JP4077516B2 - 向上した巧緻性および感度で最低侵襲性外科手術を行うための力反映外科手術器具および位置決め機構 - Google Patents

Description

発明の分野
本発明は、広義には、最低侵襲性外科手術の遂行を高めるための方法および装置に関する。具体的には、本発明は、最低侵襲性外科手術手順を行う外科医の能力を増大させる、サーボ機構を利用した外科手術システムに関する。より具体的には、本発明は、高い巧緻性、小さな摩擦、小さな慣性および良好な力反映（force reflection）を有する最低侵襲性外科手術のための外科手術器具と器具位置決めシステムとの新規な組合せに関する。
発明の背景
最低侵襲性医療技術は、診断上または外科手術手順の間に損傷される無関係な組織の量を低減し、これにより、患者の回復時間、不快感および有害な副作用を低減することを目的としている。今日、米国において毎年約２１，０００，０００件の外科手術が行われている。これらの外科手術の内約８，０００，０００件は潜在的に最低侵襲に行うことが可能であると推定されている。しかし、最低侵襲性外科手術器具および技術ならびにこれらを修得するために必要なさらなる外科手術訓練の制限のために、現在のところ、わずかに約１，０００，０００件の外科手術でしかこれらの技術は用いられていない。
最低侵襲性外科手術技術の進歩は、劇的な影響をもたらし得る。標準的な外科手術の場合の平均入院日数は８日間であり、同等の最低侵襲性外科手術の場合の平均日数は４日間である。従って、最低侵襲性技術を全面的に採用することによって、２８，０００，０００日間の入院日数ならびに入院費用だけでも年間数十億ドルを節減し得る。患者の回復時間、患者の不快感、外科的副作用および仕事から離れる時間も最低侵襲性外科手術によって低減される。
最低侵襲性外科手術の最も一般的な形態は内視鏡検査である。おそらく、最も一般的な形態の内視鏡検査は、最低侵襲性の検査および腹腔内外科手術である腹腔鏡検査である。標準的な腹腔鏡検査外科手術の場合、患者の腹部にガスを注入し、カニューレスリーブを小さな切開部（約１／２インチ）に通し、これにより、腹腔鏡検査外科手術器具のための入口を得る。
腹腔鏡検査外科手術器具は、広義には、外科手術部位（surgical field）を見るための腹腔鏡、ならびに、鉗子、把持具（graspers）、鋏、ホチキス（staplers）およびニードルホルダ（needle holder）のような作業工具（working tools）を含む。作業工具は、長さ約１２インチの延長チューブによって各工具の作業端がハンドルから離れていることを除けば、従来の（開腹）手術で使用されるものと同様である。
外科手術手順を行う際、外科医は、カニューレに器具を通し、カニューレを通して器具を前後にスライドさせ、カニューレ内で器具を回転させ、腹壁内において器具を梃子で動かし（即ち、旋回させ）、そして器具の遠位端上のエンドエフェクタ（end effector）を作動させることによって器具を操作する。器具は、概ね腹壁筋肉内の切開部によって規定される回転中心周りを旋回する。外科医は、腹腔鏡検査カメラによって提供される腹部作業部位（worksite）の画像を表示するテレビモニタによって、手順を監視する。
関節鏡検査、後腹膜鏡検査（retroperitoneoscopy）、骨盤鏡検査（pelviscopy）、腎盂尿管鏡検査（nephroscopy）、膀胱鏡検査、脳槽鏡検査（cisternoscopy）、洞房鏡検査（sinoscopy）、子宮鏡検査および尿道鏡検査においても同様の内視鏡検査技術が用いられる。これらの最低侵襲性外科手術技術全てに共通する特徴は、人体内の作業部位を可視化し、特別設計された外科手術器具を自然の細孔または小さな切開部を介して作業部位まで通すことにより人体の組織および器官を操作し、これにより、開腹外科手術的アクセスを形成することによって周辺組織にもたらされる付随外傷を回避することである。
現在の最低侵襲性外科手術技術には多くの欠点がある。第１に、典型的に、作業部位の映像は、手術室内にある直立型モニタ上に表示される２次元映像である。３次元的な深さの手掛かりが外科医から奪われ、手の動きを映像上に表示される工具の動きと関連付けることが困難であり得る。第２に、器具は、器具が体壁を貫通する地点で旋回し、これにより、器具の先端が外科医の手とは反対方向に動く。第３に、現存のＭＩＳ器具は、開腹外科手術における工具を配置する際の可撓性を外科医に与えない。ほとんどの腹腔鏡検査工具は、剛性シャフトを有しており、小さな切開部の方向からの作業部位への接近が制限される。第４に、多くの内視鏡検査器具の長さおよび構造は、組織および器官によって工具のエンドエフェクタ上にかかる力を感じる外科医の能力を低減する。
これらの問題を克服して内視鏡検査手順の専門技術を得るためには、多量の練習および絶えず内視鏡検査工具に慣れ親しむようにすることが要求される。しかし、外科医の内視鏡検査外科手術の制限への適合化にも関わらず、この技術は、トロカールまたは焼灼外傷による内臓穿孔のような開腹外科手術では滅多に見られない合併症を増大させた。さらに、最低侵襲性医療行為の拡張に対する最大の課題の１つである外科手術工具の巧緻性の欠如および工具を使用する困難さは依然として残っている。
外科医の巧緻性を向上するとともに、外科医が遠れた場所から患者を手術することを可能にする、外科手術用の遠隔外科手術システム（Telesurgery systems）が開発されつつある。遠隔外科手術は、外科医が工具を直接保持して動かすのではなく外科手術器具の動きを間接的に制御する外科手術システムの総称である。遠隔外科手術用のシステムの場合、遠れた場所にいる患者の身体の画像が外科医に提供される。外科医は、３次元画像を見ながら、サーボ機構駆動器具（servomechanism-actuated instrument）の動きを制御するマスターデバイスを操作することによって患者に対して外科手術手順を施す。行為に対して器具が位置決めされる方位と同じ方位で、手術部位の画像に対して外科医の手およびマスターデバイスを位置決めする。手術中、この器具は、組織把持具、ニードルホルダ等のような様々な外科手術器具の機械的な駆動および制御を提供し、それぞれが外科医のために様々な機能、即ち、針の保持または駆動、血管の把持または組織の切開を行う。
このような遠隔外科手術システムは、開腹手順および内視鏡検査手順の両方のために提案されている。遠隔外科手術技術に関する最新技術の概要は"Computer Integrated Surgery: Technology And Clinical Applications"（MIT Press, 1996）に見られる。さらに、遠隔外科手術用の従来のシステムは、米国特許第5,417,210号、第5,402,801号、第5,397,323号、第5,445,166号、第5,279,309号、および第5,299,288号に記載されている。
提案されている遠隔操作器（telemanipulators）を用いた遠隔外科手術を行うための方法は、多数の新たな課題を生み出している。このような課題の１つは、外科医が遠隔外科手術システムを操作する際に、位置、力および触覚を外科手術器具から外科医の手に伝達して、外科手術器具を直接手で操作した場合と同じ感覚を外科医が持つようにすることである。例えば、器具が患者内の組織構造または器官に係合した時に、システムは、器具に対する反作用力（reaction force）を検出してこの力を外科医に伝達し得るべきである。手術部位周辺領域の組織を誤って損傷してしまう可能性を低減するためには、器具に力反映を提供する必要がある。力反映によって、器具が組織に係合したときに器具の動きに対する抵抗を外科医が感じることが可能になる。力反映を提供するシステムの能力は、機構内の摩擦、重力、外科手術器具の慣性および外科的切開部において器具にかかる力のような要因によって制限される。力センサを用いた場合でも、慣性、摩擦、およびモータと力センサとの間の適合性（compliance）によって、外科医に提供される力反映の質が低下する。
