WO2007136090A1 - 医療用マニピュレータ及びこれを用いた医療用マニピュレータ装置 - Google Patents

医療用マニピュレータ及びこれを用いた医療用マニピュレータ装置 Download PDF

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WO2007136090A1
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medical manipulator
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actuator
stage
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Atsushi Nishikawa
Fumio Miyazaki
Kazuhiro Taniguchi
Morito Monden
Mitsugu Sekimoto
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University of Osaka NUC
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Osaka University NUC
Osaka Industrial Promotion Organization
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    • A61B2034/304—Surgical robots including a freely orientable platform, e.g. so called 'Stewart platforms'

Definitions

  • the present invention relates to a medical manipulator and a medical manipulator device using the same.
  • laparoscopic surgery in which a laparoscope 102 and an elongated forceps 103 are inserted into a patient 101 through a small hole in the patient 101 and a surgical procedure is performed, has become widespread. It has been.
  • the laparoscope 102 is operated by a camera assistant 105, and the operator 106 performs necessary treatment using the forceps 103 while viewing the in-vivo image of the patient 101 taken by the laparoscope 102 displayed on the monitor 104.
  • Such laparoscopic surgery has been actively performed because of the physical and mental burden on the patient 101!
  • the operator 106 In laparoscopic surgery, the operator 106 normally operates the forceps 103 using both hands, so the operation of grasping the laparoscope 102 is left to the hand of the camera assistant 105. Therefore, if the communication between the surgeon 106 and the camera assistant 105 is insufficient, it cannot be said that the optimal field of view for the surgeon 106 is always obtained. In addition, the field of view may not be stable due to camera shake of camera assistant 105.
  • FIG. 6A and FIG. 6B are diagrams showing a conventional manipulator device that can grasp and position a laparoscope (see Patent Document 1).
  • Patient 101 is lying on surgical bed 130.
  • the manipulator device 110 is mounted on a fixed base 111 fixed to the floor of the operating room near the surgical bed 130.
  • the manipulator device 110 includes a first spherical joint 112 and a second spherical joint 113 that hold the laparoscope 102.
  • the position of the first spherical joint 112 is fixed near the insertion hole of the laparoscope 102 provided in the abdomen of the patient 101 by the arm 115.
  • the second spherical joint 113 is a two-dimensional plane by a two-dimensional positioning mechanism 120 composed of four links 121, 122, 123, 124 and motors 125, 126. Is positioned at a desired position.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 9-276289
  • a laparoscope 102 without a zoom function used in laparoscopic surgery is inserted into and removed from a patient 101, as shown in FIG. 7, and an insertion hole 101a provided in the abdomen of the patient 101. It is preferable to have 3 degrees of freedom of pitch 133 and kyo 134. Furthermore, the force that the laparoscope 102 is held by a mechanism that does not generate the roll 132 around the insertion direction, or if this mechanism is not provided, the laparoscope 102 has 4 degrees of freedom by adding the roll 1 32 to the above 3 degrees of freedom It is preferable to have a degree.
  • the manipulator device 110 is bent, and the four links 121, 122, 123, 124 are bent.
  • the present invention solves the above-mentioned conventional problems, can position a general-purpose medical instrument such as a laparoscope, and can further reduce the occupation area during operation of the manipulator device
  • An object is to provide a manipulator and a medical manipulator device using the manipulator.
  • a medical manipulator of the present invention includes a base member, a stage configured to hold a medical instrument, and a plurality of actuators connecting the base member and the stage. At least one of the plurality of actuators is Including at least one deformable member. The at least one deformable member deforms according to the amount of energy applied to the at least one deformable member. The at least one actuator expands and contracts along the longitudinal direction of the at least one actuator in response to deformation of the at least one deformation member.
  • a medical manipulator device of the present invention includes the medical manipulator of the present invention described above and a medical instrument held on the stage.
  • the present invention it is possible to position a general-purpose medical instrument such as a laparoscope, and to further reduce the occupation area during operation of the manipulator device, and to The used medical manipulator device can be provided.
  • FIG. 1 is a schematic view showing a state where a medical manipulator device according to an embodiment of the present invention is attached to a patient.
  • FIG. 2 is a diagram showing a schematic configuration of a medical manipulator according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram showing a schematic configuration of an example of an actuator using a shape memory actuator.
  • FIG. 4 is a diagram showing a schematic configuration of an example of an actuator using a polymer based actuator.
  • FIG. 5 is a diagram showing an outline of laparoscopic surgery.
  • FIG. 6A is a side view of a conventional manipulator device capable of grasping and positioning a laparoscope used in laparoscopic surgery.
  • FIG. 6B is a rear view taken along line BB in FIG. 6A.
  • FIG. 7 is a diagram showing the degree of freedom of laparoscopic movement required in laparoscopic surgery.
  • FIG. 1 is a schematic view showing a state in which a medical manipulator device 10 according to an embodiment of the present invention is attached to a patient 101.
  • the medical manipulator device 10 of this embodiment is At least a medical manipulator 20 and a laparoscope 11 as a medical instrument are provided.
  • the medical coupler 20 includes a base member 21, a stage 22 configured to hold a medical instrument, and a plurality of actuators 23 that connect the base member 21 and the stage 22, respectively.
  • Parallel mechanism power is also achieved.
  • the parallel mechanism refers to a mechanism in which the base member 21 to the final output stage 22 are connected in parallel by a plurality of links, like the medical manipulator 20.
  • Both ends of the actuator 23 are connected to the base member 21 and the stage 22 by a known joint mechanism 24 such as a ball joint.
  • the laparoscope 11 is inserted into an opening 22a formed in the center of the stage 22 and a relatively large opening 21a formed in the base member 21 in order, and is held at the periphery of the opening 22a of the stage 22 Is done.
  • the distance and posture (angle) of the stage 22 relative to the base member 21 can be arbitrarily set. At this time, the laparoscope 11 held by the stage 22 is displaced in the opening 21 a formed in the base member 21.
  • the laparoscope 11 held on the stage 22 is moved into the four-degree-of-freedom movement of the insertion / extraction 131, the roll 132, the pitch 133, and the yo 134 shown in FIG. Can be performed. This makes it possible to position general-purpose medical instruments.
  • the medical manipulator is compared with the case where a serial mechanism in which a plurality of links are connected in series between the base member and the final output stage is used. 20's downsizing and light weight are easy, the operating range is reduced, and the positioning accuracy and rigidity of the stage 22 are improved.
  • each actuator 23 can be made inexpensive. Therefore, some or all of the plurality of actuators 23 or the entire medical manipulator 20 can be made disposable. As a result, the cleanliness and safety of the medical manipulator are improved.
  • a Stewart-Gough mechanism including six actuators 23 is used as a parallel mechanism. This makes it possible for the laparoscope 11 to perform 6-degree-of-freedom movement, and in addition to the 4-degree-of-freedom shown in Fig. 7, 2 degrees of freedom are added to increase redundancy and improve safety. To do.
  • Each of the plurality of actuators 23 includes at least one deformation member.
  • the at least one deformable member deforms according to the amount of energy applied to the at least one deformable member.
  • At least one of the actuators expands and contracts along the longitudinal direction of at least one of the actuators according to the deformation of the at least one deformation member.
  • each of the at least one deformable member extends and contracts in cooperation with each other, so that the laparoscope 11 moves with multiple degrees of freedom.
