JP6440177B2

JP6440177B2 - 穿刺ロボット

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Publication number: JP6440177B2
Application number: JP2017506443A
Authority: JP
Inventors: 浩基北村; 明部矢; 孝文難波; 哲志亀川; 隆幸松野; 隆夫平木
Original assignee: Okayama University NUC
Current assignee: Okayama University NUC
Priority date: 2015-10-13
Filing date: 2016-09-29
Publication date: 2018-12-19
Anticipated expiration: 2036-09-29
Also published as: US20180206926A1; US11096751B2; US20210205038A1; JPWO2017065016A1; WO2017065016A1

Description

本発明は、穿刺ロボットに関するものであり、特に、ＣＴ（ＣｏｍｐｕｔｅｄＴｏｍｏｇｒａｐｈｙ）によるＸ線透視下で腫瘍等の病変部に穿刺針を穿刺する際に使用する穿刺ロボットに関する。

ＣＴ透視ガイド下で針を穿刺して行うインターベンションにはラジオ波治療、凍結治療、生検、ドレナージなど多岐にわたっており、昨今、この手技が広く行われている。例えば、このラジオ波治療では、ラジオ波治療用の穿刺針を腫瘍に穿刺してラジオ波電流を流しているが、穿刺針で正確に腫瘍を穿刺する必要がある。そこで、ＣＴ等を用いてＸ線による透視を行って腫瘍の位置、及び穿刺針の位置を確認しながら穿刺を行っている。

また、体内にある腫瘍などにＣＴによるＸ線透視下で穿刺針を穿刺して組織を採取して検査する、いわゆるＣＴガイド下生検が行われている。このＣＴガイド下生検でも、穿刺針で正確に腫瘍を穿刺する必要がある。そこで、ＣＴ等を用いてＸ線による透視を行って腫瘍の位置、及び穿刺針の位置を確認しながら穿刺を行っている。

これらの穿刺作業は、施術者による手作業で行っているが、Ｘ線を照射しているＣＴのガントリの近傍での作業であり、穿刺針を支持している手など、施術者の身体がＸ線に曝されることがある。そこで、施術者のＸ線被曝をできるだけ回避するように鉛の入ったエプロンを着用するなどして作業しているが、Ｘ線被曝を完全に解消することは困難であった。

そこで、施術者に代わって穿刺作業を行うロボットを開発することが求められていた。

なお、ラジオ波治療やＣＴガイド下生検で用いる穿刺針ではなく、硬膜外腔に穿刺する硬膜外針において、穿刺圧力を検知する圧力センサを設けて、この圧力センサで硬膜外針の針先が硬膜外腔に到達した瞬間を検出する穿刺システムが提案されているが（例えば、特許文献１参照。）、穿刺作業自体は施術者が行っていた。

本発明者らは、このような現状に鑑み、施術者が遠隔操作することにより穿刺作業を行うロボットの開発を開始した。

特開２０１３−００９９１９号公報

ＣＴによるＸ線透視下で穿刺作業する際には、ＣＴガントリの狭隘な空間の中で針の位置と姿勢を設定しなくてはならない。そのため，針の姿勢を決めるための回転中心を針の近傍に設置する必要がある。
一方で、ＣＴガントリ内に金属材料が存在すると、アーチファクトを引き起こしＣＴ画像に悪影響を及ぼすため、針を回転させるための駆動モータやセンサを針の近傍に配置することはできない。

また、皮膚や腫瘍など動きやすい部位を針が貫くためには、ある程度の穿刺スピードと穿刺の直動の精度が必要である。また、誤って骨などに穿刺針が接触した際に穿刺針が撓む可能性があるので、これを検知するためのセンサを取り付ける必要がある。

そこで、穿刺針をできるだけ早く穿刺方向に移動させようとすると、穿刺針に振動が生じやすくなり、この振動によって腫瘍に対して針先が逃げるおそれがあり、振動を抑制しながら穿刺針をできるだけ早く穿刺方向に移動させる必要があった。

本発明の穿刺ロボットでは、ロボット本体と、このロボット本体が備えた任意の方向に移動する移動端部に装着した穿刺部とを有し、穿刺部は、先端に穿刺針を装着したアーム部と、このアーム部の基端を装着したフレーム部と、このフレーム部を支持するベース部とを備えているものである。

特に、本発明の穿刺ロボットのフレーム部は、矩形枠状であって内側に上下方向に延伸させた進退軸をそれぞれ設けた第１フレーム及び第２フレームと、この第１フレームと第２フレームとを互いに対向させて連結する連結桿とを備え、さらに、アーム部は、穿刺針の基端側を支持する上側アームと、この上側アームよりも穿刺針の先端側を支持する下側アームとを備えて、進退軸と平行に穿刺針を装着し、上側アームと下側アームとを進退軸に沿って進退移動させることで穿刺針を穿刺方向に進退移動させることとした。

さらに、本発明の穿刺ロボットでは、上側アームの中途部に６軸力センサからなる第１センサを設けるとともに、下側アームの中途部に６軸力センサからなる第２センサを設けることにも特徴を有し、さらには、上側アームと下側アームはクランク状に屈曲させて、穿刺針を穿刺方向にオフセットしていることにも特徴を有するものである。

さらに、本発明の穿刺ロボットでは、上側アームと下側アームは第１センサと第２センサよりも穿刺針側の部分を樹脂材料で形成していることにも特徴を有するものである。

また、本発明の穿刺ロボットでは、アーム部は、センサを保持するセンサ保持部と、センサ保持部の上端側を支持する上側アームと、センサ保持部の下端側を支持する下側アームとを備え、フレーム部は、矩形枠状であって内側に上下方向に延伸させた進退軸をそれぞれ設けた第１フレーム及び第２フレームと、この第１フレームと第２フレームとを互いに対向させて連結する連結桿とを備え、さらに、アーム部は、進退軸と平行に穿刺針を装着するとともに、その中途部に穿刺針を穿刺方向に沿って進退するアクチュエータを備えて、上側アームと下側アームとを進退軸に沿って進退移動させることで穿刺針を穿刺部位近傍に進退移動させ、穿刺部位近傍における穿刺針の穿刺動作時に前記アクチュエータを瞬発的に駆動して穿刺部位に瞬発的に穿刺することとした。

さらに、本発明の穿刺ロボットでは、アーム部のセンサ保持部に６軸力センサからなる二つのセンサを積層して設けることにも特徴を有するものである。

さらに、本発明の穿刺ロボットでは、アーム部は先端に穿刺針を把持する針把持部を有し、針把持部は前記アーム部に対して着脱自在であることにも特徴を有するものである。

さらに、本発明の穿刺ロボットでは、針把持部は樹脂材料で形成していることにも特徴を有するものである。

本発明によれば、フレーム部を、矩形枠状であって内側に上下方向に延伸させた進退軸をそれぞれ設けた第１フレーム及び第２フレームと、この第１フレームと第２フレームとを互いに対向させて連結する連結桿とで構成し、さらに、進退軸と平行に穿刺針を装着し、上側アームと下側アームとを進退軸に沿って進退移動させることで、狭い空間内で穿刺作業を行う場合であっても穿刺針から離れた位置から穿刺針の進退移動と姿勢変更が可能となる。

本発明の実施例１に係る穿刺ロボットを示す側面図。実施例１の穿刺部を示す斜視図。実施例１の穿刺部を示す側面図。実施例１の穿刺部を示す正面図。実施例１の穿刺部を示す下面図。図２においてフレーム部の一部を取り除いた状態の実施例１の穿刺部を示す斜視図。本発明の実施例２に係る穿刺ロボットを示す側面図。同じく穿刺ロボットを示す斜視図。実施例２の穿刺部（フレームカバーを取り外した状態）を示す斜視図。実施例２の穿刺部（フレームカバーを取り外した状態）を示す側面図。実施例２の穿刺部（フレームカバー及び第１フレーム及び第２フレームの各第２側壁を取り外した状態）を示す側面図。

