(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基部エンド及び末端エンドを有する長尺シャフトと、末端エンド上のエンドエフェクターと、基部エンドと末端エンドの中間の該シャフトから横方向に延在する装着手段とを含む外科手術用具と；
第１及び第２ドライブ（８，１０）を含むドライブアセンブリ（７）と；
第１及び第２エンド付き本体を有するサポートを含む用具ホルダーであって、該用具ホルダーは、
前記外科手術用具上でエンドエフェクターを作動するため前記長尺シャフトに開放可能に連結されたアクチュエータードライバー（８０）、
前記第１ドライブ（８）を前記外科手術用具に連結するための第１シャフト（１８）、及び
前記第２ドライブ（１０）を前記アクチュエータードライバー（８０）に連結するための第２シャフト（２０）、
を含み、前記第１及び第２シャフト（１８，２０）は少なくとも二つの動作作動を前記ドライブアセンブリ（７）から前記外科手術用具に伝達するように構成された前記用具ホルダーと；
を含む外科手術システムであって、該外科手術システムは、
前記用具に沿った所望の位置において回転の所望の球中心を中心とした前記用具の移動を拘束するための装置であって、該装置は、
ベース、
軸を中心として回転するよう前記ベース上に旋回自在に装着された第１リンクであって、前記用具ホルダーは、用具に沿った球回転の所望の遠隔中心が前記軸と交差するような位置に前記用具を保持する前記第１リンク、及び
第２リンクと平行関係の平面内で前記用具ホルダーを移動させるため、前記用具ホルダーに接続された第２リンクであって、前記第２リンクが前記軸に対して平行のままであり且つ前記第１リンクが前記用具に対して平行のままであるように、前記第１リンクに旋回自在に接続された前記第２リンク、
を含み、前記第１及び第２リンクが前記用具の移動を拘束し、これにより前記用具に沿った所望の位置が前記回転の球中心に固定、維持される前記装置；
をさらに含む前記外科手術システム。
【請求項２】
前記用具ホルダーが、マニピュレーターアセンブリから前記用具に、また前記用具からマニピュレーターアセンブリに電気信号を伝達するための一つ以上の電気的貫通接続をさらに含む、請求項１記載の外科手術システム。
【請求項３】
前記ドライブアセンブリ（７）は、前記用具ホルダーに連結された第３ドライブ（１２）をさらに含み、該第３ドライブは前記用具を軸方向に変位させるためのアクチュエーターを有する請求項１記載の外科手術システム。
【請求項４】
前記外科手術用具が手首を含み、前記用具の末端エンドが前記長尺シャフトに対し該手首を中心として旋回可能であり、前記システムが該手首を中心として長尺シャフトの末端エンド部分を旋回させるため、用具ホルダーに連結されたアクチュエーターをさらに含む請求項１記載の外科手術システム。
【請求項５】
前記リンクの少なくとも一つが、屈曲性ドライブエレメントを含み、該屈曲性ドライブエレメントによって前記一つのリンクの移動が他のリンクに伝達される、請求項１記載の外科手術システム。
【請求項６】
前記外科手術用具から遠く離れて配置された入力制御装置、
前記外科手術用具を入力制御装置で遠隔制御するため、前記用具ホルダー及び入力制御装置に連結された一つ以上のサーボ機構、
前記用具に対し作用する力を感知すると共に、該力を入力制御装置に伝達するため、前記サーボ機構に連結された一つ以上のセンサーであって、該センサーによって検知された前記力は用具ホルダーに対し作用する重力を含む前記センサー、及び
前記外科手術用具の垂直に対する方向を測定するため、前記サーボ機構に連結されたクリノメーター、
を更に含む請求項１に記載の外科手術システム。
【請求項７】
前記用具が垂直に対する角度に向けられ、前記クリノメーターが該角度を測定し、該角度を表示するサーボ機構に信号を送り、これにより前記用具に対し作用する重力が入力制御装置に伝達されるのを防止する、請求項６記載の外科手術システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は外科手術マニピュレーターに係り、特に外科手術で使用するロボット支援型装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
標準的な腹腔鏡外科手術では、患者の腹部にガスが吹き入れられ、腹腔鏡外科手術用具のための入口を形成する小さな切り口（約１／２インチ）を通ってトロカール・スリーブが送られる。一般に腹腔鏡外科手術用具は、外科手術する部位を視るための腹腔鏡、並びにクランプ、把持器、はさみ、ホチキス及び針ホルダーのような作業用具を含む。これらの作業用具は、各用具の作業端が延長チューブに沿って約１２インチだけそのハンドルから離れていることを除けば、従来の（オープン）外科手術で用いられる用具と同じである。外科手術を行うため、外科医はトロカール・スリーブを通して用具を送り、また、スリーブを通じてそれらを入れたり出したりスライドさせ、スリーブ内でそれらを回転させ、腹部壁内でスリーブにてこ入れし（即ち旋回させ）、そして用具の末端にあるエンドエフェクターを作動させることにより、腹部内においてそれらの用具を操作する。
【０００３】
ロボットに支援された遠隔操縦ロボット外科手術（オープン及び内視鏡処置）では、外科手術用具の位置は、手で直接制御するか又は固定クランプで制御するよりむしろ、サーボモーターにより制御される。外科医が患者から離れた所にて表示イメージを通じて手術を見ながら入力制御装置を操作する際には、サーボモーターは外科医の手の動きに追随する。サーボモーターは、外科手術用具を支持及び制御する電気機械的装置又は外科手術マニピュレーターの典型的な一部であり、この外科手術用具は、オープン外科手術部位に直接導入されるか又はトロカール・スリーブを通して患者の腹部のような体腔内に導入される。手術の間、外科手術用具により、組織つかみ器、針ドライバーなどのような種々の外科手術用具が機械的作動され且つ制御される。これらの外科手術用具の各々は外科医のために種々の機能を行う、即ち、針を保持又は駆動したり、血管をつかんだり、組織を切開したりする。
【０００４】