  • At least one deformable member deforms inertially according to the amount of energy applied to the at least one deformable member.
  • the at least one actuator expands and contracts along the longitudinal direction of the at least one actuator in response to inertial deformation of the at least one deformation member.
  • the “elastically deforming deformable member” means a member in which the amount of energy applied from the outside of the deformable member is proportional to the magnitude of deformation of the deformable member. External force of the deformable member The deformable member is deformed by applying energy to the deformable member, and the deformable member returns to its original shape by removing the energy applied to the deformable member.
  • the “deformable member that deforms inertially” is, for example, a polymer artificial muscle “EPAM” (registered trademark) described later.
  • the deforming member that is the driving element of the actuator 23 it is preferable to use a material having a property of being deformed and expanded by a stimulus from the outside, and it is preferable that the degree of expansion and contraction can be controlled.
  • the deformable member satisfying such conditions is not particularly limited, and an artificial muscle can be mentioned. Artificial muscle is an actuator that stretches softly like human muscles.
  • the deformable member withstands washing and high temperature and pressure.
  • the deformable member By using such a deformable member, it is possible to perform ultrasonic cleaning or autoclave sterilization by putting the medical manipulator 20 into an ultrasonic cleaning device or sterilization device without disassembling.
  • artificial muscles are smaller and lighter than an actuator such as a motor. Therefore, the medical manipulator 20 can be further reduced in size and weight easily in combination with a parallel mechanism.
  • the present inventors use artificial muscle as a deforming member, and the size of the actuator 23 is 150 mm (when contracted), the expansion / contraction length is 50 mm, the radius of the base member 21 is 60 mm, the radius of the stage 22 is 30 mm, and the weight is 364 g.
  • the prototype of the medical merlator 20 has been realized.
  • the medical manipulator 20 can be reduced in size and weight, the following effects can be obtained. Since the possibility of contact with the surgeon is reduced, safety is improved, and the occupied space and operating range are small, so that it does not interfere with the operation and can be put into the ultrasonic cleaning apparatus or sterilization apparatus without being disassembled. In addition, since it is easy to carry and attach, the setup is improved, and a patient-mounted medical manipulator device as shown in FIG. 1 can be realized.
  • the manipulator device When the manipulator device is large and heavy, such a manipulator device is generally used by being fixed to a floor of an operating room or the like. In such a case, if the positional relationship between the patient and the coupler device changes during the operation, the positional relationship between the laparoscope and the laparoscope insertion hole provided in the patient may change, and the patient may be injured.
  • a patient-mounted medical manipulator device as shown in Fig. 1 eliminates this problem and improves safety.
  • the movable member of the deformable member represented by artificial muscle is limited, even if its control system runs away, it does not continue to move like a DC motor.
  • the remaining actuators 23 act to suppress the operation mechanically. To do. Therefore, a high degree of safety can be realized.
  • artificial muscles are generally weak and low-rigidity compared to other actuators such as motors.
  • the stage 22 can be driven with a large driving force, and the position can be maintained with high rigidity and high positioning accuracy.
  • Artificial muscles include: an actuator using a shape memory material (shape memory actuator), an actuator using a polymer material (polymer actuator), and an actuator using an electrostatic force (electrostatic actuator). ), Air pressure actuators (air actuators), etc. can be used.
  • FIG. 3 is a diagram showing a schematic configuration of an example of an actuator 50 including a shape memory actuator 54 that also has a metal-based shape memory material force.
  • a rod 52 as a driven member is inserted into a cylindrical sleeve 51 whose one end is open.
  • a compression coil panel 53 that generates a biasing force in a direction to move the rod 52 away from the bottom surface 51a.
  • the shape memory actuator 54 connecting the bottom surface 5 la of the sleeve 51 and the rod 52 is compressed against the urging force generated by the compression coil panel 53.
  • the shape memory activator 54 for example, “BioMetal” (registered trademark) manufactured by Toki Corporation can be used. This shape memory actuator 54 is usually soft and flexible like a nylon thread and can be stretched by applying a tensile force. When a current is applied, it becomes tough like a piano wire, and with a strong force against the length memorized in advance. Shrink.
  • the shape memory actuator is not limited to that shown in FIG. 3.
  • a shape memory panel in which a linear shape memory material is spirally wound to give elasticity may be used.
  • the polymer activator is a general term for polymers that cause deformation by external stimulus.
  • the stimuli range from chemical stimuli (such as changes in pH and water content), electrical stimuli, thermal stimuli, light stimuli, and magnetic stimuli.
  • an actuator that controls a polymer by electrical stimulation is preferable.
  • an ICPF actuator that deforms the polymer by the movement of ions in the polymer when a voltage is applied.
  • FIG. 4 is a diagram showing a schematic configuration of an example of the actuator 60 including the polymer actuator 62. In the cylindrical sleeve with one end open ⁇ Bol [Artificial Muscle Inc.
  • a rod 63 as a rod-like driven member is fixed to one end of the polymer actuator 62, and the other end is fixed to the bottom surface 61 a of the sleeve 61.
  • the rod 63 protrudes from the open end 61b of the sleeve 61.
  • the rod 63 can be moved in the direction of the arrow 63a.
  • this polymer actuator 62 can obtain a high driving force and a large displacement. Therefore, it can be preferably used as the activator 23 of the normal mechanism. In addition, it is superior in terms of durability, displacement, operating speed, and generated stress compared to other polymer actuators that have high polymer material strength.
  • the inventors of the present invention have confirmed that the actuator shown in FIGS. 3 and 4 can be subjected to ultrasonic cleaning and autoturve sterilization.
  • An electrostatic actuator is an actuator that drives an object by utilizing an attractive repulsive force (Coulomb force) that acts between charges.
  • a force that has a pneumatic cylinder is a representative of the air actuator.
  • a flexible microactuator (FMA) or a Mackiben type has been devised!
  • a benolet 15 is attached to a person 101, and the benolet 15 and the base saddle material 21 are connected via a flexible multi-degree-of-freedom gripping arm 17. Also good. Thereby, the wearable medical manipulator device 10 to be worn on the body of the patient 101 can be realized. Since the medical manipulator device 10 is wearable, even if the posture of the patient 101 is changed during the operation, the relative position and posture of the laparoscope 11 with respect to the patient 101 do not change. A high level of safety is ensured. [0039] Since the belt 15 is used as a fixing member for mounting the medical manipulator device 10 to the patient 101, the medical manipulator device 10 can be easily mounted at a desired position of the patient.
  • the belt 15 can be worn around the lower abdomen of the patient 101.
  • the lower abdomen is close to the gallbladder and is less swayed by breathing or the like, so that the medical manipulator device 10 can be fixed firmly.
  • the lower abdomen has a pelvis, it is suitable for fixing the medical manipulator device 10 in terms of anatomy.
  • the operator recognizes that the vicinity of the lower abdomen is suitable for the operation space of the laparoscope, and the medical manipulator device 10 is unlikely to interfere with the operation.
  • the multi-degree-of-freedom gripping arm 17 has mechanical strength that does not change its shape due to its own weight, and flexibility that allows its shape to be freely deformed. One end thereof is fixed to the belt 15 attached to the patient 101, and the other end is fixed to the base member 21 of the medical coupler apparatus 10. By attaching the medical manipulator device 10 to the patient 101 through the multi-degree-of-freedom gripping arm 17, the following effects can be obtained.
