JP6261612B2 - 軟性マニピュレータ用ガイド部材および軟性マニピュレータ - Google Patents

軟性マニピュレータ用ガイド部材および軟性マニピュレータ Download PDF

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Description

本発明は、軟性マニピュレータ用ガイド部材および軟性マニピュレータに関するものである。
挿入部の先端に配置された湾曲部あるいは鉗子等の可動部をワイヤによって駆動する方式の内視鏡、カテーテルあるいはマニピュレータが知られている（例えば、特許文献１から８参照。）。
特許文献１は、軟性の挿入部の先端に設けられた鉗子等の可動部を駆動するためのワイヤを、挿入部に配置されたマルチルーメンチューブの長手方向に沿って真っ直ぐに形成されたルーメン内に貫通させて案内することで、絶縁皮膜やコイルシースを不要として、細径化および低コスト化を図った軟性マニピュレータを開示している。
また、特許文献２は、硬性の挿入部の先端に配置した関節内を貫通して関節よりも先端側に配置されている鉗子等の可動部を駆動するための複数のワイヤを、挿入部および関節を貫通する複数のシース内にそれぞれ貫通させ、関節位置においてシースを捻ることで、関節の曲げによる経路長の違いを補償する硬性マニピュレータを開示している。
また、特許文献３は、チューブ内を径方向に区画する隔壁を有するマルチルーメンチューブの曲げ剛性が隔壁の位置に依存して不均一となるのを防止するために、隔壁が長手方向に沿って捻られている医療用チューブを開示している。
また、特許文献４は、軟性の挿入部の先端に配置された屈曲部の屈曲性を向上するために、挿入部と屈曲部とにおいて、ワイヤを貫通させるルーメンが９０°捻られているマルチルーメンを有するカテーテルチューブを開示している。
また、特許文献５は、可撓管内に配置されているワイヤガイドによって、可撓管内の他の内蔵物を圧迫したり傷つけたりすることを防止するために、可撓管内において可撓管の軸線回りに捻られたコイルパイプからなるワイヤガイドを可撓管の内面に固定した内視鏡挿入部を開示している。
また、特許文献６は、湾曲操作ワイヤを径方向の中央に配置したルーメン内を長手方向に沿って真っ直ぐに貫通させ、その周囲に螺旋状に配置したルーメン内に信号線等を貫通させる内視鏡を開示している。
また、特許文献７は、マルチルーメンチューブの長手方向に沿って並列に設けられたルーメン内に湾曲操作用のワイヤを貫通させた内視鏡を開示している。
さらに、特許文献８は、湾曲操作用のワイヤを貫通させたルーメンを長手軸に沿って螺旋状に配置したカテーテルを開示している。
特許第４４２０５９３号公報 特表２０１３−５１８６６５号公報 特許第２１３７６８３号公報 特許第３６２８３８５号公報 特許第４３４９６８５号公報 特開２０００−１８５０１３号公報 特開２００９−６６２９９号公報 特開２０１０−２２７１３７号公報
特許文献１の軟性マニピュレータは、ワイヤを案内するルーメンが挿入部の長手方向に沿って真っ直ぐに形成されているので、挿入部の湾曲方向によっては、可動部を操作するための２本のワイヤの経路長に差が発生し、一方のワイヤが突っ張って、他方が緩むと、可動部が意図しない方向に移動してしまう。
特許文献２は、硬性マニピュレータの関節部分に関するものであり、決まった湾曲方向に積極的に湾曲させる湾曲部におけるワイヤ経路についてのみ想定している。
特許文献３は、医療用チューブの可撓性を向上することを目的としており、可動部を駆動するためのワイヤについては記載していない。
また、特許文献４は、曲げ剛性の低い方向に湾曲しやすくするためのワイヤ経路に関するものであり、決まった湾曲方向に積極的に湾曲させる湾曲部におけるワイヤ経路についてのみ想定している。
また、特許文献５は、単にコイルパイプからなるワイヤガイドによって他の内蔵物が傷つけられないように固定することを開示しているに過ぎない。
また、特許文献６，７では、可動部を駆動するワイヤの経路は挿入部の長手方向に沿って真っ直ぐに形成されているため、挿入部が真っ直ぐである場合と湾曲した場合とで、ワイヤとルーメンとの間に生ずる摩擦力の変化が大きく、制御性が悪い。
また、特許文献８は、ワイヤの張力に応じてカテーテルの圧縮により、先端の曲げおよび旋回を行うことを開示しているに過ぎない。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、細長い駆動力伝達部材によって軟性の挿入部の先端に配置された可動部を挿入部の基端側において操作する場合の操作性あるいは制御する場合の制御性を向上することができる軟性マニピュレータ用ガイド部材および軟性マニピュレータを提供することを目的としている。
本発明の一参考態様は、細長い軟性の挿入部と、該挿入部の先端に配置された可動部と、前記挿入部の基端に配置された駆動部と、該駆動部の動力を前記可動部に伝達する細長い駆動力伝達部材とを備える軟性マニピュレータの前記挿入部に備えられ、前記駆動力伝達部材を長手方向に貫通させるルーメンを備え、該ルーメンが、前記挿入部の長手軸回りに捻れた形状を有する軟性マニピュレータ用ガイド部材である。
