(57)【要約】例示的な実施形態は、医療装置、詳細には、多数の回転ガイドおよび回転体を備えるツール配置マニピュレータに関し、それらの回転体は、それらのリング形回転ガイドに対して回転自在であり、第１の回転ガイドの回転軸は、第２の回転ガイドの回転軸に対して傾いている。このツール配置マニピュレータは、少なくとも１つのソケットと、このソケットから回転体にトルクを伝達する少なくとも１つの伝達要素とを有する。【選択図】図１
2019508106.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ツール配置マニピュレータであって、
第１のリング形回転ガイドと、
前記第１のリング形回転ガイドに対して回転自在に取り付けられた第１の回転体と、
前記第１の回転体に取り付けられた第２のリング形回転ガイドであって、前記第１の回転体とともに可動する第２のリング形回転ガイドと、
前記第２のリング形回転ガイドに対して回転自在に取り付けられた第２の回転体と、
前記第１のリング形回転ガイドまたは前記第１の回転体に取り付けられた第３のリング形回転ガイドと、
前記第３のリング形回転ガイドに対して回転自在に取り付けられた第３の回転体と、
前記第２の回転体に取り付けられ、軸に沿ってツールを保持するように構成されており、前記第２の回転体とともに可動するツールホルダと
を備え、
前記第１の回転ガイドの回転軸と前記第２の回転ガイドの回転軸とが互いに対して傾いており、前記第１の回転ガイドの前記回転軸、前記第２の回転ガイドの前記回転軸および前記ツールホルダの軸が互いに１点で交差し、
前記ツール配置マニピュレータは、さらに、
前記第１のリング形回転ガイドに取り付けられた少なくとも１つのソケットと、
前記ソケットと前記第１の回転体との間または前記ソケットと前記第３の回転体との間に接続され、前記少なくとも１つのソケットから前記第１の回転体および前記第３の回転体にトルクを伝達する少なくとも１つの伝達要素と
を備え、
前記第３の回転体が前記第２の回転体に接続しており、前記第３の回転体が前記第２の回転体に前記トルクを伝達する、
ツール配置マニピュレータ。
【請求項２】
前記第３の回転体は、さらに、前記伝達機構のうちの１つの伝達機構とかみ合い、前記第１の回転ガイドの前記回転軸を共有する上平歯車と、前記上平歯車に取り付けられ、前記第１の回転ガイドの前記回転軸を共有するかさ歯車とを備える、
請求項１に記載のツール配置マニピュレータ。
【請求項３】
前記第２の回転体は、前記かさ歯車とかみ合ったかさ小歯車を含み、前記かさ小歯車は、前記第２の回転ガイドの前記回転軸を共有する、
請求項２に記載のツール配置マニピュレータ。
【請求項４】
前記第１の回転体は、前記伝達機構のうちの１つの伝達機構とかみ合った下平歯車を含み、前記下平歯車は、前記第１の回転ガイドの前記回転軸を共有する、
請求項３に記載のツール配置マニピュレータ。
【請求項５】
前記少なくとも１つのソケットは、第１のソケットおよび第２のソケットを含み、前記第１のソケットと前記第２のソケットがともに前記第１のリング形回転ガイドに取り付けられており、
前記少なくとも１つの伝達要素は、
前記第１のソケットと前記第１の回転体との間に接続され、前記第１のソケットから前記第１の回転体にトルクを伝達する第１の伝達要素と、
前記第２のソケットと前記第３の回転体との間に接続され、前記第３の回転体にトルクを伝達する第２の伝達要素とを含む、
請求項１に記載のツール配置マニピュレータ。
【請求項６】
前記少なくとも１つのソケットは、前記第１のリング形回転ガイドに取り付けられた第１のソケットを含み、
前記少なくとも１つの伝達要素は、前記第１のソケットと前記第１の回転体との間に接続され、第１のモータから前記第１の回転体にトルクを伝達する第１の伝達機構を含み、
前記第１の伝達機構は、前記第１のモータから前記第３の回転体にトルクを伝達し、前記第３の回転体が前記第２の回転体に接続しており、前記第３の回転体が前記第２の回転体に前記トルクを伝達する、
請求項１に記載のツール配置マニピュレータ。
【請求項７】
前記第１のソケットに取り付けられた第１のノブであって、前記第１の伝達要素を介して前記第１のノブから前記第１の回転体にトルクが伝達される第１のノブと、
前記第２のソケットに取り付けられた第２のノブであって、前記第２の伝達要素を介して前記第２のノブから前記第３の回転体にトルクが伝達される第２のノブと
をさらに備える、請求項５に記載のツール配置マニピュレータ。
【請求項８】
前記第１のソケットに取り付けられた第１のモータであって、前記第１の伝達要素を介して前記第１のモータから前記第１の回転体にトルクが伝達される第１のモータと、
前記第２のソケットに取り付けられた第２のモータであって、前記第２の伝達要素を介して前記第２のモータから前記第３の回転体にトルクが伝達される第２のモータと
をさらに備える、請求項５に記載のツール配置マニピュレータ。
【請求項９】
前記ソケットは、前記第１のロータリ形ガイドの前記第１の回転体がある側と同じ側に位置する、請求項１に記載のツール配置マニピュレータ。
【請求項１０】
前記ソケットに取り付けられた１つまたは複数のストッパをさらに備え、前記１つまたは複数のストッパは、医師の操作による前記伝達要素の運動を止めるように構成された、
請求項１に記載のツール配置マニピュレータ。
【請求項１１】
前記第２のソケットおよび前記第２の伝達機構は、それぞれ、前記第１のソケットおよび前記第１の伝達機構と同じ機能を有する、請求項５に記載のツール配置マニピュレータ。
【請求項１２】
前記第１のソケットは、モータを受け入れ、前記第２のソケットは、前記第２のソケットに取り付けられたストッパを受け入れ、前記ストッパが、医師の操作による前記伝達要素の運動を止めるように構成された、請求項１１に記載のツール配置マニピュレータ。
【請求項１３】
前記第１の伝達要素は、前記第１の回転体および前記第２の回転体に異なる伝達比でトルクを伝達する、
請求項５に記載のツール配置マニピュレータ。
【請求項１４】
前記上平歯車、前記下平歯車、前記かさ歯車および前記かさ小歯車は、自己潤滑性プラスチックでできている、
請求項２に記載のツール配置マニピュレータ。
【請求項１５】
皮膚に接着するように適合された接着剤をさらに備え、前記接着剤は、前記第１のリング形回転ガイド上に位置する、
請求項１に記載のツール配置マニピュレータ。
【請求項１６】
前記ツールホルダは、１つまたは複数の針を保持するように構成された、請求項１に記載のツール配置マニピュレータ。
【請求項１７】
１回だけ使用されるように構成された、請求項１に記載のツール配置マニピュレータ。
【請求項１８】
マニピュレータであって、
第１のリング形回転ガイドと、
前記第１のリング形回転ガイドに対して回転自在に取り付けられた第１の回転体と、
前記第１の回転体に取り付けられた第２のリング形回転ガイドであって、前記第１の回転体とともに可動する第２のリング形回転ガイドと、
前記第２のリング形回転ガイドに対して回転自在に取り付けられた第２の回転体と、
前記第１のリング形回転ガイドまたは前記第１の回転体に取り付けられた第３のリング形回転ガイドと、
前記第３のリング形回転ガイドに対して回転自在に取り付けられた第３の回転体と、
前記第１のリング形回転ガイドに取り付けられた少なくとも１つのソケットと、
前記ソケットと前記第１の回転体との間または前記ソケットと前記第３の回転体との間に接続され、前記少なくとも１つのソケットから前記第１の回転体および前記第３の回転体にトルクを伝達する少なくとも１つの伝達要素と
を備え、
前記第３の回転体が前記第２の回転体に接続しており、前記第３の回転体が前記第２の回転体に前記トルクを伝達する、
マニピュレータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１６年１月２９日に出願された米国特許仮出願第６２／２８８，９２７号の優先権を主張するものである。この米国特許仮出願の内容は、その全体が参照によって本明細書に組み込まれている。
【０００２】
開示の分野