  • the multi-degree-of-freedom gripping arm 17 has a predetermined mechanical strength, the relative position of the medical manipulator device 10 with respect to the patient 101 can be kept constant. As a result, even if the posture of the patient 101 is changed during the operation, the relative position and posture of the laparoscope 11 with respect to the patient 101 do not change, so that high safety without damaging the patient 101 is ensured.
  • the multi-degree-of-freedom gripping arm 17 is flexible, initial setting (setup) of the relative position and posture of the medical manipulator device 10 with respect to the patient 101 can be easily performed. Furthermore, the position and posture of the medical manipulator device 10 can be reset freely and easily during the operation. By resetting, a field of view outside the movable range of the medical manipulator 20 before resetting can be newly obtained. If the movable range of the medical manipulator 20 is widened, it may not be necessary to reset the medical manipulator device 10 with respect to the patient 101.However, the operation range of the medical manipulator 20 is expanded, which may interfere with the operation. There is a possibility.
  • the material of the multi-degree-of-freedom gripping arm 17 is not particularly limited.
  • a metal wire can be used.
  • the number may be one or more.
  • the medical manipulator 20 of the present invention is lightweight, it is easy to make the multi-degree-of-freedom gripping arm 17 have both the above-described mechanical strength and flexibility.
  • the laparoscope 11 is preferably held on the stage 22 via a joint mechanism (not shown) that allows a change in the longitudinal angle of the laparoscope 11 with respect to the stage 22.
  • a joint mechanism (not shown) that allows a change in the longitudinal angle of the laparoscope 11 with respect to the stage 22.
  • the laparoscope 11 can perform the operation of the pitch and the center around the insertion hole 101a provided in the patient 101 without difficulty. It is possible to ensure high safety without hurting the patient 101.
  • a joint mechanism is not particularly limited.
  • a spherical sliding bearing to which a mechanism for restricting the roll of the laparoscope 11 with respect to the stage 22 or a joint mechanism having an equivalent function may be used. it can.
  • the laparoscope 11 is preferably held on the stage 22 through a permanent magnet.
  • a permanent magnet 25 is attached to the periphery of the opening 22a of the stage 22, and the metal material attached to the portion of the laparoscope 11 fitted therewith can be magnetically attracted. This facilitates removal of the laparoscope 11 from the medical manipulator 20.
  • the lens at the tip of the laparoscope 11 may become dirty due to fog or return blood when using an electric knife and obstruct the field of view. In such a case, the laparoscope 11 can be removed from the medical manipulator 20 and the lens at the tip thereof can be washed.
  • the present invention is not limited thereto. Not. In the present invention, it is only necessary to include a deformable member in which at least one of the plurality of actuators 23 is elastically deformed. Further, the number of deformation members included in at least one of the plurality of actuators 23 is not limited to one, and may be plural.
  • all of the plurality of actuators 23 include a deformable member that is inertially deformed is shown, but the present invention is not limited to this.
  • all of the plurality of actuators 23 may include a deformable member that deforms in a super inertia manner. The at least one deformable member deforms in a super inertia manner according to the amount of energy stored in the at least one deformable member. At least one of the actuators expands and contracts along the longitudinal direction of the at least one of the actuators in response to at least one deformable member.
  • a deformable member that deforms superelastically means a member in which the amount of energy applied from the outside of the deformable member is not proportional to the magnitude of deformation of the deformable member.
  • the deformable member is deformed by applying energy to the deformable member, and the deformable member returns to its original shape by removing the energy applied to the deformable member.
  • the “deformable member that deforms in a super inertia” is, for example, rBioMetalj (registered trademark). BioMetal is deformed to approximate an elastically deformable member when the amount of energy applied from the outside of BioMetal is a predetermined amount.
  • At least one of the plurality of actuators 23 may include a deformable member that deforms in a super inertia manner. Further, the number of deformation members included in at least one of the plurality of actuators 23 is not limited to one, and may be plural.
  • the force in which the base member 21, the stage 22, and the plurality of actuators 23 that connect them constitutes a parallel mechanism.
  • the parallel mechanism Need not be configured.
  • a base member, a stage, and a plurality of actuators that connect them may constitute a serial mechanism.
  • the serial mechanism of the present invention includes, for example, first and second actuators.
  • Each of the first and second actuators includes a deformable member.
  • Each of the first and second actuators expands and contracts along the longitudinal direction according to the deformation of the deformable member.
  • One end of the first actuator is connected to the base member, the other end of the first actuator is connected to one end of the second actuator, and the other end of the second actuator is connected to the stage. Yes.
  • the longitudinal direction of the first actuator relative to the base member is constant.
  • the angle between the first and second actuators is constant, for example angle d.
  • the maximum occupation range of the serial mechanism of the present invention is that of the second architecture extended to the maximum length.
  • One area is the inner side of the parallelogram that is moved by the first actuator.
  • the range in which the serial mechanism of the present invention can position the stage is included in the parallelogram. Since the shortest length of the second actuator is not zero, the positionable range will never match less than the maximum occupied range.
  • the conventional serial mechanism includes, for example, first and second rods having a predetermined length and two rotating portions. Each rotating unit performs a rotational movement around one axis.
  • One end of the first rod is connected to the base member via one rotating part, and the other end of the first rod is connected to one end of the second rod via another rotating part, The other end of the second rod is connected to the stage.
  • the maximum occupation range of the conventional serial mechanism is an inner region of a circle centered on the base member and having a radius of the total length of the first and second rods.
  • the range in which the serial mechanism of the prior art can position the stage is maximum when the second rod length is equal to or longer than the first rod length. Match.
  • serial mechanism of the present invention is compared with the serial mechanism of the prior art (no deformation member).
  • the maximum occupation range and the positioning possible range can be matched.
  • the maximum occupation range is always larger than the positionable range. Therefore, the conventional serial mechanism cannot be positioned within the maximum occupied range and can be designed so that there is no useless area. From the viewpoint of effective use of the maximum occupied range, This is advantageous compared to the serial mechanism of the present invention.
  • a medical manipulator generally does not require a large positionable range. That is, it is sufficient if the stage can be positioned within a specific limited range. This range is called the positioning required range.
  • the serial mechanism of the present invention does not include a rotating part, and determines the position of the stage by expanding and contracting each of the two deformable members.
  • the conventional serial mechanism has two rod lengths of one. The stage is positioned by changing the direction. Therefore, the protruding area of the occupation range of the serial mechanism from the positioning required range is generally smaller in the serial mechanism of the present invention than in the serial mechanism of the prior art. Therefore, if the serial mechanism of the present invention is used, the occupation range during operation of the manipulator device can be substantially reduced.
  • the medical manipulator device including the laparoscope 11 as the medical instrument has been described.
  • the medical instrument positioned by the medical manipulator 20 is not limited to a laparoscope, and may be, for example, a thoracoscope equipped with a camera that images a patient's body in the same manner as the laparoscope.
  • various functional forceps devices used for internal medicine such as tissue removal, biopsy sampling, or surgical treatment may be used.
  • the laparoscope or thoracoscope
  • a lens system and an illumination fiber are built in a thin tube (called an optical viewing tube or a lens barrel) inserted into a patient, and the camera itself is connected to the thin portion connected to one end of the tube.
  • a type that has been used for general purposes such as a built-in type, a type in which a small camera is attached to the tip of a thin tube inserted into a patient.
