JP7212427B1 - 処置具ユニット - Google Patents

Abstract

処置具ユニットは、駆動ユニットによって駆動される処置部を有する医療用の処置具ユニットであって、駆動ユニットから処置部へ駆動力を伝える伝達機構を有するシャフトと、シャフトと処置部との間に設けられている関節部２０と、を備える。伝達機構は、関節部を屈曲させる第１のワイヤと、処置部を動作させる第２のワイヤと、を含む。関節部は、第２のワイヤが貫通する孔ｈ１を有し、第１のワイヤの動きによって屈曲するように構成された樹脂製の屈曲部３０と、孔ｈ１の内壁に接するように設けられ、屈曲部３０が屈曲した際に該関節部が軸方向に圧縮されることを抑制する樹脂製チューブ３２と、を有する。

Description

本発明は、処置具ユニットに関し、例えば、医療用の鉗子のような処置具ユニットに関する。

駆動ユニットによって鉗子などの処置部を駆動する医療用マニピュレータは、術者の手の動きを正確に反映して手術による術者及び患者の負担軽減や、遠隔医療の可能性を高める技術として期待されている。

例えば、特許文献１には、関節部及び術具の操作性を確保しやすい医療用器具の関節部及び医療用器具が開示されている。この医療用器具の関節部は、内部に空間を有する筒状に形成された柔軟性の高い外殻部と、外殻部の内部空間に配置され、外殻部よりも圧縮剛性が高い筒状に形成された芯材チューブと、芯材チューブの内部空間に配置され、内部に術具の操作に用いられるケーブルが挿通されるとともに芯材チューブよりもケーブルに対する摩擦係数が小さな材料から形成された筒状の樹脂チューブと、が設けられている。

特開２０２０－１８８３５号公報

ところで、ケーブル等の駆動ワイヤに大きな張力が加えられると、屈曲や把持などの動作を操作者の意図通りに行いにくくなるという現象がある。これは、関節部における圧縮方向の剛性が不足する場合に発生するものであり、当該剛性が不足する関節部が、駆動ワイヤの張力によって収縮して潰れてしまうために発生すると考えられる。この問題に対して、特許文献１の関節部では、金属製の芯材チューブを採用することで圧縮方向の剛性を高めている。

しかしながら、金属材料は圧縮剛性は高いものの、鉗子の操作による繰り返しの屈曲動作に対して応力集中や塑性変形によって破断しやすい。特に、関節部が細径で屈曲半径が小さい場合、金属材料では屈曲柔軟性と伸縮剛性を両立し難い。

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その例示的な目的の一つは、所望の機械的特性を満たす関節部を実現する新たな技術を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の処置具ユニットは、駆動ユニットによって駆動される処置部を有する医療用の処置具ユニットであって、駆動ユニットから処置部へ駆動力を伝える伝達機構を有するシャフトと、シャフトと処置部との間に設けられている関節部と、を備える。伝達機構は、関節部を屈曲させる第１のワイヤと、処置部を動作させる第２のワイヤと、を含む。関節部は、第２のワイヤが貫通する貫通孔を有し、第１のワイヤの動きによって屈曲するように構成された樹脂製の屈曲部と、貫通孔の内壁に接するように設けられ、屈曲部が屈曲した際に該関節部が軸方向に圧縮されることを抑制する樹脂製チューブと、を有する。

この態様によると、樹脂製の屈曲部と第１のワイヤにより関節部を所望の方向に屈曲させる柔軟性が得られると供に、屈曲部の貫通孔に樹脂製チューブを設けることで、屈曲部が屈曲された際に関節部が軸方向に圧縮されることを抑制でき、屈曲柔軟性や圧縮剛性といった機械的特性を満たす関節部を実現できる。

関節部は、該関節部が軸方向に圧縮されることを抑制する金属製の筒状部品を備えていない。つまり、関節部は、金属製の部品を備えずに樹脂部品で構成されることで、金属部品であり得る金属疲労による破断や塑性変形が防止される。

