(57)【要約】本発明は、マニピュレータ（１０）が、ほぼ同心の３つ以上の細長い部材（１２、１４）を備え、細長い部材（１２、１４）の相対的回転と並進により、マニピュレータ（１０）の遠位部の空間位置及び方向と、マニピュレータ（１０）のその長さに沿った空間位置の両方を調整する。一実施例においては、細長い部材（１２、１４）は細長い部材（１２、１４）の遠位端部がほぼ同心に組み合わされるよう予め湾曲し、マニピュレータ（１０）の全体的な形状は個々の細長い部材の形状の合成である。構成要素である細長い部材（１２、１４）の相対的な並進と回転の方向を変化させることにより、マニピュレータ（１０）の遠位端部（２２）の所望の空間位置及び方向だけでなく、結果的なマニピュレータ（１０）の様々な形状が得られる。【選択図】図１Ａ
2009514610.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マニピュレータであって、
相互に移動可能な関係にあり、ほぼ同心の関係に設けられた、少なくとも３つの細長い部材と、
少なくとも３つの細長い部材の少なくとも１つの細長い部材であって、弾性域において、少なくとも３つの細長い部材の少なくとも１つの細長い部材の少なくとも一部が、基準軸に対しほぼ弓状となる位置にある静止形態と、少なくとも３つの細長い部材の少なくとも１つの細長い部材の少なくとも一部が、基準軸に対しほぼ延長した位置にある非静止形態との間で設定可能である、少なくとも３つの細長い部材の少なくとも１つの細長い部材とを備え、
少なくとも３つの細長い部材の相対的な移動により、マニピュレータの遠位端の空間位置が調整されるように、少なくとも３つの細長い部材が構成されている、マニピュレータ。
【請求項２】
少なくとも３つの細長い部材の第１の細長い部材一式が、基準軸周囲の第１の細長い部材一式の第１の細長い部材と第１の細長い部材一式の第２の細長い部材との間の相対的な移動に応じて、非静止形態と静止形態との間で位置調整されるよう構成され、
少なくとも３つの細長い部材の第２の細長い部材一式が、基準軸に沿った第２の細長い部材一式の第１の細長い部材と第２の細長い部材一式の第２の細長い部材との間の相対的な移動に応じて、非静止形態と静止形態との間で位置調整されるよう構成されている、請求項１に記載のマニピュレータ。
【請求項３】
少なくとも３つの細長い部材が、
近位端部と遠位端部を有し、第１の細長い部材の管腔がその間に延在する、第１の細長い部材と、
近位端部と遠位端部を有し、第２の細長い部材の管腔がその間に延在し、第２の細長い部材が第１の細長い部材の管腔内に配置されている、第２の細長い部材と、
近位端部と遠位端部を有し、第３の細長い部材が第２の細長い部材の管腔内に配置されている、第３の細長い部材とを備える、請求項２に記載のマニピュレータ。
【請求項４】
少なくとも３つの細長い部材の第１の細長い部材一式が、第１の細長い部材と第２の細長い部材とを備え、第１の細長い部材が第２の細長い部材の曲げ剛性とほぼ等しい曲げ剛性を有し、第１の細長い部材の遠位端部と第２の細長い部材の遠位端部が、基準軸周囲の第１の細長い部材と第２の細長い部材との間の相対的な回転に応じて、非静止形態と静止形態との間で位置調整されるよう構成され、
少なくとも３つの細長い部材の第２の細長い部材一式が、第２の細長い部材と第３の細長い部材とを備え、第２の細長い部材が第３の細長い部材の曲げ剛性よりも実質的に高い曲げ剛性を有し、第３の細長い部材の遠位端部が、基準軸に沿った第２の細長い部材と第３の細長い部材との間の相対的な並進移動に応じて、非静止形態と静止形態との間で位置調整されるよう構成されている、請求項３に記載のマニピュレータ。
【請求項５】
少なくとも３つの細長い部材の第１の細長い部材一式が、第１の細長い部材と第２の細長い部材とを備え、第１の細長い部材が第２の細長い部材の曲げ剛性よりも実質的に高い曲げ剛性を有し、第２の細長い部材の遠位端部が、基準軸に沿った第１の細長い部材と第２の細長い部材との間の相対的な並進移動に応じて、非静止形態と静止形態との間で位置調整されるよう構成され、
少なくとも３つの細長い部材の第２の細長い部材一式が、第２の細長い部材と第３の細長い部材とを備え、第２の細長い部材が第３の細長い部材の曲げ剛性とほぼ等しい曲げ剛性を有し、第２の細長い部材の遠位端部と第３の細長い部材の遠位端部が、基準軸周囲の第２の細長い部材と第３の細長い部材との間の相対的な回転に応じて、非静止形態と静止形態との間で位置調整されるよう構成されている、請求項３に記載のマニピュレータ。
【請求項６】
少なくとも３つの細長い部材の第１の細長い部材一式が、第１の細長い部材と第２の細長い部材を備え、第１の細長い部材が第２の細長い部材の曲げ剛性とほぼ等しい曲げ剛性を有し、第２の細長い部材の遠位端部が、基準軸に沿った第１の細長い部材と第２の細長い部材との間の相対的な回転に応じて、非静止形態と静止形態との間で位置調整されるよう構成され、
少なくとも３つの細長い部材の第２の細長い部材一式が、第２の細長い部材と第３の細長い部材とを備え、第２の細長い部材が第３の細長い部材の曲げ剛性とほぼ等しい曲げ剛性を有し、第３の細長い部材の遠位端部が、基準軸に沿った第２の細長い部材と第３の細長い部材との間の相対的な回転に応じて、非静止形態と静止形態との間で位置調整されるよう構成されている、請求項３に記載のマニピュレータ。
【請求項７】
少なくとも３つの細長い部材の第１の細長い部材一式が、第１の細長い部材と第２の細長い部材とを備え、第１の細長い部材が第２の細長い部材の曲げ剛性よりも実質的に高い曲げ剛性を有し、第２の細長い部材の遠位端部が、基準軸に沿った第１の細長い部材と第２の細長い部材との間の相対的な並進移動に応じて、非静止形態と静止形態との間で位置調整されるよう構成され、
少なくとも３つの細長い部材の第２の細長い部材一式が、第２の細長い部材と第３の細長い部材とを備え、第２の細長い部材が第３の細長い部材の曲げ剛性よりも実質的に高い曲げ剛性を有し、第３の細長い部材の遠位端部が、基準軸に沿った第２の細長い部材と第３の細長い部材との間の相対的な並進移動に応じて、非静止形態と静止形態との間で位置調整されるよう構成されている、請求項３に記載のマニピュレータ。
【請求項８】
少なくとも３つの細長い部材の第１の細長い部材一式が、第２の細長い部材と第３の細長い部材とを備え、第２の細長い部材が第３の細長い部材の曲げ剛性よりも実質的に低い曲げ剛性を有し、第２の細長い部材の遠位端部が、基準軸に沿った第２の細長い部材と第３の細長い部材との間の相対的な並進移動に応じて、非静止形態と静止形態との間で位置調整されるように構成され、
少なくとも３つの細長い部材の第２の細長い部材一式が、第１の細長い部材、第２の細長い部材及び第３の細長い部材とを備え、第１の細長い部材が第２の細長い部材の曲げ剛性よりも実質的に低い曲げ剛性を有し、第１の細長い部材の遠位端部が、基準軸に沿った第１の細長い部材と、第２の細長い部材及び第３の細長い部材の両方との間の相対的な並進移動に応じて、非静止形態と静止形態との間で位置調整されるように構成されている、請求項３に記載のマニピュレータ。
【請求項９】
第２の細長い部材の管腔内に配置された第３の細長い部材が手術器具を備える、請求項３に記載のマニピュレータ。
【請求項１０】
手術器具が組織把持装置を備え、組織把持装置の先端が第２の細長い部材の遠位端部を越えて延長可能である、請求項９に記載のマニピュレータ。
【請求項１１】
組織把持装置が形状記憶材料から形成され、組織把持装置の遠位端部が第１腕部と、第１腕部と対向する第２腕部とを有し、第１腕部と第２腕部が非静止形態と折り畳まれた形態との間で設定可能であり、非静止状態では、組織把持装置の遠位部が第２の細長い部材の遠位端部を越えて延びた時に、第１腕部と第２腕部が互いから離れるように延び、折り畳まれた形態では、組織把持装置の遠位部が第２の細長い部材の遠位端部内に配置される時に、第１腕部と第２腕部が互いに近接して配置される、請求項１０に記載のマニピュレータ。
【請求項１２】
第１の細長い部材が、ほぼ円形の断面形状を有する管腔を画定し、前記管腔が、第１の細長い部材の近位端部と遠位端部との間に延びており、
第２の細長い部材が、ほぼ円形の断面形状を有する管腔を画定し、前記管腔が、第２の細長い部材の近位端部と遠位端部との間に延在する、
請求項３に記載のマニピュレータ。
【請求項１３】
第１の細長い部材が、第１の細長い部材の近位端部と遠位端部との間に延在する第１の細長い部材の長さに沿ってほぼ非対称の断面形状を画定し、
第２の細長い部材が、第２の細長い部材の近位端部と遠位端部との間に延在する第２の細長い部材の長さに沿ってほぼ非対称の断面形状を画定する、
請求項３に記載のマニピュレータ。
【請求項１４】
少なくとも３つの細長い部材の少なくとも１つの細長い部材が、マニピュレータを組織の位置に導入するように操作することが可能である針として構成されている、
請求項１に記載のマニピュレータ。
【請求項１５】
シースを更に備え、少なくとも３つの細長い部材がシース内部に配置されている、請求項１に記載のマニピュレータ。
【請求項１６】
少なくとも３つの細長い部材の少なくとも１つの細長い部材が、実質的に堅い物質から形成されている、請求項１に記載のマニピュレータ。
【請求項１７】
相互に移動可能な関係にあり、ほぼ同心の関係に設けられた少なくとも３つの細長い部材を有するマニピュレータの遠位端を位置調整する方法であって、前記方法が、
少なくとも３つの細長い部材の第１の細長い部材一式に関しては、第１の細長い部材一式の第１の細長い部材を、第１の細長い部材一式の第２の細長い部材と相対的に移動させて、マニピュレータの遠位端の空間位置を調整するステップと、
少なくとも３つの細長い部材の第２の細長い部材一式に関しては、第２の細長い部材一式の第１の細長い部材を、基準軸に沿って第２の細長い部材一式の第２の細長い部材と相対的に移動させて、マニピュレータの遠位端の空間位置を調整するステップとを含む方法。
【請求項１８】
請求項１７に記載の方法であって、
第１の細長い部材一式の第１の細長い部材を、第１の細長い部材一式の第２の細長い部材と相対的に移動させるステップが、第１の細長い部材一式の第１の細長い部材を、第１の細長い部材一式の第２の細長い部材と相対的に回転させ、第１の細長い部材一式の遠位端部を、遠位端部が基準軸に対しほぼ延長した位置にある非静止形態と、遠位端部が基準軸に対しほぼ弓状となる位置にある静止形態との間で位置調整するステップを含み、