リモート操作により遠隔外科手術を行うこの新しい方法では、多くの新しい試みが為される。そのような試みの一つは、外科医が遠隔操縦ロボットシステムを操作するとき、位置、力及び触覚を外科手術用具から外科医の手に伝え返すことである。リモート操作の他の技術とは違って、遠隔外科手術により外科医には直接手で外科手術用具を操作している感じを与えることができる。例えば、用具が患者の組織構造又は器官に作用しているとき、システムは用具に対する反作用の力を検出してこの力を入力制御装置に伝えることが可能でなければならない。このようにして、外科医は表示イメージ上で組織構造に接触している用具を見て、入力制御装置上でこの接触による圧力を直接感じることができる。しかしながら、適当なフィードバックを与えることには、システムに作用する他の力が起因する問題をはらみうる。このような力としては、例えば、遠隔操縦ロボット機構内の摩擦、外科手術マニピュレーターに作用する重力及び慣性力、又は外科手術切り口によりトロカール・スリーブに働く力などが挙げられる。
【０００５】
さらに、効果的な遠隔外科手術を可能にするためには、マニピュレーターは高い応答性を有しなければならず、また外科医が外科手術を行う際にしばしば現れる最も速い手の動きでさえ正確に追随できなければならない。この迅速で応答性の高い性能を達成するために、遠隔操縦ロボットサーボシステムは、適度に高いサーボ帯域を有するように設計されねばならず、このことは、マニピュレーターが低い慣性を有し且つ相対的に低いギヤ比のドライブモーター又はプーリーカップリングを用いるようにマニピュレーターを設計することを要求する。
【０００６】
遠隔外科手術に関する他の試みは、電気機械式外科手術マニピュレーターの一部が外科手術用具と直接接触してしまうこと、及び作業部位に隣接して配置されることから生じる。従って、外科手術マニピュレーターは外科手術中に汚染されるかもしれないし、一般には処分されるか又は手術と手術の間に消毒される。もちろん、コストの観点からは装置を消毒するのが好ましいであろう。しかしながら、サーボモーター、センサー、及びモーターをロボット制御するのに必要な電気接続は、一般には従来の方法（例えば蒸気、熱及び圧力、又は化学薬品）を用いて消毒することはできない。というのは、それらが消毒工程で損傷を受けるか又は破壊されてしまうからである。
【０００７】
別の試みとしては、異なる外科手術用具が１回の手術中に数回同じ用具ホルダーに取付けられ、取り外されることである。例えば腹腔鏡処置では、患者の腹部内への入口の数は、患者に必要のない切り口を開けないという要望はもちろんのことスペースの制約ゆえに、その手術中は一般に制限される。よって、一般には幾つかの異なる外科手術用具が、手術中は同じトロカール・スリーブを通って導入される。同様に、オープン外科手術では、一般に外科手術部位の周りには１又は２以上の外科手術マニピュレーターを置く十分な空間が無く、そのため外科医の助手はホルダーから用具を取り外して他の外科手術機器を取り替えることをしばしば強いられる。
【０００８】
従って、必要なのは、リモート制御により外科手術用具を保持し操作し、且つ、外科手術用具を用具ホルダーに取り外し可能に連結するためのシステム及び方法である。本装置は、手術中に汚染された後でも再使用できるように容易に消毒できる構成とすべきである。さらに、本装置は、遠隔操縦ロボット操作の間外科手術用具に対して伝えられ且つ該用具から伝えられる力から、適当なフィードバックを外科医に与えることができなければならず、また、本装置は、装置に作用する重力が外科医に感じられないようにこれらの力を補償するよう構成すべきである。加えて、本装置は高い応答性を有しなければならず、外科医が外科手術を行う際にしばしば現れる最も速い手の動きにさえ正確に追随できなければならない。さらに、内視鏡外科手術の間用具をホルダーに素早く且つ容易に取り付け、取り外しできて、用具交換の時間を最小にするよう構成されたシステムを提供することが望ましい。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
従来のオープン外科手術中又は腹腔鏡検査のような内視鏡処置の間外科手術用具を開放可能に保持し操作するための装置及び方法が提供される。本装置は、用具ホルダーを有するマニピュレーターアセンブリを含み、この用具ホルダーは、消毒できるようにドライブアセンブリに取り外し可能に連結される。マニピュレーターアセンブリは、さらに、ホルダー末端に取り付けられた力感知エレメントと、外科手術用具に働く力を検出して外科医にフィードバックするためのドライブアセンブリとを含む。本発明はまた、外科手術用具を開放可能に保持するためのシステム及び方法に関する。システムは、用具側の装着ピンを用具ホルダー側のロックスロットに自動的にロックして用具をホルダーに開放可能に連結するための用具サポートを含む。ツイストロック動作により、オープン外科手術、腹腔鏡検査又は胸腔鏡検査のような外科処置の間、外科医は種々の用具をホルダーに素早く取付け、取り外すことができる。
【００１０】
一態様では、装置は、作業テーブルのような面に対する種々の受動又はパワー駆動位置決め装置により固定可能なサポートベースと、ベース上に移動可能に取り付けられた用具ホルダーとを含む。用具ホルダーは本体と用具サポートから成り、用具サポートは、本体に移動自在に連結され、外科手術用具と係合するインターフェースを有して用具を用具ホルダーに開放可能に装着する。ドライブアセンブリは用具ホルダーに作動連結されて、少なくとも二自由度を用具に与える。ドライブアセンブリは、用具サポートを動かすための第１ドライブと、サポートベースに対して用具ホルダーを動かすための第２ドライブとを含む。本装置は、ベース及びドライブアセンブリから取り外し可能に用具ホルダーを連結するための手段を含み、それにより、外科処置の後ホルダーは装置の残りの部分から分離して消毒できる。
【００１１】
