(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロボット手術システムであって、
該システムは、
固定可能な設定リンク機構アームであって、該固定可能な設定リンク機構アームは、近位リンクと、該近位リンクに結合された接合部と、該接合部に結合された遠位リンクと、該接合部に対して遠位にある自由端とを備える、固定可能な設定リンク機構アームと、
サーボ駆動マニピュレータアームであって、該サーボ駆動マニピュレータアームは、該固定可能な設定リンク機構アームの該自由端に結合された基部を備え、該基部は、該サーボ駆動マニピュレータアームの近位端であり、該サーボ駆動マニピュレータアームの該基部は、そこから該サーボ駆動マニピュレータアームに対する少なくとも３つの自由度が提供される場所である、サーボ駆動マニピュレータアームと、
力およびトルク（Ｆ／Ｔ）センサであって、該Ｆ／Ｔセンサは、該固定可能な設定リンク機構アームの該自由端と該マニピュレータアームの該基部との間に動作可能に結合され、該Ｆ／Ｔセンサは、該固定可能な設定リンク機構アームに動作可能に結合される筐体と、該サーボ駆動マニピュレータアームに動作可能に結合されるハブと、バネ釣合錘とを備え、該バネ釣合錘は、複数のバネを備え、該複数のバネは、縦軸に沿って該力およびトルクセンサの対向する端部分に配置され、かつ、垂直軸に沿って該ハブの上下に配置され、かつ、該筐体と該ハブとの間に配置され、該バネ釣合錘は、該サーボ駆動マニピュレータアームの重量および該サーボ駆動マニピュレータアームの張り出し荷重のモーメントに対抗するように構成される、Ｆ／Ｔセンサと、
Ｆ／Ｔセンサインターフェースであって、該Ｆ／Ｔセンサインターフェースは、該Ｆ／Ｔセンサからの信号を復号するために該Ｆ／Ｔセンサに動作可能に結合される、Ｆ／Ｔセンサインターフェースと
を備えている、システム。
【請求項２】
前記サーボ駆動マニピュレータアームは、基部リンクと、縦軸に沿って該基部リンクに移動可能に結合される台車リンクとを有する、挿入軸を含み、該台車リンクは、器具の機械的インターフェースを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記器具の機械的インターフェースは、器具シャフトの遠位端上に複数のひずみゲージを含む器具を載置するように構成される、請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記複数のひずみゲージは、器具の信号インターフェースに動作可能に結合可能であり、該器具の信号インターフェースは、該複数のひずみゲージからの信号を復号するように構成可能である、請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
前記固定可能な設定リンク機構アームは、受動的または電動式である、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記Ｆ／Ｔセンサは、機械的インターフェースと、該Ｆ／Ｔセンサの第１側面上の前記固定可能な設定リンク機構アームに、および該Ｆ／Ｔセンサの第２側面上の前記サーボ駆動マニピュレータアームに動作可能に結合する電気コネクタインターフェースとを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記機械的インターフェースは、摺動係合手段を含み、前記電気コネクタインターフェースは、Ｄ型コネクタを含む、請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
前記Ｆ／Ｔセンサの第１側面上の電気コネクタインターフェースは、該Ｆ／Ｔセンサの本体の周囲に、または本体を通って送られるワイヤによって、該Ｆ／Ｔセンサの第２側面上の電気コネクタインターフェースに電気的に結合される、請求項６に記載のシステム。
【請求項９】
前記電気コネクタインターフェースは、それを通して前記Ｆ／Ｔセンサが前記Ｆ／Ｔセンサインターフェースに信号を提供する、シリアルバスを含む、請求項６に記載のシステム。
【請求項１０】
前記マニピュレータアームの遠位端に動作可能に結合される手術器具をさらに備えている、請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
前記サーボ駆動マニピュレータアームの前記基部は、そこから前記器具に対する少なくとも６つの自由度が提供される場所である、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
前記サーボ駆動マニピュレータアームは、基部リンクと、縦軸に沿って該基部リンクに移動可能に結合される台車リンクとを有する、挿入軸を含み、該台車リンクは、器具インターフェースを含む、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１３】
前記器具は、前記器具インターフェースに載置され、該器具は、器具シャフトの遠位端上に複数のひずみゲージを含む、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
前記複数のひずみゲージは、器具の信号インターフェースに動作可能に結合され、該器具の信号インターフェースは、該複数のひずみゲージからの信号を復号するように構成される、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】
前記Ｆ／Ｔセンサと前記手術器具との間に滅菌ドレープをさらに備え、該ドレープは、滅菌手術野から前記ロボット手術システムの非滅菌部を分離する、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１６】
ロボット手術システムの作動方法であって、
該方法は、
手術器具上の力を感知することであって、該感知することは、該ロボット手術システムの固定可能な設定リンク機構アームの自由端と該ロボット手術システムのサーボ駆動マニピュレータアームの基部との間に動作可能に結合される力およびトルク（Ｆ／Ｔ）センサを使用し、該サーボ駆動マニピュレータアームの該基部は、そこから該サーボ駆動マニピュレータアームに対する少なくとも３つの自由度が提供される場所であり、該Ｆ／Ｔセンサは、該固定可能な設定リンク機構アームに動作可能に結合される筐体と、該サーボ駆動マニピュレータアームに動作可能に結合されるハブと、バネ釣合錘とを備え、該バネ釣合錘は、複数のバネを備え、該複数のバネは、縦軸に沿って該力およびトルクセンサの対向する端部分に配置され、かつ、垂直軸に沿って該ハブの上下に配置され、かつ、該筐体と該ハブとの間に配置され、該バネ釣合錘は、該サーボ駆動マニピュレータアームの重量および該サーボ駆動マニピュレータアームの張り出し荷重のモーメントに対抗するように構成され、該手術器具は、該サーボ駆動マニピュレータアームの遠位端に載置され、該固定可能な設定リンク機構アームは、近位リンクと、該近位リンクに結合された接合部と、該接合部に結合された遠位リンクと、該接合部に対して遠位にある該自由端とを備え、該サーボ駆動マニピュレータアームの該基部は、該固定可能な設定リンク機構アームに結合され、該Ｆ／Ｔセンサは、該基部と該固定可能な設定リンク機構アームとの間に結合され、該基部は、該サーボ駆動マニピュレータアームの近位端である、ことと、
該Ｆ／Ｔセンサからの信号を、該Ｆ／Ｔセンサに動作可能に結合されるインターフェースへと伝えることであって、該インターフェースは、該Ｆ／Ｔセンサからの該信号を復号する、ことと
を含む、方法。
【請求項１７】
カニューレの傾転によって引き起こされる力を傾斜角の関数としてマッピングすることと、前記Ｆ／Ｔセンサからの信号から、前記マッピングに基づいて推定された力を減算することとをさらに含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記Ｆ／Ｔセンサからのデータを使用して、手動配置中に、前記サーボ駆動マニピュレータアームの後方駆動可能性を増加させることをさらに含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
前記Ｆ／Ｔセンサからの信号にノッチフィルタを使用することをさらに含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２０】
Ｆ／Ｔセンサノイズを低減するために、前記Ｆ／Ｔセンサからの信号に低域通過フィルタを使用することをさらに含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２１】
Ｆ／Ｔセンサノイズレベルまたはそれより下のレベルの力を排除するために、前記Ｆ／Ｔセンサからの信号に閾値を適用することをさらに含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２２】
前記感知された力を軽減または強化するために、手術器具先端またはサーボ駆動マニピュレータアームの速度に反比例して依存する可変利得を、前記Ｆ／Ｔセンサからの信号に適用することをさらに含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２３】
前記手術器具が滅菌ドレープの滅菌側にあり、前記Ｆ／Ｔセンサが該滅菌ドレープの非滅菌側にあるように、前記サーボ駆動マニピュレータアームを該滅菌ドレープで覆うことをさらに含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２４】
前記Ｆ／Ｔセンサを使用して、前記手術器具の器具シャフトの縦軸に沿う軸力を感知することであって、該手術器具は、該器具シャフトの遠位端上の複数のひずみゲージを含む、ことと、
該複数のひずみゲージを使用して、該手術器具にかかる横力を感知することと
をさらに含む、請求項１６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本願は、米国仮特許出願第６０／７５５，１０８号（２００５年１２月３０日出願）、米国仮特許出願第６０／７５５，１５７号（２００５年１２月３０日出願）、米国特許出願第１１／９５８，７７２号（２００７年１２月１８日出願）、米国特許出願第１１／８６４，９７４号（２００７年９月２９日出願）、米国特許出願第１１／５５３，３０３号（２００６年１０月２６日出願）、米国特許出願第１１／５３７，２４１号（２００６年９月２９日出願）、米国特許出願第１１／０９３，３７２号（２００５年３月３０日出願）、ならびに米国特許出願第６，９３６，０４２号、同第６，９０２，５６０号、同第６，８７９，８８０号、同第６，８６６，６７１号、同第６，８１７，９７４号、同第６，７８３，５２４号、同第６，６７６，６８４号、同第６，３７１，９５２号、同第６，３３１，１８１号、および同第５，８０７，３７７号に関連し、これらの出願の全開示は、その全体が本明細書に参考として援用される。
【０００２】
（発明の分野）
本発明は、概して、手術ロボットシステムに関し、より具体的には、手術器具および／または手術ロボットマニピュレータに印加された力を感知するためのシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