第２の細長い部材一式の第１の細長い部材を、第２の細長い部材一式の第２の細長い部材と相対的に移動させるステップが、第２の細長い部材一式の第１の細長い部材を、基準軸に沿って第２の細長い部材一式の第２の細長い部材と相対的に並進移動させ、第２の細長い部材一式の１つの細長い部材の遠位端部を、第２の細長い部材一式の１つの細長い部材の遠位端部が基準軸に対しほぼ延長した位置にある非静止形態と、第２の細長い部材一式の１つの細長い部材の遠位端部が基準軸に対しほぼ弓状となる位置にある静止形態との間で位置調整するステップを含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
請求項１８に記載の方法であって、
少なくとも３つの細長い部材が、近位端部と遠位端部を有し且つ第１の細長い部材の管腔がその間に延在する第１の細長い部材と、近位端部と遠位端部を有し、第２の細長い部材の管腔がその間に延在し、第２の細長い部材が第１の細長い部材の管腔内に配置されている第２の細長い部材と、近位端部と遠位端部を有し、第３の細長い部材が第２の細長い部材の管腔内に配置されている第３の細長い部材とを備え、前記方法が、
第１の細長い部材と第２の細長い部材とを備え且つ第１の細長い部材が第２の細長い部材の曲げ剛性とほぼ等しい曲げ剛性を有する第１の細長い部材一式に関しては、第１の細長い部材と第２の細長い部材を基準軸周囲で相対的に回転させて、第１の細長い部材と第２の細長い部材の遠位端部を、非静止形態と静止形態との間で位置調整するステップと、
第２の細長い部材と第３の細長い部材とを備え、第２の細長い部材が第３の細長い部材の曲げ剛性よりも実質的に高い曲げ剛性を有する第２の細長い部材一式に関しては、第２の細長い部材と第３の細長い部材とを基準軸に沿って相対的に並進移動させて、第３の細長い部材の遠位端部を、非静止形態と静止形態との間で位置調整するステップとを含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
請求項１８に記載の方法であって、
少なくとも３つの細長い部材が、近位端部と遠位端部を有し且つ第１の細長い部材の管腔がその間に延在する第１の細長い部材と、近位端部と遠位端部を有し、第２の細長い部材の管腔がその間に延在し、第２の細長い部材が第１の細長い部材の管腔内に配置されている第２の細長い部材と、近位端部と遠位端部を有し、第３の細長い部材が第２の細長い部材の管腔内に配置されている第３の細長い部材とを備え、前記方法が、
第２の細長い部材と第３の細長い部材とを備え、第２の細長い部材が第３の細長い部材の曲げ剛性とほぼ等しい曲げ剛性を有する第１の細長い部材一式に関しては、第２の細長い部材と第３の細長い部材を縦軸周囲で相対的に回転させて、遠位端部を非静止形態と静止形態との間で位置調整するステップと、
第１の細長い部材と第２の細長い部材とを備え、第１の細長い部材が第２の細長い部材の曲げ剛性よりも実質的に高い曲げ剛性を有する第２の細長い部材一式に関しては、第１の細長い部材と第２の細長い部材とを基準軸に沿って相対的に並進移動させて、第２の細長い部材の遠位端部を非静止形態の間で位置調整するステップとを含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２１】
請求項１７に記載の方法であって、
少なくとも３つの細長い部材が、近位端部と遠位端部を有し且つ第１の細長い部材の管腔がその間に延在する第１の細長い部材と、近位端部と遠位端部を有し、第２の細長い部材の管腔がその間に延在する、第２の細長い部材が第１の細長い部材の管腔内に配置されている第２の細長い部材と、近位端部と遠位端部を有し、第３の細長い部材が第２の細長い部材の管腔内に配置されている第３の細長い部材とを備え、前記方法が、
第１の細長い部材と第２の細長い部材とを備え、第１の細長い部材が第２の細長い部材の曲げ剛性とほぼ等しい曲げ剛性を有する第１の細長い部材一式に関しては、第１の細長い部材と第２の細長い部材を縦軸周囲で相対的に回転させて、遠位端部を非静止形態と静止形態との間で位置調整するステップと、
第２の細長い部材と第３の細長い部材とを備え、第２の細長い部材が第３の細長い部材の曲げ剛性とほぼ等しい曲げ剛性を有する第２の細長い部材一式に関しては、第２の細長い部材と第３の細長い部材とを基準軸に沿って相対的に回転させて、第２の細長い部材の遠位端部を非静止形態の間で位置調整するステップとを含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２２】
請求項１７に記載の方法であって、
少なくとも３つの細長い部材が、近位端部と遠位端部を有し且つ第１の細長い部材の管腔がその間に延在する第１の細長い部材と、近位端部と遠位端部を有し、第２の細長い部材の管腔がその間に延在し、第２の細長い部材が第１の細長い部材の管腔内に配置されている第２の細長い部材と、近位端部と遠位端部を有し、第３の細長い部材が第２の細長い部材の管腔内に配置されている第３の細長い部材とを備え、前記方法が、
第１の細長い部材と第２の細長い部材とを備え、第１の細長い部材が第２の細長い部材の曲げ剛性よりも実質的に高い曲げ剛性を有する第１の細長い部材一式に関しては、第１の細長い部材と第２の細長い部材を縦軸周囲で相対的に並進移動させて、遠位端部を非静止形態と静止形態との間で位置調整するステップと、
第２の細長い部材と第３の細長い部材とを備え、第２の細長い部材が第３の細長い部材の曲げ剛性よりも実質的に高い曲げ剛性を有する第２の細長い部材一式に関しては、第２の細長い部材と第３の細長い部材とを基準軸に沿って相対的に並進移動させて、第２の細長い部材の遠位端部を非静止形態の間で位置調整するステップとを含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２３】
請求項１７に記載の方法であって、
少なくとも３つの細長い部材が、近位端部と遠位端部を有し且つ第１の細長い部材の管腔がその間に延在する第１の細長い部材と、近位端部と遠位端部を有し、第２の細長い部材の管腔がその間に延在し、第２の細長い部材が第１の細長い部材の管腔内に配置されている第２の細長い部材と、近位端部と遠位端部を有し、第３の細長い部材が第２の細長い部材の管腔内に配置されている第３の細長い部材とを備え、前記方法が、
第２の細長い部材と第３の細長い部材とを備え、第２の細長い部材が第３の細長い部材の曲げ剛性よりも実質的に低い曲げ剛性を有する第１の細長い部材一式に関しては、第２の細長い部材と第３の細長い部材を基準軸に沿って相対的に並進移動させて、第２の細長い部材の遠位端部を非静止形態と静止形態との間で位置調整するステップと、
第１の細長い部材と第２の細長い部材と第３の細長い部材とを備え、第１の細長い部材が第２の細長い部材の曲げ剛性よりも実質的に低い曲げ剛性を有する第２の細長い部材一式に関しては、第１の細長い部材を、基準軸に沿って、第２の細長い部材と第３の細長い部材との両方に対して相対的に並進移動させて、第１の細長い部材の遠位端部を非静止形態と静止形態との間で位置調整するステップとを含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２４】
組織内で針マニピュレータの遠位端を位置調整する方法であって、前記方法が、
組織領域に針装置の遠位端部を挿入するステップであって、針装置が、相互に移動可能な関係にあり、ほぼ同心の関係に設けられた、少なくとも３つの細長い部材を有し、少なくとも３つの細長い部材の各細長い部材が、近位端部、遠位端部、及び縦軸に沿って延びる管腔を有している、組織領域に針装置の遠位端部を挿入するステップと、
少なくとも３つの細長い部材の第１の細長い部材一式に関しては、第１の細長い部材一式の第１の細長い部材を、第１の細長い部材一式の第２の細長い部材と相対的に移動させて、針マニピュレータの遠位端の空間位置を調整するステップと、
少なくとも３つの細長い部材の第２の細長い部材一式に関しては、第２の細長い部材一式の第１の細長い部材を、基準軸に沿って第２の細長い部材一式の第２の細長い部材と相対的に移動させて、針マニピュレータの遠位端の空間位置を調整するステップとを含む方法。
【請求項２５】
請求項２４に記載の方法であって、
第１の細長い部材一式の第１の細長い部材を、第１の細長い部材一式の第２の細長い部材と相対的に移動させて、針装置の遠位端の空間位置を調整するステップが、第１の細長い部材一式の第１の細長い部材を、第１の細長い部材一式の第２の細長い部材と相対的に回転させて、第１の細長い部材一式の遠位端部を、遠位端部が基準軸に対しほぼ延長した位置にある非静止形態と、遠位端部が基準軸に対しほぼ弓状となる位置にある静止形態との間で位置調整するステップを含み、
第２の細長い部材一式の第１の細長い部材を、基準軸に沿って第２の細長い部材一式の第２の細長い部材と相対的に移動させて、針装置の遠位端の空間位置を調整するステップが、第２の細長い部材一式の第１の細長い部材を、基準軸に沿って第２の細長い部材一式の第２の細長い部材と相対的に並進移動させて、第２の細長い部材一式の１つの細長い部材の遠位端部を、第２の細長い部材一式の１つの細長い部材の遠位端部が基準軸に対しほぼ延長した位置にある非静止形態と、第２の細長い部材一式の１つの細長い部材の遠位端部が基準軸に対しほぼ弓状となる位置にある静止形態との間で位置調整するステップを含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
手術器具を針マニピュレータから組織の位置まで延長させるステップを更に含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項２７】
第１の細長い部材が、第１の細長い部材の長さに沿って延在する、実質的に可変の対称性を有し、
第２の細長い部材が、第２の細長い部材の長さに沿って延在する、実質的に可変の対称性を有する、請求項１３に記載のマニピュレータ。
【請求項２８】
第１の細長い部材が、第１の細長い部材の長さに沿って延在する、実質的に可変の断面面積を有し、
第２の細長い部材が、第２の細長い部材の長さに沿って延在する、実質的に可変の断面面積を有する、請求項１３に記載のマニピュレータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
低侵襲医療処置は、周囲の組織構造へのダメージを最小限に抑え又は避けながらの、薬剤、器具及び人工装具の体内への供給及び操作を必要とする。体内への入口は経皮または経口である。手術の対象は、堅い組織構造の内側又は体腔の内部にある可能性がある。ほとんどの場合、挿入中に、骨質の又は傷つきやすい構造を避けるために（経皮処置）、あるいは人体の開口部（例えば、鼻腔）又は体腔（例えば、心臓）の内側の輪郭をたどるために、組織の中を３次元のカーブに沿って操作する必要性が出てくる。
