JP6896047B2 - 手術器具の近位制御のためのシステム及び方法 - Google Patents

Description

本開示は、低侵襲ロボット支援手術における使用のための手術システム及び方法、より具体的には、解剖学的エントリポイントの近位に位置するピボット部周りに手術器具を動かすシステム及び方法を対象にする。

低侵襲医療技術は、診断又は外科的処置の間に傷つけられる無関係な組織の量を減らすことを目的とし、したがって患者の回復時間、不快感、及び有害な副作用を減らす。低侵襲ロボット手術又は遠隔手術システムは、外科医の器用さを増大させるように及び従来の低侵襲技術の制限の幾つかを避けるように、開発されている。遠隔手術では、外科医は、手で手術器具を直接握り且つ動かすのではなく、手術器具の動きを操作するために何らかの遠隔制御、例えば、サーボ機構等、を使用する。遠隔手術では、外科医は、手術ワークステーションにおいて手術部位の画像を提供されることができる。ディスプレイで手術部位の２又は３次元画像を見ながら、外科医は、マスタ制御デバイスを操作することによって、患者に外科手術を行い、このマスタ制御デバイスは、サーボ機構的に操作される器具の動きを制御する。

ロボット支援遠隔手術において、外科医は、典型的には、患者から離れ得る場所（例えば、手術室の反対側、異なる部屋、または患者とは全く異なる建物）から、手術部位での手術器具の動作を制御するようにマスタコントローラを操作する。マスタコントローラは、患者側手術用マニピュレータ（「スレーブ」）に取り外し可能に結合される手術器具に動作可能に結合される、手持ち式リストジンバル、ジョイスティック、外骨格グローブ等のような、１又は複数の手入力デバイスを通常含む。マスタコントローラは、手術部位での器具の位置、配向、及び関節を制御する。スレーブは、手術器具を支持し且つ制御するように一緒に接続される１又は複数のアーム、ジョイント、リンク機構、サーボモータ等を含む、電気機械組立体である。外科手術では、（内視鏡を含む）手術器具が、開いた手術部位に直接、自然の開口を通って、又はカニューレを通って体腔内に挿入され得る。

低侵襲手術に関して、手術用マニピュレータによって制御される、手術器具は、１つの外科的切開部位、患者の体の多数の接近して間隔を空けられた切開部位、及び／又は患者の解剖学的構造の１若しくは複数の自然の開口を通って体腔に導入され得る。特に小さいエントリポートを通って実行される幾つかの低侵襲手術に関して、多数の手術器具が、略平行な器具シャフトを用いて密接に集められた集団の中に導入され得る。先の手術システム及び技法は、解剖学的エントリポイントの近くの領域において、「リモートセンタ（ｒｅｍｏｔｅ ｃｅｎｔｅｒ）」として知られる、運動の共通の中心を維持する。特に狭い外科的切開部又は人間の喉又は頚部のような特に狭い自然の開口を通る、解剖学的エントリポイントにおいて回転の中心を維持する試みは、手術器具の近位端部の衝突をもたらし得る。手術器具の衝突の発生を最小化しながらこれらの手術器具を制御することに関して、改良されたシステム及び方法が必要とされる。

本発明の実施形態は以下の特許請求の範囲によって要約される。１つの実施形態では、ロボット手術システムは、近位取付セクション及び遠位取付セクションを有する器具シャシを有する。システムはまた、遠位取付セクションに移動可能に結合される器具ガイド及び近位取付セクションに結合されるアクチュエータを有する。リンケージシステムが、アクチュエータから器具ガイドに運動を伝達するように、アクチュエータ及び器具ガイドを動作可能に相互に接続する。

他の実施形態では、ロボット手術方法は、近位取付セクション及び遠位取付セクションを有する器具シャシを提供するステップを有する。器具ガイド組立体が遠位取付セクションに移動可能に結合される。１対の近位アクチュエータが近位取付セクションに結合され、リンケージシステムが、アクチュエータ及び器具ガイド組立体を動作可能に相互に接続する。方法はさらに、器具ガイド組立体を第１の回転自由度で動かすことをリンケージシステムに生じさせるように、近位アクチュエータの一方に第１の制御信号を提供するステップを含む。方法はまた、器具ガイド組立体を第２の回転自由度で動かすことをリンケージシステムに生じさせるように、近位アクチュエータの他方に第２の制御信号を提供するステップを含む。

他の実施形態では、ロボット手術システムは、近位取付セクション及び遠位取付セクションを有する器具シャシを有する。シャシは近位取付セクションに結合される器具インタフェースを含む。手術システムはさらに、近位取付セクションに結合される作動システムを有する。手術システムはさらに、作動システムと遠位取付セクションとの間に動作可能に結合されるリンケージシステムを有する。リンケージシステムは器具ガイドを含む。手術システムはさらに、器具インタフェース及び器具ガイドと結合するように構成される手術器具を含む。

本開示の態様は、添付の図面とともに読まれるとき、以下の詳細な説明から最も良く理解される。業界の標準的習慣にしたがって、様々な特徴が正確な縮尺で描かれていないことが強調される。実際、様々な特徴の寸法は、議論の明快さのために任意に増減され得る。加えて、本開示は、参照数字及び／又は文字を様々な例において繰り返し得る。この繰り返しは、単純さ及び明快さを目的とし、それ自体では、議論される様々な実施形態及び／又は構成の間の関係を規定しない。
本開示の実施形態によるロボット手術システムの概略図である。 本開示の実施形態による低侵襲手術システムの概略図である。 本開示の実施形態による低侵襲手術システムの概略図である。 本開示の実施形態による低侵襲手術システムの概略図である。 本開示の他の実施形態による低侵襲手術システムの斜視図である。 本開示の実施形態によるロボット手術システムの器具インタフェースの概略図である。 本開示の実施形態によるロボット手術の方法である。 本開示の実施形態による手術器具の遠位端部の側面図である。

