JP4176126B2 - 侵襲を最小に抑えた心臓手術を施術するための方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、侵襲を最小に抑えた心臓手術を施術するためのシステムおよび方法に関する。より詳細には、本発明は、分離可能に連結した、侵襲を最小に抑えた施術を補助するロボット・システムおよび外科用器具に関する。

冠状動脈の閉塞は、生命を維持する血液および酸素を心臓から奪う。この閉塞は、薬物治療で、または血管形成によって取り除かれる。重い閉塞については、冠状動脈迂回路移植（ＣＡＢＧ）が、動脈の閉塞した部分を迂回するように施術される。ＣＡＢＧ手法は典型的には、胸骨を割り、引いて胸腔を開いて心臓に近づいていくことで施術される。切開は閉塞した部位の近傍の動脈に行われる。そして内胸動脈（ＩＭＡ）が切断され、動脈に切開の点で連結される。ＩＭＡは動脈の閉塞した部位を迂回し再び心臓までの全血流をもたらす。一般に「開腹手術」と呼ばれる、胸骨の割裂および胸腔の切開は患者に大きな精神的衝撃をもたらし得る。加えて、割裂された胸骨は患者の回復期間を長引かせる。
胸腔の切開を伴わないＣＡＢＧ手法を施術する試みはなされてきた。侵襲を最小に抑えた手法は、患者の皮膚の小さな切開口を通した挿入式外科用器具および内視鏡によって実施される。そのような器具の操作は、特に移植組織片を動脈に縫合するときに不便であり得る。高水準の巧妙さが、器具の正確な制御に要求されることが知られていた。加えて、人の手は、典型的には少なくとも最小の震えを起こす。この震えは更に、侵襲を最小に抑えた心臓手術の施術の難しさを増す。

ＭＩＳを施術するにあたっては、外科医は特別な器具を使用する。これらの器具は、外科医の患者の体内での巧妙な処置を可能にさせる。侵襲を最小に抑えた手術（Ｍｉｎｉｍａｌｌｙ Ｉｎｖａｓｉｖｅ Ｓｕｒｇｅｒｙ）において使用されるあるタイプの器具は、針のような物体を掴むよう特別に形作られた先端部分を持つ器具である鉗子である。侵襲を最小に抑えた手術のために設計された鉗子およびその他の器具は一般的に長く、柔軟性がないため、最小侵襲性の多くの手法を効果的に実施するのに必要な、巧妙さおよび正確さを外科医にもたらすことはできない。例えば、従来のＭＩＳ鉗子は、内視の際のような、最小侵襲性の手法の最中での針の操作に良く適合していない。したがって、施術されてきた多くのＭＩＳ手法は今までのところはまだ完成していない。

本質的には、開腹手術の間は、様々な器具の先端部分が６段階の自由度で位置決めされる。しかしながら、侵襲を最小に抑えた手法を実施するために患者に施されたもののような小さな切開口を通じての器具の挿入によって、２段階の自由度は失われてしまう。実施されるＭＩＳ手法の型を本質的に制限してきたのは、外科治療の位置における移動の自由のこういった喪失である。

使用される器具が、器具が患者に挿入されるときに喪失される自由度に新たな自由度をもたらすことができないため、ＭＩＳにおいては巧妙さが欠如している。この巧妙さの欠如に関連する１つの問題点は、器具の置かれた位置によっては縫合ができないことである。結果として、外科治療する部位において多くの縫合を必要とする手術は、この多くの処置が可能な外科用器具が調達可能でないため、ほとんど実施が不可能である。

ＭＩＳに関連する他の問題点は、外科治療する部位における正確さの欠如である。ＭＩＣＡＢＧ（最小侵襲性冠状動脈迂回路(バイパス)移植）の様な手法に関しては、極度に小さな縫合が心臓のすぐ近くの様々な位置になされなくてはならない。そのような意味において、外科用器具の先端部における用具の正確な動きが必要である。現時点では、手元に持つ器具については、そのような縫合に必要な正確さは欠如している。

そのような意味において、技術上要求されるものは用具であり、外科医が、器具の先端部において、用具の位置をより巧妙で正確な位置にできる追加的な自由度を持つような、患者において節で動かすことができるような外科用器具の等級が要求される。

加えて、技術上要求されるものは、様々な用具が容易におよび直ちに取って代わって速やかな手法を可能にし、こうして患者にかかる手術室の経費を軽減し、患者が麻酔にかかっている時間を短くするように性能を変化させる単純な器具および用具を提供する方法と機構である。
それは、本発明が意図している前述の問題を解決するものである。

本発明は、侵襲を最小に抑えた心臓手術の施術のためのシステムである。このシステムは１対のロボット・アームに連結された１対またはそれ以上の外科用器具を含む。このシステムはまた、本明細書において以下に開示するように、単一の外科用器具および単一のロボット・アームも含む。この器具は、組織を切断、保持、麻痺および縫合する操作のできるエンド・エフェクタを持つ。ロボット・アームは、コントローラにより、１対のマスタ・ハンドルに連結されている。ハンドルは外科医によって、エンド・エフェクタが対応した動きをするように動かすことができる。ハンドルの動きは、エンド・エフェクタが外科医の手の動きと異なり、典型的にはより小さく、対応した動きを持つようにスケーリングされる。これは、外科医の手の震えを除くのに役立つ。スケール係数は、外科医がエンド・エフェクタの動きの細かさを制御できるように調整可能である。エンド・エフェクタの動きは、エンド・エフェクタが、外科医がボタンを押すか、またはトグルしたときにのみ作動するように、入力ボタンによって制御できる。入力ボタンは、ハンドルが好都合な位置に移動できるように外科医がエンド・エフェクタを動かさずにハンドルの位置を調整することを可能にする。このシステムはまた、外科医が外科治療する部位を遠隔から見ることを可能にする、ロボット式に制御される内視鏡を有する。心臓手術は、患者の皮膚に小さな切開口をあけ、患者に器具および内視鏡を挿入することによって施術できる。外科医はハンドルを操作し、冠状動脈迂回路移植や心弁手術のような心臓手術を実施するためにエンド・エフェクタを動かす。

本発明は、加えて、外科医がその器具の先端部の用具の機能を保持しながらその器具の先端部を関節式に操作できるような、外科用器具とその制御方法を対象とする。したがって、器具の先端部は、もっぱら先端部に配置された器具を使いながら、２段階の自由度で明確に機能させられるであろう。

このロボット・システムは一般的に、
ロボット・アーム；
アームに取り付けた連結器；
連結器によって保持される外科用器具；
コントローラ；
を含み、コントローラの動きがロボット・アームおよび外科用器具の、対応した動きを生み出す。

本発明は、細長いロッドを持つ外科用器具を含む。この細長いロッドは長手方向の軸を有し、一般に内視鏡器具のアームとして働く。関節部分は、細長いロッドに達し、それを越えて延びている。あるいは、関節部分を、細長いロッドと一体に形成することもできる。関節部分は、基部、ピボット・リンケージ、および末端部分を有する。基部は１対のフィンガを含む。フィンガは互いに垂直であり、細長いロッドの長手軸に放射状に向かっている。外科手術での使用については、一般的には、この器具、およびその構成要素の大部分がステンレス、プラスチック、または他の滅菌可能な素材で形成されていることが好ましい。それぞれのフィンガは、ピボット・リンケージの、関節部分の基部への連結を助け、かつピボット・リンケージを旋回可能に基部に取り付け可能にするピンが通過をできるように、少なくとも１つの切れ目があけられている。関節部分は、関節部分を含む器具の先端部において関節式動作を行う。より具体的には、これは、関節部分を含む器具の先端部の道具に、追加の自由度を与える。

本明細書において以下に開示するような器具は、現在の外科システムと組み合わせて使用するとき、侵襲を最小に抑えた外科手術においていまだ達成されていない追加的な巧妙さ、正確さ、柔軟性を外科医に提供する。したがって、手術時間を短縮し、患者の精神的衝撃を大きく軽減することが可能である。

本明細書において以下に開示される関節式先端部の配置の正確さを上げるために、マスタ・コントローラには２つの追加的な自由度は提供される。２つの追加的な自由度はそれぞれ器具の先端部における各自由度にマップされる。これは、マスタ上の２つの接合部と、マスタで行われる動きに応答して器具の先端部を関節式に操作するための自動手術の追加によって達成された。

本発明の目的および利点は、以下にその詳細を示す説明および図面を検討すれば通常の技術の熟練者には、より容易に明らかになるであろう。

図面を、より詳細に図面番号によって参照すると、第１図は侵襲を最小に抑えた手術の施術をするのに使用できるシステム１０を示す。好ましい態様においては、システム１０は侵襲を最小に抑えた冠状動脈迂回路移植、または内視鏡冠状動脈迂回路移植（ＥＣＡＢＧ）、および他の管状器官の吻合手法の施術に使用することができる。ＭＩＣＡＢＧ手法について示し、説明するが、このシステムは他の外科手術にも使用できることを理解されたい。例えば、このシステムは、あらゆる対の血管の縫合に使用できる。

システム１０は、手術台１４に典型的に寝かされている患者１２に手術を施術するのに使用される。手術台１４には、関節式第１アーム１６、関節式第２アーム１８、関節式第３アーム２０が据え付けられている。関節式アーム１６〜２０は好ましくは、患者と同じ水平位置になるように、手術台に据え付けられる。また、患者の水平位置の近くにアームを配置するカートまたは何か他の装置に据え付けられることもできることを理解されたい。３本の、関節式アームについて説明するが、この装置は、１本またはそれ以上などいくつアームを持つこともできることを理解されたい。