次に、発明の実施の形態を図を用いて説明する。

［実施例１］
実施例１に係る穿刺ロボット1は、図１に示すように、ロボット本体１０と、このロボット本体１０が備える任意の方向に移動する移動端部２０に装着される穿刺部３０とを有するものである。穿刺部３０は、ロボット本体１０の手先部となる部分である。

ロボット本体１０は、直方体形状の筐体部１１と、この筐体部１１の上部に配置される駆動部１２と、この駆動部１２の一端に水平状態に装着されて先端側を筐体部１１の外側に延伸させた連結ロッド１３とを主に備えている。さらに、筐体部１１の側面の上端に図示しない取っ手部を設けるとともに、筐体部１１の底面部分には複数のキャスター１４を有し、使用者が取っ手部を把持してロボット本体１０を移動自在としている。駆動部１２は、図示しない複数のアクチュエータにより連結ロッド１３の先端に設けたフランジ形状の移動端部２０を進退方向、上下方向（昇降方向）、左右方向の３次元で移動させるための部分である。ロボット本体１０は、移動端部２０の進退方向、及び上下方向と左右方向の移動を直動関節により動作させる。また、駆動部１２は、図示しないアクチュエータにより連結ロッド１３を連結ロッド１３Ａの軸周りに回動することができる。ロボット本体１０は、駆動部１２を駆動して連結ロッド１３の先端に設けた移動端部２０に装着される穿刺部３０を所望の位置に移動可能としている。ロボット本体１０は、直動関節を動作させることにより穿刺部３０を進退方向、上下方向ならびに左右方向に移動させることで、例えば、ＣＴのガントリの近傍のような狭い空間においても穿刺部３０を安定な軌道で移動させることができる。

連結ロッド１３の先端に配置される移動端部２０には、穿刺部３０を装着している。
なお、穿刺部３０においては、図２、図３で示す両矢印方向を前後方向とする。

穿刺部３０は、図２〜６に示すように、先端に穿刺針４０を装着したアーム部５０と、このアーム部５０の基端を装着したフレーム部６０と、このフレーム部６０を支持するベース部７０とを備えており、ベース部７０を介して連結ロッド１３の移動端部２０に固定装着している。したがって、ロボット本体１０が有する連結ロッド回動用のアクチュエータ（図示せず）で連結ロッド１３が軸周りに回動操作されると、穿刺部３０は連結ロッド１３を回動軸として回動する。

ベース部７０は、連結ロッド１３の先端の移動端部２０が装着される円板状の基端板７１と、基端板７１の左右両端からそれぞれ前方に向けて延伸させてフレーム部６０を回動自在に支持する平板状の第１支持片７２と第２支持片７３とで、平面視略コ字状としている。

基端板７１の後側には、連結ロッド１３の先端を取り付けるガイド部７４を設けており、ガイド部７４に連結ロッド１３の先端を取り付けて位置決めし、フランジ形状の移動端部２０の後端面からクランプネジを装着して、移動端部２０の先端に穿刺部３０を固定している。

基端板７１の前側には、後述するようにフレーム部６０を回動操作するためのフレーム部回動用モータ７５を取り付けている。

フレーム部６０は、矩形枠状であって内側に上下方向に延伸させた進退軸６４（例えば、ボールねじのねじ軸）をそれぞれ設けた第１フレーム６１及び第２フレーム６２と、この第１フレーム６１と第２フレーム６２とを互いに対向させて連結する複数の連結桿６３とを備えている。特に、連結桿６３で第１フレーム６１と第２フレーム６２と連結することで、平行リンクを構成している。

第１フレーム６１及び第２フレーム６２は同一構造であり、代表して第１フレーム６１について説明する。

第１フレーム６１は、上下方向に延伸して互いに対向した平板状の第１側壁６５及び第２側壁６６と、第１側壁６５と第２側壁６６の上側端縁を連結する平板状の第３側壁６７と、第１側壁６５と第２側壁６６の下側端縁を連結する平板状の第４側壁６８とで縦長の矩形枠状としている。

さらに、第１フレーム６１では、第３側壁６７寄りの第１側壁６５と第２側壁６６との間に中間壁６９を架設している。

第４側壁６８と中間壁６９には、第１側壁６５及び第２側壁６６と平行に上下方向に延伸させた進退軸６４を支持する下部軸受８１と上部軸受８２とを設けて、進退軸６４を回動自在に装着している。

さらに、進退軸６４は、上部軸受８２よりも上方に突出させて延伸させており、上方に突出した進退軸６４の上端に第１傘歯車８３を装着している。

この第１傘歯車８３と噛合する第２傘歯車８４は、第１傘歯車８３の上方側であって第１側壁６５と第２側壁６６に回動自在に架設した回動軸８５に装着している。

回動軸８５は、第２側壁６６側の端部を外側方に延伸させて突出させ、突出した回動軸８５に連動用プーリ８６を装着している。第１フレーム６１の連動用プーリ８６と、第２フレーム６２の連動用プーリ８６は同一形状のプーリであって、連動用タイミングベルト８７を介して連動連結している。

さらに、フレーム部６０では、第１フレーム６１の中間壁６９に、回動軸用駆動モータ８９を装着するための支持板８８を装着し、この支持板８８に、回動軸用駆動モータ８９の出力軸８９ａを上下方向に延伸させて回動軸用駆動モータ８９を装着している。

回動軸用駆動モータ８９の出力軸８９ａには、進退軸用駆動プーリ９０を装着し、第１フレーム６１の進退軸６４には、進退軸用従動プーリ９１を装着して、進退軸用駆動プーリ９０と進退軸用従動プーリ９１とを進退軸用タイミングベルト９２で連動連結している。進退軸用従動プーリ９１は、第１フレーム６１の進退軸６４に設けた第１傘歯車８３と、第１フレーム６１の中間壁６９との間に装着している。

フレーム部６０では、回動軸用駆動モータ８９を駆動させることで進退軸用タイミングベルト９２を介して第１フレーム６１の進退軸６４を回動させ、さらに、連動用タイミングベルト８７を介して連動連結された第２フレーム６２の進退軸６４を第１フレーム６１の進退軸６４と同様に回動させることとしている。

フレーム部６０の第１フレーム６１と第２フレーム６２は、それぞれ第１側壁６５と第２側壁６６の外側面に外側方に向けて突出させた枢軸９３、９４を設けており、この枢軸９３、９４をベース部７０の第１支持片７２及び第２支持片７３の所定位置に設けた軸受９５で軸支している。すなわち、フレーム部６０の第１フレーム６１及び第２フレーム６２は、ベース部７０に対して回動自在となっている。

さらに、第１フレーム６１の第２側壁６６側に設けた枢軸９４は、ベース部７０の第１支持片７２よりも外側方に突出させて、フレーム部用従動プーリ９６を装着している。

このフレーム部用従動プーリ９６は、ベース部７０の基端板７１の前側に設けたフレーム部回動用モータ７５の出力軸９７に装着したフレーム部用駆動プーリ９８と、回動操作用タイミングベルト９９を介して連動連結して、フレーム部回動用モータ７５によって第１フレーム６１を回動操作するとともに、連結桿６３を介して第１フレーム６１と連結した第２フレーム６２を回動操作している。

アーム部５０は、穿刺針４０の基端側を支持する上側アーム５１と、この上側アーム５１よりも穿刺針４０の先端側を支持する下側アーム５２とを備えて、フレーム部６０の進退軸６４と平行に穿刺針４０を装着可能としている。

上側アーム５１は、後述する平面視コ字状の上側連結体１０１と、上側左側中間片１０７と、上側左側中間片１０８と、第１センサ１１１と、上側先端アーム部１２０とから主に構成されている。上側アーム５１は、後述するソケット５３を介して穿刺針４０の基端側を支持する。
下側アーム５２は、後述する平面視コ字状の下側連結体１０３と、下側左側中間片１０９と、下側右側中間片１１０と、第２センサ１１２と、下側先端アーム部１３０とから主に構成されている。下側アーム５２は、上側アーム５１がソケット５３を支持する部分よりも穿刺針４０の先端側を支持する。