別の課題の１つは、効果的な遠隔外科手術を可能にするために、器具が、高応答性でなければならず且つ外科手術手順において外科医が使用し得る急速な手の動きに正確に追従しなければならないことである。この高速応答性性能を達成するためには、適切に高いサーボ帯域幅を有するように外科手術サーボ機構システムを設計しなければならない。これにより、小さい慣性を有するとともに比較的低い比のギアまたはプーリー結合（pulley couplings）を有する駆動モータを用いるように器具を設計することが必要になる。システムが、制御が容易な機構を用いて、外科手術を行う際のより高い自由度を提供することによって、標準的な内視鏡検査技術よりも外科医の巧緻性を向上させ得ることも好ましい。
別の課題の１つは、最低侵襲性外科手術を可能にするために、小さな切開部を通過できるように器具が小さくコンパクトでなければならないことである。典型的に、ＭＩＳ手順は、直径５ｍｍ〜１２ｍｍのカニューレを通して行われる。
従って、遠隔操作者システムの制御下で人体の組織を保持および操作するためのサーボ機構（servomechanical）外科手術装置が必要である。
外科手術器具にかかる力の敏感なフィードバックを外科医に提供し得るサーボ機構外科手術装置を提供することも望まれる。
装置上に作用する重力を補償して、外科医がこれらの力を感じないようにするサーボ機構外科手術装置を提供することもさらに望まれる。
高応答性で、大きな移動範囲を有し、外科手術手順を行う際に外科医が頻繁に使う急速な手の動きに正確に追従し得るサーボ機構外科手術装置を提供することもさらに望まれる。
制御が容易なリストジョイント（wrist joint）を提供することによって、外科医が内視鏡検査外科手術を行う際の巧緻性を高めるサーボ機構外科手術装置を提供することもさらに望まれる。
発明の要旨および目的
従って、本発明の目的の１つは、遠隔操作者システムの制御下において人体の組織を保持および操作するサーボ機構外科手術装置を提供することである。
外科手術器具にかかる力の敏感なフィードバックを外科医に提供し得るサーボ機構外科手術装置を提供することも本発明の目的の１つである。
装置上に作用する重力を補償して、外科医がこれらの力を感じないようにするサーボ機構外科手術装置を提供することも本発明のさらに別の目的の１つである。
高応答性で、大きな移動範囲を有し、外科手術手順を行う際に外科医が頻繁に使う急速な手の動きに正確に追従し得るサーボ機構外科手術装置を提供することも本発明のさらに別の目的の１つである。
制御が容易なリストジョイントを提供することによって、外科医が内視鏡検査外科手術を行う際の巧緻性を高めるサーボ機構外科手術装置を提供することも本発明のさらに別の目的の１つである。
本発明の上記目的に従って、本願出願人らは、内視鏡検査外科手術に適したコンパクトなサーボ機構動作の外科手術器具を含むサーボ機構システムを記載する。器具は、２つの対向する旋回顎を有し、旋回リスト部材を有し得る。器具は、外科医が操作するマスターコントロールにサーボ機構を介して接続するように構成される。サーボ機構システムと組み合わされたとき、器具およびリスト部材は、４段階の力反映を高感度に提供することができる。器具は、広い移動範囲にわたって２の自由度で器具を動かすことができる位置決め機構上に搭載される。マクロ−マイクロ作動（actuation）および制御システムによって、外科医に反映された力によって位置決め機構上に作用する重力、慣性および他の外的な力（extraneous forces）の影響が排除される。
【図面の簡単な説明】
本発明の上記およびその他の目的、特徴ならびに利点は、図面の好適な実施形態の以下のより具体的な説明から明らかになるであろう。図面を通して、同じ参照符号は、同じ部分を示す。図面は、必ずしも一定の縮尺で示されている訳ではなく、本発明の原理を説明する場所には強調を加えている。
図１は、位置決め機構に装着される力反映器具を含むサーボ機構手術システムの概略図である。
図２は、力反映手術器具および位置決め機構を制御するための好適なマスターデバイスの斜視図である。
図３は、器具を患者に挿入した状態での位置決め機構が前および後ろの位置にある場合の概略図である。
図４ａは、力反映手術器具の斜視図である。
図４ｂは、器具の回転運動をケーブル駆動により作動させる場合の概略図である。
図５は、力反映器具の遠位端の斜視図である。
図６は、ケーブルおよびプーリーを示す力反映器具の簡略化された概略図である。
図７は、駆動モータを示す位置決め機構の基部の斜視図である。
図８ａは、駆動モータの駆動シャフトに巻き付けられたケーブルの斜視図である。
図８ｂは、駆動モータの駆動シャフトに巻き付けられ、ドラム機構を駆動するケーブルの斜視図である。
図８ｃは、本発明による別の好適なケーブル駆動方法を示す概略図である。
図９は、別の好適な力反映器具のリスト部材の上面図である。
図１０は、単純なマスター−スレーブシステムを例示的に示すための概略図である。
好適な実施形態の詳細な説明
第１の実施形態の器具は、長手方向の軸に沿う近位端および遠位端を有する細長い支持部材を含む。遠位リスト部材は、リストジョイントにより、支持部材の遠位部に回転可能に連結される。第１および第２の対向する作業部材は、それぞれ第１および第２の駆動されるキャプスタンに装着される。第１および第２の駆動されるキャプスタンは、それぞれ第１および第２のキャプスタンジョイントにより、リスト部材に回転可能に装着される。第１、第２、第３および第４の中間アイドラプーリーは、リストジョイントを中心に回転可能にリスト部材に装着される。第１、第２、第３および第４のケーブルを含むケーブル駆動システムが設けられる。中間アイドラプーリーの各々は、１つのケーブルによって係合され、駆動されるキャプスタンの各々は、２つのケーブルによって係合されて駆動される。ケーブル駆動システムは、リスト部材をリストジョイントを中心に旋回させることができ、且つ、キャプスタンジョイントを中心に作業部材を互いに独立して旋回させることができる。
好適な実施形態では、第１および第２のキャプスタンジョイントは、共通の軸に沿っている。器具は、第１、第２、第３および第４のケーブルをそれぞれ駆動するための第１、第２、第３および第４のアクチュエータをさらに含む。４つのアクチュエータがすべて作動されると、ケーブル駆動システムは、支持部材を長手方向の軸に沿って並進させることができる。
第１および第２の近位アイドラプーリーは、第１から第４のケーブルを係合して引っ張る。さらに、第５および第６のケーブルは、第１および第２の近位アイドラプーリーに接続される。第３の近位アイドラプーリーは、支持部材の近位部に回転可能に装着され、第５および第６のケーブルを係合して引っ張り、それにより、第１および第２の近位アイドラプーリーおよび第１から第４のケーブルを引っ張る。アクチュエータは、好ましくは、中間アイドラプーリーと近位アイドラプーリーとの間に配置される駆動モータである。
支持部材は、支持部材の近位部と遠位部とを分離して、近位部を遠位部に対して長手方向の軸周りに回転させる回転式ジョイントをさらに含む。第５のアクチュエータは、第７のケーブルによって支持部材の遠位部に連結され、遠位部を長手方向の軸周りに回転させる。第１から第４のケーブルは、遠位部の回転中に長手方向の軸周りにねじれることが可能である。