  • a medical instrument mounted on the medical manipulator 20 for example, a general-purpose instrument conventionally used in laparoscopic surgery where it is not necessary to use a special instrument that is specially reduced in size and weight. Can be used as is. This is because the medical manipulator 20 has a parallel mechanism and thus has a large driving force and a high positioning accuracy.
  • the wearable medical-use microcomputer device to be attached to the patient's body has been described.
  • the present invention is not limited to this, and may be fixed to the floor of the operating room near the operating table, suspended from the ceiling of the operating room near the operating table, or fixed to the operating table. It may be a fixed medical manipulator device to be used. Even in the case of the fixed type, if the medical manipulator device 10 is supported with the above-described multi-degree-of-freedom gripping arm 17 interposed, the relative position and posture of the medical manipulator device 10 with respect to the patient 101 can be reduced. Initial setting and resetting during surgery can be performed freely and easily. In addition, the position of the medical manipulator device 10 is more fixed in the fixed type than in the wearable type. In some cases, setting the posture is easy.
  • Laparoscopic surgery has rapidly gained popularity because of its medicinal benefits such as shortening hospital stays, not only in its minimally invasive and cosmetic advantages, but also in medical and economic terms.
  • the present invention has particularly high utility value for this laparoscopic surgery.

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Abstract

　医療用マニピュレータ（２０）は、ベース部材（２１）と、医療用器具を保持するように構成されたステージ（２２）と、ベース部材とステージとを連結する複数のアクチュエータ（２３）とを備える。複数のアクチュエータのうちの少なくとも１つのアクチュエータは、少なくとも１つの変形部材を含む。少なくとも１つの変形部材は、少なくとも１つの変形部材に加えられたエネルギー量に応じて変形する。少なくとも１つのアクチュエータは、少なくとも１つの変形部材の変形に応じて、少なくとも１つのアクチュエータの長手方向に沿って伸縮する。これにより、腹腔鏡等の汎用の医療用器具を位置決めでき、また、マニピュレータ装置の動作時における占有領域を小さくすることができる。

Description

明 細 書
医療用マニピュレータ及びこれを用いた医療用マニピュレータ装置 技術分野
[0001] 本発明は、医療用マニピュレータ及びこれを用いた医療用マニピュレータ装置に関 する。
背景技術
[0002] 近年、図 5に示すように、腹腔鏡 102と細長い鉗子 103とを患者 101の体にあけた 小さな穴から患者 101の体内に挿入して外科的処置を行う腹腔鏡下手術が普及して きている。腹腔鏡 102はカメラ助手 105が操作し、術者 106はモニタ 104に映し出さ れる腹腔鏡 102が撮影した患者 101の体内画像を見ながら鉗子 103を用いて必要 な処置を行う。このような腹腔鏡下手術は、患者 101に与える肉体的、精神的負担が 少な 、と!/、うメリットから盛んに行われるようになってきて!/、る。
[0003] 腹腔鏡下手術では、通常、術者 106は両手を駆使して鉗子 103の操作を行うため 、腹腔鏡 102の把持'操作はカメラ助手 105の手に委ねられる。従って、術者 106と カメラ助手 105との意思疎通が不十分であると、術者 106にとつて最適な視野がいつ も得られるとは言えない。また、カメラ助手 105の手振れにより視野が安定しないこと がある。
[0004] そこで、カメラ助手 105に代わって腹腔鏡 102を把持し位置決めするマ-ピュレー タ装置が提案されている。
[0005] 図 6A及び図 6Bは腹腔鏡を把持し位置決めすることができる従来のマニピュレータ 装置を示した図である (特許文献 1参照)。患者 101は手術用ベッド 130上に横たわ つている。マニピュレータ装置 110は手術用ベッド 130付近の手術室の床に固定さ れた固定台 111上に搭載されている。マニピュレータ装置 110は、腹腔鏡 102を把 持する第 1球面ジョイント 112及び第 2球面ジョイント 113を備える。第 1球面ジョイント 112の位置はアーム 115によって患者 101の腹部に設けられた腹腔鏡 102の挿入 孔付近に固定される。第 2球面ジョイント 113は、 4本のリンク 121, 122, 123, 124 及びモータ 125, 126により構成される二次元位置出し機構 120により二次元平面 内の所望する位置に位置決めされる。第 1球面ジョイント 112に対する第 2球面ジョイ ント 113の相対的位置を変えることにより、腹腔鏡 102の挿入方向を任意に変えるこ とがでさる。
特許文献 1：特開平 9 - 276289号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0006] 一般に、腹腔鏡下手術において使用される、ズーム機能を備えていない腹腔鏡 10 2は、図 7に示すように、患者 101に対する抜き差し 131、患者 101の腹部に設けた 揷入孔 101aを中心とするピッチ 133及びョー 134の 3自由度を有していることが好ま しい。更に、腹腔鏡 102が挿入方向回りのロール 132が生じない機構により保持され る力、または、この機構を備えない場合には、腹腔鏡 102は上記 3自由度にロール 1 32を加えた 4自由度を有していることが好ましい。