本発明の実施形態の以下の詳細な説明では、開示される実施形態の完全な理解をもたらすために、多くの具体的な詳細が説明される。しかし、本開示の実施形態はこれらの具体的な詳細なしに実施され得ることが、当業者には明らかである。他の例では、よく知られた方法、手順、コンポーネント、及び回路は、本発明の実施形態の態様を不必要に曖昧にしないように、詳細には説明されていない。

図面の図１を参照すると、ロボット手術システムが、参照数字１００によって概して示される。ロボット手術システム１００は、外科的処置を入力するための、マスタ又は外科医用コンソールとも称される、マスタシステム１０２、及び患者内の手術部位において手術器具をロボット式に動かすための、患者側マニピュレータ（ＰＳＭ）とも称される、スレーブシステム１０４を含む。ロボット手術システム１００は、低侵襲ロボット手術を実行するために使用される。本開示に記載されるシステム及び技法を実装するために使用されることができるロボット手術システムアーキテクチャの１つの例は、Ｓｕｎｎｙｖａｌｅ，ＣａｌｉｆｏｒｎｉａのＩｎｔｕｉｔｉｖｅ Ｓｕｒｇｉｃａｌ Ｉｎｃ．により製造されるｄａ Ｖｉｎｃｉ（登録商標）Ｓｕｒｇｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍである。代替的には、１つのマニピュレータアームを持つより小さい規模のロボット手術システムが幾つかの処置には適し得る。ロボット手術システム１００はまた、内視鏡のような、画像キャプチャ装置を含む、画像キャプチャシステム１０６、並びに関連付けられる画像処理ハードウェア及びソフトウェアを含む。ロボット手術システム１００はまた、マスタシステム１０２及びスレーブシステム１０４のセンサ、モータ、アクチュエータ、及び他のコンポーネントに、並びに画像キャプチャシステム１０６に動作可能に連結される制御システム１０８を含む。

システム１００は、低侵襲手術を患者に実行する、システムオペレータ、一般的に外科医によって使用される。システムオペレータは、マスタシステム１０２で見るために提示される、画像キャプチャシステム１０６によってキャプチャされた画像を見る。外科医の入力コマンドに応じて、制御システム１０８は、ロボットスレーブシステム１０４に結合された手術器具のサーボ機構的な運動を生じさせる。

制御システム１０８は、マスタシステム１０２、スレーブシステム１０４、及び画像キャプチャシステム１０６の間の制御行うための、少なくとも１つのプロセッサ、典型的には複数のプロセッサを含む。制御システム１０８はまた、本出願に記載される方法の幾つか又は全てを実装するためのソフトウェアプログラミング命令を含む。制御システム１０８は図１の単純化された概略図に単一のブロックとして示されているが、少なくとも処理の一部はオプションで入力装置に隣接して実行され、一部がマニピュレータに隣接して実行される等を伴って、システムは幾つかのデータ処理回路を（例えば、マスタシステム１０２及び／又はスレーブシステム１０４に）有し得る。任意の種々様々な集中型又は分散型データ処理アーキテクチャが利用され得る。同様に、プログラミングコードは、幾つかの別のプログラム若しくはサブルーチンとして実装され得る、又は、本出願に記載されるロボットシステムの幾つかの他の態様に統合され得る。１つの実施形態において、制御システム１０８は、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、ＩｒＤＡ、ＨｏｍｅＲＦ、ＩＥＥＥ８０２．１１、ＤＥＣＴ、及び無線テレメトリのような無線通信プロトコルをサポートし得る。

ロボット手術システム１００はさらに、スレーブシステム１０４に結合する器具シャシ１１０を含む。器具シャシ１１０は、患者エントリポイント１１６への導入のために手術器具１１２及び内視鏡１１４を結合するための共通プラットフォームを提供する。この実施形態では、患者エントリポイントは、喉又は喉頭へのアクセスを提供するための人間の口である。本開示の実施形態は、他の自然の又は外科的に作られた開口を通って体組織にアクセスするために使用され得る。

図２Ａは、本開示の実施形態による低侵襲手術システム２００の概略図である。システム２００は、近位セクション２０４及び遠位セクション２０６を有する器具シャシ２０２を含む。器具シャシ２０２は、内視鏡２１６を支持する。一般的に、遠位セクション２０６におけるシャシの寸法及び形状は、外科的エントリポイントの近くで手術器具の体積を最小化するために、近位端部２０４に比べて、縮小される。器具インタフェース２０８、２１０が、器具シャシ２０２の近位セクション２０４に移動可能に取り付けられる。手術器具２１２は、その近位端部２１３で器具インタフェース２０８に取り付けられる。手術器具２１４は、その近位端部２１５で器具インタフェース２１０に取り付けられる。インタフェース２０８は、その全体が本願に参照により援用される、米国特許第６，４９１，７０１号に記載されるように、手術器具２１２の可動コンポーネントを駆動する。インタフェース２１０は同様な方法で器具２１４を駆動する。手術器具２１２、２１４はまた、シャシ２０２の遠位セクション２０６に移動可能に結合される。以下に詳細に記載されるように、器具インタフェース２０８、２１０は、回転及び直線運動が可能にされるように、シャシ２０２の近位セクション２０４に取り付けられる。具体的には、器具インタフェースマウント又はフレキシブル器具シャフトは、シャシ２０２に対する器具インタフェース２０８、２１０のピッチ運動、シャシに対する器具インタフェースのヨー運動及びシャシに対する器具インタフェースの挿入スライド運動を可能にする。システム２００は、ピボット位置の近くの、ツールの近位端部の小さい動きが、対象を操作するためのツールの遠位端部におけるより大きい動きに対応することができるという点において、箸が動く方法と同様に機能する。