器具は、マスターデバイスおよびコントローラによって制御されるスレーブデバイスである。器具およびマスターデバイスの動きと、器具およびマスターデバイスに与えられる力とは、器具とマスターデバイスとの間でスケーリング（scale）され得る。２の自由度を有し、４つのバーを有するリンケージ位置決め機構は、作業部位に対して器具を位置決めするための器具に装着される。位置決め機構は、器具に、終点を位置決めするための余剰な（redundant）自由度を与える。位置決め機構と器具との組み合わせにより、マスターデバイスを操作しているユーザは、器具の位置決めおよび使用の間に器具が受ける力を、従来のシステムよりも高い感度で感じることができる。
本発明はまた、器具を駆動するための第１、第２、第３および第４のケーブルを含む器具を駆動するためのケーブル駆動システムを提供する。第１の近位アイドラプーリーは、第１および第２のケーブルを回転可能に係合して引っ張る。第２の近位アイドラプーリーは、第３および第４のケーブルを回転可能に係合して引っ張る。第５および第６のケーブルは、第１および第２の近位アイドラプーリーに連結され、第１および第２の近位アイドラプーリーを引っ張る。第３のより近位アイドラプーリーは、支持部材に回転可能に連結され、第５および第６のケーブルを回転可能に係合して引っ張る。第１、第２および第３のアクチュエータが含まれ、これら各々のアクチュエータは、第１から第６のケーブルのうちの１つを駆動する。
好適な実施形態では、線形ベアリングが、支持部材と摺動的に係合される状態で装着され、支持部材が線形ベアリングに対して往復運動することを可能にする。ケーブル駆動システムは、第４のアクチュエータをさらに含み、第１から第４のアクチュエータの各々が、第１から第６のケーブルのうちの１つを駆動する。
外科手術器具の好適な属性についての詳細はまた、本出願人による、「Wrist Mechanism For Surgical Instrument For Performing Minimally Invasive Surgery With Enhanced Dexterity And Sensitivity」および「Articulated Surgical Instrument For Performing Minimally Invasive Surgery With Enhanced Dexterity And Sensitivity」と題された、本願と同日出願の同時係属中の出願に記載される。本明細書において、上記出願の開示を参考として援用する。
図１を参照して、遠隔外科手術システム１０は、ある場所にいる外科医が、別の場所にいる患者に外科手術を行うことを可能にする。外科医は、患者と同じ手術室にいてもよく、何マイルも離れた場所にいてもよい。遠隔外科手術システム１０は、装着ブラケット３６により位置決め機構１４に装着される力反映外科手術器具１２を含む。器具１２および位置決め機構１４は、コンピュータ１１およびマスターデバイス１５０によって制御される。マスターデバイス１５０は、遠隔地にいる外科医によって操作される。器具１２および位置決め機構１４は、駆動モータＭ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４、Ｍ５、Ｍ６およびＭ７（図４ａ、図４ｂ、図６および図７）によって、一連のケーブルおよびプーリーとともに駆動される。
器具１２は、小さい摩擦、小さい慣性、および高帯域幅を有するが、移動範囲は小さい。位置決め機構１４は、移動範囲は大きいが、器具１２よりも大きい慣性および低い帯域幅を有する。マクロ−マイクロ作動方式において器具１２と位置決め機構１４とを組み合わせることにより、その個々の構成要素のいずれよりも、高められた操作能力および力感知能力を有するシステムが得られる。位置決め機構１４は、余剰な自由度を有する遠隔外科手術システム１０を与え、手術作業部位にある位置決め器具１２の助けとなり、器具１２がほぼ、必要な手術を行うための適切な位置となる。このように、器具１２を位置決め機構１４に装着することにより、遠隔外科手術システム１０には、器具１２の使用を通して良質な力制御が与えられ、それと同時に、位置決め機構１４のため、大きい移動範囲を有する。
器具１２は、回転式ジョイント２６によって遠位部２８ｂに回転可能に連結される近位部２８ａを有する。近位部２８ａは、摺動ジョイント３０を形成する摺動ブラケット９６に摺動自在に連結される。摺動ブラケット９６は、ブラケット３６に固定される。遠位部２８ｂは、リストジョイント１６によって管状支持部材２４に回転可能に連結されるリスト部材を含む。２つの対向する作業部材２０ａおよび２０ｂはそれぞれ駆動されるキャプスタン１８ａおよび１８ｂに固定され、駆動されるキャプスタン１８ａおよび１８ｂはそれぞれキャプスタンジョイント１９ａおよび１９ｂを中心に回転可能にリスト部材２２に連結される。作業部材２０ａおよび２０ｂは、鋏、開創器、針ドライバおよび電気メス（electrocautery）器具などの標準の外科手術器具の操作端であり得る。
器具１２は、５の自由度を有し、摺動ジョイント３０が、長手方向の軸Ｃに沿って線形動作を与え、回転ジョイント２６が、軸Ｃ周りの回転動作を与え、リストジョイント１６が、軸Ｂ周りの回転動作を与え、キャプスタンジョイント１９ａおよび１９ｂが、作業部材２０ａおよび２０ｂに対して、軸Ａ周りの回転動作を与える。器具１２は、マスターデバイス１５０に４段階（four degrees）の力反映を与えるため、外科医は、手術処置の触知（tactile）フィードバックを有し得る。これらの力反映段階は、作業部材２０ａおよび２０ｂに与えられる力と、作業部材２０ａと２０ｂとの間の保持力とを含む。しかし、力の反映は、任意の特定の実施形態において必要に応じてより多いまたはより少ない動作軸に与えられ得る。
位置決め機構１４は、軸Ｅ−Ｅ周りに回転する、４つのバーを有するリンケージからなる、２の自由度を有するリンケージである。位置決め機構１４は、ジョイント３４、３８、４８、５０、５２、５４および５６によって共に結合される一連の剛性部材３６、４０、４２、６０および６２を有する。位置決め機構１４はまた、耳部５８を有する基部６８を含み、耳部５８は、シャフト６４および６６を係合して、軸Ｅ−Ｅ周りに旋回するジョイント５７を形成する。ジョイント５６は、リンク６２が、軸Ｅ−Ｅに直交する軸Ｄ−Ｄ周りに回転することを可能にする。剛性部材３６、４０、４２、６０および６２の４つのバーを有するリンケージは、この回転をブラケット３６を介して器具１２に伝え、器具１２を軸Ｅ−Ｅおよび軸Ｄ’−Ｄ’周りに回転させる（軸Ｄ’−Ｄ’は、軸Ｄ−Ｄに平行であり、軸Ｅ−Ｅに直交する）。このように、４つのバーを有するリンケージは、器具１２の点Ｐ_sを、遠隔中心１１１に中心を有する球体の表面の周りで移動させるように動作する。
ここでは４つのバーを有するリンケージが示されているが、本発明は、任意の適切な位置決め機構を組み込み得る。最低侵襲性外科手術が最小である手術に適切なものとするために、位置決め機構は、外科手術器具を、器具１２が患者に挿入される開口で交差する軸周りに旋回させなければならない。本発明の利点の１つは、位置決め機構が、力フィードバック情報を与える必要がないことであり、これにより、位置決め機構の広い設計範囲が可能となる。
