JP4148763B2 - 内視鏡手術ロボット - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，医療の分野において、消化管内等の患部における内視鏡を用いた低侵襲での外科的処置法を容易にする内視鏡手術ロボットの技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
消化管などの腹腔内患部に対して、内視鏡下で鉗子を用いて手術などの外科的処置を行なう手法は、開腹手術による場合にくらべて患者の苦痛と負担を著しく軽減できるため、近年、その開発がさかんに行なわれるようになり、またそれとともに多様化も進んできた。たとえば、初期には、術者が長鉗子等の手術器具を直接手操作して処置を施すものがほとんどであったが（特許文献１、２参照）、施術対象が次第に精密さを要求されるものに広がるにつれ、ロボット鉗子あるいはマニピュレータを使用するものに発展してきている（特許文献３、４参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平０６−０３０９４９号公報
【特許文献２】
特開平０９−０２８６６３号公報
【特許文献３】
特開２００１−３１４４１０号公報
【特許文献４】
特開２００２−１５９５０９号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
現在、臨床における内視鏡下での外科的処置の適用は増加する傾向にある。しかしながら、その処置内容には限界が見られ、さらに適用可能な処置を完了するのになお多大な時間が必要であるため患者への負荷が大きく、かつ術者にとっても多大な労力と個人的な技量の習熟が必要とされているのが実情である。その大きな原因の一つは、これらの処置が内視鏡技術を基本形としているところにある。つまり、内視鏡に装備されている鉗子孔を通る手術器具しか使えないため、多様で自由な手術手技は望めず、かなり無理のある外科的処置となってしまいやすいところに問題がある。
【０００５】
本発明が特に課題としているのは、消化管を進入路とすることが可能で、しかもからだの中でありながら開腹手術と同じ程度の自由度をもって手術作業のできる内視鏡手術ロボットを実現することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題を解決するために、消化管中を進入してからだの中でありながら開腹手術と同じ程度の自由度をもって手術作業ができるように、内視鏡と平行に術者が両腕で操作できるマニピュレータを一体化した構造の内視鏡手術ロボットを開発した。ここで、マニピュレータはたとえば二つの鉗子アームであり、術者によりリモートで両手を用いて操作される。
【０００７】
図１は、本発明による内視鏡手術ロボットの先端部分の概略を例示的に示したものである。図中、１は内視鏡、２，２’は鉗子アーム、３はヘッド支持部、４は内視鏡の先端レンズ、５，５’は鉗子部、６，６’は首振り部、７，７’はワイヤ、８は保護チューブである。
【０００８】
本発明による内視鏡手術ロボットの内視鏡部分の構造は、基本的に従来のものと変わりがない。図中のヘッド支持部３の中央には、内視鏡の先端レンズ４が保持されていて、その左右に一対の鉗子アーム２，２’が並べて取り付けられる。鉗子アーム２，２’の先端の鉗子部５，５’は、図示されていないワイヤによりハンドの開閉を制御される。また鉗子アーム２，２’の首振り部６，６’は、それぞれ１２０度間隔で３方向に取り付けられたワイヤ７ａ，７ｂ，７ｃと７ａ’，７ｂ’，７ｃ’とによりそれぞれの方向への屈曲を制御される。この屈曲制御の詳細な構造は、実施例により後述される。なお、鉗子アーム２，２’に設けられるこれらのワイヤは、ともに蛇管のような可撓性チューブ内に収容されている。また内視鏡１と鉗子アーム２，２’の先端を除いた部分は、保護チューブ８で内視鏡１と一緒に包んで保護するとともに、消化管などへの挿入時のすべりをよくしている。
【０００９】