作動システム２２０は、エンドエフェクタ及び様々な手首ジョイントのような、器具２１２の構成要素を作動させる。作動システム２２２は、エンドエフェクタ及び様々な手首ジョイントのような、器具２１４の構成要素を作動させる。作動システム２２０、２２２は、器具の制御をもたらすための、モータ、アクチュエータ、駆動システム、制御システム、及び他の構成要素を含み得る。インタフェース作動システム２２４は、シャシ２０２に対して器具２１２の動作を制御し、インタフェース作動システム２２６は、シャシ２０２に対して器具２１４の動作を制御する。座標系Ｘ_１、Ｙ_１、Ｚ_１は器具２１２と共に動き、座標系Ｘ_２、Ｙ_２、Ｚ_２は器具２１２と共に動く手術システム２００は図示されるように２つの器具を操作するように構成され得るが、代替実施形態では、システムは２より多い器具の動作を制御するために使用され得る。

図２Ｂは、本開示の他の実施形態による低侵襲手術システム２００の概略図である。この実施形態では、インタフェース作動システム２２４’は、近位器具インタフェース２０８をヨー運動（例えば、軸Ｙ_１周り）で動かすように制御するために配向システムＧ（例えば、図３に示されるようなジンバルシステム、ジンバル構成要素３３４、３３６）を駆動するモータＭ１を含む。インタフェース作動システム２２４’はまた、近位器具インタフェース２０８をピッチ運動（例えば、軸Ｘ_１周り）で動かすように制御するために配向システムＧを駆動するモータＭ２を含む。インタフェース作動システム２２４’はまた、近位器具インタフェース２０８を（例えば、器具の挿入及び引き抜きのために）軸Ｚ_１に沿って軸方向に動かすように制御するためにモータＭ３を含む。詳細に示されていないが、インタフェース作動システム２２６’は、近位器具インタフェース２１０に同様の動作をもたらすために同様の構成要素を含み得る。したがって、この実施形態では、器具の動作は、遠位端部における支持又は制御なしに近位端部において制御され得る。この実施形態では、インタフェース作動システム２２４’及び２２６’は、近位器具インタフェース２０８、２１０の間にある。手術システム２００は、図示されるように２つの器具を操作するように構成され得るが、代替実施形態では、システムは２より多い器具の動作を制御するために使用され得る。

図２Ｃは、本開示の他の実施形態による低侵襲手術システム２００の概略図である。この実施形態では、インタフェース作動システム２２４”及び２２６”は、それぞれ、インタフェース作動システム２２４’及び２２６’と実質的に同様であるが、この実施形態では、近位器具インタフェース２０８、２１０は、インタフェース作動システム２２４”と２２６”との間にある。手術システム２００は、図示されるように２つの器具を操作するように構成され得るが、代替実施形態では、システムは２より多い器具の動作を制御するために使用され得る。

ロボット手術の以前の方法及びシステムは、ロボットマニピュレータアームに及び手術器具のシャフトに沿って位置合わせ（整列）され且つ、入口切開部のような、患者エントリポイントに一致した運動のリモートセンタ周りに手術器具の運動を拘束した挿入リンケージシステムに結合された手術器具の使用を伴っていた。これらの方法及びシステムのさらなる詳細は、米国特許第５，８１７，０８４号及び第６，４４１，５７７号に記載され、これらはその全体が本願に参照により援用される。本開示の実施形態は、患者エントリポイントにおける運動のリモートセンタの拘束を取り除き、手術器具の近位端部の近くの空間内の又は近位端部と一致する場所の周りに、少なくとも１つの回転自由度を伴って、手術器具が枢動することを可能にする。近位枢動位置は、例えば、約４０−５０ｃｍ長さの手術器具を使用するとき、患者エントリポイントから約３０ｃｍであり得る。

図３は、本開示の他の実施形態による低侵襲手術システム３００の概略図である。システム３００は、小さい空間内で作業するとき、器具の衝突を避けるのに効果的であり得る。システム３００は、器具シャシ３０２及び手術器具３０８、３１０をそれぞれシャシに取り付けるための器具インタフェース３０４、３０６を含む。手術器具３０８は、エンドエフェクタ３０８ａ及び手首機構３０８ｂを含む。手術器具３１０は、エンドエフェクタ３１０ａ及び手首機構３１０ｂを含む。手術器具３０８、３１０は、マスタシステム１０２から生じる制御入力信号及び制御システム１０８からのマニピュレータ作動信号に基づいて互いに独立して動く。システム３００はさらに、シャシマウントアクチュエータシステム３１２及びアクチュエータシステム３１２と手術器具３０８、３１０を相互に接続するリンケージシステム３１４を含む。画像キャプチャシステム３１６は、シャシ３０２によって支持され、概して、シャシを通る（Ｚ軸方向の）中心軸３１８に沿って位置合わせ（整列）される。