特に、穿刺針４０を支持する上側アーム５１の先端の近傍、及び下側アーム５２の先端には、穿刺針４０を着脱自在に固定する略直方体状のソケット５３を設けている。ソケット５３は、上側アーム５１及び下側アーム５２をそれぞれ左右に開いて、上側アーム５１及び下側アーム５２から取外し可能としており、必要に応じて、穿刺針４０が固定されたソケット５３をアーム部５０から取り外して、アーム部５０から速やかに穿刺針４０を取り外し可能としている。すなわち、穿刺針４０を患者に対して穿刺した状態において、万が一にでも穿刺針４０を緊急的に抜去する必要が生じた場合に、手作業でも穿刺針４０を抜去可能としている。
なお、ソケットの形状は、本実施形態に限定するものではなく、各種穿刺針の形状に対応して適宜決定すればよい。

上側アーム５１と下側アーム５２とは、基端側をフレーム部６０に装着している。具体的には、上側アーム５１の基端側には、フレーム部６０の第１フレーム６１の進退軸６４に螺合した上側移動体１００と、第２フレーム６２の進退軸６４に螺合した上側移動体１００とを一体的に連結した平面視コ字状の上側連結体１０１を設け、この上側連結体１０１を介して上側アーム５１の基端側をフレーム部６０に装着している。同様に、下側アーム５２の基端側には、フレーム部６０の第１フレーム６１の進退軸６４に螺合した下側移動体１０２と、第２フレーム６２の進退軸６４に螺合した下側移動体１０２とを一体的に連結した平面視コ字状の下側連結体１０３を設け、この下側連結体１０３を介して下側アーム５２の基端側をフレーム部６０に装着している。

上述した進退軸６４と上側移動体１００、進退軸６４と下側移動体１０２は、それぞれボールねじ機構を構成し、回動軸用駆動モータ８９を駆動させることで進退軸用タイミングベルト９２を介して第１フレーム６１の進退軸６４及び第２フレーム６２の進退軸６４を回動して、上側移動体１００及び下側移動体１０２の進退軸６４上の位置を変更することができる。すなわち、このようなボールねじ機構により、回動軸用駆動モータ８９を駆動させるにより上側アーム５１と下側アーム５２とを前記進退軸６４に沿って進退移動させることで穿刺針４０を穿刺方向に進退移動させて穿刺を行うことができる。

上側連結体１０１と下側連結体１０３とは同一構造であり、代表して上側連結体１０１について説明する。

上側連結体１０１は、第１フレーム６１と第２フレーム６２のそれぞれ進退軸６４に螺合した上側移動体１００の左側面側に取り付けた左側フレーム１０４と、第１フレーム６１と第２フレーム６２のそれぞれ進退軸６４に螺合した上側移動体１００の右側面側に取り付けた右側フレーム１０５と、左側フレーム１０４及び右側フレーム１０５の各後端を連結する連結フレーム１０６とで一体的に構成されている。上側連結体１０１は、左側フレーム１０４及び右側フレーム１０５の穿刺針４０側の端縁を穿刺針４０側に突出させた結合片１０４ａ、１０５ａを有している。なお、本実施形態では、左側フレーム１０４と各上側移動体１００は適宜の軸受を介して連結し、右側フレーム１０５と各上側移動体１００も適宜の軸受を介して連結している。

また、第２フレーム６２には、リニアガイドが取り付けられている。すなわち、第２フレーム６２の前側には、図３に示すように、前方に突出した平板状のリニアガイド配置部６２ａを備え、このリニアガイド配置部６２ａの後面に進退軸６４に平行にリニアガイドのレール部６２ｂが配置され、このレール部６２ｂに沿ってスライドするスライダ６２ｃが上側移動体１００及び下側移動体１０２と一体的に連結されている。これにより、上側移動体１００及び下側移動体１０２は、安定な軌道で進退軸６４に平行に移動可能となり、進退軸６４に沿って移動する上側移動体１００及び下側移動体１０２の振動を抑制することができる。

上側アーム５１は、上側連結体１０１の左側フレーム１０４の結合片１０４ａに所定長さの上側左側中間片１０７を連結するとともに、上側連結体１０１の右側フレーム１０５の結合片１０５ａに所定長さの上側右側中間片１０８を連結している。

特に、上側左側中間片１０７と上側右側中間片１０８はクランク状に屈曲させすることで上側アーム５１を屈曲させて、穿刺針４０を穿刺方向にオフセットしている。

同様に、下側アーム５２は、下側連結体１０３の左側フレーム１０４の結合片１０４ａに所定長さの下側左側中間片１０９を連結するとともに、下側連結体１０３の右側フレーム１０５の結合片１０５ａに所定長さの下側右側中間片１１０を連結している。

特に、下側左側中間片１０９と下側右側中間片１１０はクランク状に屈曲させすることで下側アーム５２を屈曲させて、穿刺針４０を穿刺方向にオフセットしている。

このように、上側アーム５１と下側アーム５２をクランク状に屈曲させて、穿刺針４０を穿刺方向にオフセットしていることで、穿刺部３０のフレーム部６０やベース部７０を患者に接触させずに穿刺針４０の根本まで針を穿刺することが可能となる。

上側アーム５１は、中途部に６軸力センサからなる第１センサ１１１を設けている。同様に、下側アーム５２は、中途部に６軸力センサからなる第２センサ１１２を設けている。具体的には、上側左側中間片１０７と上側右側中間片１０８は、第１センサ１１１の後端側を保持する保持板に一体的に連結され、この第１センサ１１１を介して上側先端アーム部１２０と連結されている。下側左側中間片１０９と下側右側中間片１１０は、第２センサ１１２の後端側を保持する保持板に一体的に連結され、この第２センサ１１２を介して下側先端アーム部１３０と連結されている。

特に、第１センサ１１１と第２センサ１１２は、フレーム部６０が傾いていない初期姿勢において上下方向で同一となる位置に設けている。第１センサ１１１と第２センサ１１２では、上側アーム５１及び下側アーム５２に生じる応力を検出し、検出量が所定の閾値を超えた場合に穿刺を中断することとしている。第１センサ１１１と第２センサ１１２は、後述する制御装置に電気的に接続されている。
なお、第１センサ１１１と第２センサ１１２は、例えば、ＣＴのガントリの近傍での作業時において、金属部材によるアーチファクトの発生を防ぐために、アーム部５０においてＣＴのガントリ下に入らない位置に配置することが好ましい。加えて、上側アーム５１及び下側アーム５２を介して穿刺針４０に生じる応力を精度よく検出するために、なるべく穿刺針４０に近い位置に配置することが好ましい。

上側先端アーム部１２０は、第１センサ１１１の前側に連結される基部１２１と、この基部１２１の左右両端からそれぞれ前方に向けて延伸される左右一対の上側アーム片１２２・１２２と、ソケット把持部１２３と、を主に備えている。上側先端アーム部１２０は、クランプネジ１２７等も含めて樹脂材料で形成されている。一対の上側アーム片１２２・１２２は、クランク状に屈曲させすることで上側アーム５１を屈曲させて、穿刺針４０を穿刺方向にオフセットしている。一対の上側アーム片１２２・１２２の後端は、基部１２１の左右両端に軸支され、上側アーム片１２２・１２２のそれぞれの先端側を左右水平方向に開放可能である。一対の上側アーム片１２２・１２２の先端近傍には、上側アーム片１２２・１２２の対向面から互いに延伸される、上側アーム片１２２・１２２間を連結する一対の上側連結アーム片１２４・１２４を有している。上側アーム片１２２・１２２は、各先端を互いに係止した状態で、クランプネジ１２７で固定されることで一体的に連結される。