本開示は、一般に医療装置に関し、詳細には、２つの回転ガイドを備えるツール配置マニピュレータ（ｔｏｏｌ  ｐｌａｃｅｍｅｎｔ  ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ）に関する。
【背景技術】
【０００３】
コンピュータ断層撮影法（ＣＴ）および磁気共鳴画像法（ＭＲＩ）などの医用画像に基づく計画に従って針状の器具を正確かつ精密に配置することは、経皮的介入手技において決定的に重要である。器具の配置誤差およびユーザ依存性を低減させるために、さまざまなシステムが開示されている。
【０００４】
ＥＰ２５６１８２１は、物理的誘導装置（ｐｈｙｓｉｃａｌ  ｇｕｉｄａｎｃｅ）、すなわち針ホルダを、計画された皮膚進入点（ｓｋｉｎ  ｅｎｔｒｙ  ｐｏｉｎｔ）のある計画された向きに供給するツール配置マニピュレータを開示している。医師は、患者の医用画像を使用することによって針軌道計画を策定する。ロボットアームを含むマニピュレータは、医用イメージング機械の近くの床に装着される。このマニピュレータは、医用イメージング機械の可動患者ベッドに結合されており、ロボットアームへのコマンド（ｃｏｍｍａｎｄ）を算出することによって、物理的誘導装置を標的（ｔａｒｇｅｔ）位置／向きに配置する。
【０００５】
米国特許出願公開第２００７／０２７６４０７号は、物理的誘導装置を供給する別のツール配置マニピュレータを開示している。このマニピュレータは、患者ベッド上に装着されており、物理的誘導装置を標的まで導く。これらのシステムは、ベッドまたは医用イメージングの座標系に関して固定されている。したがって、位置の正確さまたは精度は、患者の移動に敏感である。さらに、物理的誘導装置を供給するサブシステムは、床またはベッドからの装着部品を含む必要があるため、かさ張る傾向があり、そのため、介入の際の医師の流線（ｌｉｎｅ  ｏｆ  ｆｌｏｗ）を潜在的に妨げる。
【０００６】
この問題を改善するためにさまざまなシステムが開示されている。例えば、米国特許出願公開第２００６／０２２９６４１号は、患者に装着するツール配置マニピュレータを提供している。物理的誘導装置を供給するサブシステムは、患者の皮膚に装着される。患者の皮膚にサブシステムを配置すると、患者の移動に対する位置の正確さまたは精度の感度を下げることができる。さらに、このサブシステムは、床、ベッドまたは天井からの装着部品を含まないため、介入の際に医師の流線を妨げる可能性を低くすることができる。しかしながら、このシステムにも限界がある。この公開特許のツール配置マニピュレータは、医師の自然な視線が患者の皮膚の挿入点を見通す開口を持たない。そのため、医師は、このシステムで挿入点を見たり触ったりすることに関して限界を感じざるを得ない。さらに、このマニピュレータは、針ホルダの近くのアーチ形の可動部品上のソケット内に位置するモータを含む。これらのモータがソケット上に装着されているときにはさらに、モータのケーブルがソケットから制御部まで延びる。これらのモータ、ソケットおよびケーブルは、介入の際に医師の流線を潜在的に妨げる。
【０００７】
これらの課題を解決する手段が、米国特許第９，２２２，９９６号に記載されている。この特許文献は、その全体が参照によって本明細書に組み込まれている。２つのリング形回転ガイドを有し、第２のリング形回転ガイドが第１のリング形回転ガイドに対して傾いているシステムである。圧電アクチュエータ、回転スライダおよび超音波モータを含み、さらに、第１および第２の回転ガイドを単純に手動で回転させることを含む、モータ駆動式のアクチュエータである。しかしながら、このモータ駆動式のアクチュエータのコストは高くなることがあり、殺菌することができる装置の開発の助けとはならない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
したがって、本明細書に記載された欠点を克服するツール配置マニピュレータが求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の少なくとも１つの実施形態によれば、ツール配置マニピュレータが提供される。このツール配置マニピュレータは、第１のリング形回転ガイドと、前記第１のリング形回転ガイドに対して回転自在に取り付けられた第１の回転体と、前記第１の回転体に取り付けられた第２のリング形回転ガイドであって、前記第１の回転体とともに可動する第２のリング形回転ガイドと、前記第２のリング形回転ガイドに対して回転自在に取り付けられた第２の回転体と、前記第１のリング形回転ガイドまたは前記第１の回転体に取り付けられた第３のリング形回転ガイドと、前記第３のリング形回転ガイドに対して回転自在に取り付けられた第３の回転体と、前記第２の回転体に取り付けられ、軸に沿ってツールを保持するように構成されており、前記第２の回転体とともに可動するツールホルダとを備え、前記第１の回転ガイドの回転軸と前記第２の回転ガイドの回転軸とが互いに対して傾いており、前記第１の回転ガイドの前記回転軸、前記第２の回転ガイドの前記回転軸および前記ツールホルダの軸が互いに１点で交差し、このツール配置マニピュレータは、さらに、前記第１のリング形回転ガイドに取り付けられた少なくとも１つのソケットと、前記ソケットと前記第１の回転体との間または前記ソケットと前記第３の回転体との間に接続され、前記少なくとも１つのソケットから前記第１の回転体および前記第３の回転体にトルクを伝達する少なくとも１つの伝達要素（ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  ｅｌｅｍｅｎｔ）とを備え、前記第３の回転体が前記第２の回転体に接続しており、前記第３の回転体が前記第２の回転体にトルクを伝達する。
【００１０】
いくつかの実施形態では、前記第３の回転体は、前記伝達機構（ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ）のうちの１つの伝達機構とかみ合い、前記第１の回転ガイドの前記回転軸を共有する上平歯車（ｕｐｐｅｒ  ｓｐｕｒ  ｇｅａｒ）と、前記上平歯車に取り付けられ、前記第１の回転ガイドの前記回転軸を共有するかさ歯車（ｂｅｖｅｌ  ｇｅａｒ）とを含むことができる。また、前記第２の回転体は、前記かさ歯車とかみ合ったかさ小歯車（ｂｅｖｅｌ  ｐｉｎｉｏｎ）を含むことができ、このかさ小歯車は、前記第２の回転ガイドの前記回転軸を共有する。別の実施形態では、前記第１の回転体は、前記伝達機構のうちの１つの伝達機構とかみ合った下平歯車（ｂｏｔｔｏｍ  ｓｐｕｒ  ｇｅａｒ）を含み、この下平歯車は、前記第１の回転ガイドの前記回転軸を共有する。
【００１１】
いくつかの実施形態では、ツール配置マニピュレータは、さらに、前記第１のリング形回転ガイドに取り付けられた第１のソケットと、前記第１のソケットと前記第１の回転体との間に接続され、前記少なくとも１つのソケットから前記第１の回転体にトルクを伝達する第１の伝達要素と、前記第１のリング形回転ガイドに取り付けられた第２のソケットと、前記第２のソケットと前記第３の回転体との間に接続された第２の伝達要素とを含む。モータから前記第３の回転体にトルクが伝達され、前記第３の回転体は、前記第２の回転体に接続しており、第２の回転体にこのトルクを伝達する。別の実施形態では、ツール配置マニピュレータは、さらに、２つの伝達要素を独立して制御する２つのノブまたは２つのモータを含む。
【００１２】
いくつかの実施形態では、ツール配置マニピュレータは、さらに、前記第１のリング形回転ガイドに取り付けられた第１のソケットと、前記第１のソケットと前記第１の回転体との間に接続された第１の伝達要素とを含む。第１のモータから前記第１の回転体にトルクが伝達され、前記伝達機構は、前記第１のモータから前記第３の回転体にトルクを伝達し、前記第３の回転体は、第２の回転体に接続しており、第２の回転体にこのトルクを伝達する。
【００１３】