特定の構成では、サポートベースは、末端及び基部のサポート部材を備えたフレームと、サポート部材内に回転可能に取り付けられた一対のシャフトとを含む。用具ホルダーは、用具が軸方向移動できるようにサポートシャフト上にスライド可能に取り付けられる。加えて、シャフトは各々ドライブモーターに連結され、第２及び第３の自由度（例えば回転やエンドエフェクターの作動）を用具に与える。ドライブモーターは、外科手術中に汚染されないように、基部サポート部材に連結される。回転可能シャフトは、それらを上方にスライドさせてそれらのベアリング及び用具ホルダーとの係合を外すことにより取り外すことができ、そのため用具ホルダーをサポートベースから容易に取り外して消毒できる。サポートベースの下部（末端サポート部材を含む）も、消毒して用具ホルダーに接触した部分を浄化できる。このようにして、サーボモーターや遠隔操縦ロボットシステムに要求される電気接続に損傷を与えることなく、外科処置の後に外科手術マニピュレーターを容易に消毒できる。
【００１２】
サポートベースはさらに、末端サポート部材に取り付けられたカニューレ又はトロカール・スリーブのようなスリーブを含む。スリーブは、用具をその中に受け入れるための軸方向通路と、スリーブの末端エンド近くの軸方向通路内に取り付けられた力感知エレメントとを有する。力感知エレメントは、外科手術中に用具の末端部分によりエレメントに作用する横方向の力を検出するように構成される。力感知エレメントは装置の残りの末端に取り付けられるので、外科手術の切り口により又は用具ホルダーに作用する重力及び慣性力によりカニューレに働く力からこのエレメントは影響されない。位置決め装置により支持される際には外科手術マニピュレーターはクリノメーターと共に使用でき、ローカル重力場の方向に対する用具ホルダーの真の方向が求まる。マニピュレーターと共にクリノメーター及び力センサーを使用することにより、遠隔操縦ロボット機構に作用する外部の力に影響されずに、用具端に対して作用する力を外科医が直接感知するような遠隔操縦ロボットシステムを設計するのが容易になる。換言すれば、外科医は、用具が力感知エレメントに接触している地点においてまるで自分の手が用具を保持している様に感じるのである。
【００１３】
本発明は、用具シャフトの末端エンドに連結されたエンドエフェクター（例えば一対の顎部）を有する外科手術用具を保持し操作するのに特に有効である。このために、用具ホルダーはさらにアクチュエーター・ドライバーを含み、これは用具上のエンドエフェクターと係合できるインターフェースを備える。アクチュエーター・ドライバーはカップリングを含み、このカップリングは、ドライバーの一部をサポートベースに対して軸方向に移動させるためのドライブアセンブリに、ドライバーを連結し、それにより、用具のエンドエフェクターを作動させる。好適な構成では、カップリングは同心螺旋アクチュエーターであり、ドライブモーターの回転をエンドエフェクター・アクチュエーターの軸方向の運動に変換する。螺旋アクチュエーターの対称設計ゆえに、ドライブモーターにより与えられる作動力は用具に対して如何なる有効な側面負荷をも発生せず、このことにより、用具の軸方向運動や回転のような他の自由度との摩擦連結が避けられる。
【００１４】
本発明の別の態様では、用具は、基部エンド及び末端エンドを有する延長シャフトと、シャフトから径方向に基部及び末端エンド間に延在する突起を有する装着手段とを含む。用具ホルダーはサポートを含み、サポートは、用具シャフトを受け入れる軸方向通路を備えた本体と、突起を受け入れるための軸方向通路に連通した第１穴とを有する。第２穴は本体において第１穴まで横方向に切り込まれて連通し、突起が第２穴内で回転できる。外科手術の間に用具が偶然に捻られて用具ホルダーから外れないようにするため、ホルダーはさらに本体に連結されたロック手段を含み、このロック手段は第２穴内で突起を自動的にロックし、それにより、用具を用具ホルダーに開放可能にロックする。
【００１５】
好適な構成では、装着手段の突起は、用具シャフトから外方向に延在する一対の対向アーム（例えば装着ピン）を含む。第１穴は軸方向に延びたスロットであり、これは装着ピンを受け入れる。第２穴は垂直ロックスロットであり、これは軸方向スロットに整列した第１部分と、用具サポートの本体の回りを周方向に延在する第２部分とを有する。この構成により、装着ピンは軸方向スロットをスライドしてロックスロット内に回転でき、用具をホルダーに取り付けられる。用具は、同じ２工程を逆の順に行うことにより外すことができる。このツイスト−ロック動作により、外科手術中に外科医は種々の用具を用具ホルダーに迅速に嵌めたり外したりできる。
【００１６】
好ましくは、ロック手段は、装着ピンを用具ホルダーにロックするための開放可能ラッチアセンブリから成る。ラッチアセンブリはラッチに連結されたバネ負荷プランジャを含み、これは装着ピンをロックスロット内に捕獲することにより用具を適所に正常にロックする。プランジャは用具ホルダーから外方向に延在するボタンを有し、このボタンはラッチをロックスロットから出すためのものである。このボタンはマニュアルで又は自動的に押すことができ、外科医が用具に容易にアクセスできるとき装着ピンを開放して用具を取り替え可能にする。
【００１７】
本発明は、小さな経皮貫通で体空洞（例えば腹部又は胸部空洞）内に導入するよう構成された内視鏡用具を開放可能に保持するのに特に有効である。このために、好ましくは用具は、体空洞内で組織構造と係合する末端エンドと連結したエンドエフェクター（例えば一対の顎部）を含む。エンドエフェクターを作動するため、用具はアクチュエーターピンのような第２のアーム対を有し、これはシャフトから横方向に延在しエンドエフェクターに作動連結する。好ましくは、アクチュエーターピンはシャフトに対して軸方向に変位できてエンドエフェクターを作動する（例えば顎部を開閉する）。用具ホルダーはさらに、エンドエフェクターを作動するための外部ドライバーとアクチュエーターアームに開放可能に連結したアクチュエータードライバーを含む。好ましくは、アクチュエータードライバーは、用具サポートについて説明したのと同様の横方向スロットを備えたツイスト−ロックインターフェースを含み、用具サポートとアクチュエータードライバーの両方に同時に用具を嵌めたり外したりできる。
本発明の他の特徴や利点は以下の記載から明らかとなり、好適実施態様が添付図面に関連して詳細に述べられる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明によるマニピュレーターアセンブリに装着されたロボット内視鏡外科手術用具の部分断面立面図である。
【図１Ａ】図１のマニピュレーターアセンブリの部分断面立面図であり、用具ホルダーがアセンブリの残りの部分から取り除かれているのを示す。