より詳細には、器具シャシ３０２は、近位部分３２０及び遠位部分３２２を含む。システム３００は、概して中心軸３１８周りに分けられる左側半部３２４及び右側半部３２６を概して含む。この実施形態では、システム３００の右及び左側半部の構造及び機能は概して同じである。したがって、システム３００の構造及び機能の完全な説明は、右側半部３２６の構造及び機能が同一であるという理解のために、左側半部３２４に向けられる。

器具シャシ３０２は、シャシの近位端部３２９に配置されるブリッジ部３２８を含み且つシャシの遠位端部３３１に配置されるブリッジ部３３０を含む。支持チューブ３３２が概して軸３１８に沿って延びるとともに画像キャプチャシステム３１６を支持する。支持チューブ３３２は、ブリッジ部３２８、３３０を強固に接続する。器具シャシの構成要素は、比較的剛性の高い金属、プラスチック、又はセラミックで形成され得る。器具シャシ３０２はさらに、ジンバルプレート３３６に枢動可能に接続されるジンバル支持部３３４を含む。ジンバルシステム３３４、３３６は、手術器具３０８のヨー運動（すなわち、Ｙ方向軸周りの回転自由度）を可能に且つ手術器具３０８のピッチ運動（すなわち、Ｘ方向軸周りの回転自由度）を可能にする。ジンバルシステム３３４、３３６の運動は、詳細に記載されるように運動がシステム３００の他の作動される力に反応するという点で、受動的である。代替実施形態では、多軸ジンバル、ボール／ソケットジョイント、及びヒンジを含む、他のジョイント又は枢動システムが、シャシの近位セクションにおいて１又は複数の自由度を備え得る。

器具シャシ３０２はまた、器具インタフェース３０４のトラック（図示せず）とスライド可能に係合されるガイド（図示せず）を含む。ガイド３３８及びトラック３４０は、システム３００の右半部３２６により明確に視認できる。左半部のガイド及びトラックは、概してＺ方向軸に沿った手術器具３０８の挿入動作を可能にする。挿入駆動システム３４１ａ、３４１ｂは、ガイド及びトラックを互いに対して動かす被駆動挿入動作を提供するように、器具３０８、３１０それぞれに結合される。挿入駆動システム３４１ａ、３４１ｂは、駆動モータ及び、リードネジ、ボールネジ、ケーブル駆動、又はラック＆ピニオンシステムのような駆動機構を含む。代替的には、ガイド／トラックの運動は、運動がシステム３００の他の作動される力に反応するという点で、受動的であり得る。

作動システム３１２の左半部は、シャシ３０２に結合されたアクチュエータ３４０、３４２を含む。アクチュエータ３４０、３４２はそれぞれ、可変且つ制御可能な力及び位置制御を提供する駆動機構をそれぞれ持つモータＭ１、Ｍ２並びにそれぞれのモータ駆動シャフトの回転位置を制御システム１０８にそれぞれ提供するためのエンコーダＥ１、Ｅ２を含む。適切な代替を含む作動システムのさらなる詳細は、その全体が本願に参照によって援用される米国特許第５、７９２、１３５号で提供される。アクチュエータ３４０、３４２は、動作を伝達するリンケージシステム３１４に結合される。それぞれのアクチュエータは、所定の種類の動作を提供する。例えば、アクチュエータ３４０は、（Ｘ方向軸周りの）作動ピッチ運動を提供し、アクチュエータ３４２は、（Ｙ方向軸周りの）作動ヨー運動を提供する。

リンケージシステム３１４の左半部は、ボール・ソケットジョイント３４８、３５０の間に結合される作動ロット３４６を含む。ボール・ソケットジョイント３４８はアクチュエータ３４０に結合される。リンケージシステム３１４はまた、ボール・ソケットジョイント３５０に結合される器具ガイド３５２を含む。この実施形態では、器具ガイド３５２は、手術器具３０８のシャフトを受け入れるように寸法決めされる管状スリーブである。代替実施形態では、器具ガイドは、手術器具をシャシに移動可能に連結する、リング、トレイ、開口チューブ、又は他の構造であり得る。リンケージ３４６、３４８、３５０は、アクチュエータ３４０からの動作を挿入ガイド３５２に伝達するように働く。具体的には、リンケージは、器具ガイド３５２を概して直線Ｙ方向に又は回転ピッチ運動で動かし得る。リンケージシステム３１４はまた、ボール・ソケットジョイント３５６（表示はシャシによって遮られている）、３５８の間に結合される作動ロッド３５４を含む。ボール・ソケットジョイント３５０はアクチュエータ３４２に結合される。器具ガイド３５２はまた、ボール・ソケットジョイント３５８に結合される。リンケージ３５４、３５６、３５８は、アクチュエータ３４２からの動作を挿入ガイド３５２に伝達するように働く。具体的には、リンケージは、器具ガイド３５２を概してＸ方向に又は回転ヨー運動で動かし得る。リンケージシステム３１４はまた、遠位ブリッジ部３３０に形成されたソケット内に位置するボールジョイント３６０を含む。ボールジョイント３６０は、器具ガイドをシャシ３０２に繋ぐように器具ガイド３５２に結合される。リンケージシステムの構成要素は、比較的剛性の高い金属、プラスチック、又はセラミックで形成され得る。リンケージシステムの構成要素は、滅菌可能又は使い捨てであり得る。リンケージシステムの構成要素は、患者エントリポイントの近くの手術機器の体積を最小化するために小さい断面積を有し得る。例えば、ロッドリンケージは、約１−３ｍｍの直径を有し得る。代替実施形態では、他のリンケージ構成要素が、所定の動作を伝達するのに適し得る。このような代替構成要素は、一方向ヒンジジョイント、サドルジョイント、スライドジョイント、バネのような可撓性構成要素、及び固定ジョイントを含み得る。

