JP5630879B2 - 伸展性外科手術デバイス - Google Patents

Description

（背景）
最小侵襲性外科手術技術は、概して、健康な組織に対する損傷を最小限にしながら、外科手術処置を行なうように試みる。この目的を達成するための１つの特定の技術は、患者の消化管のような自然の内腔に少なくとも部分的に沿っていくことによって患者内の標的作業部位に到達することが可能である可撓性外科手術器具を用いる。自然の内腔に沿っていくことは、健康な組織を貫いて作られる切開部の必要性がより少なくて、外科医が作業部位に対して手術することを可能にする。但し、切開部は、可撓性器具が自然の内腔に入るかまたは出る場所において必要となり得る。そのような処置中、外科手術の器具またはツールの挿入および除去を容易にするために、その処置中にエントリガイドが用いられ得る。概して、エントリガイドは、切開部または自然のオリフィスを通って挿入され、エントリガイドの遠位端が標的作業部位に近づくかまたは標的作業部位に到達する点まで経路に沿って進められる。エントリガイドは概して１つ以上の器具内腔を含み、その１つ以上の器具内腔を通って異なる外科手術器具が挿入されるかまたは除去される。このことは、異なるセットの器具が必要となるたびに扱いにくい進行手順を必要とすることなく、器具が変更されることを可能にする。

自然の内腔または他の回旋状経路に沿っていくことが可能である、外科手術器具およびエントリガイドは、概して可撓性でなければならず、このことは、ほとんどの他の外科手術器具においては必要ではない、特性および能力をこれらのデバイスが有することを必要とする。特に、エントリガイドは回旋状経路を通り抜けるのに十分に可撓性でなければならないが、ガイドは、理想的にはガイドを通って挿入された１つの器具または複数の器具の操作のために作業部位に安定した基部を提供すべきである。さらに、ガイドは、隣接する組織を意図せず損傷し得るやり方で形状を変化させるべきではないかまたは外力に反応すべきではない。ケーブルまたはテンドン（ｔｅｎｄｏｎ）は、エントリガイドの機械的な特徴を作動させるためまたはエントリガイドをその経路に沿って進めるために、エントリガイドのすべてまたは一部を通って延び得る。いくつかの先進の外科手術システムにおいて、これらのケーブルは、モータおよびコンピュータ支援制御を用いてロボット式に動作させられる。（本明細書に用いられる場合、用語「ロボット」または「ロボット式に」などは、遠隔操作または遠隔ロボット式の局面を含む）。テンドンを介して加えられる力は、そのどちらもが摩擦に打ち勝つためそしてエントリガイドおよび器具の長さが長いモーメントアームを作り得るので、かなりのものとなり得る。可撓性外科手術デバイスは、デバイスの長さに沿った反動（ｒｅａｃｔｉｏｎ）または動きが患者の隣接する組織を損傷しないように、これらの比較的大きい力を制御する必要がある。