ロボット支援手術において、外科医は、典型的に、患者から離れていることがあり得る場所（例えば、患者から離れた、手術室の反対側、異なる部屋、または全く異なる建物）から、手術部位での手術器具の動作を制御するためのマスタコントローラを操作する。マスタコントローラは、手術部位での器具の位置および配向を関節動作させるためのサーボモータを伴うコントローラを通して、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、ハンドピース等の、１つ以上の手入力デバイスを通常含む。サーボモータは、典型的には、切開手術部位に直接、または患者の腹部等の体腔に切開を通して挿入されたトロカールスリーブを通して導入されている、手術器具を支持し制御するように一緒に接続される複数の接合部、リンク機構等を含む、電気機械デバイスまたは手術マニピュレータアーム（「スレーブ」）の一部である。外科手術に応じて、外科医が、種々の機能、例えば、組織の牽引、針の保持または駆動、縫合、血管の把持、または組織の解離、焼灼、もしくは凝固を実行するために、組織把持器、針ドライバ、電気手術用焼灼プローブ等の、利用可能な種々の手術器具がある。外科医は、手術中に多数の異なる手術器具／道具を採用する場合がある。
【０００４】
遠隔操作を通して遠隔ロボット手術を行うこの新たな方法は、多くの新たな課題を生み出した。そのような１つの課題は、ロボットマニピュレータを介して手術器具によって操作されている組織を正確に「感じる」能力を、外科医に提供することである。外科医は、器具または縫合糸によって印加される力の指標に頼らなくてはならない。システムの手動制御機器を通して、または視覚的表示あるいは可聴音等の他の手段によって、外科医ユーザに力およびトルクをフィードバックするために、ロボット内視鏡手術器具のエンドエフェクタ（例えば、ジョー、把持器、刃等）等の器具の先端に印加される力およびトルクを感知することが望ましい。
【０００５】
ＤＬＲ  Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ  ｏｆ  Ｒｏｂｏｔｉｃｓ  ａｎｄ  Ｍｅｃｈａｔｒｏｎｉｃｓの研究室による、この目的のための１つのデバイスが、非特許文献１において説明されており、その内容は、全ての目的で参照することにより本明細書に組み込まれる。しかしながら、その設計は、手首接合部の遠位に（または外側に）力センサを不利に配置し、しがって、ワイヤまたは光ファイバが屈曲する手首接合部を通して送られることを要求し、また、ヨー軸およびグリップ軸が別個の枢動軸上にあることも要求する。
【０００６】
別の問題は、比較的小型の器具が、手術を行うために典型的に望ましいため、エンドエフェクタの機械的作動のために必要なワイヤを、可能な限り小さい空間に嵌合し、配置することであった。
【０００７】
さらに別の問題は、マニピュレータまたはその支持部の柔軟性に起因し得る機械的振動の最中に、（例えば、患者の内側および／または外側の）マニピュレータアーム自体にかかる力およびトルクを感知することであった。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Ｆ．ＣｅｐｏｌｉｎａおよびＲＣ  Ｍｉｃｈｅｌｉｎｉ、“Ｒｅｖｉｅｗ  ｏｆ  Ｆｉｘｔｕｒｅｓ  ｆｏｒ  Ｌｏｗ−Ｉｎｖａｓｉｖｅｎｅｓｓ  Ｓｕｒｇｅｒｙ”、Ｉｎｔ’ｌ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｍｅｄｉｃａｌ  Ｒｏｂｏｔｉｃｓ  ａｎｄ  Ｃｏｍｐｕｔｅｒ  Ａｓｓｉｓｔｅｄ  Ｓｕｒｇｅｒｙ、Ｖｏｌ．１、Ｉｓｓｕｅ  １、ｐａｇｅ５８
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
したがって、必要とされるものは、患者の表面／内部の手術部位において手術器具を遠隔制御するための改良型遠隔ロボットシステムおよび方法である。特に、これらのシステムおよび方法は、力およびトルクの正確なフィードバックを外科医に提供して、器具およびマニピュレータのユーザの認識および制御を向上させるように構成されるべきである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、ロボット手術を行っている外科医への力およびトルクのフィードバックと、外科医による感知とを向上させるための装置、システム、および方法を提供する。具体的には、ロボット手術マニピュレータと、ロボット手術システムと、ロボット手術器具および／またはマニピュレータ自体にかかる力の改良型感知方法とを開示する。
【００１１】
本願明細書は、例えば、以下の項目も提供する。
（項目１）
固定可能な設定リンク機構アームと、
サーボ駆動マニピュレータアームと、
力およびトルク（Ｆ／Ｔ）センサであって、該設定リンク機構アームの自由端と該マニピュレータアームの基部との間に動作可能に結合される、力およびトルク（Ｆ／Ｔ）センサと、
Ｆ／Ｔセンサインターフェースであって、該Ｆ／Ｔセンサからの信号を復号するために該Ｆ／Ｔセンサに動作可能に結合される、Ｆ／Ｔセンサインターフェースと
を備えている、ロボット手術マニピュレータシステム。
（項目２）
前記マニピュレータアームの前記基部は、そこから該マニピュレータアームに対する少なくとも３つの自由度が提供される場所である、項目１に記載のマニピュレータシステム。
（項目３）
前記マニピュレータアームは、基部リンクと、縦軸に沿って該基部リンクに移動可能に結合される台車リンクとを有する、挿入軸を含み、該台車リンクは、器具の機械的インターフェースを含む、項目１に記載のマニピュレータシステム。
（項目４）
前記器具の機械的インターフェースは、器具シャフトの遠位端上に複数のひずみゲージを含む器具を載置するように構成される、項目３に記載のマニピュレータシステム。
（項目５）
前記複数のひずみゲージは、器具の信号インターフェースに動作可能に結合可能であり、該器具の信号インターフェースは、該複数のひずみゲージからの信号を復号するように構成可能である、項目４に記載のマニピュレータシステム。
（項目６）
前記設定リンク機構アームは、受動的または電動式である、項目１に記載のマニピュレータシステム。
（項目７）
前記Ｆ／Ｔセンサは、前記マニピュレータの重量および該マニピュレータの張出し荷重モーメントを補償する、バネ釣合錘を含む、項目１に記載のマニピュレータシステム。
（項目８）
前記Ｆ／Ｔセンサは、機械的インターフェースと、該Ｆ／Ｔセンサの第１側面上の前記設定リンク機構アームに、および該Ｆ／Ｔセンサの第２側面上の前記マニピュレータアームに動作可能に結合する、電気コネクタインターフェースとを含む、項目１に記載のマニピュレータシステム。
（項目９）
前記機械的インターフェースは、摺動係合手段を含み、前記電気コネクタインターフェースは、Ｄ型コネクタを含む、項目８に記載のマニピュレータシステム。
（項目１０）
前記Ｆ／Ｔセンサの第１側面上の電気コネクタインターフェースは、該Ｆ／Ｔセンサの本体の周囲に、または本体を通って送られるワイヤによって、該Ｆ／Ｔセンサの第２側面上の電気コネクタインターフェースに電気的に結合される、項目８に記載のマニピュレータシステム。
（項目１１）
前記電気コネクタインターフェースは、それを通して前記Ｆ／Ｔセンサが前記Ｆ／Ｔセンサインターフェースに信号を提供する、シリアルバスを含む、項目８に記載のマニピュレータシステム。
（項目１２）
固定可能な設定リンク機構アームと、
サーボ駆動マニピュレータアームと、
力およびトルク（Ｆ／Ｔ）センサであって、該設定リンク機構アームの自由端と該マニピュレータアームの基部との間に動作可能に結合される、力およびトルク（Ｆ／Ｔ）センサと、
該マニピュレータアームの遠位端に動作可能に結合される手術器具と、
該Ｆ／Ｔセンサからの信号を復号するために、該Ｆ／Ｔセンサに動作可能に結合されるインターフェースと
を備えている、ロボット手術システム。
（項目１３）
前記マニピュレータアームの前記基部は、そこから前記器具に対する少なくとも６つの自由度が提供される場所である、項目１２に記載のシステム。
（項目１４）
前記マニピュレータアームは、基部リンクと、縦軸に沿って該基部リンクに移動可能に結合される台車リンクとを有する、挿入軸を含み、該台車リンクは、器具インターフェースを含む、項目１２に記載のシステム。
（項目１５）
前記器具は、前記器具インターフェースに載置され、該器具は、器具シャフトの遠位端上に複数のひずみゲージを含む、項目１４に記載のシステム。
（項目１６）
前記複数のひずみゲージは、器具の信号インターフェースに動作可能に結合され、該器具の信号インターフェースは、該複数のひずみゲージからの信号を復号するように構成される、項目１５に記載のシステム。
（項目１７）
前記Ｆ／Ｔセンサと前記手術器具との間に滅菌ドレープをさらに備え、該ドレープは、滅菌手術野から前記ロボット手術システムの非滅菌部を分離する、項目１２に記載のシステム。
（項目１８）
固定可能な設定リンク機構アームと、サーボ駆動マニピュレータアームと、該設定リンク機構アームの自由端と該マニピュレータアームの基部との間に動作可能に結合される力およびトルク（Ｆ／Ｔ）センサと、該Ｆ／Ｔセンサからの信号を復号するために該Ｆ／Ｔセンサに動作可能に結合されるインターフェースとを含む、ロボット手術マニピュレータシステムを提供することと、
該Ｆ／Ｔセンサを使用して、該マニピュレータアーム上の力を感知することと
を含む、力感知の方法。
（項目１９）
前記感知された力は、患者身体の外部の物体との前記マニピュレータアームの相互作用である、項目１８に記載の方法。
（項目２０）
前記マニピュレータアームの遠位端に手術器具を載置することと、前記Ｆ／Ｔセンサを使用して、該手術器具上の力を感知することとをさらに含む、項目１８に記載の方法。
（項目２１）
前記器具上の前記感知された力は、内部の患者生体構造との前記器具の相互作用、および別の手術器具との該器具の相互作用のうちの１つである、項目２０に記載の方法。
（項目２２）
前記器具上の前記感知された力は、縫合張力、別の手術器具との衝突、組織の解離、後退、および触診のうちの１つである、項目２０に記載の方法。
（項目２３）
体壁内のカニューレの傾転によって引き起こされる、患者体壁上の力を傾斜角の関数としてマッピングすることと、前記Ｆ／Ｔセンサからの信号から、該結果として生じる推定体壁力を減算することとをさらに含む、項目１８に記載の方法。
（項目２４）
前記Ｆ／Ｔセンサからのデータを使用して、手動配置中に、前記マニピュレータアームの後方駆動可能性を増加させることをさらに含む、項目１８に記載の方法。
（項目２５）
前記Ｆ／Ｔセンサからの信号にノッチフィルタを使用することをさらに含み、該ノッチフィルタは、前記マニピュレータアームの共振に同調され、該Ｆ／Ｔセンサの質量は、前記設定リンク機構アームおよび患者体壁によって柔軟に制約される、項目１８に記載の方法。
（項目２６）
Ｆ／Ｔセンサノイズを低減するために、前記Ｆ／Ｔセンサに低域通過フィルタを使用することをさらに含む、項目１８に記載の方法。
（項目２７）
Ｆ／Ｔセンサノイズレベルまたはそれより下のレベルの力を排除するために、前記Ｆ／Ｔセンサからの信号に閾値を適用することをさらに含む、項目１８に記載の方法。
（項目２８）
前記感知された力を軽減または強化するために、器具先端またはマニピュレータアームも速度に反比例して依存する可変利得を、前記Ｆ／Ｔセンサからの信号に適用することをさらに含む、項目１８に記載の方法。
（項目２９）
前記器具がドレープの滅菌側にあり、前記Ｆ／Ｔセンサが該ドレープの非滅菌側にあるように、前記マニピュレータアームを滅菌ドレープで覆うことをさらに含む、項目１８に記載の方法。
（項目３０）
手術器具を前記マニピュレータアームの遠位端に載置することであって、該器具は、器具シャフトの遠位端上に複数のひずみゲージを含む、ことと、
前記Ｆ／Ｔセンサを使用して、該器具シャフトの縦軸に沿う軸力を感知することと、
該複数の器具ひずみゲージを使用して、該手術器具にかかる横力を感知することと
をさらに含む、項目１８に記載の方法。
（項目３１）
前記Ｆ／Ｔセンサからの信号の大きさに基づいて、患者身体の内部および外部にある、前記マニピュレータアーム上の力を区別することをさらに含む、項目１８に記載の方法。