第１および第２の関節式アーム１６および１８はそれぞれ、基部ハウジング２５および基部ハウジング２５から延びる、ロボット・アーム・アセンブリ２６を有する。外科用器具２２および２４は、第１および第２の関節式アーム１６、１８のそれぞれのロボット・アーム・アセンブリ２６の末端に、好ましくは取り外し可能に固定されている。器具２２、２４のそれぞれは、本明細書で以下に更に詳しく論ずる様々な方法で、対応するロボット・アーム・アセンブリ２６に固定される。

第３の関節式アーム２０は、加えて、基部のハウジング２５、およびロボット・アーム・アセンブリ２６、および好ましくはロボット・アーム・アセンブリ２６に固定された内視鏡２８を有する。関節式アーム１６、１８および２０のそれぞれの基部ハウジング２５、およびロボット・アーム・アセンブリ２６は実質的に類似している。しかし、第３の関節式アーム２０の形状は、外科用器具を保持し位置決めするのとは違って内視鏡２８を保持し位置決めするのが目的であるため異なっていることを認識されたい。

器具２２および２４、および内視鏡２８は患者１２の皮膚に開けた切開口を通して挿入される。内視鏡２８は、患者１２の内部組織の映像を表示するモニタ３２に連結したカメラ３０を有する。

それぞれのロボット・アーム・アセンブリ２６は、矢印Ｑで示すように、アーム・アセンブリ２６を基部ハウジング２５に対して直線方向に移動させる基部モータ３４を有する。また、それぞれのロボット・アーム・アセンブリ２６は、第１の回転モータ３６および第２の回転モータ３８を含む。それぞれのロボット・アーム・アセンブリ２６はさらに、受動状態ジョイント４０および４２の対を持つ。受動状態ジョイント４０および４２は、好ましくは、対応するロボット・アーム・アセンブリ２６に固定された器具２２、２４または内視鏡２８が旋回運動できるように、互いに垂直に配置される。受動状態ジョイントは、特定の方向ばねバイアスをかけてもよいが、それらはモータ駆動はされない。ロボット・アーム・アセンブリ２６はまた、器具２２および２４または内視鏡をそこに連結するための連結機構４５を有する。加えて、それぞれのロボット・アーム・アセンブリ２６は、それに取り付けた器具２２、２４または内視鏡２８を長手軸の回りで回転させる、モータ駆動のウォームギア４４を有する。より具体的には、モータ駆動のウォームギアは器具と内視鏡を回転させる。

第１、第２および第３の、関節式アーム１６、１８、２０はアームの動きを制御できるコントローラ４６に連結している。アームは、制御信号がコントローラ４６から関節式アーム１６、１８および２０のそれぞれに送られるように、配線、ケーブルまたは送信機／受信機のシステムを介してコントローラ４６に連結されている。それぞれの関節式アーム１６、１８および２０とコントローラ４６の間の誤りのない通信を確実にするために、各アーム１６、１８、２０を電気的にコントローラに接続する、例えば、各アーム１６、１８、２０を電気ケーブル４７を介してコントローラ４６に電気的に接続することが好ましい。しかし、直接的な電気的接続ではなく、周知の遠隔制御システムを利用してアーム１６、１８、２０のそれぞれを遠隔で制御することも可能である。このような遠隔操作装置は技術上周知であるので、ここで更には論じない。

コントローラ４６は、フットペダルのような入力装置４８、手動コントローラ、または音声感知装置に連結されている。例を挙げる目的で、フットコントローラをここで開示する。入力装置４８は、外科医によって、入力装置４８にある、対応するボタンを押すことで、内視鏡の位置を動かし、患者の異なる部分が見えるように操縦され得る。コントローラ４６は入力装置４８からの入力信号を受け取り、外科医が入力した命令に従って、内視鏡２８および第３の連結されているアーム２０のロボット・アーム・アセンブリ２６を移動させる。それぞれのロボット・アーム・アセンブリ２６は本発明の譲受人Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｍｏｔｉｏｎ，Ｉｎｃ．（Ｇｏｌｅｔａ，Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ）によってＡＥＳＯＰという商標で販売されている装置である。この装置はまた、本明細書に文献として取り込まれている米国特許第５，５１５，４７８号に記述されている。フットペダル４９について示し説明するが、この装置は、手動制御装置、または言語認識仲介装置のような、他の入力手段をもつものと理解される。

第１および第２の、関節式アーム１６および１８に固定されている器具２２、２４の動きおよび位置決めは、外科医によって、１対の主要ハンドル５０および５２にて制御される。外科医が操作する主要ハンドル５０、５２のそれぞれは、ハンドル５０または５２の動きが、関節式アーム１６、１８に固定されている外科用器具２２、２４に関連した動きを与えるように、関節式アーム１６、１８のうちの関連する１つと主従の関係を持つ。
ハンドル５０および５２は、移動可能な棚５４に搭載されている。第２のテレビモニタ５６は棚５４の上に位置され、外科医が患者１２の内組織を直ちに見られるような、周知の手段を介して、内視鏡に接続される。ハンドル５０および５２はまた、コントローラ４６に接続されている。コントローラ４６は、ハンドル５０および５２からの入力信号を受け、対応する外科用器具の動きを計算し、そして、ロボット・アーム・アセンブリ２６および器具２２、２４を動かす出力信号をもたらす。外科医は実際に器具の端を持つことなく器具２２、２４の動きおよび方向を制御するので、外科医は腰掛けた状態、または立った状態の双方で、本発明のシステム１０を使用するであろう。この装置の１つの優位性は、外科医が座った状態で内視鏡手術を実施することである。これは外科医の疲労を排除する助けとなり、特に何時間もの長さになるこれらの行程において、手術室における成果および結果を改善する。腰掛けた体勢に対応するには、椅子５７が装置と共に提供される。

各ハンドルは、第２図に描写された様々なジョイントＪｍ１〜Ｊｍ５によってもたらされる多方向への自由度を持つ。ジョイントＪｍ１およびＪｍ２は、ハンドルが棚５４の軸心について回転できるようにする。ジョイントＪｍ３は、外科医がハンドルを棚５４に入ったり、出たりする直線的な動きをさせられるようにする。ジョイントＪｍ４は、外科医が主要のハンドルを、ハンドルの長手軸について回転させることを可能にする。ジョイントＪｍ５は、外科医がグリッパを開いたり閉じたりできるようにする。

ジョイントＪｍ１〜Ｊｍ５は、ハンドルの相対的な位置に対応する帰還信号をもたらす１つのまたはそれ以上の位置センサを持つ。位置センサは、位置の変化に対応する電気信号を与えるポテンショメータまたはロータリー光学エンコーダのような帰還装置である。加えて、多くの位置センサが各ジョイントに位置され、対応するロボット・アーム・アセンブリ２６の不調、または誤った位置などに関して外科医に警告するための、冗長性をもたらす。

位置センサに加えて、それぞれのジョイントには、各ジョイントに付与される速度，加速度，力についての電気信号を与えるタコメータ，加速度計，力感知用ロードセルが含まれる。加えて、アクチュエータが各ジョイントに含まれ、ロボット・アーム・アセンブリ２６で受けた力の帰還を反映する。これは、器具２２、２４の１つの末端にあるグリッパが患者の内部から受けた力を示すのにジョイントＪｍ５において有用である。従って、力反映素子は、そのような力反映帰還ループを達成するために、器具２２、２４のグリッパに含まれていなくてはならない。ホイトストーンブリッジと組合せた圧電性素子のような力反映素子は当業界において周知である。しかし、これまでは、このような力反映手法をシステム１０のような装置に使用することは知られていなかった。

第３図はそれぞれの関節式アーム１６および１８の様々な自由度を示している。ジョイントＪｓ１、Ｊｓ２およびＪｓ３は、基部のモータ３４の軸と、ロボット・アーム・アセンブリ２６の回転モータ３６の軸と、回転モータ３８の軸とにそれぞれ対応している。ジョイントＪｓ４およびＪｓ５は、アーム２６の受動状態ジョイント４０および４２に対応している。ジョイントＪｓ６は、外科用器具の長手軸について、外科用器具を回転させるモータである。ジョイントＪｓ７は開閉できる対のフィンガである。器具２２および２４は患者の切開口に位置する中心点Ｐを中心として動く。

第４図は、マスタ・ハンドルの動きを、外科用器具の対応する動きにする制御装置の概略図である。第４図に示した制御装置によれば、コントローラ４６は、外科用器具がハンドルの動きに連動して動くように、関節式アームへの出力信号を算出する。各ハンドルは、器具をハンドルで動かせる状態にする入力ボタン５８を持つ。入力ボタン５８が解除されているときは、器具はハンドルの動きに通中しない。このようにして、外科医は、望ましくない器具の動きを生じさせることなく、ハンドルの位置を調整、または「ラチェット」に置くことができる。この「ラチェット」では、外科医は、アームの位置を変えることなく、ハンドルをより望ましい位置に連続的に動かすことができる。加えて、ハンドルは軸中心によって固定されているので、「ラチェット」の使用により、外科医はハンドルの限界を越えて器具を動かすことが可能となる。入力ボタン５８の使用が示されているが、外科用器具を、音声認識のような他の手段によって動作状態にすることも可能である。外科医が入力ボタンを押す度に、外科用器具が動作状態と不動作状態とを交互に切り替わるように、入力ボタンがラッチされるようにしても良い。