屈曲部は、ＰＥＥＫ、ＰＥＩ、ＰＰＳＵ、ＰＳＵ、ＰＥＳ及びＰＯＭ－Ｃからなる群より選択された少なくとも１つの樹脂を含んでもよい。屈曲部をこのような樹脂材料にすることで、屈曲部に必要な機械的強度、長期耐熱性及び耐薬品性を得ることができる。

屈曲部は、長さが８～５０ｍｍであってもよい。このように曲率半径が非常に小さい屈曲部であっても、樹脂製の材料で構成されることで、精度の高い曲げが可能となる。特に、長さが１２ｍｍ以下、あるいは長さが１０ｍｍ以下の屈曲部も実現しやすくなる。

屈曲部は、直径が４～６ｍｍであり、樹脂製チューブは、ＰＴＦＥからなり、直径が１．８～３．０ｍｍ、内径が０．８～１．５ｍｍであり、第２のワイヤは、直径が０．４～１．２ｍｍのステンレスワイヤ又はニッケルチタンワイヤであってもよい。これにより、直径が小さい関節部を実現できる。

屈曲部は、直径が２．５～４ｍｍであり、樹脂製チューブは、ＰＥＥＫからなり、直径が０．５～１．２ｍｍ、内径が０．２～０．６ｍｍであり、第２のワイヤは、直径が０．２～０．６ｍｍのニッケルチタンワイヤであってもよい。これにより、非常に直径が小さい関節部を実現できる。

屈曲部は、シャフトの軸に沿った第１方向に所定の間隔で複数段に配置される円盤体と、隣り合う円盤体の間を連結し、第１方向と直交する第２方向に延在する連結部であって、第１方向にみて隣り合う連結部の延在方向が互いに異なる連結部と、を有してもよい。これにより、屈曲部において屈曲の際に最も応力が高くなる連結部が優れた曲げ特性を有した樹脂製の材料から構成されているため、優れた屈曲性を長期にわたり確保することができる。例えば、屈曲部は、曲げ変形域（曲げ強度／曲げ弾性率）が３．０％以上であって、圧縮強度が５０ＭＰａ以上であり、曲げ弾性率が１０ＧＰａ以下の樹脂材料によって形成されているとよい。

なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法、装置、システムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。また、上述した各要素を適宜組み合わせたものも、本件特許出願によって特許による保護を求める発明の範囲に含まれうる。

本発明によれば、所望の機械的特性を満たす新たな関節部を提供できる。

本実施の形態に係る医療用マニピュレータを例示する斜視図である。 本実施の形態に係る医療用マニピュレータの処置部を例示する図である。 本実施の形態に係る関節部の斜視図である。 本実施の形態に係る関節部の平面図である。 本実施の形態に係る関節部の正面図である。 柔軟関節部における応力分布を例示する図である。

以下、本発明を実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一又は同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述される全ての特徴やその組合せは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

（医療用マニピュレータの構成）
図１は、本実施の形態に係る医療用マニピュレータを例示する斜視図である。図２は、本実施の形態に係る医療用マニピュレータの処置部を例示する図である。本実施の形態に係る医療用マニピュレータ１０は、処置部１２が設けられた医療用処置具ユニットと、処置部１２を駆動する駆動ユニット１４とを備える。駆動ユニット１４には、例えば空気圧シリンダが用いられる。本実施の形態では、把持部１６を有する処置部１２を備える鉗子ユニット１００を、医療用処置具ユニットの具体例として説明する。

医療用マニピュレータ１０が備える鉗子ユニット１００（医療用処置具ユニット）は、駆動ユニット１４から処置部１２へ駆動力を伝える伝達機構を有するシャフト１８と、シャフト１８と処置部１２との間に設けられている関節部２０とを備える。なお、本実施の形態では、シャフト１８の軸に沿った方向をＸ方向（第１方向）、Ｘ方向と直交する方向の一つをＹ方向、Ｘ方向及びＹ方向と直交する方向をＺ方向と称することとする。

シャフト１８は、伝達機構の一部として複数本のワイヤ１９，２２，２４が内部に挿通されており、駆動ユニット１４からの動力を鉗子ユニット１００の把持部１６に伝える。鉗子ユニット１００は、把持部１６を開閉動作するためのワイヤ１９と、関節部２０を屈曲させて把持部１６の向きを調整するためのワイヤ２２，２４とを備える。