別の実施形態では、前記ソケットは、前記第１のロータリ形ガイドの前記第１の回転体がある側と同じ側に位置し、ストッパは、医師の操作による前記伝達機構の運動を止めるように構成されたソケットに取り付けられている。第１のソケットおよび第２のソケットを備えることができ、前記少なくとも１つの伝達機構は、第１の伝達機構および第２の伝達機構を備えることができ、前記第２のソケットおよび前記第２の伝達機構は、それぞれ、前記第１のソケットおよび前記第１の伝達機構と同じ機能を有する。いくつかの実施形態では、前記第１のソケットがモータを受け入れ、第２のソケットは、前記第２のソケットに取り付けられたストッパを受け入れるように、ツール配置マニピュレータが構成されている。このストッパは、医師の操作による伝達要素の運動を止めるように構成されている。
【００１４】
いくつかの実施形態では、前記第１の伝達機構は、前記第１の回転体および前記第２の回転体に、異なる伝達比（ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  ｒａｔｉｏ）でトルクを伝達する。いくつかの実施形態では、歯車および／または小歯車（ピニオン）が、自己潤滑性プラスチック（ｓｅｌｆ−ｌｕｂｒｉｃａｔｉｎｇ  ｐｌａｓｔｉｃ）でできている。いくつかの実施形態では、ツール配置マニピュレータは、前記第１のリング形回転ガイド上に位置する接着剤を含む。この実施形態は、このマニピュレータを患者に取り付ける単純な手段を提供する。このツール配置マニピュレータを、１回だけ使用されるように設計することができ、特定の患者に合わせて設計することもできる。ツールホルダを、単一の針または多数の針を（同時にまたは順番に）保持するように構成することができる。
【００１５】
いくつかの実施形態では、マニピュレータが提供される。このマニピュレータは、第１のリング形回転ガイドと、前記第１のリング形回転ガイドに対して回転自在に取り付けられた第１の回転体と、前記第１の回転体に取り付けられた第２のリング形回転ガイドであって、前記第１の回転体とともに可動する第２のリング形回転ガイドと、前記第２のリング形回転ガイドに対して回転自在に取り付けられた第２の回転体と、前記第１のリング形回転ガイドまたは前記第１の回転体に取り付けられた第３のリング形回転ガイドと、前記第３のリング形回転ガイドに対して回転自在に取り付けられた第３の回転体と、前記第１のリング形回転ガイドに取り付けられた少なくとも１つのソケットと、前記ソケットと前記第１の回転体との間または前記ソケットと前記第３の回転体との間に接続され、前記少なくとも１つのソケットから前記第１の回転体および前記第３の回転体にトルクを伝達する少なくとも１つの伝達要素とを備え、前記第３の回転体が前記第２の回転体に接続しており、前記第３の回転体が前記第２の回転体に前記トルクを伝達する。
【００１６】
本開示のこれらの目的、特徴および利点ならびにその他の目的、特徴および利点は、本開示の例示的な実施形態の以下の詳細な説明を読み、添付された図面および提供された特許請求項に関して検討したときに明らかになる。
【００１７】
本開示のその他の目的、特徴および利点は、以下の詳細な説明を、本開示の例示的な実施形態を示す添付図に関して検討したときに明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る例示的なツール配置マニピュレータを示す図である。
【図２】図１のツール配置マニピュレータの分解図である。
【図３】図１の線Ａ−Ａで切った断面図である。
【図４】図１の第３の回転体を示す図である。
【図５】軸Ｅを軸にして回転している、図１のツール配置マニピュレータの回転を示す図である。
【図６】軸Ｆを軸にして回転している、図１のツール配置マニピュレータの回転を示す図である。
【図７】第２の実施形態に係るツール配置マニピュレータの概略透視図である。
【図８】この実施形態のツール配置マニピュレータの分解図である。
【図９】ツール配置マニピュレータの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
これらの図を通じて、特段の言及がない限り、示された実施形態の同様の特徴、要素、構成要素または部分には同じ参照番号および符号が使用されている。また、次に、これらの図を参照して主題の開示を詳細に説明するが、その説明は、例示的な実施形態に関してなされる。添付の請求項によって定義されるこの主題の開示の真の範囲および趣旨から逸脱することなく、記載された例示的な実施形態に変更および改変を加えることができることが意図されている。
【００２０】
実施形態は、経皮介入用のツールを正確かつ精密に配置するツール配置マニピュレータおよび使用方法を提供することを目的としている。このツール配置マニピュレータは、回転体に接続された少なくとも２つのリング形回転ガイドを有し、これらの回転体には、伝達要素を介してトルクを与えることができる。このツール配置マニピュレータでは、リングを手動で直接に回転させる必要がなく、リング上にモータを配置する必要もない。
【００２１】
（実施形態１）
次に、図１から図６を参照して、例示的なツール配置マニピュレータの第１の実施形態を説明する。図１は、ツール配置マニピュレータの不等角投影図を示す。このツール配置マニピュレータは、第１のリング形回転ガイド１と、第１および第２の２つのソケット７および９を含む２つの歯車伝達ライン（ｇｅａｒ  ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  ｌｉｎｅ）と、ツールホルダ（例えば針状の装置を誘導する針ホルダ）を装着するためのツールホルダインタフェース１６とを備える。第１のリング形回転ガイド１は、底面に固定される。この実施形態では、この底面が特に患者の皮膚である。
【００２２】
第１のリング形回転ガイド１上には、ベアリング１７ａによって第１の回転体２が装着されており、第１の回転体２は、自由に回転するように（回転自在に）構成および適合されている。第１の回転体２は、第２のリング形回転ガイド３に接続されており、この実施形態では、第２のリング形回転ガイド３が、第１の回転体２に対して傾いて示されており、第１の回転体２と一緒に回転する。第２の回転体４は、第２のリング形回転ガイド３と同心であり、ベアリング１７ｃによって第２のリング形回転ガイド３上に固定されており（取り付けられており）、自由に回転するように（回転自在に）構成および適合されている。第１の回転体２には、第３のリング形回転ガイド５が埋め込まれている。ベアリング１７ｂによって第３の回転体６が装着されており、第３の回転体６は、自由に回転するように（回転自在に）構成および適合されている。
【００２３】
図２および図３は、図１のツール配置マニピュレータをさらに示す。前記歯車伝達ラインは、３つの回転体、すなわち第１の回転体２、第２の回転体４および第３の回転体６を含む。これらの回転体は、回転ガイド上に装着されており、後に示す歯車を含む。このツール配置マニピュレータは、面Ｂに装着される。この実施形態では、面Ｂが患者の皮膚面である。図３の２本の曲線Ｃは、開口１５の範囲を示しており、医師がアクセスできる方向を矢印として示している。開口１５は、針ホルダ側から患者の皮膚にアクセスするための窓を提供する。
【００２４】
第１のリング形回転ガイド１は、面Ｂに位置し、面Ｂに機械的に置かれている。リング形回転ガイド１は、患者の皮膚であり得る面に（例えばストラップまたは無菌テープを介して）直接に接着することができる。この表面をとすることができる。あるいは、この面に接着された別個の要素上または接着以外の手法でこの面に装着された別個の要素上に、第１のリング形回転ガイド１を装着することもできる。例えば、ＭＲＩで使用するためにリング形回転ガイド１の下方にコイルを配置することができる。第１の回転体２は、ベアリング１７ａによって第１のリング形回転ガイド１上に装着されており、図３の軸Ｅに沿って第１のリング形回転ガイド１に対して回転自在である。第１の回転体２は、さらに、第２のリング形回転ガイド３に接続されている。第２のリング形回転ガイド３は、第１の回転体２に対して傾いており、軸Ｅに沿って第１の回転体２と一緒に回転する。
【００２５】