本発明は、例えば、以下を提供する：
（項目１）
可動性である部材を含むシャフトと、
該部材に取り付けられ、該シャフトを通って延びる第１のテンドンと、
該第１のテンドンに取り付けられた第１の定力ばねシステムと、
該第１の定力ばねシステムが該第１のテンドンに加える一定の力を制御する第１の機構と
を備えている、外科手術デバイス。
（項目２）
前記シャフトは、該シャフトを通って外科手術器具を導くようなサイズにされた内腔を含む、項目１に記載のデバイス。
（項目３）
前記内腔の一部分は、前記部材の中を通る、項目２に記載のデバイス。
（項目４）
前記シャフトは、複数の部材を含み、該部材の各々は、該シャフトの形状の制御のために関節接合される、項目１に記載のデバイス。
（項目５）
前記部材に取り付けられ、前記シャフトを通って延びる第２のテンドンと、
該第２のテンドンに取り付けられた第２の定力ばねシステムと、
該第２の定力ばねシステムが該第２のテンドンに加える一定の力を制御する第２の機構と
をさらに備えている、項目１に記載のデバイス。
（項目６）
前記部材に取り付けられ、前記シャフトを通って延びる第３のテンドンと、
該第３のテンドンに取り付けられた第３の定力ばねシステムと、
該第３の定力ばねシステムが該第３のテンドンに加える一定の力を制御する第３の機構と
をさらに備えている、項目５に記載のデバイス。
（項目７）
前記定力ばねシステムは、ばね要素を備え、該ばね要素は、前記第１のテンドンの運動の範囲にわたり該第１のテンドンに前記一定の力を提供するように成形されるカムに連結される、項目１に記載のデバイス。
（項目８）
前記第１の機構は、前記ばね要素の端部に取り付けられたボールねじを備えている、項目７に記載のデバイス。
（項目９）
前記ばね要素は、線形特性ばねを備え、該線形特性ばねは、前記カムの一部分の周りに巻き付くケーブルに取り付けられた端部を有する、項目７に記載のデバイス。
（項目１０）
前記ばね要素は、前記カムに取り付けられたねじりばねを備えている、項目７に記載のデバイス。
（項目１１）
前記定力ばね要素は、ばね材料のロールを備え、該ばね材料は、前記テンドンに取り付けられた外側端部と、該ロールを巻くことおよび該ロールを解くことによって、該ばね要素によって該テンドンに加えられる一定の力を調整することを可能にするインタフェースに取り付けられた内側端部とを有する、項目１に記載のデバイス。
（項目１２）
前記シャフト内のセンサと、
前記第１の機構を動作させて、該シャフトが所望の構成に達したことを該センサが示すまで、該シャフトを動かす、制御システムと
をさらに備えている、項目１に記載のデバイス。
（項目１３）
可動部分を含むシャフトと、
該可動部分に取り付けられ、該シャフトを通って延びる第１のテンドンと、
該第１のテンドンに取り付けられた第１の端部を有する第１の非対称ばねシステムであって、該第１の非対称ばねシステムは、該第１の非対称ばねシステムによって該第１のテンドンに加えられる力が、該第１のテンドンの場所よりも該ばねシステムの第２の端部の場所に大きく依存するようになっている、第１の非対称ばねシステムと、
該第１の非対称ばねシステムの該第２の端部の場所を制御するように接続される第１の機構と
を備えている、外科手術デバイス。
（項目１４）
前記第１の非対称ばねシステムによって前記第１のテンドンに加えられる前記力は、少なくとも、該第１の非対称ばねシステムの前記第２の端部の前記場所が１つの設定を有する場合、該第１のテンドンの前記場所に無関係である、項目１３に記載のデバイス。
（項目１５）
前記シャフトは、該シャフトを通って外科手術器具を導くようなサイズにされた内腔を含む、項目１３に記載のデバイス。
（項目１６）
前記シャフトは、複数の部材を含み、該部材の各々は、該シャフトの形状の制御のために関節接合される、項目１３に記載のデバイス。
（項目１７）
前記部材に取り付けられ、前記シャフトを通って延びる第２のテンドンと、
該第２のテンドンに取り付けられた第１の端部を有する第２の非対称ばねシステムであって、該第２の非対称ばねシステムは、該第２の非対称ばねシステムによって該第２のテンドンに加えられる力が、該第２のテンドンの場所よりも該第２のばねシステムの第２の端部の場所に大きく依存するようになっている、第２の非対称ばねシステムと、
該第２の非対称ばねシステムの該第２の端部の該場所を制御するように接続される第２の機構と
をさらに備えている、項目１３に記載のデバイス。
（項目１８）
前記部材に取り付けられ、前記シャフトを通って延びる第３のテンドンと、
該第３のテンドンに取り付けられた第１の端部を有する第３の非対称ばねシステムであって、該第３の非対称ばねシステムは、該第３の非対称ばねシステムによって該第３のテンドンに加えられる力が、該第３のテンドンの場所よりも該第３の非対称ばねシステムの第２の端部の場所に大きく依存するようになっている、第３の非対称ばねシステムと、
該第３の非対称ばねシステムの該第２の端部の該場所を制御するように接続される第３の制御機構と
をさらに備えている、項目１７に記載のデバイス。
（項目１９）
前記第１の非対称ばねシステムは、ばね要素と、該ばね要素および前記第１のテンドンに取り付けられたカムとを備えている、項目１３に記載のデバイス。
（項目２０）
前記第１の機構は、前記非対称ばねシステムの前記第２の端部に取り付けられたボールねじを備えている、項目１９に記載のデバイス。
（項目２１）
外科手術処置のために外科手術デバイスの関節接合シャフトを挿入することと、
定力ばねを用いて、該関節接合シャフトの部材に平衡する力を維持することと
を包含する、外科手術デバイスを操作するための方法。
（項目２２）
前記定力ばねによって加えられる１つ以上の力を変化させて、挿入中、前記シャフトの形状を変化させるか、または該シャフトを進めることをさらに包含する、項目２１に記載の方法。
（項目２３）
前記１つ以上の力を変化させることは、前記定力ばねに接続される制御機構を駆動するモータを起動することを包含する、項目２２に記載の方法。
（項目２４）
前記１つ以上の力を変化させることは、オペレータが、
挿入プロセスを見ることと、
前記外科手術デバイスの制御を操作することと
を包含する、項目２２に記載の方法。
（項目２５）
前記制御を操作することは、処理システムに前記１つ以上の力における変化を計算させ、該変化を実行する駆動システムを起動させる、項目２４に記載の方法。
（項目２６）
前記１つ以上の力を変化させることは、
前記外科手術デバイスの形状を感知することと、
感知された該形状と所望の形状との間の差を決定するフィードバックループに応答して該１つ以上の力を変化させることと
を包含する、項目２２に記載の方法。
（項目２７）
前記関節接合シャフトの部材に対する力を平衡させることは、患者の組織の該シャフトに加える力が該シャフトを再成形し、該関節接合シャフトによって該組織に加えられる力を制限することを可能にする、項目２１に記載の方法。
（概要）
本発明の一局面に従って、関節式エントリガイドのような伸展性（ｃｏｍｐｌｉａｎｔ）外科手術デバイスは、デバイスを操作するかまたは進めるためにテンドンを用い、テンドンにおける張力を制御するために定力ばねシステムを取り付ける。その結果、外科手術デバイスは、急速にはね返ることなくまたはさもなければ組織を損傷する反応を引き起こすことなく、外科手術中、伸展性があり得、外力に応答し得る。伸展性はまた、デバイス内のテンドンもしくはテンドンの接続を損傷することなくまたはバックエンド機構に対する損傷を引き起こすことなく、外科手術処置のための挿入中もしくは外科手術処置のための挿入前にデバイスの手動の位置決めもしくは成形を可能にする。

本発明の１つの特定の実施形態は、エントリガイドのような外科手術デバイスである。デバイスは、可動部材を有するシャフトと、部材に取り付けられたテンドンと、定力ばねシステムと、制御機構とを含む。定力ばねシステムはテンドンに取り付けられ、制御機構は定力ばねシステムがテンドンに加える大きさを制御する。テンドンにおける張力は、従って、テンドンを動かす外力に無関係であり得るが、部材を関節接合するように制御され得る。