ソケット把持部１２３は、上側連結アーム片１２４・１２４の後端側の近傍に設けられ、上側アーム片１２２・１２２の対向面から互いに延伸される、ソケット５３の左右側面を支持するソケット保持アーム片１２５・１２５を有している。ソケット保持アーム片１２５・１２５は、各先端にソケット５３の左右側面の上側に穿設された係合凹部５３ａ・５３ａに係合する係合凸部１２６・１２６を有している。ソケット保持アーム片１２５・１２５は、この係合凸部１２６・１２６が係合凹部５３ａ・５３ａに係合するとともにソケット保持アーム片１２５・１２５に対してソケット５３を回動可能に保持し、ソケット５３の基端側を把持するものである。クランプネジ１２７を外して上側アーム片１２２・１２２の先端側を左右に開放した場合、ソケット保持アーム片１２５・１２５の係合凸部１２６・１２６が係合凹部５３ａ・５３ａから外れてソケット５３の基端側を把持した状態が解除される。

下側先端アーム部１３０は、第２センサ１１２の前側に連結される基部１３１と、この基部１３１の左右両端からそれぞれ前方に向けて水平に延伸される左右一対の下側アーム片１３２・１３２と、ソケット把持部１３３と、を主に備えている。下側先端アーム部１３０は、クランプネジ１３７等も含めて樹脂材料で形成されている。一対の下側アーム片１３２・１３２の後端は、基部１３１の左右両端に軸支され、下側アーム片１３２・１３２のそれぞれの先端側を左右水平方向に開放可能である。一対の下側アーム片１３２・１３２の先端近傍には、下側アーム片１３２・１３２の対向面から互いに延伸される、下側アーム片１３２・１３２間を連結する一対の下側連結アーム片１３４・１３４を有している。下側アーム片１３２・１３２は、各先端を互いに係止した状態で、クランプネジ１３７で固定されることで一体的に連結される。

ソケット把持部１３３は、下側アーム片１３２・１３２の先端に設けられ、下側アーム片１３２・１３２の対向面から互いに延伸される、ソケット５３の左右側面を支持するソケット保持アーム片１３５・１３５を有している。ソケット保持アーム片１３５・１３５は、各先端にソケット５３の左右側面の下側に穿設された係合凹部５３ｂ・５３ｂに係合する係合凸部１３６・１３６を有している。ソケット保持アーム片１３５・１３５は、この係合凸部１３６・１３６が係合凹部５３ｂ・５３ｂに係合するとともにソケット保持アーム片１３５・１３５に対してソケット５３を回動可能に保持し、ソケット５３の先端側を把持するものである。クランプネジ１３７を外して下側アーム片１３２・１３２の先端側を左右に開放した場合、ソケット保持アーム片１３５・１３５の係合凸部１３６・１３６が係合凹部５３ｂ・５３ｂから外れてソケット５３の基端側を把持した状態が解除される。

ソケット５３は、略直方体形状であり、樹脂材料で形成されている。ソケット５３は、左右方向中央で左右に分割可能であり、内側面には穿刺針４０の基端部を嵌合する嵌合孔が形成されている。ソケット５３は、この嵌合孔に穿刺針４０の基端部を嵌合した状態で、ソケット保持アーム片１２５・１２５の係合凸部１２６・１２６が係合凹部５３ａ・５３ａに係合するとともに、ソケット保持アーム片１３５・１３５の係合凸部１３６・１３６が係合凹部５３ｂ・５３ｂに係合することで穿刺針４０の基端側を保持している。

穿刺針４０は、ＣＴによるＸ線透視下で被検者に穿刺して組織を採取して検査するために用いられる生検針である。穿刺針４０は、先端が鉤状の内針と、内針を収容する管状の針管部を有している。穿刺針４０は、内針を針管部の先端から出し入れすることで組織を採取するものである。
なお、穿刺針としては、本実施形態に限定するものではなく、例えば、ラジオ波治療用の穿刺針等のその他の用途の穿刺針であっても構わない。

なお、上側アーム５１及び下側アーム５２は、必要に応じて中途部に延設部材を介装して、フレーム部６０と穿刺針４０との距離を長くするように構成することもできる。

穿刺ロボット1は、ロボット本体１０内に穿刺ロボット1を制御するための制御装置（例えば、ＰＣ（パーソナルコンピュータ））を有し、この制御装置によりロボット本体１０内の各アクチュエータと、穿刺部３０のフレーム部６０に設けた進退軸６４を回動操作する回動軸用駆動モータ８９と、穿刺部３０のベース部７０に設けた第１フレーム６１を回動操作するフレーム部回動用モータ７５を動作させることができる。穿刺ロボット1は、穿刺作業を行う作業者がＰＣに電気的に接続される操作具（コントローラ）により動作指示が出されることで、穿刺ロボット1が動作指示に従って動作する。また、穿刺ロボット1が有する制御装置は、第１センサ１１１と第２センサ１１２の検出信号を取得し、穿刺針４０を穿刺する際の穿刺力を測定することができる。

このように構成した穿刺ロボット1では、ロボット本体１０を駆動することにより、穿刺部３０を所望の位置に移動することができる。これにより、穿刺針４０による穿刺の位置の調整が可能となる。また、ロボット本体１０が有する連結ロッド用アクチュエータを駆動することにより、穿刺部３０は連結ロッド１３を回動軸として回動することができる。さらに、穿刺部３０のベース部７０に設けた第１フレーム６１を回動操作するフレーム部回動用モータ７５によって、穿刺針４０の２軸方向の姿勢変更運動を可能として穿刺針４０による穿刺角度を調整可能としている。

具体的には、穿刺ロボット1では、フレーム部回動用モータ７５を駆動することで、フレーム部６０が枢軸９４を中心として揺動してフレーム部６０が傾斜し、このフレーム部６０を介してリンクする上側アーム５１及び下側アーム５２の動作により穿刺針４０を保持するソケット５３が回動し、フレーム部６０が傾斜する角度と同じ角度で穿刺針４０が傾斜する。つまり、穿刺針４０の姿勢変更は、穿刺針４０の基端側の針軸上を回動中心として行うことができる。これにより、例えば、ＣＴのガントリの内部の狭い空間において穿刺針４０の姿勢変更が可能となり、穿刺ロボット1の操作性が向上する。

また、本実施形態の穿刺ロボット1では、穿刺針４０の進退移動をするための回動軸用駆動モータ８９と、穿刺針４０の姿勢の回転中心の変更をするためのフレーム部回動用モータ７５が、フレーム部６０よりも後方に配置される構成である。これにより、ＣＴによるＸ線透視下での穿刺作業の際に、回動軸用駆動モータ８９、フレーム部回動用モータ７５をＣＴガントリの外部に配置することができる。したがって、これら駆動モータがＣＴ画像に影響を及ぼすことがなく、穿刺ロボット1の操作性が向上する。

また、本実施形態の穿刺ロボット1では、上側アーム５１及び下側アーム５２における、第１センサ１１１及び第２センサ１１２よりも前側（穿刺針４０側）を構成する部分（穿刺針４０を除く）を樹脂材料で形成している。これにより、例えば、ＣＴによるＸ線透視下での穿刺作業の際に、ＣＴのガントリ内に穿刺針４０を除く金属材料が進入することを防ぎ、アーチファクトの発生を抑えることが可能となり、穿刺作業を正確に行うことができる。

また、本実施形態の穿刺ロボット1では、穿刺針４０の穿刺動作を回動軸用駆動モータ８９により行い、穿刺針４０の傾きを変更する動作をフレーム部回動用モータ７５により行って、それぞれの動作を独立して実行させることが可能できる。

また、本実施形態の穿刺ロボット1では、上側アーム５１の中途部に６軸力センサからなる第１センサ１１１を設けるとともに、下側アーム５２の中途部に６軸力センサからなる第２センサ１１２を設けている。これにより、第１センサ１１１と第２センサ１１２の検出信号を取得し、穿刺針４０を穿刺する際の穿刺力を測定することができる。また、このような穿刺時の力を測定する第１センサ１１１と第２センサ１１２を、穿刺針４０のなるべく近傍かつＣＴガントリの外部に配置することができる。ひいては、穿刺状態のモニタリングや、施術者に穿刺力を提示して遠隔操作性を向上させるためのインターフェイスの設計に応用することができる。