[0007] しかしながら、図 6A及び図 6Bのマニピュレータ装置では、腹腔鏡 102として光学 ズーム機能を有する専用の腹腔鏡を用いることを前提としているために、抜き差し 13 1を実現できない。したがって、このマニピュレータ装置を用いて、ズーム機能を備え て 、な 、腹腔鏡 102などの汎用の医療用器具を位置決めすることができな 、。
[0008] さら【こ、マニピュレータ装置 110で ίま、 4本のリンク 121, 122, 123, 124の屈 f申【こ よって腹腔鏡 102を位置決めするために、マニピュレータ装置 110の動作時におけ る装置の占有領域が大きくなる。その結果、手術室での術者の移動範囲が制限され る。
[0009] 本発明は、従来の上記の問題を解決し、腹腔鏡等の汎用の医療用器具を位置決 めでき、さらに、マニピュレータ装置の動作時における占有領域を小さくすることがで きる医療用マニピュレータ及びこれを用いた医療用マニピュレータ装置を提供するこ とを目的とする。
課題を解決するための手段
[0010] 本発明の医療用マニピュレータは、ベース部材と、医療用器具を保持するように構 成されたステージと、前記ベース部材と前記ステージとを連結する複数のァクチユエ 一タとを備える。前記複数のァクチユエータのうちの少なくとも 1つのァクチユエータは 、少なくとも 1つの変形部材を含む。前記少なくとも 1つの変形部材は、前記少なくと も 1つの変形部材に加えられたエネルギー量に応じて変形する。前記少なくとも 1つ のァクチユエータは、前記少なくとも 1つの変形部材の変形に応じて、前記少なくとも 1つのァクチユエ一タの長手方向に沿って伸縮する。
[0011] 本発明の医療用マニピュレータ装置は、上記の本発明の医療用マニピュレータと、 前記ステージに保持された医療用器具とを備える。
発明の効果
[0012] 本発明によれば、腹腔鏡等の汎用の医療用器具を位置決めでき、さらに、マ-ピュ レータ装置の動作時における占有領域を小さくすることができる医療用マ-ピュレー タ及びこれを用いた医療用マニピュレータ装置を提供することができる。
図面の簡単な説明
[0013] [図 1]図 1は、本発明の一実施形態に係る医療用マニピュレータ装置を患者に装着し た状態を示した概略図である。
[図 2]図 2は、本発明の一実施形態に係る医療用マニピュレータの概略構成を示した 図である。
[図 3]図 3は、形状記憶ァクチユエータを用いたァクチユエータの一例の概略構成を 示した図である。
[図 4]図 4は、高分子系ァクチユエータを用いたァクチユエータの一例の概略構成を 示した図である。
[図 5]図 5は、腹腔鏡下手術の概略を示した図である。
[図 6A]図 6Aは、腹腔鏡下手術で使用される腹腔鏡を把持し位置決めすることができ る従来のマニピュレータ装置の側面図である。
[図 6B]図 6Bは、図 6Aの B— B線の矢視背面図である。
[図 7]図 7は、腹腔鏡下手術において要求される腹腔鏡の運動の自由度を示した図 である。
発明を実施するための最良の形態
[0014] 図 1は、本発明の一実施形態に係る医療用マニピュレータ装置 10を患者 101に装 着した状態を示した概略図である。本実施形態の医療用マニピュレータ装置 10は、 少なくとも医療用マニピュレータ 20と医療用器具としての腹腔鏡 11とを備えている。
[0015] 医療用マニピュレータ 20の概略構成を図 2に示す。図示したように、医療用マ-ピ ユレータ 20は、ベース部材 21、医療用器具を保持するように構成されたステージ 22 、及びベース部材 21とステージ 22とをそれぞれ連結する複数のァクチユエータ 23を 備えたパラレルメカニズム力もなる。パラレルメカニズムとは、医療用マニピュレータ 2 0のように、ベース部材 21から最終出力であるステージ 22までが複数のリンクで並列 に接続されて ヽる機構を ヽぅ。ァクチユエータ 23の両端とベース部材 21及びステー ジ 22とはボールジョイントなどの周知の関節機構 24により連結されている。
[0016] 腹腔鏡 11は、ステージ 22の中央に形成された開孔 22a及びベース部材 21に形成 された相対的に大きな開孔 21aに順に挿入されて、ステージ 22の開孔 22aの周縁に 保持される。
[0017] 複数のァクチユエータ 23の伸縮量を個別に制御することにより、ベース部材 21に 対するステージ 22の距離及び姿勢 (角度)を任意に設定することができる。このとき、 ステージ 22に保持された腹腔鏡 11は、ベース部材 21に形成された開孔 21a内で変 位する。
[0018] 医療用マニピュレータ 20がパラレルメカニズムを備えることにより、ステージ 22に保 持された腹腔鏡 11に、図 7に示した抜き差し 131、ロール 132、ピッチ 133、及びョー 134の 4自由度の運動を行わせることができる。これにより汎用の医療用器具を位置 決めすることが可能となる。
[0019] また、ノ ラレルメカニズムを用いることにより、ベース部材カも最終出力であるステー ジまでの間に複数のリンクが直列に連結されたシリアルメカニズムを用いた場合に比 ベて、医療用マニピュレータ 20の小型化'軽量ィ匕が容易であり、動作範囲が小さくな り、更に、ステージ 22の位置決め精度と剛性が向上する。
[0020] 更に、パラレルメカニズムを用いることにより、シリアルメカニズムを用いた場合に比 ベて複数のァクチユエータ 23の各々に要求される動作精度、出力、剛性は小さくて も良い。これにより、各ァクチユエ一ター 23を安価にできる。従って、複数のァクチュ エータ 23の一部又は全部、あるいは医療用マニピュレータ 20の全体を使い捨て可 能にすることができる。その結果、医療用マニピュレータの清潔性、安全性が向上す る。
[0021] 本実施形態では、パラレルメカニズムとして 6本のァクチユエータ 23を備えた Stewar t-Gough機構を用いている。これにより、腹腔鏡 11に 6自由度の運動を行わせること が可能となり、図 7に示した 4自由度に加えて更に 2自由度が加えられることで、冗長 性が増し、安全性が向上する。
[0022] 複数のァクチユエータ 23は、少なくとも 1つの変形部材を含む。少なくとも 1つの変 形部材は、少なくとも 1つの変形部材に加えられたエネルギー量に応じて変形する。 少なくとも 1つのァクチユエータは、少なくとも 1つの変形部材の変形に応じて、少なく とも 1つのァクチユエ一タの長手方向に沿って伸縮する。
[0023] 本実施形態では、例えば、少なくとも 1つの変形部材の各々が、互いに協働して伸 縮するので、腹腔鏡 11は多自由度に運動する。
[0024] 例えば、少なくとも 1つの変形部材は、少なくとも 1つの変形部材に加えられたエネ ルギー量に応じて弹性的に変形する。少なくとも 1つのァクチユエータは、少なくとも 1 つの変形部材の弹性的な変形に応じて、少なくとも 1つのァクチユエ一タの長手方向 に沿って伸縮する。ここで「弾性的に変形する変形部材」とは、変形部材の外部から 加えられるエネルギー量と変形部材の変形の大きさとが比例する部材を意味する。 変形部材の外部力 変形部材にエネルギーを加えることで変形部材は変形し、変形 部材に加えられたエネルギーを除くことで変形部材は元の形状に戻る。「弹性的に変 形する変形部材」は、例えば、後述する高分子系人工筋肉「EPAM」（登録商標)で ある。
[0025] ァクチユエータ 23の駆動要素である変形部材としては、外界からの刺激により変形 伸縮する性質を備えた材料を用いることが好ましぐ更に、その伸縮の程度を制御可 能であることが好ましい。このような条件を満足する変形部材としては、特に制限はな いが人工筋肉を挙げることができる。人工筋肉とは、人間の筋肉のように柔らかく伸 縮するァクチユエ一タを 、う。