本発明の別の実施形態はまた、外科手術デバイスである。この実施形態は、可動部材を有するシャフトと、部材に取り付けられたテンドンと、テンドンに取り付けられた非対称ばねシステムとを含む。非対称ばねシステムは、非対称ばねシステムによってテンドンに加えられた力が、テンドンの場所よりも、ばねシステムの近位端の場所により大きく依存するようになっている。制御機構は、非対称ばねシステムの近位端に接続され得る。

本発明のさらに別の実施形態は、外科手術デバイスを操作する方法である。方法は、外科手術処置のために外科手術デバイスの関節式シャフトを挿入することと、関節式シャフトの部材に対する力を平衡させることを維持するために非対称ばねシステムまたは定力ばねシステムを用いることとを含む。

図１は、本発明の一実施形態に従う、可撓性エントリガイドまたは関節式エントリガイドおよびバックエンド機構を示す。 図２Ａは、本発明の一実施形態に従って、外科手術デバイス内の可動リンクを制御するための、非対称ばねシステムへの２つのテンドンの接続を例示する。 図２Ｂは、テンドンの動きに対して一定のままであるが、制御機構を介して調整可能であるテンドン張力を生成するためにねじりばねを用いる、本発明の実施形態に従う非対称ばねシステムを例示する。 図２Ｃは、テンドンの動きに対して一定のままであるが、制御機構を介して調整可能であるテンドン張力を生成するために定力ばねを用いる、本発明の実施形態に従う非対称ばねシステムを例示する。 図３は、本発明の一実施形態に従って、外科手術デバイス内の可動リンクを制御するための、非対称ばねシステムへの３つのテンドンの接続を例示する。

異なる図における同じ参照記号の使用は、類似する品目または同一の品目を示す。

（詳細な説明）
可撓性エントリガイドのような関節接合外科手術デバイスにおける伸展性は、概してデバイスの手動成形を可能にするのに望ましい。本発明の一局面に従って、バックエンド機構への可撓性デバイスにおける部分（例えば、機械的リンクまたは脊椎（ｖｅｒｔｅｂｒａｅ）に接続するテンドンは、バックエンド機構またはテンドンの接続部を損傷することなく、デバイスの可撓性部分の手動操作に適応し得るばねシステムに接続される。本発明のさらなる局面に従って、駆動テンドンに連結されたばねシステムは、非対称ばねかまたは定力ばねでさえあり得、その結果、ばねシステムは大きな反力を引き起さず、デバイスは、可撓性デバイスが変化する外力を受け得る場合、さもなければ外科手術処置中に引き起こされ得る外力に応答して急速にはね返らない。外科手術デバイスの伸展性およびはね返りのないことは、組織損傷を避けることを助け得る。

図１は、本発明の一実施形態に従う可撓性エントリガイド１００を例示する。エントリガイド１００は、可撓性主チューブ１１０と、主チューブ１１０の近位端にバックエンド機構１２０とを含む。主チューブ１１０は、主チューブ１１０が必要に応じ回旋状経路をたどるように曲がり得る点で可撓性であるが、主チューブ１１０は、一連の剛体のリンク、または関節接合脊椎として働き得ることにより主チューブ１１０の形状を変化させ得る機械的部材を含み得る。主チューブ１１０に適したいくつかの例示的関節接合構造は、表題が「Ｍｅｔｈｏｄｓ ａｎｄ Ａｐｐａｒａｔｕｓ ｆｏｒ Ｐｅｒｆｏｒｍｉｎｇ Ｔｒａｎｓｌｕｍｉｎａｌ ａｎｄ Ｏｔｈｅｒ Ｐｒｏｃｅｄｕｒｅｓ」である、Ａｍｉｒ Ｂｅｌｓｏｎへの米国特許出願公開第ＵＳ２００７／０１３５８０３号、および表題が「Ｅｎｄｏｓｃｏｐｅ ｈａｖｉｎｇ ａ Ｇｕｉｄｅ Ｔｕｂｅ」である、Ｒｏｓｓらの米国特許出願公開第ＵＳ２００４／０１９３００９号に説明され、これら特許文献は、その全体が参照によって本明細書に援用される。さらに、エントリガイドにおける関節接合構造は、表題が「Ｓｕｒｇｉｃａｌ Ｔｏｏｌ Ｈａｖｉｎｇ Ｐｏｓｉｔｉｖｅｌｙ Ｐｏｓｉｔｉｏｎａｂｌｅ Ｔｅｎｄｏｎ−Ａｃｔｕａｔｅｄ Ｍｕｌｔｉ−Ｄｉｓｋ Ｗｒｉｓｔ Ｊｏｉｎｔ」である、Ｃｏｏｐｅｒらへの米国特許第６，８１７，９７４号、表題が「Ｆｌｅｘｉｂｌｅ Ｗｒｉｓｔ Ｆｏｒ Ｓｕｒｇｉｃａｌ Ｔｏｏｌ」である、Ｃｏｏｐｅｒらの米国特許出願公開第ＵＳ２００４／０１３８７００号、および表題が「Ｐｌａｔｆｏｒｍ Ｌｉｎｋ Ｗｒｉｓｔ Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ」である、Ｗａｌｌａｃｅらへの米国特許第６，６９９，２３５号に説明されるような関節接合手首および類似したロボット機構に見出されるものと同じアーキテクチャのいくつかを用い得、これら特許文献は、その全体が参照によって本明細書に援用される。ネオプレン、ペレタン（ｐｅｌｌｅｔｈａｎｅ）、ＦＥＰ、ＰＴＦＥ、ナイロンのようなゴムもしくはプラスチックまたは類似した材料から作られる伸展性シースは、主チューブ１１０のリンクおよび他の内部構造を覆って、外科手術中、エントリガイドの内部機構のために密閉した外被を提供し、主チューブ１１０の挿入および除去を容易にし得る。主チューブ１１０は、主チューブ１１０の意図された使用法および同時に導かれる外科手術器具の数に従って、典型的には約８ｍｍ〜約２５ｍｍの直径を有する。主チューブ１１０の全長は、行われる処置のタイプに従って選択され得るが、典型的な長さは約６０ｃｍ以上であり得る。