把持部１６には例えばスライドカム２６が設けられており、シャフト１８の中央に挿通されたワイヤ１９によってスライドカム２６を動作させて把持部１６の開閉が行われる。例えば、ワイヤ１９を引っ張ることで把持部１６が閉じ、ワイヤ１９を戻すことで把持部１６が開くようになる。つまり、伝達機構は、関節部２０を屈曲させるワイヤ２２，２４と、処置部１２を動作させるワイヤ１９と、を含む。

ワイヤ２２，２４は、ワイヤ１９を中心とした対称の位置に挿通される。ワイヤ２２，２４の一方を引っ張り、他方を伸ばすことで関節部２０が屈曲し、把持部１６の向きを変えることができる。なお、図２には示されないが、ワイヤ２２，２４の組とは別のワイヤの組も設けられており、ワイヤ２２，２４による関節部２０の屈曲方向と直交する方向への屈曲を行うことができるようになっている。これらのワイヤ操作のバランスによって関節部２０をＸ方向にみて３６０度いずれの方向にも屈曲させることができる。つまり、関節部２０は、多自由度の曲げが可能な機構である。

図３は、本実施の形態に係る関節部の斜視図である。図４は、本実施の形態に係る関節部の平面図である。図５は、本実施の形態に係る関節部の正面図である。

関節部２０は、屈曲部３０と、樹脂製チューブ３２と、を有する。屈曲部３０は、ワイヤ１９が挿入される孔ｈ１が中央を貫通するように形成されており、ワイヤ２２，２４の動きによって屈曲するように構成された樹脂製の部品である。また、樹脂製チューブ３２は、孔ｈ１の内壁２８に接するように設けられ、関節部２０が屈曲した際に屈曲部３０が軸方向（Ｘ方向）に圧縮されることを抑制する。

屈曲部３０は、Ｘ方向に所定の間隔で複数段に配置される円盤体３４と、隣り合う円盤体３４の間を連結し、Ｘ方向と直交する第２方向（ＹＺ平面に沿った方向）に延在する連結部３６とを有する。関節部２０のＸ方向の長さＬ１は約１０ミリメートル（ｍｍ）、直径Ｄ１は約５ｍｍである。１つの円盤体３４の厚さＴ１は約０．４ｍｍ、隣り合う円盤体３４の間隔Ｇ１は約０．５ｍｍである。連結部３６の厚さＴ２は約０．４ｍｍであり、関節部２０の中心（Ｘ方向にみた中心）を通るように延在（円盤体３４の径方向に延在）している。

屈曲部３０においては、１つの円盤体３４と、当該円盤体３４に接続される１つの連結部３６との組を１段の構造体ＳＴとして、隣り合う構造体ＳＴにおける連結部３６のそれぞれの延在方向が互いに４５度相違するように設けられる。すなわち、Ｘ方向にみて、連結部３６の延在方向が４５度ずつ順にずれるように設置される。このように連結部３６が設置されることで、屈曲部３０の屈曲の方向性に対する連結部３６への応力集中が緩和され、屈曲部３０の強度と柔軟性との両立が達成される。

屈曲部３０における構造体ＳＴの段数は、９段以上１２段以下が好ましい。構造体ＳＴの段数が９段よりも少ないと屈曲部３０を屈曲させる際の柔軟性を確保し難くなり、１２段よりも多いと屈曲部３０のＸ方向の圧縮強度（圧縮しにくさ）を確保し難くなる。

図５に示すように、屈曲部３０は、Ｘ方向にみて前述の孔ｈ１が中央に形成されており、屈曲部３０の中央を中心とした所定の円周上にワイヤ２２，２４などが挿入される複数の孔ｈ２が貫通している。孔ｈ１の直径Ｄ２は約１．８ｍｍ、孔ｈ２の直径Ｄ３は約０．５ｍｍである。