【図２Ａ】図１の外科手術用具の拡大された側断面図である。
【図２Ｂ】図１の外科手術用具の拡大された前面断面図である。
【図３】図３Ａと図３Ｂは、それぞれ用具サポートとアクチュエーターピンキャッチの斜視図であり、外科手術用具をマニピュレーターアセンブリに開放可能に装着するものである。
【図４】図３Ａと図３Ｂの用具サポートとアクチュエーターピンキャッチ内に装着された外科手術用具の前面立面図である。
【図５】図３Ｂのアクチュエーターピンキャッチを軸方向に移動させるためのアクチュエータードライバーの前面立面図である。
【図６】図６Ａと図６Ｂは、図５のアクチュエーターキャリッジアセンブリと螺旋アクチュエーターの拡大断面図である。
【図７】図１のマニピュレーターアセンブリのフレームの一部の拡大詳細図であり、フレームからシャフトを取り外すための連結機構を示す。
【図８】図３Ａの用具サポートの部分断面図であり、本発明によるツイストロックインターフェースのためのロック機構を示す。
【図９】図１のマニピュレーターアセンブリを保持するためのリモート中心位置決め器の立面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図面を詳細に参照すると、同じ番号は同じ要素を示しており、マニピュレーターアセンブリ２が本発明の原理に従って描かれている。一般に、マニピュレーターアセンブリ２は、ベース６に取り外し可能に装着された用具ホルダー４と、用具ホルダー４に開放可能に連結された外科手術用具１４を操作するためのドライブアセンブリ７とを含む。
図１を参照すると、ベース６は、基部及び末端の長サポート部材１７、１９を有するフレーム１６と、ベアリング２２を介してサポート部材１７、１９に回転可能に連結された第１及び第２ボールスプラインシャフト１８、２０とから成る。以下に詳細に述べるように（図９参照）、フレーム１６はさらに、マニピュレーターアセンブリ２をリモート中心位置決め器３００に取り付けるためのサポートブラケット２４を含む。ドライブアセンブリ７は第１、第２及び第３ドライブ８、１０、１２を含み、これらはフレーム１６に装着され外科手術用具１４に三自由度を与えるように構成される。好適実施態様では、第１ドライブ８は用具１４をそれ自身の軸を中心として回転させ、第２ドライブ１０は用具１４の末端のエンドエフェクター１２０を作動させ、そして第３ドライブ１２は用具１４をフレーム１６に対して軸方向に変位させる。もちろん、他の構成が可能なことは当業者には容易に分かるであろう。例えば、アセンブリ２は、外科手術用具１４に別の自由度（例えば用具手首の回転や屈曲）を与えるための更なるドライブを含むことができる。
【００２０】
第１ドライブ８はフレーム１６に固定された回転ドライブモーター２６を含み、この回転ドライブモーター２６は、第１シャフト１８をフレーム１６に対して回転させるためのドライブベルト２８により第１シャフト１８に連結される。第２ドライブ１０はフレーム１６に固定されたグリッパードライブモーター３０を含み、このモーター３０は、第２シャフト２０をフレーム１６に対して回転させるためのドライブベルト３２により第２シャフト２０に連結される。第３ドライブ１２は垂直ドライブモーター３４を含み、このモーター３４は、用具ホルダー４をフレーム１６に対して軸方向に変位するためのドライブベルト３６及び２つのプーリー３８を介して用具ホルダー４に連結される。好ましくは、ドライブモーター２６、３０、３４はサーボ制御エレクトロニクス（図示せず）を介してコントローラー機構に連結されて、リモート制御で外科手術用具１４を操作するための遠隔操縦システムを形成する。患者から遠隔位置にて外科医が入力制御装置を操作するとき、ドライブモーターは外科医の手の動きに追随する。ドライブモーターを制御するための適当な遠隔操縦ロボットシステムは、１９９２年１月２１日提出の一般譲渡された同時係属出願第０８／８２３，９３２号である「臨場感を伴った遠隔操作システム及び方法 (TELEOPERATOR SYSTEM AND METHOD WITH TELEPRESENCE) 」に記載されており、参考のためここに添付する。
【００２１】
好ましくは、上記遠隔操縦ロボットサーボシステムは、少なくとも１０ｈｚの３ｄＢカットオフ周波数を示すサーボ帯域を有し、システムが外科医の素早い手の動きに迅速かつ正確に応答できるようにする。このシステムを効果的に操作するために、用具ホルダー４は相対的に小さな慣性を有し、ドライブモーター２６、３０、３４は相対的に小さい比のギヤ又はプーリー連結を有する。
【００２２】
特定の実施態様では、外科手術用具１４は内視鏡用具であり、これは経皮貫通して腹部又は胸部空洞のような体空洞内に導入するように構成される。この実施態様では、マニピュレーターアセンブリ２はフレーム１６の末端サポート部材１９上のカニューレ５０を支持し、これは内視鏡外科手術処置の間は入口用の切り口内に配置される（図１ではカニューレ５０は概略的に描かれており、一般にはずっと長いことに留意せよ）。好ましくは、カニューレ５０は、結腸切除やニセン・ファンドプリケーション(Nissen fundoplication) のような胸部内視鏡外科手術に適応した従来の気密トロカールスリーブである。
【００２３】
図１に示されているように、好ましくはカニューレ５０は、カニューレ５０内の環状ベアリング５４に装着された力感知エレメント５２（例えば歪みゲージ又は力感知抵抗器）を含む。外科手術中ベアリング５４は用具１４を支持し、用具が回転し且つベアリング５４の中心穴を通って軸方向に移動できるようにする。ベアリング５４は、用具１４により与えられる横方向の力を力感知エレメント５２に伝え、この力感知エレメント５２は、コントローラー機構に作動連結され、遠隔操縦ロボットシステムにおいて外科医が保持している入力制御装置（図示せず）にこれらの力を伝える。このようにして、外科手術切り口を取り囲む組織のようなカニューレ５０に作用する力により妨害されることなく、又はマニピュレーターアセンブリ２に作用する重力や慣性力により妨害されることなく、用具１４に作用する力が検出できる。このことにより、ロボットシステムにおいてマニピュレーターアセンブリを使用するのが容易になる。というのは、外科医は用具１４の端に作用する力を直接感知するからである。もちろん、用具１４の末端エンドに作用する重力も力感知エレメント５２により検出される。しかしながら、これらの力は、用具の直接操作中においても外科医により感知されるものである。
