JP6042652B2 - 術具及び医療用マニピュレータ - Google Patents

Description

本発明は、術具及び医療用マニピュレータに関する。

従来、医療用マニピュレータとして、操作者によって操作されるマスタマニピュレータと、マスタマニピュレータから発せられる信号に基づいて動作するスレーブマニピュレータとを備えたマスタスレーブ型の医療用マニピュレータが知られている。このような医療用マニピュレータには、遠隔操作によって処置対象部位に対する処置をするための術具が取り付けられる。

たとえば、特許文献１には、処置部の向きを変化させるためのダブルジョイントを長尺部材の遠位端部に有する術具が開示されている。ダブルジョイントは、長尺部材の長手軸に対して直交する方向に延び互いに平行な２つの回動軸を有している。２つの回動軸のうちの一方は長尺部材に連結されており、２つの回動軸のうちの他方は処置部に連結されている。また、特許文献１に記載の術具では、ダブルジョイントには、開閉動作可能な一対の処置具片が設けられている。特許文献１に記載の術具に設けられた一対の処置具片には、これらの処置具片を独立して動作させる長尺の駆動部材が各々の処置具片に接続されている。

米国特許第６３１２４３５号明細書

特許文献１に記載の術具では、術具に設けられた各処置具片は、各処置具片にそれぞれ設けられた駆動部材によって独立して動作する。このため、処置具片の相対位置関係を変えずに屈曲するためには各駆動部材を協調動作させなければならなかった。このため、処置片を動作させる制御が複雑である。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、処置片を動作させる制御が容易な術具及び医療用マニピュレータを提供することである。

上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
本発明の術具は、処置対象部位に対して処置を行う術具であって、長手軸を有する筒状の長尺部材と、前記長尺部材の前記長手軸方向の一端に連結された屈曲用ダブルジョイントと、前記屈曲用ダブルジョイントに連結され開閉動作可能な鉗子と、前記鉗子に連結された開閉用ジョイントと、前記開閉用ジョイントに連結され前記長尺部材に沿って配された移動部材と、を備え、前記屈曲用ダブルジョイントは、前記長尺部材に連結された屈曲用第一回動軸と、前記屈曲用第一回動軸と平行で前記処置部に連結された屈曲用第二回動軸と、を有し、前記開閉用ジョイントは、前記移動部材と連結され所定の回動中心周りに回動する開閉用第一回動部材と、前記屈曲用第二回動軸と同軸を回動中心として前記開閉用第一回動部材と逆周りに相対回転するように前記開閉用第一回動部材に連結された開閉用第二回動部材と、前記開閉用第二回動部材の回転力を前記鉗子の開閉動作に変換するリンクと、を有することを特徴とする術具である。

また、前記鉗子の開閉軸は前記屈曲用第二回動軸と同軸であってもよい。
また、前記開閉用第一回動部材の回動中心は前記屈曲用第一回動軸と同軸であってもよい。

本発明の医療用マニピュレータは、本発明の術具と、前記術具が取り付けられ少なくとも１つの関節を有するスレーブマニピュレータと、前記スレーブマニピュレータの前記関節を駆動させるための操作指令を発するマスタマニピュレータと、を備えた医療用マニピュレータである。

本発明の術具及び医療用マニピュレータによれば、鉗子を開閉させる制御が容易である。

本発明の一実施形態の術具を備えた医療用マニピュレータの全体図である。 同術具の一部を示す斜視図である。 同術具の一部を示す平面図である。 同術具の一部を示す側面図である。 同術具の一部を示す図で、図３のＡ−Ａ線における断面図である。 同術具の一部を示す図で、図３のＢ−Ｂ線における断面図である。 同術具の作用を説明するための図である。 同術具の作用を説明するための図である。 同術具の作用を説明するための図である。 同術具の作用を説明するための図である。 同術具の作用を説明するための図である。 同術具の作用を説明するための図である。 同術具の設計変更の一例を示す図で、図３のＢ−Ｂ線と同様の断面を示す図である。 図１３に示す設計変更における処置部の動作を説明するための図である。

本発明の一実施形態の術具および医療用マニピュレータについて説明する。図１は、本実施形態の術具を備えた医療用マニピュレータの全体図である。図２は術具の一部を示す斜視図である。図３は術具の一部を示す平面図である。図４は術具の一部を示す側面図である。図５は図３のＡ−Ａ線における断面図である。図６は図３のＢ−Ｂ線における断面図である。