主チューブ１１０はまた、１つ以上の器具内腔１１２を含む。各器具内腔１１２は、ゴム、ネオプレン、ペレタン、ＦＥＰ、ＰＴＦＥ、ナイロン、または他の可撓性材料から作られる可撓性チューブであり得る。各器具内腔１１２は、主チューブ１１０の長さのほとんどに及び、概して主チューブ１１０の形状を制御する機械的システムの部分であるリンクまたは部材の表面にある開口部を通過するかまたはそこに置かれる。各器具内腔１１２は、各外科手術処置中に用いられ得る可撓性外科手術器具を導き、収容するように働き得る。特に、必要に応じ可撓性外科手術器具（図示されていない）は、器具内腔１１２の近位端における開口部１１２Ａの中に挿入され、可撓性外科手術器具の遠位先端におけるツールが器具内腔１１２の遠位端における開口部１１２Ｂから現われるように、器具内腔１１２を通って滑らされ得る。器具内腔１１２は、典型的には、例えば５ｍｍまたは８ｍｍなど、標準化された外科手術器具のためのサイズに合わせた直径を有し、その結果、器具内腔１１２は、例えば、様々な形状及びタイプの鉗子、はさみ、小刀、焼灼器具などの多くの異なるタイプの器具を扱い得る。器具内腔１１２内の器具が現在必要とされない場合、器具は、複雑で時間のかかる進行を必要とせずに、器具内腔１１２から除去され得、別の可撓性器具によって置き換えられ得る。センサおよびカメラまたは他の視覚システムは、器具内腔１１２を通って同様に挿入され得る。そのような容易に置き換え可能な器具または他の外科手術システムは、バックエンド機構１２０に無関係に動作可能であり得るそれ自体のバックエンド機構および／またはインタフェースを有し得る。代わりにまたはさらに、主チューブ１１０は、外科手術器具、センサ、視覚システム、流体チャネル、または外科手術処置中、除去されることが意図されない他の外科手術の有用なシステム（図示されていない）を含み得、そのようなシステムは、バックエンド機構１２０によって提供されるインタフェースを介して機械的または電気的に動作され得る。

テンドン１３０は、主チューブ１１０の部分（例えば、機械的リンクまたは固定外科手術システムなど）をバックエンド機構１２０に接続し、テンドン１３０は、図１のカットアウト部分に示される。テンドン１３０は、例えば、テンドン１３０に接続されたシステムの動作に対して十分な強度および可撓性を提供する、金属材料または合成材料から作られる、撚りケーブルもしくは織りケーブル、モノフィラメント線、またはチューブであり得る。バックエンド機構１２０は、概して、モータパック（図示されていない）によって作動させられる場合、テンドン１３０を引っ張るトランスミッションとして動作する。バックエンド機構１２０は、モータパックが機械的に連結され得るインタフェースを含む。例示される実施形態において、下記にさらに説明されるように、複数の歯付き車（ｔｏｏｔｈｅｄ ｗｈｅｅｌ）１２２は、歯付き車を回転させてそれぞれのテンドン１３０における張力を制御するそれぞれのモータを係合する。ロボット動作に関して、外科医によって動作させられるユーザインタフェースを含む制御システム（図示されていない）およびコンピュータ実行ソフトウェアは、モータパックを制御し得る。滅菌したバリヤーがバックエンド機構１２０と主チューブ１１０との間に備え付けられ得、その結果、モータパックおよびバックエンド機構１２０に接続された任意の他のシステムは、外科手術中、汚染されない。

図２Ａは、機械的リンク２４０に連結されたテンドン２３０Ａおよび２３０Ｂにおけるそれぞれの張力を制御するためにバックエンド機構２２０において非対称ばねシステム２１０を用いるエントリガイドの一部分２００を概略例示する。例示を容易にするために、本明細書において総称してテンドン２３０と呼ばれる２つのテンドン２３０Ａおよび２３０Ｂのみが図２Ａに示され、例示されるテンドン２３０は、同じリンク２４０に取り付けられる。実際のエントリガイドは、およそ１０〜１００超のリンク２４０を含み得、各リンク２４０は、そのリンク２４０において終結する１つ以上のテンドン２３０を有し得る。概して、エントリガイドは、少なく拘束され、すなわち、いくつかのリンク２４０は、テンドン２３０に直接取り付けられない場合があるかまたはテンドン２３０によって拘束されない場合があるが、リンク２４０の辺りのシースもしくはスキン（図示されていない）の剛性によってかまたはリンク２４０を通って延びる剛性のロッドによって変位させられ得る。代替の実施形態において、テンドン２３０の遠位端は、可撓性シースの異なる部分に取り付けられて、連続機構を提供し得、連続機構は、リンク２４０またはヒンジ機構を必要としないが、テンドン２３０がシースに加える力によって曲げられる。

エントリガイドの取り付けられたリンクまたは機構において伸展性が望まれる場合、テンドン２３０は、バックエンド機構２２０においてそれぞれの非対称ばねシステム２１０に取り付けられた近位端を有し得る。伸展性が望まれない場合、エントリガイドは、さらにシステムを含み得、バックエンド機構２２０における駆動システム（図示されていない）は、伸展性が望まれないシステムに連結したテンドンの非伸展性駆動のために、当該技術分野において周知の機構を用い得る。