本発明の範囲は、参照することによって本明細書に組み込まれるクレームによって定義される。当業者であれば、以下の１つ以上の実施形態の詳細な説明を鑑みて、本発明の実施形態をより完全に理解するとともに、その付加的な利点を実現するであろう。最初に簡単に説明される図面の添付用紙を参照されたい。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１Ａ】図１Ａは、本発明の実施形態によるロボット手術システムの平面図である。
【図１Ｂ】図１Ｂおよび１Ｃは、マニピュレータの基部における力センサと、患者側ロボットマニピュレータおよび／または内視鏡あるいはカメラロボットマニピュレータが手術のために事前構成されることを可能にする、配置リンク機構または設定接合部とを含む、マニピュレータシステムの実施形態の斜視図および正面図をそれぞれ図示する。
【図１Ｃ】図１Ｂおよび１Ｃは、マニピュレータの基部における力センサと、患者側ロボットマニピュレータおよび／または内視鏡あるいはカメラロボットマニピュレータが手術のために事前構成されることを可能にする、配置リンク機構または設定接合部とを含む、マニピュレータシステムの実施形態の斜視図および正面図をそれぞれ図示する。
【図２】図２は、本発明の実施形態による、遠隔ロボット手術システムとともに使用するための手首部、グリップジョー、および力センサを示す、手術器具の遠位端の斜視図である。
【図３】図３は、印加された力を示す、図２の手術器具の第１の上面図である。
【図４】図４は、印加された力を示す、図２の手術器具の第１の側面図である。
【図５】図５は、印加された力を示す、図２の手術器具の第２の上面図である。
【図６】図６は、印加された力を示す、図２の手術器具の第２の側面図である。
【図７】図７は、手首機構によって印加される荷重およびモーメントを受ける、器具シャフトおよび近位手首Ｕ字形金具の自由体図を示す。
【図８】図８は、組み込みひずみゲージ用の溝付き器具シャフトを示す。
【図９】図９は、ひずみゲージを含む器具を示す。
【図１０】図１０は、本発明の実施形態による、マニピュレータの基部に力センサを含む、マニピュレータの斜視図である。
【図１１Ａ】図１１Ａおよび１１Ｂは、本発明の実施形態による、補助クランプの結合部を含む、図１０のマニピュレータの斜視図および斜視側面図である。
【図１１Ｂ】図１１Ａおよび１１Ｂは、本発明の実施形態による、補助クランプの結合部を含む、図１０のマニピュレータの斜視図および斜視側面図である。
【図１２Ａ】図１２Ａおよび１２Ｂは、本発明の実施形態による、カニューレの結合部を含む、図１０のマニピュレータの斜視図および斜視側面図である。
【図１２Ｂ】図１２Ａおよび１２Ｂは、本発明の実施形態による、カニューレの結合部を含む、図１０のマニピュレータの斜視図および斜視側面図である。
【図１３Ａ】図１３Ａおよび１３Ｂは、本発明の実施形態による、滅菌アダプタの結合部を含む、図１０のマニピュレータの斜視図および斜視側面図である。
【図１３Ｂ】図１３Ａおよび１３Ｂは、本発明の実施形態による、滅菌アダプタの結合部を含む、図１０のマニピュレータの斜視図および斜視側面図である。
【図１４Ａ】図１４Ａおよび１４Ｂは、本発明の実施形態による、器具の結合部を含む、図１０のマニピュレータの斜視図および斜視側面図である。
【図１４Ｂ】図１４Ａおよび１４Ｂは、本発明の実施形態による、器具の結合部を含む、図１０のマニピュレータの斜視図および斜視側面図である。
【図１５】図１５は、マニピュレータの基部領域における力センサの拡大斜視図を図示する。
【図１６】図１６は、本発明の実施形態による力センサの実施例を図示する。
【図１７Ａ】図１７Ａ−１７Ｆは、本発明の実施形態による、Ｆ／Ｔセンサ、設定リンク機構アーム、およびマニピュレータアームの基部の間の機械および電気コネクタインターフェースを図示する。
【図１７Ｂ】図１７Ａ−１７Ｆは、本発明の実施形態による、Ｆ／Ｔセンサ、設定リンク機構アーム、およびマニピュレータアームの基部の間の機械および電気コネクタインターフェースを図示する。
【図１７Ｃ】図１７Ａ−１７Ｆは、本発明の実施形態による、Ｆ／Ｔセンサ、設定リンク機構アーム、およびマニピュレータアームの基部の間の機械および電気コネクタインターフェースを図示する。
【図１７Ｄ】図１７Ａ−１７Ｆは、本発明の実施形態による、Ｆ／Ｔセンサ、設定リンク機構アーム、およびマニピュレータアームの基部の間の機械および電気コネクタインターフェースを図示する。
【図１７Ｅ】図１７Ａ−１７Ｆは、本発明の実施形態による、Ｆ／Ｔセンサ、設定リンク機構アーム、およびマニピュレータアームの基部の間の機械および電気コネクタインターフェースを図示する。
【図１７Ｆ】図１７Ａ−１７Ｆは、本発明の実施形態による、Ｆ／Ｔセンサ、設定リンク機構アーム、およびマニピュレータアームの基部の間の機械および電気コネクタインターフェースを図示する。
【図１８】図１８は、本発明の実施形態による、Ｆ／Ｔセンサ、設定リンク機構アーム、およびマニピュレータアームの間のデータ結合のブロック図を図示する。
【図１９Ａ】図１９Ａおよび１９Ｂは、本発明の実施形態による、Ｆ／Ｔセンサにおけるバネ平衡錘を図示する。
【図１９Ｂ】図１９Ａおよび１９Ｂは、本発明の実施形態による、Ｆ／Ｔセンサにおけるバネ平衡錘を図示する。
【図２０】図２０は、特定の検査中の、基部載置力センサを含む本発明のマニピュレータからの力の測定値の最大変動を図示する。
【図２１】図２１は、別のマニピュレータが、患者外部の本発明のマニピュレータを衝打した時の、基部載置力センサを含む本発明のマニピュレータからの力の測定値を図示する。
【図２２】図２２は、本発明のマニピュレータが、患者外部の別のマニピュレータを衝打した時の、基部載置力センサを含む本発明のマニピュレータからの力の測定値を図示する。
【図２３】図２３は、本発明のマニピュレータが力を次第に増加させ、最終的に縫合糸を切った時の、基部載置力センサを含む本発明のマニピュレータからの力の測定値を図示する。
【図２４】図２４は、本発明のマニピュレータが、縫合糸を切る前に一連の変動する力を提供した時の、基部載置力センサを含む本発明のマニピュレータからの力の測定値を図示する。
【図２５】図２５は、本発明のマニピュレータの器具が、別のマニピュレータの器具を衝打した時の、基部載置力センサを含む本発明のマニピュレータからの力の測定値を図示する。
【００１３】
本発明の実施形態およびその利点は、以下の発明を実施するための形態を参照することにより最も良く理解される。図のうちの１つ以上で図示される類似の要素を識別するために、類似の参照数字が使用されていることを理解されたい。また、図は必ずしも一定の縮尺で描かれているとは限らない場合があることも理解されたい。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明は、特に、切開外科手術、神経外科手術、ならびに腹腔鏡検査、関節鏡検査、胸腔検査、および同等の内視鏡手術を含む、ロボット支援外科手術を患者に行っている間において力を感知するための複数構成要素のシステム、装置、および方法を提供する。本発明のシステムおよび方法は、外科医が患者から離れた場所からサーボ機構を介して手術器具を操作することを可能にする遠隔ロボット手術システムの一部として特に有用である。そのためには、本発明のマニピュレータ装置またはスレーブは、通常、力の反映または表示によるテレプレゼンスシステムを形成するように、少なくとも６つ以上の自由度（例えば、位置については３つの自由度、および配向については３つの自由度）を有する運動学的に等価なマスタによって駆動される。好適なスレーブ・マスタシステムの説明は、米国特許第６，５７４，３５５号において見出すことができ、その全開示は、全ての目的で参照することにより本明細書に組み込まれる。
【００１５】
本発明のロボットシステムは、概して、手術台の上または周囲に載置されたる１つ以上の手術マニピュレータアセンブリと、外科医が手術部位を視認することと、マニピュレータアセンブリを制御することとを可能にするためのマスタ制御アセンブリとを含む。システムはまた、１つ以上の視認鏡アセンブリと、マニピュレータアセンブリに取り外し可能に結合されるために適合される複数の手術器具とを含む（以下でより詳細に論議される）。ロボットシステムは、少なくとも２つのマニピュレータアセンブリ、好ましくは、少なくとも３つのマニピュレータアセンブリを含む。マニピュレータアセンブリの厳密な数は、いくつかある要因の中でも、外科手術および手術室内の空間的制約に依存する。以下で詳細に論議されるように、アセンブリのうちの１つが、典型的には、（例えば、内視鏡手術で）手術部位を視認するための視認鏡アセンブリを操作する一方で、他のマニピュレータアセンブリは、患者に種々の処置を行うために手術器具を操作する。
【００１６】
外科医がその助手に話しかけ、手術手順を直接監視し得るように、通常は手術台と同じ部屋に位置する外科医用コンソールに、制御アセンブリが位置し得る。しかしながら、外科医は、患者とは異なる部屋または全く異なる建物に位置できることを理解されたい。マスタ制御アセンブリは、概して、支持部と、手術部位の画像を外科医に表示するためのモニタと、マニピュレータアセンブリを制御するための１つ以上のマスタとを含む。マスタは、手持ち式リストジンバル、ジョイスティック、グローブ、トリガガン、手動コントローラ、音声認識デバイス、または同等物等の、種々の入力デバイスを含み得る。好ましくは、テレプレゼンス、つまり外科医が手術部位のすぐそばにいて作業しているという知覚と、直感、つまり、まるで自分の手の一部であるかのように直接的かつ直感的に器具を制御しているという強い感覚を外科医が持つように、マスタが器具と一体化しているという知覚とを、外科医に提供するように、マスタには、関連術器具アセンブリと同じ自由度が提供される。位置、力、および触覚のフィードバックセンサも、遠隔ロボットシステムを操作する際に、位置、力、および触感を表すために使用され得る信号を手術器具から外科医の手に伝送するために、器具アセンブリ上で採用され得る。操作者にテレプレゼンスを提供するための１つの好適なシステムおよび方法が、参照することにより以前に本明細書に組み込まれた米国特許第６，５７４，３５５号で説明されている。
【００１７】
手術部位の画像が外科医用コンソール上の外科医の手に隣接して提供されるように、モニタは視認鏡に好適に結合される。好ましくは、モニタは、外科医が実際に手術部位を直接見下ろしていると感じるように配向される、ディスプレイ上に画像を表示する。そのために、手術器具の画像は、たとえ観察点（すなわち、内視鏡または視認カメラ）が画像の視点からではない場合でも、実質的に操作者の手が位置する場所に位置するように見える。加えて、操作者が、実質的に実物の作業空間を見ているかのように、エンドエフェクタおよび手動制御機器を操作することができるように、リアルタイム画像が、好ましくは立体画像に変換される。実物とは、画像の提示が、手術器具を物理的に操作している操作者の視点をシミュレートする真の立体画像であることを意味する。したがって、コントローラ（図示せず）は、例えば、立体画像が、カメラまたは内視鏡が手術器具のすぐ後ろに位置した場合に見える画像となるように、手術器具の座標を知覚された位置に変換する。この仮想画像を提供するための好適な座標変換システムは、現在では米国特許第５，６３１，９７３号である、１９９４年５月５日出願の米国特許出願第０８／２３９，０８６号において説明されており、その全開示は、全ての目的で参照されることにより本明細書に組み込まれる。
【００１８】