シャシ３０２はまた画像キャプチャシステム３１６を支持する。より具体的には、画像キャプチャシステム３１６の内視鏡器具３７０は、支持チューブ３３２を通って延びる。内視鏡器具３７０は、観察端部３７２を有し、観察端部でキャプチャされた画像を外科医又は他の観察者に表示するためにマスタシステム１０２のビューアに動作可能に接続される。内視鏡器具３７０は、器具シャシ３０２に対して固定され得る又は軸３１８に概して位置合わせされる挿入軸に沿った運動に拘束され得る。代替的には、内視鏡器具は、観察端部の視点を変えるために器具シャシに対して操縦可能、枢動可能、又は別の方法で関節運動可能である。

器具インタフェース３０４は図４に詳細に示される。シャシインタフェースプレート３８０（これはシャシの一部又はインタフェースの一部と見なされ得る）が器具インタフェースプレート３８２に回転可能に接続される。回転運動は、完全な又は部分的な回転運動を提供するために、スイベル（ｓｗｉｖｅｌ）ジョイント、ボール／ソケットジョイント、又は他の既知の機構によって提供され得る。プレート３８０、３８２の間の回転運動は、詳細に記載されるように運動がシステム３００の他の作動される力に反応するという点で、受動的である。

アクチュエータ３８４、３８６、３８８、３９０は、インタフェースディスク３９２、３９４、３９６、３９８それぞれに動作可能に結合される。取り付けられた手術器具の所定の運動を駆動することのインタフェースディスク及びそれらの機能のより詳細な説明は、例えば、“Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｏｆ Ｒｏｂｏｔｉｃ Ｓｕｒｇｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ，”を開示する、２００６年１２月１０日に出願された、米国特許第７、９６３、９１３号に完全に記載され、これはその全体が本願に参照により援用される。この実施形態では、各アクチュエータはモータＭ及びエンコーダＥを含む。各アクチュエータ３８４−３９０は、手術器具３０８のエンドエフェクタ３０８ａ及び／又は手首機構３０８ｂにおける特定の運動に影響を及ぼす。１つの例として、アクチュエータ３８４は、手首機構３０８ｂのロール運動を制御し得る。アクチュエータ３８６は、手首機構３０８ｂの作動されるピッチ運動を制御し得る。アクチュエータ３８８及びアクチュエータ３９０は、手首機構の作動されるヨー及び把持運動を制御するように協調され得る。様々なアクチュエータに割り当てられる制御は単なる例である。代替実施形態では、アクチュエータは、手術エンドエフェクタ又は手首部の異なる運動を制御するように構成され得る。例えば、単一のアクチュエータが把持を制御し得る一方、２つのアクチュエータの協調される組み合わせは、手首機構のピッチ及びヨーを制御し得る。

図３に示されるように、手術器具３０８は、インタフェース３０４に結合する近位ハウジング３９４を含む。器具シャフト３９６は、近位ハウジング３９４と手首機構３０８ｂとの間を延びる。手術器具、エンドエフェクタ、及び手首機構の様々な実施形態が、米国特許第５，７９２，１３５号、第６，３３１，１８１号、及び６，８１７，９７４号に詳細に説明され、これらは、それらの全体が本願に参照により援用される。

組み立てられるとき、近位ハウジング３９４は、器具インタフェース３０４に結合され、シャフト３９６は、器具ガイド３５２を通って挿入される。シャフト３９６は、システム３００で作動された力に応じて、器具ガイド３５２内を受動的にスライドする。例えば、アクチュエータ３４０、３４２は、軸Ｘ周りのピッチ及び軸Ｙ周りのヨーに関する連成運動を提供し得る。アクチュエータ３４０、３４２が軸Ｙ周りの異なる方向に動くとき、シャフト３９６はピッチで動く。アクチュエータ３４０、３４２の組み合わされた動作は、シャフト３９６を方向の範囲で動かすように、２×２の結合マトリックスによって支配され得る。

記載されるようにシステム３００は、小さい自然の又は外科的に作られた患者エントリポイントを通って体組織への外科的アクセスを可能にする。システムは、開いた患者の口を介して喉頭又は喉組織に外科的にアクセスする又は膣式子宮摘出術を実行するために子宮頸部を介して子宮組織にアクセスするのに特に適し得る。代替的には、システム３００は、乳房手術のような、外科医を疲れさせ得る又は不便なポジショニングを必要とし得る手術を実行するために使用され得る。手術器具の回転及び挿入動作を制御するために多数の大きい専用のマニピュレータアームを必要とするロボット手術システムと比べて、システム３００は、多数の手術器具を支持する最小化されたサイズのシャシを使用する。システム３００は共通シャシに結合された２つの手術器具の使用を記載するが、代替実施形態では、３以上の手術器具が共通シャシに取り付けられ且つ共通シャシから制御され得る。シャシの近位セクションで器具ガイドの動作を制御するために作動システムを配置することは、多数の手術器具を支持し且つ制御するために器具シャフトに沿った中間又は遠位位置において必要とされる構造の数及びサイズを最小化する。リンケージシステムは、作動システムが器具ガイドの動作を離れて制御することを可能にする。