図２Ａにおける各ばねシステム２１０は、機械的駆動システム２１２と、ばね２１６と、カム２１８とを含む。駆動システム２１２は、駆動モータ２５０の回転運動を直線運動に変換し、ばね２１６は、駆動システム２１２の直線運動がばね２１６の近位端を動かすように、駆動システム２１２に接続する。（直線運動へのこの変換が必要な要素ではなく、各ばね２１６の近位端が代わりに、プーリまたはキャプスタンの周りに巻かれるケーブルに取り付けられ得、プーリまたはキャプスタンが駆動モータから切り離される場合、望まない運動を防ぐためにプーリまたはキャプスタンに必要に応じてブレーキが備え付けられ得ることに注意されたい）。カム２１８は、第１のガイド表面（ばね２１６の遠位端に取り付けられたケーブル２１７が、第１のガイド表面に取り付き、それに載る）と、第２のガイド表面（テンドン２３０の一部分が第２のガイド表面に取り付き、それに載る）とを有する。カム２１８のこれらの表面は、概してカム２１８の回転軸から異なる距離にあり、その結果、ばね２１６からのばね力に対するテンドン２３０における張力の比率は、ケーブル２１７がカム２１８から分離する点までの半径方向の距離対テンドン２３０がカム２１８から分離する点までの半径方向の距離の比率に等しい。カム２１８の各表面は、テンドン２３０の動きの所望の範囲を提供するために、複数の回転に対して延びる螺旋形表面であり得る。

カム２１８のガイド表面は、取り付けられたテンドン２３０における張力の、そのテンドン２３０に取り付けられたリンク２４０の位置への依存性、およびカム２１８とリンク２４０との間のテンドンの経路の形状に対する依存性を減少させるかまたは除去するようにさらに成形される。特にカム２１８が円形のガイド表面のみを有するプーリによって置き換えられた場合、テンドン２３０を引っ張ることは、ばね２１６の伸張における比例する増加を引き起こし、ばね２１２がフックの法則に従うと仮定すると、テンドン２３０における張力の直線の増加を引き起こす。テンドン２３０またはリンク２４０に加えられる外力への張力の依存性を減少させるために、カム２１８の表面のうちの１つまたは両方は、円形ではないが、カム２１８が回転すると、テンドン２３０における張力またはばね２３０からの力のいずれかが作用する可変モーメントアームを提供する。例えば、ばね２１６を伸ばす傾向のあるカム２１８の回転は、ばね２１６がカム２１８に作用するモーメントアームを減少させ得るかまたはテンドン２３０における張力が作用するモーメントアームを増加させ得るかのいずれかである。定力ばねに関して公知であるように、カム２１８の形状は、テンドン２３０の動きがカム２１８の回転を引き起こすとき、テンドン２３０における張力が一定のままであり、一方同時に、ばね２１６からのばね力がフックの法則に従って増加するように選択され得る。従ってばねシステム２１０は、定力ばねとして働き得るか、または代わりにテンドン２３０がカム２１８からほどかれると、テンドン２３０における張力が変化する速度を単に減少させ得る。

カム、および線形特性ばねを用いて定力ばねを作製する適切なシステムの実施形態は、表題が「Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ａｒｍ Ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ａ Ｃｏｕｎｔｅｒ−Ｂａｌａｎｃｅ」である、Ｅｕｇｅｎｅ Ｆ．Ｄｕｖａｌｌの米国特許出願公開第ＵＳ２００８／０２７７５５２号、および表題が「Ｃｏｕｎｔｅｒ Ｂａｌａｎｃｅ Ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ ｗｉｔｈ Ｏｎｅ ｏｒ Ｍｏｒｅ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ａｒｍｓ」であるＥｕｇｅｎｅ Ｆ．Ｄｕｖａｌの米国特許第７，４２８，８５５号において詳細に説明され、これらの特許文献は、その全体が参照によって本明細書に援用される。

各機械的システム２１２は、対応するばね２１６の近位端の位置を制御し、それによって、対応するばね２１６における伸張の量および取り付けられたテンドン２３０における張力に影響を及ぼす。動作時、ばねシステム２１０における機械的システム２１２が、取り付けられたばね２１６を引っ張る場合、ばね２１６は伸び始め、ばねシステム２１０に取り付けられたリンク２４０およびテンドン２３０が固定して保持される場合、ばね２１６がカム２１８に加える力は増加し、従って、取り付けられたケーブル２３０における張力は増加する。従って、テンドン２３０における張力は、（フックの法則、カム２１８のモーメントアーム、およびばね２１６のばね定数に従って）ばね２１６の近位端の動きに直線的に依存するが、各ばねシステム２１０は非対称的にふるまう。すなわち、各ばねシステム２１０は、はるかに弱い応答を有するか、さもなければ、一定の力、非直線依存性、またはテンドン２３０を動かす外力に応答してより小さい有効ばね定数で働く。