外科医がハンドルを動かすと、位置センサが、ジョイントＪｍ１〜Ｊｍ５の動きに対応する帰還信号Ｍ１〜Ｍ５をそれぞれ出す。コントローラ４６は、ハンドルの新しい位置と元の位置との差を計算ブロック６０において計算し、増分位置値＿Ｍ１〜＿Ｍ５を算出する。

増分位置値＿Ｍ１〜＿Ｍ５にはブロック６２においてスケール係数Ｓ１〜Ｓ５がそれぞれ掛けられる。器具の動きがハンドルの動きより小さくなるように、スケール係数は典型的には１より低く設定される。このようにして、外科医は、ハンドルの比較的おおざっぱな動きで、器具を大変に細かく動かすことができる。外科医が器具の動きの分解能を変更できるようスケール係数を変更することができる。スケール係数は、好ましくは、外科医がある方向に対してより細かく調整できるように、個別に変更できる。例えば、１つのスケール係数を０に設定することで、外科医は当該１つの方向について、器具が動かないようにしておくことができる。これは、外科医が、患者中のある方向に位置する器官またはある組織に外科用器具を接触させたくないときに有利である。スケール係数が「１」より小さい場合について説明をしたが、スケール係数は「１」より大きいこともある。例えば、器具を、対応するハンドルの回転より大きな割合で回転させることが望ましい場合もあるであろう。

コントローラ４６は、加算要素６４において、増分値＿Ｍ１〜＿Ｍ５を初期ジョイント角度Ｍｊ１〜Ｍｊ５に加えてＭｒ１〜Ｍｒ５とする。次に、コントローラ４６は、以下の式に従って、計算ブロック６６で所望のスレーブ・ベクトル計算値を計算する。
Ｒｄｘ＝Ｍｒ３・ｓｉｎ（Ｍｒ１）・ｃｏｓ（Ｍｒ２）＋Ｐｘ
Ｒｄｙ＝Ｍｒ３・ｓｉｎ（Ｍｒ１）・ｓｉｎ（Ｍｒ２）＋Ｐｙ
Ｒｄｚ＝Ｍｒ３・ｃｏｓ（Ｍｒ１）＋Ｐｚ
Ｓｄｒ＝Ｍｒ４
Ｓｄｇ＝Ｍｒ５
ここで、
Ｒｄｘ，ｙ，ｚ＝器具のエンド・エフェクタの新たな所望位置
Ｓｄｒ＝器具の長手軸の回りで角回転
Ｓｄｇ＝器具フィンガの運動の量
Ｐｘ，ｙ，ｚ＝ピボット点ｐの位置である。
次に、コントローラ４６は、以下の方程式に従って、計算ブロック（インバース・キネマティクス）６８で、ロボット・アーム２６の運動を計算する。

コントローラは、ブロック７０で、出力信号をモータに送り、アームと器具を所望の方向に動かす。この過程は、ハンドルを動かすたびに繰り返される。

外科医が、入力ボタンを放して（トグルして）マスタ・ハンドルを動かすと、マスタ・ハンドルは、外科用器具に対して異なる空間的位置を取ることになる。入力ボタン５８を最初に押しさげると、コントローラ４６は、計算ブロック７２で以下の方程式によって初期ジョイント角度Ｍｊ１−Ｍｊ５を計算する。

フォワード・キネマティクス値は、ブロック７４で以下の方程式によって計算される。

Ｒｓｘ＝Ｌ１・ｃｏｓ（Ｊｓ２）＋Ｌ２・ｃｏｓ（Ｊｓ２＋Ｊｓ３）
Ｒｓｙ＝Ｌ１・ｃｏｓ（Ｊｓ２）＋Ｌ２・ｓｉｎ（Ｊｓ２＋Ｊｓ３）
Ｒｓｚ＝Ｊ１

ジョイント角度Ｍｊは、加算器６４に送られる。ピボット点Ｐｘ、Ｐｙ、Ｐｚは、次の通りに計算ブロック７６で計算する。ピボット点は、エンド・エフェクタと器具ＰＯの交点の本来の位置と器具と同一方向を示す単位ベクトルＵｏを初めに決定して計算する。位置Ｐ（ｘ，ｙ，ｚ）の数値は、ロボット・アームの各種の位置センサから導くことができる。第５図を参照すると、本器具は、角度θ４とθ５を有する第１座標フレーム（ｘ，ｙ，ｚ）内にある。単位ベクトルは、以下の変換行列式によって計算する。

エンド・エフェクタの各運動後、器具の角運動Δθは、以下の線形方程式ＬｏおよびＬ１に従って、器具の第１単位ベクトルＵｏと第２単位ベクトルＵ１の交点のアークサインを取ることによって計算する。
ここで、
Ｔ＝単位ベクトルＵｏおよびＵ１の交点となるベクトルである。
新しい器具位置Ｕ１の単位ベクトルを位置センサと上述の変換行列式を使って、決定する。角度が閾値より大きければ、新たなピボット点を算出し、ＵｏをＵ１に定める。第６図に示す通り、第１および第２器具の向きは線形方程式ＬｏおよびＬ１で定義できる：
Ｌｏ：
Ｘｏ＝Ｍｘ０・Ｚｏ＋Ｃｘｏ
ｙｏ＝Ｍｙ０・Ｚｏ＋Ｃｙｏ
Ｌ１：
ｘ１＝Ｍｘ１・ｚ１＋Ｃｘ１
ｙ１＝Ｍｙ１・Ｚ１＋Ｃｙ１
ここで、
Ｚｏ＝第１座標系のｚ軸に対する直線Ｌｏに沿ったｚ座標
ｚ１＝第１座標系のｚ軸に対する直線Ｌ１に沿ったｚ座標
Ｍｘｏ＝Ｚｏの関数としての直線Ｌｏの傾き
Ｍｙｏ＝Ｚｏの関数としての直線Ｌｏの傾き
Ｍｘ１＝Ｚ１の関数としての直線Ｌ１の傾き
Ｍｙ１＝Ｚ１の関数としての直線Ｌ１の傾き
Ｃｘｏ＝第１座標系の直線Ｌｏとｘ軸の交点を表す定数
Ｃｙｏ＝第１座標系の直線Ｌｏとｙ軸の交点を表す定数
Ｃｘ１＝第１座標系のＬ１とｘ軸の交点を表す定数
Ｃｙ１＝第１座標系の直線Ｌ１とｙ軸の交点を表す定数である。

傾きは、以下のアルゴリズムを使って計算する：
Ｍｘｏ＝Ｕｘｏ／Ｕｚｏ
Ｍｙｏ＝Ｕｙｏ／Ｕｚｏ
Ｍｘ１＝Ｕｘ１／Ｕｚ１
Ｍｙ１＝Ｕｙ１／Ｕｚ１

Ｃｘｏ＝Ｐｏｘ−Ｍｘ１・Ｐｏｚ
Ｃｙｏ＝Ｐｏｙ−Ｍｙ１・Ｐｏｚ

Ｃｘ１＝Ｐ１ｘ−Ｍｘ１・Ｐ１ｚ
Ｃｙ１＝Ｐ１ｙ−Ｍｙ１・Ｐ１ｚ
ここで、
Ｕｏ（ｘ，ｙ，ｚ）＝第１座標系内の第１の位置での器具の単位ベクトル
Ｕ１（ｘ，ｙ，ｚ）＝第１座標系内の第２の位置での器具の単位ベクトル
Ｐｏ（ｘ，ｙ，ｚ）＝第１座標系内の第１の位置でのエンド・エフェクタと器具の交点の座標
Ｐ１（ｘ，ｙ，ｚ）＝第１座標系内の第２の位置でのエンド・エフェクタと器具の交点の座標である。

ピボット点のおよその近似位置を見つけるため、第１の向きＬｏにおける器具のピボット点（軸点Ｒｏ）と第２の向きＬ１における器具ピボット点（ピボット点Ｒ１）を決定し、２点ＲｏおよびＲ１の中間距離を計算し、器具のピボット点Ｒ_ave として保存する。ピボット点Ｒ_ave は、外積ベクトルＴを使って決定する。

点ＲｏおよびＲ１を得るためには、以下の方程式を設定し、ＬｏとＬ１の両方を通るベクトルＴと同一の向きを持つ直線を定義する。
ｔｘ＝Ｔｘ／Ｔｚ
ｔｙ＝Ｔｙ／Ｔｚ
ここで、
ｔｘ＝第１座標系のｚ−ｘ面に対するベクトルＴによって定義される直線の傾き
ｔｙ＝第１座標系のｚ−ｙ面に対するベクトルＴによって定義される直線の傾き
Ｔｘ＝ベクトルＴのｘ成分
Ｔｙ＝ベクトルＴのｙ成分
Ｔｚ＝ベクトルＴのｚ成分である。