第１の回転体２は、下平歯車１４を含み、平小歯車（ｓｐｕｒ  ｐｉｎｉｏｎ）１９ａとかみ合って第１の伝達機構（ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ）８を形成する。第１のソケット７には入力トルクが加えられる。第１のソケット７は、シャフトによって平小歯車１９ａに接続されている。第１のソケット７は、平小歯車１９ａ、下平歯車１４を介して伝達を実施し、軸Ｅ（図５）に沿った第２のリング形回転ガイド３の旋回（ｒｅｖｏｌｕｔｉｏｎ）Ｉを生み出す。この入力トルクは、さまざまな方法によって発生させることができる。
【００２６】
１つの実施態様では、第１のソケット７上または第１のソケット７内に、図５には示されていないノブを取り付けることができる。これは、第１のソケット７が、このノブを、キーフィーチャ（ｋｅｙ  ｆｅａｔｕｒｅ）によって第１のソケット７の回転軸の周囲に固定する（取り付ける）ことができるためである。このノブ、または同様にソケットの回転を容易にするための他のある要素を、医師の手によって回転させ、第１のソケット７に入力トルクを加えることができる。標的回転を示すため、第１のソケット７は、回転角および回転回数を示すための数値ガイドを有することができる。この数値ガイドによって、医師は、ノブを標的回転まで回すことができる。第１のソケット７を標的回転まで回した後にノブを取り外すことができるようにすることもできる。ノブを取り外すことにより、医師が誤って第１のソケット７を回してしまうことを防ぐことができる。
【００２７】
さらに、いくつかの実施形態では、ノブの回転を知るための直観的な操作のため、および回転の物理的基準のために、このソケットが、クリック感またはクリック音を医師に提供することができる。例えば、クリックごとにノブを例えば３０°、２０°、１５°回転させたことを医師が分かるように、このソケットが、例えば１２または１８または２４の回転基準点を提供する。このことは、ツール配置マニピュレータの回転の手動制御に役立ち得る。いくつかの例示的な実施態様では、後に論じるようにして回転角が算出され、算出された回転角が、それぞれのノブをどれくらい回転させるのかと同じくらい単純に、医師に提供される。
【００２８】
他の実施態様では、第１のソケット７上に、やはり図５には示されていない第１のモータを取り付けることができる。このモータの可動部分を、ノブと同じ原理で固定する（取り付ける）ことができる。さらに、このモータの静止部分が、第１のリングロータリ形ガイド１上に装着される。このモータは、適当な制御コマンドによって第１のソケット７を標的まで回転させる。このモータは、ソケットの近くにまたはソケットから離れた位置（例えば外科手術中の無菌フィールドの外側）にモータが位置するような態様で、例えば駆動シャフトを介して取り付けることができる。
【００２９】
他の実施態様では、第１のソケット７上に、やはり図５には示されていない第１のモータを取り付けることができる。このモータの可動部分を、ノブと同じ原理で固定する（取り付ける）ことができる。さらに、このモータの静止部分が、第１のリングロータリ形ガイド１上に装着される。このモータは、適当な制御コマンドによって第１のソケット７を標的まで回転させる。このモータは、ソケットの近くにまたはソケットから離れた位置（例えば外科手術中の無菌フィールドの外側）にモータが位置するような態様で、例えば駆動シャフトを介して取り付けることができる。
【００３０】
このモータは、ソケット７から取り外すことができる。モータのこの取外し可能な特徴によって、再使用可能な高価な部品、すなわちモータを、使い捨ての部品、すなわちツール配置マニピュレータから分離することを可能にすることができる。ツール配置マニピュレータが外科手術用の無菌部品であるときには、このモータを取り囲む殺菌されたベースと一緒に、このモータを取り付けたり取り外したりすることができる。無菌部品と非無菌部品のこの他の分割も企図される。
【００３１】
上述したように、第１のソケット７は、入力トルクを発生させるさまざまなトルク発生装置を、機械的インタフェースを用いて受け取ることができる。この実施形態ではこの機械的インタフェースが雄型キーフィーチャであるが、適当な異なる設計を適用可能とすることもできる。例えば、ノブが、雌型の第１のソケット７内に置かれた雄型構成要素を含む。別の実施形態では、このソケットが雄型フィーチャを備え、ノブが雌型フィーチャを含む。また、ツール配置マニピュレータがモータに接続されるときには、モータシャフトまたは他の接続手段が、ツール配置マニピュレータとの雄型接続または雌型接続を有することができる。本明細書では、当技術分野で知られている他の接続方法も企図される。
【００３２】
第２の回転体４は、ベアリング１７ｃによって第２のリング形回転ガイド３上に固定されており（取り付けられており）、軸Ｆに沿って第２のリング形回転ガイド３に対して自由に回転可能（回転自在）である。第２の回転体４は、さらにかさ歯車１２を含む。
第３のリング形回転ガイド５は、第１の回転体２上に埋め込まれている。第３のリング形回転ガイド５上には、ベアリング１７ｂによって第３の回転体６が装着されており、第３の回転体６は、軸Ｅに沿って自由に回転可能（回転自在）である。この構成により、第１の回転体２上に第３の回転体６を積み重ねることができるため、この実施形態は、ツール配置マニピュレータの設置面積を小さくすることができる。その結果として、体の部分のよりトポロジカルな（ｔｏｐｏｌｏｇｉｃａｌ）表面に対してこのツール配置マニピュレータを適用することができる。さらに、設置面積が小さいことにより、ツール配置マニピュレータのための無菌フィールドのサイズを小さくすることができる。
【００３３】
第３の回転体６は、かさ小歯車１２および上平歯車１３（図４）を含む。かさ小歯車１２は、第２の回転体４上のかさ歯車１１とかみ合っている。他方、上平歯車１３は、平小歯車１９ｂ（図６）とかみ合っている。第３の回転体６を含むこの歯車伝達ラインが第２の伝達機構１０を形成する。第２の伝達機構１０によって第２のソケット９の回転を伝達して、軸Ｆに沿った回転Ｈに変えることができる（図６）。この実施形態では、かさ小歯車１２の歯数と上平歯車１３の歯数を、この２つのリングシステムの相対サイズおよび回転要件に応じて別々に規定することができる。
【００３４】
第２のソケット９は、第１のソケット７とちょうど同じように、入力トルクを発生させるさまざまなトルク発生装置を、機械的インタフェースを用いて受け取ることができる。ノブ１９ａおよび１９ｂから入力された回転は、これらの２つの伝達ラインによって伝達されて、第２の回転体４の軸Ｆに沿った回転Ｈおよび軸Ｅに沿った旋回Ｉに変えられる。したがって、針ホルダインタフェース１６に取り付けられた針ホルダは、軸ＥおよびＦに沿って回転および旋回する。軸Ｅと軸Ｆは互いに図３のピボット（ｐｉｖｏｔ）Ｄのところで交差するため、針ホルダは、ピボットＤにおいてピボット運動する遠隔運動中心（ｒｅｍｏｔｅ  ｃｅｎｔｅｒ  ｏｆ  ｍｏｔｉｏｎ：ＲＣＭ）に沿って移動する。ＲＣＭは、針を標的に誘導する医師の操作を、３次元空間内の２つの自由度でモデル化する。
【００３５】
したがって、いくつかの実施態様では、第２のソケット９上または第２のソケット９内に、上で説明したノブと同様の図６には示されていないノブを取り付けることができる。同様に、いくつかの実施態様では、第２のソケット９上に、図６には示されていない第２のモータを取り付けることができる。このモータは、第１のモータに関して説明した原理と同じ原理に従うことができる。第２のモータは、適当な制御コマンドによって第２のソケット９を標的まで回転させる。
【００３６】
ピボットＤは、針状医療装置の皮膚進入点の近くに配置することができる。その結果として、針ホルダは、医師が予め計画した皮膚進入点を中心としたＲＣＭに基づいて、針状医療装置を標的まで誘導することができる。動作に関して、この針状医療装置は、第１および第２のリング形回転ガイドを示す、米国特許第９，２２２，９９６号に記載された針配置マニピュレータと同様である。
【００３７】