マスタの機械的な動作をマニピュレータアセンブリに伝えるために、サーボ制御が提供される。サーボ制御は、マニピュレータアセンブリとは別個であるか、または一体であり得る。サーボ制御は、手術器具から手動マスタに、力およびトルクのフィードバックを提供し得る。加えて、サーボ制御は、認識された望ましくない状態（例えば、患者への過剰な力の作用、不適合エンコーダ測定値等）に反応して、システム動作を安全に中断するか、または少なくとも、全てのロボット動作を抑制するように、安全性監視コントローラを含み得る。一実施例では、システムが、外科医によって使用される急速な手の動作に迅速かつ正確に反応し、その上、望ましくない外科医の手の揺れを除去することができるように、サーボ制御は、好ましくは、少なくとも１０Ｈｚの３ｄＢカットオフ周波数を伴うサーボ帯域幅を有する。本システムによって効果的に操作するためには、マニピュレータアセンブリは、比較的低い慣性を有し、駆動モータは、比較的低い比率の歯車または滑車結合部を有する。任意の好適な従来または特殊サーボ制御が、本発明の実践で使用され得る。
【００１９】
ここで、類似の数字が類似の要素を示す図面を詳細に参照すると、図１Ａ−図１Ｃは、本発明の実施形態による、ロボット手術を低侵襲的に行うためのロボット手術システム１の構成要素を図示する。システム１は、その全開示が参照することにより本明細書に組み込まれる、米国特許第６，２４６，２００号でさらに詳細に説明されているものと同様である。
【００２０】
システム操作者Ｏ（概して、外科医）は、手術台Ｔに横たわっている患者Ｐに低侵襲外科手術を行う。システム操作者Ｏは、ディスプレイ１２によって提示される画像を見て、外科医用コンソール３において１つ以上の入力デバイスまたはマスタ２を操作する。外科医の入力コマンドに応答して、コンソール３のコンピュータプロセッサ４は、手術器具または道具５の動作を指示し、それぞれ伸縮挿入軸を有する、接合部、リンク機構、およびマニピュレータアームを含む、ロボットの患者側マニピュレータシステム６（この実施例ではカートベースのシステム）を介して、器具のサーボ機械的な動作を達成する。一実施形態では、エンドエフェクタの動作が、システム操作者Ｏの手の中の入力デバイスの動作に従うように、プロセッサ４は、道具５のエンドエフェクタの動作と相関させる。
【００２１】
プロセッサ４は、典型的には、データ処理ハードウェアおよびソフトウェアを含み、ソフトウェアは、典型的には、機械可読コードを備える。機械可読コードは、本明細書で説明される方法のうちのいくつかまたは全てを実装するように命令をプログラムする、ソフトウェアを具現化する。プロセッサ４は、図１の簡略図では単一のブロックとして示されているが、プロセッサは、いくつかのデータ処理回路を備えてもよく、処理の少なくとも一部分が、選択的に、入力デバイスに隣接して行われ、一部分が、マニピュレータに隣接して行われる等である。多種多様な集中または分散データ処理構造のうちのいずれかが採用され得る。同様に、プログラミングコードが、いくつかの別個のプログラムまたはサブルーチンとして実装されてもよく、または、本明細書で説明されるロボットシステムのいくつかの他の側面に統合され得る。
【００２２】
一実施例では、マニピュレータシステム６は、少なくとも４つのロボットマニピュレータアセンブリを含む。３つの設定リンク機構７（この実施例では、カートの側面に載置される）は、一般に、外科手術の少なくとも一部の間、固定位置においてマニピュレータ８の基部を支持するリンク機構７によってマニピュレータ８を支持し、配置する。マニピュレータ８は、組織のロボット操作のために、手術道具５を動かす。１つの付加的なリンク機構９（この実施例では、カートの中心に載置される）は、内部手術部位の画像（好ましくは立体）を撮影するように内視鏡／カメラプローブ１１の動作を制御するマニピュレータ１０を支持し、配置する。患者側システムの配置リンク機構７、９の固定部分は、本明細書では「設定アーム」と呼ばれることもある。
【００２３】
助手Ａは、それぞれ設定リンク機構アーム７および９を使用して、患者Ｐに対してマニピュレータ８および１０を事前に配置すること、手術マニピュレータのうちの１つ以上から器具５を代替の手術道具または器具５’と交換すること、関連非ロボット医療器具および機器を操作すること、関連道具が異なる開口を通して内部手術部位にアクセスするように、マニピュレータアセンブリを手動で動かすこと等を支援する。
【００２４】
一般論として、リンク機構７、９は、主に患者側マニピュレータシステム６の設定中に使用され、典型的には、外科手術の少なくとも一部の間、固定された構成のままである。マニピュレータ８、１０はそれぞれ、外科医用コンソール３の指示の下で活発に関節動作させられる駆動リンク機構を備える。設定アームの接合部のうちの１つ以上が選択的に駆動され、ロボット制御され得るが、設定アーム接合部のうちの少なくともいくつかは、助手Ａによる手動配置のために構成され得る。
【００２５】
本発明の実施形態によれば、力／トルク（Ｆ／Ｔ）センサ３００は、マニピュレータ（例えば、マニピュレータ８または１０）の基部と、それぞれの結合された設定リンク機構（例えば、リンク機構７または９）の外側との間に動作可能に結合される。一実施例では、Ｆ／Ｔセンサ３００の一側面は、受動設定アームリンク機構の端に動作可能に取り付けられ、Ｆ／Ｔセンサ３００の別の側面は、サーボ作動マニピュレータの基部に動作可能に取り付けられる。別の実施例では、少なくとも６つの自由度が、基部から器具に提供される（器具の手首部からの配向において３つの自由度、およびマニピュレータからの位置において３つの自由度）。より多いか、またはより少ない自由度も、本発明の範囲内である。Ｆ／Ｔセンサ３００および使用方法の説明を、以下でより詳細に提供する。
【００２６】
一実施例では、内部手術部位の画像は、外科医用コンソール３における立体ディスプレイ１２によって操作者Ｏに示される。内部手術部位は、同時に補助ディスプレイ１４によって助手Ａに示される。
【００２７】
マニピュレータのうちのいくつかが、伸縮挿入軸（例えば、図１０、１１Ａ−１４Ｂの伸縮挿入軸６０）を含み得るが、他の実施形態では、マニピュレータの全てが、伸縮挿入軸を含み得る。伸縮挿入軸６０は、一実施例では、以下でより詳細に説明されるように、（他の利点に加えて）以前の設計と比較して向上した剛性および強度、より大きい可動域、ならびにシステムユーザにとっての向上した動的性能および手術野に近接した視界によって、３つの動作可能に結合されたリンクを介して、載置された器具（例えば、器具５または１００）の動作を可能にする。
【００２８】
便宜上、組織を操作するために使用される手術道具を支持しているマニピュレータ８等のマニピュレータが、患者側マニピュレータ（ＰＳＭ）と呼ばれることもある一方で、内視鏡１１等の画像撮影またはデータ取得デバイスを制御するマニピュレータ１０は、内視鏡・カメラマニピュレータ（ＥＣＭ）と呼ばれ得る。マニピュレータは、選択的に、手術に有用である多種多様な器具または道具、画像撮影デバイス、および同等物を作動させ、操作し、制御し得る。
【００２９】
器具５または１００および内視鏡１１は、外科手術のために設定するとき、外科手術の異なる段階のためにマニピュレータシステム６を構成するとき、器具を除去し、代替の器具５’と交換するとき等に、手動で配置され得る。助手Ａによるマニピュレータアセンブリのそのような手動再構成中に、マニピュレータアセンブリは、マスタ／スレーブ遠隔手術中に使用されるものとは異なるモードで配置されてもよく、手動で再配置可能なモードは、クラッチモードと呼ばれることもある。マニピュレータアセンブリは、マニピュレータ８上のボタンまたはスイッチ（例えば、図１１Ａ−１４Ｂのクラッチボタン／スイッチ６８）、またはマニピュレータアセンブリに対する何らかの他の構成要素を押すこと等の入力に応答して、組織操作モードとクラッチモードとの間で変化し得、それにより、助手Ａがマニピュレータモードを変更することを可能にする。
【００３０】
図１Ａ−１Ｃに見ることができるように、インジケータ２０が、マニピュレータアセンブリ上に設置され得る。この実施形態では、インジケータ２０は、マニピュレータとそれらの載置道具５との間の器具の機械的インターフェース付近で、マニピュレータ８上に設置される。代替的実施形態では、クラッチボタン／スイッチ６８およびインジケータ２０は、代わりに、設定接合部７、９の上、道具５の上、マニピュレータ８、１０上の他の場所、または同等の場所に設置されて得る。インジケータの実施例は、２００６年１１月３日出願の米国出願第１１／５５６，４８４号において開示されており、その全開示（その中で参照により組み込まれた全ての参考文献を含む）が、全ての目的で参照することにより本明細書に組み込まれる。
【００３１】
ここで、図１Ａ−１Ｃと併せて図２−９を参照し、力および／またはトルクを感知し、外科医にフィードバックするための装置、システム、および方法を、ひずみゲージを含む手術器具の使用に関して説明する。下記の器具は実施例であり、力および／トルク信号を提供する種々の器具が、本発明のマニピュレータと併せて使用され得ることに留意されたい。
【００３２】
図２は、手術道具を操作し、および／または患者に接触するために使用され得る、シャフト１１０と、手首接合部１１２および１１４と、端部分１２０とを含む、手術器具１００の一部分の斜視図を示す。手術器具はまた、一実施形態では無菌アダプタインタフェースを介して、ロボットマニピュレータアームとインターフェース接続する筐体１５０（図９）も含む。適用可能な筐体、無菌アダプタインタフェース、およびマニピュレータアームは、２００５年１２月２０日出願の米国特許出願第１１／３１４，０４０号、および２００６年１２月２０日出願の米国出願第１１／６１３，８００号で開示されており、その全開示は、全ての目的で参照することにより本明細書に組み込まれる。適用可能なシャフト、端部分、筐体、無菌アダプタ、およびマニピュレータアームの例は、Ｉｎｔｕｉｔｉｖｅ  Ｓｕｒｇｉｃａｌ，Ｉｎｃ．（Ｓｕｎｎｙｖａｌｅ，Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ）によって製造されている。
【００３３】
好ましい構成では、端部分１２０は、（図２に示されるような）ピッチと、ｘおよびｙ軸の周りのヨー運動と、ｚ軸の周りの回転とを含む可動域を有する。これらの運動、ならびにエンドエフェクタの作動は、マニピュレータ８から運動を伝えるシャフト１１０および筐体１５０を通るケーブルを介して行われる。駆動アセンブリ、アーム、前腕アセンブリ、アダプタ、および他の適用可能な部品の実施形態は、例えば、米国特許第６，３３１，１８１号、第６，４９１，７０１号、および第６，７７０，０８１号で説明されており、その全開示は、全ての目的で参照することにより本明細書に組み込まれる。
【００３４】
ジョー、鋏、把持器、持針器、マイクロダイセクタ、ステープル留め器、鋲打ち器、吸引洗浄具、クリップ留め器、切断刃、洗浄器、カテーテル、および吸引オリフィス等の、エンドエフェクタを伴う道具および伴わない道具を含むがそれらに限定されない、種々の手術器具が使用され得ることに留意されたい。代替として、手術器具は、組織を剥離、切除、切断、または凝固するための電気手術プローブを備えてもよい。そのような手術器具は、Ｉｎｔｕｉｔｉｖｅ  Ｓｕｒｇｉｃａｌ，Ｉｎｃ．（Ｓｕｎｎｙｖａｌｅ，Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ）によって製造されている。
【００３５】
一実施形態において、器具部分１００は、ｚ軸と呼ばれるシャフトの長手方向（縦）軸と平行に配向されるシャフト１１０の外面上に載置されるセンサ（例えば、ひずみゲージ）を含む。シャフトに垂直な２つの軸は、ｘ軸およびｙ軸と呼ばれる。センサからの信号は、器具先端に加えられた３つの垂直力（例えば、Ｆｘ、Ｆｙ、およびＦｚ）と、シャフト軸に垂直な２つの軸（すなわち、ｘ軸およびｙ軸）の周りのトルク（Ｔｘ、Ｔｙ）の測定値を得るために、（以下でさらに詳細に説明されるように）種々の和および差に算術的に組み合わせられる。一実施例では、力の測定は、器具の遠位端における手首機構の配向および有効レバーアーム長とは無関係に行われる。端部分１２０に対して加えられた力は、これらの力をマスタに伝送するためのインタロゲータまたはプロセッサを介して、サーボ制御部に動作可能に結合され得る力感知要素によって検出される。ひずみゲージを含む器具、および力感知の方法の実施例は、２００６年９月２９日出願の米国特許出願第１１／５３７，２４１号、および２００６年１０月２６日出願の米国出願第１１／５５３，３０３号で開示されており、その全開示は、全ての目的で参照することにより本明細書に組み込まれる。