また、本実施形態の穿刺ロボット1では、上側アーム５１と前記下側アーム５２はクランク状に屈曲させて、穿刺針４０を穿刺方向にオフセットしている。これにより、進退軸６４上の上側移動体１００及び下側移動体１００の可動範囲に対して、さらに下部に穿刺針４０の可動範囲を設定し，穿刺針４０の根元まで穿刺できる構成になっている。

また、本実施形態の穿刺ロボット1は、施術者に代わってＸ線を照射しているＣＴのガントリの近傍での穿刺作業が可能となり、施術者のＸ線被曝を防ぐことができる。

また、本実施形態の穿刺ロボットによれば、リニアガイドをフレーム部６０に配することで、穿刺針４０に生じる振動を抑制しながらできるだけ早く穿刺方向に穿刺針４０を移動させることができる。これにより、穿刺作業の際の精度が向上する。

［実施例２］
次に、実施例２に係る穿刺ロボット１Ａについて図を用いて説明する。
実施例２に係る穿刺ロボット１Ａは、図７及び図８に示すように、ロボット本体１０Ａと、このロボット本体１０Ａが備える移動端部２０Ａに装着される穿刺部３０Ａとを有するものである。穿刺部３０Ａは、ロボット本体１０Ａの手先部となる部分である。

ロボット本体１０Ａは、直方体形状の筐体部１１Ａと、この筐体部１１Ａの上部に配置される駆動部１２Ａと、この駆動部１２Ａの一端に水平状態に装着されて先端側を筐体部１１Ａの外側に延伸させた連結ロッド１３Ａとを主に備えている。筐体部１１Ａは、制御装置を収容した第２筐体部（図示せず）に配線により電気的に接続されている。さらに、筐体部１１Ａの側面の上端に図示しない取っ手部を設けるとともに、筐体部１１Ａの底面部分には複数のキャスター１４Ａを有し、使用者が取っ手部を把持してロボット本体１０Ａを移動自在としている。駆動部１２Ａは、図示しない複数のアクチュエータにより連結ロッド１３Ａの先端に設けたフランジ形状の移動端部２０Ａを進退方向、上下方向（昇降方向）、左右方向の３次元で移動させるための部分である。ロボット本体１０Ａは、移動端部２０Ａの進退方向、及び上下方向と左右方向の移動を直動関節により動作させる。また、駆動部１２Ａは、図示しないアクチュエータにより連結ロッド１３Ａを連結ロッド１３Ａの軸周りに回動することができる。ロボット本体１０Ａは、駆動部１２Ａを駆動して連結ロッド１３Ａの先端に設けた移動端部２０Ａに装着される穿刺部３０Ａを所望の位置に移動可能としている。ロボット本体１０Ａは、直動関節を動作させることにより穿刺部３０Ａを進退方向、上下方向ならびに左右方向に移動させることで、例えば、ＣＴのガントリの近傍のような狭い空間においても穿刺部３０Ａを安定な軌道で移動させることができる。

連結ロッド１３Ａの先端に配置される移動端部２０Ａには、穿刺部３０Ａが装着されている。
なお、穿刺部３０Ａにおいては、図９等で示す両矢印方向を前後方向とする。

穿刺部３０Ａは、図７、図８に示すように、先端に穿刺針１４０を装着したアーム部１５０と、このアーム部１５０の基端を装着したフレーム部１６０（図９参照）と、このフレーム部１６０を支持するベース部１７０（図９参照）と、フレーム部１６０を覆うフレームカバー４００と、ベース部１７０を覆うベースカバー４１０と、を備えており、ベース部１７０を介して連結ロッド１３Ａの移動端部２０Ａに固定装着している。したがって、ロボット本体１０Ａが有する連結ロッド回動用のアクチュエータ（図示せず）で連結ロッド１３Ａが軸周りに回動操作されると、穿刺部３０Ａは連結ロッド１３Ａを回動軸として回動する。
なお、図９等では、穿刺部３０Ａの詳細な構造を示すためにフレームカバー４００、ベースカバー４１０を取り外した状態を図示している。

ベース部１７０は、連結ロッド１３Ａの先端の移動端部２０Ａが装着される円板状の基端板１７１と、基端板１７１の左右両端からそれぞれ前方に向けて延伸させてフレーム部１６０を回動自在に支持する平板状の第１支持片１７２と第２支持片１７３とで、平面視略コ字状としている。

基端板１７１の後側には、連結ロッド１３の先端を取り付けるガイド部１７４を設けており、ガイド部１７４に連結ロッド１３Ａの先端を取り付けて位置決めし、フランジ形状の移動端部２０Ａの後端面からクランプネジを装着して、移動端部２０Ａの先端に穿刺部３０Ａを固定している。

基端板１７１の前側には、後述するようにフレーム部１６０を回動操作するためのフレーム部回動用モータ１７５を取り付けている。

フレーム部１６０は、矩形枠状であって内側に上下方向に延伸させた進退軸１６４（例えば、ボールねじのねじ軸）をそれぞれ設けた第１フレーム１６１及び第２フレーム１６２と、この第１フレーム１６１と第２フレーム１６２とを互いに対向させて連結する複数の連結桿１６３とを備えている。特に、連結桿１６３で第１フレーム１６１と第２フレーム１６２と連結することで、平行リンクを構成している。

第１フレーム１６１及び第２フレーム１６２は同一構造であり、代表して第１フレーム１６１について説明する。

第１フレーム１６１は、上下方向に延伸して互いに対向した平板状の第１側壁１６５及び第２側壁１６６と、第１側壁１６５と第２側壁１６６の上側端縁を連結する平板状の第３側壁１６７と、第１側壁１６５と第２側壁１６６の下側端縁を連結する平板状の第４側壁１６８とで縦長の矩形枠状としている。

第３側壁１６７と第４側壁１６８には、第１側壁１６５及び第２側壁１６６と平行に上下方向に延伸させた進退軸１６４を支持する下部軸受１８１と上部軸受１８２とを設けて、進退軸１６４を回動自在に装着している。

さらに、進退軸１６４は、上部軸受１８２よりも上方に突出させて延伸させており、上方に突出した進退軸１６４の上端に第１傘歯車１８３を装着している。
また、フレーム部１６０は、第３側壁１６７の上部に、第１傘歯車１８３を囲うように側面視矩形状の上部フレーム部１６９を有している。

この第１傘歯車１８３と噛合する第２傘歯車１８４は、第１傘歯車１８３の上方側であって上部フレーム部１６９の第１上部側壁１６９ａと第２上部側壁１６９ｂに回動自在に架設した回動軸１８５に装着している。

回動軸１８５は、第１上部側壁１６９ａ側の端部を外側方に延伸させて突出させ、突出した回動軸１８５の一端に連動用プーリ１８６を装着している。第１フレーム１６１の連動用プーリ１８６と、第２フレーム１６２の連動用プーリ１８６は同一形状のプーリであって、連動用タイミングベルト１８７を介して連動連結している。

さらに、フレーム部１６０では、上部フレーム部１６９の第２上部側壁１６９ｂに、回動軸用駆動モータ１８９を装着するための支持板１８８を装着し、この支持板１８８に、回動軸用駆動モータ１８９の出力軸１８９ａを水平方向に延伸させて回動軸用駆動モータ１８９を装着している。

回動軸用駆動モータ１８９の出力軸１８９ａには、進退軸用駆動プーリ１９０を装着し、第１フレーム１６１の進退軸１６４には、進退軸用従動プーリ１９１を装着して、進退軸用駆動プーリ１９０と進退軸用従動プーリ１９１とを進退軸用タイミングベルト１９２で連動連結している。進退軸用従動プーリ１９１は、回動軸１８５の他端に装着されている。

フレーム部１６０では、回動軸用駆動モータ１８９を駆動させることで進退軸用タイミングベルト１９２を介して第１フレーム１６１の進退軸１６４を回動させ、さらに、連動用タイミングベルト１８７を介して連動連結された第２フレーム１６２の進退軸１６４を第１フレーム１６１の進退軸１６４と同様に回動させることとしている。