図１に示すように、術具１は、医療用マニピュレータ１００の一部として、医療用マニピュレータ１００に取り付けられている。

まず、本実施形態の医療用マニピュレータ１００の構成について説明する。医療用マニピュレータ１００は、マスタマニピュレータ１０１と、制御装置１１０と、スレーブマニピュレータ１２０とを備える。

マスタマニピュレータ１０１は、術者の操作の動きをスレーブマニピュレータ１２０に伝達するマスタとして機能するものであって、液晶ディスプレイ装置等のマスタ表示部１０２と、術者が把持して操作を行う操作部１０３とを備える。マスタマニピュレータ１０１の操作部１０３に対してなされる操作は、制御装置１１０に入力される。

制御装置１１０は、マスタマニピュレータ１０１からの入力を受け付けるマスタ側制御装置１１１と、スレーブマニピュレータ１２０へ駆動信号を出力するスレーブ側制御装置１１２とを有している。
マスタ側制御装置１１１では、マスタマニピュレータ１０１からの入力に基づいて、スレーブマニピュレータ１２０を動作させるための操作指令を生成し、スレーブ側制御部へと出力する。
スレーブ側制御装置１１２では、マスタ側制御装置１１１から発せられた操作指令に基づいて、スレーブマニピュレータ１２０を駆動させるための駆動信号を生成し、スレーブマニピュレータ１２０へと出力する。

スレーブマニピュレータ１２０は、スレーブ側制御装置１１２からの駆動信号に従って動作するスレーブアーム１２１を有し、スレーブアーム１２１に本実施形態の術具１が取り付けられている。スレーブマニピュレータ１２０には、本実施形態の術具１の他、外科手術を行うための処置器具や、内視鏡装置等を取り付けることができる。

次に、術具１の構成について説明する。
図１に示す術具１は、処置対象部位に対して処置を行うための医療器具である。図１及び図２に示すように、術具１は、長尺部材２と、長尺部材２の一端にジョイント１０を介して連結された処置部６と、長尺部材２の他端に設けられた駆動制御部３０とを備える。以下、術具１において処置部６が設けられている側を遠位側、術具１において駆動制御部３０が設けられている側を近位側として説明を行なう。

長尺部材２は、長手軸を有する筒状部材である。長尺部材２は、取り付け対象となるスレーブアーム１２１の構成に応じて、軟性であってもよいし硬性であってもよい。本実施形態では、長尺部材２が硬性である例を示す。
図２および図３に示すように、長尺部材２の内部には、処置部６を動作させるためのコネクティングロッド３が配されている。コネクティングロッド３は、後述する屈曲用ダブルジョイント１１に一端が連結され駆動制御部３０に他端が連結された屈曲用ロッド４と、後述する開閉用ジョイント１７に一端が連結され駆動制御部３０に他端が連結された開閉用ロッド５（移動部材）とを有する。

図２及び図３に示すように、処置部６は、処置対象部位に対して処置をするために設けられている。本実施形態では、処置部６は、開閉動作可能な一対の鉗子片（処置具片）７ａ、７ｂを有し、術具１は鉗子となっている。一対の鉗子片７ａ、７ｂは、各鉗子片７ａ、７ｂの回動軸となる図示しない軸状部材によって連結されている。本実施形態では、当該軸状部材における回動中心は、後述する屈曲用第二回動軸１４の回動中心と同軸となっている。

長尺部材２と処置部６とを連結するジョイント１０は、長尺部材２に対して処置部６を屈曲させるための屈曲用ダブルジョイント１１と、一対の鉗子片７ａ、７ｂを開閉動作させるための開閉用ジョイント（処置具片動作用ジョイント）１７とを有する。

屈曲用ダブルジョイント１１は、長尺部材２の遠位端に固定された第一嵌合歯部１２と、長尺部材２の遠位端に連結された屈曲用第一回動軸１３と、屈曲用第一回動軸１３と平行に延び処置部６に連結された屈曲用第二回動軸１４と、処置部６に固定された第一嵌合歯部１２と転がり接触する第二嵌合歯部１５と、屈曲用第一回動軸１３及び屈曲用第二回動軸１４をそれぞれ回動可能に保持する本体部１６とを有している。

