JP5334129B2 - 腹腔鏡手術支援用ロボット - Google Patents

Description

本発明は、腹腔鏡手術支援用ロボットに関する。

腹腔鏡手術とは、患者の体内に腹腔鏡を挿入してモニタに体内の映像を表示させつつ、腹腔鏡と同様に鉗子類を体内に挿入し、モニタの表示を見ながら患者に対し行う手術をいう。この手術は皮膚の切開創及び筋肉組織の損傷を少なく抑えることができ、術後の痛みを少なくし、術後の回復を早めることができるといった利点がある。

ところが一般に、腹腔鏡や鉗子類は長い棒状の部材を有しており、これらが手術の動作の制限をもたらす場合がある。これは術者に高度な技術を要求することを意味する。

このため、腹腔鏡手術においてこの操作を補助する支援システムがあると有用である。従来の腹腔鏡手術の支援用マニュピュレータに関する技術として、複数の節を有し自由度を付加した腹腔鏡用の長鉗子マニュピレータの提案がある。

確かに、複数の節を有し自由度を付加した腹腔鏡用の長鉗子マニュピレータによると、腹腔鏡手術において複雑な動きをより容易に行うことができるようになる。

しかしながら、上記技術であっても、患者の体外にマニュピレータが配置されている以上これが動きの制限として依然残る。

そこで本発明は、上記課題を鑑み手術における制限をより少なくする新規な腹腔鏡手術支援用ロボットを提供することを目的とする。

本発明者らは、上記課題について鋭意検討を行ったところ、患者の体外にマニュピュレータ等を配置するのではなく、患者の体内において自由に移動等の手術に要する動作を行うことができるロボットの有用性に着目した。

即ち、本発明の第一の手段に係る腹腔鏡手術支援用ロボットは、回転軸を回転させる動力部と、回転軸に接続され、回転軸の回転に基づき回転する第一のアーム部と、第一のアーム部に接続され、スライド孔を有する第二のアーム部と、動力部に対して固定して配置され、第二のアーム部の前記スライド孔内に配置されるスライド軸と、第二のアーム部に配置される把持部材と、を有する。

以上、本発明により、手術における制限をより少なくする新規な腹腔鏡手術支援用ロボットを提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明するが、本発明は以下に示す実施形態、実施例にのみ狭く限定されるものではない。

（実施形態１）
図１は、本実施形態に係る腹腔鏡手術支援用ロボット（以下単に「ロボット」という。）の機能ブロックを示す図である。図２は、本実施形態に係るロボットの概略斜視図を示す。図１、２で示すように、本実施形態に係るロボット１は、回転軸２１を回転させる動力部２と、回転軸２１に接続され、回転軸２１の回転に基づき回転する第一のアーム部３と、第一のアーム部３に接続され、スライド孔４１が形成された第二のアーム部４と、動力部２に対して固定して配置され、第二のアーム部４のスライド孔４１内に配置されるスライド軸５と、第二のアーム部に配置される把持部材６と、撮像部７と、制御部８と、動力部２及び制御部８を格納するとともにスライド軸５を固定する筺体９と、を少なくとも有する。

本実施形態に係るロボット１の大きさや重量としては、手術の支援が可能である限りにおいて限定されるわけではないが、腹腔鏡手術の際に形成される切開部から挿入が可能な程度の大きさであることが好ましく、限定されるわけではないが、幅（外径）２０ｍｍ以下、重量３０ｇ以下、移動速度３ｍｍ／ｓ以上であることが好ましく、より好ましくは幅（外径）１０ｍｍ以下、２０ｇ以下、移動速度５ｍｍ／ｓ以上である。

動力部２は、回転軸２１を回転させ、この回転を介して第一および第二のアーム部を回転させることができるものである限り限定されるわけではないが、一般には電気的なエネルギーを機械的エネルギーに変えるモータが好ましい。モータの望ましい大きさや重量については限定されるわけではなく、また市販のモータを採用することもできるが、上記望ましい性能の範囲に入るものを採用することが好ましい。

