020005165A1 (en) Robotic linkage apparatus
CN113180836B (en) Input device, main operation device, and surgical robot
WO2020090233A1 (en) Parallel link device, master-slave system, and medical master-slave system
JP2004329726A (en) Surgical operation apparatus
JP2020065904A (en) Surgery assistance apparatus
JP2020065910A (en) Surgery assistance apparatus
Dachs et al. A novel surgical robot design: Minimizing the operating envelope within the sterile field
JP2002103255A (en) Support device of manipulator
JP4381907B2 (en) Surgery support system
CN220113301U (en) Operating component driven by linear motor and robot
WO2023112732A1 (en) Robot system and coordinate registration method
WO2023093218A1 (en) Instrument driver for surgical robot and surgical robot
EP4122417B1 (en) Floating drive mechanism for medical robot and medical robot
CN111629865A (en) Master-slave system, operation device, and robot device
US20240180638A1 (en) Actuation carriage with integrated measurement for robotically controlled surgical instruments
Spaelter et al. A versatile MRI/fMRI compatible spherical 2-dof haptic interface
Gkovopoulos Design of a 3D printed actuation platform for concentric tube robots

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20040419

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20050627

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20050705

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20050823

RD02 Notification of acceptance of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7422

Effective date: 20050823

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20060328

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20060405

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 3792587

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090414

Year of fee payment: 3

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100414

Year of fee payment: 4

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110414

Year of fee payment: 5

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120414

Year of fee payment: 6

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120414

Year of fee payment: 6

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130414

Year of fee payment: 7

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140414

Year of fee payment: 8

EXPY Cancellation because of completion of term