第一嵌合歯部１２は、屈曲用第一回動軸１３の回動中心を中心とする円周上にギア状の歯を有している。また、第二嵌合歯部１５は、屈曲用第二回動軸１４の回動中心を中心とする円周上にギア状の歯を有し、第一嵌合歯部１２とかみ合っている。第一嵌合歯部１２と第二嵌合歯部１５とは、互いに半径が等しい円周上に歯を有し、比率が１：１の関係に設定されている。
第二嵌合歯部１５は、第一嵌合歯部１２における円周に沿って回転しながら移動することができる。なお、第一嵌合歯部１２及び第二嵌合歯部１５に代えて、摩擦力によって互いに外周部分が接して相対回動する板状部材が設けられていてもよい。
なお、本実施形態では、第一嵌合歯部１２と第二嵌合歯部１５とを歯車の噛み合いで摩擦接触させる構成を示したが、必ずしも歯車の噛み合いで摩擦接触させる構成に限定されるものではない。例えば、歯車の噛み合いによる摩擦接触に代えて摩擦接触される歯車の噛み合いがない２つのゴムローラ（摩擦力が大きい）を摩擦接触させる構成などのように２つの回転体間が互いに滑らずに回転転がりができる機構にしてもよい。

屈曲用第一回動軸１３及び屈曲用第二回動軸１４は、いずれも長尺部材２の長手軸の延長線に対して直交する方向に回動中心が延びる軸である。

本体部１６は、第一嵌合歯部１２と第二嵌合歯部１５との間の距離を一定に保つ。図３及び図４に示すように、本体部１６には、コネクティングロッド３のうち屈曲用ロッド４が屈曲用第一回動軸１３以外の位置に接続されている。屈曲用ロッド４を長尺部材２の長手軸方向に進退動作させることにより、本体部１６は、屈曲用第一回動軸１３回りに回動する。これにより、屈曲用第二回動軸１４は、屈曲用第一回動軸１３を旋回中心として旋回動作する（図７参照）。

図３、図５、及び図６に示すように、開閉用ジョイント１７は、第一ギア１８（処置具片動作用第一回動部材）と、第二ギア１９（処置具片動作用第二回動部材）と、リンク２１とを有している。
第一ギア１８は、開閉用ロッド５と連結され所定の回動中心周りに回動するギアである。本実施形態では、第一ギア１８における所定の回動中心は、屈曲用ダブルジョイント１１における屈曲用第一回動軸１３の回動中心と同軸である。また、本実施形態では、第二ギア１９は、第一ギア１８と噛み合うことにより第一ギア１８と連結され、屈曲用第二回動軸１４と同軸をなす回転中心回りに第一ギア１８と逆周りに相対回転するギアである。
第一ギア１８及び第二ギア１９は、互いに半径が等しい歯車である。また、第二ギア１９には、リンク２１に連結されるピニオン２０が形成されている。

図６に示すように、リンク２１は、第二ギア１９の回転力を鉗子の開閉動作に変換するものであり、ピニオン２０に噛み合うラック２２と、ラック２２に連結されたリンク要素２３ａ、２３ｂとを有する。ラック２２は、ピニオン２０が回転動作することにより進退移動する。リンク要素２３ａ、２３ｂは、ラック２２の進退移動を各鉗子片７ａ、７ｂの回動移動に変換する。本実施形態では、リンク２１は、トグル機構を構成しており、各鉗子片７ａ、７ｂが閉じる方向へ移動するに従って指数関数的に鉗子片７ａ、７ｂの把持力が高まるようになっている。

図１に示す駆動制御部３０は、コネクティングロッド３（図２参照）を長尺部材２の長手軸方向に進退させるアクチュエータ３１と、アクチュエータ３１の動作量を検知する検知部３２とを有している。駆動制御部３０は、スレーブ側制御装置１１２から出力される駆動信号に従って動作する。検知部３２は、アクチュエータ３１の動作量を検知してスレーブ側制御装置１１２へと出力する。これにより、駆動制御部３０におけるアクチュエータ３１の動作はフィードバック制御される。