[0026] また、変形部材は洗浄や高温高圧に耐えることが特に好ましい。このような変形部 材を用いることにより、医療用マニピュレータ 20を分解することなく超音波洗浄装置 や滅菌装置内に投入して超音波洗浄やオートクレープ滅菌をすることが可能になる [0027] また、一般に、人工筋肉は、モータなどのァクチユエータに比べて小型且つ軽量で あるので、パラレルメカニズムとの組み合わせにより医療用マニピュレータ 20の一層 の小型化 ·軽量ィ匕を容易に実現できる。本発明者らは、変形部材として人工筋肉を 用いて、ァクチユエータ 23の長さ（縮小時） 150mm、伸縮長 50mm、ベース部材 21 の半径 60mm、ステージ 22の半径 30mm、重さ 364gという小型軽量の医療用マ- ピユレータ 20の試作機を実現して 、る。
[0028] 医療用マニピュレータ 20を小型化 ·軽量ィ匕できることにより以下のような効果が得ら れる。術者との接触の可能性が低減するので安全性が向上し、占有空間及び動作 範囲が小さいので手術の邪魔にならず、超音波洗浄装置や滅菌装置内に分解する ことなくそのまま投入できる。また、持ち運びや取り付けが容易であるのでセットアップ 性が向上し、また、図 1に示すような患者装着型の医療用マニピュレータ装置を実現 できる。
[0029] マニピュレータ装置が大型且つ大重量である場合、そのようなマニピュレータ装置 は一般に手術室の床などに固定して使用される。このような場合、手術中に患者とマ -ピユレータ装置との位置関係が変わると、腹腔鏡と患者に設けられた腹腔鏡挿入 用孔との位置関係が変わり、患者を傷つける可能性がある。図 1に示すような患者装 着型の医療用マニピュレータ装置であれば、この問題が解消され、安全性が向上す る。
[0030] 更に、人工筋肉で代表される変形部材は、その可動範囲が限定されているので、 万が一その制御系が暴走しても、 DCモータのように運動し続けることはない。また、 複数のァクチユエータ 23のうちの 1つが仮に制御系の暴走などにより制御不能に陥 つて予期せぬ動作をしょうとしても、残りのァクチユエータ 23が機械構造的にその動 作を抑制するように作用する。従って、高度の安全性を実現できる。
[0031] 一方、人工筋肉は、モータなどの他のァクチユエータに比べて、一般に非力で低剛 性である。しかしながら、パラレルメカニズムの複数のァクチユエータ 23として人工筋 肉を用いることにより、ステージ 22を大きな駆動力で駆動することができ、且つ高い 剛性と高い位置決め精度でその位置を維持することが可能になる。 [0032] 人工筋肉としては、形状記憶材料を用いたァクチユエータ (形状記憶ァクチユエ一 タ）、高分子材料を用いたァクチユエータ（ポリマーァクチユエ一タ）、静電力を利用し たァクチユエータ（静電ァクチユエータ）、空気圧を用いたァクチユエータ（エアァクチ ユエータ)などを使用することができる。
[0033] 形状記憶材料とは、事前にその材料に対して特定の形状を記憶させる処理を行つ ておけば、外力による変形を加えても、ある温度に加熱 (又は冷却)すると自らもとの 記憶形状に戻ることのできる機能性材料である。このような効果は金属だけに限らず 、高分子材料やセラミックなどにおいても発見されている。図 3は、金属系形状記憶 材料力もなる形状記憶ァクチユエータ 54を備えたァクチユエータ 50の一例の概略構 成を示した図である。一端が開放された筒状のスリーブ 51内に被駆動部材としての ロッド 52が挿入されている。スリーブ 51の底面 51aとロッド 52との間には、ロッド 52を 底面 51aから遠ざける向きの付勢力を発生する圧縮コイルパネ 53が設けられている 。スリーブ 51の底面 5 laとロッド 52とを連結する形状記憶ァクチユエータ 54力 圧縮 コイルパネ 53が発生する付勢力に対抗して 、る。形状記憶ァクチユエータ 54として は、例えばトキ'コーポレーション株式会社製の「バイオメタル (BioMetal)」（登録商標 )を用いることができる。この形状記憶ァクチユエータ 54は、通常は柔らかくナイロン 糸のようにしなやかで引っ張り力を加えて伸ばすことができる力 電流を流すとピアノ 線のように強靱となり、事前に記憶させた長さに強い力で収縮する。その後、通電を やめると再び柔らかくなり、再度引つ張ると通電前の長さに伸ばす (戻す)ことができる 。形状記憶ァクチユエータ 54を流れる電流を制御することで、ロッド 52を矢印 52a方 向に移動させることができる。形状記憶ァクチユエータとしては図 3に限定されず、例 えば線状の形状記憶材料をらせん状に卷回して弾性を付与した形状記憶パネであ つてもよい。
[0034] ポリマーァクチユエータとは、外界刺激により変形を起こす高分子の総称である。そ の刺激は、化学的刺激 (pHの変化や含浸水分量の変化など)、電気的刺激、熱刺 激、光刺激、磁気刺激など多岐にわたる。その中でも、電気的刺激によりポリマーを 制御するァクチユエータが好ましい。例えば、電圧印加によりポリマー中のイオンが移 動してポリマーが変形する ICPFァクチユエータ、電圧印加により電界溶液中のィォ ンをポリマー電極が吸収して変形する導電性ポリマーァクチユエータ、ポリマーそのも のが誘電分極されて逆圧電効果により変形する圧電ポリマーァクチユエータ、ポリマ 一間の電極に生じるクーロン力で中間層のポリマーが変形する電歪ポリマーァクチュ エータなどを例示できる。ポリマーァクチユエータは、エネルギー効率が高い、低コス トで作製できるなど魅力的な点が多い。図 4は、ポリマーァクチユエータ 62を備えたァ クチユエータ 60の一例の概略構成を示した図である。一端が開放された筒状のスリ ~~ブ ol内【こ、 Artificial Muscle Inc.^OEiectroactive Polymer Artincial Muscle (「EP AM」（登録商標） )技術を用いた円柱状のポリマーァクチユエータ 62が収納されて ヽ る。ポリマーァクチユエータ 62の一端に棒状の被駆動部材としてのロッド 63が固定さ れており、他端はスリーブ 61の底面 61aに固定されている。ロッド 63はスリーブ 61の 開放端 61bより突出している。ポリマーァクチユエータ 62に接続された電極 64に電圧 を印加することにより、ロッド 63を矢印 63a方向に移動させることができる。このポリマ ーァクチユエータ 62は、図 3に示した形状記憶ァクチユエータ 54に比べて、高い駆 動力と大きな変位量を得ることができる。従って、ノ ラレルメカニズムのァクチユエータ 23として好ましく利用することができる。また、他の高分子材料力もなるポリマーァク チユエータに比べて、耐久性、変位量、動作速度、発生応力の点で優れている。
[0035] 本発明者らは、図 3及び図 4に示したァクチユエータは、超音波洗浄及びオートタレ ーブ滅菌が可能であることを確認して 、る。
[0036] 静電ァクチユエータは、電荷と電荷の間に働く吸引 '反発力（クーロン力）を利用し て、物体を駆動するァクチユエータである。
[0037] エアァクチユエータの代表的なものに空気圧シリンダがある力 人工筋肉としては、 フレキシブルマイクロアクチユエータ（FMA)やマッキベン型などが考案されて!、る。
