JP7463277B2 - 改善されたロボットアームを有する外科用ロボットシステム - Google Patents
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Description
図1は、一実施形態による、外科用ロボットシステム100の等角図である。ユーザ、例えば、医師又は助手は、外科用ロボットシステム100を使用して、患者に対してロボット支援手術を実行する。外科用ロボットシステム100は、テーブル101と、カラム102と、互いに物理的に連結されたベース103と、を含む。図1には示されていないが、テーブル101、カラム102及び/又はベース103は、外科用ロボットシステム100の機能を支持する電子機器、流体装置、空圧、吸引、又は他の電気的及び機械的構成要素を収容、接続、又は使用してもよい。
図2Aは、一実施形態による、外科用ロボットシステム100のテーブル201Aの等角図である。テーブル201Aは、図1のテーブル101の一実施形態である。テーブル201Aは、1つ又は2つ以上のセグメントのセットを含む。一般に、ユーザは、セグメントのセットを構成することによってテーブル201Aの構成を変更する。外科用ロボットシステム100はまた、例えば、セグメントのセットのセグメントを再配置するためにモータを使用することによって、セグメントを自動的に構成してもよい。セグメントの例示的なセットが図2Aに示されており、これは、旋回セグメント210と、中央セグメント212と、折り畳み可能なセグメント214と、分離可能なセグメント216と、テーブルベース218と、を含む。旋回セグメント210、中央セグメント212、及び折り畳み可能なセグメント214は、テーブルベース218に連結されている。図2Aは、テーブルベース218から分離された分離可能なセグメント216を示しているが、分離可能なセグメント216はまた、テーブルベース218に連結されていてもよい。様々な実装態様では、追加の又はより少ないセグメントが使用されてもよい。
図3Aは、一実施形態による、外科用ロボットシステム100のカラム102の側面切欠図である。カラム102は、外科用ロボットシステム100の機能を実行するための電気的及び機械的並びに他のタイプの構成要素を含む。カラム102は、ピッチ回転機構310、カラム伸縮式機構320、リング伸縮式機構330A及び330B、並びにリング回転機構340A及び340Bを含む。リング回転機構340A及び340Bは、図3Bに更に記載される。
図4Aは、一実施形態による、カラム装着ロボットアーム470Aを有する外科用ロボットシステム400Aの等角図である。外科用ロボットシステム400Aは、一セットのロボットアーム、一セットのカラムリング、テーブル401A、カラム402A、及びベース403Aを含む。外科用ロボットシステム400Aは、図1に示す外科用ロボットシステム100の一実施形態である。一般に、ロボットアームのセットは、ロボットアーム470Aなどの1つ又は2つ以上のロボットアームを含み、ロボットアームは、カラムリング405Aなどの1つ又は2つ以上のカラムリングに連結されている。カラムリングは、以下のセクションV.カラムリングにおける図5A~図5Eに関連してより詳細に説明される。ロボットアームは、以下のセクションVI.ロボットアームにおける図6A~図6Cに関連してより詳細に説明される。カラムリング405Aは、カラム402Aに移動可能に連結されている。したがって、カラム405Aに取り付けられたロボットアーム470Aは、カラム装着ロボットアーム470Aと称され得る。上記で紹介したように、外科用ロボットシステム400Aは、ロボットアーム470Aを使用して、テーブル401A上に位置する患者に対して外科手術を実行する。
図5Aは、一実施形態による、外科用ロボットシステム(例えば、外科用ロボットシステム100、400A又は400B)のカラムリング505の等角図である。