【背景技術】
【０００２】
例えば薬剤の供給などの幾つかの処置では機器の遠位端の調節は必要ないが、他の処置においては、遠位端の位置及び方向を、体内に挿入した近位端の長さ部分を比較的動かさずに持ちながら制御する必要がある。後者の場合の例としては、低侵襲心臓再生手術及び不整脈管理におけるインターベンション器具のナビゲーション及び調整が挙げられる。子供の先天性心症患の低侵襲鼓動心臓治療では、直径３〜５ｍｍの機器の使用を必要とし、一方子宮内胎児の欠陥治療には、直径が１ｍｍ又はそれ以下の機器の使用が必要となる。
【０００３】
低侵襲処置に使用される機器は一般に、３つの総合カテゴリのうちの１つに分類される。第１カテゴリには、堅い組織内の経皮治療に使用される、直線で可動性の針が含まれる。直線で可動性の針の、曲折した挿入路に沿っての操作は、施術者が針を組織内に挿入し前進させる際に、針の基部又は先端部に横方向の力を加えることによって行う。横方向の力によって、部分的に挿入された針が所望の操作方向に曲げられる。基部の操作は、針の挿入されていない部分の横方向の移動あるいは回転により実施でき、先端部の操作は、傾斜のある又は湾曲した先端部のいずれかを使用することによって実施でき、傾斜のある及び湾曲した先端部のいずれかにより、傾斜及び湾曲の方向に横方向の操舵力が発生する。操舵方向は、針をその軸周囲で回転させることにより調整される。針が元々直線であるため、基部及び先端部を操作する方法ではいずれも、針を湾曲した挿入路に沿って曲げるのに、組織の反動力に依存している。その結果、これらの機器を堅い組織内に更に突き通さない限り、先端部の横方向の動きを生じさせることができない。
【０００４】
第２カテゴリの機器には、連結式の先端搭載器具（例えば、鉗子）付の直線でかなり堅いシャフトが含まれる。このタイプの手持ち式及びロボット器具はいずれも、体腔（例えば、胸部又は腹部）への低侵襲アクセスに一般的に使用されている。シャフトは体内への入口点から直線経路を手術部位までたどらなければならない。先端部の横方向の動きは、体内への挿入点に通常位置する支点周囲における直線のシャフトの旋回運動に依存する。この旋回運動により、体腔への入口点からの組織の厚さに比例して組織の変形が起こる。
【０００５】
第３カテゴリの機器には、人体の開口部からの挿入に通常使用される、多段マイクロロボット装置と、循環系への経皮的アクセスに最も良く使用される可動型カテーテルなどの細長い形状の可動型装置が含まれる。多段マイクロロボット装置は通常、堅いシャフトの遠位部に搭載され、ヒンジで相互に連結され、ワイヤで基部に取り付けられ、一定の間隔に設置された一連の基盤を有する可動性の基幹部が含まれる。ユーザーがワイヤを作動させることにより、基幹部が曲がる。これらの装置は通常、周囲の組織に相当な横方向の力を加えるばかりでなく、装置自体の重量を支えるのに十分な堅さを持っている。一方、可動型のカテーテルには、カテーテルが通って進んでいく体内の管の屈曲に合わせるのに十分な可動性のある細長い部材が含まれる。操作は、カテーテルの長さに沿って設けられた細長い部材の遠位部に取り付けられた１つ以上のワイヤを使用することにより行われる。ユーザーがワイヤを作動（例えば引っ張るなど）させることにより、細長い部材の遠位部が１つ以上の方向に曲げられる。循環系における枝部を進むためにカテーテルを操作するもう一つのやり方では、誘導ワイヤの使用が必要とされる。可動性のカテーテルを枝部の地点まで挿入した後に、遠位部における屈曲が予め設定された誘導ワイヤが、誘導ワイヤの湾曲した部分がカテーテルの遠位部を超えて延び、所望の枝部の管に達するまで、カテーテル内に挿入される。この時点で、カテーテルを基部から押すことで、カテーテルの遠位部がワイヤに続いて枝部の管の中に入る。
【０００６】
組織領域又は体腔内において細長い部材の位置を調整する従来の方法には、様々な欠陥がある。
【０００７】
上述したように、施術者が組織内に針を挿入し前進させる際、施術者は可動性の針の基部あるいは先端部に横方向の力を加えることにより組織内において直線で可動性の針を操作する。しかしながら、従来の可動性の針と組織との間の相互作用は、使用中の針の形状を制御するために使用される。例えば、針の傾斜のある先端部と組織との間の相互作用により、針が所定の経路に沿って操作され、その一方で、組織の反動力が挿入中の可動性の針に働きかけ、針を所定の方向に曲げる。
【０００８】
従来の手持ち式又はロボット式の低侵襲機器には、連結部分が遠位部のみに限られた堅く直線のシャフトが含まれる。この結果、機器が切開口から体内の手術部位までの直線経路をたどらなくてはならなくなる。更に、機器の遠位部に位置する器具の横方向の動きには、シャフトに沿った点の周囲での旋回運動が必要となる。このような動きにより生じる組織の変形によって、このタイプの機器がアクセスして施術することができる体内の部位が限られる。
【０００９】
多段マイクロロボット装置に関しては、上記装置により堅いシャフトにも傾斜レベルが得られる。しかしながら、多段マイクロロボット装置には、複数の基盤、ヒンジ及びワイヤが含まれ、トータルで考えると、比較的大きな装置（例えば約４ｍｍの外径を有するなど）となる。これでは、多段マイクロロボット装置を全ての経皮処置（例えば子宮内胎児の欠陥治療など）に利用することはできない。しかしながら、操作可能なカテーテル自体は通常、組織内に十分入ることができる曲げ剛性を有していない。操作可能なカテーテルは通常、組織部位内への経皮挿入用カニューレと連結させて使用する必要がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の実施形態は、３つ以上のほぼ同心である細長い部材を有するマニピュレータに関するものであり、これら細長い部材の相対的な回転及び／又は並進により、マニピュレータの遠位端の空間位置及び方向と、マニピュレータの空間位置の両方をその長さに沿って調整する。一実施形態では、細長い部材は予め湾曲しており、細長い部材の遠位部が静止状態において、ほぼ弓形状を有している。３つの細長い部材がほぼ同心となるように組み合わせられると、マニピュレータの全体的な形状は個々の細長い部材の形を合成したものとなる。構成要素である細長い部材の相対的な並進及び回転方向を変化させることにより、マニピュレータの遠位部の所望の空間位置及び方向だけでなく、結果的なマニピュレータの様々な形状が得られる。マニピュレータの位置調整に影響する細長い部材の予め湾曲した幾何学的形状に加えて、細長い部材の剛比により各細長い部材のマニピュレータの最終的な形状への相対的寄与率が決まる。一方の細長い部材の剛性が他方よりも大幅に高い場合、マニピュレータの結果的な形状は、より低い剛性を有する細長い部材のより高い剛性を有する細長い部材に対する直線作動に依存する。細長い部材の相対的剛性がほぼ等しい場合、マニピュレータの結果的な形状は、細長い部材の相対的回転及び相対的な直線作動の両方に依存する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
一実施形態では、マニピュレータは経皮処置に使用するための針マニピュレータとして構成されている。使用に際しては、針マニピュレータにより、組織内へのミリメーター又はマイクロメーター規模の器具及び装置の経皮挿入が可能となり、マニピュレータの細長い部材の相対的回転及び並進により、操作者が湾曲した経路に沿って所望の手術部位まで器具を操作することが可能となる。このため、針マニピュレータの幾何学的形態は組織との相互作用に依存せず、マニピュレータの遠位部の操作又は位置調整の制御のために、その長さに沿った特別な制御装置を必要としない。また、上記の操作機能によって、針マニピュレータは、針マニピュレータの遠位部が手術部位へ前進する際に、例えば骨又は傷つきやすい組織などの障害物を避けることができる。
【００１２】
一実施形態では、マニピュレータは相互に移動可能な関係にあり、ほぼ同心の関係に設けられた、少なくとも３つの細長い部材を備える。少なくとも３つの細長い部材の少なくとも１つの細長い部材は、弾性域において、少なくとも３つの細長い部材の少なくとも１つの細長い部材の少なくとも一部が、基準軸に対しほぼ弓状となる位置にある静止形態と、少なくとも３つの細長い部材の少なくとも１つの細長い部材の少なくとも一部が、基準軸に対しほぼ延長した位置にある非静止形態との間で構成可能である。少なくとも３つの細長い部材の相対的な移動により、マニピュレータの遠位端の空間位置が調整されるように、少なくとも３つの細長い部材が構成されている。ある実施例においては、少なくとも３つの細長い部材の第１の細長い部材一式が、基準軸周囲の第１の細長い部材一式の第１の細長い部材と第１の細長い部材一式の第２の細長い部材との間の相対的な回転に応じて、非静止形態と静止形態との間で位置調整されるよう構成されている。少なくとも３つの細長い部材の第２の細長い部材一式は、基準軸に沿った第２の細長い部材一式の第１の細長い部材と第２の細長い部材一式の第２の細長い部材との間の相対的な並進に応じて、非静止形態と静止形態との間で位置調整されるよう構成されている。
【００１３】
一実施形態は、相互に移動可能な関係にあり、ほぼ同心の関係に設けられた、少なくとも３つの細長い部材を有するマニピュレータの遠位部の位置を調整する方法に関するものである。前記方法は、少なくとも３つの細長い部材の第１の細長い部材一式に関しては、第１の細長い部材一式の第１の細長い部材を、第１の細長い部材一式の第２の細長い部材と相対的に移動させて、マニピュレータの遠位端の空間位置を調整するステップを含む。前記方法は、少なくとも３つの細長い部材の第２の細長い部材一式に関しては、第２の細長い部材一式の第１の細長い部材を、基準軸に沿って第２の細長い部材一式の第２の細長い部材と相対的に移動させて、マニピュレータの遠位端の空間位置を調整するステップを含む。
【００１４】
一実施形態は、組織内で針装置の遠位端を位置調整する方法に関するものである。前記方法は、組織領域に針装置の遠位端部を挿入するステップであって、針装置が、相互に移動可能な関係にあり且つほぼ同心の関係に設けられた、少なくとも３つの細長い部材を有し、少なくとも３つの細長い部材の各細長い部材が、近位端部、遠位端部、及び縦軸に沿って延びる管腔を有している、組織領域内に針装置の遠位端部を挿入するステップを含む。前記方法は、少なくとも３つの細長い部材の第１の細長い部材一式に関しては、第１の細長い部材一式の第１の細長い部材を、第１の細長い部材一式の第２の細長い部材と相対的に移動させて、針マニピュレータの遠位端の空間位置を調整するステップを含む。前記方法は、少なくとも３つの細長い部材の第２の細長い部材一式に関しては、第２の細長い部材一式の第１の細長い部材を、基準軸に沿って第２の細長い部材一式の第２の細長い部材と相対的に移動させて、針マニピュレータの遠位端の空間位置を調整するステップを含む。