次に、本実施形態の術具１及び医療用マニピュレータ１００の作用について、術具１の動作原理及び作用を中心に説明する。図７ないし図１２は、術具１の作用を説明するための図である。
図２及び図３に示すように、術具１は、屈曲用ダブルジョイント１１と開閉用ジョイント１７とによって処置部６と長尺部材２とが連結された構成を有している。屈曲用ダブルジョイント１１は、アクチュエータ３１による屈曲用ロッド４の進退動作によって動作させることができる。また、開閉用ジョイント１７は、アクチュエータ３１による開閉用ロッド５の進退動作によって、屈曲用ダブルジョイント１１とは独立して動作させることができる。

図５及び図８に示すように、開閉用ロッド５を進退移動させることなく屈曲用ロッド４を進退移動させると、すると、屈曲用第二回動軸１４は屈曲用第一回動軸１３を旋回中心として旋回動作する。このとき、屈曲用ダブルジョイント１１に設けられた第一嵌合歯部１２には第二嵌合歯部１５がかみ合っているので、第二嵌合歯部１５は屈曲用第二回動軸１４を回動中心として回動する。なお、このとき、第一ギア１８は回動せず、屈曲用ダブルジョイント１１の本体部１６が、屈曲用第一回動軸１３回りに回動する。屈曲用第一回動軸１３を旋回中心として屈曲用第二回動軸１４が旋回動作しながら第二嵌合歯部１５が屈曲用第二回動軸１４周りに回動することにより、処置部６における一対の鉗子片７ａ、７ｂの向きが変化する。

この場合、屈曲用ダブルジョイント１１では、第一嵌合歯部１２の半径と第二嵌合歯部１５の半径との比率に応じた角度で本体部１６を動かすことになる。
例えば、図４に示すように第一嵌合歯部１２の半径をｒ１、第二嵌合歯部１５の半径をｒ２、本体部１６の回動角度をθ、処置部６の回動角度をφとすると、
ｒ２（φ−θ）＝ｒ１θ ・・・（１）
φ＝{（ｒ１＋ｒ２）／ｒ２}θ ・・・（２）
たとえば、本実施形態のように、第一嵌合歯部１２の半径ｒ１と、第二嵌合歯部１５の半径ｒ２との比率が１：１の場合（ｒ１＝ｒ２）は、
φ＝２θ
となる。したがって、屈曲用第一回動軸１３を中心に本体部１６を４５度動かせば、処置部６側に設けられた第二嵌合歯部１５は、第一嵌合歯部１２に対して９０度傾くことになる。つまり、増速機構となるため、本体部１６の角度移動量を目的とする処置部６の角度移動量に対して少なくできる。

ここで、図６及び図９に示すように、ピニオン２０と、一対の鉗子片７ａ、７ｂとは、一体的に向きが変化するので、一対の鉗子片７ａ、７ｂを開閉動作させるようなピニオン２０の回転動作は生じていない。したがって、一対の鉗子片７ａ、７ｂは、向きを変化させる前後で、開閉状態が変化しない。

次に、図８及び図１１に示すように、開閉用ロッド５が進退移動されると、開閉用ロッド５と接続された第一ギア１８が回動し、第一ギア１８とかみ合っている第二ギア１９が回動する。すると、第二ギア１９は、図９及び図１２に示すように、ピニオン２０を回動させる。ピニオン２０が回動することにより、ラック２２が進退移動して、一対の鉗子片が開閉動作する。

従来、鉗子片７ａ、７ｂの向きを変化させるための回動軸をダブルジョイント１０の遠位側に設けた構成が知られている。このような構成と比較して、本実施形態の術具１では、ダブルジョイント１０における遠位側の回動軸を、鉗子片７ａ、７ｂの向きを変化させるための回動軸と一致させた構成を有している。これにより、従来よりも術具１を小型化し、また、鉗子片７ａ、７ｂの向きを変えるために必要となる最小半径を小さくすることができる。
このように、本実施形態の処置具によれば、従来よりも狭い領域内で鉗子片７ａ、７ｂを所望の向きに向けることができ、処置対象部位に対する細かな作業がしやすくなる。