図6Aは、一実施形態による、外科用ロボットシステム(例えば、外科用ロボットシステム100、400A又は400B)のロボットアーム670の等角図である。一般に、ロボットアーム670は、ロボットアームセグメント671、672、673、674、675、676及び677などの一セットのロボットアームセグメントを含む。各アームセグメントは、アームセグメント接合部で少なくとも1つの他のアームセグメントに移動可能に連結されている。具体的には、第1のアームセグメント671は、第2のアームセグメント672に移動可能に連結されており、第2のアームセグメント672は、第3のアームセグメント673に移動可能に連結されており、同じように続いている。第1のアームセグメント671は、アームマウント(例えば、図5Aのアームマウント506A)に移動可能に連結されている。第7のアームセグメント677(又は7以外のいくつかのアームセグメントを含む一セットのアームセグメントのセットの最後のアームセグメント)は、外科用器具に連結されている。第7のアームセグメント677はまた、クランプ又はロボット指部などの外科用器具を保持するための機構を含んでもよい。ロボットアーム670は、モータ、歯車、及びセンサなどの電気的及び機械的構成要素を、ロボットアームセグメントの内側に使用して、アームセグメント接合部でアームセグメントを回転させる。
図4Bの外科用ロボットシステム400Bは、ロボットアームのセットのカラム装着ロボットアームを使用して、様々な外科手術を実行する。外科用ロボットシステム400Bは、外科手術の前、その間、及び/又はその後に、テーブル401B上に位置する患者の部分にアクセスするように、カラム装着ロボットアームを構成する。カラム装着ロボットアームは、尿管鏡検査、経皮的腎切石術(PCNL(percutaneous nephrolithotomy))、結腸鏡検査、及び透視検査などの外科手術のために、患者の鼠径部付近の部分にアクセスする。カラム装着ロボットアームは、前立腺切除術、結腸切除術、胆嚢切除術、及び鼠径ヘルニアなどの外科手術のために、コア(例えば、腹部)領域の患者の付近の部分にアクセスする。カラム装着ロボットアームは、気管支鏡検査、内視鏡逆行性胆管解剖学的断層撮影(ERCP(endoscopic retrograde cholangiopancreatography))などの外科手術のために、患者の頭部付近の部分にアクセスする。
図7Aは、一実施形態による、患者708の下半身領域にアクセスするように構成されたカラム装着アームを有する、外科用ロボットシステム700Aの等角図である。外科用ロボットシステム700Aは、図4Bの外科用ロボットシステム400Bよりも多くの構成要素を含む一実施形態である。具体的には、外科用ロボットシステム700Aは、一セットのロボットアーム(合計5つのロボットアームを含む)及び一セットの3つのカラムリングを含む。第1のロボットアーム770A及び第2のロボットアーム770Bは、第1のカラムリング705Aに連結されている。第3のロボットアーム770C及び第4のロボットアーム770Dは、第2のカラムリング705Bに連結されている。第5のロボットアーム770Eは、第3のカラムリング705Cに連結されている。図7Aは、患者708の下半身領域へのアクセスを必要とする外科手術(例えば、尿管鏡検査)を受けている、テーブル701上に位置する患者708のワイレレームを示す。患者708の脚部は、外科用ロボットシステム700Aの部分を不明瞭にしないように示されていない。
図7Eは、一実施形態による、患者708のコア体領域にアクセスするように構成されたカラム装着アームを有する、外科用ロボットシステム700B(又は400B)の等角図である。外科用ロボットシステム700Bは、図7C及び図7Dに示される構成から再構成されており、ここで、ロボットアームは、患者708の下半身領域にアクセスしている。テーブルが旋回セグメント210を含む実施形態では、テーブルの旋回セグメント210は、テーブルの残りの部分と1列に並べられた状態で回転する。テーブル401B上に位置する患者708は、患者708のコア体領域へのアクセスを必要とする外科手術(例えば、前立腺切除術又は腹腔鏡検査)を受ける。各ロボットアームは、外科手術を実行するために外科用器具を操作する。外科用ロボットシステム700Bは、ロボットアームが患者708により多くアクセスすることができるように、カラムリング405B及び405Cを、テーブル401Bに向かって持ち上げる。更に、外科ロボットシステム700Bは、ロボットアームのうちの2つが、テーブル401Bの一方の側から延在し、かつロボットアームのうちの他方の2つが、401Bの対向する側から延在するように、カラムリングを回転させる。したがって、ロボットアームは、外科手術中に互いに干渉する(例えば、ロボットアームが別のロボットアームの運動を阻止する)可能性が低い。