システム３００の使用の前に、スレーブマニピュレータシステム１０４のマニピュレータアームが所定の位置に位置決めされ且つロックされる。マニピュレータアームは、例えば、ｄａ Ｖｉｎｃｉ（登録商標）Ｓｕｒｇｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍのアームであり得る、又は、最大６自由度を有する結合されたアームを持つより小さいスケールのマニピュレータであり得る。幾つかの実施形態では、システム３００を支持するマニピュレータアームは、モータによって制御されない。それは、ブレーキ又はロックを有する１又は複数のバランスを取られたジョイントを持つ受動的にロック可能なアームであり得る。受動的にロック可能なアームは、解放された設定において自由に動くことができ、システムが選択された配向で手術部位に配置されることを可能にする。受動的にロック可能なアームはその後、選択された配向を保持するブレーキを用いてロックされた設定に動かされる。他の実施形態では、システム３００は、鉄の拘束部、手動でロックされ得る受動マルチジョイントアンバランスアームによって保持され得る。

次に図５を参照すると、システム３００を使用するロボット手術の概略の方法４００が提供される。４０２において、手術器具３０８の近位端部のハウジング３９４が、器具インタフェース３０４に受けられて係合する。４０４において、手術器具３０９のシャフト３９６が、器具シャシ３０２の遠位端部において器具ガイド３５２に受けられる。より具体的には、シャフト３９６の遠位又は中間部分が、器具ガイド３５２の中で受けられる。４０６において、作動システム３１２は、器具シャシ３０２に対して器具ガイド３５２を動かすようにリンケージシステム３１４を作動させる。より具体的には、アクチュエータ３４０は、ロッド３４６を動かすボール及びソケットジョイント３４８を動かすことを含みながら、リンケージシステム３１４を駆動するために、制御システム１０８から制御信号を受信する。さらに、アクチュエータ３４２は、ロッド３５４を動かすボール・ソケットジョイント３５６を動かすことを含みながら、リンケージシステム３１４を駆動するために、制御システム１０８から制御信号を受信する。ロッド３４６及びロッド３５４が一緒に動くとき、器具ガイド３５２は、Ｘ方向軸に沿って動く。ロッド３４６及びロッド３５４が反対に動くとき、器具ガイド３５２は、Ｙ方向軸に沿って動く。１つのロッド３４６又は３５４のみが動いている場合、器具ガイド３５２は、Ｘ及びＹ方向軸の両方に対してある角度をなして動く。器具ガイド３５２は、ボールジョイント３６０によってシャシ３０２の遠位部分３３０に繋ぎ止められる。

４０８において、器具ガイド３５２のモータ駆動作動に応じて、手術器具３０８の近位端部は、複数の回転自由度で受動的に動くことを可能にされる。より具体的には、手術器具３０８の近位端部は、Ｙ方向軸周りにジンバルプレート３３６を用いて受動的に（ヨー）回転することを可能にされる。加えて、手術器具３０８の近位端部は、Ｘ方向軸周りにシャシインタフェースプレート３８０に対して器具インタフェースプレート３８２を用いて受動的に（ピッチ）回転することを可能にされる。受動的な回転ジョイントの近位配置のために、器具シャフト３９６の遠位又は中間位置の近くの器具ガイド３５２の動作は、手術器具３０８の近位端部におけるより小さいスケールの動作に影響を及ぼす。手術器具の近位端部におけるより小さいスケールの動作は、近位端部の器具の衝突を減少させる又は防ぐ。ロボットアームの衝突を避けるために、幾つかの既存のシステムは、約８−９ｃｍの器具の解剖学的なエントリポイントの間の間隔を必要とし得る。本開示のシステムは、ロボットアームの衝突を避けながら、より近い器具間隔を可能にし得る。

代替実施形態では、シャシの近位端部におけるジンバル又は他の回転ジョイントの１又は複数が、固定ジョイントと置き換えられ得る。この実施形態では、可撓性器具シャフトが使用されることができ、手術器具に、シャシに対する限られた量の回転運動を可能にする。

手術器具に追加的な自由度を提供し且つ狭い患者エントリポイント内に挿入される比較的平行な器具の間の作業スペースを増加させるために、平行運動機構又は「ジョグルジョイント（ｊｏｇｇｌｅ ｊｏｉｎｔ）」が手術器具の遠位端部に加えられ得る。平行運動機構は、エンドエフェクタの近位の、エンドエフェクタの横方向の移動を可能にする、手術器具の遠位の一連のジョイント及びリンケージを含む。ジョグルジョイント及び平行運動機構の説明は、全体が本願に参照により援用される、米国特許第７，９４２，８６８号及び米国特許出願第１２／４８９，５６６号に提供される。図６は、シャフト５０１を持つ遠位手術器具セクション５００の側面図である。セクション５００は、ジョイント５０２、ジョイント５０４、ジョイント５０６、及びリンケージ５０８、５１０を含む。ジョイント５０２、５０４は＋／−４５°の回転を可能にし、ジョイント５１０は＋／−９０°の回転を可能にする。ジョイント５０２、５０４、５０６及びリンケージ５０８、５１０はシャフト５０１の軸から横方向変位Ｄを提供し、概して平行な手術器具の間のより大きい手術作業スペースを可能にする。