本態様によれば、挿入部の基端に配置された駆動部を作動させると、発生した動力がルーメン内を貫通している駆動力伝達部材によって、挿入部の先端に配置されている可動部に伝達され、可動部が作動させられる。細長い軟性の挿入部を湾曲させると、その湾曲とともにルーメンの形状も変化させられるが、挿入部の長手軸回りに捻れた形状を有するルーメンの内面と、該ルーメン内を貫通している駆動力伝達部材との接触状態は挿入部の湾曲状態によっては大きく変化せず、湾曲状態に応じて駆動部により発生させる動力を大きく異ならせる必要がない。したがって、可動部の操作性あるいは制御性を向上することができる。
上記態様においては、前記ルーメンが螺旋状に形成されていてもよい。
このようにすることで、均一なピッチの螺旋状のルーメンによって、挿入部の各部において均一な性能を発揮することができるとともに、製造容易性を向上することができる。また、螺旋形状のピッチを小さくすることで、挿入部をより大きな曲率で湾曲させても、ルーメンの内面と駆動力伝達部材との接触状態を変化させずに済む。
本発明の一態様は、細長い軟性の挿入部と、該挿入部の先端に配置された可動部と、前記挿入部の基端に配置された駆動部と、該駆動部の動力を前記可動部に伝達する細長い駆動力伝達部材とを備える軟性マニピュレータの前記挿入部に備えられ、前記駆動力伝達部材を長手方向に貫通させるルーメンを備え、前記ルーメンが、前記挿入部の長手軸回りに螺旋状に捻れた形状を有し、且つ、以下の条件式を満足する軟性マニピュレータ用ガイド部材である。
２πｒ／√（ａ２−１）≦ｌ≦６．２５ＲｄＬＲ／ｒ
ここで、Ｒは前記挿入部の曲率半径、ｒは螺旋形状の半径、ｌは螺旋形状のピッチ、ｄＬＲは前記駆動力伝達部材の相対経路長差の最大許容値、ａは前記挿入部のピッチに対する螺旋形状の経路長の比率の最大許容値である。
このようにすることで、挿入部の曲げ半径が６０ｍｍの場合に駆動力伝達部材の経路長変化を２ｍｍ以下に抑えることができる。また、ルーメンの形状を直線状にした場合と比較して、駆動力伝達部材の伸びを１０％以下に抑えることができる。
本発明の他の態様は、細長い軟性の挿入部と、該挿入部の先端に配置された可動部と、前記挿入部の基端に配置された駆動部と、該駆動部の動力を前記可動部に伝達する細長い駆動力伝達部材とを備える軟性マニピュレータの前記挿入部に備えられ、前記駆動力伝達部材を長手方向に貫通させるルーメンを備え、該ルーメンが、前記挿入部の長手軸回りに螺旋状に捻れた形状を有し、前記ルーメンの螺旋形状のピッチが、前記挿入部の長手方向の各位置において相違している軟性マニピュレータ用ガイド部材である。
このようにすることで、大きな曲率で曲げることが必要な部位では、ルーメンの螺旋形状のピッチを小さくして、ルーメンの内面と駆動力伝達部材との接触状態の変化を抑え、小さな曲率で曲げることが許容される部位では、経路長を短くして駆動力伝達部材の伸びによる制御性の低下を抑制することができる。
また、上記態様においては、前記ルーメンを２以上備えていてもよい。
このようにすることで、２以上の可動部の駆動、あるいは、可動部の往復動作を別個のルーメンによって案内した駆動力伝達部材によって行うことができる。そして、挿入部を湾曲させたときに、２以上のルーメンを貫通する２以上の駆動力伝達部材に発生する相対的な経路長差を小さく抑えることができる。
また、上記態様においては、隣接して配置される２個一対の前記ルーメンを複数対備えていてもよい。
このようにすることで、各対の２個のルーメンが類似した経路を有するようになるので、挿入部を湾曲させたときに、各対の２個のルーメンに発生する相対的な経路長差をより小さく抑えることができる。
本発明の他の態様は、細長い軟性の挿入部と、該挿入部の先端に配置された可動部と、前記挿入部の基端に配置された駆動部と、該駆動部の動力を前記可動部に伝達する細長い駆動力伝達部材とを備える軟性マニピュレータの前記挿入部に備えられ、前記駆動力伝達部材を長手方向に貫通させる２以上のルーメンを備え、該ルーメンが、前記挿入部の長手軸回りに螺旋状に捻れた形状を有し、各前記ルーメンの螺旋形状のピッチが相違している軟性マニピュレータ用ガイド部材である。
このようにすることで、ルーメン内に貫通させる駆動力伝達部材等の許容曲げ半径に応じて、適正なルーメンを選択して挿入配置させることができる。
また、本発明の他の参考態様は、細長い軟性の挿入部と、該挿入部の先端に配置された可動部と、前記挿入部の基端に配置された駆動部と、該駆動部の動力を前記可動部に伝達する細長い駆動力伝達部材とを備える軟性マニピュレータの前記挿入部に備えられ、前記駆動力伝達部材を長手方向に貫通させる３以上のルーメンを備え、該ルーメンが、前記挿入部の長手軸に沿う編組形状を有する軟性マニピュレータ用ガイド部材である。
本態様によれば、ルーメンを螺旋状に形成した場合と同様に、細長い軟性の挿入部を湾曲させたときに、該ルーメン内を貫通している駆動力伝達部材との接触状態を変化させずに済み、湾曲状態に応じて駆動部により発生させる動力を大きく異ならせる必要がない。したがって、可動部の操作性あるいは制御性を向上することができる。
また、上記態様においては、前記ルーメンが径方向に異なる位置に複数備えられていてもよい。
このようにすることで、挿入部を湾曲させたときに、径方向内方に配置されているルーメンの経路長変化を、径方向外方に配置されているルーメンよりも小さく抑えることができる。したがって、径方向内方のルーメンには、より大きな駆動力伝達が必要とされる駆動力伝達部材を貫通させることで、可動部の制御性を向上することができる。
また、上記態様においては、可撓性のマルチルーメンチューブからなっていてもよい。