図２を参照して、器具１２および位置決め機構１４を制御するのに適切な触覚マスターデバイス１５０の簡略化された図が示される。マスターデバイス１５０は、マウント１５６（部分的に図示）に旋回可能に連結される、２の自由度を有するリンケージ１５８を含む。使用中、マウント１５６は、マウントが一定の基準点を与えるように、コンソールまたはカートまたは同様の固定支持体に適切な位置で固定される。リンケージ１５８は、回転式ジョイント１７０、１７１および１７２を含む。作業部材制御機構１５２は、ジンバルジョイント１６４によってリンケージ１５８の遠位端１５４に連結される。マスターデバイス１５０はまた、一連のエンコーダ（図示せず）を含み、このエンコーダは、器具１２および位置決め機構１４の駆動モータを制御するために、コンピュータ１１に、各ジョイントの回転位置を与える。
使用中、外科医は、自分の親指および人差し指を、作業部材制御機構１５２のフィンガグリップ１６６に入れて、マウント１５６に対する機構１５２の位置および向きを操作する。これにより、器具１２および位置決め機構１４の動きを制御し、手術部位に対する器具１２の遠位端の位置を制御する。
マスターデバイス１５０の機構１５２は、軸Ｆ−Ｆ、Ｈ−ＨおよびＫ−Ｋに沿って３つの並進自由度を有する。マスターデバイス１５０のジョイント１７０、１７１および１７２の回転は、ジンバルジョイント１６４の中心点である機構１５２上の点Ｐ_mの位置を決定する。点Ｐ_mの位置により、作業部材２０ａおよび２０ｂをつなぐ弧の途中に位置する点Ｐ_s（図１、図４および図５参照）の位置が制御される。これにより、機構１５２を操作する際に外科医によって引き起こされる、軸Ｆ−Ｆ、Ｈ−ＨおよびＫ−Ｋに沿った点Ｐ_mの並進は、ジョイント１７０、１７１および１７２のエンコーダによって検出される。エンコーダからの情報は、コンピュータ１１に与えられ、コンピュータ１１は、位置決め機構１４および器具のモータに対する適切な電流を制御して、器具の点Ｐ_sの対応する動きを引き起こす。
マスターデバイス１５０の機構１５２はさらに、軸Ｆ−Ｆ、Ｈ−ＨおよびＫ−Ｋ周りに３つの回転自由度を有する。機構１５２のリンググリップ１６６を、矢印１７６で示すように、ジンバルジョイント１６４に対して軸Ｆ−Ｆ周りに回転させることにより、器具１２の作業部材２０ａおよび２０ｂの、軸Ｇ周りの正味の回転が制御される（図１、図４および図５）。軸Ｇは、リスト部材２２から軸Ａに対して垂直な方向に且つ作業部材２０ａと２０ｂとの間に延びる軸である。作業部材２０ａおよび２０ｂの軸Ｇ周りの正味の回転は、器具構成要素の軸Ａ−ＡおよびＢ−Ｂ周りの協調（coordinate）された回転を必要とする。コンピュータ１１は、標準的な方法に従って、マスターの回転から器具の回転への適切な変換を決定する。同様に、機構１５２を、矢印１７８で示すように軸Ｋ−Ｋ周りに、または矢印１７４で示すように軸Ｈ−Ｈ周りに回転させることはさらに、器具１２の軸Ａ−Ａ、Ｂ−ＢおよびＣ−Ｃ周りの協調運動を引き起こし、それにより器具の作業部材の対応する回転運動を引き起こす。
機構１５２は、フィンガグリップ１６６が矢印１７５によって示すようにくっついておよび離れて動き得るという点で、第７の自由度を有する。フィンガグリップ１６６の相対的な動きは、モータＭ８のエンコーダＥ８により検出される。位置データは、エンコーダＥ８からコンピュータ１１へ伝送される。コンピュータＥ８は、その後、適切な信号を器具１２のモータＭ１〜Ｍ４に伝送して、それに対応する、キャプスタンジョイント１９ａおよび１９ｂ並びに作業部材２０ａおよび２０ｂの相対的な運動を引き起こす。
作業部材制御機構１５２は、図２に示すような典型的な外科器具ハンドルを含み得るが、変形例として外科医の指により操作され得るシンブルまたは同様のデバイスを含み得る。別の実施形態による作業部材制御機構１５２は、器具１２を方向付ける（orientate）ジンバルジョイント１６４に連結されたシンプルなウォンドにより置換され得る。記載しているシステムにおいてマスターとして用いられるに適した装置の１つは、参考のためここに援用する、”Ｆｏｒｃｅ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｎｇ Ｈａｐｔｉｃ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ”いう名称の米国特許第５，５８７，９３７号に記載されている。別の適切なマスターデバイスは、参考のためここに援用する、”ＥｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌＨｕｍａｎ−Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ Ｗｉｔｈ Ｆｏｒｃｅ−Ｆｅｅｄｂａｃｋ”という名称の米国特許第５，５７６，７２７号に記載されている。本発明での使用において、上記文献に開示された装置は、作業部材を把持することからの力反映を提供するために、より大きな（powered）更なる自由度の追加を要する。潜在的に、本実施形態において、フィンガグリッパ１６６、モータＭ８およびエンコーダＥ８は、外科医の別の手で操作されるように別個の機構上に位置し得る。あるいは、フィンガグリッパは、外科医が操作するために、同一のデバイス上のモータおよびエンコーダに取り付けられ得る。
腹腔鏡を用いる手術のために遠隔外科手術システム１０を用いる場合、位置決め機構１４を、手動操作セットアップジョイント（図示せず）に取り付ける。このセットアップジョイントは、患者に対して適所に安定的に取り付けられた外科用カートに取り付けられ得る。セットアップジョイントは、位置決め機構１４を、手術台に取り付けられたレールに直接取り付けるためにも用いられ得る。第３の変形例において、セットアップジョイントは、手術室において床、壁、または天井に恒久的に取り付けられ得る。全てのセットアップジョイントに共通の特徴は、手術手順のためのセットアップ中に、位置決めアームの基部が患者に対して相対的に移動することを可能にし、点１１１が手術部位の大まかなロケーションにおいて患者の身体上の適切なエントリポイントにあるようにアームが位置づけられることを可能にするということである。好適には、セットアップジョイントは、６つの自由度を有し、従って患者に対する、位置決め機構１４の並進移動および回転を可能にする。典型的には、セットアップジョイントは、リモートセンタ点１１１の患者に対する移動手順中に適切な位置にロックされる。
図３を参照すると、セットアップジョイントを用いて工具を位置決めして工具を適切な位置にロックした後、外科医は、マスターデバイス１５０を操作して患者の腹壁１１０の小さい切開１１２を介して挿入されるカニューレ１１３を通して器具１２を移動させる。マスターデバイス１５０の操作に応答して、器具１２の遠位部２８ｂが、摺動ジョイント３０に沿って位置決め機構１４に対して下流に並進移動して、カニューレ１１３および腹壁１１０を通って挿入される。一旦腹部内に入ると、器具１２の遠位部２８ｂはさらに、所望の手術部位上に位置づけられる。図３は、大きな位置移動を行うために前方および後方位置における、軸Ｄ−Ｄ周りに旋回する機構１４の動きを示す。位置決め機構１４は、軸ＤおよびＥ周りに旋回して、遠隔外科手術システム１０の大きな移動を行う。その間、細かい動きは、器具１２のジョイントによって行われる。器具１２上の点１１１は、位置決め機構１４からの回転のリモート点であり、これはエントリ創傷１１２に一致する。位置決め機構１４が軸Ｄおよび軸Ｅ周りに旋回すると、器具１２は点１１１周りに旋回する。切開１１２近傍の点１１１は、器具１２が患者内で旋回している間、静止したままであることに留意されたい。その結果、切開１１２は、器具１２を受け入れるに十分な大きさであればよい。