上記に言及されたような各駆動システム２１２は、駆動システム２１２に機械的に連結された駆動モータ２５０によって提供される得る回転運動をばね２１６の近位端の直線運動に変換する。例示的実施形態において、駆動システム２１２は、ボールねじであり、ボールねじは、ボールナット２１３の穴内に保持されるボールベアリングのための螺旋形の走路を提供するねじ切りされたシャフト２１４を含む。ボールナット２１３は、対応するモータ２５０に機械的に連結し、その結果、モータ２５０が回ると、シャフト２１４はギア２１３の穴の中に入るように動くかまたはギア２１３の穴から出るように動く。ばね２１６に相当な力を加えるかまたはばね２１６からの相当な力に抵抗する場合でも、ボールねじは、最小の摩擦を提供し得る。しかしながら、ばね２１６を伸ばすために、代わりに他の機械的システムが用いられ得る。例えば、単純なねじ切りされたデバイスは、ボーねじと実質的に同じ方法で動作し得るが、より大きな摩擦を有する。あるいは、ばね２１６の近位端は、キャプスタンの周りに巻き付いたケーブルに取り付けられ得、その結果、キャプスタンを駆動するモータは、ばね２１６の近位端を動かし得る。ギアおよびレバーのシステムはまた、回転運動を直線運動に変換するために用いられ得るか、または、回転運動を変換する代わりに、ソレノイドのような直線駆動システムは、ばね２１６の近位端を動かすために用いられ得る。ここに提供される実施例は、駆動システム２１２に適しているいくつかの機械的システムを単に例示するが、明らかに、ばね２１６の近位端を動かすために多くの他の機械的システムが用いられ得る。

調整可能な定力ばねまたは非対称ばねシステムは、線形特性ばねまたはコイルばねの使用に限定されず、他のタイプのばね要素を用いて組み立てられ得る。図２Ｂは、ばねシステム２１０Ｂの一実施例を示し、ばねシステム２１０Ｂは、ねじりばね２１６Ｂを用いて、テンドン２３０の動きとはほとんど無関係であるが、駆動モータ２５０を用いて調整可能である、テンドン２３０において張力を生成する。システム２１０Ｂにおいて、ねじりばね２１６Ｂは、カム２１８の回転がねじりばね２１６Ｂにおけるねじれを変化させるように、カム２１８に取り付けられる遠位端を有する。従って、カム２１８上のねじりばね２１６Ｂによって引き起こされるトルクは、カム２１８の回転の角度と共に（例えば、直線的に）変化する。しかしながら、テンドン２３０は、テンドン２３０が作用するモーメントアームを変化させるように成形されるカム２１８の表面に巻き付けられ、その結果、テンドン２３０における一定の張力がねじりばね２１６Ｂからのトルクと同じ態様で変化するトルクを引き起こす。その結果、ばねシステム２１０Ｂは定力ばねとして働く。しかしながら、ばね力およびテンドン２３０における張力は、モータ２５０を用いることによって制御されて、ねじりばね２１６Ｂの近位端を回転させ得る。特に、ねじりばね２１６Ｂをよりきつく（または、よりゆるく）巻くモータ２５０は、テンドン２３０における張力を増加させる（または、減少させる）。従って、モータ２５０とばねシステム２１６および２１６Ｂとの間のインタフェースの方向における相違が適応する条件で、図２Ａの各ばねシステム２１６は、ばねシステム２１６Ｂによって置き換えられ得る。

図２Ｃは、定力ばね２１６Ｃを用いる、別の代替の非対称ばねシステム２１６Ｃを示す。定力ばね２１６Ｃは、リボンが完全に巻き上げられた場合に緩められる、ばね材料の巻かれたリボンである。リボンが解かれると、ロールの近くのリボンの部分はばね力を生成する。このばね力は、リボンのロールが解かれてもほとんど一定のままである。なぜなら、ばね力を生成するリボンの部分、すなわちロールの近くの部分は、ばねが巻きを解かれたときの形状とほとんど同じ形状を有するからである。テンドン２３０は、定力ばね２１６Ｃの外側端部に取り付けられた場合、テンドン２３０が動くと、ばね２１６Ｃから一定の力を受ける。しかしながら、インタフェース（例えば、歯車）２５２は、モータ（図示されていない）が、インタフェース２５２を係合し、ばね２１６Ｃの一定の力およびテンドン２５０における張力を変化させ得るように、定力ばね２１６Ｃの内側端部に取り付けられ得る。従って、図２Ａの各ばねシステム２１６は、ばねシステム２１６Ｃによって置き換えられ得る。

図２Ａは、２つのテンドン２３０Ａおよび２３０Ｂが同じリンク２４０に連結される構成を例示する。リンク２４０は、リンク２４０が一つの軸の周りにのみ回転し得るように機械的に拘束され得る。テンドン２３０Ａおよび２３０Ｂは、次いで回転軸の反対側に取り付き得、その結果、一つのテンドン２３０Ａまたは２３０Ｂを引っ張ることは一方向の回転を引き起こし、もう一方のテンドン２３０Ｂまたは２３０Ａを引っ張ることは反対の方向の回転を引き起こす。この構成において、外力と、摩擦力と、テンドン２３０Ａおよび２３０Ｂにおける張力とを含む、リンク２４０に対する力が平衡状態にある場合、リンク２４０は停止している。例えば、図２Ａのエントリガイドの挿入中またはエントリガイドが挿入された後、患者の動きによってリンク２４０に加えられる外力の変化は、リンク２４０を動かし得る。さらに、この動きは、テンドン２３０Ａおよび２３０Ｂにおける張力の変化をほとんど引き起こさないかまたは全く引き起こさない。なぜなら、ばねシステム２１０は、テンドン２３０Ａおよび２３０Ｂの動きに比較的無感応であるからである。エントリガイドは、急速に増加する抵抗によって外力およびスプリングバックに応答せず、スプリングバックは他の方法では一定の長さでの位置決めシステム（ｃｏｎｓｔａｎｔ ｌｅｎｇｔｈ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ）に発生し得る。（対照的に、ほとんどのロボット機構および制御は、図２Ａのエントリガイドの場合のように可変位置によって一定の力を保持するのではなく、可変の力によって定位置を保持するように設定される）。ばねシステム２１０が定力ばねとして働く場合において、エントリガイドは、摩擦が無視できるほどわずかである限界においてでさえ、スプリングバックなしで十分に伸展性があり得る。より一般的には、エントリガイドの動きによって誘引されるテンドン２３０における張力の増加が摩擦が有する影響よりも少ない影響を有する場合、スプリングバックは回避され得る。