このようにすることで、複数の経路の相対的な位置関係を維持する軟性マニピュレータ用ガイド部材を一体的に成形することができる。
また、上記態様においては、前記マルチルーメンチューブの可撓性が、長手方向の各位置において相違していてもよい。
このようにすることで、挿入部の内、比較的小さい曲率で湾曲される部位には可撓性の低い材料を用いることにより、挿入部にコシを持たせることができる。また、大きな曲率で湾曲させたい部位については可撓性の高い材料により構成し、湾曲容易性を向上することができる。
また、本発明の他の態様は、細長い軟性の挿入部と、該挿入部の先端に配置された可動部と、前記挿入部の基端に配置された駆動部と、該駆動部の動力を前記可動部に伝達する細長い駆動力伝達部材と、上記いずれかの軟性マニピュレータ用ガイド部材とを備える軟性マニピュレータである。
本態様によれば、挿入部の基端において加えられた駆動部の動力が、軟性マニピュレータ用ガイド部材のルーメン内に貫通された駆動力伝達部材によって、挿入部の先端の可動部に伝達され、可動部が作動させられる。軟性マニピュレータ用ガイド部材によって、挿入部の湾曲前後におけるルーメン内面と駆動力伝達部材との間の摩擦の変動が抑えられるので、駆動部による操作性あるいは駆動部の制御性を向上し、可動部を精度よく作動させることができる。
また、本発明の他の態様は、細長い軟性の挿入部と、該挿入部の先端に配置された可動部と、前記挿入部の基端に配置された駆動部と、該駆動部の動力を前記可動部に伝達する細長い駆動力伝達部材と、上記いずれかの軟性マニピュレータ用ガイド部材とを備え、前記軟性マニピュレータ用ガイド部材が、前記ルーメンとは別に、長手方向に貫通する貫通経路を備える軟性マニピュレータである。
本態様によれば、駆動力伝達部材を貫通させるルーメンの他に、長手方向に貫通する貫通経路を介して、配線、光ファイバその他の長尺部材を貫通させたり、流体を流動させたりすることができる。貫通経路は、捻れていてもいなくてもよい。
本発明の他の態様は、細長い軟性の挿入部と、該挿入部の先端に配置された可動部と、前記挿入部の基端に配置された駆動部と、該駆動部の動力を前記可動部に伝達する細長い駆動力伝達部材と、前記駆動力伝達部材を長手方向に貫通させる２以上のルーメンを備え、前記ルーメンが、前記挿入部の長手軸回りに螺旋状に捻れた形状を有する軟性マニピュレータ用ガイド部材であり、可撓性のマルチルーメンチューブからなる軟性マニピュレータ用ガイド部材と、を備え、前記軟性マニピュレータ用ガイド部材が、前記ルーメンとは別に、長手方向に貫通する貫通経路を備え、前記貫通経路が、前記軟性マニピュレータ用ガイド部材の外面に形成された溝により形成されている軟性マニピュレータである。
このようにすることで、貫通経路の形成が容易であり、比較的大きな横断面積を確保して、流体を流動させる場合に多くの流量の流体を流動させることができる。
また、上記態様においては、前記貫通経路が、前記ルーメンよりも前記軟性マニピュレータ用ガイド部材の径方向内方に配置されていてもよい。
このように構成することで、貫通経路に配線や光ファイバ等長尺部材を貫通させる場合に、挿入部の曲げ方向を制限せずに済む。
また、上記態様においては、前記挿入部が、前記軟性マニピュレータ用ガイド部材を長手方向に貫通させる軟性のアウタシースを備えていてもよい。
このようにすることで、軟性マニピュレータ用ガイド部材として可撓性の高い材質のマルチルーメンチューブを使用し、アウタシースによって剛性を確保することで、ルーメンの座屈等を防止することができる。
本発明によれば、細長い駆動力伝達部材によって軟性の挿入部の先端に配置された可動部を挿入部の基端側において操作する場合の操作性あるいは制御する場合の制御性を向上することができるという効果を奏する。
本発明の一実施形態に係る軟性マニピュレータを備える医療用マニピュレータシステムを示す全体構成図である。 図１の軟性マニピュレータの一例を示す斜視図である。 図２の軟性マニピュレータの挿入部に備えられるマルチルーメンチューブのルーメンを部分的に示す斜視図である。 図３のマルチルーメンチューブの横断面図である。 図４Ａのマルチルーメンチューブの第１の変形例を示す横断面図である。 図４Ａのマルチルーメンチューブの第２の変形例を示す横断面図である。 図４Ａのマルチルーメンチューブの第３の変形例を示す横断面図である。 図４Ａのマルチルーメンチューブの第４の変形例を示す横断面図である。 図４Ａのマルチルーメンチューブの第５の変形例であって、隣接位置に対となるワイヤを配置する場合を示す横断面図である。 図５Ａのマルチルーメンチューブであって、中心軸対称位置に対となるワイヤを配置する場合を示す横断面図である。 図５Ａのマルチルーメンチューブの中央にルーメンを有する場合を示す横断面図である。 図５Ｂのマルチルーメンチューブの中央にルーメンを有する場合を示す横断面図である。 図５Ａのマルチルーメンチューブにおいて、２つのルーメンの相対角度をパラメータとしたマルチルーメンチューブの長さと経路長差との関係を示すグラフである。 図４Ｂのマルチルーメンチューブを３本周方向に配置して螺旋状に捻った例を示す横断面図である。 中央の１本の真っ直ぐのルーメンと、該ルーメンの周方向外方に４対８本の螺旋状に捻られたルーメンとを有するマルチルーメンチューブの変形例を示す横断面図である。 ルーメン内にインナシースを有するマルチルーメンチューブの横断面図である。 外部を被覆するアウタシースを有するマルチルーメンチューブの横断面図である。 