図7Fは、一実施形態による、患者708の上半身領域にアクセスするように構成されたカラム装着アームを有する、外科用ロボットシステム700B(又は400B)の等角図である。外科用ロボットシステム700Bは、図7Eに示される構成から再構成されており、ここで、ロボットアームは、患者708のコア体領域にアクセスしている。テーブルが旋回セグメント210を含む実施形態では、テーブルの旋回セグメント210は、テーブルの残りの部分と1列に並べられた状態で回転する。テーブル401B上に位置する患者708は、患者708の上半身領域、具体的には、患者708の頭部へのアクセスを必要とする外科手術(例えば、気管支鏡検査)を受ける。ロボットアーム470C及びロボットアーム470Dは、外科用器具710D、例えば、気管支鏡を、仮想レール790に沿って患者708の口部内に挿入する。ロボットアーム470Bは、イントロデューサー750に連結されており、例えば、それを保持している。イントロデューサー750は、気管支鏡を、患者708の口部内に方向付ける外科用器具である。具体的には、仮想レール790に沿った気管支鏡の軌道は、患者708に対して平行に開始する。イントロデューサー750は、気管支鏡が口部に入る直前に、仮想レール790の角度を変更する。ロボットアーム470E(図7Fには示されていない)は、外科手術に使用されず、したがって、収容されている。
図8Aは、一実施形態による、外科用ロボットシステム800Aのベース403Aの等角図である。外科用ロボットシステム800Aは、図4Bの外科用ロボットシステム400Bの一実施形態である。外科用ロボットシステム800Aは、ロボットアームが使用されていないときに、ベース403Bの内側にカラム装着ロボットアーム及び/又はカラムリング(図示せず)を格納する。ベース403Bは、格納されたロボットアームを覆う第1のパネル820A及び第2のパネル820Bを含む。第1のパネル820A及び第2のパネル820Bは、廃棄物質が、格納されたロボットアームを脱滅菌するか、ないしは別の方法で汚染することを防止するため、有利である。
図9Aは、一実施形態による、レール装着ロボットアームを有する外科用ロボットシステム900Aの等角図である。外科用ロボットシステム900Aは、一セットのロボットアーム(少なくともアーム470Aを含む)と、一セットのベースレール(少なくともベースレール980Aを含む)と、を含む。ロボットアーム470Aは、ベースレール980Aに連結されている。ベースレールは、以下のセクションX.レールにおける図10A~図10Dに関連して更に説明されている。ベースレール980Aは、ベース103に移動可能に連結されている。したがって、ロボットアーム470Aは、レール装着ロボットアーム470Aと称されてもよい。
図10Aは、一実施形態による、外科用ロボットシステム1000のベースレールの等角図である。ベースレールは、ベースレールに各々移動可能に連結された一セットの1つ又は2つ以上のアームマウントを含んでいる。更に、各アームマウントは、セクションV.カラムリングにおいて図5Aを参照して前述したアームマウント506A又は506Bの一実施形態である。具体的には、ベースレール980Bは、アームマウント1006A、1006B及び1006Cを含む。
XI.A.ハイブリッド構成
図11は、一実施形態による、カラム装着ロボットアーム及びレール装着ロボットアームを有する、外科用ロボットシステム1100の等角図である。カラム装着ロボットアーム及びレール装着ロボットアームの両方を含むハイブリッド構成により、外科ロボットシステム1100は、カラム装着ロボットアームのみ又はレール装着ロボットアームのみを有する外科用ロボットシステムと比較して、ロボットアームを、より多くの数(又は異なるタイプの)位置に構成することができる。更に、外科用ロボットシステム1100は、カラムリングを使用するロボットアームの回転運動、並びにベースレールを使用するロボットアームの並進運動を利用する。