【００３６】
一実施形態では、８個のひずみゲージ１０１、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６、１０７、および１０８が、シャフト１１０の外面に、または外面付近の浅い陥凹の中に載置され、それぞれ、ひずみデータε１、ε２、ε３、ε４、ε５、ε６、ε７、およびε８を提供し得る。ゲージの１次ひずみ感知方向は、ｚ軸と平行に配向される。ゲージは、４個から成る２つのグループで載置され、１つのグループ内の４つのゲージは、１つの軸方向の位置においてシャフトの円周で、９０度で等間隔で離間している（すなわち、４つずつのひずみゲージの２つの「輪」を形成する）。４個（例えば、ゲージ１０１、１０３、１０５、および１０７）から成る１つのグループは、シャフト１１０の遠位端に可能な限り接近して手首機構の近位に載置される。４個（例えば、ゲージ１０２、１０４、１０６、および１０８）からなる第２のグループは、４個から成る第１のグループから選択された距離「ｌ」を置いて（シャフト１１０の近位端に向かって）載置され、２つのグループ内の複数の対のゲージが相互に整列している（例えば、ゲージ１０１および１０２、１０３および１０４、１０５および１０６、１０７および１０８が整列している）ように、第１のグループと整列している。
【００３７】
手術の力および手首ケーブルの力の両方を含む、ｚ軸力（Ｆｚ）は、ＥＡ／８という係数を乗じた８つのゲージ出力の和から求められ、式中、Ｅは、ｚ軸方向のシャフト材料弾性率であり、Ａは、シャフトの断面積である。先端またはその付近のｘ軸およびｙ軸に沿った横方向力（ＦｘおよびＦｙ）は、シャフトの対向する側の一対のゲージのゲージ出力の差、およびＥＩ／２ｒｌという係数を乗じたシャフトに沿った対の差の間の差から求められ、式中、Ｅは、ｚ軸方向のシャフト材料弾性率であり、Ｉは、シャフト部の慣性モーメント、ｒは、シャフト軸からゲージの作用面までの半径であり、ｌは、４つのゲージから成る２つのグループ間の距離である。力の計算は、以下の式から導出される。
【００３８】
図２に関して、
Ｅ＝σ／ε
Ａ＝π（ｒｏ２−ｒｉ２）
Ｉ＝（π／４）（ｒｏ４−ｒｉ４）
σ＝（Ｆ／Ａ）＋（Ｍｒ／Ｉ）
ε＝［ε１  ε２  ε３  ε４  ε５  ε６  ε７  ε８］
【００３９】
【数１】
0005575743.tif 000002
図３および４に関して、
Ａ＝π（ｒｏ２−ｒｉ２）
Ｉ＝（π／４）（ｒｏ４−ｒｉ４）
σ＝Ｍｒ／Ｉ
σ１＝ＦＬｒ／Ｉ
σ２＝Ｆ（Ｌ＋ｌ）ｒ／Ｉ
Ｅ＝σ／ε＝＞ε＝σ／Ｅ
ε１＝−ＦｘＬｒ／ＥＩ
ε２＝−Ｆｘ（Ｌ＋ｌ）ｒ／ＥＩ
ε２−ε１＝−Ｆｘｌｒ／ＥＩ
ε４−ε３＝Ｆｘｌｒ／ＥＩ
（ε４−ε３）−（ε２−ε１）＝２Ｆｘｌｒ／ＥＩ
したがって、
（ε１−ε２−ε３＋ε４）ＥＩ／２ｌｒ＝Ｆｘ
（ε５−ε６−ε７＋ε８）ＥＩ／２ｌｒ＝Ｆｙ
（ε１＋ε２＋ε３＋ε４＋ε５＋ε６＋ε７＋ε８）ＥＡ／８＝Ｆｚ
したがって、ＦｘおよびＦｙは、Ｌに対して不変であり、かつ定常状態において温度に対して不変である。
【００４０】
有利なことには、器具１００は、器具先端において測定された横方向力（Ｆｘ、Ｆｙ）を、手術中の端部分での手首部の配向変化または把持位置の変化による有効レバーアーム長の変動とは無関係にすることを可能にする。測定された横方向力は、また、ｚ軸力の変化、特に、変動する手首ケーブルの引張力による変化とも無関係にされる。さらに、測定された横方向力は、ひずみゲージの組み合わされたグループの遠位に印加される手術および手首部の両方の摩擦に誘導されたトルクとは無関係である。最終的に、ｘ軸およびｙ軸に沿って測定された力は、全てのゲージにわたって熱平衡状態にあると、温度変化とは無関係である。これは、ＦｘおよびＦｙの式に同等の温度擾乱ひずみを４つ全てのゲージに追加し、擾乱が無効になることを注目することによって、理解され得る。ゲージ温度が不均一である間の熱過渡は、この設計によって補償されないが、それを補償するために他の対策が講じられ得る。
【００４１】
器具先端におけるｘ軸およびｙ軸の周りのトルクの測定（ＴｘおよびＴｙ）は、シャフトの直径を横切って対になったゲージの差、およびＥＩ／４ｒという係数を乗じたシャフト軸に沿った対の差の和から導出され、式中、再度、Ｅは、軸方向のシャフト材料弾性率であり、Ｉは、シャフト部の慣性モーメント、ｒは、シャフト軸からゲージの作用面までの半径である。したがって、器具先端に加えられる力（Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ）およびトルク（Ｔｘ、Ｔｙ）は、手首部の配向、または、例えば、把持器で保持されたジョーまたは組織内の縫合針等の把持された道具の位置による誤差を伴わずに、測定される。ｘ軸およびｙ軸の周りのトルクの測定も、定常状態において温度とは無関係である。トルクの計算は、以下の式から導出される。
【００４２】
図２と併せて、図５および６に関して、
【００４３】
【数２】
0005575743.tif 000003
σ＝Ｍｒ／Ｉ
σ１＝σ２＝Ｔｒ／Ｉ
Ｅ＝σ／ε＝＞ε＝σ／Ｅ
ε１＝ε２＝Ｔｒ／ＥＩ
したがって、
（ε１＋ε２−ε３−ε４）ＥＩ／４ｒ＝Ｔｙ
（−ε５−ε６＋ε７＋ε８）ＥＩ／４ｒ＝Ｔｘ
種々の構成が可能であるが、一実施例では、器具１００は、好ましくは、異方性の直線の繊維補強ポリマー管類によって構築され、その理由は、全てのゲージが、一定かつ容易に特徴化された弾性特性を伴ってｚ軸に平行に配向されるからである。同様の利点が、適正に特性化された織布補強管類によって獲得され得、方法はまた、一様な弾性の管類にも適用可能である。
【００４４】
一実施例では、従来の箔型抵抗ゲージ、半導体ゲージ、ブラッグ格子またはファブリ・ペロー技術を使用する光ファイバ型ゲージ、またはひずみ感知弾性表面波（ＳＡＷ）デバイス等の他のゲージを含むが、それらに限定されない種々のひずみゲージが使用され得る。光ファイバブラッグ格子（ＦＢＧ）ゲージは、２つの感知要素が既知の間隔で１つのファイバに沿って位置し、それにより、器具シャフトに沿って４つのファイバの提供を要求するのみであるという点で、有利であり得る。
【００４５】
一実施例として、本発明を限定することを意図せずに、２つの市販のファイバひずみゲージ技術が使用され得る。ファブリ・ペロー技術は、ＦＩＳＯ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，Ｉｎｃ．（Ｑｕｅｂｅｃ，Ｃａｎａｄａ）から市販されており、さらなる情報がｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｆｉｓｏ．ｃｏｍで入手可能である。このブラッグ格子（ＦＢＧ）ゲージ技術は、Ｓｍａｒｔ  Ｆｉｂｒｅｓ  Ｌｔｄ．（Ｂｒａｃｋｎｅｌｌ，Ｅｎｇｌａｎｄ）から市販されており、さらなる情報がｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｓｍａｒｔｆｉｂｒｅｓ．ｃｏｍで入手可能である。
【００４６】
異なる波長範囲を使用するような方法で形成される場合、複数のＦＢＧをファイバに書き込むことができ、上述のように、これは、既知の距離によって分離される２つのＦＢＧをそれぞれ伴って、４つだけのファイバが器具シャフトに埋め込まれる必要があるため、二重輪のひずみゲージの実施形態にとって、特に有用な特性である。ファブリ・ペロー技術を用いてひずみゲージの二重輪配設を実装するためには、８つのファイバが必要となる。
【００４７】
両方のファイバ技術は、光学的に符号化されたひずみ情報を、ロボット手術システムのコンピュータ制御ハードウェアに適合する電気信号に復号するインタロゲータユニットを必要とする。次いで、ひずみゲージ／センサからの信号と併せて、上記で概説される式に従って力を計算するために、プロセッサが使用され得る。一実施形態では、インタロゲータユニット１７０（図９）は、マニピュレータ上、または手術システム内の他の場所に載置され、それは、無菌境界を横断する光ファイバのルーティングを必要とし得る。１つの場合において、マニピュレータ上の器具の設置が、器具との光リンクを自動的に形成するように、光結合が、マニピュレータとの標準的な器具の機械的インターフェースに組み込まれる。有利なことには、これは、器具への外部ケーブルを持ち運ぶ必要性を回避する。第２の場合において、ファイバピグテールが、器具の機械的インターフェースの一部ではなく、マニピュレータ上にあるコネクタと噛合するために、器具の最上部から退出する。これら２つの場合において、インタロゲータが、マニピュレータに内蔵されてもよく、または、ファイバケーブルが、手術システム上に、あるいはマニピュレータとは別の手術室の中に載置されたインタロゲータへと、マニピュレータを通過するようにし得る。第３の場合において、ファイバピグテールが、マニピュレータとは別の手術室の中に載置されたインタロゲータユニットと噛合するために、マニピュレータを通過することなく器具の最上部から退出し、これには、器具がマニピュレータに取り付けられるか、またはマニピュレータから除去されるときに、ファイバケーブルの接続を必要としないという有益性がある。
【００４８】
ゲージ配向、ゲージの数、および出力の他の組み合わせも可能である。２輪の８個のゲージ配設の有用な単純化は、ゲージの輪のうちの１つを除去することである。この単純化は、所与の軸（例えば、ｘまたはｙ）上の力とモーメントとを区別する能力を除去するが、手術環境（例えば、ヒト組織、縫合糸）における多くの項目は、モーメントに十分に対応しておらず、したがって、全てのひずみ情報は、ｘおよびｙ軸力からのものであると仮定することが可能である。さらなる実施形態では、９０度離間した４個のゲージの代わりに、１２０度離間した３個のゲージが、１組を形成するために使用され得る。したがって、ゲージの組み合わせは、１２０度離間した３個のゲージから成る単一輪、それぞれ１２０度離間した３個のゲージの２つの輪（すなわち、合計６個のゲージ）、９０度離間した４個のゲージの単一輪、および、それぞれ９０度離間した４個のゲージの２つの輪（すなわち、合計８個のゲージ）を含み得る。単一の輪ゲージの実施形態は、プローブ等の非手首型道具に有用であり得る。ゲージはまた、シャフト軸の周りの付加的なトルク信号Ｔｚの回復を可能にする角度で、シャフト１１０の表面上において配向され得る。しかしながら、シャフトの軸外の弾性を考慮に入れなければならない。
【００４９】
ｘおよびｙ軸力は、上記で開示されるように、器具シャフトの遠位端におけるセンサによって検出され得、ｚ軸力は、器具の近位端付近で体外に位置するセンサによって検出され得る。ひずみゲージおよび／またはファイバ技術を含むがそれらに限定されない、種々のセンサが、ｚ軸力を検出するために体外で使用され得る。
【００５０】
典型的には、器具シャフトが、トルクを器具のピッチおよびヨー軸に伝えるために必要な内部ケーブルからｚ方向に有意な内力を受けるため、ｚ軸力を器具先端において容易に感知することはできない。これらのケーブルは、器具シャフトの内側を走り、シャフト上の圧縮荷重は、器具が操作されるにつれて有意に変動することが実験によって示されている。器具シャフト上のゲージによってｚ方向のひずみを感知する試行は、印加された関心のｚ軸力に加えて、有意なケーブル作動「ノイズ」を含む。したがって、内部ケーブル力を実質的に受けない場所で、ｚ軸力が感知されることが好ましい。ケーブルが完全には中心に置かれていないため、かつ手首滑車の両側のケーブル引張力が、手首部が操作されるにつれて変動するため、これらのケーブルは、シャフトの基部において、いくらかのｘおよびｙモーメントも付与することに留意されたい。しかしながら、ｚ方向のケーブル力とは異なり、これらの変動は、予期される外部から印加された力と比較して、比較的小さいことが実験によって示されている。