外部を被覆するアウタシースを有する図７Ａのマルチルーメンチューブの横断面図である。 マルチルーメンチューブにおけるルーメンの径方向位置について説明する側面図である。 １本のルーメンを有する２本のシースが捻られて一体化されたツイストペア状のマルチルーメンチューブを示す側面図である。 ６本のルーメンを有するマルチルーメンチューブを部分的に示す斜視図である。 ６本のルーメンの内、４本のみにワイヤが配置されているマルチルーメンチューブの横断面図である。 ６本のルーメンの内、４本のみにワイヤが配置され、残りの２本は外面に開口する溝状に形成されているマルチルーメンチューブの横断面図である。 螺旋経路長とマルチルーメンチューブの長さとの関係を説明する図である。 螺旋状のルーメンの曲げ角度を説明する図である。 挿入部の長手方向にルーメンの螺旋形状のピッチが異なる場合を説明する図である。 挿入部の長手方向にルーメンの材質が異なる場合を説明する図である。 挿入部の径方向の異なる位置にルーメンが設けられている場合を示す正面図および側面図である。 挿入部の長手方向に外径寸法が異なるマルチルーメンチューブを説明する図である。 外径寸法が異なる部分を長手方向に接続した形状を有するワイヤを部分的に示す側面図である。 図１９Ａのワイヤを貫通させるマルチルーメンチューブの一例を示す側面図である。 図４Ａのマルチルーメンチューブの他の変形例を示す横断面図である。 螺旋形状のピッチの異なる複数のルーメンを有するマルチルーメンチューブを示す側面図である。 中央のルーメンに処置具を貫通させ、ワイヤによって湾曲させられるマルチルーメンチューブの一例を示す側面図である。 図２２Ａの状態から湾曲されられたマルチルーメンチューブを示す側面図である。
本発明の一実施形態に係る軟性マニピュレータ用ガイド部材１１および軟性マニピュレータ３について、図面を参照して以下に説明する。
本実施形態に係る軟性マニピュレータ３は、例えば、図１に示される医療用マニピュレータシステム１において用いられる。この医療用マニピュレータシステム１は、オペレータＡにより操作されるマスタ装置２と、患者Ｏの体腔内に挿入される軟性マニピュレータ３と、マスタ装置２への操作入力に基づいて軟性マニピュレータ３を制御する制御部４と、モニタ５とを備えている。
本実施形態に係る軟性マニピュレータ３は、図２に示されるように、例えば、患者Ｏの体腔内に挿入される内視鏡の鉗子チャネルを介して患者Ｏの体腔内に挿入される挿入部６と、該挿入部６の先端に配置された関節および把持鉗子等の処置部７を有する可動部８と、挿入部６の基端に配置され、制御部４によって制御されることにより可動部８を作動させる駆動部９と、該駆動部９により発生した駆動力を可動部８に伝達するワイヤ（駆動力伝達部材、図３参照。）１０とを備えている。
本実施形態に係る軟性マニピュレータ用ガイド部材１１は、挿入部６に設けられている。すなわち、軟性マニピュレータ用ガイド部材１１は、図３に示されるように、可撓性材料からなるとともに、長手方向に貫通する複数のルーメン１２を備えるマルチルーメンチューブ１１ａにより構成され、各ルーメン１２にワイヤ１０を貫通させるようになっている。図３はマルチルーメンチューブ１１ａからなる軟性マニピュレータ用ガイド部材１１の長さ方向の一部を部分的に示すもので、軟性マニピュレータ用ガイド部材１１は、図３に示す例では２本のルーメン１２を備えている。
本実施形態においては、各ルーメン１２はマルチルーメンチューブ１１ａの長手軸回りに、一方向に一定のピッチおよび一定の半径で捻られた螺旋状に形成されている。捻りのピッチは、挿入部６の最小曲率半径をｒとして、２πｒ以下となっていることが望ましい。
このように構成された本実施形態に係る軟性マニピュレータ３および軟性マニピュレータ用ガイド部材１１の作用について、以下に説明する。
本実施形態に係る軟性マニピュレータ３を用いて、患者Ｏの体腔内の処置を行うには、オペレータＡは、患者Ｏの体腔内に挿入した内視鏡の鉗子チャネルを介して軟性マニピュレータ３の挿入部６を先端の可動部８側から挿入し、内視鏡により取得された画像をモニタ５で観察しながら患部に対して可動部８を対向させる。
次いで、オペレータＡはマスタ装置２を操作することにより、マスタ装置２の操作量が制御部４に入力され、制御部４が操作量に応じて駆動部９に駆動力を発生させ、一方のワイヤ１０の張力を他方のワイヤ１０の張力よりも増大させる。ワイヤ１０に加えられた駆動力は、ワイヤ１０の張力として可動部８に伝達され可動部８を作動させる。このとき、ワイヤ１０は、軟性マニピュレータ用ガイド部材１１のルーメン１２内を貫通することにより、螺旋状のルーメン１２に沿って螺旋状の形態になっている。
そして、ワイヤ１０に張力がかかることによるワイヤ１０の移動は、ルーメン１２の内壁との間で生ずる摩擦力に抗して行われる。すなわち、制御部４は、駆動部９に対し、ルーメン１２とワイヤ１０との接触による摩擦力を考慮した駆動力を発生させるように指令するようになっている。
この場合において、内視鏡の挿入部に設けられている鉗子チャネルは、挿入される体腔の形状に応じて湾曲するため、該鉗子チャネル内に挿入されている軟性マニピュレータ３の挿入部６も鉗子チャネルと同一形状に湾曲させられる。
挿入部６の湾曲の形態は個人差および体腔への挿入の程度によって異なるが、本実施形態に係る軟性マニピュレータ用ガイド部材１１は、螺旋状のルーメン１２によってワイヤ１０を案内しているので、挿入部６が真っ直ぐに延びている状態でも、複雑に湾曲させられている状態でも、ワイヤ１０とルーメン１２内面との接触面積は大きく変化しない。