フレーム部１６０の第１フレーム１６１と第２フレーム１６２は、それぞれ第１側壁１６５と第２側壁１６６の外側面に外側方に向けて突出させた枢軸１９３、１９４を設けており、この枢軸１９３、１９４をベース部１７０の第１支持片１７２及び第２支持片１７３の所定位置に設けた軸受１９５で軸支している。すなわち、フレーム部１６０の第１フレーム１６１及び第２フレーム１６２は、ベース部１７０に対して回動自在となっている。

さらに、第１フレーム１６１の第２側壁１６６側に設けた枢軸１９４は、ベース部１７０の第１支持片１７２よりも外側方に突出させて、フレーム部用従動プーリ１９６を装着している。

このフレーム部用従動プーリ１９６は、ベース部１７０の基端板１７１の前側に設けたフレーム部回動用モータ１７５の出力軸１９７に装着したフレーム部用駆動プーリ１９８と、回動操作用タイミングベルト１９９を介して連動連結して、フレーム部回動用モータ１７５によって第１フレーム１６１を回動操作するとともに、連結桿１６３を介して第１フレーム１６１と連結した第２フレーム１６２を回動操作している。

アーム部１５０は、先端に角筒形状で内部にセンサを保持するセンサ保持部１５３を支持している。また、アーム部１５０は、センサ保持部１５３の前部上端側を支持する上側アーム１５１と、センサ保持部１５３の前部下端側を支持する下側アーム１５２と、センサ保持部１５３と、エアシリンダ２２０と、針把持部２３０とを主に備えている。

上側アーム１５１は、平面視矩形状の上側アーム基部１５４と、この上側アーム基部１５４の前端に連結される平面視コ字状の上側アーム先端部１５５とから主に構成されている。上側アーム先端部１５５の先端には、センサ保持部１５３の前部上端側を回動自在に軸支する左右一対の軸支部１５５ａを有している。
下側アーム１５２は、平面視矩形状の下側アーム基部１５６と、この下側アーム基部１５６の前端に連結される平面視コ字状の下側アーム先端部１５７とから主に構成されている。下側アーム先端部１５７の先端には、センサ保持部１５３の前部下端側を回動自在に軸支する一対の軸支部１５７ａを有している。

上側アーム１５１と下側アーム１５２とは、基端側をフレーム部１６０に装着している。具体的には、上側アーム１５１の基端側には、フレーム部１６０の第１フレーム１６１の進退軸１６４に螺合した縦長形状の第１移動体２００の上側部と、第２フレーム１６２の進退軸１６４に螺合した縦長形状の第２移動体２００の上側部とを一体的に連結した上側連結体２０１を設け、この上側連結体２０１を介して上側アーム１５１の基端側をフレーム部１６０に装着している。同様に、下側アーム１５２の基端側には、フレーム部１６０の第１フレーム１６１の進退軸１６４に螺合した第１移動体２００の下側部と、第２フレーム１６２の進退軸１６４に螺合した第２移動体２００の下部とを一体的に連結した下側連結体２０３を設け、この下側連結体２０３を介して下側アーム１５２の基端側をフレーム部１６０に装着している。

上述した第１フレーム１６１の進退軸１６４と第１移動体２００、第２フレーム１６２の進退軸１６４と第２移動体２００は、それぞれボールねじ機構を構成し、回動軸用駆動モータ１８９を駆動させることで進退軸用タイミングベルト１９２を介して第１フレーム１６１の進退軸１６４及び第２フレーム１６２の進退軸１６４を回動して、第１移動体２００及び第２移動体２００の進退軸１６４上の位置を変更することができる。すなわち、このようなボールねじ機構により、回動軸用駆動モータ１８９を駆動させるにより上側アーム１５１と下側アーム１５２とを前記進退軸１６４に沿って進退移動させることで穿刺針１４０を穿刺方向に進退移動させて穿刺を行うことができる。

上側連結体２０１と下側連結体２０３とは同一構造であり、代表して上側連結体２０１について説明する。

上側連結体２０１は、第１フレーム１６１の進退軸１６４に螺合した第１移動体２００の左側面側、及び第２フレーム１６２の進退軸１６４に螺合した第２移動体２００の左側面側に取り付けた左側フレーム２０４と、第１フレーム１６１の進退軸１６４に螺合した第１移動体２００の右側面側、及び第２フレーム１６２の進退軸１６４に螺合した第２移動体２００の右側面側に取り付けた右側フレーム２０５とで構成されている。なお、本実施形態では、左側フレーム２０４と第１移動体２００及び第２移動体２００は適宜の軸受を介して連結し、右側フレーム２０５と第１移動体２００及び第２移動体２００も適宜の軸受を介して連結している。

また、第１フレーム１６１、第２フレーム１６２には、リニアガイドが取り付けられている。すなわち、第１フレーム１６１、第２フレーム１６２のそれぞれの後側には、図１０に示すように、後方に突出した平板状のリニアガイド配置部１６１ａ、１６２ａを備え、このリニアガイド配置部１６１ａ、１６２ａの前面に進退軸１６４に平行にリニアガイドのレール部１６１ｂ、１６２ｂが配置され、このレール部１６１ｂ、１６２ｂに沿ってスライドするスライダ１６１ｃ、１６２ｃが第１移動体２００、第２移動体２００と一体的に連結されている。これにより、第１移動体２００及び第２移動体２００は、安定な軌道で進退軸１６４に平行に移動可能となり、進退軸１６４に沿って移動する第１移動体２００及び第２移動体２００の振動を抑制することができる。

センサ保持部１５３には、内部に６軸力センサからなる、上部センサ２１１及び下部センサ２１２とが上下に積層された状態で配置されている。下部センサ２１２は、センサ保持部１５３の内部の底部に固定され、この下部センサ２１２の上部に上部センサ２１１が載置された状態で連結されている。上部センサ２１１の上端面には、エアシリンダ２２０を支持するための支持板２２１の一端が固定されている。支持板２２１とセンサ保持部１５３の内部の天井面との間は、所定間隔の隙間を有している。支持板２２１の他端は、センサ保持部１５３の外側へと延出され、前方に向けて突出している。支持板２２１の他端の下面には、エアシリンダ２２０の本体部分であるエアシリンダ本体２２０ａの一端側（図１０では上端側）が連結されている。上部センサ２１１及び下部センサ２１２は、支持板２２１及びエアシリンダ２２０を介して針把持部２３０と連結されている。

エアシリンダ２２０は、外形形状が略直方体形状であり、空気圧駆動のリニアアクチュエータである。エアシリンダ２２０は、エアシリンダ２２０の本体部分であるエアシリンダ本体２２０ａと、エアシリンダ本体２２０ａに収容され、所定ストロークで進退するピストンロッド２２０ｂ（図１０参照）と、ピストンロッド２２０ｂの先端に取り付けられる板状のブレード２２０ｃを有している。エアシリンダ２２０は、供給されるエアの空気圧により、ブレード２２０ｃをピストンロッド２２０ｂの進退方向（図１０の状態では上下方向）に沿って所定のストロークで瞬発的に進退動作（穿刺時においては進行動作）させるものである。

上部センサ２１１と下部センサ２１２では、支持板２２１及びエアシリンダ２２０を介して針把持部２３０に生じる応力を検出し、検出量が所定の閾値を超えた場合に穿刺を中断することとしている。上部センサ２１１と下部センサ２１２は、後述する制御装置に電気的に接続されている。上部センサ２１１と下部センサ２１２は、上下に連結して直列に配置している。このように構成することで、上部センサ２１１と下部センサ２１２とで同時に針把持部２３０に生じる応力を検出することができる。また、上部センサ２１１と下部センサ２１２のどちらか一方のセンサが故障した場合であっても、他方のセンサで針把持部２３０に生じる応力を検出することができる。これにより、途切れることなく応力を検出することができ、穿刺作業時の安全性が高まる。
なお、上部センサ２１１と下部センサ２１２は、例えば、ＣＴのガントリの近傍での作業時において、金属部材によるアーチファクトの発生を防ぐために、アーム部１５０においてＣＴのガントリ下に入らない位置に配置することが好ましい。加えて、上側アーム１５１及び下側アーム１５２を介して穿刺針１４０に生じる応力を精度よく検出するために、なるべく穿刺針１４０に近い位置に配置することが好ましい。