位置決め機構１４が旋回すると、リスト部材２２または作業部材２０ａ／２０ｂが組織と係合してジョイント１６または１９ａ／１９ｂ周りの回転を引き起こす場合、器具１２は、器具１２が位置決め機構１４に対して作業スペースの中央部に維持されるように、それ自体を再び方向付ける。必要であれば、位置決め機構１４は、器具１２が再方向づけしている間、速度を弛め得る。
器具１２が一旦適切な位置にくると、外科医は、さらにマスターデバイス１５０を操作することにより、器具１２で患者に必要な手術手順を行う。器具１２が受ける力は、マスターデバイス１５０によって外科医に戻って反映される（reflected back）。反映された力は、外科医が手術手順をよりよく「感じる」ことを可能にするために、スケールアップされ得る。その結果、外科医は、器具１２が、あまり抵抗を与えないタイプの組織に係合することを感じることができる。さらに、マスターデバイス１５０の、器具１２に対する移動は、器具１２の精度および巧緻性が増加し得るように、スケールダウンされ得る。
位置決め機構１４は広範囲の動きを有するように最適化されているため、器具１２よりも大きい慣性、大きい摩擦、および低い分解能を有する傾向にある。さらに、カニューレ１１３内の摩擦力および切開１１２における妨げとなる力が、位置決め機構に適用され得る。しかし、出願人による好適な実施形態において、力反映のために力を検出するのは、主に器具である。そのため、位置決め機構のより大きい慣性および摩擦、ならびにそれに作用する外的な力は、力反映系から除外される。従って、器具１２の先端とマスターデバイスとの間の力反映の質は、大幅に向上する。
図４Ａ、図４Ｂおよび図５を参照して、器具１２をより詳細に述べる。遠位部の管状支持部材２４は軸Ｃに沿って延び、管状支持部材２４の長さ方向に延びる一連のケーブルＣ１、Ｃ２、Ｃ３およびＣ４を収容している。ケーブルＣ１、Ｃ２、Ｃ３およびＣ４は、作業部材２０ａおよび２０ｂの動作並びにリスト部材２２の方向を制御するジョイント１９ａ、１９ｂおよび１６の回転を制御する。リスト部材２２は、２つの互いに対向する遠位の耳部２１ａおよび２１ｂを含む。耳部２１ａおよび２１ｂは、軸Ａ−Ａに沿って延びるキャプスタンジョイント１９ａおよび１９ｂのそれぞれにおいて、駆動されるキャプスタン１８ａおよび１８ｂを支持するＵリンク（clevis）を形成する。リスト部材２２はさらに、２つの対向する近位の耳部２３ａおよび２３ｂを含む。耳部２３ａおよび２３ｂは、軸Ｂ−Ｂに沿って耳部２３ａと舌部２４ａとの間に延びる中間アイドラプーリー７０および７２を、リストジョイント１６において支持するＵリンクを形成する。中間アイドラプーリー７４および７６は、耳部２３ｂと舌部２４ａとの間で支持される。ケーブルＣ１、Ｃ２、Ｃ３およびＣ４は、以下に詳細に記載するように、駆動されるキャプスタン１８ａ／１８ｂ、並びに中間アイドラプーリー７０、７２、７４および７６と係合する。
作業部材２０ａおよび２０ｂは、それぞれの駆動されるキャプスタン１８ａおよび１８ｂに取り外し可能に安定的に取り付けられる。作業部材２０ａおよび２０ｂは図中グリッパとして示しているが、作業部材２０ａおよび２０ｂは、はさみ、カッタ、把持具、鉗子または縫合をステッチするニードルホルダなどの他のタイプの作業部材に置換され得る。典型的には、作業部材は、ねじ、クリップまたは他の適切な固定具により、駆動されるキャプスタン１８ａおよび１８ｂに安定的に取り付けられる。しかし、作業部材はまた、半田付けまたは溶接などによって、駆動されるキャプスタンに恒久的に取り付けられ得、または駆動されるキャプスタンと一体的に形成され得る。
作業部材２０ａおよび２０ｂは共に、１形態の外科用エンドエフェクタを含む。本発明の外科用器具において、他の外科用エンドエフェクタも用いられ得る。エンドエフェクタは単に、ハンドルが取り外された標準の外科用または内視用器具を含み、これらは、例えば、開創器、電気メス器具、マイクロ鉗子、マイクロニードルホルダ、切開はさみ、ブレード、イリガートルおよび縫合糸を含む。エンドエフェクタは典型的には、１つまたは２つの作業部材を含む。
器具１２の近位部２８ａは、支持ロッド１００並びに２つのガイドレール１０４および１０６によって互いに連結された支持ブラケット９８および１０２を含む。ロータリジョイント２６を形成するロータリベアリング９１は、管状支持部材２４を支持する支持ブラケット９８内に収容される。摺動ブラケット９６は線形ベアリングに沿って摺動可能にガイドレール１０４および１０６に取り付けられる。図１に示すように、摺動ブラケット９６は、ブラケット３６によって位置決め機構１４に連結される。摺動ブラケット９６は好適には、外科的用途のために、約８インチの移動を行う。駆動モータＭ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４およびＭ５は、摺動ブラケット９６に取り付けられ、対応するケーブルＣ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４およびＣ５を駆動する。各駆動モータＭ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４およびＭ５は、コンピュータ１１にそれぞれの駆動シャフトの回転位置を供給する、対応するエンコーダＥ１、Ｅ２、Ｅ３、Ｅ４およびＥ５を含む。
図４ａおよび図４ｂに示すように、駆動モータＭ５は、ケーブルＣ５からなるケーブル駆動ループと係合する駆動シャフトキャプスタン９３を有する。ケーブルは、後部張力プーリー８３回りに掛けられている。ケーブルは、アイドラプーリー８４および８５、並びに、管状支持部材２４の近位端を形成する駆動キャプスタン９０回りに掛けられている。従って、モータＭ５の作動は、管状支持部材２４およびそれが支持するエンドエフェクタを回転させるために用いられ得る。
図６を参照して、器具１２のケーブル駆動系をより詳細に述べる。作業部材２０ａおよび２０ｂ、リスト部材２２、および器具１２の長手方向軸Ｃに沿った並進運動は、Ｎ＋１作動方式を為して配列されているケーブルＣ１、Ｃ２、Ｃ３およびＣ４によって駆動される。Ｎ＋１作動方式は、４つのケーブルを用いて３つの自由度を有するリストの作動を可能にする。４つのケーブルは、３つの自由度を駆動するために必要な張力要素の、理論的に可能な最小の数であり、従って器具が最小サイズおよび重量を有することを可能にする。異なる動きの作動に必要な力の大きさが大幅に異なる場合には、より多くのケーブルを用いる別の作動方式が望まれ得る。より多くのケーブルを用いることの不利な点は、重量、複雑さ、および最小サイズが増加することである。
図６において、ケーブルＣ１〜Ｃ４をより容易に示すために、ジョイント２６の軸Ｃ−Ｃ周りの回転運動は省略されている。このような回転は、モータＭ１〜Ｍ４並びにプーリー７０、７２、７４および７６間においてケーブルＣ１〜Ｃ４をねじる結果となるにすぎない。しかし、ケーブルは、このねじれがケーブルの経路の長さを大幅に変更しないように、管状支持部材２４内に配置されている。しかし、器具の過剰な回転を防止するように注意する必要がある。器具の過剰な回転は、ケーブルをねじれさせて互いに接触させ、ケーブル間に摩擦を引き起こす。
図６に示すように、ケーブルＣ１およびＣ２は、連続ケーブルループ４４の２つの側を形成する。ループ４４のケーブルＣ１は、近位アイドラプーリー８０、モータＭ１の駆動シャフト、中間アイドラプーリー７０、および駆動されるキャプスタン１８ａと係合する。ケーブルループ４４は、駆動されるキャプスタン１８ａからケーブルＣ２として戻り、中間アイドラプーリー７６、モータＭ２の駆動シャフトおよび近位アイドラプーリー８０と係合する。