図12は、一実施形態による、外科用ロボットシステム1200のテーブル101、カラム102及びベース103から独立した、例えば、自立型カートとしてのカラム402B及びベース403B上のカラム装着ロボットアームを備えた外科用ロボットシステム1200の等角図である。外科用ロボットシステム1200は、ロボットアームを、テーブル101上に位置する患者708の下半身領域にアクセスするように構成する。一実施形態では、患者と共にテーブル101に連結されたカラム102から分離したカラム402Bを含むカートにロボットアームを装着することは、有利である。例えば、外科用ロボットシステム1200は、テーブルと同じカラムに装着されたロボットアームを有する外科用ロボットシステムと比較して、ロボットアームを、より多くの数の(又は異なるタイプの)位置に構成してもよく、これは、少なくともテーブルがカラム102を越えて延在する角度に限定される。更に、カートは、ユーザが、ロボットアームをより容易に輸送するか、又はカートを静止したままにすることができる、アウトリガキャスタ(例えば、セクションVIII.ベースにおける図8G~図8Jを参照して前述したもの)を含んでもよい。ロボットアームを別々に装着することにより、患者と共にテーブルに連結されたカラムの構成要素及び複雑さの数も低減することができる。
ロボット外科用(又は医療用)システムは、1つ又は2つ以上のロボットアームを支持するための、このセクションに記載されるような調節可能なアーム支持体を含むことができる。調節可能なアーム支持体は、テーブル、テーブルのカラム支持体、又はテーブルのベースのいずれかに取り付けて、テーブルの下方の位置から調節可能なアーム支持体及びロボットアームを展開するように構成され得る。いくつかの実施形態では、調節可能なアーム支持体は、ベッド(又はテーブル)又はベッドに隣接して位置付けられたカートに取り付けられ得る。いくつかの実施例では、調節可能なアーム支持体は、1つ又は2つ以上のロボットアームが装着されるバー、トラック、又はレールを含む。いくつかの実施形態では、調節可能なアーム支持体は、バー、トラック、又はレールの位置の調節を可能にする、少なくとも3つ又は4つの自由度を含む。自由度のうちの1つにより、調節可能なアーム支持体をテーブルに対して垂直に調節することが可能になり得る。調節可能なアーム支持体のこれら及び他の特徴は、図13A~図20の実施例を参照して詳細に説明されることになる。
上述の調節可能なアーム支持体は、テーブル、カラム、又はベースに装着されるように構成され得、調節可能なアーム支持体上に位置付けられたロボットアームを支持するように調節可能(様々な自由度で移動可能)であり得る。調節可能なアーム支持体を、テーブルの表面の下に装着するように構成することができるため、いくつかの実施形態によれば、特定のタイプのロボットアームを、調節可能なアーム支持体と共に用いることが有利であり得る。いくつかの実施形態では、アーム支持体(複数可)及び/又はそれに連結されたロボットアームは、テーブルの表面の上に少なくとも部分的に又は全体的に装着され得る。このセクションは、上述の調節可能なアーム支持体と共に使用するように構成されたロボットアームの特定の特徴を概説する。
上記で簡潔に述べたように、上述のロボットアーム及び器具駆動機構と共に使用することができるいくつかの器具は、器具ベースの挿入アーキテクチャを含むことができる。器具ベースの挿入アーキテクチャは、器具を直線的に挿入する際にロボットアームに依存してしまうことを低減することができる。具体的には、このセクションで説明されるシステム、装置、及び方法は、器具ベースの直線的挿入アーキテクチャを有する器具の実施例を提供する。このセクションで説明される器具ベースの挿入アーキテクチャは、前述のセクションに記載されているロボットアーム及び調節可能なアーム支持体と共に実装され得る。
いくつかの実施形態では、調節可能なアーム支持体及び対応するロボットアームを含むシステムの1つ又は2つ以上の態様は、ソフトウェアを介して制御され得る。例えば、システムは、全ての作動がシステムによってロボット制御され、システムが全てのエンドエフェクタのタブ頂部に対する位置を知るように設計され得る。これは、既存のロボット手術システムが有さないという独特の利点を提供することができる。更に、これは、アーム及びアーム位置決めプラットフォームが同期して移動している間にテーブル頂部を手術中に(例えば、傾斜、トレンデレンブルク、高さ、屈曲など)を調節することと、ロボットアームを移動させることが、ドレーピング又は患者の負荷のために動作野から離れて移動することができることと、臨床医がシステムに手術のタイプを伝えた後に、ロボットアームは、ポートが典型的に配置される位置付近の位置に移動することができる(外科医は、手術の好みに合わせてポート選択「事前設定」を修正及び設定することができる)ことと、エンドエフェクタ上のカメラ及びカニューレ上の視力標的を使用して、「ラストマイル」ドッキングを実行すること(エンドエフェクタの周囲の他の非光学センサは同様の機能性を提供することができる)と、を含む、有利なワークフローを可能にすることができる。