この実施形態では、特に、ツール配置マニピュレータが、面ＢとピボットＤとの間にオフセットＧを含む。オフセットＧがあると、ツール配置マニピュレータが多数の針状医療装置を誘導するときに、ピボットＤにおける針状医療装置どうしの衝突を防ぐことができる。第１の針状装置の挿入後に第２の針状装置を挿入するときには、第１の針状装置をピボットＤから変位させることができる。オフセットＧは、針状医療装置の直径に合った適当なサイズを有するように選択することができ、この実施形態では、このサイズが、針状医療装置の直径の数倍である。
【００３８】
第１のソケット７および第２のソケット９の２つの回転角は、行列Ａを用いた以下の計算を使用することによって、回転Ｈおよび旋回Ｉの２つの回転角にマップされる。
ｙ＝Ａｘ  （１）
上式で、ｘは、第１のソケット７および第２のソケット９の回転角ベクトル、ｙは、回転Ｈおよび旋回Ｉの回転角ベクトルである。すなわち、Ｘ＝（θsocket7，θsocket9）T、Ｙ＝（θH，θI）Tである。
【００３９】
行列Ａは、以下のとおりである。
【数１】
2019508106.tif 000003
係数ａは、θHとθsocket7の回転比、係数ｂは、θHとθsocket9の回転比、係数ｃは、θIとθsocket7の回転比である。これらの係数は、ツール配置マニピュレータ内の歯数比（ｇｅａｒ  ｒａｔｉｏ）によって決定することができる。
【００４０】
異なる回転比ａ、ｂおよびｃを選択することにより、第１のソケット７と第２のソケット９の同じ回転速度で、第１の回転体１と第３の回転体６とを異なる速度で回転させることができる。したがって、角度分解能および標的誘導の所要時間の要件に合った回転比を選択することができる。
【００４１】
（平小歯車１９ａ／下平歯車１４）と（平小歯車１９ｂ／上平歯車１３）との間で回転比が同じ場合、下平歯車１４と上平歯車１３の同じ直径は同一の係数ａおよびｂを与える。したがって、最小の設置面積では、回転Ｘと回転Ｙとの間のマッピングの計算が単純になる。
【００４２】
さらに、小歯車と歯車の間の歯の特定の組合せを回避するため、歯車の歯数と小歯車の歯数を、互いに割り切れない数とすることができる。割り切れない歯数にすると、伝達動作を通じて、異なる歯の組合せがかみ合う。
【００４３】
回転角θHは、第１のソケット７と第２のソケット９の両方および１８ｂに関連するが、式（１）を使用することにより、第１のソケット７および第２のソケット９によって、２つの回転角θHとθIを独立してマップすることができる。さらに、行列Ａの逆行列を用いると、逆に回転角θHおよびθIから、第１のソケット７および第２のソケット９の標的回転角を算出することができる。回転角θHおよびθIは、Ｓｏｎｇのツール配置マニピュレータの運動学（ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ）を使用することにより、針ホルダの標的向きによって決定される［Ｓｏｎｇ  Ｓ，Ｔｏｋｕｄａ  Ｊ，Ｔｕｎｃａｌｉ  Ｋ，Ｙａｍａｄａ  Ａ，Ｔｏｒａｂｉ  Ｍ，Ｈａｔａ  Ｎ．，「Ｄｅｓｉｇｎ  Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ  ｏｆ  ａ  Ｄｏｕｂｌｅ  Ｒｉｎｇ  ＲＣＭ  Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ  ｆｏｒ  Ｒｏｂｏｔｉｃ  Ｎｅｅｄｌｅ  Ｇｕｉｄａｎｃｅ  ｉｎ  ＭＲＩ−ｇｕｉｄｅｄ  ＬｉｖｅｒＩ  ｎｔｅｒｖｅｎｔｉｏｎｓ」，ＩＥＥＥ／ＲＳＪ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｎ  Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ  Ｒｏｂｏｔｓ  ａｎｄ  Ｓｙｓｔｅｍｓ（ＩＲＯＳ），２０１３年１１月３〜７日を参照されたい］。したがって、回転角θHおよびθIに関連した針ホルダの計画された目標位置に、ツール配置マニピュレータを制御することができる。
【００４４】
第１のソケット７および／または第２のソケット９は、手動操作によってまたはモータによって回転させることができる。これらのソケットの位置は、可動部品の位置によって変化しない。これは、第１のソケット７および／または第２のソケット９が、安定した部品上、すなわち第１のリング形回転ガイド１上に位置するためである。さらに、可動部品を取り外す第１のソケット７および／または第２のソケット９の安定した位置は、ソケットへの困難な手動アクセス、または可動部品が位置を変化させたときのモータからのケーブルのもつれを回避することができる。したがって、このツール配置マニピュレータは、マニピュレータを制御する全く同じ使用性（ｕｓａｂｉｌｉｔｙ）を提供することができる。
【００４５】
このツール配置マニピュレータは、さらに、１つまたは複数のストッパを含むことができる。それらのストッパは、例えば、第１のソケット７および／または第２のソケット９に取り付けることができる。このストッパは、医師の操作による伝達機構の運動を止めるように構成されている。このストッパは、伝達機構をしっかりと保持することができ、さらに、必要ならばツールホルダの位置をロックすることもできる。例えば、針を挿入する場合、医師は、しばしば、ツールの位置が安定したままであることを必要とする。このストッパによって、このマニピュレータは、針の位置決めの正確さおよび精度を増大させることができる。
【００４６】
さらに、このストッパは、伝達機構の機械的構造ならびに第１、第２および第３の回転体を、マニピュレータが運ばれているときまたはマニピュレータが偶然に落下したときの機械的衝撃から守ることができる。さらに、それぞれの回転体から離してストッパ位置を配置することができる。したがって、第１のソケット７および／または第２のソケット９は、医師によって容易にアクセスされるスポットにストッパを提供する。
【００４７】
それに加えて、またはその代わりに、ツール配置マニピュレータが手動で制御されるときに、ツール配置マニピュレータは、リング形回転ガイドを位置決めした後に取り外すことができる取外し可能なノブを有することができる。この取外し可能な特性は、位置決めが完了した後にツール配置マニピュレータが回転することを防ぐという点で、追加の安全特徴を提供する。
【００４８】
いくつかの実施形態では、ツール配置マニピュレータが多数のソケットをさらに含み、それらのソケットが全く同じ機能を有する。例えば、このツール配置マニピュレータは、２つの第１のソケット７および２つの第２のソケット９を、第１のリング形回転ガイド１上の異なる位置に有することができる。これらの冗長なソケットは、医師が、使用するソケットを、介入のワークフローに従って選択することを可能にする。したがって、このマニピュレータを、ドレープおよび他の装置ならびにケーブル／管を含むさまざまな介入設定と組み合わせることができる。
【００４９】
いくつかの実施形態では、ツール配置マニピュレータは、ストッパとモータを同時に含むことができる。したがって、このマニピュレータは、モータを用いて回転体を作動させた後に、ツールホルダをしっかりと保持することができる。
【００５０】
この実施形態のマニピュレータは、歯車を使用してモータからそれぞれの回転体にトルクを伝達するため、このマニピュレータは、伝達機構のすべりなしで、ツールホルダを標的回転角まで回転させることができる。したがって、このマニピュレータは、針の位置の正確さおよび精度を向上させる。
【００５１】
このツール配置マニピュレータは、１つまたは２つのモータおよびソケットを有することができる。この２つのソケットをこの２つのモータに対応させることによって（平小歯車を示している図１を参照されたい）、マニピュレータは、角運動の２つの自由度でツールホルダを作動させることができる。したがって、このマニピュレータは、単一のモータを有するマニピュレータに比べて、ツールホルダを導くための所要時間を短縮し、目標位置までのツールホルダの軌道の長さを短くすることができる。
【００５２】