【００２４】
図１に示されているように、用具ホルダー４はボールスプラインベアリング６２、６４を介してシャフト１８、２０上に装着されたシャシー６０を含み、シャシー６０はシャフト１８、２０に対して軸方向に動くことは出来るがシャフト１８、２０と共に回転することは防止される。好ましくは、シャシー６０は、ステンレス鋼のように高温消毒工程での膨張に耐える材料から構成されるので、シャシー６０は外科手術処置の後に消毒できる。シャシー６０は、外科手術用具１４を受け入れるための中心空洞６６と、シャシー６０から横方向に延在するアーム６８を含む。アーム６８はドライブベルト３６に固定され、ドライブベルト３６の回転により用具ホルダー４をシャフト１８、２０に沿って軸方向に移動させる。
【００２５】
用具ホルダー４はベース６及びドライブモーターに取り外し可能に連結され、ホルダー４全体を取り外して蒸気、熱圧力、化学薬品などのような従来の方法により消毒できる。好適な構成では、アーム６８は、回転できドライブベルト３６からアームを開放するトグルスイッチ６９を含む（図１）。加えて、図１Ａに示されているように、シャフト１８、２０はベアリング２２に取り外し可能に連結され、フレーム１６のサポート部材１７、１９からシャフトを軸方向に引っ込められる。このために、好ましくは末端ベアリング２２は、シャフト１８、２０の取り外しを可能にするための連結機構を含む。図７に示されているように、末端サポート部材１９は各末端ベアリング２２内にサポートカラー７１を含み、この末端ベアリング２２は、シャフト１８、２０の一つに対する通路用の内部穴７２を備える。各サポートカラー７１は内部溝７３を有し、シャフト１８、２０の各々はそれらの下端部近くに環状溝７４を有し（図１Ａ参照）、この環状溝７４は、シャフトがフレーム１６内に適切に装着されると内部溝７３と整列する（図１）。バネクリップ７５は各内部溝７３内に置かれ、それぞれのサポートカラー７１内に各シャフト１８、２０を保持する。バネクリップ７５は切れ目（図示せず）を有し、シャフトに軸方向の閾値力が働く際にシャフト１８、２０の取り外しを可能にする。
【００２６】
用具ホルダー４をベース６から取り外すため、オペレーターはトグルスイッチ６９を回転してドライブベルト３６からアーム６８を開放しドライブ８、１０からドライブベルト２８、３２を取り外す。図１Ａに示されているように、オペレーターは用具ホルダー４を保持しシャフト１８、２０を上方に引っ張って、バネクリップ７５を開放するのに十分な力を与える。シャフト１８、２０は末端ベアリング２２から外れてボールスプラインベアリング６２、６４を介してスライドし、その結果用具ホルダー４はベース６から分離される。本発明は、用具ホルダー４をベース６及びドライブアセンブリ７に取り外し可能に連結するための上記手段に制限されるものでないことは理解すべきである。例えば、外科医が単純に部材１９を取り外してホルダーを下方にシャフト１８、２０からスライドさせるように、末端サポート部材１９はフレーム１６の残りの部分と取り外し可能に連結できる。同様に、基部サポート部材１７をフレーム１６に取り外し可能に連結できる。あるいは、ドライブモーターは、ベース６に取り外し可能に取り付けられた別のサーボボックス（図示せず）内に収容できる。この構成では、サーボボックスはベース６から取り外されて、ベース６全体がホルダー４と共に消毒できる。
【００２７】
ベース６の下部（末端サポート部材１９を含む）も、（例えばベース６の下部を消毒槽に浸すことにより）消毒でき、ホルダー４又は用具１４と接触する部分を浄化できる。この種の消毒を容易にするために、好ましくはシャフト１８、２０は図１に示されているものより幾らか長くし、ベース６の下部（ドライブアセンブリ７を含む）をホルダー４及び用具１４から十分に離して配置する。この様にして、遠隔操縦ロボットシステムで求められるドライブモーター又は電気接続を損傷することなく、外科手術処置の後に外科手術マニピュレーターを容易に消毒できる。
【００２８】
用具ホルダー４はさらに、外科手術用具１４をマニピュレーターアセンブリに開放可能に連結するための用具サポート７０（詳細は図３Ａ参照）を含む。用具サポート７０は装着ベアリング７４を介してシャシー６０内に回転可能に取り付けられ、サポート７０及び用具はそこで回転できる。図１に示されているように、サポート７０は環状リングギア７６と外接し、この環状リングギアの歯は、第１シャフト１８に装着されたドライブギア７８の歯と噛み合う。ドライブギア７８は第１シャフト１８と共に回転するように第１シャフト１８の回りに構成され、それと共に用具サポート７０と外科手術用具を回転させる。ドライブギア７８は第１シャフト１８に対して軸方向にも動くよう構成され、用具ホルダー４をフレーム１６に対して軸方向に移動可能とする。
【００２９】
用具ホルダー４はさらに、軸方向ガイドスロット８２内でシャシー６０のどちらかの側面に移動可能に取り付けられたアクチュエータードライバー８０を含む（詳細は図５を参照）。アクチュエータードライバー８０はリングギア８６を有する螺旋アクチュエーター８４（詳細は図６Ｂ参照）を含み、このリングギア８６は、第２シャフト２０に装着されたグリッパードライブギア８８と噛み合う。第２シャフト２０が回転することにより、グリッパードライブギア８８が回転し、それによりシャシー６０内でリングギア８６及び螺旋アクチュエーター８４を回転させる。アクチュエータードライバー８０はさらに、外科手術用具１４のエンドエフェクターアクチュエーターを用具ホルダー４に開放可能に連結するためのアクチュエーターキャリッジアセンブリ９０（詳細は図６Ａ参照）を含む（図２参照）。以下において更に詳細に述べるように、キャリッジアセンブリ９０は螺旋アクチュエーター８４及びシャシー６０内に装着され、螺旋アクチュエーター８４が回転することに応じてキャリッジアセンブリ９０がシャシー６０に対して軸方向に移動する。
【００３０】