第一のアーム部３は、駆動部２の回転軸２１に接続、好ましくは固定され、回転軸２１の回転と共に回転する。また第一のアーム部３は第二のアーム部４とピン３２を介して回転可能に接続されている。

第二のアーム部４は、上述の通り第一のアーム部３にピン３２を介して接続されると共にスライド孔４１が形成されている。このスライド孔４１にはスライド軸５が配置され、第一のアーム３が回転することでスライド軸５がスライド孔４１内を摺動し、ピン３２が配置される側とは反対側の先端部分（把持部材が配置されている側）は回転運動を行なうことができる。図３に、本実施形態に係るロボットの側面の外略図を示しておく。

第二のアーム部４の長さは、ロボットが接地面（患者の臓器表面等）を把持及び前進できる程度の回転運動を行なえるものであれば特に限定されるわけではないが、少なくとも第一のアーム部３よりは十分長く、把持部材６の配置される先端部分がアームが一回転する間に筐体９の底面よりも下側になる位置があることが必要である。なお、第二のアーム部４におけるスライド孔４１の長さは、第一のアーム部３が一回転する間にスライド軸５がスライドする距離以上であれば特に限定されるものではない。

第二のアーム部４の数は、２本であることが移動の観点から好ましいが、限定されず２本以上あっても良い。第二のアーム部４は２本以上設け、そのそれぞれにモータや、第一のアーム部等を設けて独立に動作可能とすることで旋回等の複雑な動作をより容易に行なうことができるようになる。またアーム毎に段差の高さが異なる場合であっても、アームを独立して動作できるようになっていれば、上記のような複雑な段差であっても乗り越えることができるようになる。

スライド軸５は、筐体９に固定され、上記の通り第二のアーム部４におけるスライド孔４１内に配置され、第二のアーム部４の回転を制御する。なお本実施形態においてスライド軸５は筐体９に固定されているが、回転軸２１と位置関係が固定されていればよく、筐体に固定されていない態様も可能である。

把持部材６は、手術支援時において、ロボットが体内を動き回る際、滑らないように患者の体内を把持するための部材である。この把持機構としては、上記の効果を得ることができる限りにおいて限定されるわけではないが、把持することにより人体を損傷してしまわない程度の把持の力であることが好ましい。この把持機構としては、吸盤やゴム等を採用できるが、例えば図４で示すように一対の板部材６１、６２と、この一対の板部材６１、６２を引っ張る弾性部材６３と、一対の板部材の一方に一端が、他端が回転軸６４に固定されてなる糸部材６５と、回転軸６４を回転させる把持部材用駆動部６６と、を設ける構成も好ましい一態様である。

図４で示す把持機構６における一対の板部材６１、６２は、この板部材６１、６２の間に患者の臓器を挟み、軽く把持するためのものである。また、この間にはこれらを引っ張るゴムなどの弾性部材６３を配置しており、臓器表面の把持を実現する。一方、把持機構６６には回転軸６４を回転させる把持機構用駆動部６６が設けられており、この回転軸６４と一方の板部材６２との間には糸部材６５が配置されている。糸部材６５は、回転軸６４が一方に回転すると回転軸６４に巻き取られ、反対側に回転すると開放される仕組みとなっている。このようにすることで糸部材６５が回転軸６４に巻き取られた場合は一対の板部材６１、６２を開放する側に力を加えることができるようになり、糸部材６５を開放した場合は、引っ張る弾性部材６３による把持を可能とすることができるようになる。

撮像部７は、患者の腹腔内を撮影するためのものであり、限定されるわけではないがＣＣＤカメラ等の小型撮像機器が好ましい一態様である。なお撮像部７により取得された画像データは、例えば制御部８を介して外部の画像処理装置に送信するとよい。

制御部８は、駆動部２及び把持部材６を制御するための機構であり、外部から送信される駆動部２又は把持部材６の把持部材用駆動部６１を駆動するための制御信号に基づき駆動部２又は把持部材６を制御する。より動作の制限無く使用するために遠隔操作を行う場合は、更に、小型の送信機及び小型の受信機を設けておくことは好ましい態様である。