【００１５】
本発明の前述のそして他の目的、特徴及び利点は、添付の図に示すように、下記の本発明の具体的な実施形態の説明から明らかとなる。添付の図において、異なる図における同じ部分には同じ参照番号が振られている。図は必ずしも正確な縮尺のものではなく、本発明の原理を図示することに重点を置いたものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明の実施形態は、３つ以上のほぼ同心の細長い部材を有するマニピュレータに関するものであり、これら細長い部材の相対的な回転及び／又は並進により、マニピュレータの遠位端の空間位置及び方向と、マニピュレータの空間位置の両方をその長さに沿って調整する。一実施例では、細長い部材は予め湾曲しており、細長い部材の遠位部が静止状態において、ほぼ弓形状を有している。３つの細長い部材がほぼ同心となるように組み合わせられると、マニピュレータの全体的な形状は個々の細長い部材の形を合成したものとなる。構成要素である細長い部材の相対的な並進と回転の方向を変化させることにより、マニピュレータの遠位部の所望の空間位置及び方向だけでなく、結果的なマニピュレータの様々な形状が得られる。マニピュレータの位置調整に影響する細長い部材の予め湾曲した幾何学的形状に加えて、細長い部材の剛比により各細長い部材のマニピュレータの最終的な形状への相対的寄与率が決まる。一方の細長い部材の剛性が他方よりも大幅に高い場合、マニピュレータの結果的な形状は、より低い剛性を有する細長い部材の、より高い剛性を有する細長い部材に対する直線作動に依存する。細長い部材の相対的剛性がほぼ等しい場合、マニピュレータの結果的な形状は、細長い部材の相対的回転及び相対的な直線作動の両方に依存する。
【００１７】
図１Ａに少なくとも３つの細長い部材を有するマニピュレータ１０の例示の実施形態を示す。図示するように、マニピュレータ１０は、相互に移動可能な関係にあり、ほぼ同心の関係に設けられた第１の細長い部材１２、第２の細長い部材１４及び第３の細長い部材１６を有する。一実施例では、細長い部材１２、１４は同心に設けられた管である。例えば、図４Ａに示すように、第１の細長い部材１２は、ほぼ円形の断面形状を有し、近位端部２０と遠位端部２２との間に延在する第１の細長い管腔部材１８を画定し、第１の細長い管腔部材１８内部には第２の細長い部材１４が設けられている。第２の細長い部材１４は、ほぼ円形の断面形状を有し、近位端部２６と遠位端部２８との間に延在する第２の細長い管腔部材２４を画定し、第２の細長い管腔部材２４内部には第３の細長い部材１６が設けられている。一実施例では、マニピュレータ１０は、基部２９に対し移動可能（例えば、回転可能及び並進可能）である細長い部材１２、１４、１６を支持あるいは搭載する基部又は外筐体２９を含む。
【００１８】
一実施例では、細長い部材１２、１４，１６の外壁及び内壁との間の接触により、細長い部材１２，１４、１６のほぼ同心である位置決めが維持される。例えば、図４Ａに示すように、第１の細長い部材１２の管腔の内壁３０と第２の細長い部材１４の外壁３２との間の接触と、第２の細長い部材１２の管腔の内壁３４と第３の細長い部材１４の外壁３６との間の接触により、細長い部材がほぼ同心に配置される。
【００１９】
再び図１Ａを参照すると、様々な材料を使用して細長い部材１２、１４、１６を形成することができる。一実施例では、１つ以上の細長い部材１２、１４、１６が、ニッケルチタン合金（例えばニチノール）などの超弾性材料、プラスチックなどの弾性材料又はステンレスなどの比較的剛性の材料から形成されている。細長い部材１２、１４、１６の材料構成及び特性は、細長い部材１２、１４、１６の長さに沿って一定であるが、一実施例においては、１つ以上の細長い部材１２、１４、１６の材料構成はその長さに沿って変化する。例えば、１つ以上の細長い部材１２、１４、１６では、細長い部材の近位端部と遠位端部との間がステンレス材料から形成され、一方細長い部材の遠位端部にはニチノール材料が配置されている。
【００２０】
細長い部材１２、１４、１６の幾何学的形態は、マニピュレータ１０の遠位端４０の、基準座標系４２に対する空間位置及び方向と、マニピュレータ１０の、基準座標系４２に対する（例えばマニピュレータ１０の長さ４４に沿った）空間位置調整の両方に影響を及ぼす。一実施形態では、各細長い部材１２、１４、１６は予め湾曲した形状を有するように形成される。第２の細長い部材１４を例にとると、図１Ｂに示すように、第２の細長い部材１４は、静止位置にある（最小限の外力にさらされている）時、第２の細長い部材１４の少なくとも一部５０が、基準軸５１に対して曲率半径５２を有するほぼ弓形状５０となるよう形成されている。図に示すように、弓形状部分５０は、第２の細長い部材１４の遠位端部２８に配置されている。しかしながら、当業者には、弓形状部分５０が近位端２６から遠位端２８まで第２の細長い部材１４の長さに沿って延在できることはご承知の通りである。
【００２１】
細長い部材において特定の静止位置での曲率半径を形成する場合、設計者は幾つかの変数を考慮に入れる。例えば、図５はニチノール材料に関する、曲率半径と（例えば管などの）細長い部材の外径との間の関係を示すグラフ１００である。図に示すように、細長い部材の達成可能な最小限の曲率半径は、細長い部材の外径の関数である。従って、細長い部材の外径が小さいほど、細長い部材において達成可能な曲率半径が小さくなる。
【００２２】
細長い部材１２、１４、１６が、細長い部材１２、１４、１６に対し外部の力が作用していない時など静止形態にある時は、ほぼ弓形状又は位置にある、あるいはほぼ弓形状又は位置を維持している。第２の細長い部材１４に対し外部の力がかかった場合、外部の力により細長い部材１４が図１Ｃに示すように（非静止形態などの）延在位置に位置決めされる。例えば、図１Ｂに示すように、第２の細長い部材１４に外部の曲げ力５３を加えることにより、図１Ｃに示すように弓形状部分５０を実質的に真っ直ぐな状態にし、第２の細長い部材１４の縦軸が基準軸５１にほぼ平行となる。
【００２３】
一方の予め湾曲した細長い部材が他方の予め湾曲した細長い部材内に配置された場合、両方の細長い部材は、最終的な共通の湾曲状態に強制的に適合させられる。このため、細長い部材は、（例えば細長い部材の少なくとも一部がほぼ弓形状となる）静止形態と、（例えば、細長い部材の少なくとも一部がほぼ延在形状となる）非静止形態との間で位置が変化する。一方の細長い部材を他方に対して並進及び回転させることにより、マニピュレータ１０の全体的な長さだけでなく最終的な湾曲状態の両方を変化させて、マニピュレータ１０の、基準座標系４２と基準軸５１に対する遠位端４０の位置を調整することができる。
【００２４】
例えば、図１Ａに示すように、各第１及び第２の細長い部材１２、１４は予め設定された湾曲形状を有している。第１及び第２の細長い部材１２、１４が互いに相対的に回転及び並進している場合、第１及び第２の細長い部材１２、１４は図１Ｂに示すような静止形態と、図１Ｃに示すような（例えば延在位置などの）非静止形態との間で位置調整され、これにより、マニピュレータ１０が図１Ａに示すように、最終的な共通の湾曲状態に適合させられる。予め湾曲した細長い部材１２、１４の回転及び並進は従って、基準座標系４２及び基準軸５１に対する（例えば、第１及び第２の細長い部材１０の遠位端部２２、２８などの）マニピュレータ１０の遠位端部４０の空間位置を変化させる。このため、第１及び第２の細長い部材１２、１４の回転及び並進により、ユーザーがマニピュレータ１０の遠位端部４０の空間位置を調整して、遠位端部４０を操作して特定の空間位置まで到達させることが可能となる。
【００２５】
細長い部材１２、１４、１６の予め湾曲した形状の相対的な位置調整により、マニピュレータ１０の湾曲を調整することができる一方、基準座標系４２に対するマニピュレータ１０の位置調整は他の要因によっても左右される。例えば、細長い部材１２、１４、１６一式の相対的な曲げ剛性がマニピュレータ１０の位置調整に影響する。細長い部材の曲げ剛性は、細長い部材を形成している材料の弾性率に細長い部材の断面の慣性モーメントを乗じたものとして定義される。一実施例では、細長い部材１２、１４、１６一式の相対的な曲げ剛性により、（例えば、剛比が無限となるような）一方の細長い部材の曲げ剛性が他方の曲げ剛性より大幅に高い支配的剛性関係が画定される。例えば、２つの細長い部材間の剛比１０：１はある用途において、支配的剛性関係の実用上の下限を表している。別の実施例では、細長い部材１２、１４、１６一式の相対的な曲げ剛性により、（例えば、剛比がほぼ１であるような）細長い部材一式の剛性がほぼ等しい均衡的剛性関係が画定される。均衡的及び支配的剛性関係は、（均衡的剛性関係においては、剛比がほぼ１であり、支配的剛性関係においては、剛比が無限に近くなる）剛比の２つの限界を表す。このため、これら上記の組み合わせによりマニピュレータ１０を製造することは、解説上及び実用上の両方の理由から有用である。当業者には承知のことであるが、細長い部材１２、１４、１６が均衡的剛性関係及び支配的剛性関係のいずれにも分類されない剛性を有するように構成することが可能である。支配的剛性関係にある細長い部材一式と均衡的剛性関係にある細長い部材一式についての概念の説明は下記の通りである。
【００２６】
図２Ａ及び２Ｂに、支配的剛性関係にある細長い部材一式についての概念を示す。一方の細長い部材の曲げ剛性が他方の曲げ剛性よりも大幅に高い場合、同心の細長い部材一式が、より高い剛性を有する細長い部材の湾曲に適合する。より柔軟性のある細長い部材がより高い剛性を有する細長い部材と相対的に並進する場合、より柔軟性のある細長い部材がより高い剛性を有する細長い部材の遠位端を超えて延びると、延びた部分が元の予め設定された湾曲に緩まる。
【００２７】