したがって、本実施形態に係る軟性マニピュレータ用ガイド部材１１および軟性マニピュレータ３によれば、挿入部６の湾曲の形態に依存して、ワイヤ１０とルーメン１２内面との間の摩擦が大きく変化することはなく、制御部４による駆動部９の制御を容易にすることができるという利点がある。
なお、本実施形態に係る軟性マニピュレータ用ガイド部材１１としては、多数のルーメン１２を有する軟性のマルチルーメンチューブ１１ａからなるものを例示したが、これに代えて、１つのルーメン１２を有する１以上の軟性のシースを螺旋状の形態として挿入部６内に配置してもよい。
また、マルチルーメンチューブ１１ａの横断面形状としては、図３および図４Ａに示される円形の他、図４Ｂに示される四角形等、他の任意の形状でもよい。
また、マルチルーメンチューブ１１ａにおけるルーメン１２の位置は、図４Ａに示されるように、横断面の中心に対して対称な位置に配置されていてもよいし、図４Ｃに示されるように、周方向に隣接した位置に配置されていてもよい。また、図４Ｄ、図４Ｅに示されるように、中央に他の用途等に使用されるルーメン（貫通経路）１３を備えていてもよい。
この場合に、中央のルーメン１３は他のルーメン１２のように捻らずにマルチルーメンチューブ１１ａの長手軸に沿って配置されるので、内部には、捻ることが好ましくない長尺部材、例えば、光ファイバ等を貫通させることが有効である。
また、図５Ａおよび図５Ｂに示されるように、２個一対のルーメン１２ａ，１２ｂを複数対、例えば、３対備えていてもよい。
この場合に、同一の関節や処置具を作動させるために連動する２本一対のワイヤ１０は、図５Ａに示されるように周方向に隣接して配置されているルーメン１２ａ，１２ｂを貫通させてもよいし、図５Ｂに示されるようにマルチルーメンチューブ１１ａの中心軸に対して対称位置に配置されているルーメン１２ａ，１２ｂを貫通させてもよい。これらの図においては、連動するワイヤ１０が貫通させられるルーメン１２ａ，１２ｂを同じハッチングで示している。図５Ｃ、図５Ｄは、それぞれ、図５Ａ、図５Ｂの中央に他のルーメン１３を設けたものを示している。
図６に２つのルーメン１２ａ，１２ｂの配置と、マルチルーメンチューブ１１ａを湾曲させた場合の２つのルーメン１２ａ，１２ｂの経路長差との関係を表すグラフを示す。横軸は、マルチルーメンチューブ１１ａの長さ、縦軸は、２本のルーメン１２ａ，１２ｂの経路長差である。また、パラメータはグラフの下に示される横断面図における２つのルーメン１２ａ，１２ｂの相対角度φである。図は、螺旋形状のルーメン１２ａ，１２ｂの螺旋の半径ｒ＝１ｍｍ、螺旋のピッチｌ＝１５０ｍｍ、マルチルーメンチューブ１１ａの湾曲の曲率半径Ｒ＝６０ｍｍとした場合である。
これによれば、２つのルーメン１２ａ，１２ｂの相対角度が小さいほど、湾曲による経路長差が少なくて済むので好ましい。
この場合、図４Ｂに示されるような２つのルーメン１２を有する比較的小さい横断面積のマルチルーメンチューブ１１ａを、図７Ａに示されるように、複数、例えば、３本周方向に並べてもよい。
また、図７Ｂに示されるように、複数対、例えば、４対のルーメン１２ａ，１２ｂを周方向に間隔をあけて配置することにしてもよい。
また、図８Ａに示されるように、ルーメン１２内に別のインナシース１４が配置されていてもよいし、図８Ｂおよび図８Ｃに示されるように、マルチルーメンチューブ１１ａの外面を別のアウタシース１５によって被覆していてもよい。
また、マルチルーメンチューブ１１ａにおけるルーメン１２の径方向位置は、図９に示されるようにマルチルーメンチューブ１１ａの径方向外方に配置されているよりも、中心軸近傍に配置されていることが好ましい。このようにすることで、挿入部６が湾曲させられた際におけるルーメン１２の経路長変化をさらに低減することができる。
また、図１０に示されるように２本１対のルーメン１２を相互に螺旋状に捻って一体成形されたツイストペア線のような形態のマルチルーメンチューブ１１ｂを採用してもよいし、そのようなマルチルーメンチューブ１１ｂを挿入部６の長手軸回りにさらに螺旋状に配置してもよい。
また、３以上のルーメン１２は螺旋状ではなく編組状態に形成してもよい。編組状態のルーメン１２を有するマルチルーメンチューブ１１ａは押出成形では製造困難であるが、３Ｄプリンタ等により製造することは可能である。
また、図１１に示されるように、複数、例えば、６本のルーメン１２を有するマルチルーメンチューブ１１ａを使用する場合に、図１２Ａに示されるように、その内の一部のルーメン１２にはワイヤ１０を通さずに、他の用途に使用することにしてもよい。例えば、内視鏡の鉗子チャネルに処置具を挿入する場合には、処置具の挿入部の外径寸法を若干小さくして鉗子チャネルの内壁とのクリアランスを通して吸引や給水等が行われる。
処置具が関節等を有する場合、処置具の挿入部の外径寸法は少しでも大きい方がよいが、クリアランスが狭くなると吸引や給水性能が低下してしまう。そこで、使用していないルーメン１２を使用して吸引や給水等を行うことにより、処置具径を大きく確保しながら吸引や給水性能を向上することができるという利点がある。
また、この場合に、図１２Ｂに示されるように、使用しないルーメン１２ｃの部分をマルチルーメンチューブ１１ａの外面に開口する溝状に形成してもよい。このようにすることで、上記クリアランスを詰めても、流体の流通面積を確保することができるとともに、溝（貫通経路）１２ｃの開口幅分だけ鉗子チャネルの内面との接触面積が低減される。
