(57)【要約】  内視鏡システム用シミュレータで使用する装置。この装置が備える回転可能なディスク２には、そのディスクの回転軸４を囲むように、複数のローラ６、７が取り付けられる。ディスク２の回転に抵抗するように、力フィードバック・モータが設けられ、ローラの少なくとも１つの回転に抵抗するように、さらなるモータ１２、１３が設けられる。これらの機構は、軸４に沿って挿入された擬似器具の動きに抗して、それぞれに、回転方向の力フィードバックと、直線方向の力フィードバックとをもたらす。類似の構造を有するが、力フィードバック・モータのない別個の機構が、力フィードバック装置とは無関係に設けられて、器具の直線方向及び回転方向の位置を、独自に感知することが実現される。
2005512157.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内視鏡システム使用のためのオペレータ訓練用装置であって、挿入管を有する擬似内視鏡と；使用中に前記挿入管を受け取るダクトを画定する取付具と；前記擬似内視鏡の操作に反応して、前記挿入管の、前記取付具に対して相対的な、長手方向及び回転方向の動きを表す信号を提供する感知手段と；その信号に反応して、内視鏡を使用して内視鏡手術中に同様のやり方で操作した際に見えるであろう画像をシミュレートする、オペレータに見ることのできる画像を生み出すシミュレーション手段とを備え、前記シミュレーション手段が、触知手段をさらに備え、これが前記感知手段から独立し、前記取付具と前記挿入管の間で動作可能であり、それによって、対応する触知性のフィードバックをオペレータに提供することができ；前記触知手段が、直線方向及び回転方向の力フィードバックを、互いに無関係に与える手段を備え、この手段が、１セットのローラを含み、それらが、前記ダクトの周囲に間隔を置いて配置され、それによって、各ローラそれぞれの周囲が、使用中、前期挿入管と係合し、前記挿入管が長手方向に動くと、各ローラそれぞれが、回転可能となり；前記ローラが、前記挿入管を把持するように配置され、それらの取付け先が、前記挿入管が回転方向に動くと回転可能になるディスクと、少なくとも１つのローラの回転に比例する抵抗を生み出し、それによって前記挿入管の長手方向の動きに対して、力フィードバックをもたらす第１力フィードバック機構と、前記ディスクの回転に比例する抵抗を生み出し、それによって前記挿入管の回転方向の動きに対して、力フィードバックをもたらす第２力フィードバック機構であって、前記ローラが、前記挿入管を把持するように構成され、それによって、前記挿入管が回転される際の、前記挿入管と前記ディスクの間の滑りが、実質的に解消される第２力フィードバック機構とである装置。
【請求項２】
前記ローラのうちの少なくとも１つが、それを前記挿入管と係合するように押し付けるバネによって、バネ押しされる、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
少なくとも１つのローラに、前記挿入管を把持する周囲尾根が設けられる、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記尾根が、鋭利な縁を有する、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記尾根付ローラが、剛体であり、その他の前記ローラが、ゴム被覆される、請求項３又は請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記ローラが、凹形状の輪郭を有し、それによって前記ローラが、前記挿入管の周囲の大部分と係合する、前記請求項のいずれか一項に記載の装置。
【請求項７】
第２のセットの３つのローラであって、前記ダクトの周囲に間隔を置いて配置されて、それぞれの周囲が、使用中に、前記挿入管と係合し、前記挿入管が長手方向に動くと、それぞれが回転可能になるローラをさらに備え；前記第２のセットのローラが、前記挿入管を把持するように配置され、前記挿入管が回転方向に動くと回転可能になる第２ディスクに取り付けられ；各ディスクのローラそれぞれの接続先のモータが、前記ローラに対して力フィードバックを生み出して、前記挿入管の長手方向の動きに対して抵抗をもたらすように配置され、前記２つのモータが、前記挿入管の軸に関して、正反対に対向する位置に取り付けられる、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記擬似内視鏡となる軟性内視鏡と組み合わされた、前記請求項のいずれか一項に記載の装置。