傾きＴｘ、Ｔｙ、Ｔｚを決定するため２点を拾い（例．Ｔｘ＝ｘ１−ｘｏ、Ｔｙ＝ｙ１−ｙｏ、Ｔｚ＝ｚ１−ｚｏ）、線形方程式ＬｏおよびＬ１に代入すると、次の通りにＲｏ（ｘｏ，ｙｏ，ｚｏ）とＲ１（ｘ１，ｙ１，ｚ１）についての点座標の解が得られる。
ｚｏ＝［（Ｍｘ１−ｔｘ）ｚ１＋Ｃｘ１−Ｃｘｏ］／（Ｍｘｏ−ｔｘ）
ｚ１＝［（Ｃｙ１−Ｃｙｏ）（Ｍｘｏ−ｔｘ）−（Ｃｘ１−Ｃｘｏ）（Ｍｙｏ−ｔｙ）］／［（Ｍｙｏ−ｔｙ）（Ｍｘ１−ｔｘ）−（Ｍｘ１−ｔｙ）（Ｍｘｏ−ｔｘ）］
ｙｏ＝Ｍｙｏ・ｚｏ＋Ｃｙｏ
ｙ１＝Ｍｙ１・ｚ１＋Ｃｙ１
ｘｏ＝Ｍｘｏ・ｚｏ＋Ｃｘｏ
ｘ１＝Ｍｘ１・ｚ１＋Ｃｘ１

点ＲｏとＲ１の間の平均距離は、以下の方程式で計算され、器具のピボット点として保存する。

Ｒ_ave ＝（（ｘ１＋ｘｏ）／２，（ｙ１＋ｙｏ）／２，（ｚ１＋ｚｏ）／２）

ピボット点は、上述のアルゴリズム・ルーチンで連続して更新できる。ピボット点の移動は、閾値と比較でき、ピボット点が設定限界を越えて移動する場合、警告信号を発するか、ロボット・システムを外すことができる。設定限界との比較は、患者が移動している、即ち、器具を患者の体外で操作していて、患者あるいは手術室にいる者に損傷を与える可能性のある状況であるか否かを決定する上で有用であると思われる。

外科医にフィードバックするため、エンド・エフェクタが掴む目的物が生じる反応力を感知する圧力センサを器具のフィンガに据えることができる。第４図を参照すると、コントローラ４６は、圧力センサ信号Ｆｓを受けて、ブロック７８で対応する信号Ｃｍを発生し、ハンドル内に位置するアクチュエータに送る。アクチュエータは、相当の圧力をハンドルに送り、それが外科医の手に伝わる。圧力帰還は、機器が圧力を加えているのを外科医に感知させる。別の実施例として、外科医の手にフィンガの握力を直接移行させる機械ケーブルによって、ハンドルをエンド・エフェクタ・フィンガに連結することもできる。

第７図は、本発明で使用できるエンド・エフェクタ８０の好ましい実施例を示す。エンド・エフェクタ８０は、フロント・ローディング・ツール・ドライバ８４に連結する、本文で開示する２２、２４などの外科用器具８２を含む。エンド・エフェクタ８０は、連結機構４５によってロボット・アーム・アセンブリ２６の１つに取り付ける。連結機構４５は、ホルダ８６に接続され、着脱可能なカラー８５を有する。ホルダ８６は、ロボット・アーム・アセンブリ２６内でモータによって駆動されるウォーム・ギア８７を含み、それがカラー８５を回転させ、次いで、長手軸の回りで器具８２を回転させる。ホルダ８６は、ロボット・アーム・アセンブリ２６内のスロットに据えたシャフト８８を有する。シャフト８８は、アーム・アセンブリでモータによって回転でき、次に、これがウォーム・ギア８７を回転させ、これによってカラー８６と器具８２を回転させる。器具８２の回りのカラーを締めつけ、あるいは緩めるのに締めつけ具８９を使用できる。上述の器具は、チャック・キーのように働き、カラー８６を締めつけ緩める。

外科用器具８２は、第１フィンガ９０を有し、この第１フィンガ９０は第２フィンガ９１に旋回可能に連結されている。フィンガ９０および９１は、組織や縫合針などの対象物を保持するように操作できる。フィンガの内面は、器具８２の摩擦および把握能を増加させる表面を有することができる。第１フィンガ９０は、器具８２の中心溝９４を通って延びるロッド９２に連結される。器具８２は、スプリング・バイアスされたボールでクイック・ディスコネクト可能なファスナ９８と協働する外側スリーブ９６を有することができる。クイック・ディスコネクト９８は、フィンガ・グリッパ以外の器具をフロント・ローディング・ツール・ドライバ８４に連結するのを可能にする。例えば、器具８２をクイック・ディスコネクトから外し、切開用具、縫合用具、Ｋａｒｌｓｒｕｈｅに譲渡された米国特許第５，４９９，９９０号または第５，３８９，１０３号に開示されたステープル装置など、本システムでの使用に適合させたステープル器具、用具、あるいは、侵襲を最小に抑えた手術で使用される他の外科用器具に取り替えることができる。クイック・ディスコネクト９８は、器具をツール・ドライバ８４に差し込む度に、フロント・ローディング・ツール・ドライバ８４を再滅菌する必要なく、外科用器具を交換することができる。フロント・ローディング・ツール・ドライバ８４の操作については、下段でさらに詳細に論じることにする。

クイック・ディスコネクト９８は、フロント・ローディング・ツール・ドライバ８４のピン１０２を受けるスロット１００を有する。ピン１０２は、クイック・ディスコネクト９８をフロント・ローディング・ツール・ドライバ１００に固定する。ピン１０２は、スプリング・バイアス・レバー１０４を押し込むことによって外すことができる。クイック・ディスコネクト９８には、ピストン１０６があり、これは、ツール・ロッド９２に接続し、フロント・ローディング・ツール・ドライバ８４内に位置するロード・セル１１０の出力ピストン１０８に隣接している。

ロード・セル１１０は、リード・スクリュー・ナット１１２に取り付ける。リード・スクリュー・ナット１１２は、歯車箱１１６から延びたリード・スクリュー１１４に連結される。歯車箱１１６は、エンコーダ１２０に連結された可逆モータ１１８で駆動する。エンド・エフェクタ８０全体がモータ駆動ウォーム・ギア８７で回転する。

動作においては、フロント・ローディング・ツール・ドライバ８４のモータ１１８は、電線あるいは送信機／受信機システムによってコントローラ４６から入力指令を受けると、動作する。モータ１１８は、リード・スクリュー１１４を回転させ、このスクリューがリード・スクリュー・ナット１１２とロード・セル１１０を直線的に動かす。ロード・セル１１０の運動は、ジョイントピストン１０６とツール・ロッド９２を作動させ、これらが、第１フィンガ８８を回転させる。ロード・セル１１０は、フィンガに加わる反作用力を感知し、対応する帰還信号をコントローラ４６に送る。

フロント・ローディング・ツール・ドライバ８４は、ツール・ドライバ８４が各手術後に滅菌する必要がないように、滅菌ドレープ１２４で覆うことができる。さらに、ロボット・アーム・アセンブリ２６は、滅菌する必要がないように、滅菌ドレープ１２５で覆うことが好ましい。ドレープ１２４および１２５は、実質的にフロント・ローディング・ツール・ドライバ８４とロボット・アーム・アセンブリ２６を囲う手段として働く。ロボット・アーム・アセンブリ２６を囲うために使用するドレープ１２５を、第２６図でさらに詳細に図解する。ドレープ１２５は、十分な開放端部３００を有し、そこからロボット・アーム・アセンブリ２６をドレープ１２５内に入れることができる。さらに、ドレープ１２５は、アーム・アセンブリ２６を手術室環境から効果的に分離する十分に先細の封入端部３０２を含む。そこから形成された小孔を有するワッシャ３０４は、器具を連結機構４５によりアーム・アセンブリ２６に連結するのを可能にする。アーム・アセンブリ２６は、動き回るので、ドレープ１２５が確実に裂けないようにするため、ワッシャ３０４はドレープ１２５を補強する。本質的に、本器具は、患者１２に挿入するため、ドレープ１２５に封入できない。また、ドレープ１２５は、接着剤３１０の付いた多数のテープ３０８を含む。少なくとも一片のテープ３０８を他のテープ片３０８と反対に配置して、アーム・アセンブリ２６の回りにドレープ１２５を閉鎖する。

第８図および第８Ａ図は、マスタ・ハンドル・アセンブリ１３０の好ましい実施例を示す。マスタ・ハンドル・アセンブリ１３０は、アーム１３４に連結するマスタ・ハンドル１３２を含む。マスタ・ハンドル１３２は、ハンドル１３２内の対応するスロット１３８に挿入されるピン１３６でアーム１３４に連結できる。ハンドル１３２には、外科医が押すことのできる制御ボタン１４０がある。制御ボタン１４０は、シャフト１４４によりスイッチ１４２に連結される。制御ボタン１４０は、第４図に示す入力ボタン５８に相当し、エンド・エフェクタの動きを作動させる。

マスタ・ハンドル１３２には、第１グリッパ１４６があり、この第１グリッパ１４６は第２静止グリッパ１４８に旋回可能に連結されている。第１グリッパ１４６の回転が、ハンドル・シャフト１５０の対応する直線運動を生じる。ハンドル・シャフト１５０は、ベアリング１５６によってロード・セル１５４に連結されたグリッパ・シャフト１５２を動かす。ロード・セル１５４は、そこに加わる圧力の量を感知し、コントローラ４６に入力信号を送る。次に、コントローラ４６は、出力信号を送り、エンド・エフェクタのフィンガを動かす。