本実施の形態に係る医療用マニピュレータ１０で用いられる屈曲部３０は、曲げ変形域（曲げ強度／曲げ弾性率）が３．０％以上であって、圧縮強度が５０ＭＰａ以上であり、曲げ弾性率が１０ＧＰａ以下の樹脂材料によって形成されている。上記のように、円盤体３４及び連結部３６の構造体ＳＴを複数段設けた屈曲部３０を樹脂材料で形成する場合、樹脂材料として上記の特性の範囲内のものを用いることで、屈曲の際に最も応力が高くなる連結部３６が優れた曲げ特性を有することになる。したがって、樹脂材料による屈曲部３０として優れた屈曲性を長期にわたり確保することができる。

屈曲部３０の樹脂材料としては、ＰＥＥＫ（Polyetheretherketone）、ＰＥＩ（polyetherimide）、ＰＰＳＵ（Polyphenylsulfone）、ＰＳＵ（Polysulfone）、ＰＥＳ（Polyethersulfone）、ＰＯＭ－Ｃ（polyacetal copolymer）よりなる群から選択された少なくとも１つの樹脂が含まれる。本実施の形態に係る屈曲部３０に用いられる樹脂材料については後述する。

また、連結部３６の延在方向が関節部２０の先端側に配置される把持部１６の噛み合い面に沿う方向（図１、図２ではＹ方向）には位置しないことが好ましい。これにより、把持部１６の噛み合い面に沿う方向に屈曲しやすくなる。すなわち、把持部１６を閉じる際にはワイヤ１９が引っ張られており、屈曲部３０には圧縮方向に力が加えられる。この状態では、屈曲部３０に圧縮方向に力が加わっていない場合に比べて屈曲部３０の屈曲に力を要することになる。鉗子ユニット１００では把持部１６を閉じた状態で噛み合い方向（噛み合い面）に沿って屈曲させる動作が行われる。連結部３６の延在方向が噛み合い面に沿う方向に位置しないことで、把持部１６を閉じた状態でも噛み合い面に沿った屈曲動作を行いやすくなる。

ここで、本願発明者は、本実施の形態に係る医療用マニピュレータ１０の屈曲部３０における樹脂材料について様々な検討を行うことで、本願発明を見出した。その検討について以下に示す。

柔軟な関節部２０を備えたロボット鉗子（医療用マニピュレータ１０の例）は、金属部品との接合部における剛性特性と柔軟性特性との間でのトレードオフ関係の問題を有する。この問題に対して、本願発明者は、優れた耐熱性、化学的安定性、及び機械的強度から医療機器に広く用いられているスーパーエンジニアリングプラスチック（ＳＥＰ）により屈曲部３０を構成することを検討した。

屈曲部３０の試作品は、１２個の機械加工されたスリットを備えたポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）部品を用いて設計されており、鉗子ユニット１００の曲げ及び把持の動きはワイヤ作動によって実現される。性能評価の結果は、軸方向（Ｘ方向）の圧縮力が与えられた場合であってもＰＥＥＫ製の屈曲部３０がその曲げ範囲を維持しうることを示している。

ＰＥＥＫ製の屈曲部３０は、３０ニュートン（Ｎ）の圧縮力に対して耐久性があり、圧縮の程度と圧縮力の関係は線形である。また、ＰＥＥＫ製の屈曲部３０は、その曲げの機械的特性が大きくは変化することなく、最大１００００回の曲げに耐える。また、本実施の形態に係る屈曲部３０は、鉗子ユニット１００の把持部１６から環境に１．２Ｎを超える力を出力するのに十分な剛性がある。本願発明者による実験結果は、開発された鉗子ユニット１００がロボット手術の基本的な実現可能性能を有していることを示している。

次に、本願発明者が行った屈曲部３０の具体的な樹脂材料の検討について詳細に説明する。

（セクション１）
多自由度（ＤＯＦ）は、ロボット低侵襲手術システムにおいて用いられるロボット鉗子（医療用マニピュレータ１０）に必要不可欠である。本検討は、ロボット鉗子（医療用マニピュレータ１０）の遠位曲げ接合部（関節部２０）の機構に焦点を当てる。

例えば、特に狭い空間で腹腔鏡手術を実行するためには、ロボット鉗子（医療用マニピュレータ１０）の関節部において、剛性と柔軟性の両特性を満たす必要がある。したがって、連続体接合部（屈曲部）においては、金属の代わりに別の材料を用いることが期待される。