いくつかの実施形態では、両方の回転体を操作するのに単一のモータが使用され、第１の伝達機構８と第２の伝達機構１０の両方に単一のソケットが接続される。この単一のソケットは、直径の異なる２つの平小歯車を有することができ、適当な遊び歯車列を使用することにより、異なる伝達比で回転を伝達することができる。このマニピュレータは、１つのモータおよびソケットだけを含むため、小さな設置面積を有し、モータからのケーブルが少なくて済む。したがって、このマニピュレータでは、装着スポットの選択の幅がより大きくなり、医師が使用する空間がより広くなる。さらに、単一のモータを有するマニピュレータは、他のマニピュレータに比べて重量が軽いことがある。重量を軽くすることによって、マニピュレータが患者に装着されているときの患者の快適性を向上させることができる。単一のモータを有する実施形態に関して、第１の回転体と第３の回転体の間の異なる伝達比は、そのマニピュレータ内だけにおけるツールホルダの位置決め分解能を増大させる。したがって、回転位置の高い正確さ、したがって、特に、ツール配置の高い正確さを得ることができる。
【００５３】
（実施形態２）
次に、図７および図８を参照して第２の実施形態を説明する。第１の実施形態の構成要素と同様の構成要素は同じ参照符号で示し、それらの構成要素の説明は省略する。第１の実施形態と異なる主な特徴は、以下の３点である。
【００５４】
第１の点は、第３のリング形回転ガイドの位置である。この実施形態の第３のリング形回転ガイド５の位置は、第１のリング形回転ガイド１の上にある。第３の回転体６は、第３のリング形回転ガイド５の上に装着されている。第１の実施形態では第３の回転体５が第１の回転体２の上に積み重なっているが、この実施形態では第３の回転体６が第１の回転体２の外側を取り囲んでいる（図８）。この構成にすると、ツール配置マニピュレータの高さを低くすることができる。したがって、このツール配置マニピュレータは、ＣＴまたはＭＲＩのようなイメージング装置のボア（ｂｏｒｅ）のようなより狭い空間に適用することができる。さらに、マニピュレータの高さが小さいことにより、医用イメージング装置のボアのサイズに対して適用可能な患者サイズを最大にすることができる。
【００５５】
第２の点は、回転体間のトルクの伝達機構である。この実施形態では、トルクが、歯車の代わりに摩擦面によって伝達される。かさ摩擦面（ｂｅｖｅｌ  ｆｒｉｃｔｉｏｎ  ｓｕｒｆａｃｅ）２０ａおよび２０ｂ、上および下摩擦面２１および２２、駆動摩擦ホイール（ｄｒｉｖｉｎｇ  ｆｒｉｃｔｉｏｎ  ｗｈｅｅｌ）２３ａ、２３ｂおよび２３ｃが、摩擦を使用することによってトルクを伝達する（図８および図９）。第１の伝達機構８は、駆動摩擦ホイール２３ａ、２３ｂおよび下摩擦面２２を含む（図９）。他方、第２の伝達機構１０は、駆動摩擦ホイール２３ｃおよび上摩擦面２１を含む（図８）。歯車に比べて、摩擦面は、伝達構造を単純にすることができる。さらに、摩擦面は、歯車伝達機構の知られている欠点であるバックラッシュ（ｂａｃｋｌａｓｈ）を、複雑な構成要素なしで潜在的に回避することができる。したがって、この実施形態は、製造コストを下げることができ、製造欠陥に対して装置をロバストにすることができる。
【００５６】
第３の点は、第１のソケット７および第２のソケット９の構造である。この実施形態では、ソケットの機械的インタフェースの構造が小さな穴を含む。それらの穴はボス（ｂｏｓｓ）を受け取ることができ、トルク発生装置を小さな設置面積でしっかりと固定することができる。
【００５７】
（組立ておよび用途）
このツール配置マニピュレータは、医師が挿入点を確認したり触ったりするための大きな開口を提供する。したがって、医師は、目視によってまたは皮膚に触れることによって、挿入が、事故なくうまく進んでいるかどうかを確認することができる。さらに、医師は、例えばアブレーション（ａｂｌａｔｉｏｎ）中の皮膚の熱傷を防ぐために、患者の皮膚に治療を施すことができる。
【００５８】
さらに、モータおよびさまざまなツール配置マニピュレータ、さらにはツール配置マニピュレータとともに使用されるツールを、モジュールとして互いに取り付けることができるようにすることで、このツール配置マニピュレータをモジュール式とすることもできる。このモジュール方式では、同じ電子部品およびモータをシステム内に含む適当なツール配置マニピュレータを、医師が選択することができる。このツール配置マニピュレータは例えば、異なるサイズまたは針の運動の異なる範囲とすることができる。
【００５９】
さらに、ソケットは、患者に対して動かない第１のリング形回転ガイド上にのみ位置することができる（例えば図５を参照されたい）。モータのケーブルも患者に対して動かない。したがって、それらのケーブルは、もつれさせることなく容易に取り扱うことができ、ケーブルを移動させるためのゆとり（ｓｌａｃｋ）を必要としない。さらに、ケーブルは、医師がそこでツールを操作する部品、すなわちツールホルダから離れているため、このマニピュレータは、医師／ツールとケーブルとの間の機械的干渉を防ぐために安全性を増強させることができる。
【００６０】
装置の同じ側にソケットがある実施形態では、マニピュレータを反転させることなく、モータをソケットに取り付けかつ／または取り外すことができる。このようにすると、医師は、介入の際にマニピュレータを患者に装着し固定した後に、任意選択で、ソケットからモータを取り外すことができる。したがって、このマニピュレータは、介入のワークフローでは作動させる必要がないときに偶発的に作動することを防ぐ追加の安全対策として、このオプションを提供することができる。
【００６１】
さらに、ツールホルダおよび皮膚進入点からモータを離すことができる。したがって、このマニピュレータは、臨床的に興味深いスポットの医用画像に対する悪影響を最小化することができる。この悪影響は、例えば、モータが原因で生じる、アーチファクト、信号対雑音比の低下、画像の歪みなどである。特に、患者の医用画像を撮影する必要があるときに、モータを、構造体の残りの部分から取り外すことができる。したがって、このツール配置ロボットは、例えば経皮的アブレーションにおけるアブレーションエリアの確認スキャンの際に、モータによる画像の劣化を排除する。
【００６２】
動作中、マニピュレータの周囲の局所環境は、介入ごとに異なる湿度および温度を含む可能性がある。歯車伝達機構は湿度に対して無感応であるため、このマニピュレータは、この局所環境で安定して動作することができる。
【００６３】
ソケットを使用することによって、モータを、マニピュレータの残りの部分から取り外すことができる。したがって、患者に装着する部品は全て、電子工学上および作動上の機能を考慮せずに、広範囲の材料を含むことができる。この広範囲の材料の選択は、それらの部品を殺菌すること、およびそれらの部品を合理的なコストで使い捨てにすることを可能にする。
【００６４】
さらに、患者に装着する全ての部品を、合理的なコストで頻繁に交換可能とすることができる。これは、本発明が、モータおよびツール配置マニピュレータを互いにモジュールとするためである。このモジュール方式は、同じ電子部品およびモータをシステム内に有する、キットまたは別個のツール配置マニピュレータの形成を可能にする。このツール配置マニピュレータは、異なるサイズまたは針の運動の異なる範囲とすることができる。
【００６５】
マニピュレータを反転させることなくモータをソケットに取り付けかつ／または取り外すことができるような態様で、装置の同じ側にソケットがあるように、ツール配置マニピュレータを設計することができる。したがって、この設計は、モータを含むマニピュレータの容易な組立てを提供する。
【００６６】
ミリメートル規模のシステムからより大きな規模のシステムまで、歯車および摩擦面を使用してトルクを伝達するため、このツール配置マニピュレータは、広範囲のサイズで製作することができる。したがって、このツール配置マニピュレータでは、広範囲の解剖学的構造に対して、その解剖学的構造に合った適当なサイズのものを使用することができる。
【００６７】