ロード・セル１５４は、リード・スクリュー１６０に連結されたリード・スクリュー・ナット１５８に取り付ける。リード・スクリュー１６０は、エンコーダ１６６を有するモータ１６４に連結された減速箱１６２から延びる。システムのコントローラ４６は、エンド・エフェクタのロード・セル１１０の帰還信号を受け、モータに対応する指令信号を送ってリード・スクリュー１６０を動かし、グリッパに圧力を加えるので、外科医はエンド・エフェクタによって加えられる力に関する帰還を受ける。このようにして、外科医はエンド・エフェクタを操作するための感覚を得る。

ハンドルは、ベアリング１７０の周囲を回転する旋回ハウジング１６８に接続する。旋回ハウジング１６８は、ギア・アセンブリ１７４によって位置センサ１７２に連結する。位置センサ１７２は、電位差計とすることができ、ハンドルの相対位置に対応する帰還信号をコントローラ４６に送る。さらに、この目的で、光学エンコーダを使用できる。別法として、電位差計と光学エンコーダの両方を使って、システムに必要性を与えこともできる。旋回運動は、コントローラとロボット・アーム・アセンブリによって、対応するエンド・エフェクタの回転に変換される。

アーム１３４は、直線ベアリング１７６と対応する位置センサ１７８に連結することができ、ハンドルの直線運動を可能にし、それを感知する。ハンドルの直線運動は、コントローラとロボット・アーム・アセンブリによってエンド・エフェクタの対応する直線運動に変換される。アームは、ベアリング１８０の回りで旋回し、スタンド１８４に位置する位置センサ１８２がそれを感知することができる。スタンド１８４は、ベアリング１８６の回りを回転でき、ベアリング１８は対応する位置センサ１８８を有する。アームの回転は、コントローラとロボット・アーム・アセンブリによってエンド・エフェクタの対応する旋回運動に変換される。

人の手は、自然な震えがあり、通常６−１２ヘルツで共鳴する。手の震えに追従する外科用器具の運動すなわちトラッキング運動を排除するため、システムに、震えの周波数領域内で起こるハンドルの動きを取り除くフィルタを備えることができる。第４図を参照すると、フィルタ１８４は、６〜１２ヘルツの周波数範囲で電位差計が生じるアナログ信号を取り除くことができる。別法として、この目的で、光学エンコーダとデジタル・フィルタを使用することもできる。

第９図および第１０Ａ図〜第１０Ｉ図に示すように、本システムは、冠動脈迂回路移植（ＣＡＢＧ）のような心臓手術を実施するのに使用することが好ましい。この手術は、初めに、患者に３回の切開を加え、外科用器具２２および２４と内視鏡２８を切開部から挿入することによって実施する。外科用器具の一方２２は、患者の胸腔に挿入した時、縫合針と縫合糸を保持する。動脈に伏在静脈のような二次血管を移植する場合、器具のエンド・エフェクタを患者に挿入している間、他方の外科用器具２４が静脈を保持できる。

内胸動脈（ＩＭＡ）は、一方の機器で切断し、冠動脈の移植位置まで移動できる。冠動脈を切断し、動脈壁にＩＭＡの直径に相当するサイズの開口部をつくる。エンド・エフェクタの一方に連結され、マスタ・ハンドルから遠隔操作される切開用具によって切開を行う。切断した内胸動脈および冠動脈からの出血を防ぐために動脈を締めつける。外科医は、ハンドルを操作して、冠動脈の開口部に隣接するＩＭＡを移動させる。ＩＭＡの移植について示し説明したが、冠動脈の遮断箇所にバイパスを通すのに、伏在静脈のような別の血管を移植することもできることを理解しておかねばならない。

第１０Ａ図〜第１０Ｉ図を参照すると、外科医は、ハンドルを動かして、器具を操作し、針をＩＭＡと冠動脈に通す。次に、第１０Ｂ図に示すように、手術機器を動かして、針を冠動脈と移植動脈を通して引っ張る。次に、第１０Ｃ図に示すように、手術機器を操作して、移植動脈の尾部で縫合糸を結紮する。その後、針を胸腔から取り出す。第１０Ｄ図〜第１０Ｆ図に示すように、新しい針と糸を胸腔に挿入し、移植動脈の先端を冠動脈に縫合する。第１０Ｈ図〜第１０Ｉ図に示すように、新しい針を挿入することができ、外科医は、ハンドルを操作して、尾部から先端部までと先端部から尾部まで、連続縫合を行う。外科用器具の一定した動きは、外科医が胸腔付近で縫合糸を正確に動かす事を可能にする。特定の移植順序について示し説明したが、他の技法で動脈を移植することもできることを理解されたい。一般に、本発明のシステムは、侵襲を最小に抑えた吻合術を実施するのに使用できる。

上記に開示したように、本システムは、マスタ・ハンドル５０または５２の動きに応答してコントローラ４６からコントロール信号を受け取り、外科用器具の末端に配した器具を作動させるフロント・ローディング・ツール・ドライバ８４を含む。別のものとして、第１１図に示すように、バック・ローディング・ツール・ドライバ２００を本発明のシステム１０に組み込むことができる。バック・ローディング・ツール・ドライバ２００は、バック・ローダブル外科用器具２０２と協働する。上述のバック・ローディング・ツール・ドライバ２００および機器２０２を組み込むと、非常に簡単に用具をツール・ドライバ２００から引き抜いて、他の用具と取り替えることができ、処置中の器具の交換が促進される。

バック・ローディング・ツール・ドライバ２００は、上記に開示したように、カラーとホルダを介してロボット・アーム・アセンブリ２６に接続する。バック・ローディング・ツール・ドライバは、近位末端２０６と遠位末端２０８を持つ鞘２０４を含む。鞘２０４は、プラスチックや他の既知材料で形成でき、外科用器具の構成中で使用する。鞘２０４は、本質的に中空管で、カラー８５内に適合し、上記でより詳細に述べた締めつけ用具によって定位置で締めつける。

バック・ローダブル外科用器具２０２は、用具取り付け端２１０と連結端２１２を有する。グラスパや押し込み／引っ張りロッドまたはケーブル・システムによって作動できる他の用具などの手術用具、あるいは、凝固器または調和メスのような上述のロッドやケーブルを必要としない用具は、器具２０２の用具取り付け端２１０に配置する。

ハウジング２１６は、器具２０２の連結端２１２に配置する。ハウジングは、その内部に配置したレバー２１８を有する。レバー２１８は、レバーの付随孔を通過するピンを利用することによって設定されるピボット点２２０を有する。ピンは、ハウジングの内壁２２４に取り付けられる。押／引ケーブルまたはロッド２２６は、器具２０２の長さに延び、レバー２１８に接続するので、ピボット点２２０の回りのレバー２１８の動きがケーブルまたはロッド２２６の直線運動を生じる。本質的に、ケーブルまたはロッド２２６は、器具２０２の用具取り付け端２１０の用具２１４を作動させる手段２２７として働く。ケーブルまたはロッド２２６も、連結ピンを介してレバーに接続する。レバー２１８は、Ｃ字形で、その先端が、ハウジング２１６の２つの孔２２８と２３０から突き出している。その孔２２８、２３０は、Ｏリング２３２で囲むことが好ましく、その目的については、下記で詳述する。

バック・ローダブル外科用器具２０２の用具取り付け端２１０は、バック・ローディング・ツール・ドライバ２００の中空管に入れる。用具２０２は、用具取り付け端２１０が鞘２０４を越えて延びるまで、ツール・ドライバから押すことができる。Ｏリング２３２は、ツール・ドライバ２００のハウジング２３８の付随孔２３４および２３６にある。さらに、ハウジングは、その中央に孔２４０が設けられており、その孔は、中空管の内部と共軸である。このようにして、外科用器具２０２は、ツール・ドライバ２００内に挿入できる。各Ｏリング２３２は、ツール・ドライバ２００のハウジング２３８の付随孔に整然と納まる。

さらに、ハウジング２３８は、第１２図に示すモータ・アセンブリ２４２を含む。モータ・アセンブリ２４２は、ハウジング２３８に接続し、そこで定位置にしっかりと保持される。モータ・アセンブリは、一般に、減速装置２４６に接続したモータ２４４を含む。モータは、その末端に取り付けたリーフ２４８を作動させる。リーフ２４８は、モータの回転運動がピボット点２２０の回りでレバー２１８の動きを生じるように、レバー２１８の先端と係合する。これは次いで、器具２０２の用具取り付け端２１０で用具２１４を作動させる手段２２７の側方運動を生じる。モータは、制御ハンドルの動きに応答して動く。さらに、力センサ２４８、２５０をリーフ２４８の両端に取り付けできる。したがって、力帰還システムが組み込まれ、器具２０２の用具取り付け端２１０で用具２１４を作動させるのに必要な力の量を感知できる。別法として、モータ２４４に、それに接続する力帰還装置２５２を設けることもでき、これは同様な方法で使用できる。

バック・ローディング・ツール・ドライバ２００を利用する１つの長所は、鞘２０４が常に患者１２の体内にあることである。したがって、用具を取り替えたり、交換する時、用具を配列し直す必要がなく、ロボット・アーム・アセンブリ２６を配列し直す必要がない。鞘２０４は、そこにトルを配する場合でも、配さない場合でも、患者１２に対してその位置を保持する。