【００５１】
Ｚ軸力は、主に、「ノイズ」を関心の信号に加えるカニューレ内のシャフトのカニューレシール摩擦および摺動摩擦を伴って、相対的精度により体外で検出され得る。一実施形態では、カニューレシールは使い捨てであり、カニューレシール表面に接着される摩擦低減潤滑または摩擦低減被覆（パリレン等）とともに包装され得る。別の実施形態では、器具シャフト表面が、望ましくない摩擦ノイズを低減するように、摩擦低減被覆（例えば、ＰＴＦＥ）で処理され得る。両方の摩擦低減方法も、同時に使用され得る。
【００５２】
一実施例では、センサが、手術器具の近位端に近接して体外の種々の場所に配置され得る。センサは、使い捨て器具よりもむしろ、マニピュレータに内蔵されることが好ましいが、必ずしも必要とは限らない。一実施形態では、センサ１６０（図９）は、マニピュレータアーム挿入（Ｚ軸）台車上（例えば、以下でより詳細に説明される台車リンク上）の器具滅菌アダプタ用の載置点に配置され得る。別の実施形態では、センサは、器具の裏板に配置され得る。これは、滅菌アダプタ載置点上にセンサを配置することと実質的に同等となるが、付加的なセンサがあらゆる器具に内蔵されることを要求する。
【００５３】
Ｚ軸力と対照的に、比較的小さいｘおよびｙ軸の組織接触力を隠す、遠隔センターにおいて付与される大きな患者体壁力およびトルクを受ける、カニューレとの接触により、ｘおよびｙ軸力を体外で容易に感知することはできない。したがって、上記で論議されるような、器具の手首接合部の近位にある器具シャフトの遠位端等の、体壁力またはトルクを実質的に受けない位置で、ｘおよびｙ軸力が感知されることが好ましい。上記の開示では、内視鏡手術器具シャフトの管状遠位端と一体化した力・トルクセンサが説明されている。一実施形態では、４個から成るグループの部材が、シャフトの周囲に９０度で離間し、４個から成る２つのグループが、シャフトに沿って距離ｌで離間するように、センサは、シャフト周辺に位置する２組の４個のひずみゲージを備える。一側面では、器具先端またはジョーにかかる側面荷重（例えば、Ｆｙ）を判定することが所望される。本開示は、側面荷重による各センサのグループにおける曲げモーメントを計算し、次いで、２つの値を差し引くことによって、手首部配向とは無関係な側面荷重の尺度、および結果として生じる有効レバーアーム長を導出できることを説明する。器具の手首軸の作動によってシャフトの遠位端に印加され、手首部の枢動軸における摩擦によってシャフトに伝達されるモーメントが、側面荷重の意図された測定を妨害するという懸念がある。しかしながら、測定されたひずみを規定する数式を介して、そのようなモーメントによる項を当てはめることによって、側面荷重力が計算されたときに、そのようなモーメントによる項が消失することが理解され得る。同様に、ｚ軸力が消失する。
【００５４】
ここで、図７および以下の式を参照すると、８個のひずみゲージによって感知されるひずみの適正な計算の組み合わせによって、所望の側面荷重力を保存しながら、不要な軸方向の手首ケーブル力および手首作動トルクを排除ことが可能である。図７は、手首機構によって適用される荷重およびモーメントを受ける自由物体の図を示している。種々の力およびモーメントが、外側手首部１２０（図６）の自由物体に印加され得る。先端荷重、ケーブル荷重、手首部の運動および加速の組み合わせに応じて、シャフトのｙ−ｚ面で見られるシャフト１１０の端に印加される力およびモーメントは、Ｆｙ（側面荷重）、Ｆｚ（軸荷重）、およびＭｘ（手首枢動摩擦モーメント荷重）に帰着する。
【００５５】
したがって、以下のように、これらの３つの荷重に関して、この平面内の４個のゲージ上のひずみε５、ε６、ε７、およびε８を表し、所望の横方向力Ｆｙの式を導出することができる。
【００５６】
引張ひずみ＞０
圧縮ひずみ＜０
ε７＝−Ｆｚ／ＥＡ＋Ｍｘｒ／ＥＩ＋ＦｙＬｒ／ＥＩ
ε５＝−Ｆｚ／ＥＡ−Ｍｘｒ／ＥＩ−ＦｙＬｒ／ＥＩ
ε８＝−Ｆｚ／ＥＡ＋Ｍｘｒ／ＥＩ＋Ｆｙ（ｌ＋Ｌ）ｒ／ＥＩ
ε６＝−Ｆｚ／ＥＡ−Ｍｘｒ／ＥＩ＋Ｆｙ（ｌ＋Ｌ）ｒ／ＥＩ
［（ε８−ε６）−（ε７−ε５）］＝−Ｆｚ／ＥＡ［（ｌ−ｌ）−（ｌ−ｌ）］
＋Ｍｘｒ／ＥＩ［（ｌ−（−ｌ））−（ｌ−（−ｌ））］
＋Ｆｙｒ／ＥＩ｛［（ｌ＋Ｌ）−（−（ｌ＋Ｌ））］−［Ｌ−（−Ｌ）］｝
＝２ｌＦｙｒ／ＥＩ
したがって、
Ｆｙ＝［（ε８−ε６）−（ε７−ε５）］ＥＩ／２ｌｒ
ＭｘおよびＦｚは、生じない。
【００５７】
わかるように、両方の組のゲージ上で等しく感じられるモーメント荷重Ｍｘによるひずみは、印加された横方向力Ｆｙによるモーメント荷重を残して消失する。両方の組のゲージ上で等しく感じられる軸力Ｆｚによるひずみ成分も、消失する。したがって、手首作動トルクが、手首接合部の摩擦によってひずみセンサを担持するシャフトに伝えられるため、２組のセンサからの信号が減算されると無効になるモーメント荷重をもたらし、所望に応じて、横方向力荷重のみによる相対的にノイズを含まない信号を残す。上記の開示は、同様に、ｘおよびｙが交換されたｘ−ｚ面内のε１−４に該当する。
【００５８】
実質的に横方向力荷重のみによる、ノイズを含まない信号を計算することにより、手首摩擦モーメントを排除するために以前で行われたように、手首接合部の外側（遠位）にセンサを配置する必要性を有利に排除する。したがって、本発明は、屈曲手首接合部を通して、ひずみゲージに関連付けられたワイヤまたは光ファイバを送る必要性を回避する。さらに、ヨーおよびグリップ軸は、以前に行われたように分離するよりもむしろ、同じ枢動軸上で達成され得る。
【００５９】
上述の方法および装置の全てについて、力およびトルクが、連続的に、同時に、または組み合わせて、器具先端に印加される一方で、補正係数およびオフセットが、Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｔｘ、およびＴｙを得るようにゲージ出力を組み合わせるための理論式に適用されるように判定される、較正過程を使用することが有利であり得る。較正は、補正係数およびオフセットを直接計算することによって、または、較正備品または器具自体に埋め込まれたニューラルネットワーク等の学習システムによって、達成され得る。いかなる較正方法においても、器具が使用されている間に、個別器具を使用する手術システムが、正確にその補正係数およびオフセットを識別し、適用することができるように、較正データは、器具に埋め込まれた集積回路にプログラムされ得る。
【００６０】
器具シャフトに埋め込まれた光ファイバは、好ましくは、ファイバの物理的完全性を維持しながら、器具の筐体／台車に対するシャフトの回転を妨げない方法で、器具の近位端付近でシャフトから退出するべきである。ここで、図８および９を参照すると、ファブリ・ペローまたはＦＢＧ感知要素が、手首Ｕ字形金具の直後の器具シャフト遠位先端付近で、シャフト１１０の表面の直下にある浅い溝１３０に埋め込まれ、次いで、エポキシ樹脂で接着されるか、または別様に所定の位置に収められ得る。溝１３０は、運動入力部および手首ケーブルアクチュエータ機構（「筐体」）１５０を含む、器具の近位端に向かって戻り得る。溝１３０は、初期の引抜過程中にシャフトに形成されてもよく、または溝は、シャフト生産後に機械加工され得る。近位機構または筐体付近の点で、ファイバは、緩やかな角度で溝の外へ送られ、ひずみ緩和体１４０を通して、光ファイバを機構筐体１５０の上部カバー上のひずみが緩和された固着点１４２に担持する、保護可撓性被覆１４１へ縛着され得る。可撓性被覆１４１、ひずみ緩和体１４０、および固着点１４２は、器具シャフト１１０が回転させられる際に安全な反復屈曲およびねじりを可能にするのに十分な長さおよび可撓性を有するべきである。
【００６１】
別の実施形態では、器具シャフトが樹脂および遷移（例えば、繊維ガラスまたは炭素繊維）でできている場合、光ファイバは、樹脂の適用の前に、所望の角度（９０または１２０度）および半径（近表面）位置で、器具シャフトの繊維基質内に、直線の軸方向補強繊維を織り込まれるか、または埋め込まれ得る。
【００６２】
上記のように、主に、「ノイズ」を関心の信号に加えるカニューレ内のシャフトのカニューレシール摩擦および摺動摩擦を伴って、相対的精度により体外で検出され得る。ｚ軸力を判定する時にノイズを実質的に低減するように摩擦を低減するためのカニューレ、カニューレシール、器具、および使用方法の有利な実施形態は、参照することにより以前に組み込まれた、米国出願第１１／８６４，９７４号で説明されている。
【００６３】
図９を参照すると、器具１００の斜視図が示されている。一実施形態では、器具シャフト１１０の外部は、望ましくない摩擦ノイズを打ち消すために、摩擦低減被覆（例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、パリレン、またはポリアミド）で処理された表面を含むか、および／または、摩擦低減材料から成る。シャフト１１０は、上記で説明されるように、器具のシャフトに沿った溝に配置されたひずみゲージを覆う均一な直径であり得ることにより、器具のシャフト全体が、最小限の摩擦または障害を伴って、カニューレおよび／またはカニューレシールを通過し得る。
【００６４】
ここで、図１０−１４Ｂを参照すると、本発明の実施形態による、基部載置Ｆ／Ｔセンサ３００と、マニピュレータアームリンク５０と、伸縮挿入軸６０とを含む、マニピュレータ８の斜視図および斜視側面図が示されている。図１０では、Ｆ／Ｔセンサインターフェース３７０が、Ｆ／Ｔセンサ３００に動作可能に結合され、コンピュータ３８０が、選択的にＦ／Ｔセンサインターフェース３７０に結合されている。図１１Ａ−１１Ｂは、補助クランプ８０の結合部を図示し、図１２Ａ−１２Ｂは、カニューレ２００の結合部を図示し、図１３Ａ−１３Ｂは、器具滅菌アダプタ７０の結合部を図示し、図１４Ａ−１４Ｂは、器具１００の結合部を図示する。
【００６５】
一実施形態では、伸縮挿入軸６０は、第１のリンクまたは基部リンク６２と、基部リンク６２に動作可能に結合される第２のリンクまたはアイドラリンク６４と、アイドラリンク６４に動作可能に結合される第３のリンクまたは台車リンク６６とを含む。マニピュレータのうちのいくつかは、伸縮挿入軸６０を含むが、他の実施形態では、マニピュレータは、直線摺動台車または伸縮挿入軸６０を含み得る。さらに他の実施形態では、挿入軸６０は、より少ない、または多くの数のリンクを含み得る。伸縮挿入軸６０は、全ての目的で参照することにより本明細書に組み込まれる、２００６年１２月２０日出願の係属中米国出願第１１／６１３，８００号でより詳細に説明されるように、（他の利点に加えて）以前の設計と比較して向上した剛性および強度、より大きい可動域、ならびにシステムユーザにとっての向上した動的性能および手術野に近接した視界で、３つの動作可能に結合されたリンクを介して、載置された道具または器具１００の動作を可能にする。
【００６６】
基部リンク６２は、マニピュレータアームリンク５０の遠位端に動作可能に結合され、一実施例では、基部リンク６２の遠位端に取り付けられた補助クランプ８０を有する。カニューレ２００は、補助クランプ８０上に載置され得る。適用可能な補助クランプおよび付属品の実施例は、２００５年９月３０日出願の係属中米国出願第１１／２４０，０８７号で開示されており、その全開示は、全ての目的で参照することにより本明細書に組み込まれる。適用可能な滅菌アダプタおよび器具筐体は、２００５年１２月２０日出願の米国出願第１１／３１４，０４０号、および２００６年３月３１日出願の米国出願第１１／３９５，４１８号で開示されており、その全開示は、全ての目的で参照することにより本明細書に組み込まれる。