例えば、図２Ａを参照し、第２の細長い部材１４が比較的堅い材料から形成され、ほぼ細長い形状を有し、その一方で第３の細長い部材１６が比較的柔軟な材料から形成され、予め湾曲した形状を有すると仮定する。第３の細長い部材１６が第２の細長い部材１４の内部に配置される場合、第２の細長い部材１４の曲げ剛性が第３の細長い部材１６の曲げ剛性を支配する。第２の細長い部材１４は従って、第３の細長い部材１６に対して外部の力を加え、これにより第３の細長い部材１６が延在位置に置かれる。図２Ｂに示すように、第３の細長い部材１６が第２の細長い部材１４に対しある方向６０に沿って並進すると、第３の細長い部材１６の遠位部３１が第２の細長い部材１４の遠位端部２８を越えて延び、基準軸５１に対して静止した湾曲に緩まる。第３の細長い部材１６の湾曲は図示するようにほぼ一定、又はその延在する長さにわたって変化する。一般に、支配的剛性関係にある細長い部材一式は２つの独立した自由度を有し、この自由度によって細長い部材一式の近位端と遠位端の全体的な形状及び相対的な位置が決まる。第１自由度は、基準軸５１に対する細長い部材一式の相対的な直線並進に関わるものであり、第２自由度は、基準軸５１周囲での細長い部材１４、１６の相対的な回転に関わるものである。
【００２８】
図３Ａ及び３Ｂに、均衡的剛性関係にある細長い部材一式の概念を示す。予め湾曲が設定されている細長い部材がほぼ等しい剛性を有する場合、一方の細長い部材が他方の細長い部材の内部に配置されると、細長い部材の湾曲が相互に作用し組み合わされて、単一の合成湾曲６０を形成する。
【００２９】
例えば、図３Ａに示すように、静止形態にある第１の細長い部材１２は、第１部材半径６２を有する第１部材湾曲６１を画定し、静止形態にある第２の細長い部材１４は、第１部材半径６２よりも小さい第２部材半径６４を有する第２部材湾曲６３を画定する。第１及び第２の細長い部材１２、１４が同心の関係に設けられ、細長い部材１２、１４の個々の湾曲６１、６３がほぼ整合し、関連する遠位端部２２、２８がほぼ同じ方向（例えば図示するように、ページの右側）に向いている場合、細長い部材一式の合成湾曲６０−１は、第２部材半径６４よりも大きく、第１部材半径６２よりも小さい合成湾曲半径６６を有する。細長い部材１２、１４の湾曲が整合している場合、図３Ａに示すように、合成湾曲６０−１は均衡的剛性関係にある細長い部材一式の最大湾曲となる。
【００３０】
図３Ｂに示すように、図３Ａの細長い部材１２、１４の相対的な回転により、複合湾曲６０が変化する。例えば、図３Ａの第１の細長い部材１２と第２の細長い部材１４が基準軸５１周囲で互いに相対的に回転すると、第１及び第２の細長い部材１２、１４との間の相互作用により、合成湾曲半径６６が増加する。第１及び第２の細長い部材１２、１４が更に回転し、細長い部材１２、１４の応力のかかっていない湾曲６１、６３が互いに反対になり、関連する遠位端部２２、２８がほぼ反対の方向に向くと、図３Ｂに示すように、細長い部材一式の合成湾曲６０−２が基準軸５１とほぼ整合する。このため、均衡的剛性関係にある細長い部材一式１２、１４が最大限の延在位置に位置決めされる。均衡的剛性関係にある一対の細長い部材の第２自由度は、図１Ａに示すように、均衡的剛性関係にある細長い部材一式１２、１４を基部２９の周囲で回転させることにより得ることができる。当業者にはご承知の通り、図３Ａ及び３Ｂに示すように、均衡的剛性関係にある一対の細長い部材の初期の湾曲はその長さに渡って一定、あるいは変化する可能性がある。
【００３１】
図１Ａを再び参照すると、一実施形態におけるマニピュレータ１０は細長い部材１２、１４、１６を組み合わせることにより形成される。このような形態では、マニピュレータ１０の湾曲を数学的にモデル化してマニピュレータ１０の最終的な湾曲を予測することができる。任意数の細長い部材の最終的な湾曲を予測するのに用いられる様々な方法が利用可能であるが、一方法例を下記に解析する。この一方法例では、各細長い部材１２、１４、１６が区分的な定曲率を有し、曲げ応力は弾力的であると仮定する。細長い部材間に加わる実際の負荷は、これらの部材に共通の境界線に分布した力から構成されており、ここで各部材１２、１４、１６は純曲げ状態となると仮定する。この概算によれば、細長い部材１２、１４、１６は相互に、各部材１２、１４、１６が定曲率を有する部材共通の長さ部分に沿って一定である曲げモーメントを適用することが示唆される。この曲げモーメントは、定曲率を有する各区域の端部の、非常に短い長さ上に発生する。最後に、細長い部材１２、１４、１６は、ねじりに対して堅いことで近似することができると仮定する。この仮定の妥当性は、マニピュレータ１０の設計に依存する。この方法例においてこの仮定が用いられるのは、実施するのに計算効率の良い、特に簡単な解法が可能となるからである。
【００３２】
これらの仮定をオイラー・ベルヌーイ梁モデルと組み合わせることで、個々の細長い部材１２、１４、１６が定曲率を有するマニピュレータ１０の各々の長さにおける合成曲率の直接計算が可能となる。このやり方により、区分的な定曲率を有する細長い部材１２、１４、１６が組み合わされて、積分方程式に頼ることなく形状を計算することが可能な、区分的な定曲率を有するマニピュレータ１０が形成される。
【００３３】
これらの部材は添字指数、ｉ＝１、２・・・ｎ、で標示されており、１は最も外側の細長い部材であり、ｎは最も内側の細長い部材である。図８Ａに示すように、挿入点Ｆｉ（０）における単一フレームのｚ軸が細長い部材の中心線に接すると定義することにより、座標フレームを細長い部材ｉに沿ったアーク長ｓの関数であると定義することができる。局所フレームＦｉ（ｓ）は、Ｆｉ（０）をそのｚ軸周囲において回転させずに細長い部材の中心線に沿って移動させることにより得られる。同様に、挿入点の世界フレームＷ（０）は、アーク長の関数であるマニピュレータフレームＷ（ｓ）を定義するのに使用される。上付き文字はベクトル及び変換の座標フレームを表すのに使用される。
【００３４】
細長い部材はねじりに対して堅いと仮定されるため、細長い部材間の全ての相対的回転は細長い部材の全体的な長さに沿って一定となる。ｉ番目の細長い部材の座標フレームＦｉ（ｓ）がその中心線から下に下がると、下記の式で表される単位アーク長当たりの座標系角速度の変化が起こる。
【００３５】
【数１】
2009514610.tif 000003
ここで、
【００３６】
【数２】
2009514610.tif 000004
は曲げに起因する曲率のｘ及びｙ要素であり、τｉ＝０はねじれである。式（１）の上線は、細長い部材の静止形態における初期の曲率値を表している。図８Ａの例では、細長い部材の局所フレームＦｉ（ｓ）における曲率のｙ要素は非ゼロである。
【００３７】
細長い部材が同心に組み立てられた場合、細長い部材ｉに沿った全ての点におけるモーメントベクトルは下記の式によって求められる。
【００３８】
【数３】
2009514610.tif 000005
【００３９】
式（２）において、ｍｉＦｉ（ｓ）（ｓ）は、モーメントベクトル、
【００４０】
【数４】
2009514610.tif 000006
は結果的及び初期フレームの角度率であり、Ｋｉは細長い部材に関するフレーム不変の剛性テンソルであり、下記式により得られる。
【００４１】
【数５】
2009514610.tif 000007
【００４２】
式（３）において、Ｅｉは弾性率であり、Ｉｉは断面慣性モーメント、Ｊｉは極慣性モーメント、そしてＧｉは剛性率である。円筒形の断面を有する細長い部材の断面慣性モーメントは下記式によって求められる。
【００４３】
【数６】
2009514610.tif 000008
【００４４】
式（４）において、ｄｉ及びｄｏは断面の内径及び外径である。
【００４５】
式（２）は点別に適用されるが、純曲げを前提にすることにより、各細長い部材が初期定曲率を有するマニピュレータの区分ごとに適用することが可能となる。式（２）を細長い部材ごとにマニピュレータフレームＷ（ｓ）に転換することにより、瞬間的均衡を求める式を、これらの区分それぞれに適用することが可能である。θｉをｚ軸のフレームＷ（ｓ）からフレームＦｉ（ｓ）までの回転角度と定義して、曲率ベクトルは下記のように転換される。
【００４６】
【数７】
2009514610.tif 000009
【００４７】
式（５）において、Ｒ（ｚ、θｉ）は回転行列である。下記は同心の細長い部材の瞬間的均衡を求める式である。
【００４８】
【数８】
2009514610.tif 000010
【００４９】
細長い部材は全て同じ最終的な曲率ｕｆＷ（ｓ）に適合するため、下記式が適用される。
【００５０】
【数９】
2009514610.tif 000011
【００５１】
式（２）〜（７）を組み合わせることによって、定曲率を有する、重なり合った細長い部材ｎを備えるマニピュレータの長さ区分の結果的なフレームの角度率の式が得られる。
【００５２】
【数１０】
2009514610.tif 000012
ねじれ剛性を前提にすることにより、この式は
【００５３】
【数１１】
2009514610.tif 000013
の形になる。他方全てから１つの細長い部材に加わる全モーメントは、２つの曲げモーメントのベクトル和と解釈できる。２つの曲げモーメントとは、初期の曲率
【００５４】
【数１２】
2009514610.tif 000014
を除去するのに必要なモーメント及び最終的な曲率ｕｆＷ（ｓ）を得るのに必要なモーメントである。
【００５５】
一実施例では、（例えば、マニピュレータ１０の近位端部に対する）マニピュレータ１０の遠位端部４０の相対位置は、細長い部材１２、１４、１６に関連する特定の変数をマニピュレータ１０の遠位端部４０のフレームに一連の運動学方程式を用いてマッピングすることにより、決定することができる。下に運動マッピング処理の実施例の概要を示す。
【００５６】
一実施例では、細長い部材の変数からマニピュレータ１０の遠位端部４０への運動マッピングには、図８Ｂに示すような３つのマッピングステップが含まれる。第１マッピング２００においては、細長い部材の運動学的変数を、対応する曲率、
【００５７】
【数１３】
2009514610.tif 000015
の入力曲線ｍと延長長さｌｉに変換する。これらｍ曲線は区分的な定曲率を有する。第２のマッピング２０２においては、インプット曲線をマニピュレータの実際のアーク、（κｘ、κｙ、ｓ）ｉ、ｊ＝１、・・・、ｎに変換し、ここでアーク数、ｎは、結合した全ての細長い部材の定曲率区分の総数である。これら２つのマッピングは、個々の細長い部材の設計が入力曲線スペースで最も簡単に表されるため、別のものとみなされている。これは、逆運動学を計算するのに有用である。第３のマッピング２０４では、マニピュレータアークの数列から、マニピュレータ基部フレームに対するマニピュレータ先端部の座標フレーム、ＷＷ（０）（ｌｍ）が求められる。
【００５８】