図６に示すように、ケーブルＣ３およびＣ４は、ケーブル４６の連続ループの２つの側を形成する。ケーブルループ４６のケーブルＣ３は、近位アイドラプーリー７８、モータＭ３の駆動シャフト、中間アイドラプーリー７２、および駆動されるキャプスタン１８ｂと係合する。ケーブルループ４６は、駆動されるキャプスタン１８ｂからケーブルＣ４として戻り、中間アイドラプーリー７４、モータＭ４の駆動シャフトおよび近位アイドラプーリー７８と係合する。
図６に示すように、近位アイドラプーリー７８および８０は、近位アイドラプーリー７８および８０の中心に安定的に取り付けられたケーブルＣ７およびＣ６によって張力を与えられる。ケーブルＣ７およびＣ６は、近位アイドラプーリー８２と係合する単一のケーブル４５の２つの側を形成する。近位アイドラプーリー８２は、シャフト８２ａによって支持ブラケット１０２に回転可能に取り付けられる。シャフト８２ａは好適には、リードねじなどの機構によって支持ブラケット１０２に移動可能に取り付けられる。リードねじは、その後、ケーブルＣ７およびＣ６を適切な張力に調節し得る。張力はまた、アイドラプーリー７８および８０を介してケーブルＣ１、Ｃ２、Ｃ３およびＣ４にも付与される。同様のリードねじ張力付与方式が、アイドラプーリー８３の長手方向移動によって、ケーブルＣ５に張力を与えるために用いられ得る。これらの目的のために、アイドラプーリー８２および８３は、図３に示す単一のシャフト８２ａではなく、別々に調節可能なシャフト上に取り付けられることが必要であり得る。
駆動されるキャプスタン１８ａおよび１８ｂは、ケーブルＣ１からＣ４がそれぞれの中間アイドラプーリと適切に係合することができるように、異なる直径を有し得る。ケーブルＣ１およびＣ２は、外側中間アイドラプーリ７０および７６と係合し、一方、ケーブルＣ３およびＣ４は、内側中間アイドラプーリ７２および７４と係合する。近位アイドラプーリ７８および８０は、プーリ８０がプーリ７８よりも大きく、ケーブルを直線状に保つような大きさになっている。
駆動モータＭ１、Ｍ２、Ｍ３およびＭ４は、ケーブルＣ１、Ｃ２、Ｃ３およびＣ４を駆動させることによって、軸Ｂ−Ｂ周りのリスト部材２２の回転、軸Ｃ−Ｃに沿った器具１２の長手方向の平行移動、および軸Ａ−Ａ周りの互いに独立した作業部材２２ａおよび２２ｂの回転を制御する。駆動モータＭ１およびＭ２は、駆動モータＭ３およびＭ４によって駆動されるケーブルＣ３／Ｃ４に対して同時にケーブルＣ１／Ｃ２を駆動させ、リスト部材２２を軸Ｂ−Ｂ周りに回転させる。駆動モータＭ１は、駆動モータＭ２によって駆動されるケーブルＣ２に対してケーブルＣ１を駆動し、キャプスタン１８ａおよびそれに取り付けられた作業部材２０ａを軸Ａ−Ａ周りに回転させる。さらに、駆動モータＭ３は、駆動モータＭ４によって駆動されるケーブルＣ４に対してケーブルＣ３を駆動させ、キャプスタン１８ｂおよびそれに取り付けられた作業部材２０ｂを軸Ａ−Ａ周りに回転させる。４つの駆動モータＭ１、Ｍ２、Ｍ３およびＭ４はすべて、ケーブルＣ１、Ｃ２、Ｃ３およびＣ４を同時に駆動させ、器具１２を長軸Ｃ−Ｃに沿って並進させる。
摺動ブラケット９６上の位置決め駆動モータＭ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４およびＭ５は、器具１２の遠位部２８ｂが小さな移動性質量（moving mass）を有するようにする。なぜなら、モータ自体は、器具の作動中に静止しているからである。モータは、位置決め機構１４によって移動されるが、モータの重量および慣性は、力反映に影響しない。これは、上記のように、好ましい実施態様では、器具１２のみが、マスターへ力を反映させるために用いられるからである。さらに、ギアの代わりにケーブルを用いると、器具１２内の摩擦量およびバックラッシュ（backlash）が減少する。小さな移動性質量および低摩擦の組合せによって、器具１２は、力反映をマスター装置１５０に高感度で与えることが可能となる。
上記のプーリー、ケーブルおよびモータの構成に対するいくつかの可能な変更は、当業者に明白である。ケーブルＣ１／Ｃ２、Ｃ３／Ｃ４、Ｃ５およびＣ７／Ｃ６は、同一のケーブル側に図示したが、ケーブルＣ１からＣ７は、それぞれ、駆動されるキャプスタン１８ａおよび１８ｂ、ならびに近位アイドラプーリー７８、８０および８２に安定して取り付けられる個別のケーブルであってもよい。さらに、駆動モータＭ１、Ｍ２、Ｍ３およびＭ４は、ケーブルＣ１、Ｃ２、Ｃ３およびＣ４をそれぞれ駆動するように図示したが、いくつかの駆動モータは、ケーブルＣ７およびＣ６を駆動するために、ケーブルＣ１〜Ｃ４からケーブルＣ７およびＣ６に再配置され得る。特定の実施態様において用いられる特定の駆動方式の選択は、器具１２によって用いられるべき力の制約、および作動中に移動する器具の部分の慣性および摩擦を減少させる必要性に依存する。
本発明の外科用器具はまた、駆動モータＭ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４およびＭ５を用いるものとして例示している。この駆動モータは、図３に示す位置エンコーダを有する標準的なサーボモータであり得る。しかし、液圧アクチュエータおよび圧電モータなどの他のアクチュエータが使用され得る。本発明の外科用器具においてアクチュエータとして用いられるためには、駆動機構は、可変かつ制御可能な力および位置制御を提供することができればよい。
図７を参照しながら、位置決め機構１４の駆動システムについて詳細に説明する。位置決め機構１４は、セットアップジョイント６９（図示せず）に取り付けられた基部６８に取り付けられている。位置決め機構１４は、駆動モータＭ６およびＭ７を有する。駆動モータＭ６は、位置決め機構１４を軸Ｄ−Ｄ周りに約±６０°の範囲で旋回させる。駆動モータＭ７は、位置決め機構を軸Ｅ−Ｅ周りに約±９０°の範囲で旋回させる。各駆動モータＭ６およびＭ７は、各ドラム４２および３２に安定して取り付けられた各ケーブルＣ８およびＣ９を駆動する。駆動モータＭ６は、部材６２に取り付けられ、ドラム４２の周囲を移動し、部材６２を軸Ｄ−Ｄ周りに回転させる。駆動モータＭ７は、基部６８に取り付けられ、静止した状態を保ち、ドラム３２の周囲を移動し、位置決め機構１４を軸Ｅ−Ｅ周りに回転させる。シャフト６４および６６は、ドラム４２から延び、耳部５８に連結し、軸Ｅ−Ｅ周りの回転を可能にする。ドラム３２は、シャフト６６に固定されている。エンコーダＥ６およびＥ７は、各駆動モータＭ６およびＭ７の駆動シャフトの回転位置をコンピュータ１１に提供する。
位置決め機構１４は、好ましくは、位置決め機構１４および器具１２の質量が、軸Ｅ−Ｅ周りにほぼ対称的に分布するように、静的に平衡にされる。例えば、駆動モータＭ６は、軸Ｅ−Ｅの下に配置され、リンク４０、４２、６０および６２の重量と部分的につりあう。力反映を損なうことなく、さらなる平衡質量（counterweight）が加えられ得る。なぜなら、これらは、位置決め機構１４には慣性を加えるが、器具１２には慣性を加えないからである。静的平衡は、アルミニウム管などの軽量材料をリンクの構築に用いて、位置決め機構の質量を減少させることによって、容易になされ得る。静的平衡は、平衡負荷を減少させるので有利である。静的平衡がないと、平衡負荷は駆動モータＭ６およびＭ７にかけられる。さらに、静的平衡は、駆動モータＭ６またはＭ７のいずれかが故障したときに、位置決め機構１４および器具１２が急速に運動しないようにさせる１つの手段である。