多くの場合、スーパーエンジニアリングプラスチック（ＳＥＰ）は、軸方向と曲げ方向の両方において作業負荷に直面する機械部品において用いられる（例えば、ポリアセタール材料で作製された柔軟連結器）。また、ＳＥＰは、多くの場合に優れた耐熱性、化学的安定性等を有する。これらの利点により、ＳＥＰは絶縁、殺菌、軽量化、及び非磁性等の特殊な環境で用いられる医療機器に適している。

そこで、本検討では、以下の３つの利点により屈曲部３０がＳＥＰ材料で作製されたロボット鉗子（医療用マニピュレータ１０）を提案する。はじめに、ＳＥＰ接合部は、適度な軸方向剛性を維持しつつ金属接合部よりも曲げに柔軟性がある。第二に、ＳＥＰ接合部は、その電気絶縁性により電気ナイフ等の医療エネルギ装置に合理的に適用可能である。第三に、大量生産段階での射出成形により低コストでの製造を実現可能である。

ここでは、ＳＥＰで構成された関節部を備えたロボット鉗子（医療用マニピュレータ１０）の設計及び試作品並びにその実用上の性能評価について説明する。セクション２では、関節部とロボット鉗子（医療用マニピュレータ１０）の作動機構について説明する。セクション３では、関節部の実用上の性能評価のために、圧縮剛性試験の実験結果を示す。

（セクション２）材料及び方法
（２－１）ロボット鉗子の設計及び機構
図１に示すように、医療用マニピュレータ１０の例であるロボット鉗子（医療用マニピュレータ１０）は、主に鉗子ユニット１００と駆動ユニット１４を備えている。鉗子ユニット１００はアクチュエータアダプタ３８を介して駆動ユニット１４に接続され、アクチュエータアダプタ３８は、駆動ユニット１４におけるアクチュエータの動きを鉗子ユニット１００に伝達し、かつ殺菌部と未殺菌部とを容易に分離することができるように設計されている。

鉗子ユニット１００は、シャフト１８と、２自由度の曲げが可能な関節部２０と、把持部１６とを有する。シャフト１８の長さは約３００ｍｍ、シャフト１８及び関節部２０の直径Ｄ１は２．５～６．０ｍｍである。

駆動ユニット１４は、それぞれ位置センサ付きの５つの空気圧シリンダを有し、柔軟関節部制御用の２対のワイヤ腱駆動と、把持部制御用の１つのプッシュプル駆動とを行う。空気圧シリンダは一般に優れた出力重量比を有しているので、駆動ユニット１４の機構は小型かつ軽量である。また、高い逆操縦性（back-drivability）により、外力の推定が実行可能である。

図２に示すように、関節部２０の曲げ部分の長さは１０ｍｍと小型である。関節部２０の曲げ運動は、４本のステンレス鋼線（７×７撚り線、直径：０．３６ｍｍ）によって駆動される。なお、図２には４本のステンレス鋼線のうちの２本であるワイヤ２２，２４が示される。相反ワイヤ（opposite wires）は２本毎に対で動作し、腱駆動機構によって１自由度の曲げ運動を決定する。

把持部１６には、市販の把持鉗子（ケンブリッジエンドー製Ａｕｔｏｎｏｍｙ Ｌａｐｒｏ－Ａｎｇｌｅ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ）を用いた。開閉運動は、中央のステンレススチールワイヤ（１×７撚り線、直径：０．７５ｍｍ）からのプッシュプル作動によって決定される。図２にはステンレススチールワイヤとしてワイヤ１９が示される。把持部１６の根元にあるスライドカム２６は、ワイヤ１９の直線運動を把持部１６の開閉運動に変換する（最大開放角は６６°）。

（２－２）ＳＥＰ材料の選択指針
屈曲部３０はＳＥＰ材料で作製される。本検討では、次の７つのＳＥＰ材料を候補として選択した。すなわち、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）と、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）と、ポリアセタール共重合体（ＰＯＭ－Ｃ）と、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）と、ポリフェニルスルホン（ＰＰＳＵ）と、ポリスルホン（ＰＳＵ）と、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）とである。