【００６７】
台車リンク６６は、器具の筐体（例えば、図１４Ａおよび１４Ｂの筐体１５０）に動作可能に結合する（例えば、電気的および／または物理的に）ことが可能であり、患者体内での器具の深度を制御する、器具滅菌アダプタ（ＩＳＡ）７０（図１３Ａ−１３Ｂ）に動作可能に結合する（例えば、電気的および／または物理的に）ための器具インターフェースを含む。一実施形態では、滅菌アダプタは、非滅菌マニピュレータアーム（例えば、以下でさらに説明されるような、患者側マニピュレータ）と外科手術の滅菌野との間に滅菌障壁を確立するように、ロボット手術システム、特に、マニピュレータシステムを覆い得るドレープと一体化している。適用可能なドレープおよびアダプタの実施例は、２００５年９月３０出願の米国出願第１１／２４０，１１３号で開示されており、その全開示は、全ての目的で参照することにより本明細書に組み込まれる。器具インターフェースの実施例は、２００６年１２月２０日出願の係属中米国出願第１１／６１３，６９５号で開示されており、その全開示は、全ての目的で参照することにより本明細書に組み込まれる。
【００６８】
アイドラリンク６４は、リンク６２、６４、および６６が、収縮態様で縦軸に沿って相互に対して動くことを可能にするように、基部リンク６２と台車リンク６６との間で移動可能に結合される。一実施形態では、基部リンク６２は、アイドラリンク６４よりも狭い形状係数を有し、アイドラリンク６４は、台車リンク６６よりも狭い形状係数を有し、したがって、手術野付近で、さらに優れた視界を提供する。
【００６９】
便宜上、組織を操作するために使用される手術道具を支持しているマニピュレータ８等のマニピュレータが、患者側マニピュレータ（ＰＳＭ）と呼ばれ得る一方で、内視鏡等の画像撮影またはデータ取得デバイスを制御する別のマニピュレータは、内視鏡・カメラマニピュレータ（ＥＣＭ）と呼ばれ得る。マニピュレータは、選択的に、手術に有用である、多種多様な器具または道具、画像撮影デバイス、および同等物を作動させ、操作し、制御し得る。
【００７０】
器具１００は、外科手術のために設定するとき、外科手術の異なる段階のためにマニピュレータシステムを構成するとき、器具を除去し、代替的器具と交換するとき等に、手動で配置され得る。助手によるマニピュレータアセンブリのそのような手動再構成中に、マニピュレータアセンブリは、マスタ／スレーブ遠隔手術中に使用されるものとは異なるモードで配置されてもよく、手動で再配置可能なモードは、クラッチモードと呼ばれることもある。マニピュレータアセンブリは、マニピュレータ８上のボタンまたはスイッチ（例えば、図１１Ａ−１４Ａのクラッチボタン／スイッチ６８）、またはマニピュレータアセンブリに対する何らかの他の構成要素を押すこと等の入力に応じて、組織操作モードとクラッチモードとの間で変化してもよく、それにより、助手がマニピュレータモードを変更することを可能にする。
【００７１】
ここで、図１５および１６を参照すると、図１５は、設定リンク機構アーム７の自由端７ａとマニピュレータ８の基部３０との間のＦ／Ｔセンサ３００の拡大斜視図を図示し、図１６は、機械または電気コネクタインターフェースを伴わないＦ／Ｔセンサ３００の実施例を図示する。
【００７２】
上記のように、Ｆ／Ｔセンサ３００は、マニピュレータの基部（例えば、マニピュレータ８または１０の基部３０、図１Ａ−１Ｃ）と、それぞれの結合されたリンク機構の外側（例えば、リンク機構７または９の自由端７ａ）との間に動作可能に結合される。一実施形態では、センサ３００は、基部３０とリンク機構の自由端７ａ（図１Ａ−１Ｃ参照）との間に動作可能に結合される。一実施例では、Ｆ／Ｔセンサ３００の一側面は、受動設定アームリンク機構の端に動作可能に取り付けられ、Ｆ／Ｔセンサ３００の別の側面は、基部３０においてサーボ作動マニピュレータに動作可能に取り付けられる。別の実施例では、少なくとも６つの自由度が、基部３０を起点としてマニピュレータ（および器具）に提供される。具体的には、患者身体の外側のマニピュレータ８のヨー、ピッチ、および挿入軸が、軸Ａ、Ｂ、およびＣ（図１０）に沿って提供される。器具の手首部のピッチおよびヨー運動、および器具の転動運動は、基部３０を起点とする（すなわち、遠位にある）他の３つの自由度を提供する。より多く、またはより少ない自由度も、本発明の範囲内である。例えば、器具エンドエフェクタの開閉に別の自由度が考慮され得る。
【００７３】
Ｆ／Ｔセンサ３００は、一実施例では、力およびトルクを、Ｆ／Ｔセンサインターフェース３７０（図１０）に対するアナログひずみゲージ信号に変換する、一体構造である。一実施例では、図１６に示されるように、センサ３００は、センサへの力の印加時に屈曲する３つの対称に配置された梁を含む。梁は、一実施例では、固体金属から機械加工され得る。半導体ひずみゲージまたは箔抵抗ひずみゲージが、梁に取り付けられ、ｘ、ｙ、およびｚ軸の力およびトルク成分（Ｆｚ、Ｔｚ、Ｆｙ、Ｔｙ、Ｆｚ、およびＴｚ）に関するひずみゲージ信号をＦ／Ｔセンサインターフェース３７０に提供する、ひずみ感応抵抗器と見なされ得る。
【００７４】
Ｆ／Ｔセンサインターフェース３７０とセンサ３００との間の通信は、センサおよびインターフェースに接続するための動作可能なコネクタとともに、電気的に遮蔽されたケーブルを通して達成され得る。無線および有線両方の通信手段およびプロトコルを含む、センサ３００とＦ／Ｔセンサインターフェース３７０との間の種々の他の通信は本発明の範囲内である。
【００７５】
Ｆ／Ｔセンサインターフェース３７０は、Ｆ／Ｔセンサ３００からのひずみゲージデータを力／トルク成分に変換する。センサ３００上のひずみゲージの抵抗は、印加された荷重の関数として変化する。Ｆ／Ｔセンサインターフェース３７０は、抵抗の変化を測定し、ハードウェアおよびソフトウェアの組み合わせ、ならびに較正データを使用して、この変化を力およびトルク成分に変換する。Ｆ／Ｔセンサインターフェース３７０はまた、センサ３００に電力および信号を提供し、ならびに、センサ出力を読み取り得る。コンピュータ３８０（図１０）も、ひずみゲージデータのさらなる処理のために、Ｆ／Ｔセンサインターフェース３７０に動作可能に結合され得る。Ｆ／Ｔセンサインターフェース３７０は、シリアル入出力またはアナログ出力を含むがそれらに限定されない、種々の手段を介して、コンピュータ３８０と通信し得る。一実施例では、Ｆ／Ｔセンサインターフェース３７０は、１６進および１０進整数形式を含むがそれらに限定されない種々の形式で、生のひずみゲージデータおよび／または分解された力／トルクデータを出力し得る。
【００７６】
一実施例では、それにより、本発明を限定することを意図せずに、Ｆ／Ｔセンサ３００は、ＡＴＩ  Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ  Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ（Ａｐｅｘ，Ｎｏｒｔｈ  Ｃａｒｏｌｉｎａ）から入手可能なＴｈｅｔａ型である、力／トルク変換器であり、Ｆ／Ｔセンサインターフェース３７０の実施例は、同様にＩｎｄｕｓｔｒｉａｌ  Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ（Ａｐｅｘ，Ｎｏｒｔｈ  Ｃａｒｏｌｉｎａ）から入手可能である、適用可能な電源供給およびデータ取得（ＤＡＱ）カードまたはコントローラＦ／Ｔシステムである。さらなる情報は、ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ａｔｉ−ｉａ．ｃｏｍで入手可能である。
【００７７】
ここで、図１７Ａ−１７Ｆを参照すると、本発明の実施形態による、Ｆ／Ｔセンサ、設定リンク機構アーム、およびマニピュレータアームの基部の間の機械および電気コネクタインターフェースが図示されている。
【００７８】
整列スロットおよびネジの組み合わせが、一実施例では、設定リンク機構とマニピュレータとの間のＦ／Ｔセンサ３００の機械的結合のために使用され得る。一実施形態では、スロット３０２が、設定リンク機構の自由端７ａの上に提供され、スロット３２８が、基部３０の上に提供され、Ｆ／Ｔセンサ３００は、第１側面上に、自由端７ａに機械的に結合する機械および電気コネクタインターフェース３０６を第２側面上に、基部３０に機械的に結合する機械および電気コネクタインターフェース３０８を含む。インターフェース３０６は、スロット３０２（図１７Ｃおよび１７Ｄ）に摺動可能に結合するスロット３１６を含み、インターフェース３０８は、スロット３２８（図１７Ｅおよび１７Ｆ）に摺動可能に結合するスロット３１０を含む。スロットおよびネジは、一実施例では、摺動可能に係合し、設定リンク機構およびマニピュレータの基部にセンサを固定する。
【００７９】
別の実施例では、Ｄ型コネクタ（プラグおよびソケット）およびワイヤの組み合わせが、電力およびデータを渡すために、設定リンク機構とマニピュレータとの間のセンサ３００の電気的結合に使用され得る。一実施形態では、設定リンク機構の自由端７ａは、開口部３０４ａ、３０４ｂに嵌合するソケット３１４ａ、３１４ｂを含み、Ｆ／Ｔセンサ３００のインターフェース３０６は、ソケット３１４ａ、３１４ｂ（図１７Ｃおよび１７Ｄ）に動作可能に結合するプラグ３１８ａ、３１８ｂを含む。別の実施形態では、基部３０は、プラグ３２６ａ、３２６ｂを含み、Ｆ／Ｔセンサ３００のインターフェース３０８は、プラグ３２６ａ、３２６ｂ（図１７Ｅおよび１７Ｆ）に動作可能に結合するソケット３２２ａ、３２２ｂを含む。電力およびデータは、一実施形態では、Ｆ／Ｔセンサ３００の外面の周囲に送られる被覆線３２０を介して、プラグ３１８ａ、３１８ｂをソケット３２２ａ、３２２ｂに結合することによって、Ｆ／Ｔセンサの第１側面から第２側面に渡される。他の実施形態では、被覆線３２０は、Ｆ／Ｔセンサ３００を通して送られ得る。
【００８０】
ここで、図１８を参照すると、本発明の実施形態による、Ｆ／Ｔセンサ３００、設定リンク機構アーム７、およびマニピュレータアーム８の間のデータ信号経路のブロック図が図示されている。一実施形態では、Ｆ／Ｔセンサ信号が、マニピュレータアーム８の中のモータセンサ３４０から、接合部センサ３４６を含む設定リンク機構７を通ってメインコントローラへと通過する、シリアルバス３４２上の付加的なノード（例えば、シリアル通信ボード３４４）に注入される。コネクタ３３０、３３０’および３３２、３３２’は、それぞれ、Ｆ／Ｔセンサ３００およびマニピュレータ８および設定リンク機構７の間の電気接続を可能にする。一実施例では、コネクタ３３０、３３０’および３３２、３３２’は、図１７Ａ−１７Ｆに関して上記で説明されるＤ型コネクタと同様であり得る。有利なことには、シリアル通信の使用は、マニピュレータモータセンサ３４０および設定リンク機構の接合部センサ３４６からのセンサ信号による、Ｆ／Ｔセンサ信号の時分割多重化を可能にする。
【００８１】
センサと基部またはリンク機構との間の他の機械的および電気的係合手段が、本発明の範囲内である。上記で説明されるプラグおよびソケットは、直列および／または並列コネクタであってもよく、雄および雌コネクタが、適用可能に取り替えられ得る。Ｅｔｈｅｒｎｅｔ（登録商標）、ユニバーサルシリアルバス（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ  Ｓｅｒｉａｌ  Ｂｕｓ）、およびＦｉｒｅＷｉｒｅ等の、他の種類の電気インターフェースも、本発明の範囲内である。有利なことには、上記で説明される機械的および電気的係合手段は、Ｆ／Ｔセンサと設定リンク機構またはマニピュレータ基部との間で、効率的かつ単純な機械的および電気的噛合を可能にする。
【００８２】