図８ａおよび図８ｂを参照すると、ケーブルＣ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４、Ｃ５、Ｃ８およびＣ９は、それぞれの駆動モータＭ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４、Ｍ５、Ｍ６およびＭ７の駆動シャフトの周りに巻き付けていることによって駆動される。例えば、図８ａにおいて、ケーブルループ４６のケーブルＣ４は、モータＭ４の駆動シャフトの周りに巻き付けられている。ケーブルＣ４は、好ましくは、駆動シャフトの周りに２回巻き付けられ、ケーブルＣ４と駆動シャフトとの間に十分な摩擦を提供し、すべりを防止する。さらにすべりを防止するために、ケーブルは、はんだ、溶接または機械的固定手段によって、一点で駆動シャフトに固定され得る。しかし、このような実施態様において、ケーブルの移動範囲は、駆動シャフトまたはキャプスタンの周りに巻き付けられたケーブルの長さによって制限されるので、ケーブルは数回巻き付けられることが通常必要である。
図８ｂは、位置決め機構１４のドラム３２および４２のケーブル駆動を示す。駆動モータＭ６のシャフトが回転すると、ケーブルＣ８は、シャフトの１サイドに巻き付き、他のサイドからはなれる。従って、ケーブルＣ８は、モータＭ６のシャフトを通過して並進し、結果としてドラム４２は回転する。モータＭ６のシャフトが、ドラム４２の表面に直接接触しないことに留意されたい。
図８ｃは、駆動ケーブルの他の好ましい方法を示す。例えば、モータＭ４は、駆動ホイール４３ａおよびアイドラホイール４３ｂを有し、その間で細長い部材４７を摩擦駆動させる。ケーブルＣ４は、２つのハーフ４６ａおよび４６ｂからなり、これらは、部材４７の対向する端部に固定されている。
図９は、他の好ましい器具１１７の遠位端およびリスト部材１１６を示す。器具１１７は、４個でなく８個の中間アイドラプーリーを有するという点で、器具１２とは異なる。器具１１７は、リスト接合部１６において中間アイドラプーリー７６、７４、７２および７０を有するが、さらに中間アイドラプーリー７６ａ、７４ａ、７２ａおよび７０ａを有し、これらは、シャフト１１８に沿ってつまみ２４ａ上のアイドラプーリー７６、７４、７２および７０に隣接して配置されている。ケーブルＣ１、Ｃ２、Ｃ３およびＣ４は、各中間アイドラプーリーの周りに完全に巻き付きはしないが、その代わりに、各プーリーの表面と約９０°で接触するだけである。これによって、ケーブルが互いに交差し、共に摩擦するのが防止され、摩擦およびノイズが防止される。
図１０は、位置決め機構１４および器具１２のマクロ−マイクロ制御の背後にある原理を示す。マクロ−マイクロ制御は、系の力学を利用して、スレーブシステムの出力端で測定される慣性を減少させることによって力の感度を最適にする。特に、大抵の場合、遠位の自由度は、近位の自由度が有するよりも小さい移動範囲を有する。我々の場合、腹腔鏡器具の端部に取り付けられた小さなリストは、マクロ機器（位置決め機構）に取り付けられたマイクロ機器（リスト）に対応する。
ここで定義するように、マクロ−マイクロ制御とは、マクロ−マイクロシステムの遠位側（患者と相互作用する側）から測定される有効慣性を、マクロ自由度の移動範囲を保持しながら、マイクロ自由度の有効慣性付近に減少させることを目的として、適切なコントローラを介して連続して作動する２つ以上の余剰な自由度を用いることである。システムの近位側として規定されるマクロ自由度は、グラウンドに対して作動し、通常、広範囲な移動および慣性を有して大きい。マイクロ自由度は、対応する小さな範囲の移動および慣性を有して小さく、マクロ自由度に対して作動し、システムの遠位側として規定される。
図１０は、２つの余剰アクチュエータ２０２および２０３によって動作するリニアスレーブ器具２０１と、１つのアクチュエータ２０６を有するリニアマスターデバイス２０５とからなる１つの自由度のマスター−スレーブシステムの一例を示す。Ｍ３は、スレーブデバイスの移動を制御するために用いられるマスターデバイス２０５を示す質量である。Ｆ３は、マスターアクチュエータ２０６によって質量Ｍ３に与えられる力である。Ｍ１は、広範囲な移動を有するマクロ機器を示す質量であり、これは、本発明の位置決め機構と等価である。Ｆ１は、マクロアクチュエータ２０２によってグラウンドにかけられる力である。マクロ機器は、マスター２０５の位置に直接スレーブされ、作業スペース内でマイクロ機器を維持するように動作する。広範囲な移動を可能にするために、マクロ機器は、大きな構造を有し、通常、比較的大きい慣性、および恐らくは大きい摩擦を有する。しかし、マクロ機器は、良好（高帯域幅）位置および速度制御を維持することが可能でなければならない。
Ｍ２は、マクロ機器およびマスター２０５に対して、比較的小さい範囲の移動を有するマイクロ機器を示す質量である。しかし、マイクロ機器Ｍ２は、小さな構造であるため、マクロ機器と比較して小さい慣性および小さい摩擦を有するように構築することが可能である。スレーブ自由度は共に、出力Ｘに寄与する。なぜなら、マイクロ機器は、連続してマクロ機器上に設けられるためである。マイクロ機器の力Ｆ２は、Ｍ１とＭ２との間に与えられる。Ｘ１は、マクロ機器の位置であり、Ｆ１は、マクロアクチュエータ２０２によってマクロ機器とグラウンド２０４との間に与えられるモータ力である。Ｘ２は、マクロ機器に対するマイクロ機器の位置である。Ｘは、Ｘ１とＸ２との組合せた結果のグラウンドに対するマイクロ機器の位置である。Ｘ３は、マスター器具Ｍ３の位置である。マスターＭ３を保持するユーザは、力反映として得られる力を感じる。
この代表的なマクロ−マイクロシステムを制御する式を以下に示す。これらの式において、添え字ｄは、特定の位置または速度の所望値を示す。以下の式において、ｋ_p1、ｋ_p2およびｋ_p3は、位置利得であり、ｋ_v1、ｋ_v2およびｋ_v3は速度利得である。ＶはｄＸ／ｄｔ、すなわちマクロ−マイクロ機器の速度である。Ｖ１は、ｄＸ１／ｄｔ、すなわちマクロ機器の速度である。ポスケール（posscale）は、マスターとスレーブとの間のスケーリング動作（scale motion）に用いられる尺度ファクタである。例えば、ポスケールが１と等しいとき、マスターが１ｃｍ移動すると、スレーブは１ｃｍ移動する。ポスケールが２と等しいとき、マスターが１ｃｍ移動すると、スレーブは１／２ｃｍ移動する。
Ｘ_d＝Ｘ₃／ポスケール 式１
Ｖ_d＝Ｖ₃／ポスケール 式２
Ｘ_1d＝Ｘ_d 式３
Ｘ_2d＝Ｘ_d−Ｘ₁ 式４
Ｘ_3d＝Ｘ・ポスケール 式５
Ｖ_1d＝Ｖ_d 式６
Ｖ_2d＝Ｖ_d−Ｖ₁ 式７
Ｖ_3d＝Ｖ・ポスケール 式８
Ｆ₁＝−ｋ_p1（Ｘ₁−Ｘ_1d）−ｋ_v1（Ｖ₁−Ｖ_1d） 式９
Ｆ₂＝−ｋ_p2（Ｘ₂−Ｘ_2d）−ｋ_v2（Ｖ₂−Ｖ_2d） 式１０
Ｆ₃＝−ｋ_p3（Ｘ₃−Ｘ_3d）−ｋ_v3（Ｖ₃−Ｖ_3d） 式１１
上記の式は、マクロ−マイクロ制御の１つの特定の実施を示す。実施の改変は、システムの安定性を向上させる目的で必要であり得る。しかし、上記の式から決定され得るように、位置および速度利得は両方とも、システムインピーダンスおよび安定性に影響する。マスターとスレーブとの間の力およびインピーダンススケーリングは、位置利得ｋ_p1、ｋ_p2およびｋ_p3およびファクタポスケールを変更することによって成し遂げられる。特に、比ｋ_p3／ｋ_p2は、マスターとスレーブとの間の力利得を決定する。例えば、比ｋ_p3／ｋ_p2＝２のとき、スレーブに与えられる力は、マスターで２倍に拡大される。さらに、ポスケール＝１の場合、スレーブにおける物体の剛性（stiffness）もまたマスターで２倍になる。ｋ_p3／ｋ_p2＝２およびポスケール＝２の場合、スレーブの剛性は、マスターでは変化しないが、力は２倍になる。速度利得ｋ_v1、ｋ_v2およびｋ_v3は、システムの安定性を制御するために用いられ得る。