[0038] 図 1に示すように、唐、者 101にべノレト 15を装着し、このべノレト 15とベース咅材 21と を可撓性を有する多自由度把持アーム 17を介して連結しても良い。これにより、患者 101の体に装着するウェアラブル型の医療用マニピュレータ装置 10を実現できる。 医療用マニピュレータ装置 10がウェアラブル型であることにより、手術中に患者 101 の姿勢を変えても、患者 101に対する腹腔鏡 11の相対的な位置や姿勢は変化しな いから、患者 101を傷付けることがなぐ高い安全性が確保される。 [0039] 医療用マニピュレータ装置 10を患者 101に装着するための固定部材としてベルト 1 5を用いて 、るので、医療用マニピュレータ装置 10を患者の所望する位置に容易に 装着することができる。例えば、胆嚢摘出手術を行う場合、ベルト 15を患者 101の下 腹部に周回させて装着することができる。下腹部は、胆嚢に近ぐまた、呼吸等による 揺れが少ないので医療用マニピュレータ装置 10をしつ力りと固定することができる。 また、下腹部には骨盤があるので、解剖学上、医療用マニピュレータ装置 10の固定 に適している。更に、下腹部付近は腹腔鏡の操作空間に適していると術者に認識さ れており、医療用マニピュレータ装置 10が手術の妨げになる可能性は低い。
[0040] 多自由度把持アーム 17は、医療用マニピュレータ装置 10の自重によってその形状 が変化しない機械的強度と、自由にその形状を変形させることができる可撓性とを有 している。その一端は患者 101に装着されたベルト 15に固定され、他端は医療用マ -ピユレータ装置 10のベース部材 21に固定されている。このような多自由度把持ァ ーム 17を介して医療用マニピュレータ装置 10を患者 101に装着することにより、以下 のような効果が得られる。
[0041] 多自由度把持アーム 17が所定の機械的強度を有していることにより、患者 101に 対する医療用マニピュレータ装置 10の相対的位置を一定に維持し続けることができ る。これにより、手術中に患者 101の姿勢を変えても、患者 101に対する腹腔鏡 11の 相対的な位置や姿勢は変化しないから、患者 101を傷付けることがなぐ高い安全性 が確保される。
[0042] 多自由度把持アーム 17が可撓性を有することにより、患者 101に対する医療用マ ニピユレータ装置 10の相対的な位置や姿勢などの初期設定 (セットアップ)を容易に 行える。更に、手術中に医療用マニピュレータ装置 10の位置や姿勢の再設定も自由 且つ容易に行える。再設定により、再設定前の医療用マニピュレータ 20の可動範囲 外の視野を新たに得ることができる。医療用マニピュレータ 20の可動範囲を広くすれ ば、患者 101に対する医療用マニピュレータ装置 10の再設定は不要になる可能性 はあるが、医療用マニピュレータ 20の動作範囲が拡大することにより手術の邪魔にな る可能性がある。可撓性の多自由度把持アーム 17を用いることにより、広い撮影範 囲と医療用マニピュレータ装置 10の小型化とを両立させることができる。 [0043] 多自由度把持アーム 17の材料は特に制限はなぐ例えば金属製線材を用いること ができる。また、その本数は、 1本でも複数本でも良い。
[0044] 本発明の医療用マニピュレータ 20は軽量であるので、多自由度把持アーム 17に、 上述の機械的強度と可撓性とを併せ持たせることは容易である。
[0045] 腹腔鏡 11は、ステージ 22に対する腹腔鏡 11の長手方向の角度変化を許容するジ ョイント機構（図示せず)を介して、ステージ 22に保持されていることが好ましい。これ により、ベース部材 21に対するステージ 22の位置や姿勢が変化したときに、腹腔鏡 11は患者 101に設けた挿入孔 101aを中心とするピッチ及びョ一の動作を無理なく 行うことができるので、患者 101を傷付けることがなぐ高い安全性を確保することが できる。このようなジョイント機構としては、特に制限はないが、例えば、ステージ 22に 対する腹腔鏡 11のロールを制限する機構を付加した球面滑り軸受けや、これと同等 の作用を有するジョイント機構を用いることができる。
[0046] また、腹腔鏡 11は永久磁石を介してステージ 22に保持されることが好ましい。例え ば、図 2に示すようにステージ 22の開口 22aの周縁に永久磁石 25を取り付け、これと 嵌合する腹腔鏡 11の部分に取り付けられた金属材料を磁気吸引させることができる 。これにより、腹腔鏡 11の医療用マニピュレータ 20からの取り外しが容易になる。手 術中には、電気メス使用時の霧や返り血などにより腹腔鏡 11先端のレンズが汚れ、 視界が妨げられる場合がある。このような場合に、腹腔鏡 11を医療用マニピュレータ 20から取り外し、その先端のレンズを洗浄することができる。
[0047] 本発明は、上記に示した実施形態に限定されず、適宜変更することが可能である。
[0048] 例えば、上記の実施形態では、ベース部材 21とステージ 22とを連結する複数のァ クチユエータ 23の全てが弹性的に変形する変形部材を含む例を示したが、本発明 はこれに限定されない。本発明では、複数のァクチユエータ 23のうちの少なくとも 1つ が弾性的に変形する変形部材を含めばよい。また、複数のァクチユエータ 23のうち の少なくとも 1つに含まれる変形部材の数は、 1つに限定されず、複数であってもよい
[0049] 上記の実施形態では、複数のァクチユエータ 23の全てが弹性的に変形する変形 部材を含む例を示したが、本発明はこれに限定されない。 [0050] 例えば、複数のァクチユエータ 23の全ては、超弹性的に変形する変形部材を含ん でもよい。少なくとも 1つの変形部材は、少なくとも 1つの変形部材にカ卩えられたエネ ルギー量に応じて超弹性的に変形する。少なくとも 1つのァクチユエータは、少なくと も 1つの変形部材の超弹性的な変形に応じて、少なくとも 1つのァクチユエ一タの長 手方向に沿って伸縮する。ここで「超弾性的に変形する変形部材」とは、変形部材の 外部から加えられるエネルギー量と変形部材の変形の大きさとが比例しない部材を 意味する。変形部材の外部力 変形部材にエネルギーを加えることで変形部材は変 形し、変形部材に加えられたエネルギーを除くことで変形部材は元の形状に戻る。「 超弹性的に変形する変形部材」は、例えば、 rBioMetalj (登録商標）である。なお、 BioMetalは、 BioMetalの外部から加えられるエネルギー量が所定の大きさである 場合には、弾性的に変形する部材に近似して変形する。
[0051] 複数のァクチユエータ 23のうちの少なくとも 1つが超弹性的に変形する変形部材を 含んでもよい。また、複数のァクチユエータ 23のうちの少なくとも 1つに含まれる変形 部材の数は、 1つに限定されず、複数であってもよい。
[0052] また、上記の実施形態では、ベース部材 21と、ステージ 22と、これらを連結する複 数のァクチユエータ 23とがパラレルメカニズムを構成していた力 本発明の医療用マ -ピユレータではパラレルメカニズムが構成されている必要はない。例えば、ベース 部材と、ステージと、これらを連結する複数のァクチユエータとがシリアルメカニズムを 構成していても良い。
[0053] 以下、変形部材付きァクチユエータを含むシリアルメカニズムの例を説明する。本 発明のシリアルメカニズムは、例えば第 1及び第 2のァクチユエータを備える。第 1及 び第 2のァクチユエータの各々は 1つの変形部材を含む。第 1及び第 2のァクチユエ 一ターの各々は変形部材の変形に応じてその長手方向に沿って伸縮する。第 1のァ クチユエータの一端はベース部材に接続され、第 1のァクチユエ一タの他端は第 2の ァクチユエータの一端に接続され、第 2のァクチユエ一タの他端はステージに接続さ れている。ベース部材に対する第 1のァクチユエ一タの長手方向の向きは一定である 。第 1及び第 2のァクチユエータの間の角度は一定で、例えば角度 dである。
[0054] 本発明のシリアルメカニズムの最大占有範囲は、最大長に伸びた第 2のァクチユエ 一タが第 1のァクチユエータによって移動する平行四辺形の内側領域である。本発明 のシリアルメカニズムがステージを位置決めできる範囲 (位置決め可能範囲）は、上 記平行四辺形に含まれる。第 2のァクチユエータの最短長はゼロではないので、位置 決め可能範囲は、最大占有範囲より小さぐ一致することはない。