本発明の実施形態における１又は複数の要素は、制御システム１０８のようなコンピュータシステムのプロセッサ上で実行するようにソフトウェアに実装されてもよい。ソフトウェアに実装される場合、本発明の実施形態の要素は、本質的に、必要なタスクを行うコードセグメントである。プログラム又はコードセグメントは、プロセッサ可読記憶媒体又は装置において記憶されることができ、伝送媒体又は通信リンクにわたる搬送波に表されるコンピュータデータシグナルとしてダウンロードされてもよい。プロセッサ可読記憶装置は、光媒体、半導体媒体、及び磁気媒体を含む、情報を記憶することができる任意の媒体を含み得る。プロセッサ可読記憶装置の例は、電子回路、半導体素子、半導体メモリ素子、読取り専用メモリ（ＲＯＭ）、フラッシュメモリ、消去可能プログラマブル読取り専用メモリ（ＥＰＲＯＭ）、フロッピー（登録商標）ディスケット、ＣＤ−ＲＯＭ、光ディスク、ハードディスク、又は他の記憶装置を含む。コードセグメントは、インターネット、イントラネット等のコンピュータネットワークを介してダウンロードされ得る。

示された処理及び表示は、いかなる特定のコンピュータ又は他の装置にも本質的には関連しないということに留意されたい。種々の汎用システムを、本明細書における教示によるプログラムと共に使用することができる、又は、記載される動作を行うためにより専門の装置を構成することが便利であると証明することができる。種々のこれらのシステムに対する要求される構造は、特許請求の範囲における要素として明らかになる。加えて、本発明の実施形態は、いかなる特定のプログラム言語を参考にしても記載されない。種々のプログラム言語が本明細書において記載される本発明の教示を実装するために使用され得ることが理解されるであろう。

本発明の幾つかの例証的な実施形態が記載され、付随の図面に示されているが、そのような実施形態は単に広義の発明を例示したものであって、その広義の発明を限定するのではないということ、及び、本発明の実施形態は、種々の他の修正が当業者に対して生じ得るため、示され且つ記載される特定の構造及び配置に限定されないということが理解されることになる。

次の付記を記す。
（付記１） 手術システムであって：
スレーブマニピュレータシステムのマニピュレータアームと；
前記マニピュレータアームに接続される器具シャシであって、前記器具シャシの中心軸に沿って近位シャシ部分及び遠位シャシ部分を有する、器具シャシと；
前記近位シャシ部分に移動可能に結合されるとともに第１の手術器具の近位部分を受けるように適合される、第１の器具インタフェースと；
前記遠位シャシ部分の一部を形成する遠位ブリッジ部材であって、前記遠位ブリッジ部材は、少なくとも２自由度を提供するジョイントによって第１の器具ガイド部材に接続され、前記第１の器具ガイド部材は前記第１の手術器具のシャフトを受ける、遠位ブリッジ部材と；
を有する、
手術システム。
（付記２） 前記第１の器具インタフェースを前記近位シャシ部分に結合する第１のインタフェース作動システムをさらに有し、
前記第１のインタフェース作動システムは、前記第１の器具インタフェースを少なくとも２自由度で動かすように構成される、
付記１に記載の手術システム。
（付記３） 前記近位シャシ部分に移動可能に結合されるとともに第２の手術器具の近位部分を受けるように適合される、第２の器具インタフェースをさらに有し、
前記遠位ブリッジ部材は、前記第２の手術器具のシャフトを受ける第２の器具ガイド部材に接続される、
付記１に記載の手術システム。
（付記４） 前記第１の器具インタフェースを前記近位シャシ部分に結合する第１のインタフェース作動システムであって、前記第１の器具インタフェースを少なくとも２自由度で動かすように構成される、第１のインタフェース作動システムと；
前記第２の器具インタフェースを前記近位シャシ部分に結合する第２のインタフェース作動システムであって、前記第２の器具インタフェースを少なくとも２自由度で動かすように構成される、第２のインタフェース作動システムと；
をさらに有する、
付記３に記載の手術システム。
（付記５） 第１のボール・ソケットジョイントを有する第１のリンケージシステムをさらに有し、
第１のアクチュエータが、前記第１のボール・ソケットジョイントによって前記第１の器具ガイド部材に結合され、
前記第１の器具ガイド部材は、第２のボール・ソケットジョイントによって前記遠位ブリッジ部材に結合される、
付記１に記載の手術システム。
（付記６） 前記第１の手術器具は、前記第１の器具インタフェースに結合される前記近位部分と前記第１の器具ガイド部材によって受けられる前記シャフトを有する、
付記１乃至５のいずれか１項に記載の手術システム。
（付記７） 前記遠位ブリッジ部材から延びる観察端部を有する画像キャプチャシステムをさらに有する、
付記１乃至６のいずれか１項に記載の手術システム。
（付記８） 手術システムであって：
近位シャシ部分及び遠位シャシ部分を有する、器具シャシと；
固定された第１のピボットで前記近位シャシ部分に枢動可能に結合される手術器具インタフェースと；
前記遠位シャシ部分に結合される器具ガイド部材であって、前記遠位シャシ部分に対して２以上の自由度で可動である、器具ガイド部材と；
近位器具部分及びシャフトを有する手術器具であって、前記近位器具部分は前記手術器具インタフェースと結合し、前記シャフトは前記近位器具部分から延び、前記シャフトは前記器具ガイド部材と結合される遠位部分を有する、手術器具と；
を有し、
前記手術器具は、前記器具ガイド部材が前記２以上の自由度で動くとき、前記固定された第１のピボットで枢動する、
手術システム。
（付記９） 前記近位シャシ部分にあるアクチュエータと；
前記アクチュエータと前記器具ガイド部材との間のリンケージと；
をさらに有し、
前記器具ガイド部材は、前記アクチュエータが前記リンケージを動かすとき、前記２以上の自由度のうちの少なくとも１つで動く、
付記８に記載の手術システム。
（付記１０） 前記近位シャシ部分にある第１のアクチュエータと；
前記近位シャシ部分にある第２のアクチュエータと；
前記第１のアクチュエータと前記器具ガイド部材との間の第１のリンケージと；
前記第２のアクチュエータと前記器具ガイド部材との間の第２のリンケージと；
をさらに有し、
前記器具ガイド部材は、前記第１のアクチュエータが前記第１のリンケージを動かすとき、前記２以上の自由度のうちの第１の１つで動き、前記器具ガイド部材は、前記第２のアクチュエータが前記第２のリンケージを動かすとき、前記２以上の自由度のうちの第２の１つで動く、
付記８に記載の手術システム。
（付記１１） 近位端部、遠位端部、前記近位端部と前記遠位端部との間のシャフトを有する手術器具と；
２以上の自由度を提供するジョイントによって前記器具ガイド部材に接続される遠位ブリッジ部材と；
前記遠位ブリッジ部材に接続される遠位チューブを有する支持チューブと；
をさらに有し、
シャシ軸が前記近位シャシ部分と前記遠位シャシ部分との間に規定され、
前記手術器具の前記シャフトは、前記支持チューブ内で前記シャシ軸に沿って延びる、
請求項８又は９に記載の手術システム。
（付記１２） 前記手術器具の前記シャフトは可撓性である、
付記１１に記載の手術システム。