図２Ａ及び図２Ｂには、遠隔操縦ロボット外科手術のためのマニピュレーターアセンブリ２のようなモーター駆動マニピュレーターにより操作できる内視鏡外科手術用具１４の特定の実施例が示される。外科手術用具１４は、経皮貫通を通して体腔内に送るのに適した従来の種々の内視鏡用具（例えば組織把持器、針ドライバー、マイクロ鋏、電気メス解剖用具など）とできる。好適実施態様では、用具１４は、基部エンド１０２、末端エンド１０４及びそれらの間の長手方向軸１０６を有するシャフト１００を含む組織把持器である。刻み付きハンドル１１４がシャフト１００の基部エンド１０２に取り付けられ、用具１４の操作を容易にする。
【００３１】
好ましくは、シャフト１００は２〜１０ｍｍの範囲（通常は４〜８ｍｍ）の外径を有するステンレス鋼管であり、２〜１５ｍｍの範囲の内径を有するカニューレ内に嵌まる。シャフトもまた患者の経皮切り口を通して直接導入される。シャフト１００は、腹部のような体腔内の目標場所にとどき且つ体腔から十分に延びるような長さに設定され、外科手術用具１４を容易に操作できるようにする。よって、シャフト１００は少なくとも１０〜４０ｃｍの間、好ましくは１７〜３０ｃｍの間とすべきである。図面ではシャフト１００は円形の断面形状を有して示されているが、その他矩形、三角形、楕円または溝状の断面形状とできる。
【００３２】
特定の構成では、シャフト１００は、用具サポート７０及びマニピュレーターアセンブリ２の第１ドライブ８に対して開放可能に外科手術用具１４を連結するための装着手段を含む。好適実施態様では、装着手段はシャフト１００から横方向外側に延在する１対の対向装着ピン１１６から成る。装着ピン１１６はシャフト１００にしっかりと接続され、以下で詳細に説明するように用具サポート７０上のツイスト−ロック・インターフェースと係合するのに適している。本発明は一対の対向ピンに限定されるものではなく、装着手段には一つの装着ピン又はシャフトの周囲に延在する複数のピンを含み得ることも分かる。その他、ピン１１６はもし望めば球状や環状のような様々な別の形状を有し得る。
【００３３】
用具１４はエンドエフェクター１２０を含み、これは末端エンド１０４から延在し、腹腔鏡外科手術の間、腹部のような患者の組織構造に係合する。好適実施態様では、エンドエフェクター１２０は１対の顎部１２２、１２４を含み、これらは開閉位置間で移動可能で血管を掴んだり、縫合用縫糸を保持したりする。好ましくは、顎部１２２、１２４は横方向溝又は対向表面上に別の構造特徴（図示せず）を有し、組織構造を掴むのを容易にする。顎部１２２、１２４により組織を損傷するのを避けるために、顎部は、顎部１２２、１２４を包むゴム製のエラストマースリーブ、フォーム又は外科手術ガーゼのような非外傷性手段（図示せず）をも含む。
【００３４】
顎部１２２、１２４を開閉位置間で移動させるために、用具１４はエンドエフェクターアクチュエーターを含み、これはアクチュエータードライバー８０及びマニピュレーターアセンブリ２の第２ドライブ１０に開放可能に連結される（図４参照）。好適実施態様では、エンドエフェクターアクチュエーターは一対の対向アクチュエーターピン１３２を含み、これらのピンはシャフト１００内で軸方向に延在するスロット１３４から横方向に突出している。アクチュエーターピン１３２は長ロッド１３６に連結され、この長ロッドはシャフト１００の内腔１３８内にスライド可能に配置される。アクチュエーターピン１３２はスロット１３４内でスライド可能であり、そのため、ロッド１３６はシャフト１００及び装着ピン１１６に対して軸方向に移動可能であり従来技術のように顎部１２２、１２４を開閉する。長ロッド１３６は、シャフト１００内の内腔１４２内に配置された基部部分１４０を有し、アクチュエーターピン１３２が横方向に動くのを防ぎ、外科手術処置の間、ロッド１３６がシャフト１００内で一般に中心に確実に残るようにする。
【００３５】
好ましくは、顎部１２２、１２４は環状圧縮バネ１４４により閉位置に置かれ、この環状圧縮バネはシャフト１００内においてアクチュエーターピン１３２とシャフト１００の内面に固定された環状ディスク１４６の間に配置される。このことにより、内視鏡処置の間、外科手術チームはカニューレ５０内に組織を突き刺すことなく、又は周囲の組織を損傷することなく、カニューレ５０（又は他のタイプの経皮貫通）を通って体腔内に顎部１２２、１２４を導入できる。
【００３６】
図３Ａ、図３Ｂ、図４にはツイストロック機構が示されており、これは外科手術用具１４をマニピュレーターアセンブリ２に開放可能に接続し、内視鏡外科手術処置の間、異なる用具を素早く交換できるようになっている。図３Ａに示されているように、用具サポート７０は環状カラー２００を含み、これは外科手術用具１４のシャフト１００を受け入れるための中心穴２０２を定める。カラー２００はさらに軸方向に延在し穴２０２と連通したスロット２０４を定め、このスロットは、装着を可能にし且つ用具１４のアクチュエーターピン１１６、１３２がそれを通ってスライドできるようなサイズにされる（図４参照）。２つのロックスロット２０６が横断角度（好ましくは９０゜）にて環状カラー２００内に軸方向延在スロット２０４まで切り込まれる（ロックスロットのうちの一つだけが図３Ａには示されている）。以下で議論するように、ロックスロット２０６は環状カラー２００の中心近くにてスロット２０４と交差し、穴２０２の周囲（好ましくは約９０゜）に延在し両方の装着ピン１１６がそれを介して回転できる。
【００３７】
図３Ａ、図８に示されているように、用具サポート７０はさらに、装着ピン１１６をロックスロット２０６内にロックするための手段を含み、それにより、外科手術中に用具が偶然に捻られて用具サポート７０から外れることはない。好ましくは、図３Ａに示されているように、ロック手段はプランジャ２１０を有するラッチアセンブリを含み、このプランジャがカラー２００の穴２１２内にスライド可能に配置される。プランジャ２１０はＬ型ラッチ２１３を含み、このＬ型ラッチは、穴２１２を通って延在するロッド２１５により開放ボタン２１４に連結される。プランジャ２１０は第１位置と第２位置の間で移動可能である。この第１位置では、ラッチ２１３はロックスロット２０６内に配置されて装着ピン１１６はそれを通して自由に回転でき、上記第２位置では、ラッチ２１３はロックスロット２０６の一つ内に少なくとも部分的に配置されて装着ピン１１６が回転するのを防ぐ。好ましくは、ラッチ２１３は圧縮バネ２１６により第２位置、即ちロック位置に置かれる。