筺体９は、上記の駆動部２、撮像部７、制御部８を収納するものであり、必須ではないが、上記各構成の脱落、接続関係を十分に確保し、かつ、臓器表面への損傷を低減するためには設けておくことが好ましい。材質や形状については上記機能を奏することができる限りにおいて限定されない。

本実施形態に係るロボットは上記の構成により腹腔鏡手術時における制限をより少なくすることができる。人体特に腹腔内においては、人間の臓器は非常に柔らかく粘弾性を有すると共に表面に凹凸が存在する。また少量ではあるが液体も存在し、摩擦係数が低くなっている。更に、患者が呼吸等を行うことで腹腔内の臓器表面は上下変動し不安定である。これに対し本実施形態に係るロボットはこのような存在下において高い効果を発揮することができる。本実施形態に係るロボットによると、第一及び第二のアーム部を用い、把持部材を駆動部２を離して配置し、臓器内の段差を乗り越えることが容易になるとともに旋回の際の回転半径も小さくすることができる。更に、外部は筐体とアーム部の簡便な構成となるため小型化が可能となるばかりでなく臓器への損傷も小さくすることができる。また後述する実施形態１よりも位置精度に優れるといった効果がある。

（実施形態２）
本実施形態は、第二のアーム部材４及びスライド軸５を設けていない点、第一のアーム３の先端部分に把持部材６が配置されている点を除きほぼ実施形態１と同様である。本実施形態に係る腹腔鏡手術支援用ロボットの機能ブロック図、斜視図をそれぞれ図５、６に示す。

本実施形態によると、実施形態１に比べて移動の際に筐体が臓器表面に設置する際に生ずる衝撃が強くなるという点が課題として残るが、実施形態１に比べて移動速度が速い、回転半径がより小さくなるといった利点がある。

上記実施形態に基づき、実際に腹腔鏡手術支援用ロボットについて、その効果について確認を行った。以下に説明する。

（実施例１）
本実施例は、上記実施形態１に基づきロボットを設計した。駆動部としては、φ２．５ｍｍのＤＣモータ（ＳＢＬ０２−０６，Ｎａｍｉｋｉ）を用い、第一のアーム部の長さは３ｍｍ、幅４ｍｍ、厚さは０．５ｍｍとし、第二のアーム部の長さは３６ｍｍ、幅３ｍｍ、厚さ１ｍｍとした。スライド軸の位置は回転軸２１から１３ｍｍ離れた位置とし、スライド孔はスライド軸が配置できるかつ第一のアームの回転に対応できる十分な長さにした。なお筐体の長さは３６ｍｍ、高さは１０ｍｍ、幅は６ｍｍとした。

そしてこのロボットの性能についてシミュレーションを行なった結果、平均の速度は１４ｍｍ／ｓ、鉛直方向の力積は１．４６０ｇｍ／ｓ、乗り越え可能段差４ｍｍ、１回転あたりの移動距離５．１ｍｍであることがわかった。なお本シミュレーションにおける駆動部等の各パラメータは以下の通りとした。なお動力伝達においては、ギア比１：８、伝達効率は０．２とした。またロボットの重さは２０ｇとした。また物理モデルシュミレーションとしてＷｏｒｋｉｎｇＭｏｄｅｌ２Ｄ（ＭＳＣＳｏｆｔｗａｒｅ、ＵＳＡ）を、動力モデルシミュレーションとしてＭＡＴＬＡＢ（Ｍａｔｈｗｏｒｋｓ、ＵＳＡ）を用いた。

（実施例２）
本実施例では、上記実施例１のロボットの３倍の寸法を有するロボットを作成し、その動作を確認した。すなわち第一のアーム部の長さを９ｍｍ、第二のアーム部の長さを９６ｍｍとし、スライド軸と回転軸との距離を３４ｍｍとした。なお把持部材としては直径５ｍｍの半球のゴム材とした。なおまた駆動部としてはＤＣモータ（ＨＳ−ＧＭ２１−ＡＬＧ、ＳＴＬＪＡＰＡＮ）を用いた。この作成したロボットを図７に示す。この結果、１周期あたりの移動は４１ｍｍであり、回転半径１５ｍｍで９０度の旋回に成功した。また、１２ｍｍの段差を粘度で形成したところ、歩行において乗り越えることができた。