Claims (15)

1. 器具ガイドを制御するための作動方法であって、
   制御システムが、１対の近位アクチュエータ及び前記器具ガイドを動作可能に相互接続するリンケージシステムに第１の回転自由度で前記器具ガイドを動かすことを生じさせるように、前記１対の近位アクチュエータの第１のアクチュエータに第１の制御信号を提供するステップであって、前記１対の近位アクチュエータは器具シャシの近位取付セクションに結合され、前記器具ガイドは前記器具シャシの遠位取付セクションに移動可能に結合され、前記遠位取付セクションは、前記遠位取付セクションが前記近位取付セクションと共に動くように、前記近位取付セクションに強固に結合される、ステップと；
   前記制御システムが、前記リンケージシステムに第２の回転自由度で前記器具ガイドを動かすことを生じさせるように、前記１対の近位アクチュエータの第２のアクチュエータに第２の制御信号を提供するステップと；
   前記制御システムが、前記リンケージシステムに第３の回転自由度で前記器具ガイドを動かすことを生じさせるように、前記１対の近位アクチュエータのそれぞれに第３の制御信号を提供するステップと；
   を含む、方法。
2. 前記１対の近位アクチュエータが、ジンバルの軸周りに前記器具シャシに対して器具インタフェースを枢動させるステップをさらに含む、
   請求項１に記載の方法。
3. 前記制御システムが、前記器具シャシに対して前記器具インタフェースを直線的にスライドさせるように駆動システムに指示するステップをさらに含む、
   請求項２に記載の方法。
4. 前記器具シャシの前記近位取付セクション及び前記遠位取付セクションが、画像キャプチャ装置を支持するステップをさらに含む、
   請求項１に記載の方法。
5. 前記近位取付セクション及び前記器具ガイドが、第１の手術器具を受けるステップをさらに含む、
   請求項１に記載の方法。
6. 前記制御システムが、前記第１の手術器具のエンドエフェクタを動かすように、器具インタフェースにマニピュレータ作動信号を提供するステップをさらに含む、
   請求項５に記載の方法。
7. 前記制御システムが、前記第１の手術器具の手首ジョイントを動かすように、器具インタフェースにマニピュレータ作動信号を提供するステップをさらに含む、
   請求項５に記載の方法。
8. 前記近位取付セクション及び前記器具ガイドが、第２の手術器具を受けるステップをさらに含む、
   請求項５に記載の方法。
9. 前記制御システムが、第２の１対の近位アクチュエータ及び前記遠位取付セクションに移動可能に結合された第２の器具ガイドを動作可能に相互接続する第２のリンケージシステムに前記第２の手術器具を動かすことを生じさせるように、前記近位取付セクションに結合された前記第２の１対の近位アクチュエータに第２の制御信号を提供するステップをさらに含み、前記第１の手術器具及び前記第２の手術器具は、前記器具シャシに対して互いに独立して動く、
   請求項８に記載の方法。
10. 前記第２の１対の近位アクチュエータが、第２のジンバルシステムの軸周りに前記器具シャシに対して第２の器具インタフェースを枢動させるステップをさらに含む、
    請求項９に記載の方法。
11. 前記器具ガイドは、医療器具のシャフトを受けるように、且つ、中心器具軸が前記器具シャシの中心軸に対して移動可能であるように前記医療器具を前記遠位取付セクションに配置された遠位ブリッジ部材に移動可能に結合するように構成される器具ガイド部材を有する、
    請求項１に記載の方法。
12. 前記医療器具の前記シャフトは硬い、
    請求項１１に記載の方法。
13. 前記医療器具の前記シャフトは可撓性である、
    請求項１１に記載の方法。
14. 前記器具シャシの支持チューブが、画像キャプチャシステムを支持するステップをさらに含む、
    請求項１に記載の方法。
15. 前記支持チューブから延びる前記画像キャプチャシステムの内視鏡器具が、画像をキャプチャするステップをさらに含む、
    請求項１４に記載の方法。

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