【００３８】
外科医によるマニュアル操作又はベース６による自動操作のためのボタン２１４が、サポート７０の上面に設けられる。好ましくは、用具ホルダー４がその最も基部の位置に動かされたとき（図１参照）、フレーム１６の基部サポート部材１７は開放スイッチ２１４を押し下げてラッチ２１３を第１位置即ち開放位置に移動させる。この構成により、用具ホルダー４が最も基部の位置にあり用具１４のシャフト１００が容易にアクセス可能なときにのみ、用具を交換できる。加えて、このことにより、用具の末端がカニューレ５０に貫通して体腔内にあるとき用具が偶然に開放されることが防げる。
【００３９】
交差する軸方向スロット及びロックスロット２０４、２０６は、外科手術用具１４の装着ピン１１６を用具ホルダー４に開放可能に連結するためのインターフェースを形成する。図４に示されるように、用具１４を挿入するために、外科医は装着ピン１１６を軸方向スロット２０４に整列させ、装着ピン１１６がロックスロット２０６に整列するまで環状カラー２００の穴２０２を通して用具をスライドさせる。それから、用具はロックスロット２０６を通して十分なだけ（好ましくは約１／４回転）回転され、ピンが軸方向スロット２０４にもはや整列しないようにする。用具１４が末端に移動すると、スイッチ２１４が開放され（図１）、ラッチ２１３がロックスロット２０６内に移動し、装着ピン１１６が回転し戻り軸方向スロット２０４に整列することを防ぎ、用具１４が用具サポート７０に固定される。一つの装着ピンを上記構成と共に用いて外科手術用具をサポートにロックできることに留意すべきである。しかしながら、２つの対向ピンが好ましい。というのは、この構成によりロックスロット２０６の内面に作用する捩り力が減じられるからである。
【００４０】
好ましくは、図８に示されているように、ロック手段はカラー２００内に配置されたボール止め金２１７を含む。ボール止め金２１７はバネ２１８によりロックスロット２０６の一つ内上方に置かれる。ボール止め金２１７は、軸方向スロット２０４に整列した位置から約９０゜回転した位置に装着ピン１１６を一時的に捕獲する働きをする。このことにより、用具１４が用具ホルダー内にツイストされた際、装着ピンが完全に回転されて適切な位置におかれる（即ちラッチ２１３から離れる）。さもなければ、スイッチ２１４が開放された際、ラッチ２１３が装着ピン２１６と係合してラッチがロック位置に完全に移動することが出来なくなり、それにより外科手術の間に用具１４が偶然外れる可能性が生じてしまう。
【００４１】
図３Ｂ、図４、図５に示されているように、用具ホルダー４のアクチュエータードライバー８０はさらに、用具１４のアクチュエーターピン１３２を開放可能に保持し移動させるためのアクチュエーターピンキャッチ２２０を含む。アクチュエーターピンキャッチ２２０は用具サポート７０と同様に構成され（図３Ａ）、環状カラー２２２を含み、この環状カラーは、シャフト１００を受け入れる穴２２４及びアクチュエーターピン１３２を受け入れる軸方向延在スロット２２６を定める。装着ピンに関して上記議論したように、ロックスロット２２８は９０゜の角度にてアクチュエーターピンキャッチ２２０内に切り込まれ、アクチュエーターピンはロックスロット内に回転できアクチュエーターピン１３２をアクチュエータードライバー６６に連結する。アクチュエーターピン１３２は装着ピン１１６の末端に位置するので（好ましくは用具はまず顎部が挿入される）、スロット２２６はカラー２２２を通って完全に延在する必要はない。もちろん、アクチュエーターピン１３２及び装着ピン１１６は、もし望めば装着ピンがアクチュエーターピンの末端にくるように逆にできる。
【００４２】
図６Ａを参照すると、アクチュエーターピンキャッチ２２０はアクチュエーターキャリッジアセンブリ９０内のボールベアリング２３０に回転可能に取り付けられる。ベアリング２３０により、ピンキャッチ２２０は軸方向の相対的な運動を防ぎつつキャリッジアセンブリ９０内で自由に回転できる。よって、用具１４が第１ドライブ８により回転される際、アクチュエーターピン１３２はキャリッジアセンブリ９０内で回転する。キャリッジアセンブリ９０はさらに、一対の内部ローラー２３６及び一対の外部ローラー２３８を回転可能に支持するための２組の心棒２３２を含む。図１に示されているように、外部ローラー２３８はシャシー６０の軸方向ガイドスロット８２内にスライド可能に配置され、キャリッジアセンブリ９０がシャシー６０に対して回転するのを防ぐ。内部及び外部ローラー２３６、２３８は螺旋アクチュエーター８４及び用具ホルダー４のシャシー６０と協働してホルダーに対して軸方向に移動し、それにより、ピンキャッチ２２０及びアクチュエーターピン１３２をそれらと共に用具１４のシャフト１００に対して軸方向に移動させる（上述のようにこのシャフトは顎部１２２、１２４を作動させる）。
【００４３】
図６Ｂに示されているように、螺旋アクチュエーター８４は、キャリッジアセンブリ９０及び外科手術用具１４を受け入れる中心穴２４０と、２つの対向螺旋溝２４２、２４４を含み、これらの溝の各々は螺旋アクチュエーター８４の周囲に延在し（好ましくは１８０゜より僅かに小さく）て図５に示されるようにキャリッジアセンブリ９０の内部ローラー２３６を受け入れる。シャシー６０の軸方向ガイドスロット８２内に拘束された外部ローラー２３８により、螺旋アクチュエーター８４が回転することでキャリッジアセンブリ９０（及びアクチュエーターピンキャッチ２２０）が回転の感度に依存して上下に移動する。螺旋アクチュエーター８４の対称的な設計ゆえに、第２ドライバー１０により作用する作動力は用具１４の如何なる効果的な側面負荷も発生させず、このことにより、軸方向（第３ドライバー１２）及び回転（第１ドライバー）のような他の自由度との摩擦連結が避けられる。好適実施態様では、螺旋溝２４２、２４４のピッチは、機構が容易に後方駆動できるように設定され、位置サーボ遠隔操作システムにおいて掴み力を感知することが可能となる。
【００４４】
図３Ａ、図３Ｂに示されるように、用具ホルダー４はさらに、用具サポート７０に固定された一対の軸方向ガイドピン２５０、２５２を含む。アクチュエーターピンキャッチ２２０は、ガイドピン２５０、２５２を受け入れる一対の開口２５４、２５６を有する。ガイドピン２５０、２５２は、ピンキャッチ２２０とサポート７０の間での相対的な回転を防ぎ（その結果、アクチュエーター及び装着ピン１１６、１３２は両方とも用具と共に回転できる）、そして互いに相対的な軸方向の運動を可能にする（その結果、エンドエフェクター１２０はアクチュエーターピン１３２の軸方向移動により作動され得る）。