また、開閉用ロッド５の進退移動がリンク２１によって鉗子片７ａ、７ｂの開閉動作に変換される。これにより、各鉗子片７ａ、７ｂの動作が連動するので、鉗子片７ａ、７ｂを開閉動作をさせる際の協調動作は不要である。このため、鉗子片７ａ、７ｂを開閉させる制御が、開閉用ロッド５の進退移動量の制御によって容易にできる。
また、本実施形態の術具１がスレーブアーム１２１に取り付けられた医療用マニピュレータ１００は、従来よりも狭い空間においても処置対象部位に対して好適に処置をすることができる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
例えば、図１３及び図１４に示すように、鉗子片７ａ、７ｂ及びリンク要素２３ａ、２３ｂの組み合わせとして、パンタグラフ状に動作するリンク機構とすることもできる。このような構成であっても鉗子片７ａ、７ｂを開閉させることができる。

また、別の設計変更の例として、例えば、屈曲用第二回動軸１４と第二ギア１９との各回動中心について、屈曲用第二回動軸１４よりも屈曲用第一回動軸１３に近い位置を回動中心として第二ギア１９が回動するようになっていてもよい。
また、鉗子片７ａ、７ｂの開閉軸は第二ギア１９の回動中心や屈曲用第二回動軸１４と同軸でなくてもよい。
また、上述の実施形態では、処置具片の動作として、一対の処置具片である鉗子片７ａ、７ｂを開閉させる動作を例にとって説明したが、これに限るものではない。例えば、一つの処置具片を屈曲（回動）させる動作や所定の方向に進退させる動作であっても良い。また、処置具片は鉗子片以外の医療器具であってもよい。

また、上述の実施形態で説明したコネクティングロッド３に代えて、可撓性を有するワイヤが設けられていてもよい。また、術具１の長尺部材２は軟性であってもよい。

なお、上記具体的な構成に対する設計変更等は上記事項には限定されない。

１ 術具
２ 長尺部材
３ コネクティングロッド
４ 屈曲用ロッド
５ 開閉用ロッド（移動部材）
６ 処置部
７ａ、７ｂ 鉗子片（処置具片）
１０ ジョイント
１１ 屈曲用ダブルジョイント
１２ 第一嵌合歯部
１３ 屈曲用第一回動軸
１４ 屈曲用第二回動軸
１５ 第二嵌合歯部
１６ 本体部
１７ 開閉用ジョイント（処置具片動作用ジョイント）
１８ 第一ギア（動作用第一回動部材）
１９ 第二ギア（動作用第二回動部材）
２０ ピニオン
２１ リンク
２２ ラック
２３ａ、２３ｂ リンク要素

Claims (5)

1. 処置対象部位に対して処置を行う処置具片を有する処置部を備えた術具であって、
   長手軸を有する筒状の長尺部材と、
   前記長尺部材の前記長手軸方向の一端に連結された屈曲用ダブルジョイントと、
   前記屈曲用ダブルジョイントに連結され動作可能な処置具片と、
   前記処置具片に連結された処置具片動作用ジョイントと、
   前記処置具片動作用ジョイントに連結され前記長尺部材に沿って配された移動部材と、
   を備え、
   前記屈曲用ダブルジョイントは、
   前記長尺部材に連結された屈曲用第一回動軸と、
   前記屈曲用第一回動軸と平行で前記処置部に連結された屈曲用第二回動軸と、
   を有し、
   前記処置具片動作用ジョイントは、
   前記移動部材と連結され所定の回動中心周りに回動する動作用第一回動部材と、
   前記屈曲用第二回動軸と同軸を回動中心として前記動作用第一回動部材と逆周りに相対回転するように前記動作用第一回動部材に連結された動作用第二回動部材と、
   前記動作用第二回動部材の回転力を前記処置具片の動作に変換するリンクと、
   を有する
   ことを特徴とする術具。
2. 請求項１に記載の術具であって、
   前記処置具片の動作軸は前記屈曲用第二回動軸と同軸である
   ことを特徴とする術具。
3. 請求項１または２のいずれか一項に記載の術具であって、
   前記動作用第一回動部材の回動中心は前記屈曲用第一回動軸と同軸である
   ことを特徴とする術具。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載の術具であって、
   前記処置具片は一対有し、前記処置具片の動作は、前記一対の処置具片の開閉である
   ことを特徴とする術具。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の術具と、
   前記術具が取り付けられ少なくとも１つの関節を有するスレーブマニピュレータと、
   前記スレーブマニピュレータの前記関節を駆動させるための操作指令を発するマスタマニピュレータと、
   を備えた医療用マニピュレータ。

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