全ての候補は、医療材料としての実用に十分な生体適合性を有することが検証されている。また、ＰＯＭ以外の全ての候補は、オートクレーブ殺菌に十分な耐熱性（約１３０℃）を有しており、またこれらは洗浄用の急性（acute）又はアルカリ性の薬剤に対する耐薬品性も有している。

本検討では、優れた機械的剛性から、ＰＥＥＫを用いて屈曲部３０を製造した。一定の用途に適した特定の利点を有していれば、他の材料を用いてもよい。

ＰＰＳ及びＰＥＩの機械的剛性は良好であるが、衝撃に対する耐性が低いことが問題である。ＰＰＳＵ、ＰＳＵ、及びＰＥＳは、ＰＥＥＫよりも柔軟であり良好な成形性を有しているので、屈曲部３０の設計を簡素化することにより製造コストを低減することができ、この場合、屈曲部３０のスリット部分の数をより少なく、また壁厚を厚くすることができる。また、鉗子ユニット１００が繰り返し使うことを想定されていない場合（使い捨ての場合）、屈曲部３０の材料としてＰＯＭ（通常のエンジニアリングプラスチックとして分類される）を用いることもできる。

ここで、上記の７つの樹脂材料のほか、ＰＴＦＥ及びＰＰについても検討した。さらに、金属材料としてＳＵＳ３０４についても検討した。樹脂材料としてＰＴＦＥ及びＰＰを用いて屈曲部３０を構成した場合、圧縮強度が低い（５０ＭＰａ未満）ため、屈曲部３０として強度不足であることが分かった。また、ＳＵＳ３０４を用いて屈曲部３０を構成した場合、曲げ変形域が低く（３．０％未満）、曲げ弾性率が高い（１０ＧＰａ超）ため、関節部２０として構成する場合にはバネ構造にせざるを得ず、何らかの補強部材が必要となる。

上記の検討結果から、屈曲部３０を形成する樹脂材料としては、曲げ変形域（曲げ強度／曲げ弾性率）が３．０％以上であって、圧縮強度が５０ＭＰａ以上であり、曲げ弾性率が１０ＧＰａ以下のものが適している。上記の７つの樹脂材料は、これらの要件を全て満たしている。この中でも、ＰＥＥＫ、ＰＥＩ、ＰＰＳＵ、ＰＳＵ及びＰＥＳが好適であり、最も好適なのはＰＥＥＫである。

（２－３）ＰＥＥＫを用いた屈曲部３０の設計
図３乃至図５に示すように、ＰＥＥＫを用いた屈曲部３０では、１２個のスリットがくり抜かれて曲げ運動を実現しており、各スリットの厚さＴ１は０．４ｍｍである。２つのスリットの間（隣り合う円盤体３４の隙間）の間隔Ｇ１は０．５ｍｍである。２つのスリットの間の接続は、１つ手前のスリットから４５°だけ連続してシフトしている。各円盤体３４には、直径（Ｄ３）が０．５ｍｍの４つの孔ｈ２が同心状に形成されており、各孔ｈ２によって規定される経路を、曲げ運動の駆動を担うワイヤ２２，２４が通過している。また、直径１．８ｍｍの中央の孔ｈ１によって規定される経路を把持運動の駆動を担うワイヤ１９（中央のステンレス鋼ワイヤ）が通過している。

図６は、柔軟関節部における応力分布を例示する図である。図６には、把持力を出力するために３０Ｎの圧縮力が頂部に与えられたときの屈曲部３０における応力分布のＦＥＭ解析結果が示される。圧縮力は、把持運動のためのワイヤ１９の張力から生じる。本実施の形態に係る鉗子ユニット１００によると、ワイヤが３０Ｎで引っ張られたとき、把持力は把持部１６の中央で７．５Ｎを超えている。この値は、腹腔鏡手術ではまずまず十分な把持力である。したがって、鉗子ユニット１００において、３０Ｎを超える圧縮力を生じさせる必要はない。