図２Ａのエントリガイドにおけるリンク２４０は、モータ２５０を起動することによって動かされて、駆動システム２１２を回し、テンドン２３０Ａおよび２３０Ｂのうちの少なくとも１つにおける張力を変化させ得る。張力における変化は、力の平衡を不平衡にして、新しい平衡が確立されるまでリンク２４０を動かす。概して、このことは、１つの機械的システム２１２を動作させて、対応するばね２１６を伸ばし、１つのテンドン２３０Ａまたは２３０Ｂにおける張力を増加させることを伴い得る。必要に応じて、もう一方の機械的システム２１０は、もう一方のテンドン２３０Ｂまたは２３０Ａにおける張力を緩和させるように動作させられ得る。リンク２４０が所望の量だけ回転する場合、２つのテンドン２３０Ａおよび２３０Ｂにおける張力は、必要に応じて調整されて、（例えば、それらのテンドンの初期張力設定に戻るなどして）平衡を再確立し得る。概して、リンク２４０の位置は、機械的システム２１２の設定に対して固定した関係を有しない。しかしながら、各リンク２４０の位置（または全体としてエントリガイドの形状）は、オペレータによって視覚的に観察され得るか、または、例えば、表題が「Ｒｏｂｏｔｉｃ Ｓｕｒｇｅｒｙ Ｓｙｓｔｅｍ Ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｓｅｎｓｏｒｓ Ｕｓｉｎｇ Ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ Ｇｒａｔｉｎｇｓ」である、Ｌａｒｋｉｎらによる米国特許出願公開第ＵＳ２００７／０１５６０１９号（２００６年７月２０日に出願）、および表題が「Ｆｉｂｅｒ ｏｐｔｉｃ ｓｈａｐｅ ｓｅｎｓｏｒ」であるＧｉｕｓｅｐｐｅ Ｍ．Ｐｒｉｓｃｏによる米国特許出願第１２／１６４、８２９号（２００８年６月３０日に出願）（これらの特許文献の両方とも、参照によって本明細書に援用される）に説明されるような形状センサを用いて感知され得る。従って図２Ａのシステムを用いるエントリガイドの動きは、フィードバックループを実装する制御システム２６０およびセンサ２７０を用いて、ロボット式に制御されるかまたはコンピュータ支援され得、センサ２７０は、エントリガイドにおけるリンク２４０を監視し、駆動モータ２５０を制御して、例えば、挿入プロセス中、エントリガイドを進める。自然の内腔をたどるようにエントリガイドを進めることは、概して急速な応答または厳密な応答を必要とせず、その結果、外部抵抗および内部摩擦力をちょうど超える力の動きおよび使用は、目標位置をはずす動きを最小限にするように望まれ得る。

図２Ａは、エントリガイドの主チューブに対する、バックエンド機構２２０およびばねシステム２１０の１つの特定の構成を例示する。しかしながら、代わりに多くの他の構成が用いられ得る。特に、図２Ａにおいて、ギア２１３の軸または回転は、エントリガイドの主チューブがバックエンド機構２２０から延びる方向と実質的に平行である。図２Ｂまたは図２Ｃのばねシステム２１０Ｂまたは２１０Ｃが用いられる場合、制御モータ２５０の回転軸は、エントリガイドの方向と垂直である。図３は、代替の構成を例示し、その代替の構成は、ばねシステム２１０を用いるが、主チューブと実質的に垂直である回転軸を有する駆動モータ２５０を用いるバックエンド機構３２０を有する。再び、図２Ｂまたは図２Ｃのばねシステム２１０Ｂまたは２１０Ｃは、図３のシステムにおけるばねシステム２１０の代わりに用いられ得る。

図３はまた、３つのテンドン３３０Ａ、３３０Ｂ、および３３０Ｃが同じリンク３４０に取り付けられた遠位端を有する構成を例示する。この構成において、リンク３４０は、２つの独立した軸の周りをリンク３４０が回転することを可能にする旋回システムを有し得る。テンドン３３０Ａ、３３０Ｂ、および３３０Ｃのうちの１つ以上における張力は、次いでリンク３４０を傾けるために増加させられ得、リンク３４０が所望の向きに達した場合、力は、平衡（互いに、外力、および摩擦に対して）に戻され得る。従って、３つのテンドン３３０Ａ、３３０Ｂ、および３３０Ｃは、リンク２４０の２つの自由度を制御するために用いられ得る。

本発明が、特定の実施形態を参照して説明されたが、説明は、本発明の適用の一実施例に過ぎなく、限定としてとられるべきではない。例えば、上記の実施形態は、エントリガイドである本発明の特定の実施形態を開示するが、本発明の実施形態はまた、伸展性が望ましい他の外科手術器具における使用にも適し得る。様々な他の改造および開示される実施形態の特徴の組み合わせは、以下の特許請求の範囲によって規定される本発明の範囲内である。

Claims (20)