すなわち、クリアランスを詰めて処置具の挿入部の移動量を正確に伝達しつつ、摩擦を低減して操作性を向上することができるという利点がある。
ここで、マルチルーメンチューブ１１ａの材質として、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）を用いることにより、高い剛性を有し、湾曲によっても内部のルーメン１２が潰れない挿入部６を構成することができる。これに代えて、コストや製造容易性の観点から、４フッ化エチレン樹脂等の柔らかい材質を選択してもよい。
但し、この場合には、ルーメン１２内を貫通するワイヤ１０の張力が高くなったときに圧縮力によってマルチルーメンチューブ１１ａが長手方向に圧縮されてしまうことも考えられるので、図８Ａに示されるようなインナシース１４、図８Ｂ、図８Ｃに示されるようなアウタシース１５、あるいはその両方を併用してもよい。インナシース１４あるいはアウタシース１５の材質としては金属系（ステンレスやニッケルチタン）のパイプやコイル、あるいはＰＥＥＫやポリエーテルイミド（ＰＥＩ）樹脂を使用してもよい。また、これらのシース１４，１５とマルチルーメンチューブ１１ａとの間を接着してもよい。
アウタシース１５とマルチルーメンチューブ１１ａとの間に塗布する接着剤は、全面に塗布することで強い張力に耐えるようにしてもよいし、螺旋状に塗布、あるいはまだらに塗布することで可撓性と耐圧縮性を両立することにしてもよい。
次に、ルーメン１２の螺旋形状のピッチについて説明する。
螺旋のピッチを短くすると挿入部６の湾曲状態に依存することなく対となる２本のワイヤ１０の相対経路長変化が小さくなるが、ピッチを短くすればするほど、挿入部６が直線状態に配されている場合の摩擦が大きくなる。そこで、ピッチと摩擦のトレードオフの関係に対して、理論式から適正なピッチを求める。
挿入部６のピッチｌに対する螺旋経路長ｌｔの比率をａ、挿入部６の曲率半径をＲ、ワイヤ１０の相対経路長差をｄＬＲ、螺旋のピッチをｌ、螺旋の半径をｒとしたときに、下記の条件式（１）を満足することが好ましい。
２πｒ／√（ａ２−１）≦ｌ≦６．２５ＲｄＬＲ／ｒ （１）
例えば、ａを１．１とし、挿入部６の曲率半径Ｒ＝６０とし、直径５ｍｍの処置具では、ｒ＝２とすると、
２７．４≦ｌ≦３７５
となる。
条件式（１）は以下の通りに求めることができる。
曲率半径Ｒのときの原点からの座標は、数１の通りである。
Figure 0006261612
 また、螺旋の経路長Ｌは、数２の通りである。
Figure 0006261612
直線状態から曲率半径Ｒで曲げたときの最大経路長変化（振幅）ｄＬＲは、
ｄＬＲ＝ｋｒｌ／Ｒ （２）
となる。
ここで、ｋは定数（＝０．１６）である。
この条件式（２）は、最大経路長変化が、曲率半径Ｒの逆数に比例し、螺旋ピッチｌに比例し、螺旋半径ｒに比例することを示している。
上記条件式（２）から螺旋半径ｒと螺旋ピッチｌとの関係を求めると、
ｒｌ＝ＲｄＬＲ／０．１６
となる。
ワイヤ１０の相対経路長差をｄＬＲ以下とするためには、
ｒｌ≦６．２５ＲｄＬＲ
となる。これにより、条件式（１）の上限が求められる。
これによれば、曲率半径R＝６０、ワイヤ１０の相対経路長差を２ｍｍ以下とするためには、
ｒｌ≦７５０
となる。
また、数３に示す螺旋の式から螺旋経路の曲率半径Ｒｔを算出すると、数４の通りとなる。
Figure 0006261612
Figure 0006261612
 ここで、ｒｃはワイヤ１０とルーメン１２との接触点の螺旋半径である。
１ピッチの螺旋経路長ｌｔは、図１３のように経路を展開した長さとなるので、
ｌｔ＝√（４π２ｒｃ ２＋ｌ２）
となる。そして、曲率半径Ｒｔと、１ピッチの螺旋経路長ｌｔとから図１４のようにワイヤ１０の１ピッチの曲げ角度θｔが下式により求められる。
θｔ＝ｌｔ／Ｒｔ
螺旋の経路長Ｌ全体でのワイヤ１０の曲げ角度θｔａは、
θｔａ＝θｔＬ／ｌ
となる。
ワイヤ１０の基端にかけた張力Ｔ１とワイヤ１０の先端における張力Ｔ２との間には、以下のオイラーの式が成り立つ。
Ｔ１＝Ｔ２ｅμθｔａ
ここで、μは摩擦係数である。
摩擦力Ｆは、
Ｆ＝Ｔ１−Ｔ２
である。
摩擦力を張力のｂ倍に抑えるには、ピッチｌが数５を満たす必要がある。
Figure 0006261612
 種々の条件を変化させた場合のピッチｌを表１に示す。
Figure 0006261612
これによれば、挿入部６の長さを２ｍとして、摩擦を張力の３０％以下に抑えるにはピッチｌを５０ｍｍ以上にする必要があり、摩擦を張力の１５％以下に抑えるにはピッチｌを７５ｍｍ以上にする必要がある。
また、挿入部６の長さを３ｍとして、摩擦を張力の３０％以下に抑えるにはピッチｌを６０ｍｍ以上にする必要があり、摩擦を張力の１５％以下に抑えるにはピッチｌを９０ｍｍ以上にする必要があることが分かる。
ワイヤ１０の伸びはワイヤ１０の長さに比例するので、経路長が長くなることによってワイヤ１０が伸びやすくなり制御性あるいは操作性が低下する。そこで、直線上のルーメン１２に対して螺旋状のルーメン１２を用いた場合のワイヤ１０の長さを制限することで、ワイヤ１０の伸びを制限でき、制御性あるいは操作性を担保することができる。
すなわち、螺旋経路長ｌｔと挿入部６のピッチｌとの比率ａを用いると、
ｌ／ｒ＝２π／√（ａ２−１）
という関係式が成り立つ。従って、ピッチｌに対する螺旋経路長ｌｔの比率をａ以下とするには、