逆運動学の問題には、マニピュレータ１０の遠位端部４０を所望の空間位置及び方向に位置づけする、細長い部材の運動学的変数を解くことが含まれる。この問題を解くことは、マニピュレータの制御及び手術計画の両方に重要である。逆運動学の問題を解く１つの方法には、上述した３つの運動マッピングを連続的に反転させるステップが含まれる。
【００５９】
上に示すように、細長い部材１２、１４、１６一式の相対的な曲げ剛性がマニピュレータ１０の位置調整に影響を与える可能性がある。一実施形態では、マニピュレータ１０は均衡的剛性関係にある細長い部材一式と支配的剛性関係にある細長い部材一式の様々な組み合わせを含むように構成されていてよい。図４Ａ〜４Ｃに、マニピュレータ１０の細長い部材１２、１４、１６の一構成例と共に細長い部材１２、１４、１６の相対的回転及び並進に基づくマニピュレータ１０の結果的な位置決めを示す。
【００６０】
図４Ａ〜４Ｃに、同心の関係に設けられた第１の細長い部材１２、第２の細長い部材１４、及び第３の細長い部材１６を有するマニピュレータ１０の一実施形態の断面図を示す。図示した実施形態においては、各第１、第２及び第３の細長い部材は、予め湾曲した又は弓形状の形態に形成されていると仮定する。また更に、第１の細長い部材１２の剛性が第２の細長い部材１４の曲げ剛性とほぼ等しく、第２の細長い部材の曲げ剛性が第３の細長い部材１６の曲げ剛性より実質的に高いと仮定する。このような構成により、第１及び第２の細長い部材１２、１４は均衡的剛性関係にある細長い部材一式を形成し、第２及び第３の細長い部材１４、１６は支配的剛性関係にある細長い部材一式を形成する。
【００６１】
使用に際しては、細長い部材１２、１４、１６を基準軸５１に対して回転及び／又は並進させることにより、マニピュレータ１０の遠位端部４０の基準座標系４２に対する位置を調整する。図４Ａ〜４Ｃにこの細長い部材１２、１４、１６の相対的な回転及び並進の実施例を示す。このような細長い部材１２、１４、１６の回転及び並進は、様々な方法で行うことができる。一実施例では、細長い部材１２、１４、１６の並進及び回転は、ユーザーによって手動で制御することが可能である。別の実施例においては、細長い部材１２、１４、１６の回転及び並進は、外筐体２９内に配置されるような１つ以上の電動装置により制御することが可能である。
【００６２】
図４Ａでは、細長い部材１２、１４、１６は開始位置において、マニピュレータ１０が（例えば非静止形態などの）延長位置に位置付けされるよう相対的に方向付けされている。例えば上述したように、第１及び第２の細長い部材１２、１４は、均衡的剛性関係にある細長い部材一式を形成する。このため、第１及び第２の細長い部材１２、１４は、細長い部材１２、１４の応力のかかっていない湾曲６１、６３が互いにほぼ反対となり、関連する応力のかかっていない遠位端部２２、２８が実質的に反対方向に向くように、相対的に方向付けされている。また、第２及び第３の細長い部材１４、１６は、支配的剛性関係にある細長い部材一式を形成する。このため、第３の細長い部材１６は、第２の細長い部材１４内部に配置され、第３の細長い部材１６の湾曲が実質的に第３の細長い部材１６よりも堅い第２の細長い部材１４の形に適合される。
【００６３】
マニピュレータの遠位端部の位置を調整するために、第１の細長い部材１２を方向７０に沿って第２の細長い部材１４と相対的に回転させることができ、第２の細長い部材１４は、基準軸５１周囲において、基準座標系４２に対しほぼ固定位置に保持されている。図４Ｂに示すように、第１及び第２の細長い部材１２、１４が均衡的剛性関係にある細長い部材一式を形成するため、第１の細長い部材１２の第２の細長い部材１４に対する回転により、第１及び第２の細長い部材１２、１４が基準座標系４２に対して屈曲し、これによりこの屈曲は曲率半径６２−１を有する。更に、第２の細長い部材１４と第３の細長い部材１６は支配的剛性関係にある細長い部材一式を形成する。このため、第３の細長い部材１６の形状は第２の細長い部材１４の屈曲に適合し、第３の細長い部材１６は、第２の細長い部材１４の曲率半径６２−１とほぼ等しい曲率半径６２−２を有する。図４Ｂに示すように、第１及び第２の細長い部材１２、１４の屈曲により、マニピュレータ１０の遠位端部４０の基準座標系４２に対する位置が調整される。
【００６４】
マニピュレータ１０の遠位端部の位置を更に調整するには、図４Ｃに示すように、第３の細長い部材１６を方向７２に沿って並進させる。前述したように、第２の細長い部材１４は、第３の細長い部材１６の曲げ剛性よりも実質的に高い曲げ剛性を有する。第３の細長い部材１６が第２の細長い部材１４の遠位端部２８を越えて並進した場合、第３の細長い部材１６は弛緩した状態に戻り、基準軸５１に対し曲率半径５２を有する予め湾曲した形態となる。その結果、第３の細長い部材１６の弛緩により、マニピュレータの遠位端部の基準座標系４２に対する位置が調整され、これによりユーザーがマニピュレータ１０の遠位端部４０を特定の空間位置まで操作することが可能となる。
【００６５】
上述した実施例に関しては、第１及び第２の細長い部材１２、１４が均衡的剛性関係にある細長い部材一式を形成し、第２及び第３の細長い部材１４、１６が支配的剛性関係にある細長い部材一式を形成する。当業者にはご承知の通り、他の組み合わせもまた可能である。
【００６６】
例えば一実施例においては、第１の細長い部材１２が第２の細長い部材１４の曲げ剛性よりも実質的に高い曲げ剛性を有することにより、支配的剛性関係にある細長い部材一式が形成され、その一方で第２の細長い部材１４が第３の細長い部材１６の曲げ剛性とほぼ等しい曲げ剛性を有することにより、均衡的剛性関係にある細長い部材一式が形成される。別の実施例では、第１の細長い部材１２が第２の細長い部材１４の曲げ剛性とほぼ等しい曲げ剛性を有することにより、均衡的剛性関係にある細長い部材一式を形成し、その一方で第２の細長い部材１４が第３の細長い部材１６の曲げ剛性とほぼ等しい曲げ剛性を有することにより、均衡的剛性関係にある細長い部材一式が形成される。別の実施例では、第１の細長い部材１２が第２の細長い部材１４の曲げ剛性よりも実質的に高い曲げ剛性を有することにより、第１の支配的剛性関係にある細長い部材一式が形成され、第２の細長い部材１４が第３の細長い部材１６の曲げ剛性よりも実質的に高い曲げ剛性を有することにより、第２の支配的剛性関係にある細長い部材一式が形成される。更に別の実施例では、第２の細長い部材が第３の細長い部材の曲げ剛性よりも実質的に低い曲げ剛性を有することにより、支配的剛性関係にある細長い部材一式が形成され、第１の細長い部材が第２の細長い部材の曲げ剛性よりも実質的に低い曲げ剛性を有することにより、支配的剛性関係にある細長い部材一式が形成される。
【００６７】
マニピュレータ１０は様々な用途に適用することが可能であるが、一実施例では、マニピュレータは経皮処置に使用するための針マニピュレータとして構成されている。例えば、図１Ａを再び参照すると、細長い部材１２、１４、１６は関連する組織領域内に挿入される。このため、細長い部材１２、１４、１６は、約２．０ｍｍ（例えば第１の細長い部材１２の外径）〜約０．７ｍｍ（例えば第３の細長い部材１６の外径）の範囲の外径を有する。
【００６８】
針マニピュレータ１０は様々な方法で、関連する組織領域内に挿入することができる。一実施例では、少なくとも１つの細長い部材１２、１４、１６は、マニピュレータを組織部位（例えば経皮挿入）に導入するよう操作可能な針として構成されている。例えば、先のとがった探り針を第３の細長い部材１６の内部に配置して、組織に穴を開けてマニピュレータ１０を組織部位に導入するのに使用することができる。別の実施例では、図１Ａに図示していないが、第１の細長い部材１２の先端を鋭くし又は先端に傾斜をつけて、針マニピュレータ１０が組織に穴を開けてマニピュレータ１０を組織部位に導入できるようにすることも可能である。別の実施例では、針マニピュレータの遠位端部４０が実質的に丸くなっており、針マニピュレータ１０を人体の開口部（例えば、鼻腔）を通して組織の位置に挿入することができる。別の実施例では、細長い部材１２、１４、１６は、針マニピュレータを組織部位に導入するシース１１０の内部に配置することができる。例えば、カニューレなどのシース１１０を組織部位に挿入して、針マニピュレータ１０を組織の位置まで導くのに役立たせることができる。図示では、シース１１０が外筐体２９の一部分を形成しているが、当業者にはご承知の通り、シース１１０は外筐体とは別々に形成することも可能である。
【００６９】
使用に際しては、上述したように、細長い部材１２、１４、１６の相対的な回転及び並進により、ユーザーが針マニピュレータ１０の遠位端部４０を所望の組織の位置に位置調整することが可能となる。例えば、図６に示すように、針マニピュレータ１０が組織１２０内に挿入されると、ユーザーが細長い部材１２、１４、１６を相対的に回転及び並進させて、針マニピュレータ１０の遠位端部４０を操作して、針マニピュレータ１０の遠位端部４０が組織の位置１２４に向かって進む時に、例えば骨又は傷つきやすい組織などの障害物１２２を避けることができる。また、図７に示すように、針マニピュレータ１０の幾何学的形態は、組織との相互作用には依存していない。例えば、細長い部材１２、１４、１６を相対的に回転及び並進させることによって、ユーザーが針マニピュレータの遠位端部４０を体内の管腔１２６内の様々な位置に、位置調整することが可能となる。
【００７０】
図１Ａを再び参照すると、一実施例における針マニピュレータ１０は、器具又は人工装具を手術部位まで送るように構成されている。例えば、図４Ａに示すように、一実施例では、第３の細長い部材１６は、近位端部３３と遠位端部３１との間に延在する第３の細長い部材の管腔２５を有している。図１Ａに示すように、第３の細長い部材１６は管腔２５内に配置された手術器具１３０を含む。手術器具１３０は異なる様々な形態を有することが可能である。例えば、図１Ａに示すように、手術器具１３０はバルーン付カテーテル１３０として構成されていてもよい。
【００７１】
この発明は、特に本発明の好ましい実施形態を参照して図示及び説明されているが、当業者にはご承知の通り、添付の請求項により規定された本発明の精神及び要旨から逸脱しない範囲で、形状及び細部に様々な変更を加えることが可能である。
【００７２】
上述したように、一実施例では、各細長い部材１２、１４、１６は静止状態にあるときに予め湾曲した形状を有するよう形成されている。上記のような種類はほんの一例である。一実施例では、細長い部材の少なくとも１つが静止形態にあるときにほぼ延在した形状を有している。例えば、第１の細長い部材１２が、第１の細長い部材１２の縦軸に沿って延在する管腔を有する実質的に堅い材料から形成されていてもよい。このような構成では、第１の細長い部材を、マニピュレータ１０を組織領域に導入するためのシースあるいは導入具として操作することも可能である。