【請求項９】
前記触知手段、及び前記感知手段が、別個の取付具に取り付けられる、前記請求項のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１０】
前記感知手段が、１セットの感知ローラを備え、それらが、前記ダクトの周囲に間隔を置いて配置され、それによって、各ローラそれぞれの周囲が、使用中、前記挿入管と係合し、前記挿入管が長手方向に動くと、各ローラそれぞれが、回転可能となり；前記ローラが、前記挿入管を把持するように配置され、それらの取付け先が、前記挿入管が回転方向に動くと回転可能になるディスクである、前記請求項のいずれか一項に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内視鏡システム使用のためのオペレータ訓練用装置に関するが、この装置は、挿入管を有する擬似内視鏡と；使用中に挿入管を受け取るダクトを画定する取付具と；擬似内視鏡の操作に反応して、挿入管の、取付具に対して相対的な、長手方向及び回転方向の動きを表す信号を提供する感知手段と；その信号に反応して、内視鏡を使用して内視鏡手術中に同様のやり方で操作した際に見えるであろう画像をシミュレートする、オペレータに見ることのできる画像を生み出すシミュレーション手段とを備え、そのシミュレーション手段は、触知手段をさらに備え、これが感知手段から独立し、取付具と挿入管の間で動作可能であり、それによって、対応する触知性のフィードバックをオペレータに提供することができる。そのような装置を、以下では、「記述した種類の」と呼ぶ。
【背景技術】
【０００２】
記述した種類の装置の一例が、英国特許第ＧＢ−Ａ−２２５２６５６号に開示されている。この文書はまた、必要な力フィードバックの大きさに比例した抵抗力をもたらすために、管と係合される摩擦ブレーキも開示している。
【０００３】
米国特許第６，３７５，４７１号は、擬似器具に、軸方向の力及び回転力を伝達する機構を備えた手術シミュレーション・システムを開示している。このデバイスでは、１対のピンチ・ローラが、デバイスに、直線方向及び回転方向の力フィードバックの両方を伝達するだけでなく、直線方向及び回転方向の感知機構としても働く。このようなシステムは、低レベルの力フィードバックしか必要としないシミュレーションで有効であるが、結腸内視術シミュレーションなどの、シミュレーションが高レベルの力フィードバックを必要とする内視鏡シミュレーション・システムには適切とはならない。力フィードバック及び感知を行う同じ機構を使用することによって、器具が、力フィードバック機構内に滑り込んでしまうという本当の危険があり、そうなるが否や、シミュレーション内の感知位置が見失われる。
【０００４】
米国特許第５，６２３，５８２号も、医療用シミュレータを開示している。この文書は、擬似用具の直線方向及び回転方向の位置を感知する感知装置を開示している。これらの感知装置は、擬似用具に力を与える出力デバイスであることもできることが明記されている。しかし、例証された実施形態は、感知装置にしか関連していないので、擬似用具と変換器の間の界面は、目的物を感知するように設計されたものであり、内視鏡システムで必要となるレベルの力フィードバックを加えるには不適切である。また、米国特許第６，３７５，４７１号の場合と同様、入力機能と出力機能が、同一デバイスによって実行され、同じ滑り込みの問題が発生するように思われる。米国特許第５，６２３，５８２号は、力フィードバックを用具に加えることのできる、任意の、実用可能な機構を開示している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