解析はＳｏｌｉｄｗｏｒｋｓ ２０１７によって実行された。圧縮された長さは、線形静的力学解析による決定では０．４８ｍｍであったことが分かる。幾つかのスポットでの応力は、公称の圧縮強度（１０５ＭＰａ）を超えていた。この結果から、ＰＥＥＫによって形成された屈曲部３０は、把持運動に起因する余分な力による塑性変形を回避するのに十分な耐久性を有することが判明した。

（セクション３）圧縮剛性試験
前述のように、駆動ユニット１４によってワイヤ１９を引っ張って把持力を生成すると、追加の圧縮力が関節部２０に加わる。関節部２０が圧縮されると、処置部１２の位置制御に誤差をもたらすので、関節部２０の圧縮量の評価は重要である。

そこで、屈曲部３０を屈曲させるために用いる４つのワイヤ（ワイヤ２２，２４等）を均一に引っ張るように駆動ユニット１４を駆動した状態で、更にワイヤ１９を引っ張って屈曲部３０に圧縮力を加える。ワイヤ１９に加わる力は、２Ｎずつ３０Ｎまで徐々に増大させた。圧縮力が３０Ｎに増大すると、屈曲部３０が０．６２ｍｍ圧縮されることが判明した。一方、ＦＥＭ解析の結果は、同じ圧縮荷重で０．４８ｍｍの屈曲部３０の圧縮を示している。これにより、ＰＥＥＫで構成された屈曲部３０の圧縮変形を近似的に予測することができる。

本願発明者は、屈曲部３０における所望の屈曲柔軟性を保持しつつ伸縮剛性を高めて、屈曲部３０の圧縮変形を更に抑制する技術として、屈曲部３０の孔ｈ１の内壁に接するように樹脂製チューブ３２を設けた。

これにより、本実施の形態に係る鉗子ユニット１００は、樹脂製の屈曲部３０とワイヤ２２，２４により関節部２０を所望の方向に屈曲させる柔軟性が得られると供に、屈曲部３０の孔ｈ１に樹脂製チューブ３２を設けることで、屈曲部３０が屈曲された際に関節部２０が軸方向に圧縮されることを抑制できる。その結果、屈曲柔軟性や圧縮剛性といった所望の機械的特性を満たす関節部２０を実現できる。

また、本実施の形態に係る関節部２０は、該関節部が軸方向に圧縮されることを抑制する金属製の筒状部品を備えていない。つまり、関節部２０は、金属製の部品を備えずに樹脂部品である屈曲部３０や樹脂製チューブ３２で構成されることで、金属部品を関節部に用いた場合にあり得る金属疲労による破断や塑性変形が防止される。

また、本実施の形態に係る屈曲部３０は、長さが８～５０ｍｍの場合に効果的であり、長さが８～１５ｍｍの場合に特に効果的である。このように屈曲した際の曲率半径が非常に小さい屈曲部３０であっても、樹脂製の材料で構成されることで、比較的小さな力で精度の高い曲げが可能となる。特に、長さが１２ｍｍ以下、あるいは長さが１０ｍｍ以下の屈曲部３０も実現しやすくなる。

本実施の形態に係る鉗子ユニット１００の一例では、屈曲部３０の直径が４～６ｍｍである。また、樹脂製チューブ３２はＰＴＦＥからなり、直径が１．８～３．０ｍｍ、内径が０．８～１．５ｍｍである。また、ワイヤ１９は、直径が０．４～１．２ｍｍのステンレスワイヤ（撚り線）又はニッケルチタンワイヤ（超弾性合金）であってもよい。

より具体的には、長さが１０．６ｍｍ、直径が５．０ｍｍ、材質がＰＥＥＫからなる屈曲部３０の孔ｈ１に、直径２．０ｍｍ、内径１．０ｍｍの、材質がＰＴＦＥからなる樹脂製チューブ３２を挿入した関節部２０の場合、屈曲部３０が３０Ｎの圧縮力を受けると、屈曲部３０が軸方向に０．２３ｍｍ圧縮されることが判明した。つまり、樹脂製チューブ３２を用いることで圧縮量が６３％低減された。このように、ＰＴＦＥの樹脂製チューブ３２で屈曲部３０の中心軸方向の伸縮剛性を高めることで、鉗子ユニット１００の把持部１６が動作する際の関節部２０の圧縮量を抑えることができる。一方、樹脂製チューブ３２は、金属チューブと比較して材料自体が屈曲しやすく、加工によって複雑な形状にする必要がない。加えて、繰り返しの曲げによって金属疲労による破断や塑性変形が起こることもない。これにより、関節部２０を大きくしなくても所望の伸縮剛性が得られるため、直径が小さい関節部２０を実現できる。