このような本発明の内視鏡手術ロボットの構造により、外科的作業の伝達経路の眼となる内視鏡の柔軟性と操作性を損なわずに、対象物をしっかりと保持する、むしり取るなどの高トルク作業を両手を使った二つの鉗子で実現することができ、術者は、モニタで内視鏡の視野画像を見ながら、両手で二つの鉗子を操作して、微妙な技術を要する外科的処置であっても比較的容易に実施することを可能にされる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明に基く鉗子アームの１実施例を図２ないし図４に示す。図２は、ストレート状態にある鉗子アーム先端部の断面を示し、図３は、９０度に湾曲した首振り状態にある鉗子アーム先端部の断面を示す。また図４は、首振り部の断面を示す。図２ないし図４において、２０は鉗子、２１，２２，２３は蛇管、２４，２５はスリーブ、２６ａ，２６ｂ、２６ｃ（図示省略）は首振りレバー、２７ａ，２７ｂ，２７ｃ（図示省略）は枢着ピン、２８は鉗子駆動ワイヤ、２９ａ、２９ｂは首振りレバー駆動ワイヤ、３０ａ，３０ｂはワイヤ引き込み孔である。
【００１１】
図２に示すように、鉗子２０は、蛇管２１の先端に固着されており、鉗子駆動ワイヤ２８によって開閉を制御される。また鉗子２０の首振りと回転は、３本の首振りレバー駆動ワイヤ２９ａ、２９ｂ、２９ｃ（図示省略)によって制御される。この鉗子２０の首振りと回転の制御のために、鉗子２０の下方に近接したスリーブ２４の周囲には、図４に示すように、首振りレバー２６ａ，２６ｂ、２６ｃが１２０度間隔で枢着ピン２７ａ，２７ｂ，２７ｃを介して取り付けられ、スリーブ２４に平行な状態と９０度起き上がった状態との間でのみ揺動可能にされている。さらに首振りレバー２６ａ，２６ｂ、２６ｃの各先端には、それぞれ首振りレバー駆動ワイヤが取り付けられている。これらの３本の首振りレバー駆動ワイヤは、それぞれ、スリーブ２４よりも下方にあるスリーブ２５の周囲に１２０度間隔で対応的に設けられているワイヤ引き込み孔３０ａ，３０ｂ、３０ｃ（図示省略）を通して蛇管２３内に引き込まれている。そのため、ある首振りレバー駆動ワイヤ、たとえば図３に示すように２９ｂが下方に引かれると、首振りレバー２６ｂはまず９０度まで起き上がり、さらにワイヤが引かれると図示のようにスリーブ２５を基点として首振りレバー２６ｂの側に屈曲し、鉗子２０の左側への首振りが行なわれる。またこの状態で他の首振りレバー駆動ワイヤを引くことにより、その方向への回転運動が生じさせることができる。このように３本の首振りレバー駆動ワイヤを適切に操作することにより、鉗子２０を任意の方向へ首振りあるいは回転させることができる。
【００１２】
上述した実施例の鉗子アームの首振り制御では、首振りレバーが１２０度間隔で３個設けられ、それぞれワイヤにより駆動されるものとしたが、１２０度間隔に限定される必要はなく、また首振りレバーを３個以上設けても良い。さらにワイヤの代わりに、流体や電気を用いた制御とすることも可能である。
【００１３】
次に図５および図６により、鉗子アームの制御システムの実施例について説明する。図５はコンピュータを用いた制御システムの概略構成を示し、図６は細部のブロック構成を示す。本実施例の制御システムは、鉗子アームをスレーブロボット、ジンバル機構をマスタロボットとするマスタ・スレーブロボットとして構築されている。
【００１４】
図５において、３１は患者、３２は術者、３３は腹腔内に挿入されている鉗子アームロボット、３４は鉗子アームロボットを制御するロボット・コントロール・ユニット、３５はモニタ、３６は制御用コンピュータ、３７は術者が鉗子を操作するときの皮膚感覚へのフィードバックを制御するハプテック・コントロール・ユニット、３８はロボット・オペレータを示す。
【００１５】
術者３２は、モニタ３３の画面に表示された内視鏡の画像および各種センサの情報を見ながら鉗子アームロボット３３を操作し、外科的処置を行なう。術者３２が鉗子アームロボット３３に与える動作指令はジンバルを用いて入力される。入力された動作指令は、ロボット・コントロール・ユニット３４を介して制御用コンピュータ３６に伝えられる。制御用コンピュータ３６は、入力された動作指令と、ハプテック・コントロール・ユニット３７からのスケーリングなどの制御情報などに基いて、順次のタイミングにおける鉗子アームロボット３３への目標制御量を計算し、ロボット・コントロール・ユニット３４へ出力する。ロボット・コントロール・ユニット３４は、制御用コンピュータ３６から与えられた目標制御量により鉗子アームロボット３３の各ワイヤ（図示せず）を駆動するアクチュエータを制御し、術者３２が意図する鉗子の開閉、回転などの動作を行なわせる。ロボット・オペレータ３８は、モニタ３５に表示された外科的処置の作業情況やセンサ情報を監視して、適切な制御情報を設定・変更する。
【００１６】