エアシリンダ２２０のブレード２２０ｃには、針把持部２３０をエアシリンダ２２０に固定するための固定治具であるエアシリンダ固定具３００を介して針把持部２３０が取り付けられる。エアシリンダ固定具３００は、ブレード２２０ｃの表面（図１０の状態では下側面）に当接して固定される板状の当接固定部３０１と、この当接固定部３０１に隣接して前側に凸形状に形成され、針把持部２３０（針把持アーム固定具２４０）の被嵌合部２４１に嵌合する略直方体状の嵌合部３０２とを有している。嵌合部３０２には、後述する固定ピン２３１が挿入可能な貫通孔が設けられている。

針把持部２３０は、針把持アーム固定具２４０と、一対の針把持アーム２５０と、複数（本実施形態では２本）の固定ピン２３１を有している。

針把持アーム固定具２４０は、側面視Ｈ字形状の樹脂製部材であり、後端側に設けられ、エアシリンダ固定具３００の嵌合部３０２が嵌合する被嵌合部２４１と、前端側に一対の針把持アーム２５０（左側針把持アーム２６０、右側針把持アーム２７０）の各々の基端側を軸支して回動可能に支持する回動支持部２４２と、被嵌合部２４１を上下方向に貫通する複数の貫通孔２４４とを有している。針把持アーム固定具２４０は、被嵌合部２４１にエアシリンダ固定具３００の嵌合部３０２を嵌合した状態で、上述した固定ピン２３１が挿入されてエアシリンダ固定具３００に取り付けられる。これにより、固定ピン２３１の抜き差しにより、針把持アーム固定具２４０をエアシリンダ２２０に取り付けられたエアシリンダ固定具３００に容易に着脱可能となっている。

針把持アーム２５０は、前方に向けて延伸される左右一対の左側針把持アーム２６０及び右側針把持アーム２７０と、穿刺針１４０の基端部を保持する穿刺針保持部２８０を主に備えている。左側針把持アーム２６０、右側針把持アーム２７０及び穿刺針保持部２８０は樹脂材料で形成されている。左右一対の左側針把持アーム２６０及び右側針把持アーム２７０の後端は、針把持アーム固定具２４０の回動支持部２４２の左右両端に軸支され、左側針把持アーム２６０及び右側針把持アーム２７０のそれぞれの先端側を左右水平方向に９０度の範囲で回動して開放可能である。穿刺針保持部２８０は、略直方体形状であり、左右方向中央で左右に分割され、右側針把持アーム２７０及び穿刺針保持部２８０の対向する凹部分に取付部材により取り付けられている。穿刺針保持部２８０の内側面には穿刺針１４０の基端部を嵌合する嵌合孔が形成されている。左側針把持アーム２６０及び右側針把持アーム２７０を開閉することで、穿刺針保持部２８０が左右分割可能であり、嵌合孔により穿刺針１４０の基端部を着脱自在に係合することができる。左側針把持アーム２６０及び右側針把持アーム２７０の前端には、スナップ錠２９０を備えている。左側針把持アーム２６０及び右側針把持アーム２７０は、この嵌合孔に穿刺針１４０の基端部を嵌合した状態、かつ左側針把持アーム２６０及び右側針把持アーム２７０が対向する内側面が当接した状態で閉じられ、スナップ錠２９０を止めることで穿刺針１４０の基端側を保持している。
なお、穿刺針保持部２８０の形状は、本実施形態に限定するものではなく、各種穿刺針の形状に対応して適宜決定すればよい。また、穿刺針保持部２８０は、左側針把持アーム２６０及び右側針把持アーム２７０と別体ではなく、左側針把持アーム２６０及び右側針把持アーム２７０と一体的に形成してもよい。

穿刺針１４０は、スナップ錠２９０を外して左側針把持アーム２６０及び右側針把持アーム２７０をそれぞれ左右に開いて、左側針把持アーム２６０及び右側針把持アーム２７０から取外し可能としており、必要に応じて、針把持アーム２５０から速やかに穿刺針１４０を取り外し可能としている。すなわち、穿刺針１４０を患者に対して穿刺した状態において、万が一にでも穿刺針１４０を緊急的に抜去する必要が生じた場合に、手作業でも穿刺針１４０を抜去可能としている。

穿刺針１４０は、ＣＴによるＸ線透視下で被検者に穿刺して組織を採取して検査するために用いられる生検針である。穿刺針１４０は、先端が鉤状の内針と、内針を収容する管状の針管部を有している。穿刺針１４０は、内針を針管部の先端から出し入れすることで組織を採取するものである。
なお、穿刺針としては、本実施形態に限定するものではなく、例えば、ラジオ波治療用の穿刺針等のその他の用途の穿刺針であっても構わない。

なお、上側アーム１５１及び下側アーム１５２は、必要に応じて中途部に延設部材を介装して、フレーム部１６０と穿刺針１４０との距離を長くするように構成することもできる。

穿刺ロボット１Ａは、ロボット本体１０Ａの第１筐体部１１Ａと電気的に接続される第２筐体部（図示せず）内に穿刺ロボット１Ａを制御するための制御装置（例えば、ＰＣ（パーソナルコンピュータ））を有し、この制御装置によりロボット本体１０Ａ内の各アクチュエータと、穿刺部３０Ａのフレーム部１６０に設けた進退軸１６４を回動操作する回動軸用駆動モータ１８９と、穿刺部３０Ａのベース部１７０に設けた第１フレーム１６１を回動操作するフレーム部回動用モータ１７５を動作させることができる。穿刺ロボット１Ａは、穿刺作業を行う作業者がＰＣに電気的に接続される操作具（コントローラ）により動作指示が出されることで、穿刺ロボット１Ａが動作指示に従って動作する。また、穿刺ロボット１Ａが有する制御装置は、上部センサ２１１と下部センサ２１２の検出信号を取得し、穿刺針１４０を穿刺する際の穿刺力を測定することができる。また、穿刺ロボット１Ａが有する制御装置は、作業者の操作具による操作指示によってエアシリンダ２２０を操作し、患者の穿刺部位に穿刺針１４０を瞬発的に穿刺することができる。また、穿刺ロボット１Ａが有する制御装置は、所定の操作設定をすることより、移動端部２０Ａの進退方向、及び上下方向と左右方向の移動を直動関節により自動的に動作させ、アーム部１５０が動作しても、穿刺針１４０の先端部（針先）が所定の３次元位置から動かないようにすることができる。これにより、穿刺針１４０の先端部（針先）を患者の穿刺部位に近づけた状態で、穿刺針１４０の先端部を動かさずに穿刺針１４０の角度調整等が容易にできる。

このように構成した穿刺ロボット1Ａでは、ロボット本体１０Ａを駆動することにより、穿刺部３０Ａを所望の位置に移動することができる。これにより、穿刺針１４０による穿刺の位置の調整が可能となる。また、ロボット本体１０Ａが有する連結ロッド用アクチュエータを駆動することにより、穿刺部３０Ａは連結ロッド１３Ａを回動軸として回動することができる。さらに、穿刺部３０Ａのベース部１７０に設けた第１フレーム１６１を回動操作するフレーム部回動用モータ１７５によって、穿刺針１４０の２軸方向の姿勢変更運動を可能として穿刺針１４０による穿刺角度を調整可能としている。

具体的には、穿刺ロボット１Ａでは、フレーム部回動用モータ１７５を駆動することで、フレーム部１６０が枢軸１９４を中心として揺動してフレーム部１６０が傾斜し、このフレーム部１６０を介してリンクする上側アーム１５１及び下側アーム１５２の動作によりセンサ保持部１５３が回動して、センサ保持部１５３の前端側に一体的に連結された穿刺針１４０が回動し、フレーム部１６０が傾斜する角度と同じ角度で穿刺針１４０が傾斜する。これにより、例えば、ＣＴのガントリの内部の狭い空間において穿刺針１４０の姿勢変更が可能となり、穿刺ロボット１Ａの操作性が向上する。