本発明のシステム１０は、さらに、器具の先端で１つまたは２つの追加の自由度を提供できる。例として、２つの追加の自由度を開示する。ただし、１つの自由度だけを含めることもできることを理解されたい。追加の自由度を与えるため、第１３図〜第１６図で示すように、関節操作可能な外科用器具３００を本発明に組み入れることができる。器具３００は、上文で開示したように、カラーおよびホルダを介してアーム・アセンブリ２６に連結できる。関節操作可能器具３００の先端を曲げるため、関節操作ツール・ドライバ５００を使用しなければならない。関節操作ツール・ドライバ５００は、下記で詳細に述べる。マスタは、器具３００の先端での関節操作の制御を行うために、２つの追加の自由度を持たなければならない。第２５図は、２つの追加の自由度を含む別のマスタ方式を示す。下記で開示するように、２つの追加の自由度を、器具３００の関節式部分にマップする。マスタでの２つの追加軸をＪｍ６およびＪｍ７と呼ぶ。

マスタで関節操作可能機器３００と関節操作ツール・ドライバ５００と追加の自由度を組み入れることによって、むずかしい操作を容易に行うことができる。

第１３図〜第１６図を参照すると、関節操作可能な機器３００は、一般に、延長ロッド３０２、鞘３０４、用具３０６を含む。用具は、グラスパ、切開刀、牽引器、縫合器具、あるいは、侵襲を最小に抑えた手術法で使用されるその他の公知の用具とすることができる。第２７図〜第３０図は、関節式外科用器具３００に遠位端に取り付け可能な各種用具を示す。

器具３００は、近位部分３０８を持つ関節操作可能部分３０１、ピボット・リンケージ３１０、遠位端２１２を含み、その各々を下記で詳細に論じる。さらに、器具３００は、延長ロッド３０２に関して、器具３００の関節操作可能部分３０１を関節操作する手段３１１を含む。関節操作可能部分を含めると、器具先端で２つの追加の自由度が得られる。関節操作可能部分３０１は近位端、ピボット・リンケージ、遠位端を含むとして説明したが、対応するピボット・リンケージを介して互いに固定する多数の中間部を設けることもできることを理解されたい。

それぞれの近位部分、遠位部、および介在する中間部の間にピボット・リンケージ３１０が配置され、各々を固定する。ピボット・リンケージ３１０は、関節操作可能部分の近位部分および遠位部と相互に連動し、器具先端で関節式に動作する。本質的に、近位部分、ピボット・リンケージ、遠位部の協働は、万能継手として働く。

延長ロッド３０２は、中空で、ステンレスかプラスチック、あるいは、滅菌可能な他の公知の材料であることが好ましい。ロッド３０２は中空であるので、内部３１４を有する。延長ロッド３０２は、さらに、近位端３１６と遠位端３１８を有する。延長ロッド３０２の遠位端は、器具３００の関節操作可能部分３０１の遠位部３１２と混同してはならない。

関節操作可能部分３０１の近位部分３０８は、延長ロッド３０２と一体に形成でき、あるいは、溶接、膠または当業者に周知の他の手段によって接続できる。近位部分３０８を延長ロッド３０２と一体形成し、器具３００の十分な安定性および耐久性を確保することが好ましい。関節操作可能部分３０１の近位部分３０８は、２種のフィンガ３２０、３２２を有し、その各々を通って孔３２４、３２６が形成されている。

ピボット・リンケージ３１０は、隣接フィンガの付随孔を通過する多数のピン３２８によって近位部分３０８に取り付ける。一般に、ピボット・リンケージ３１０は、平面ディスク３３０で、それが通過する１個の中心孔３３２とディスクの辺縁に均一な間隔を保つ４個の孔３３４、３３６、３３８、３４０を有する。さらに、ピン３２８が辺縁３４２に接続し、そこから延びている。ピン３２８は、付随フィンガ孔に位置し、器具３００の関節動作能力を生じる。５個のリード３５０、３５２、３５４、３５６、３５８が中空シャフト内部に延びている。１個のリード３５０は、中心から下方に延び、ピボット・リンケージ３１０の中心孔３２２を貫通している。５個のリードの内の２個３５２と３５４は、器具の中空内へ下方に延び、ピボット・リンケージに接続するので、５個のリードの内の１個への線形張力が部分３０１の回転運動を生じる。これらの２個のリード３５２、３５４は、それから形成された孔の内の２個でピボット・リンケージに接続する。さらに、それらは、器具３００の関節操作可能部分３０１の近位部分３０８のフィンガを通過するピンに隣接した孔で接続する。他の２個のリード３５６、３５８は、軸リンケージ内で２個の他の孔を通過し、関節操作可能部分３０１の遠位端で接続する。これらの２個のリードの運動は、他の２個のリード３５２、３５４を移動させる時、その運動に直交する関節操作可能部分３０１の運動を生じる。

本システムの一部として、さらに、第１７図〜第２４図に示すように、器具を操作するため、関節機構４００が用意されている。関節機構４００は、一般に、関節ツール・ドライバ５００、滅菌連結器６００、変換器７００、関節操作可能用具３００から成る。

変換器は、器具３００の近位端３１６に接続する。用具３００は、さらに、第１８図〜第１９図に示すように、着脱可能用具４２０を有することができる。着脱可能用具４２０は、延長ロッドまたはケーブル４２４などに接続されたカッター４２２などの用具とすることができる。ロッド２４６の末端に、孔４３０が形成された平坦面４２８を配置する。平坦面４２８は、器具３００の延長シャフトを下方移動する第２ケーブルかロッド４３４の末端に配した溝４３２内に入る。第２ケーブル４３４は、その末端に形成された溝４３２を有するので、平坦面４２８は溝４３２に入る。少なくとも１個のスプリング・バイアス止め金４３６が平坦面４２８から配した孔４３０に入る。これは、用具４２０を器具３００の残り部分に連結する。それ自体、新しい用具が必要な度に、装置１０から器具を外す必要なく、用具を器具の先端で交換できる。

用具３００は、変換器７００に接続され、本質的に、それと一体形成される。関節機構４００は、上文で開示したように、カラー８５を経てロボット・アーム・アセンブリ２６に接続する。カラー８５は、器具３００のシャフト３０２の周囲に取り付けられる。

変換器７００には、近位端７０２と遠位端７０４がある。変換器７００の遠位端７０４は、器具３００の延長ロッド３０２の横断面にかなり類似した横断面を有する。さらに、変換器７００は、中空内部７０６を有する。中心ロッド３５０は、変換器７００の中空内部７０６を通って、その近位端７０２に延びる。リード３５２、３５４の２本は、中心リード３５０が延びる第１中空管７１２に接続する２ヶ所の肩部分７０８、７１０で変換器内部を終了する。第１中空管７１２は、ステンレス、硬質プラスチックなどの強い耐久性のある材料で形成できる。

第１中空管７１２は、回転できるように、ベアリング７１４に取り付けられる。第１中空管７１２の回転は、リード３５２、２５４の直線運動と、器具３００の関節操作可能部の関節運動を生じる。

第２中空管７１６は、そこから延びる１対の肩部分７１８、７１９を有する。２本のリード３５６、３５８は、肩部分７１８、７１９のそれぞれ一方に連結する。中空管７１６は、回転できるように、ベアリング部７２０内に配置する。やはり、第２中空管７１６の回転は、リード３５６、３５８の直線運動を生じ、第１中空管の回転を通して定まった運動面と直交する平面で、機器３００の関節運動可能部分３０１に関節運動を行わせる。第２中空管７１６は、第１中空管７１２を放射状に囲むことを認めることができる。さらに、変換器７００は、無菌連結器６００に変換器７０８を連結（着脱可能）するスプリング・バイアス・レバー７２６の末端に配したピン７２４から成るクイック・ディスコネクト７２２を含む。中空管７１２と７１６の両方とも、その中で末端にノッチ７５０を形成することができる。ノッチは、両管のそれぞれを無菌連結器６００に相互連結する手段７５２として働き、これについては、下記でさらに詳細に論じる。

変換器７００はクイック・ディスコネクト７２２を経て無菌連結器６００に着脱可能に連結される。関節操作可能ツール・ドライバ５００は、容易に滅菌されないので、関節操作可能ツール・ドライバ５００を滅菌する必要なく、器具を交換できるように、無菌連結器６００を含めると有利である。さらに、連結器６００は、第２６図で示したもののようなドレープ１２５にツール・ドライバを入れて、変換器７００をツール・ドライバ５００に連結する。連結器６００は、ハウジング６１０を有する。連結器６００のハウジングと部品は、ステンレス、プラスチック、あるいは、公知の滅菌可能材料などの容易に滅菌できる物質で形成するのが好ましい。ハウジング６１０は、実質的に中空の内部６１２と開放末端６１４および６１６を有する。２本の中空管６１８および６２０は、ハウジング６１０内で回転しながら配置される。中空管６１８および６２０のそれぞれの回転を行わせるため、ベアリング６２２および６２４を各中空管の周囲に配置する。中空管は、それぞれ、管の末端に形成されたノッチ６２６を有するので、一方の末端で連結器６００に変換器７００が連結され、また連結器６００を中空管の他端で関節操作可能ツール・ドライバ５００に連結される。