本開示を読むと、当業者は、本明細書に開示される原理によって、更に追加の代替的な構造的設計及び機能的設計を理解するであろう。したがって、特定の実施形態及び用途が図示及び説明されているが、開示される実施形態は、本明細書に開示される正確な構造及び構成要素に限定されないことを理解されたい。添付の特許請求の範囲に定義される趣旨及び範囲から逸脱することなく、本明細書に開示される方法及び装置の配置、動作、及び詳細に対して、当業者には明らかであろう様々な修正、変更、及び変形がなされてもよい。
(1) システムであって、
テーブルと、
前記テーブルの下のテーブル支持体と、
前記テーブル又はテーブル支持体のうちの少なくとも1つに連結されたアーム支持体と、
前記アーム支持体に連結された第1のロボットアームであって、前記第1のロボットアームが、近位部分と、遠位部分と、前記近位部分と前記遠位部分との間の少なくとも4つの電動接合部と、を含み、前記接合部の各々が、他の接合部とは独立して作動されることが可能であり、前記第1のロボットアームが、外科用器具を駆動するように構成された器具駆動機構を含む、第1のロボットアームと、
挿入軸に沿って前記器具の挿入を提供するために、前記第1のロボットアームと関連付けられている、挿入機構と、
前記アーム支持体に連結された第2のロボットアームと、を含む、システム。
(2) 前記第1のロボットアームが、前記第2のロボットアームに対して並進可能である、実施態様1に記載のシステム。
(3) 前記挿入機構が、前記第1のロボットアームとは独立して、前記器具自体内に構築されている、実施態様1に記載のシステム。
(4) 前記挿入機構が、前記第1のロボットアーム内に構築されている、実施態様1に記載のシステム。
(5) 前記挿入機構が、挿入体ハウジングに対して前記器具駆動機構を並進させて、前記挿入軸に沿って前記器具を並進させるように構成されている、実施態様4に記載のシステム。
(7) 前記第1のロボットアーム及び前記第2のロボットアームは、前記テーブルの下方に収容されることが可能である、実施態様1に記載のシステム。
(8) システムであって、
テーブルと、
前記テーブルの下のテーブル支持体と、
前記テーブル又はテーブル支持体のうちの少なくとも1つに連結されたアーム支持体と、
前記アーム支持体に連結された第1のロボットアームであって、前記第1のロボットアームが、近位リンクと、遠位リンクと、前記遠位リンクの遠位端に連結された少なくとも3つの接合部と、を含み、前記接合部の各々は、他の接合部とは独立して作動されることが可能であり、前記第1のロボットアームが、外科用器具を駆動するように構成された器具駆動機構を含む、第1のロボットアームと、
挿入軸に沿って前記器具の挿入を提供するために、前記第1のロボットアームと関連付けられている、挿入機構と、を含む、システム。
(9) 前記接合部のうちの少なくとも2つが、回転接合部である、実施態様8に記載のシステム。
(10) 前記接合部のうちの少なくとも1つが、挿入軸を含む、実施態様9に記載のシステム。
(12) 前記器具軸を中心に前記器具をローリングさせる前記少なくとも1つの接合部が、前記第1のロボットアームの一部又は前記器具自体の一部である、実施態様11に記載のシステム。
(13) 前記アーム支持体に連結された第2のロボットアームを更に含む、実施態様8に記載のシステム。
(14) 前記第1のロボットアームが、前記第2のロボットアームに対して並進可能である、実施態様11に記載のシステム。
(15) 前記第1のロボットアームは、少なくとも7自由度が可能であり、前記自由度のうちの少なくとも1つが、冗長である、実施態様8に記載のシステム。
テーブルと、
前記テーブルを支持するためのテーブル支持体と、
前記テーブル又は前記テーブル支持体のうちの少なくとも1つに連結されたアーム支持体と、
前記アーム支持体に連結された第1のロボットアームであって、前記第1のロボットアームは、前記テーブルの下に収容されること、及び上昇することが可能であり、前記第1のロボットアームが、