また、鉗子ユニット１００の他の例では、屈曲部３０の直径が２．５～４ｍｍである。また、樹脂製チューブ３２はＰＥＥＫからなり、直径が０．５～１．２ｍｍ、内径が０．２～０．６ｍｍである。また、ワイヤ１９は、直径が０．２～０．６ｍｍのニッケルチタンワイヤ（超弾性合金）であってもよい。これにより、非常に直径が小さい関節部２０を実現できる。

以上、本発明を上述の実施の形態を参照して説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、実施の形態の構成を適宜組み合わせたものや置換したものについても本発明に含まれるものである。また、当業者の知識に基づいて実施の形態における組合せや処理の順番を適宜組み替えることや各種の設計変更等の変形を実施の形態に対して加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうる。

例えば、上述の実施の形態では、処置部１２として把持部１６を有する鉗子の例を示したが、鉗子以外の処置部１２であってもよい。具体的には、超音波メス、レーザメスのような切除具が挙げられる。

本発明は、医療用の処置具ユニットに利用できる。

Claims (7)

1. 駆動ユニットによって駆動される処置部を有する医療用の処置具ユニットであって、
   前記駆動ユニットから前記処置部へ駆動力を伝える伝達機構を有するシャフトと、
   前記シャフトと前記処置部との間に設けられている関節部と、を備え、
   前記伝達機構は、前記関節部を屈曲させる第１のワイヤと、前記処置部を動作させる第２のワイヤと、を含み、
   前記関節部は、
   前記第２のワイヤが貫通する貫通孔を有し、前記第１のワイヤの動きによって屈曲するように構成された樹脂製の屈曲部と、
   前記屈曲部が屈曲した際に屈曲した前記貫通孔の中心に沿った方向に該関節部が圧縮されることを抑制する樹脂製チューブと、を有し、
   前記樹脂製チューブは、前記貫通孔の内壁の全体に接するように設けられていることを特徴とする処置具ユニット。
2. 前記関節部は、該関節部が軸方向に圧縮されることを抑制する金属製の筒状部品を備えていないことを特徴とする請求項１に記載の処置具ユニット。
3. 前記屈曲部は、ＰＥＥＫ、ＰＥＩ、ＰＰＳＵ、ＰＳＵ、ＰＥＳ及びＰＯＭ－Ｃからなる群より選択された少なくとも１つの樹脂を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の処置具ユニット。
4. 前記屈曲部は、長さが８～５０ｍｍであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の処置具ユニット。
5. 前記屈曲部は、直径が４～６ｍｍであり、
   前記樹脂製チューブは、ＰＴＦＥからなり、直径が１．８～３．０ｍｍ、内径が０．８～１．５ｍｍであり、
   前記第２のワイヤは、直径が０．４～１．２ｍｍのステンレスワイヤ又はニッケルチタンワイヤであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の処置具ユニット。
6. 前記屈曲部は、直径が２．５～４ｍｍであり、
   前記樹脂製チューブは、ＰＥＥＫからなり、直径が０．５～１．２ｍｍ、内径が０．２～０．６ｍｍであり、
   前記第２のワイヤは、直径が０．２～０．６ｍｍのニッケルチタンワイヤであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の処置具ユニット。
7. 前記屈曲部は、
   前記シャフトの軸に沿った第１方向に所定の間隔で複数段に配置される円盤体と、
   隣り合う前記円盤体の間を連結し、前記第１方向と直交する第２方向に延在する連結部であって、前記第１方向にみて隣り合う前記連結部の延在方向が互いに異なる前記連結部と、を有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の処置具ユニット。

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