したがって、従来技術では、擬似医療器具、特に、比較的高レベルの力フィードバックを必要とする用具に対して、直線方向及び回転方向の、単独の力フィードバックをもたらす能力のある、実用可能な、有効なデバイスをいかに提供するかという問題が、未だ提起されていない。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第１の態様によると、記述した種類の装置が特徴とするところは、触知手段が、直線方向及び回転方向の力フィードバックを、互いに無関係に与える手段を備え、この手段が、１セットのローラを含み、それらが、ダクトの周囲に間隔を置いて配置され、それによって、各ローラそれぞれの周囲が、使用中、挿入管と係合し、挿入管が長手方向に動くと、各ローラそれぞれが、回転可能となり；それらのローラが、挿入管を把持するように配置され、それらの取付け先が、挿入管が回転方向に動くと回転可能になるディスクと、少なくとも１つのローラの回転に比例する抵抗を生み出し、それによって挿入管の長手方向の動きに対して、力フィードバックをもたらす第１力フィードバック機構と、ディスクの回転に比例する抵抗を生み出し、それによって挿入管の回転方向の動きに対して、力フィードバックをもたらす第２力フィードバック機構であって、ローラが、挿入管を把持するように構成され、それによって、挿入管が回転される際の、挿入管とディスクの間での滑りが、実質的に解消される第２力フィードバック機構とであることである。
【０００７】
感知手段から独立した触知手段を提供することによって、従来技術の諸問題が回避される。高レベルの力フィードバックが加えられた時に、擬似用具が、触知手段に対して滑る場合でも、感知手段は、独立しているので、用具の位置を継続して監察する。言い換えると、感知手段は、独立していることによって、一定の力で動作し、それに応じてこれを設計することができるが、従来技術では、感知手段は、常に大きさの変化する力によって、用具と係合しなければならない。
【０００８】
また、ディスクにローラを配置することは、独立した直線方向及び回転方向の力フィードバックをもたらすという問題に対して、実際的な解決方法となる。ローラは、内視鏡に対して、直線方向の力フィードバックをもたらす機能を果たすだけでなく、内視鏡の回転方向の動きを、ディスクに伝達する働きをし、また、力フィードバックが、反対方向に伝達されることをも可能にする。
【０００９】
ローラのうちの少なくとも１つが、それを挿入管と係合するように押し付けるバネによって、バネ押しされることが好ましい。少なくとも１つのローラ、好ましくはバネ押しされたローラに、周囲尾根が設けられて、回転方向の力フィードバックを伝達する際に、挿入管を把持する。ローラは、挿入管の周囲の大部分と係合できるように、凹形状の輪郭を有することが好ましい。
【００１０】
好ましくは、この尾根は、挿入管の表面を変形させる鋭利な縁を有して、挿入管の把持を高める。尾根付ローラの周囲は、剛体であることが好ましく、残りのローラは、ゴム被覆されていることが好ましい。
【００１１】
最適な把持を得るためには、５個から１５個の、理想的には７個の周囲尾根があることが好ましい。これによって、ローラ全体に荷重が広げられ、それによって、尾根が、挿入管の表面に切り込むことがなくなる。
【００１２】
好ましくは、この装置は、第２のセットの３つのローラであって、ダクトの周囲に間隔を置いて配置されて、各ローラそれぞれの周囲が、使用中に、挿入管と係合し、挿入管が長手方向に動くと各ローラそれぞれが回転可能になるローラを備え、この第２のセットの３つのローラは、挿入管を把持するように配置され、挿入管が回転方向に動くと回転可能になる第２ディスクに取り付けられ、各ディスクのローラそれぞれの接続先のモータは、ローラに対して力フィードバックを生み出して、挿入管の長手方向の動きに対して抵抗をもたらすように配置され、これら２つのモータは、挿入管の軸に関して、正反対に対向する位置に取り付けられる。
【００１３】
この配置によって、直線方向の力フィードバックの荷重は、２つのモータの間に広がり、それによって、互いのモータからの要求が縮小され、それによって、挿入管とローラの間で長手方向の滑りが起こる可能性が縮小する。さらに、これらのモータは、正反対に対向する位置に取り付けられるので、挿入管が回転する際に、回転することが必要なマスの全体が、平衡マスを必要とせずに、釣り合わせられる。
【００１４】
好ましくは、感知手段は、１セットの感知ローラであって、ダクトの周囲に間隔を置いて配置され、それによって、各ローラそれぞれの周囲が、使用中、挿入管に係合し、挿入管が長手方向に動くと、各ローラそれぞれが回転可能となる感知ローラを備え、それらのローラは、挿入管を把持するように配置され、挿入管が長手方向に動くと回転可能となるディスクに取り付けられる。