ｌ／ｒ≧２π／√（ａ２−１）
となる。これにより条件式（１）の下限が求められる。
これによれば、ピッチｌに対する螺旋経路長ｌｔの比率ａを１．１以下とする、すなわち、螺旋状のルーメン１２を貫通させた場合のワイヤ１０の伸びを、直線状のルーメン１２を貫通させた場合のワイヤ１０の伸びの１０％以下にするためには、
ｌ／ｒ≧１３．７
となる。
また、螺旋状のルーメン１２を貫通させた場合のワイヤ１０の伸びを、直線状のルーメン１２を貫通させた場合のワイヤ１０の伸びの５％以下にするためには、
ｌ／ｒ≧１９．６
となる。
また、本実施形態においては、全長にわたって一定の螺旋形状を有するルーメン１２を有する場合について説明したが、これに代えて、図１５に示されるように、挿入部６の長さ方向に異なるピッチを有する螺旋形状に形成してもよい。図１５に示す例では、本実施形態に係る軟性マニピュレータ３を鉗子チャネルに貫通させる内視鏡の湾曲部に対応し、湾曲部によって湾曲させられる部分Ｐについては、螺旋のピッチを短くし、それ以外の部分Ｑについては螺旋のピッチを長くしている。
これにより、部分Ｐについては大きな曲率で曲げられても経路長差を発生しにくくすることができる一方、部分Ｑについては比較的小さな曲率で曲げられるために、ピッチを長くして摩擦の発生を低減することができる。
また、本実施形態においては、マルチルーメンチューブ１１ａが全長にわたって均一な材質により構成されている場合について説明したが、これに代えて、図１６に示されるように、挿入部６の長さ方向に異なる材質により構成された部分Ｐ，Ｑを連続させてもよい。例えば、湾曲部によって湾曲させられる部分Ｐについては、それ以外の部分Ｑよりも可撓性が高く曲がりやすくするために、曲げ剛性の低い材質とし、先端の可動部８に固定することにより圧縮による潰れを防止すればよい。また、部分Ｑについて、耐圧縮性の高い材質を適用することが好ましい。
また、図１７に示されるように、マルチルーメンチューブ１１ａの径方向に異なる位置にルーメン１２１，１２２を配置してもよい。例えば、挿入部６の先端に設けられた可動部８が複数の関節やグリッパ（処置部）７等を有し、各々を駆動するためにワイヤ１０に必要とされる張力が異なる場合には、より強い張力を必要とするワイヤ１０については、湾曲による経路長差がより小さい径方向内方のルーメン１２１を貫通させることにすればよい。これにより、径方向内方のルーメン１２１を貫通するワイヤ１０については、湾曲による摩擦の増大を抑制し、操作性あるいは制御性を向上することができる。
また、図１８に示されるように、可動部８として複数の関節の先端にグリッパ７等を有する場合に、グリッパ７を駆動するためのワイヤ１０は関節内を通過させなければならないため、関節を通過する部分Ｐについては、それ以外の部分Ｑよりもマルチルーメンチューブ１１ａの外径を小さくして、曲げ剛性を低減することにしてもよい。
また、図１９Ａに示されるように、径寸法が長手方向の途中位置で変化するワイヤ１０を使用する場合がある。例えば、挿入部６の先端の大きな曲率で湾曲させられる部分Ｘについては、ワイヤ１０も細くしてそれ以外の部分Ｙよりも曲がりやすくする場合等である。このような場合には、細いワイヤ１０を貫通させるルーメン１２３とワイヤ１０とのクリアランスを小さくするために、図１９Ｂに示されるように、ルーメン１２の内径を途中で変化させることにしてもよい。
また、図２０に示されるように、摩擦を低減したいワイヤ１０については半径方向内方のルーメン１２１に貫通させ、それ以外の電気ケーブル等については半径方向外方のルーメン１２２に配置することにしてもよい。
また、本実施形態においては、全てのルーメン１２を同じピッチで螺旋状に捻る場合を例示したが、図２１に示されるように、各ルーメン１２のピッチを異ならせることにしてもよい。
このようにすることで、ルーメン１２に貫通させるワイヤ１０、光ファイバ、電気ケーブル等の許容曲げ半径に応じて、適当なルーメン１２を選択することができる。
また、図２２Ａ、図２２Ｂに示されるように、マルチルーメンチューブ１１ａの中央の貫通孔１３に軟性処置具を貫通させ、剛性の高いアウタシース１５の先端から剛性の低いマルチルーメンチューブ１１ａの先端部を突出させておき、ルーメン１２内に配置したワイヤ１０の張力によって、突出している部分のマルチルーメンチューブ１１ａを湾曲させることにしてもよい。ワイヤ１０の先端はマルチルーメンチューブ１１ａの先端に設けたプレート１６に固定すればよい。
また、本実施形態においては、駆動部９がモータにより駆動されることにしてもよいし、手動操作によって駆動されることにしてもよい。
また、患者Ｏの体腔内に挿入される医療用の軟性マニピュレータ３を例示したが、これに限定されるものではなく、産業用内視鏡を含めた長尺のヘビ型マニピュレータに適用してもよい。
３ 軟性マニピュレータ
６ 挿入部
８ 可動部
９ 駆動部
１０ ワイヤ（駆動力伝達部材）
１１ 軟性マニピュレータ用ガイド部材
１２，１２ａ，１２ｂ，１２１，１２２，１２３ ルーメン
１２ｃ 溝（貫通経路）
１３ ルーメン（貫通孔、貫通経路）
１５ アウタシース

Claims (15)

  1. 細長い軟性の挿入部と、該挿入部の先端に配置された可動部と、前記挿入部の基端に配置された駆動部と、該駆動部の動力を前記可動部に伝達する細長い駆動力伝達部材とを備える軟性マニピュレータの前記挿入部に備えられ、