変換器のピン７２４がノッチ６２８に入り、変換器７００が連結器６００に連結される。さらに、連結器６００は、スプリング・バイアス・ピボット６３２に連結したピン６３０を含み、連結器をドライバ５００に連結することができる。連結器６００は、さらに、スライド可能で、中心ケーブルまたはロッド３５０の末端３５１を受ける中心断面６３４を含む。末端３５１は、その周囲に配した周囲溝３５３を有する先端を含むことができる。その先端は、中心断面６３４に形成されたくぼみ６３６に入り、少なくとも１個のスプリング・バイアス止め金６３８によって定位置で固定され、着脱可能である。先端６４０は、周囲溝３５３を含む先端と実質的に類似し、くぼみ６３６に隣接して配置され、中心ケーブル３５０を関節操作可能ドライバ５００に連結する働きをする。これについては、下記でさらに詳細に論じる。

中心部分６３４は、最も奥の管６１８内で側方にスライドするためのものである。上述のスライド運動を行うために、直線ベアリングを最も奥の管の中央部分の周囲に配置することができる。別法としては、中心部分６３４は、最も奥の管６１８内でスムーズにスライドするベアリング材料で形成できる。

連結器６００は、関節操作可能ツール・ドライバ５００に接続され、着脱可能である。関節操作可能ツール・ドライバをドレープ１２５でくるむことを意図する。関節操作可能ツール・ドライバ５００は、中空のハウジング５０２を含み、閉鎖された第１末端５０４と実質的に開放された第２末端５０４を含む。ハウジング５０２にしっかりと内部に配置されているのは、グリッパ・モータ５０６と、１対のリスト・モータ５０８および５１０である。そのモータは、それぞれ、コントローラ４６と電気的に連結されている。別法としては、モータは、コントローラから、上述の系統が公知の送信機／受信器システムを介して信号を受け取る。新規であるのは、上述の送信機／受信器システムの本発明への応用である。グリッパ・モータ５０６は、ロード・スクリュー５１２を囲むロード・ナット５１０に接続する。モータ５０６は、コントロール信号を受けて、それに応答して回転する。ロード・ナット５１０が回転し、ロード・スクリュー５１２を移動させる。ロード・スクリュー５１２は、ロード・セル５１４に接続され、そのロード・セルは、連結器６００を経てグリッパ・モータ５０６に接続するケーブル３５０を移動させるのに必要とされる力を測定するのに使用できる。これは、本発明のシステム１０に組み込む事のできる力の帰還システムに使用できる。その末端に形成される溝５１８を有するロッド５１６は、ロード・セル５１４に連結される。ロッド５１６は直線的に移動する。連結器６００の先端６４０は、溝５１８に入り、少なくとも１個のスプリング・バイアス止め金、あるいは、その他の同様の連結機構５２０によって定位置で保持（着脱可能）される。そのため、マスタ・ハンドルを持つ外科医がグリッパを操作する場合、グリッパ・モータ５０６が回転し、それによって、ロッド５１６を、さらに、順に、中心ケーブル３５０を動かし、これが、適宜、用具部位でグリッパを開閉する。当然、用具部位での作動はそこに配置する用具の種類に依存する。例えば、外科用器具３００の末端にステープル用具を配置する場合のステープリングの働きをする。

マスタ・ハンドル５０または５２を軸Ｊ６またはＪ７の回りで回転させる場合、必要な運動に応じた２個のリスト・モータ５１０、５０８の内の一方が回転する。モータ５０８、５１０のそれぞれが、対応するギア５２２、５２４に連結されている。ギア５２２、５２４のそれぞれが、付随中空管５２６、５２８の対応する溝区域５３０、５３２にかみ合い、付随管を放射状に、その長手軸の周囲を回転させる。中空管５２６、５２８は、それぞれ、ノッチのある末端５３４、５３６を含んでおり、連結器６００の対応する中空管のノッチのある末端とかみ合う。中空管５２６、５２８、６１８、６２０が、それぞれ、全て共軸性である。さらに、ベアリングは、中空管５２６および５２８の各定置中間物とし、個々の中空管の独立した回転能を生じることができる。

中空管５２６、５２８が回転する時、連結器の中空管を回転させ、これが変換器の中空管を回転させる。これは、外科用器具３００の先端で関節動を生じる。特に、これは、外科用器具３００の関節操作可能部分の関節動を生じる。さらに、使用するのがフロント・ローディング・ツール・ドライバであっても、バック・ローディング・ツール・ドライバであっても、関節操作可能ツール・ドライバであっても、外科用器具を容易に交換できる。

このように、切開刀８００をグラスパと交換でき、グラスパはステープラー８１０と交換できる。本質的に、上述の装置は、処置が用具を次々と交換することを含む、侵襲を最小に抑えた手術法の実施を簡略化する。また、装置は、特定の器具の先端での関節形成を可能にするので、関節形成機構は、上文で開示したように、上述のステープリング、あるいは、関節操作可能部分を組み込んだ切開器具に関節を形成するのに使用できる。

さらに、本器具は、関節操作可能器具である必要がないが、ステープリングのような他の機能をコントロールする上で関節形成機構を使用できる。第２７図は、カラー８５およびホルダ８６からロボット・アーム・アセンブリの接続したステープリング器具８１０を示す。一般に、把握用具に使用されるリードは、ステープル機構を達成するのに使用できる。内視鏡ステープラは、一般に、技術上周知であるが、本文で開示したように、ロボット・アームに接続するステープラーを使用する事は、従来、周知である。

さらに、第２８図に示すような切開刀が、本発明の装置で使用できる。切開刀８００は、カラー８５およびホルダ８６でロボット・アーム・アセンブリ２６に接続される。切開刀は、グラスパやステープラーが必要とするようなリードを必要としないが、切開用具は、本文で開示した関節形成機構によって関節を備えるのがよい。

さらに、焼灼装置や凝固器は、カラー８５やホルダを経てロボット・アーム・アセンブリ２６に接続できる。焼灼用具および凝固器は公知であり、焼灼用具は、本文で開示したように、関節操作可能器具の末端で接続できる。予定された順序で多様な用具を使用する事によって、多様な処置を実施できる。多くの処置は、上述のものを必要とするので、一般に、器具を交換できるのが好ましい。

数件の典型的実施例が記述され、添付図面に示されたが、このような実施例は、単に説明的であり、広い発明に制限を加えるものでなく、様々な他の変更態様を通常の当業者が思い浮かべることができるため、本発明が示し、記述した特定の構成および配列に制限されるものでない事を理解しなければならない。

本発明による最小侵入型の外科システムの透視図である。 このシステムのマスタ部の概略図である。 このシステムのスレーブ部の概略図である。 このシステムの制御システムの概略図である。 座標フレームでの器具の概略図である。 旋回点の回りでの器具の動きの概略図である。 本発明のシステムによるエンド・エフェクタの分解組立図である。 本発明によるシステムのマスタ・ハンドルの図である。 本発明によるシステムのマスタ・ハンドルの側面図である。 内胸動脈が冠状動脈に移植される様子の図解である。 内胸動脈が冠状動脈に移植される様子の図解である。 内胸動脈が冠状動脈に移植される様子の図解である。 内胸動脈が冠状動脈に移植される様子の図解である。 内胸動脈が冠状動脈に移植される様子の図解である。 内胸動脈が冠状動脈に移植される様子の図解である。 内胸動脈が冠状動脈に移植される様子の図解である。 内胸動脈が冠状動脈に移植される様子の図解である。 内胸動脈が冠状動脈に移植される様子の図解である。 内胸動脈が冠状動脈に移植される様子の図解である。 本発明のシステムによるリア・ローディング・ツール・ドライバの側面図である。 第１１図のリア・ローディング・ツール・ドライバのモータ・アセンブリの平画図である。 本発明による、関節操作可能な器具の側面図である。 器具の先端部が関節式に動作しているときの、関節操作可能な器具の側面図である。 本発明による、関節操作可能な器具の関節操作可能な部分の分解組立図である。 本発明の、関節操作可能な外科用器具の節で作動する部分による心ピボット・リンケージの平面図である。 本発明による、関節操作式ツール・ドライバ・アセンブリの透視図である。 本発明の、関節操作可能な器具による、取り外し可能な器具先端部の図である。 本発明による器具先端部のリセプタクルの図である。 本発明の関節動作変換器に取り付けた、関節操作可能な器具の断面図である。 本発明の関節動作変換器の拡大断面図である。 本発明による関節動作変換器の端面図である。 本発明のシステムによる関節操作式ツール・ドライブ・アセンブリの無菌部分の断面図である。 本発明の装置による関節操作式ツール・ドライブ・アセンブリのツール・ドライバの断面図である。 関節操作式ツール・ドライバ・アセンブリを含む本発明によるシステムのマスタ部分の概略図である。 本発明によるロボット・アームと共に使用するためのドレープの平面図である。 本発明に従ってロボット・アームに連結され、その端部にステーブル器具が配置された外科用器具の平面図である。 本発明に従ってロボット・アームに連結され、その端部に切刃が配置された外科用器具の平面図である。 本発明に従ってロボット・アームに連結され、その端部に切開刃が配置された外科用器具の平面図である。 本発明に従ってロボット・アームに連結され、その端部にステープル器具を配置された外科用器具の平面図である。

符号の説明

１６，１８ スレーブ・マニピュレータ、５０，５２ マスタ・マニピュレータ、５８ ボタン作動、１８４ フィルタ、６０ 相対角計算、６２ スケール、６６ スレーブ・ベクトル計算、６８ インバース・キネマティクス、７０ スレーブ・マニピュレータ・コントローラ、７８ マスタ・コントローラ、