また、本実施形態の穿刺ロボット１Ａでは、穿刺針１４０の進退移動をするための回動軸用駆動モータ１８９と、穿刺針１４０の姿勢の回転中心の変更をするためのフレーム部回動用モータ１７５が、フレーム部１６０よりも後方に配置される構成である。これにより、ＣＴによるＸ線透視下での穿刺作業の際に、回動軸用駆動モータ１８９、フレーム部回動用モータ１７５をＣＴガントリの外部に配置することができる。したがって、これら駆動モータがＣＴ画像に影響を及ぼすことがなく、穿刺ロボット１Ａの操作性が向上する。

また、本実施形態の穿刺ロボット１Ａでは、穿刺針１４０の穿刺動作を回動軸用駆動モータ１８９により行い、穿刺針１４０の傾きを変更する動作をフレーム部回動用モータ１７５により行って、それぞれの動作を独立して実行させることが可能できる。

また、本実施形態の穿刺ロボット１Ａでは、上側アーム１５１及び下側アーム１５２の先端側に６軸力センサからなる上部センサ２１１と下部センサ２１２上下に積層して設けている。これにより、上部センサ２１１と下部センサ２１２の検出信号を取得し、穿刺針４０を穿刺する際の穿刺力を測定することができる。また、このような穿刺時の力を測定する上部センサ２１１と下部センサ２１２を、穿刺針１４０のなるべく近傍かつＣＴガントリの外部に配置することができる。ひいては、穿刺状態のモニタリングや、施術者に穿刺力を提示して遠隔操作性を向上させるためのインターフェイスの設計に応用することができる。

また、本実施形態の穿刺ロボット１Ａは、施術者に代わってＸ線を照射しているＣＴのガントリの近傍での穿刺作業が可能となり、施術者のＸ線被曝を防ぐことができる。

また、本実施形態の穿刺ロボット１Ａによれば、リニアガイドをフレーム部１６０に配することで、穿刺針１４０に生じる振動を抑制しながらできるだけ早く穿刺方向に穿刺針１４０を移動させることができる。これにより、穿刺作業の際の精度が向上する。

また、本実施形態の穿刺ロボット１Ａによれば、エアシリンダ２２０に針把持部２３０及び針把持アーム固定具２４０を介して穿刺針１４０が取り付けられているため、エアシリンダ２２０により瞬発的な進行動作を行って、穿刺針１４０を穿刺方向に短いストロークで瞬発的な穿刺動作（患者の皮膚を貫く動作）を行うことができる。これにより、医師が用手にて穿刺動作を行う際と同程度の瞬発的な穿刺動作を行うことができる。

また、本実施形態の穿刺ロボット１Ａによれば、針把持部２３０は２本の固定ピン２３１を使って上側アーム１５１及び下側アーム１５２の先端側（エアシリンダ２２０の前側）に簡単に取り付けることができ、かつ穿刺針１４０の着脱もスナップ錠２９０の施錠の開閉及び左側針把持アーム２６０及び右側針把持アーム２７０の左右への開閉で簡単に行うことができる。これにより、施術者が穿刺針１４０の取付や交換時を清浄に行うことができ、穿刺針１４０及びその周囲を清潔に保つことができる。例えば、施術者は、滅菌された針把持部２３０をエアシリンダ固定具３００へ挿入し、その後、固定ピン２３１を差し込むだけで簡単にとりつけが完了する。こうして、穿刺針１４０は左側針把持アーム２６０及び右側針把持アーム２７０によって両側から挟みこまれて保持される。左側針把持アーム及び右側針把持アームにより左右から挟みこんで保持した後は、スナップ錠２９０により左側針把持アーム２６０及び右側針把持アーム２７０を閉じて施錠し、穿刺針１４０の把持が完了する。穿刺ロボットを運用するにあたって、清潔領域を確保することと、簡単に穿刺針等の交換器具をセットアップすることは大変重要である。本実施形態の穿刺ロボット１Ａによれば、それらを実現できるものになっている。なお、穿刺針の種類によって、左側針把持アーム及び右側針把持アームの形状は適宜変更可能である。

本発明の穿刺ロボットは、医療用の穿刺作業を行う際に利用可能であり、例えば、ＣＴ等を用いてＸ線による透視を行って腫瘍の位置、及び穿刺針の位置を確認しながら穿刺を行う際に有用である。

１、１Ａ穿刺ロボット
３０、３０Ａ穿刺部
４０、１４０穿刺針
５０、１５０アーム部
５１、１５１上側アーム
５２、１５２下側アーム
６０、１６０フレーム部
６１、１６１第１フレーム
６２、１６２第２フレーム
６３、１６３連結桿
６４、１６４進退軸
７０、１７０ベース部
２２０エアシリンダ（アクチュータ）

Claims

ロボット本体と、このロボット本体が備えた任意の方向に移動する移動端部に装着した穿刺部とを有する穿刺ロボットにおいて、
前記穿刺部は、
先端に穿刺針を装着したアーム部と、
このアーム部の基端を装着したフレーム部と、
このフレーム部を支持するベース部と
を備え、
前記フレーム部は、矩形枠状であって内側に上下方向に延伸させた進退軸をそれぞれ設けた第１フレーム及び第２フレームと、この第１フレームと第２フレームとを互いに対向させて連結する連結桿とを備え、
前記アーム部は、前記穿刺針の基端側を支持する上側アームと、この上側アームよりも前記穿刺針の先端側を支持する下側アームとを備えて、前記進退軸と平行に前記穿刺針を装着し、
前記上側アームと前記下側アームとを前記進退軸に沿って進退移動させることで前記穿刺針を穿刺方向に進退移動させる穿刺ロボット。
前記上側アームの中途部に６軸力センサからなる第１センサを設けるとともに、前記下側アームの中途部に６軸力センサからなる第２センサを設ける請求項１に記載の穿刺ロボット。
前記上側アームと前記下側アームは、クランク状に屈曲させて、前記穿刺針を穿刺方向にオフセットしている請求項２に記載の穿刺ロボット。
前記上側アームと前記下側アームは、前記第１センサと前記第２センサよりも穿刺針側の部分を樹脂材料で形成している請求項２または請求項３に記載の穿刺ロボット。
ロボット本体と、このロボット本体が備えた任意の方向に移動する移動端部に装着した穿刺部とを有する穿刺ロボットにおいて、
前記穿刺部は、
先端に穿刺針を装着したアーム部と、
このアーム部の基端を装着したフレーム部と、
このフレーム部を支持するベース部と
を備え、
前記アーム部は、センサを保持するセンサ保持部と、前記センサ保持部の上端側を支持する上側アームと、前記センサ保持部の下端側を支持する下側アームとを備え、
前記フレーム部は、矩形枠状であって内側に上下方向に延伸させた進退軸をそれぞれ設けた第１フレーム及び第２フレームと、この第１フレームと第２フレームとを互いに対向させて連結する連結桿とを備え、
前記アーム部は、前記進退軸と平行に前記穿刺針を装着するとともに、その中途部に前記穿刺針を穿刺方向に沿って進退するアクチュエータを備えて、
前記上側アームと前記下側アームとを前記進退軸に沿って進退移動させることで前記穿刺針を穿刺部位近傍に進退移動させ、
前記穿刺部位近傍における前記穿刺針の穿刺動作時に前記アクチュエータを瞬発的に駆動して前記穿刺部位に瞬発的に穿刺する穿刺ロボット。
前記アーム部の前記センサ保持部に６軸力センサからなる二つのセンサを積層して設ける請求項５に記載の穿刺ロボット。
前記アーム部は、先端に穿刺針を把持する針把持部を有し、前記針把持部は前記アーム部に対して着脱自在である請求項５または請求項６に記載の穿刺ロボット。
前記針把持部は、樹脂材料で形成している請求項５から請求項７のいずれか一項に記載の穿刺ロボット。