    前記駆動力伝達部材を長手方向に貫通させるルーメンを備え、
    該ルーメンが、前記挿入部の長手軸回りに螺旋状に捻れた形状を有し、且つ、以下の条件式を満足する軟性マニピュレータ用ガイド部材。
    ２πｒ／√（ａ ２ −１）≦ｌ≦６．２５ＲｄＬ Ｒ ／ｒ
    ここで、Ｒは前記挿入部の曲率半径、ｒは螺旋形状の半径、ｌは螺旋形状のピッチ、ｄＬ Ｒ は前記駆動力伝達部材の相対経路長差の最大許容値、ａは前記挿入部のピッチに対する螺旋形状の経路長の比率の最大許容値である。
  2. 細長い軟性の挿入部と、該挿入部の先端に配置された可動部と、前記挿入部の基端に配置された駆動部と、該駆動部の動力を前記可動部に伝達する細長い駆動力伝達部材とを備える軟性マニピュレータの前記挿入部に備えられ、
    前記駆動力伝達部材を長手方向に貫通させるルーメンを備え、
    該ルーメンが、前記挿入部の長手軸回りに螺旋状に捻れた形状を有し、
    前記ルーメンの螺旋形状のピッチが、前記挿入部の長手方向の各位置において相違している軟性マニピュレータ用ガイド部材。
  3. 前記ルーメンを２以上備える請求項１または請求項２に記載の軟性マニピュレータ用ガイド部材。
  4. 隣接して配置される２個一対の前記ルーメンを複数対備える請求項３に記載の軟性マニピュレータ用ガイド部材。
  5. 細長い軟性の挿入部と、該挿入部の先端に配置された可動部と、前記挿入部の基端に配置された駆動部と、該駆動部の動力を前記可動部に伝達する細長い駆動力伝達部材とを備える軟性マニピュレータの前記挿入部に備えられ、
    前記駆動力伝達部材を長手方向に貫通させる２以上のルーメンを備え、
    該ルーメンが、前記挿入部の長手軸回りに螺旋状に捻れた形状を有し、
    各前記ルーメンの螺旋形状のピッチが相違している軟性マニピュレータ用ガイド部材。
  6. 前記ルーメンが径方向に異なる位置に複数備えられている請求項３から請求項５のいずれかに記載の軟性マニピュレータ用ガイド部材。
  7. 可撓性のマルチルーメンチューブからなる請求項３から請求項６のいずれかに記載の軟性マニピュレータ用ガイド部材。
  8. 前記マルチルーメンチューブの可撓性が、長手方向の各位置において相違している請求項７に記載の軟性マニピュレータ用ガイド部材。
  9. 細長い軟性の挿入部と、
    該挿入部の先端に配置された可動部と、
    前記挿入部の基端に配置された駆動部と、
    該駆動部の動力を前記可動部に伝達する細長い駆動力伝達部材と、
    請求項１から請求項８のいずれかに記載の軟性マニピュレータ用ガイド部材とを備える軟性マニピュレータ。
  10. 細長い軟性の挿入部と、
    該挿入部の先端に配置された可動部と、
    前記挿入部の基端に配置された駆動部と、
    該駆動部の動力を前記可動部に伝達する細長い駆動力伝達部材と、
    請求項７または請求項８に記載の軟性マニピュレータ用ガイド部材とを備え、
    前記軟性マニピュレータ用ガイド部材が、前記ルーメンとは別に、長手方向に貫通する貫通経路を備える軟性マニピュレータ。
  11. 細長い軟性の挿入部と、
    該挿入部の先端に配置された可動部と、
    前記挿入部の基端に配置された駆動部と、
    該駆動部の動力を前記可動部に伝達する細長い駆動力伝達部材と、
    前記駆動力伝達部材を長手方向に貫通させる２以上のルーメンを備え、前記ルーメンが、前記挿入部の長手軸回りに螺旋状に捻れた形状を有する軟性マニピュレータ用ガイド部材であり、可撓性のマルチルーメンチューブからなる軟性マニピュレータ用ガイド部材と、を備え、
    前記軟性マニピュレータ用ガイド部材が、前記ルーメンとは別に、長手方向に貫通する貫通経路を備え、
    前記貫通経路が、前記軟性マニピュレータ用ガイド部材の外面に形成された溝により形成されている軟性マニピュレータ。
  12. 前記貫通経路が、前記ルーメンよりも前記軟性マニピュレータ用ガイド部材の径方向内方に配置されている請求項１０に記載の軟性マニピュレータ。
  13. 前記挿入部が、前記軟性マニピュレータ用ガイド部材を長手方向に貫通させる軟性のアウタシースを備える請求項９から請求項１２のいずれかに記載の軟性マニピュレータ。
  14. 細長い軟性の挿入部と、該挿入部の先端に配置された可動部と、前記挿入部の基端に配置された駆動部と、該駆動部の動力を前記可動部に伝達する細長い駆動力伝達部材とを備える軟性マニピュレータの前記挿入部に備えられる軟性マニピュレータ用ガイド部材であって、
    前記駆動力伝達部材を長手方向に貫通させ、前記挿入部の長手軸回りに捻れた形状を有するルーメンと、
    前記軟性マニピュレータ用ガイド部材の長手方向の耐圧縮性を高めるために前記ルーメン内に配されたインナーシースと、
    を備える軟性マニピュレータ用ガイド部材。
  15. 細長い軟性の挿入部と、該挿入部の先端に配置された可動部と、前記挿入部の基端に配置された駆動部と、該駆動部の動力を前記可動部に伝達する細長い駆動力伝達部材とを備える軟性マニピュレータの前記挿入部に備えられる軟性マニピュレータ用ガイド部材であって、
    前記駆動力伝達部材を長手方向に貫通させるルーメンを有し、前記挿入部の長手軸回りに螺旋状に捻れた形態で前記挿入部内に配置されたシースを備える軟性マニピュレータ用ガイド部材。
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