【００４５】
図９はリモート中心位置決め器３００の立面図であり、これは患者の上でマニピュレーターアセンブリ２を支持するのに用いることができる（サポートマニピュレーター２は図８には示されていないことに留意）。リモート中心位置決め器３００はマニピュレーターアセンブリ２に対して２自由度を与え、入り口切り口に一致する地点３０８の回りに回転するよう拘束する。好ましくは、地点３０８はカニューレ５０内のベアリング５４のほぼ中心となる（図１）。リモート中心位置決め器３００の更に完全な説明は、一般譲渡された同時係属出願第０８／０６２，４０４号、１９９３年５月１４日提出、「リモート中心位置決め器」に記載されており、参考のためここに添付する。
【００４６】
第１リンク手段は参照番号３２１により一般的に示され、平行四辺形の形式の第２リンクは参照番号３２３により示される。第１リンク手段はベースプレート上に旋回自在に装着されてｘ−ｘ軸の回りを回転する。第２リンク手段は第１リンク手段に旋回自在に接続され、第１リンクと平行な面内を移動するよう適合される。５つのリンク部材（その延長部を含む）３１１、３１２、３１３、３１４、３１５は、ピボット継ぎ手３１６−３２０と共に接続される。エレメント３１３の一部は平行四辺形リンクのピボット３２０を越えて延在する。平行四辺形リンクは、リンク部材３１３において操作エンドを有し、リンク部材３１２において駆動エンドを有する。後に望まれるように、延長されたエレメント３１３は、外科手術用具、又はマニピュレーターアセンブリ２のサポートブラケット２４のような他の装置を支持できる。ピボット継ぎ手により、リンク部材を含む平面内でのみリンク部材の相対的な運動が可能となる。
【００４７】
平行四辺形リンクは、対応するリンク部材３１４、３１５及びリンク部材３１２、３１３により形成される。平行四辺形のリンク部材３１４、３１５の部分は、平行四辺形の部材３１２、３１３の部分と同じ長さである。これらの部材は平行四辺形内で共に接続され、それらの部材により形成される平面内でのみ相対的な運動を行う。参照番号３２２により一般に示された回転自在継ぎ手は、適当なベース３２４に接続される。回転自在継ぎ手３２２は、ベースサポート手段３２４に固定装着するのに適応したベースプレート３２６上に取り付けられる。ピボットプレート３２８は、例えばピボット３３０、３３２において適当な手段によりベースプレート３２６に旋回自在に取り付けられる。よって、ピボットプレート３２８は所望の角度θ２だけ軸ｘ−ｘの回りを回転できる。これは、マニュアルまたは適当なピボットドライブモーター３３４により行うことができる。
【００４８】
第１リンクは、回転自在継ぎ手３２２のピボットプレート３２８上に旋回自在に取り付けられる。リンクエレメント３１１、３１２及びリンク部材は相対的に固くて曲がらず、そのため外科手術で用いられる用具を適切に支持できる。アルミニウムや他の金属製のロッドはそのようなリンクとして有効である。リンクエレメント３１１、３１２はベースプレート３２８上に旋回自在に取り付けられ、ピボット３３６、３３８により回転自在継ぎ手に対して回転する。少なくとも一つのピボット３３６、３３８が、回転のその軸がｘ−ｘ軸に垂直となり且つｘ−ｘ軸と交差するように、位置決めされる。移動はマニュアルでも行えるし、リンクドライブモーター３４０を用いても行える。第１リンクもまた、リンクエレメント３１１、３１２、ピボット３１６、３１８によりそれらに接続されたリンク部材３１５の部分、及びベースプレート３２８により形成された平行四辺形の形式の形状とされる。よって、リンク部材３１５の一つは、第１及び第２リンク手段３２１、３２３の両方において使用される。リンクエレメント３１２はまた、第１及び第２リンク手段３２１、３２３の両方の共通リンクを形成する。本発明に従い、リンクエレメント３１１が回転する際、及び／又はピボットプレート３２８が軸ｘ−ｘの回りを回転する際、上記実施態様の装置により球回転のリモート中心３０８が与えられる。よって、エレメント３１３のエンドは所望の角度θ１及びθ２だけ移動でき、またはそれ自身の軸の回りに回転できる一方、回転のリモート中心は同じ配置のままである。
【００４９】
図９には、リモート中心位置決め器３００のベースに取り付けられたクリノメーター３５０も示されている。リモート中心位置決め器は、実行される特定の外科手術に依存して、垂直に対して任意の方向に取り付けることができ、クリノメーター３５０はこの方向を測定するのに用いることができる。測定された方向は、遠隔操縦ロボットシステムを制御するのに必要なサーボ制御信号を計算して実行するのに用いることができ、外科医がシステム機構に作用する重力を感じないようにする。
【００５０】
本発明の精神を逸脱することなく他の人により改変及び変更は為し得る。例えば、本発明は内視鏡外科手術に制限されないことを理解すべきである。実際、遠隔操縦ロボット制御機構に従った用具ホルダー４は特にオープン外科手術処置の間有効であり、異なる部屋又は完全に違う病院のような遠隔場所から外科医が手術するのを可能にする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００５１】
【特許文献１】米国特許出願第０８／８２３，９３２号
【特許文献２】米国特許出願第０８／０６２，４０４号
【図１】
0005852593.tif 000002
【図１Ａ】
0005852593.tif 000003
【図２Ａ】
0005852593.tif 000004
【図２Ｂ】
0005852593.tif 000005
【図３】
0005852593.tif 000006
【図４】
0005852593.tif 000007
【図５】
0005852593.tif 000008
【図６】
0005852593.tif 000009
【図７】
0005852593.tif 000010
【図８】
0005852593.tif 000011
【図９】
0005852593.tif 000012