【００１５】
本発明によって構築される装置の一例を、次に、添付の図面を参照して記述する。
【００１６】
本装置は、概ね、当社の先行の特許出願第ＧＢ−Ａ−２２５２６５６に記述した通りのものである。したがって、この記述は、軟性挿入管の、取付具に対して相対的な、長手方向及び回転方向の動きを検出する機構と、挿入管の長手方向の動きに対して、力フィードバックを加える機構とに限定する。
【００１７】
力フィードバック機構は、図１から４に示す。
【実施例】
【００１８】
取付具は、ディスク２が中に回転可能に取り付けられるハウジング１を備える。挿入管を受け取るダクト３は、図４に最も明確に示す通り、軸４に沿ってアセンブリの全体を延びる。
【００１９】
ディスク２及びその上に取り付けられたもの全ては、軸４の周囲で一緒に回転することができる。鋸歯状ベルト５Ａが、プーリ５の周囲、またモータ５Ｂの周囲にも設けられて（図８）、挿入管の、軸４の周りの回転に抗して、挿入管にフィードバックを伝達する。
【００２０】
第１のセットの３つのローラ６は、ハウジング１の第１側面上のディスク２に取り付けられ、第２のセットのローラ７は、同様に、ハウジング１の反対側面上のディスク２に取り付けられる。これらのセットのローラは、その構造及び動作で類似しており、第１のセットのローラ６についてのみ、以下に記述する。
【００２１】
第１のセットのローラ６は、軸４の周囲に均等に間隔を置いて配置された第１ローラ６Ａ、第２ローラ６Ｂ、及び第３ローラ６Ｃを備える。各ローラはそれぞれ、軸４に垂直な軸の周りで回転可能である。これらのローラは、凹形状の輪郭８を有し、図３で最も明確に示す通り、軸４に沿って延びる挿入管を、実質的に囲むように配置される。
【００２２】
第１ローラ６Ａは、周囲に延びる、縁の鋭い多数の尾根９を備える。第１ローラ６Ａはまた、軸４に向かって押し付けるバネ１０によってバネ押しされる。図３に示す配置は、存在するはずの挿入管のないアセンブリを示し、ここで、第１ローラ６Ａは、第２ローラ６Ｂ及び第３ローラ６Ｃよりもさらに軸４に向かって延びる。挿入管は、挿入されると、バネ１０の作用に抗して、第１ローラ６Ａを、軸４から離して押す。
【００２３】
第２ローラ６Ｂの、挿入管に係合する表面１１は、ゴム被覆される。第２ローラ６Ｂは、第１力フィードバック・モータ１２に取り付けられるが、このモータは、第２ローラ６Ｂにトルクをもたらすことができて、第２ローラの回転方向の動きに抵抗し、したがって、挿入管の直線方向の挿入に対して抵抗をもたらす。
【００２４】
第３ローラ６Ｃは、それが、同様にゴム被覆さるという点で、第２ローラ６Ｂと類似する。しかし、第３ローラは、フィードバック・モータには接続されないアイドラ・ローラにしか過ぎない。
【００２５】
第２のセットのローラ７は、第１ローラ７Ａ、第２ローラ７Ｂ、及び第３ローラ７Ｃを備えるが、それらは全て、第１のセットのローラに関して上述した通りのものである。第２ローラ７Ｂは、第２力フィードバック・モータ１３に取り付けられる。しかし、第２のセットのローラは、軸４の周囲で、角度が、１８０°分ずれている。これは、第１力フィードバック・モータ１２を、軸４の周囲で、第２力フィードバック・モータ１３から、１８０°分ずらす効果を有するということである。したがって、ディスク２は、別個の平衡おもりを用いる必要なく、回転方向の動きが平衡化される。
【００２６】
ディスク２に取り付けられたアセンブリと共に回転する、多数の環状コンタクト１４が設けられる。これらは、多数の電気積荷器１５と滑動接触して（図８）、回転アセンブリへのデータ転送、及びそこからのデータ転送を可能にする。
【００２７】
使用中、挿入管が、軸４に沿ってダクト３に挿入されると、それは、２つのセット６、７のローラを通過する。この挿入部材の長手方向の動きは、６つのローラ全ての回転を引き起こす。シミュレーション・ソフトウェアが、長手方向の動きに対するフィードバックが必要であると検出すると、モータ１２、１３によってもたらされるトルクが増加される。
【００２８】