【００７３】
更に上述したように、細長い部材１２、１４、１６は静止状態にあるときに予め設定した湾曲形状を有するように形成することができるが、１つ以上の細長い部材１２、１４、１６の長さに沿った湾曲は連続している必要はなく、連続していない場合でも予め設定した湾曲形状とみなされる。例えば、図１Ｂには細長い部材１４が２つの定曲率領域を有する場合が示されているが、実際には、このような細長い部材１４は、いかなる数の別々に湾曲した区域から成っていてもよい。更に、曲率は各区域内において変化させることができる。
【００７４】
また、上述したように、第１の細長い部材１２はほぼ円形及び一定面積の断面形状を有し、近位端部２０と遠位端部２２との間に延在する第１の細長い部材の管腔１８を画定し、第２の細長い部材１４は、第１の細長い部材の管腔１８内に配置されている。このような種類はほんの一例である。細長い部材１２、１４、１６は、その長さに沿って変化する、様々な断面形状を有することができる。例えば、細長い部材１２、１４、１６は非対称の断面形状を有することができ、これらの曲げ剛性は断面軸の選択により変化する。断面形状は細長い部材の長さに沿っても連続的に又は非連続的に変化し、その結果、曲げ剛性も細長い部材の長さに沿って変化する。断面形状が変化することにより、第２の細長い部材１４が挿入される、第２の細長い部材１４（例えば内側の細長い部材）の外面と第１の細長い部材１２（例えば外側の細長い部材）の内面との間に形成されたすき間も変化する。
【００７５】
図１Ａを参照して説明したように、第３の細長い部材１６は管腔２５の内部に配置された手術器具１３０を含むことが可能である。手術器具１３０は、様々な異なる形態を有することができる。図９に示すように、手術器具１３０は組織把持装置１３２として構成されていてもよい。一実施例では、組織把持装置１３２はニチノールなどの形状記憶材料から形成され、第１腕部１３４及び対向する第２腕部１３６を有している。静止位置において、第１及び第２腕部１３４、１３６は、例えば組織把持装置１３２が第３の細長い部材１６の遠位端部３３を越えて延びた時に、第１及び第２腕部１３４、１３６が互いから離れた方向に延びるような開放的な関係に配置されている。使用に際しては、組織把持装置１３２と第３の細長い部材１６の軸１３８に沿った相対的な並進により、組織把持装置１３２を、図示するような静止位置と、第１腕部１３４と第２腕部１３６とが互いに近接して配置されている、折り畳まれた又は閉じられた位置との間に位置決めする。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１Ａ】マニピュレータの一実施例を表す図である。
【図１Ｂ】静止状態にある図１Ａのマニピュレータの、予め湾曲した細長い部材を示す図である。
【図１Ｃ】非静止状態にある図１Ｂの予め湾曲した細長い部材を示す図である。
【図２Ａ】格納した形態の、支配的剛性関係にある一対の細長い部材を示す図である。
【図２Ｂ】延長した形態の、図２Ａの支配的剛性関係にある一対の細長い部材を示す図である。
【図３Ａ】均衡的剛性関係にある細長い部材一式の細長い部材の湾曲がほぼ整列している、均衡的剛性関係にある細長い部材一式の結果的な幾何学的形態を示す図である。
【図３Ｂ】均衡的剛性関係にある細長い部材一式の細長い部材の湾曲がほぼ反対である、図３Ａの均衡的剛性関係にある細長い部材一式の結果的な幾何学的形態を示す図である。
【図４Ａ】基準軸にほぼ一致した縦軸を有する、マニピュレータの一実施例の断面図である。
【図４Ｂ】マニピュレータの均衡的剛性関係にある一対の細長い部材を形成している細長い部材の、相対的な回転に基づくマニピュレータの幾何学的形態を示す、図４Ａのマニピュレータの断面図である。
【図４Ｃ】マニピュレータの支配的剛性関係にある一対の細長い部材を形成している細長い部材の、相対的な並進に基づくマニピュレータの幾何学的形態を示す、図４Ｂのマニピュレータの断面図である。
【図５】曲率半径と細長い部材の外径との間の関係を表すグラフである。
【図６】図１Ａのマニピュレータを、経皮位置に挿入される針マニピュレータとして使用する際の図である。
【図７】図１Ａのマニピュレータを、体内の管腔に挿入される針マニピュレータとして使用する際の図である。
【図８Ａ】細長い部材の座標フレームを示す図である。
【図８Ｂ】細長い部材の変数からマニピュレータの遠位端部までの運動マッピングを示す図である。
【図９】マニピュレータの一実施例を示す図である。
【図１Ａ】
2009514610.tif 000016
【図１Ｂ】
2009514610.tif 000017
【図１Ｃ】
2009514610.tif 000018
【図２Ａ】
2009514610.tif 000019
【図２Ｂ】
2009514610.tif 000020
【図３Ａ】
2009514610.tif 000021
【図３Ｂ】
2009514610.tif 000022
【図４Ａ】
2009514610.tif 000023
【図４Ｂ】
2009514610.tif 000024
【図４Ｃ】
2009514610.tif 000025
【図５】
2009514610.tif 000026
【図６】
2009514610.tif 000027
【図７】
2009514610.tif 000028
【図８Ａ】
2009514610.tif 000029
【図８Ｂ】
2009514610.tif 000030
【図９】
2009514610.tif 000031
【手続補正書】
【提出日】平成20年6月27日(2008.6.27)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マニピュレータであって、
相互に移動可能な関係にあり、ほぼ同心の関係に設けられた、少なくとも３つの細長い部材と、
弾性域において、少なくとも３つの細長い部材の少なくとも１つの細長い部材の少なくとも一部が基準軸に対し第１の曲率を有する静止形態と、少なくとも３つの細長い部材の少なくとも１つの細長い部材の少なくとも一部が、基準軸に対し第１の曲率とは異なる第２の曲率を有する非静止形態との間で設定可能である、少なくとも３つの細長い部材の少なくとも１つの細長い部材とを備え、
少なくとも３つの細長い部材の相対的な移動により、マニピュレータの遠位端の空間位置が調整されるように、少なくとも３つの細長い部材が構成されている、マニピュレータ。
【請求項２】
少なくとも３つの細長い部材の第１の細長い部材一式が、基準軸周囲の第１の細長い部材一式の第１の細長い部材と第１の細長い部材一式の第２の細長い部材との間の相対的な移動に応じて、非静止形態と静止形態との間で位置調整されるよう構成され、
少なくとも３つの細長い部材の第２の細長い部材一式が、基準軸に沿った第２の細長い部材一式の第１の細長い部材と第２の細長い部材一式の第２の細長い部材との間の相対的な移動に応じて、非静止形態と静止形態との間で位置調整されるよう構成されている、
請求項１に記載のマニピュレータ。
【請求項３】
手術器具又は装置が、細長い部材の遠位端部に取り付けられ、あるいは細長い部材の近位端部と遠位端部との間に延在する細長い部材の管腔を通って配置されている、請求項２に記載のマニピュレータ。
【請求項４】
細長い部材の１つが、ほぼ円形の断面形状を有する管腔を画定し、前記管腔が、細長い部材の近位端部と遠位端部の間に延在する、請求項２に記載のマニピュレータ。
【請求項５】
細長い部材の１つが、細長い部材の長さに沿ってほぼ非対称の断面形状を画定する、請求項２に記載のマニピュレータ。
【請求項６】
細長い部材の１つが、実質的に可変の断面形状及び／又は細長い部材の長さに沿って延在する領域を有する、請求項２に記載のマニピュレータ。
【請求項７】
各細長い部材一式が、支配的剛性関係と均衡的剛性関係とで構成されるグループから選択される剛性関係を有する第１及び第２の細長い部材を含み、支配的剛性関係は、第１の細長い部材が第２の細長い部材の曲げ剛性よりも実質的に高い曲げ剛性を有することを特徴とし、均衡的剛性関係は、第１の細長い部材が第２の細長い部材の曲げ剛性とほぼ等しい曲げ剛性を有することを特徴とする、請求項２に記載のマニピュレータ。
【請求項８】
均衡的剛性関係を有する細長い部材一式においては、前記一式の第１の細長い部材の遠位端部と第２の細長い部材の遠位端部が、基準軸周囲における、前記一式の第１の細長い部材と第２の細長い部材の間との相対的な回転に応じて、非静止形態と静止形態との間で位置調整されるように構成され、
支配的剛性関係を有する細長い部材一式においては、前記一式の第１の細長い部材の遠位端部が、基準軸に沿った、第１の細長い部材と第２の細長い部材との間の相対的な並進に応じて、非静止形態と静止形態との間で位置調整されるように構成されている、請求項７に記載のマニピュレータ。
【請求項９】
細長い部材一式の１つが、支配的剛性関係又は均衡的剛性関係のどちらでもない剛性関係を有する細長い部材を含み、支配的剛性関係は、一方の細長い部材が他方の細長い部材の曲げ剛性よりも実質的に高い曲げ剛性を有することを特徴とし、均衡的剛性関係は、一方の細長い部材が他方の細長い部材の曲げ剛性とほぼ等しい曲げ剛性を有することを特徴とする、請求項２に記載のマニピュレータ。
【請求項１０】
細長い部材一式の１つに関しては、前記一式の各第１の細長い部材が、前記一式の外側の各第２の細長い部材よりも実質的に堅い、請求項２に記載のマニピュレータ。
【請求項１１】
第１の曲率が、少なくとも３つの細長い部材の少なくとも１つの細長い部材の一部分の長さに沿って変化する、可変の曲率である、請求項１に記載のマニピュレータ。
【請求項１２】
１つ以上の細長い部材の材料構成がその長さに沿って変化する、請求項１に記載のマニピュレータ。
【請求項１３】
治療に使用される、請求項１に記載のマニピュレータ。
【請求項１４】
少なくとも３つの細長い部材の少なくとも１つの細長い部材が、マニピュレータを組織の位置に導入するように操作することが可能である針として構成されている、
請求項１に記載のマニピュレータ。
【請求項１５】
シースを更に備え、少なくとも３つの細長い部材がシース内部に配置されている、請求項１に記載のマニピュレータ。
【請求項１６】
相互に移動可能な関係にあり、ほぼ同心の関係に設けられた少なくとも３つの細長い部材を有するマニピュレータを操作する方法であって、前記方法が、