1. 可動性である部材を含むシャフトと、
   該部材に取り付けられ、該シャフトを通って延びる第１のテンドンと、
   該第１のテンドンに取り付けられた第１の端部を含む第１の定力ばねシステムと、
   該第１の定力ばねシステムが該第１のテンドンに加える一定の力を制御する第１の機構と
   を備えており、該第１の定力ばねシステムは、該第１のテンドンの運動の範囲にわたり該第１のテンドンに該一定の力を加える、外科手術デバイス。
2. 前記シャフトは、該シャフトを通って外科手術器具を導くようなサイズにされた内腔を含む、請求項１に記載のデバイス。
3. 前記内腔の一部分は、前記部材の中を通る、請求項２に記載のデバイス。
4. 前記シャフトは、複数の部材を含み、該部材の各々は、該シャフトの形状の制御のために関節接合される、請求項１に記載のデバイス。
5. 前記部材に取り付けられ、前記シャフトを通って延びる第２のテンドンと、
   該第２のテンドンに取り付けられた第１の端部を含む第２の定力ばねシステムと、
   該第２の定力ばねシステムが該第２のテンドンに加える一定の力を制御する第２の機構と
   をさらに備えており、該第２の定力ばねシステムは、該第２のテンドンの運動の範囲にわたり該第２のテンドンに該一定の力を加える、請求項１に記載のデバイス。
6. 前記部材に取り付けられ、前記シャフトを通って延びる第３のテンドンと、
   該第３のテンドンに取り付けられた第１の端部を含む第３の定力ばねシステムと、
   該第３の定力ばねシステムが該第３のテンドンに加える一定の力を制御する第３の機構と
   をさらに備えており、該第３の定力ばねシステムは、該第３のテンドンの運動の範囲にわたり該第３のテンドンに該一定の力を加える、請求項５に記載のデバイス。
7. 前記第１の定力ばねシステムは、ばね要素を備え、該ばね要素は、前記第１のテンドンの前記運動の範囲にわたり該第１のテンドンに前記一定の力を提供するように成形されるカムに連結される、請求項１に記載のデバイス。
8. 前記第１の機構は、前記ばね要素の端部に取り付けられたボールねじを備えている、請求項７に記載のデバイス。
9. 前記ばね要素は、線形特性ばねを備え、該線形特性ばねは、前記カムの一部分の周りに巻き付くケーブルに取り付けられた端部を有する、請求項７に記載のデバイス。
10. 前記ばね要素は、前記カムに取り付けられたねじりばねを備えている、請求項７に記載のデバイス。
11. 前記定力ばね要素は、ばね材料のロールを備え、該ばね材料は、前記テンドンに取り付けられた外側端部と、該ロールを巻くことおよび該ロールを解くことによって、該ばね要素によって該テンドンに加えられる一定の力を調整することを可能にするインタフェースに取り付けられた内側端部とを有する、請求項１に記載のデバイス。
12. 前記シャフト内のセンサと、
    前記第１の機構を動作させて、該シャフトが所望の構成に達したことを該センサが示すまで、該シャフトを動かす、制御システムと
    をさらに備えている、請求項１に記載のデバイス。
13. 可動部分を含むシャフトと、
    該可動部分に取り付けられ、該シャフトを通って延びる第１のテンドンと、
    該第１のテンドンに取り付けられた第１の端部を有する第１の非対称ばねシステムであって、該第１の非対称ばねシステムは、該第１の非対称ばねシステムによって該第１のテンドンに加えられる力が、該第１のテンドンの場所よりも該ばねシステムの第２の端部の場所に大きく依存するように非対称である、第１の非対称ばねシステムと、
    該第１の非対称ばねシステムの該第２の端部の場所を制御するように接続される第１の機構と
    を備えている、外科手術デバイス。
14. 前記第１の非対称ばねシステムによって前記第１のテンドンに加えられる前記力は、少なくとも、該第１の非対称ばねシステムの前記第２の端部の前記場所が１つの設定を有する場合、該第１のテンドンの前記場所に無関係である、請求項１３に記載のデバイス。
15. 前記シャフトは、該シャフトを通って外科手術器具を導くようなサイズにされた内腔を含む、請求項１３に記載のデバイス。
16. 前記シャフトは、複数の部材を含み、該部材の各々は、該シャフトの形状の制御のために関節接合される、請求項１３に記載のデバイス。
17. 前記部材に取り付けられ、前記シャフトを通って延びる第２のテンドンと、
    該第２のテンドンに取り付けられた第１の端部を有する第２の非対称ばねシステムであって、該第２の非対称ばねシステムは、該第２の非対称ばねシステムによって該第２のテンドンに加えられる力が、該第２のテンドンの場所よりも該第２のばねシステムの第２の端部の場所に大きく依存するように非対称である、第２の非対称ばねシステムと、
    該第２の非対称ばねシステムの該第２の端部の該場所を制御するように接続される第２の機構と
    をさらに備えている、請求項１３に記載のデバイス。
18. 前記部材に取り付けられ、前記シャフトを通って延びる第３のテンドンと、
    該第３のテンドンに取り付けられた第１の端部を有する第３の非対称ばねシステムであって、該第３の非対称ばねシステムは、該第３の非対称ばねシステムによって該第３のテンドンに加えられる力が、該第３のテンドンの場所よりも該第３の非対称ばねシステムの第２の端部の場所に大きく依存するように非対称である、第３の非対称ばねシステムと、
    該第３の非対称ばねシステムの該第２の端部の該場所を制御するように接続される第３の制御機構と
    をさらに備えている、請求項１７に記載のデバイス。
19. 前記第１の非対称ばねシステムは、ばね要素と、該ばね要素および前記第１のテンドンに取り付けられたカムとを備えている、請求項１３に記載のデバイス。
20. 前記第１の機構は、前記非対称ばねシステムの前記第２の端部に取り付けられたボールねじを備えている、請求項１９に記載のデバイス。

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