近位部分及び遠位部分であって、前記近位部分が、前記アーム支持体に連結されたベースを含み、前記遠位部分が、複数のモータを含む器具駆動機構を含み、前記器具駆動機構が、それに取り付けられた外科用器具を駆動するように構成されている、近位部分及び遠位部分と、
前記近位部分と前記遠位部分との間の複数の電動接合部であって、それにより、複数の自由度における前記器具の移動に適応し、前記接合部の各々は、他の接合部とは独立して作動されることが可能である、複数の電動接合部と、を含む、第1のロボットアームと、
挿入軸に沿って前記器具の挿入を提供するために、前記第1のロボットアームと関連付けられている、挿入機構と、
前記アーム支持体に連結された第2のロボットアームであって、前記第2のロボットアームは、前記テーブルの下に収容されること、及び上昇することが可能である、第2のロボットアームと、を含む、システム。
(17) 前記挿入機構が、前記第1のロボットアームとは独立して、前記器具自体内に構築されている、実施態様16に記載のシステム。
(18) 前記第1のロボットアームは、少なくとも7自由度が可能であり、前記自由度のうちの少なくとも1つが、冗長である、実施態様16に記載のシステム。
(19) 前記第1のロボットアームが、近位リンク及び遠位リンクを含み、少なくとも3つの接合部が、前記遠位リンクの遠位端に連結されており、前記遠位リンクの前記遠位端に連結された前記接合部のうちの少なくとも2つが、回転接合部である、実施態様16に記載のシステム。
(20) 前記外科用器具が、内視鏡器具を含む、実施態様19に記載のシステム。
Claims (13)
- 外科用ロボットシステムであって、
テーブルと、
前記テーブルに連結されたアーム支持体と、
冗長な自由度を有するロボットアームであって、前記アーム支持体に装着されたベースと、肩接合部において前記ベースに接続された近位リンクと、肘接合部において前記近位リンクに接続された遠位リンクと、を含む、ロボットアームと、を含み、
前記肩接合部は、前記アーム支持体に沿って肩部を並進させ、前記肩部をピッチングさせる(shoulder pitch)ことが可能であり、前記ロボットアームは、前記ロボットアームに固定的に取り付けられた器具駆動機構と、
器具と、を含み、
前記器具は、
細長いシャフトと、
エンドエフェクタと、
前記細長いシャフトと前記エンドエフェクタとを前記ロボットアームに取り付けるために、前記ロボットアームの前記器具駆動機構に取り外し可能に取り付けられるように構成されたハンドルと、
前記ハンドル内に配置され、前記細長いシャフトに接続されたケーブルと係合する少なくとも1つのプーリを含む挿入機構であって、前記細長いシャフトを、挿入軸に沿って並進させるように構成された挿入機構と、を含む、外科用ロボットシステム。 - 前記アーム支持体は、前記テーブルに対して垂直に調節されることが可能である、請求項1に記載のシステム。
- 追加のロボットアームを支持するための第2のアーム支持体を更に含む、請求項1に記載のシステム。
- 前記アーム支持体が、前記第2のアーム支持体に独立して調節可能である、請求項3に記載のシステム。
- 前記肩接合部及び前記肘接合部が、電動式である、請求項1に記載のシステム。
- 前記ロボットアームは、少なくとも7自由度が可能である、請求項1に記載のシステム。
- 前記ロボットアームは、前記テーブルの下方に収容されることが可能である、請求項1に記載のシステム。
- 前記肩接合部はまた、前記肩部をヨーイングさせることが可能である、請求項1に記載のシステム。
- 前記ロボットアームが、それに取り付けられた前記器具の器具ドライバのロールを可能にする自由度を含む、請求項1に記載のシステム。
- 前記ロボットアームが、手首接合部を更に含む、請求項1に記載のシステム。
- 前記手首接合部が、部分的に球形の接合部である、請求項10に記載のシステム。
- 前記冗長な自由度が、ポーズ最適化及び衝突回避を可能にする、請求項1に記載のシステム。
- 前記ロボットアームが、手首接合部を更に含んでおり、前記手首接合部、肘接合部、及び肩接合部が、同じ平面内で実質的に位置合わせされ得る、請求項1に記載のシステム。
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