本発明は、さらに、異なるサイズを有する多数のツール配置マニピュレータを含むキットを含む。この異なるサイズは、例えば、異なる患者サイズおよび患者に接着する潜在的な異なる位置に対して適当なサイズである。それらのツール配置マニピュレータは、それぞれ、サイズの異なるどのツール配置マニピュレータでも、同じツールまたは同じ一組のツール（例えば多数のアブレーション針）を使用することができるように構成されている。このキットは、さらに、第１のリング形回転ガイドのリング構造と同心に配置されるように適合された１つまたは複数のＲＦコイルを含むことができる。このキットは、使い捨ての部品を含むことができ、または使い捨て部品と殺菌可能な部品の組合せを含むことができる。
【００６８】
このツール配置マニピュレータは、個々の介入ごとに別の無菌ドレープとともに使用することができる。いくつかの実施形態では、無菌ドレープが、このツール配置マニピュレータと一緒にパッケージとして配布される。
【００６９】
いくつかの実施形態では、このツール配置マニピュレータが、自己潤滑性プラスチックを使用して形成される。自己潤滑性プラスチックは、歯車が運動する際に潤滑剤を必要とせず、保守を必要としない期間が長い。したがって、このツール配置マニピュレータは、患者の体表の無菌フィールドを汚染する危険性を低くし、介入の際に信頼性の高い動作を与える。さらに、このツール配置マニピュレータは、マニピュレータをパッケージから出した直後であっても変わらずに使用することができる。
【００７０】
さらに、プラスチックの歯車を使用することによって、マニピュレータの重量を軽くすることができる。重量を軽くすることによって、マニピュレータが患者に装着されているときの患者の快適性を向上させることができる。
【００７１】
さらに、プラスチックの歯車は、マニピュレータをＭＲＩに適合させる。したがって、このマニピュレータは、ＭＲＩ誘導介入に関してＭＲＩと一緒に機能することができる。
【００７２】
いくつかの実施形態では、特に、拡大縮小および個人化が可能な本発明の態様が実現される。例えば、脊柱付近、膝付近または肘に配置するなど、さまざまな用途のうちの１つまたは複数の用途に合わせて、ツール配置マニピュレータのサイズおよび設計を変更することができ、したがって、それぞれ脊柱、膝または肘にツールを配置することを可能にすることができる。このサイズ変更は例えば、患者の特質に基づいて必要なサイズを測定または推定し、次いでそれらの特質に基づいてツール配置マニピュレータを３Ｄ印刷することによって達成することができる。このことは特に、患者の体のサイズおよび形状が大幅に変動する部位での使用に有利である（例えば、指定された角度に曲げなければならない肘における使用。これは、はるかに大きくかつはるかに均一な腹部での使用とは対照的である）。
【実施例１】
【００７３】
本発明に基づくツール配置マニピュレータを、３−Ｄプリンタを使用して製造した。第２のリングは、第１のリングに比して２５度傾くように設計した。歯車直径は約１００ｍｍに設計し、歯車ピッチは約５ｍｍに設計した。この実施例では、平（ｓｐｕｒ）／小歯車（ｐｉｎｉｏｎ）に対する割り切れない値を７１：１６、かさ（ｂｅｖｅｌ）／小歯車（ｐｉｎｉｏｎ）に対する割り切れない値を７１：５９とした。
【００７４】
このツール配置マニピュレータの試験を実施して、そのロボットの正確さ、ならびに、ツールホルダが第２の回転体に固定されている（取り付けられている）ときに、回転ガイドの回転によって、ツールホルダを正確な角度および位置に配置することができるような態様で２つのリングを回転させることができるのかどうかを判定した。
【００７５】
実験計画
２つのリングの運動学的構造体（ｋｉｎｅｍａｔｉｃ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）の外側に位置する小歯車だけを使用することによって、この運動学的構造体を動作させることができるかどうかを評価するため、２つの小歯車を回転させることによる２つのリングの回転角を評価し、回転伝達係数（ｒｏｔａｔｉｏｎ  ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）、２つのリングの回転角の角誤差（ａｎｇｕｌａｒ  ｅｒｒｏｒ）を計算した。２つのリングの回転角の一元配置分散分析（ｏｎｅ−ｗａｙ  ａｎａｌｙｓｉｓ  ｏｆ  ｖａｒｉａｎｃｅ）を使用することによって、下リングの初期位置に対する２つのリングの回転角の依存性も調べた。
【００７６】
回転角を測定するため、小歯車、上リングおよび下リングに物理的基準を取り付け、最小目盛り値０．２５度でそれらの基準を観察した。小歯車１または２を、計画された入力回転角（３６０、７２０および１０８０度）だけ回転させることによって、上リングおよび下リングを手動で回転させた。その間、小歯車１または２のうちの残りの小歯車は固定した。両方の小歯車１および２について、それぞれの入力回転角の試行を５回繰り返し、これらの試行を、下リングの異なる初期位置（０、１２０および２４０度の位置）で３セット実行した。この測定の試行の総数は１３５であった。
【００７７】
回転伝達係数。線形回帰を実行して、２つのリングと小歯車との間の実験に基づく回転伝達係数を計算し、小歯車の入力角に対する２つのリングの回転角の線形性を評価した。さらに、設計値からの回転伝達係数の誤差を算出し、全ての計算結果を表にまとめた。
【００７８】
２つのリングの回転角の角誤差。式（￥ｒｅｆ｛ｍａｐｐｉｎｇ｝）によって決定された回転角からの２つのリングの回転角の角誤差を算出して、２つのリングの回転角の正確さを評価した。これらの誤差を、それぞれの小歯車のそれぞれの入力角度の平均値および標準偏差とともに表にまとめた。
【００７９】
２つのリングの回転角の依存性。下リングの初期位置に対する２つのリングの回転角の依存性を評価するため、下リングの初期位置を説明因子（ｅｘｐｌａｎａｔｏｒｙ  ｆａｃｔｏｒ）として使用することにより、２つのリングの回転角の一元配置分散分析を実行した。帰無仮説は、０．０５未満のｐ値で棄却した。Ｆ値を、ｐ値を用いた仮説検定の結果とともに表にまとめた。統計解析は、全て、Ｒ  ｖｅｒｓｉｏｎ  ３．０．２（Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ  ｆｏｒ  Ｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌ  Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ（オーストリア、ウィーン）。ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．Ｒ−ｐｒｏｊｅｃｔ．ｏｒｇ／）を使用することによって実行した。
【００８０】
結果
回転伝達係数。２つの入力小歯車１（Ｐ１）および２（Ｐ２）を回転させることによって、２つのリングは、下リングの３つの全ての初期位置において、うまく回転した。上リングの回転伝達係数は、小歯車１の回転からは０．２６９、小歯車２の回転からは０．２６６であった（表１）。式（１）における測定値と設計値の間の誤差は、−０．７８％および−２．０１％であった。また、小歯車１の回転からの下リングの回転伝達係数は０．２３１、設計値からの誤差は２．７０％であった。線形回帰に対する判定の係数（Ｒ2値）は、３つの全ての係数で０．９９よりも大きく、入力小歯車と出力リングの間の線形関係に対する良好な寄与を示した。
【表１】
2019508106.tif 000004
【００８１】
リングの回転の角誤差。上リングの角誤差は、小歯車１では、３６０、７２０および１０８０度の入力回転角で０．３±１．７度から−２．４±１．９度の範囲、小歯車２では同じ入力角度で１．７±１．１度から−６．８±２．０度の範囲にあった（表２）。また、下リングの角誤差は、１．８±１．９度から６．９±１．２度の範囲にあり、小歯車２を回転させたときの上リングの角誤差と同様の大きさであった。３つの全ての場合で、角誤差は、小歯車の入力回転角を増大させるにつれて、正または負の値に累積した。
【表２】
2019508106.tif 000005
【００８２】