マクロ−マイクロ制御の質的効果を理解するためには、小さい力がＭ２に加えられた場合を想定するとよい。Ｍ２が小さい慣性および恐らく小さい摩擦を有しているため、Ｍ１に比較して小さい抵抗で屈曲する。この移動はマスターＭ３で追跡される。ユーザがＭ３を持っていれば、ユーザは力を感じとるであろう。Ｍ２に加わる力をユーザが感じる感度は、Ｍ２のＭ１に対する慣性および摩擦が減少するにつれて増加する。Ｍ２をＭ１に結合することの有用性は、Ｍ１がスレーブの移動の範囲を増加させることである。Ｍ２はＭ１に比較して短い距離のみを移動するためＭ１はＭ１の運動ベース（moving base）を提供し、結果として組み合わされたシステムは、Ｍ２の感度とＭ１の大きな移動範囲の両方を有している。
図１０に示すマクロ−マイクロ作動方式は、単純な１の自由度のリニアシステムである。しかし、同じ方式および同じ一般式を、周知のロボット工学および数学原理を用いて、本出願人のシステムのような３自由度システムに容易に拡張することができる。器具１４の点Ｐ_sの移動は３つの可能な自由度のみを有し、６の自由度を有する器具および位置決め機構の組み合わせの移動によって冗長に制御される。点Ｐ_sの移動の各軸について、その軸に沿う点の移動を制御する複数のアクチュエータが存在する。マクロ−マイクロ制御下にあるそれらの各軸について、少なくとも１つのマイクロアクチュエータおよびマイクロアクチュエータと異なる少なくとも１つのマクロアクチュエータが存在する。
本発明をその好適な実施態様について特に示し説明してきたが、付属の請求項で規定される発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、形態および詳細について様々な変更をなし得ることが当業者には理解されるであろう。本発明を腹腔鏡手術について説明したが、他の形態の内視鏡手術ならびに開腹手術もまた行い得る。本器具はまた、高品質の力フィードバックで巧緻性の高い器具を必要とする適切な遠隔操作アプリケーションにも用いることができる。アプリケーションの可能性としては、爆弾処理、危険物あるいは放射性物質の取り扱い、深海アプリケーション、宇宙空間アプリケーション、またはその他の近寄れない場所におけるアプリケーションを含む。

Claims (14)

1. 関節部を有する外科手術器具、位置決め機構、およびマスターデバイス（１５０）を有する、最低侵襲性外科手術のためのシステムであって、
   該関節部を有する外科手術器具は小さな切開部を通して外科的作業部位に隣接する位置まで患者の内部に挿入されるように構成されており、該関節部を有する外科手術器具は取り付けブラケットに結合された細長い支持部材にリスト機構によって接続された外科手術用エンドエフェクタを有しており、該取り付けブラケットは該外科手術器具を該位置決め機構に解放可能に接続するように構成されており、該外科手術器具は４つのアクチュエータにより該外科手術器具の該エンドエフェクタを該取り付けブラケットに対して４の自由度で移動するように操作され、
   該位置決め機構は、該患者に対して固定された基部と、該外科手術器具の該取り付けブラケットに対して解放可能に接続されるように構成された支持ブラケットと、該基部を該支持ブラケットに接続するアームリンケージとを有し、該アームリンケージは複数の剛性リンクおよびジョイントを有し、該アームリンケージが２つのアクチュエータによって該支持ブラケットを該基部に対して２の自由度で移動するように操作されることにより、該位置決め機構および該外科手術器具の組み合わせは、該外科手術器具の該エンドエフェクタを該基部に対して６の自由度で移動させるように動作可能であり、
   該外科手術器具は少なくとも３の自由度で該マスターデバイス（１５０）に力フィードバックを与え、該位置決め機構は該マスターデバイス（１５０）に力フィードバックを与えない、システム。
2. 前記関節部を有する外科手術器具および前記位置決め機構は、マクロ−マイクロ作動方式に従ってともに操作される、請求項１に記載のシステム。
3. 前記位置決め機構はさらに、前記基部を手術室台に接続するセットアップジョイントを有する、請求項１に記載のシステム。
4. 前記マスターデバイス（１５０）と前記外科手術器具との間に力のスケーリングを提供する、請求項２に記載のシステム。
5. 前記外科手術器具に加えられる力は前記マスターデバイス（１５０）で増幅される、請求項２に記載のシステム。
6. 前記マスターデバイス（１５０）と前記外科手術器具との間での力スケーリングによりインピーダンススケーリングを提供する、請求項２に記載のシステム。
7. 前記マスターデバイス（１５０）と前記外科手術器具との間での力スケーリングによりインピーダンススケーリングを提供する、請求項４に記載のシステム。
8. 最低侵襲性外科手術のためのシステムであって、
   小さな切開部を通して外科的作業部位に隣接する位置まで患者の内部に挿入され、該外科的作業部位においてヒト組織の操作を行う外科的操作手段と、
   該外科的操作手段を解放可能に支持し、該外科的操作手段を２の自由度で移動させる位置決め手段とを有し、
   該外科的操作手段は、ヒト組織を操作するための外科手術用エンドエフェクタを有しており、
   該外科的操作手段は、関節部を有するリスト機構を有しており、該リスト機構は該外科手術用エンドエフェクタ手段を細長い支持部材に接続し、該外科手術用エンドエフェクタが該細長い支持部材に対して２の自由度で移動することを可能にし、
   該外科的操作手段はさらに、該細長い支持部材を取り付けブラケットに対して、該細長い支持部材が該取り付けブラケットに対して２の自由度で移動可能であるように接続する１つ以上のジョイントを有し、
   該取り付けブラケットは、該外科的操作手段を該位置決め手段に対して解放可能に接続するように構成されることにより、
   該位置決め機構および該外科的操作手段の組み合わせは、該外科的操作手段の該エンドエフェクタを、該位置決め機構の基部（６８）に対して６の自由度で移動させるように動作可能であり、
   該外科的操作手段は少なくとも３の自由度で該マスターデバイス（１５０）に力フィードバックを与え、該位置決め機構は該マスターデバイス（１５０）に力フィードバックを与えない、システム。
9. 前記外科的操作手段および前記位置決め手段は、マクロ−マイクロ作動方式に従ってともに操作される、請求項８に記載のシステム。
10. 前記位置決め機構はさらに、前記位置決め手段を手術室台に接続するセットアップ手段を有する、請求項８に記載のシステム。
11. 前記マスターデバイス（１５０）と前記外科的操作手段との間に力のスケーリングを提供する、請求項９に記載のシステム。
12. 前記外科的操作手段に加えられる力は前記マスターデバイス（１５０）で増幅される、請求項１０に記載のシステム。
13. 前記マスターデバイス（１５０）と前記外科的操作手段との間での力スケーリングによりインピーダンススケーリングを提供する、請求項９に記載のシステム。
14. 前記マスターデバイス（１５０）と前記外科的操作手段との間での力スケーリングによりインピーダンススケーリングを提供する、請求項１１に記載のシステム。

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