次に、図６により、マスタ・スレーブロボットの制御システム機構の概要を説明する。図６において、４１はスレーブ・ロボットであり、ここでは図５の鉗子アームロボット３３に対応する。４２はスレーブロボットモータユニットであり、図５のロボット・コントロール・ユニット３４に対応する。４３は制御用コンピュータであり、図５の制御用コンピュータ３６とハプテック・コントロール・ユニット３７に対応する。４４はマスタデバイスモータユニット、４５はマスタデバイスであり、図５のロボット・コントロール・ユニット３４に対応する。
【００１７】
制御用コンピュータ４３はデジタル信号系であり、スレーブロボットモータユニット４２とマスタデバイスモータユニット４４は基本的にアナログ信号系であるため、制御用コンピュータ４３には、ユニット４２，４４との信号インタフェースとして、Ｄ／Ａボード、カウンタボード、Ａ／Ｄボードがそれぞれ備えられている。
【００１８】
術者が、マスタデバイス４５のジンバルを操作すると、力センサがその操作量を検出し、マスタデバイスモータユニット４４はその検出された操作量信号をアンプで増幅して、制御用コンピュータ４３に入力する。制御用コンピュータ４３は、その操作量信号をＡ／Ｄボードでデジタル信号に変換して処理して、制御量を算出する。算出された制御量は、Ｄ／Ａボードでアナログの制御信号に変換されてスレーブロボットモータユニット４２へ送られる。スレーブロボットモータユニット４２では、その制御信号をモータードライバへ入力し、アクチュエータのモータを駆動して、スレーブロボット４１のワイヤを駆動する。ここで駆動されたモータの回転量は、エンコーダで検出されて、制御用コンピュータ４３へカウンタボードを介してフィードバックされる。制御用コンピュータ４３はまた、ジンバルを復元する制御量を算出し、Ｄ／Ａボードを介してマスタデバイスモータユニット４４へ制御信号を出力する。マスタデバイスモータユニット４４では、モータドライバへ制御信号を入力して、ジンバルのモータを駆動し、同時にエンコーダでモータの回転量を検出して、制御用コンピュータ４３へフィードバックする。このようにして、ハプテック制御が行なわれる。
【００１９】
【発明の効果】
本発明による内視鏡手術ロボットを用いることにより、消化管を進入路とすることが従来よりも容易になるとともに、両手を用いて２本の鉗子などを扱うことができるため、術者は、開腹手術によるのと同じ程度の自由度をもって手術作業を行なうことができる。これにより、術者の多様で自由な手術手技を可能にするとともに、作業時間も短縮されて、患者の苦痛の軽減と、術者と患者双方の負担の軽減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による内視鏡手術ロボットの先端部分の概略構成を示す図である。
【図２】本発明の一実施例による鉗子アームのストレート状態にある先端部の断面を示す図である。
【図３】本発明の一実施例による鉗子アームの首振り状態にある先端部の断面を示す図である。
【図４】本発明の一実施例による鉗子アームの首振りレバー機構を示す図である。
【図５】本発明の一実施例によるコンピュータを用いた鉗子アームの制御システムの概略構成を示す図である。
【図６】本発明の一実施例によるマスタ・スレーブロボットの制御システムの機構の概要を示す図である。
【符号の説明】
１ ： 内視鏡
２，２’： 鉗子アーム
３ ： ヘッド支持部
４ ： 内視鏡の先端レンズ
５，５’： 鉗子部
６，６’： 首振り部
７，７’： ワイヤ
８ ： 保護チューブ

Claims (2)

1. 内視鏡と、内視鏡に平行して設けられた二つのマニピュレータとを備えている内視鏡手術ロボットであって、
   上記二つのマニピュレータは、それぞれ、鉗子部および首振り部からなる手術作業用ヘッドと、手術作業用ヘッドの動作を制御する操作部とからなり、手術作業用ヘッドの首振り部は、周囲に間隔を置いて取り付けられた３個以上の複数個の首振りレバーと、該３個以上の複数個の首振りレバーのそれぞれに別々に取り付けられた複数本の駆動ワイヤとを備え、該３個以上の複数個の首振りレバーのそれぞれは対応する駆動ワイヤの操作により駆動制御されて、首振り部が任意の方向へ屈曲あるいは回転するように構成されていることを特徴とする内視鏡手術ロボット。
2. 手術作業用ヘッドの首振り部の首振りレバーは、周囲に１２０度の間隔を置いて３個設けられていることを特徴とする請求項１に記載の内視鏡手術ロボット。

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