２つのリングの回転角の一元配置分散分析。一元配置分散分析は、下リングの３つの異なる初期位置の間で、小歯車１の回転による下リングの回転角の有意差を導き出さなかった（表３）。他方、小歯車１または小歯車２の上リングの回転角の３つの条件のうちの２つの条件は、下リングの３つの初期位置の間で有意差があると結論された（ｐ＜０．０５）。
【表３】
2019508106.tif 000006
【００８３】
２つのリングの運動学的構造体を歯車列に組み込むことによる画像誘導針挿入用の患者装着式の歯車付きロボットが提示される。この実験では、運動学的構造体の外側に位置する小歯車を制御することによって、および歯車列を通して回転を伝達することによって、２つのリングはうまく回転した。線形回帰は、回転伝達機構と設計された歯車列との間の線形関係を明らかにし、小歯車と２つのリングとの間の回転伝達機構の設計値からの誤差は３％以内であると判定された。したがって、小歯車の回転角を２つのリングの回転角にマップする式（１）の線形結合が、実験的に確認された。２つのリングの角誤差は、小歯車の回転を増大させるにつれて累積し、最大でもリングの回転の２．７％（下リングの２４３．４度の回転での−２．４度）であった。歯車の歯ピッチ（５ｍｍ）を３Ｄ印刷の分解能（０．１８ｍｍ）と比較すると、この誤差は合理的と思われる。この分解能は、歯ピッチの約３％の誤差を提供すると推定される。この誤差を改善するため、異なる製造方法または機器を使用することができる。
【００８４】
この例示的なツール配置マニピュレータの２つのリングの回転角の一元配置分散分析において、本発明の発明者は、上リングの動作が、下リングの初期位置に依存することを見出した。しかし、本発明者の設計では、入力小歯車ごとの上リングの回転角が、下リングのこれらの初期位置から独立しているべきである。この依存性はおそらく、回転中に軸受支え（ｂｅａｒｉｎｇ  ｓｕｐｐｏｒｔ）が上かさ歯車を移動させることに起因すると本発明者は予想した。上リングが回転すると、上かさ歯車が、その回転軸に沿って推力（ｔｈｒｕｓｔ  ｆｏｒｃｅ）を受け、回転軸に沿った軸受支えの剛性が弱いと、上かさ歯車が移動する可能性がある。この移動によって、上かさ歯車と下かさ歯車の間の有効距離の誤差および上リングの回転角の誤差が生じる。３Ｄプリンタの比較的に劣等な製作公差に起因するロボットの部品の歪みにより、この移動は、下リングの位置を中心にして不規則に分布し、下リングの初期位置に対する上リングの回転角の依存性を生じさせる。製作公差および軸受支えの剛性の改良は、依存性を低下させるのに有用であり、正確な位置決めを増強すると予想される。
【００８５】
本明細書に記載されたツール配置マニピュレータは、モータと、外科手術エリアの近くに位置する運動学的構造体との間の分離を可能にする。この分離は、患者から安全な距離だけ離れた位置にモータを配置することを可能にする。さらに、この分離は、無菌部品としての運動学的構造体と再使用可能な非無菌部品としてのモータとを区別することにより、このロボットで無菌フィールドをうまく管理することを可能にする。さらに、この運動学的構造体は潜在的に、低コストの材料を用いることにより使い捨てにできる。
【００８６】
このように、外部小歯車を含む歯車列を使用することによって、２つのリングの運動学的構造体を動作させた。この運動学的構造体は、制御のために、回転伝達比の線形結合が、小歯車の回転角を２つのリングの回転角にマップすることができることを示した。
【００８７】
この説明を参照するに際しては、開示した例を完全に理解することができるように、具体的な詳細を記載した。他の例では、本開示が不必要に長くならないように、周知の方法、手順、構成要素および回路については詳細な説明は省略した。
【００８８】
本明細書で、１つの要素もしくは部分が、別の要素もしくは部分「上にある」、「に当たっている」、「に接続されている」もしくは「に結合されている」と記載されている場合、その要素もしくは部分は、直接にその別の要素もしくは部分「上にあり」、「に当たっており」、「に接続されており」もしくは「に結合されている」ことができ、または介在要素もしくは介在部分が存在してもよいことを理解すべきである。反対に、１つの要素が、別の要素または部分「上に直接にある」、「に直接に接続されている」、または「に直接に結合されている」と記載されている場合、介在要素または介在部分は存在しない。用語「および／または」が使用されているとき、この用語は、記載された関連アイテムのうちの１つまたは複数のアイテムの全ての組合せを含む。
【００８９】
本明細書では、説明を容易にするため、さまざまな図に示されている１つの要素または特徴の別の要素または特徴に対する関係を記述するために、「の下（ｕｎｄｅｒ）」、「の下方（ｂｅｎｅａｔｈ）」、「よりも下（ｂｅｌｏｗ）」、「下部（ｌｏｗｅｒ）」、「よりも上（ａｂｏｖｅ）」、「上部（ｕｐｐｅｒ）」、「近位（ｐｒｏｘｉｍａｌ）」、「遠位（ｄｉｓｔａｌ）」などの空間に関する相対的な用語が使用されていることがある。しかしながら、空間に関するこれらの相対的な用語は、図に示された向きに加えて、装置の使用または操作の異なる向きを包含することが意図されていることを理解すべきである。例えば、図に示された装置が裏返された場合、別の要素または別の特徴の「下方に」あるまたは「下に」にあると記載された要素は、その別の要素「よりも上」になることになる。したがって、「よりも下」などの空間に関する相対的な用語は、上と下の両方の向きを包含し得る。これとは異なる向き（９０度回転させた向きまたはその他の向き）に装置が配置されることもあり、その場合、本明細書で使用される空間に関する相対的な用語はそれに応じて解釈されるべきである。同様に、空間に関する相対的な用語「近位」と「遠位」も、適用可能な場合には相互に交換可能である。
【００９０】
本明細書では、第１の、第２の、第３のなどの用語が、さまざまな要素、構成要素、領域、部分および／またはセクションを記述するために使用されることがある。これらの用語によってこれらの要素、構成要素、領域、部分および／またはセクションが制限されることはないことを理解すべきである。これらの用語は、１つの要素、構成要素、領域、部分またはセクションを別の領域、部分またはセクションから区別するためだけに使用されている。したがって、以下で論じる第１の要素、構成要素、領域、部分またはセクションが、本明細書の教示から逸脱することなく、第２の要素、構成要素、領域、部分またはセクションと呼ばれることもある。
【００９１】
本明細書で使用される用語は、特定の実施形態を記述することだけが目的であり、それらの用語が、特定の実施形態を限定することは意図されていない。文脈からそうではないことが明らかでない限り、本明細書で使用されるとき、単数形の「ａ」、「ａｎ」および「ｔｈｅ」は、複数形も含むことが意図されている。本明細書で使用されるとき用語「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」および／または「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」は、明示された特徴、完全体（ｉｎｔｅｇｅｒ）、ステップ、操作、要素および／または構成要素の存在を指定するが、明示されていない１つまたは複数の他の特徴、完全体、ステップ、操作、要素、構成要素および／またはこれらのグループの存在または追加を排除しないことも理解すべきである。
【００９２】
図面に示された例示的な実施形態を説明する際には、分かりやすくするために特定の用語が使用される。しかしながら、本特許明細書の開示が、選択された特定の用語に限定されることは意図されておらず、特定の要素はそれぞれ、同様の方式で機能する全ての技術等価物を含むことを理解すべきである。
【００９３】
例示的な実施形態を参照して本開示を説明してきたが、本開示は、開示された例示的な実施形態だけに限定されないことを理解されたい。このような全ての変更ならびに等価の構造および機能を包含するように、以下の特許請求の範囲には最も広い解釈が与えられる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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