ここで、図１９Ａおよび１９Ｂを参照すると、本発明の実施形態による、Ｆ／Ｔセンサ４００用のバネ釣合錘が図示されている。Ｆ／Ｔセンサ４００は、一実施例では、センサの中心ハブ４０８の周囲に４つの支柱４０６を伴う筐体４０４を備える。この実施形態では、ハブ４０８は、マニピュレータに動作可能に結合され、筐体４０４は、設定リンク機構に動作可能に結合される。ひずみゲージは、支柱４０６上に載置される。バネ４０２ａおよび４０２ｂは、縦軸「ｚ」に沿ってセンサの対向端に、また、垂直軸「ｙ」に沿って中心ハブ４０８の上下にも配置される。バネ４０２ｂの力は、中心ハブ４０８に載置されたマニピュレータの重量に等しい量だけ、バネ４０２ａの力よりも大きい。有利なことには、バネ４０２ａおよび４０２ｂの位置は、マニピュレータの張出し荷重の重量およびモーメントに対抗する。曲がり梁および同等物等の、マニピュレータを担持するハブに、荷重を補償する力およびモーメントを印加する他の手段が可能であり、本発明の範囲内である。そのような平衡Ｆ／Ｔセンサ設計は、そうでなければ安全な応力限界内で動作している間、マニピュレータを支持するように要求されるよりも小さい支柱を有するより小型で軽量のセンサを可能にする。ゲージが、マニピュレータの非補償の静的な張出し荷重に対応するひずみを中心とするよりもむしろ、ゼロひずみを中心とするダイナミックレンジの大部分にわたって動作することができるため、ひずみゲージの信号対雑音比も改善される。いずれにしても、ゲージまたは支柱応力によって許容される最大ひずみは、実質的に同じである。最終的に、（例えば、センサをひっくり返すことによって）バネ位置がそれに応じて変更された場合、センサハブおよび外側筐体の役割が、設定リンクおよびマニピュレータへの載置に関して逆転され得る。
【００８３】
動作中、挿入軸６０は、切開内のカニューレ２００を通過し、次いで、患者の中に入る、それに載置された器具１００を有する（図１４Ａ−１４Ｂ）。したがって、マニピュレータ８は、（１）設定カートへの受動設定リンク機構（例えば、リンク機構７）へとＦ／Ｔセンサ３００を通して、また、（２）手術台への患者体壁の切開へとカニューレを通して、機械的接地に接続される。両方の接地経路は、機械的な柔軟性を有し、したがって、両方の経路は、機械的接地へのロボットおよび器具荷重の分配を担持する。したがって、器具先端に印加される力は、基部載置Ｆ／Ｔセンサよりもむしろ、患者体壁を部分的に通って、機械的接地へと通過し得る。
【００８４】
組み合わされた設定アームと患者体壁との柔軟性により、組み合わされた基部載置Ｆ／Ｔセンサおよび設定アームの端上のロボット質量の振動モードがある。異なるモードが、センサ信号から「ノイズ」を除去するために使用され得る。力センサおよびロボット質量の振動による力を除去するために、ノッチフィルタが、ひずみゲージデータに使用され得る。より低い周波数の手術の力のみを残して、ひずみ信号上のより高い周波数のノイズを除去するために、低域通過フィルタが使用され得る。切開内のカニューレの傾転によって引き起こされる患者体壁力も、カニューレの傾斜角の関数として、これらの力をマッピングし、一事例における参照テーブルを使用して、感知した力の合計から、結果として生じる推定体壁力を引くことによって除去され得る。最小感知閾値も、Ｆ／Ｔセンサノイズレベルまたはそれ以下の力を排除するために使用され得る。
【００８５】
基部載置Ｆ／Ｔセンサが、ひずみゲージを含むか、または含まない器具とともに使用され得る。したがって、基部載置Ｆ／Ｔセンサおよび器具のひずみゲージは、ｘ、ｙ、およびｚ軸力感知を含む、強力な感知システムを提供するために一緒に使用され得るが、他の実施形態では、基部載置Ｆ／Ｔセンサが、単独で使用され得る。一実施例では、基部載置Ｆ／Ｔセンサは、器具シャフトの相互の衝突、および体外のロボットアームの衝突を含む、器具先端の力センサに近接して印加される力を感知することによって、器具先端の力センサを増強するために使用され得る。第２の実施例では、基部載置Ｆ／Ｔセンサは、基部載置Ｆ／Ｔセンサによって測定される分解された器具ｚ軸（柄管軸）力を、器具先端センサによって測定される器具のｘおよびｙ軸（横軸）力と組み合わせることによって、器具先端の力センサを増強するために使用され得る。
【００８６】
Ｆ／Ｔセンサインターフェース３７０またはコンピュータ３８０は、センサノイズを低減するために、低域通過フィルタ、ノッチフィルタ、低信号レベル不感帯、およびそれらの組み合わせを使用して、基部載置Ｆ／Ｔセンサからのひずみゲージデータをフィルタにかけ得る。
【００８７】
一実施例では、力／トルクデータをフィルタにかけて、初期縫合糸破断、および破断につながる力の上昇、ならびに患者体内の手術器具間の衝突を検出するために、低域通過フィルタが使用され得る。
【００８８】
別の実施例では、センサノイズと、器具先端またはロボットアームの速度に反比例して依存する可変利得とを低減して、ロボットアームの運動による動態力によって支配される時の力信号を軽減するために、マニピュレータの共振に同調されるノッチフィルタと、設定リンク機構アームおよび患者体壁によって柔軟に制約されるＦ／Ｔセンサの質量とが、低域通過フィルタと併せて使用され得る。このフィルタリングスキームは、例えば、初期縫合糸破断、患者体内の手術器具間の衝突、組織の解離、後退、および触診を検出するために使用され得る。
【００８９】
別の実施例では、Ｆ／Ｔセンサからの信号は、大きさによってフィルタされて、患者身体の内部および外部にあるマニピュレータアームにかかる力を区別し得る。したがって、患者体外のマニピュレータアームの衝突、およびマニピュレータアームにかかる内部手術力が、Ｆ／Ｔセンサからの信号の大きさに基づいて区別され得る。
【００９０】
次いで、力／トルクセンサ情報が、視覚、聴覚、または触覚フィードバックにより、外科医に表示され得る。
【００９１】
ここで、図２０−２５を参照すると、異なる実験的な力の測定値が、基部載置Ｆ／Ｔセンサを含む本発明のマニピュレータから示されている。基部載置センサを含むＰＳＭ上に道具を設置し、模擬（ゴム）組織内の約３インチの切開上で道具を適所に動かした。Ｆ／Ｔセンサ出力をゼロに設定し、それにより、静的な重力荷重を打ち消した。外科医用コンソールにおける操作者が、切開の長さに沿って器具の先端を動かして、この作業空間にわたって信号の予期された静的変動を確立した。この特定の試験における最大変動は、図２０に図示されるように、約１．７Ｎであった。
【００９２】
図２１は、別のマニピュレータ（例えば、ＥＣＭ）が、患者外部の本発明のマニピュレータを衝打した時の、本発明のマニピュレータ（例えば、ＰＳＭ）からの力の測定値を図示する。マニピュレータによって感知される約４０Ｎから１００Ｎまでのピーク擾乱が、明確に提供されている。
【００９３】
図２２は、本発明のマニピュレータが、患者外部の別のマニピュレータ（例えば、ＥＣＭ）を衝打した時の、本発明のマニピュレータ（例えば、ＰＳＭ）からの力の測定値を図示する。マニピュレータによって感知される約３０Ｎから６０Ｎまでのピーク擾乱が、明確に提供されている。
【００９４】
図２３および２４は、本発明のマニピュレータが、縫合糸を緊張し、次いで、切った時の本発明のマニピュレータからの力の測定値を図示する。マニピュレータによって感知される擾乱が、明確に提供されている。図２３は、７−０縫合糸の一端を、手首部付近で器具のシャフトの周囲に数回巻装し、縫合糸の他方の端を、ボールペンの筒の周囲に巻装した時の結果を図示する。次いで、縫合糸が切れるまで（この場合、約６秒）手動で力を印加した。この実験は、自由空間において実行された。図２４は、７−０  Ｐｒｏｌｅｎｅ縫合糸を上記のように保持し、縫合糸が切れるまで（この場合、約２６秒）連続的なより高いレベルに、引張力を増加させ、解放した時の結果を図示する。
【００９５】
図２５は、手術環境内で、本発明のマニピュレータ上に載置された器具が、内部でマニピュレータ上に載置された別の器具を衝打した時の、本発明のマニピュレータからの力の測定値を図示する。マニピュレータによって感知される約５Ｎから１８Ｎまでの擾乱が、明確に提供されている。
【００９６】
有利なことには、本発明は、ロボット機構の内部の力（例えば、内部摩擦、器具とカニューレとの間の摩擦等）とは無関係に、手術ロボットアームに印加される外力を感知するステップを提供する。本発明はさらに、患者体外で、手術ロボットの取り外し不可能な非滅菌部の上にセンサを有することによって、器具の手首アクチュエータケーブルの引張力および手首部作動のモーメントからの望ましくない干渉を排除する。また、ワイヤまたは光ファイバが器具を通過することを要求しないことにより、起こり得る信号損失、ワイヤまたはファイバの破損、干渉ノイズ、および／または漏電電流を回避する一方で、さらに優れた信頼性と、より単純で安価な構成を確実にする。
【００９７】
したがって、本発明は、（１）患者の内部生体構造および他の手術器具との器具先端の相互作用と、（２）患者生体構造、手術人員、手術台、および他のロボットアームを含む、環境との体外のロボットアームの相互作用とに関する、情報を提供する。一実施例では、この情報はまた、手動配置（クラッチモード）中に、ロボットアームおよびリンク機構の後方駆動可能性（ｂａｃｋｄｒｉｖａｂｉｌｉｔｙ）を増加させるために使用され得る。
【００９８】
上記で説明される実施形態は、本発明を例示するが、限定しない。本発明の原理に従って、多数の修正および変化の例が可能であることも理解されたい。したがって、本発明の範囲は、以下のクレームによってのみ規定される。
【図１Ａ】
0005575743.tif 000004
【図１Ｂ】
0005575743.tif 000005
【図１Ｃ】
0005575743.tif 000006
【図２】
0005575743.tif 000007
【図３】
0005575743.tif 000008
【図４】
0005575743.tif 000009
【図５】
0005575743.tif 000010
【図６】
0005575743.tif 000011
【図７】
0005575743.tif 000012
【図８】
0005575743.tif 000013
【図９】
0005575743.tif 000014
【図１０】
0005575743.tif 000015
【図１１Ａ】
0005575743.tif 000016
【図１１Ｂ】
0005575743.tif 000017
【図１２Ａ】
0005575743.tif 000018
【図１２Ｂ】
0005575743.tif 000019
【図１３Ａ】
0005575743.tif 000020
【図１３Ｂ】
0005575743.tif 000021
【図１４Ａ】
0005575743.tif 000022
【図１４Ｂ】
0005575743.tif 000023
【図１５】
0005575743.tif 000024
【図１６】
0005575743.tif 000025
【図１７Ａ】
0005575743.tif 000026
【図１７Ｂ】
0005575743.tif 000027
【図１７Ｃ】
0005575743.tif 000028
【図１７Ｄ】
0005575743.tif 000029
【図１７Ｅ】
0005575743.tif 000030
【図１７Ｆ】
0005575743.tif 000031
【図１８】
0005575743.tif 000032
【図１９Ａ】
0005575743.tif 000033
【図１９Ｂ】
0005575743.tif 000034
【図２０】
0005575743.tif 000035
【図２１】
0005575743.tif 000036
【図２２】
0005575743.tif 000037
【図２３】
0005575743.tif 000038
【図２４】
0005575743.tif 000039
【図２５】
0005575743.tif 000040