挿入管が回転されると、ディスク２に取り付けられた、上述の装置の全てが、挿入管と共に回転される。この回転に抗する力フィードバックは、プーリ５からもたらすことができる。この時、２セットの輪６、７の正面に渡っての挿入管の滑りが防止されるが、これは、第１に、荷重が２セットの輪同士の間に広げられるという事実、また第２に、挿入管が回転されるにつれて、尾根９がそれを把持するという事実による。
【００２９】
図５から８は、図１から４に示す力フィードバック機構と共に、感知機構も示し、次にそれを記述する。
【００３０】
感知機構は、第２取付具２０に取り付けられ、力フィードバック機構の諸セットのローラのうちの１つと類似した３つのローラ構成を有する。特に、この感知装置は、軸４の周囲で回転可能なディスク２２に取り付けられた３つのローラ２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃを備える。滑車２３は、ディスク２２と共に回転可能であり、ベルト２４は、滑車２３と、光エンコーダ２６の第２滑車２５とを結合させる。したがって、挿入管が回転されるにつれ、その回転は、輪２１Ａ−Ｃによってディスク２２に、したがって、ベルト２５によって光エンコーダ２６に伝達されて、挿入管の回転位置を検出することが可能になる。
【００３１】
上述の通り、３つのローラ２１Ａ−Ｃは、力フィードバック・アセンブリのローラ６、７と類似の構成を有する。特に、第１感知ローラ２１Ａには、周囲溝２７が設けられ、これは、ローラ６Ａ及び７Ａの溝９と類似する。このローラはまた、バネ・アセンブリ２８によって、バネ荷重されて、挿入管と係合する。第２感知ローラ２１Ｂ、及び第３感知ローラ２１Ｃは、力フィードバック機構の第２及び第３ローラと同一の構造を有する。特に、それらは溝を有さないが、ゴム被覆される。この事例では、モータは存在しない。そうではなく、光エンコーダ２８が設けられて、第３感知ローラ２１Ｃの回転を検出し、したがって、挿入管の直線方向位置を指示するものをもたらす。多数の環状コンタクト２９、及びそれに関連付けられた積荷器３０は、感知された情報を、回転するアセンブリから伝達することを可能にする。
【００３２】
挿入管は、まず、図６に示す通り、右手側から挿入され、それによって、最初に第２のセットの力フィードバック・ローラ７Ａ−Ｃ、次に第１のセットの力フィードバック・ローラ６Ａ−Ｃ、最後に感知装置ローラ２１Ａ−Ｃに出会うようになる。したがって、挿入管は、感知装置と係合するまでに、ある程度の距離を挿入されなければならない。その時になって初めて、シミュレータは、挿入管の位置を認識し、その時になって初めてシミュレーションが始まる。この理由によって、挿入管には、力フィードバック装置内への挿入管用の入口と、感知ローラ２１Ａ−Ｃの位置との距離に対応する間隔を、その末端から置いて、マーカが設けられることが好ましい。したがって、挿入管は、マーカがアセンブリの入口と同じレベルになるまで、挿入しなければならず、その地点で、挿入管の位置が感知される。シミュレーションの目的で、マーカの末端にあたる挿入管の部分は、無視され、オペレータは、マーカが入口と同じレベルになる点で、彼／彼女があたかも身体の開口部に内視鏡を挿入しているかのような、シミュレーションを開始する。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】力フィードバック装置の斜視図である。
【図２】図１の反対側から見た力フィードバック装置の側面図である。
【図３】力フィードバック装置の端面図である。
【図４】図３の線ＩＶ〜ＩＶによる断面図である。
【図５】力フィードバック及び感知装置の斜視図である。
【図６】図７の装置の側面図である。
【図７】図５の右手端から見た端面図である。
【図８】図５の装置の平面図である。
【図１】
2005512157.tif 000003
【図２】
2005512157.tif 000004
【図３】
2005512157.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2005512157.tif 000009
【図８】
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【国際調査報告】
2005512157.tif 000011
2005512157.tif 000012