[0055] 一方、従来技術のシリアルメカニズムは、例えば一定長さの第 1及び第 2のロッドと 2 つの回動部とを備える。各回動部は、一軸回りの回転運動を行う。第 1のロッドの一 端は 1つの回動部を介してベース部材に接続され、第 1のロッドの他端は別の 1つの 回動部を介して第 2のロッドの一端に接続され、第 2のロッドの他端はステージに接続 されている。
[0056] 従来技術のシリアルメカニズムの最大占有範囲は、ベース部材を中心とし、第 1及 び第 2のロッドの合計長を半径とする円の内側領域である。従来技術のシリアルメカ ニズムがステージを位置決めできる範囲 (位置決め可能範囲）は、第 2のロッド長が第 1のロッド長と同一又はこれより長い場合に最大となり、この場合、上記円の内側領域 と一致する。
[0057] 本発明のシリアルメカニズムと従来技術のシリアルメカニズム (変形部材なし）とを比 較する。
[0058] 従来技術のシリアルメカニズムでは、最大占有範囲と位置決め可能範囲とを一致さ せることができる。これに対して、本発明のシリアルメカニズムでは、最大占有範囲は 、位置決め可能範囲より常に大きい。従って、従来技術のシリアルメカニズムは、最 大占有範囲内に位置決めできな 、無駄な領域が存在しな 、ように設計することが可 能であるので、最大占有範囲の有効利用の観点からは、本発明のシリアルメカ-ズ ムに比べて有利である。
[0059] し力しながら、医療用マニピュレータでは、一般に大きな位置決め可能範囲は必要 ない。即ち、特定の限られた範囲内でステージを位置決めできれば十分である。この 範囲を位置決め必要範囲と呼ぶことにする。ステージを位置決め必要範囲内で位置 決めする際のシリアルメカニズムの占有範囲を考える。本発明のシリアルメカニズム は、回動部を備えておらず、 2つの変形部材をそれぞれ伸縮することでステージの位 置決めを行う。これに対して、従来技術のシリアルメカニズムは、 2本のロッド長は一 定で、その向きを変えることでステージの位置決めを行う。従って、シリアルメカニズム の占有範囲の、位置決め必要範囲からのはみ出し面積は、本発明のシリアルメカ- ズムは、従来技術のシリアルメカニズムに比べて一般に小さい。よって、本発明のシリ アルメカニズムを用いれば、マニピュレータ装置の動作時における占有範囲を実質 的に小さくすることができる。
[0060] 上記の実施形態では、医療用器具として腹腔鏡 11を備えた医療用マニピュレータ 装置を説明した。しかしながら、医療用マニピュレータ 20によって位置決めされる医 療用器具は腹腔鏡に限定されず、例えば、腹腔鏡と同様に患者の体内を撮影する カメラを搭載した胸腔鏡であっても良い。あるいは、組織の除去、生検サンプリング等 の内科又は外科医療等に使用される各種機能鉗子器具等であっても良い。
[0061] ここで、腹腔鏡 (又は胸腔鏡)の構成に特に制限はない。例えば、患者に挿入され る細い管 (光学視管又は鏡筒という）内にレンズ系と照明用のファイバーが内臓され ており、カメラ自体はこの細 、管の一端に接続された太 、部分に内臓されて 、るタイ プ、患者に挿入される細い管の先端に小さなカメラが装着されているタイプなど、従 来力 汎用されているものを使用することができる。
[0062] 医療用マニピュレータ 20に搭載される医療用器具としては、例えば特別に小型軽 量化した特殊な器具を使用する必要はなぐ腹腔鏡下手術において従来カゝら使用さ れていた汎用の器具をそのまま使用することができる。これは、医療用マニピュレータ 20がパラレルメカニズムを備えていることにより、大きな駆動力と高い位置決め精度 を有している力もである。
[0063] 上記の実施形態では、患者の体に装着するウェアラブル型の医療用マ-ピュレー タ装置を説明した。し力しながら、本発明はこれに限定されず、手術台付近の手術室 の床に固定したり、手術台付近の手術室の天井から吊り下げたり、あるいは、手術台 に固定したりして使用される固定型の医療用マニピュレータ装置であっても良い。固 定型の場合であっても、上述の多自由度把持アーム 17を介在させて医療用マ-ピュ レータ装置 10を支持すると、患者 101に対する医療用マニピュレータ装置 10の相対 的な位置や姿勢などの初期設定や手術中の再設定を自由且つ容易に行える。また 、固定型の方が、ウェアラブル型に比べて、医療用マニピュレータ装置 10の位置や 姿勢の設定が容易である場合もある。
[0064] 以上に説明した実施の形態は、いずれもあくまでも本発明の技術的内容を明らか にする意図のものであって、本発明はこのような具体例にのみ限定して解釈されるも のではなぐその発明の精神と請求の範囲に記載する範囲内でいろいろと変更して 実施することができ、本発明を広義に解釈すべきである。
産業上の利用可能性
[0065] 腹腔鏡下手術は、その低侵襲性や美容面での優位性だけでなぐ医療経済的に おいても入院期間の短縮などのメリットが認められ、急速に普及してきている。本発明 はこの腹腔鏡下手術にぉ 、て特に高 、利用価値を有して 、る。

Claims

請求の範囲
[1] ベース部材と、
医療用器具を保持するように構成されたステージと、
前記ベース部材と前記ステージとを連結する複数のァクチユエータと
を備えた医療用マニピュレータであって、
前記複数のァクチユエータのうちの少なくとも 1つのァクチユエータは、少なくとも 1 つの変形部材を含み、
前記少なくとも 1つの変形部材は、前記少なくとも 1つの変形部材に加えられたエネ ルギー量に応じて変形し、
前記少なくとも 1つのァクチユエータは、前記少なくとも 1つの変形部材の変形に応 じて、前記少なくとも 1つのァクチユエ一タの長手方向に沿って伸縮する医療用マ- ピュレータ。
[2] 前記少なくとも 1つの変形部材は、前記少なくとも 1つの変形部材に加えられたエネ ルギー量に応じて弹性的に変形し、
前記少なくとも 1つのァクチユエータは、前記少なくとも 1つの変形部材の弹性的な 変形に応じて、前記少なくとも 1つのァクチユエ一タの長手方向に沿って伸縮する請 求項 1に記載の医療用マニピュレータ。
[3] 前記少なくとも 1つの変形部材は、前記少なくとも 1つの変形部材に加えられたエネ ルギー量に応じて超弹性的に変形し、
前記少なくとも 1つのァクチユエータは、前記少なくとも 1つの変形部材の超弹性的 な変形に応じて、前記少なくとも 1つのァクチユエ一タの長手方向に沿って伸縮する 請求項 1に記載の医療用マニピュレータ。
[4] 前記少なくとも 1つの変形部材は人工筋肉を含む請求項 1に記載の医療用マニピ ユレータ。
[5] 前記人工筋肉は高分子材料を含む請求項 4に記載の医療用マニピュレータ。
[6] 前記複数のァクチユエータの各々は前記ベース部材と前記ステージとを連結する 請求項 1に記載の医療用マニピュレータ。
[7] 前記ベース部材と前記ステージと前記複数のァクチユエ一タとは Stewart- Gough機 構を構成する請求項 1に記載の医療用マニピュレータ。
[8] 請求項 1に記載の医療用ァクチユエータと、前記ステージに保持された医療用器具 とを備えた医療用マニピュレータ装置。
[9] 前記医療用器具が腹腔鏡または胸腔鏡である請求項 8に記載の医療用マ-ピユレ ータ装置。
[10] 更に、患者に固定される固定部材と、前記固定部材と前記ベース部材とを連結す る可撓性を有する多自由度把持アームとを備えた請求項 8に記載の医療用マ-ピュ レータ装置。
[11] 前記固定部材が、前記医療用マニピュレータ装置を患者の下腹部の骨盤付近に 装着するためのベルトである請求項 10に記載の医療用マニピュレータ装置。
[12] 前記医療用器具は前記ステージに永久磁石を介して保持されている請求項 8に記 載の医療用マニピュレータ装置。
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