以上より、臓器内においても十分な移動速度、段差対応能力を有し、腹腔内で自由に移動可能となるため手術における制限をより少なくする新規な腹腔鏡手術支援用ロボットとなることを確認した。

（実施例３）
本実施例は、上記実施形態２に基づきロボットを設計した。駆動部としては、φ２．５ｍｍのＤＣモータ（ＳＢＬ０２−０６，Ｎａｍｉｋｉ）を用い、第一のアーム部の長さは５ｍｍ、幅４ｍｍ、厚さは２ｍｍとした。なお筐体の長さは３６ｍｍ、高さは１０ｍｍ、幅は６ｍｍとした。

そしてこのロボットの性能についてシミュレーションを行なった結果、平均の速度は３６ｍｍ／ｓ、鉛直方向の力積は２．４８７ｇｍ／ｓ、乗り越え可能段差５ｍｍ、１回転あたりの移動距離３１．３ｍｍであることがわかった。なお本シミュレーションにおける駆動部等の各パラメータは実施例１と同じとした。なお動力伝達においては、ギア比１：８、伝達効率は０．２とした。またロボットの重さは２０ｇとした。また物理モデルシュミレーションとしてＷｏｒｋｉｎｇＭｏｄｅｌ２Ｄ（ＭＳＣＳｏｆｔｗａｒｅ、ＵＳＡ）を、動力モデルシミュレーションとしてＭＡＴＬＡＢ（Ｍａｔｈｗｏｒｋｓ、ＵＳＡ）を用いた。

（実施例４）
本実施例では、上記実施例３のロボットの３倍の寸法を有するロボットを作成し、その動作を確認した。すなわち第一のアーム部の長さを１５ｍｍ、筐体の長さ７０ｍｍ、高さ２０ｍｍ、幅を３ｍｍとした。なお把持部材としては直径５ｍｍの半球のゴム材とした。なおまた駆動部としてはＤＣモータ（ＨＳ−ＧＭ２１−ＡＬＧ、ＳＴＬＪＡＰＡＮ）を用いた。この作成したロボットを図８に示す。この結果、１周期あたりの移動は２１ｍｍであり、回転半径３９ｍｍで９０度の旋回に成功した。また、１２ｍｍの段差を粘度で形成したところ、歩行において乗り越えることができた。

以上より、臓器内においても十分な移動速度、段差対応能力を有し、腹腔内で自由に移動可能となるため手術における制限をより少なくする新規な腹腔鏡手術支援用ロボットとなることを確認した。

本発明は、腹腔鏡手術支援のためのロボットとして産業上の利用可能性がある。

実施形態１に係るロボットの機能ブロック図である。 実施形態１に係るロボットの斜視外略図である。 実施形態１に係るロボットの側面外略図である。 実施形態１に係る把持部材の概略図である。 実施形態２に係るロボットの機能ブロック図である。 実施形態２に係るロボットの斜視外略図である。 実施例２に係るロボットの写真（代用図面）である。 実施例４に係るロボットの写真（代用図面）である。

符号の説明

１…腹腔鏡手術支援用ロボット、２…動力部、３…第一のアーム部、４…第二のアーム部、５…スライド軸、６…把持部材、７…撮像部、８…制御部、９…筺体

Claims (1)

1. 回転軸を回転させる動力部と、
   前記動力部を制御する制御部と、
   腹腔内を撮影する撮像部と、
   前記動力部、前記制御部及び前記撮像部を収納する筐体と、
   前記回転軸に接続され、前記回転軸の回転に基づき回転する第一のアーム部と、
   前記第一のアーム部に回転可能に接続され、スライド孔を有する第二のアーム部と、
   前記動力部に対して固定して配置され、前記第二のアーム部の前記スライド孔内に配置されるスライド軸と、
   前記第二のアーム部に配置される把持部材と、を有し、
   前記動力部及び前記第一のアーム部及び第二のアーム部は複数備えられ、前記複数の第一のアーム部をそれぞれ独立して回転させることにより、前記筐体ごと腹腔内を移動する腹腔鏡手術支援用ロボット。