少なくとも３つの細長い部材の第１の細長い部材一式に関しては、第１の細長い部材一式の第１の細長い部材を、第１の細長い部材一式の第２の細長い部材と相対的に移動させて、マニピュレータの遠位端の空間位置及び方向とマニピュレータの空間位置をその長さに沿って調整するステップと、
少なくとも３つの細長い部材の第２の細長い部材一式に関しては、第２の細長い部材一式の第１の細長い部材を、第２の細長い部材一式の第２の細長い部材と相対的に移動させて、マニピュレータの遠位端の空間位置及び方向とマニピュレータの空間位置をその長さに沿って調整するステップとを含む方法。
【請求項１７】
各細長い部材一式に関しては、第１の細長い部材を前記一式の第２の細長い部材と相対的に移動させるのに、手動制御、電動制御及び手動と電動制御の組み合わせから構成されるグループより選択される制御方法が用いられる、請求項１６に記載の方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２０】
細長い部材１２、１４、１６の幾何学的形態は、マニピュレータ１０の遠位端４０の、基準座標系４２に対する空間位置及び方向と、マニピュレータ１０の、基準座標系４２に対する（例えばマニピュレータ１０の長さ４４に沿った）空間位置調整の両方に影響を及ぼす。一実施形態では、各細長い部材１２、１４、１６は予め湾曲した形状を有するように形成される。第２の細長い部材１４を例にとると、図１Ｃに示すように、第２の細長い部材１４は、静止位置にある（最小限の外力にさらされている）時、第２の細長い部材１４の少なくとも一部５０が、基準軸５１に対して曲率半径５２を有するほぼ弓形状５０となるよう形成されている。図に示すように、弓形状部分５０は、第２の細長い部材１４の遠位端部２８に配置されている。しかしながら、当業者には、弓形状部分５０が近位端２６から遠位端２８まで第２の細長い部材１４の長さに沿って延在できることはご承知の通りである。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２２】
細長い部材１２、１４、１６が、細長い部材１２、１４、１６に対し外部の力が作用していない時など静止形態にある時は、ほぼ弓形状又は位置にある、あるいはほぼ弓形状または位置を維持している。第２の細長い部材１４に対し外部の力がかかった場合、外部の力により細長い部材１４が図１Ｄに示すように（非静止形態などの）延在位置に位置決めされる。例えば、図１Ｃに示すように、第２の細長い部材１４に外部の曲げ力５３を加えることにより、図１Ｄに示すように弓形状部分５０を実質的に真っ直ぐな状態にし、第２の細長い部材１４の縦軸が基準軸５１にほぼ平行となる。湾曲した部材の曲率は、例えば図３Ａを参照して後述されるように、このような外部の曲げ力によっても増加させることができる。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２４】
例えば、図１Ａに示すように、各第１及び第２の細長い部材１２、１４は予め設定された湾曲形状を有している。第１及び第２の細長い部材１２、１４が互いに相対的に回転及び並進している場合、第１及び第２の細長い部材１２、１４は図１Ｃに示すような静止形態と、図１Ｄに示すような（例えば延在位置などの）非静止形態との間で位置調整され、これにより、マニピュレータ１０が図１Ａに示すように、最終的な共通の湾曲状態に適合させられる。予め湾曲した細長い部材１２、１４の回転及び並進は従って、基準座標系４２及び基準軸５１に対する（例えば、第１及び第２の細長い部材１０の遠位端部２２、２８などの）マニピュレータ１０の遠位端部４０の空間位置を変化させる。このため、第１及び第２の細長い部材１２、１４の回転及び並進により、ユーザーがマニピュレータ１０の遠位端部４０の空間位置を調整して、遠位端部４０を操作して特定の空間位置まで到達させることが可能となる。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２５】
細長い部材１２、１４、１６の予め湾曲した形状の相対的な位置調整によりマニピュレータ１０の湾曲を調整することができる一方、基準座標系４２に対するマニピュレータ１０の位置調整は他の要因によっても左右される。例えば、細長い部材１２、１４、１６一式の相対的な曲げ剛性がマニピュレータ１０の位置調整に影響する。細長い部材の曲げ剛性は、細長い部材を形成している材料の弾性率に細長い部材の断面の慣性モーメントを乗じたものとして定義される。一配置例では、細長い部材１２、１４、１６一式の相対的な曲げ剛性により、（例えば、剛比が無限となるような）一方の細長い部材の曲げ剛性が他方の曲げ剛性より大幅に高い支配的剛性関係が画定される。例えば、２つの細長い部材間の剛比１０：１はある用途において、支配的剛性関係の実用上の下限を表している。あるいは、２つの管（例えば１２及び１４）の複合剛性は、第３の管（例えば１６）の剛性よりも大幅に高くなるべきである。別の配置例では、細長い部材１２、１４、１６一式の相対的な曲げ剛性により、（例えば、剛比がほぼ１であるような）細長い部材一式の剛性がほぼ等しい均衡的剛性関係が画定される。均衡的及び支配的剛性関係は、（均衡的剛性関係においては、剛比がほぼ１であり、支配的剛性関係においては、剛比が無限に近くなる）剛比の２つの限界を表す。このため、これら上記の組み合わせによりマニピュレータ１０を製造することは、解説上及び実用上の両方の理由から有用である。当業者には承知のことであるが、細長い部材１２、１４、１６が均衡的剛性関係及び支配的剛性関係のいずれにも分類されない剛性を有するように構成することが可能である。支配的剛性関係にある細長い部材一式と均衡的剛性関係にある細長い部材一式についての概念の説明は下記の通りである。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３１】
図１Ａを再び参照すると、一実施形態におけるマニピュレータ１０は細長い部材１２、１４、１６を組み合わせることにより形成される。このような形態では、マニピュレータ１０の曲率を数学的にモデル化してマニピュレータ１０の最終的な曲率を予測することができる。任意数の細長い部材の最終的な曲率を予測するための様々な方法が利用可能であるが、一方法例を下記に解析する。この一方法例では、各細長い部材１２、１４、１６が区分的な定曲率を有し、曲げ応力は弾力的であると仮定する。細長い部材の間に加わる実際の負荷はこれらの部材に共通の境界線に分布した力から構成されており、ここで各部材１２、１４、１６は純曲げ状態となると仮定する。この概算によれば、細長い部材１２、１４、１６は相互に、各部材１２、１４、１６が定曲率を有する部材共通の長さ部分に沿って一定である曲げモーメントを適用することを示唆する。この曲げモーメントは、定曲率を有する各区域の端部における非常に短い長さ上に発生すると仮定する。最後に、細長い部材１２、１４、１６は、ねじりに対して堅いことで近似することができると仮定する。この仮定の妥当性は、マニピュレータ１０の設計に依存する。この方法例においてこの仮定が用いられるのは、実施するのに計算効率の良い、特に簡単な解法が可能となるからである。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３２】
これらの仮定をオイラー・ベルヌーイ梁モデルと組み合わせることで、個々の細長い部材１２、１４、１６が定曲率を有するマニピュレータ１０の各々の長さにおける合成曲率の直接計算が可能となる。このやり方により、区分的な定曲率を有する細長い部材１２、１４、１６が組み合わされて、積分微分方程式に頼ることなく又は数値最適化の問題を解くことなしに形状を計算することが可能な、区分的な定曲率を有するマニピュレータ１０が形成される。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７３】
更に上述したように、細長い部材１２、１４、１６は静止状態にあるときに予め設定した湾曲形状を有するように形成することができるが、１つ以上の細長い部材１２、１４、１６の長さに沿った湾曲は連続している必要はなく、連続していない場合でも予め設定した湾曲形状とみなされる。例えば、図１Ｃには細長い部材１４が２つの定曲率領域を有する場合が示されているが、実際には、このような細長い部材１４は、いかなる数の別々に湾曲した区域から成っていてもよい。更に、曲率は各区域内において変化させることができる。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７６】
【図１Ａ】マニピュレータの一実施例を表す図である。
【図１Ｂ】図１Ａのマニピュレータの一部の詳細図である。
【図１Ｃ】静止状態にある図１Ａのマニピュレータの、予め湾曲した細長い部材を示す図である。
【図１Ｄ】非静止状態にある図１Ｃの予め湾曲した細長い部材を示す図である。
【図２Ａ】格納した形態の、支配的剛性関係にある一対の細長い部材を示す図である。
【図２Ｂ】延長した形態の、図２Ａの支配的剛性関係にある一対の細長い部材を示す図である。
【図３Ａ】均衡的剛性関係にある細長い部材一式の細長い部材の湾曲がほぼ整列している、均衡的剛性関係にある細長い部材一式の結果的な幾何学的形態を示す図である。
【図３Ｂ】均衡的剛性関係にある細長い部材一式の細長い部材の湾曲がほぼ反対である、図３Ａの均衡的剛性関係にある細長い部材一式の結果的な幾何学的形態を示す図である。
【図４Ａ】基準軸にほぼ一致した縦軸を有する、マニピュレータの一実施例の断面図である。
【図４Ｂ】マニピュレータの均衡的剛性関係にある一対の細長い部材を形成している細長い部材の、相対的な回転に基づくマニピュレータの幾何学的形態を示す、図４Ａのマニピュレータの断面図である。
【図４Ｃ】マニピュレータの支配的剛性関係にある一対の細長い部材を形成している細長い部材の、相対的な並進に基づくマニピュレータの幾何学的形態を示す、図４Ｂのマニピュレータの断面図である。
【図５】曲率半径と細長い部材の外径との間の関係を表すグラフである。
【図６】図１Ａのマニピュレータを、経皮位置に挿入される針マニピュレータとして使用する際の図である。
【図７】図１Ａのマニピュレータを、体内の管腔に挿入される針マニピュレータとして使用する際の図である。
【図８Ａ】細長い部材の座標フレームを示す図である。
【図８Ｂ】細長い部材の変数からマニピュレータの遠位端部までの運動マッピングを示す図である。
【図９】マニピュレータの一実施例を示す図である。
【国際調査報告】
2009514610.tif 000032