Claims (30)

1. 第１エンド・エフェクタを有する第１関節式アーム（１６）と；
   第１入力コマンドを作り出すために外科医により第１入力装置空間増分だけ移動可能な第１入力装置（５０）と；
   前記第１入力装置から前記第１入力コマンドを受けかつ前記第１関節式アームに第１出力コマンドを与えて前記第１エンド・エフェクタを第１エンド・エフェクタ空間増分だけ移動させるように、前記第１入力装置と前記第１関節式アームに連結されたコントローラ（４６）と；
   を備える外科医が患者に手術を施せるようにするシステム（１０）であって、
   前記コントローラは前記第１入力装置空間増分が前記第１エンド・エフェクタ空間増分とは異なるように前記第１入力コマンドをスケーリングするものであり、且つ前記コントローラは外科医の手の震えに対応する第１入力コマンドをフィルタリングして除去するフィルタを有することを特徴とするシステム。
2. 第１エンド・エフェクタを有する第１関節式アーム（１６）と；
   第１入力コマンドを作り出すために外科医により第１入力装置空間増分だけ移動可能な第１入力装置（５０）と；
   前記第１入力装置から前記第１入力コマンドを受けかつ前記第１関節式アームに第１出力コマンドを与えて前記第１エンド・エフェクタを第１エンド・エフェクタ空間増分だけ移動させるように、前記第１入力装置と前記第１関節式アームに連結されたコントローラ（４６）と；
   第２エンド・エフェクタを有する第２関節式アーム（１８）と；
   第２入力コマンドを作り出すように外科医により第２入力装置空間増分だけ移動可能な第２入力装置（５２）とを備え、前記第１入力装置空間増分は前記第１エンド・エフェクタ空間増分とは異なるように前記第１入力コマンドをスケーリングするものであり、且つ前記コントローラ（４６）は前記第２入力装置から前記第２入力コマンドを受けかつ前記第２関節式アームに第２出力コマンドを与えて前記第２エンド・エフェクタを第２エンド・エフェクタ空間増分だけ移動させ、前記第２入力装置空間増分が前記第２エンド・エフェクタ空間増分とは異なるように前記第２入力コマンドをスケーリングするものであり、更に前記コントローラは外科医の手の震えに対応する第１入力コマンドをフィルタリングして除去するフィルタを有することを特徴とする請求項１に記載の外科医が患者に手術を施せるようにするシステム（１０）。
3. 内視鏡（２８）を保持する第３関節式アーム（２０）と、外科医から指令を受け、前記指令に応じて第３入力コマンドを生成するように出来ている第３入力装置（４８）とをさらに備え、前記コントローラが前記第３入力コマンドを受けかつ前記第３関節式アームに第３出力コマンドを与えて前記内視鏡（２８）を移動させることが出来ることを特徴とする請求項２に記載のシステム。
4. 前記第１入力装置が外科医により移動されるように出来ているマスタハンドル（５０）であり、前記入力装置がさらに、前記第１関節式アーム（１６）を作動して前記第１エンド・エフェクタが前記マスタハンドルの移動と連動して移動し、前記マスタハンドルが外科医により移動されるときに、前記第１エンド・エフェクタが静止し続けるように前記第１関節式アームを作動不能にするために前記コントローラ（４６）に連結された入力ボタンを有することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
5. 前記マスタハンドルがマスタピボット点の周りで回転可能であることを特徴とする請求項４に記載のシステム。
6. 前記入力装置が、第１入力位置信号を与える第１位置センサと、第２入力位置信号を与える第２位置センサとを有し、前記コントローラが前記第１位置信号に対する第１スケールファクタと、前記第２位置信号に対する第２スケールファクタとを与えるように出来ていることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
7. 前記第１関節式アームが患者の切開部に位置するピボット点の周りで回転することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
8. 前記第１関節式アーム（１６）が切開部に挿入可能な第１エンド・エフェクタに連結された非駆動関節（４２）を有し、前記切開部が前記第１エンド・エフェクタに対する第１ピボット点を定め、前記コントローラにより与えられた前記第１出力コマンドが前記第１ピボット点に対する前記第１エンド・エフェクタの移動を行うように出来ていることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
9. 第２エンド・エフェクタを有する第２関節式アーム（１８）と、外科医からの指令に応じて第２入力コマンドを作り出すように出来ている第２入力装置（５２）とをさらに備え、前記コントローラ（４６）が、前記第２入力装置から前記第２入力コマンドを受けかつ前記第２関節式アームに第２出力コマンドを与えて患者の第２切開部に位置する第２ピボット点の周りで前記第２エンド・エフェクタを移動させるように出来ていることを特徴とする請求項８に記載のシステム。
10. 内視鏡（２８）を保持する第３関節式アーム（２０）と、外科医から指令を受け、前記指令に応じて第３入力コマンドを生成するように出来ている第３入力装置（４８）とをさらに備え、前記コントローラ（４６）が、前記第３入力コマンドを受けかつ前記第３関節式アームに第３出力コマンドを与えて患者の第３切開部に位置する第３ピボット点の周りで前記内視鏡を移動させるように出来ていることを特徴とする請求項９に記載のシステム。
11. 前記第１入力装置が外科医により移動されるように出来ているマスタハンドル（５０）
    であることを特徴とする請求項１０に記載のシステム。
12. 第２エンド・エフェクタを有する第２関節式アーム（１８）と、第２入力コマンドを作り出すように外科医により第２入力装置空間増分だけ移動可能な第２入力装置（５２）とをさらに備え、前記第２入力装置が、外科医が押すことができる第２入力ボタンを有し、前記第２入力ボタンが押されたときに、前記コントローラ（４６）が、前記第２入力装置から前記第２入力コマンドを受けかつ前記第２関節式アームに第２出力コマンドを与えて前記第２エンド・エフェクタを移動させるように出来ていることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
13. 内視鏡（２８）を保持する第３関節式アーム（２０）と、外科医から指令を受けるように出来ており、前記指令に応じて第３入力コマンドを生成する第３入力装置（４８）とをさらに備え、前記コントローラ（４６）が、前記第３入力コマンドを受けかつ前記第３関節式アームに第３出力コマンドを与えて前記内視鏡（２８）を移動させるように出来ていることを特徴とする請求項１２に記載のシステム。
14. 前記第１入力装置がマスタピボット点の周りで回転可能なマスタハンドルを含むことを特徴とする請求項１２に記載のシステム。
15. 前記第１入力装置が外科医により移動されるように出来ているマスタハンドル（５０）であり、前記入力装置がさらに、前記第１関節式アームを作動して前記第１エンド・エフェクタが前記マスタハンドルの移動と連動して移動し、前記マスタハンドルが外科医により移動されるときに、前記第１エンド・エフェクタが静止し続けるように前記第１関節式アームを作動不能にするために前記コントローラに連結された入力ボタンを有することを特徴とする請求項８又は１２に記載のシステム。
16. 前記第１エンド・エフェクタが力センサを有し、前記第１入力装置が、前記力センサにより検知される力に対応する外科医に対する力を加えるように前記力センサに連結されたアクチュエータを有することを特徴とする請求項１、８又は１２に記載のシステム。
17. 外科医に加えられる前記力が前記力センサにより検知された力のスケーリングされた増分であることを特徴とする請求項１６に記載のシステム。
18. 前記第１エンド・エフェクタが前記マスタハンドルの移動のスケーリングされた増分だけ移動するように出来ていることを特徴とする請求項１１又は１４に記載のシステム。
19. 前記第１関節式アーム（１６）が、無菌連結器（４５）によりロボットアーム（２６）に連結された手術器具（２２）を含むことを特徴とする請求項１、８又は１２に記載のシステム。
20. 前記ロボットアーム（２６）が無菌バッグ（４５）に封入されることを特徴とする請求項１９に記載のシステム。
21. 前記第１関節式アームが、患者の切開部に位置するピボット点の周りで回転するように出来ていることを特徴とする請求項１２に記載のシステム。
22. 前記第１関節式アームが一対の非駆動関節（４０、４２）を有することを特徴とする請求項２１に記載のシステム。
23. 前記アームに回転自在に取り付けられた着脱自在の連結器と、
    前記連結器により保持され、前記エンド・エフェクタを有する内視鏡手術器具と、
    をさらに備える請求項１に記載のシステム。
24. 前記連結器が前記第１関節式アームに着脱自在に付いていることを特徴とする請求項２３に記載のシステム。
25. 前記内視鏡手術器具が関節式内視鏡手術器具であることを特徴とする請求項２３に記載のシステム。
26. 前記関節式手術器具が基体とピボットリンク機構と先端とを備えることを特徴とする請求項２５に記載のシステム。
27. 前記コントローラにおける移動が前記関節式手術器具の基体に対する前記関節式手術器具の先端の対応する移動をもたらすことを特徴とする請求項２６に記載のシステム。
28. 前記連結器がその中を貫いて形成された開口を有することを特徴とする請求項２３に記載のシステム。
29. 前記関節式手術器具の先端に取り付けられた工具がステープラであることを特徴とする請求項２７に記載のシステム。
30. 前記関節式手術器具の先端に取り付けられた工具が焼灼器であることを特徴とする請求項２７に記載のシステム。

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