(57)【要約】ロボットシステムおよび方法が提供される。ロボットシステムは、連続ロボットと、作動ユニットと、可撓性位置決めシャフトとを含む。連続ロボットは、最少侵襲診断、外科技術または治療技術を行うように構成され、複数のバックボーンを含む少なくとも１つの連続セグメントを含む。連続セグメントは、少なくとも１つの診断用器具、外科用器具または治療用器具を可撓性器具類用ハウジング内に入れて搬送する。可撓性器具類用ハウジングは、複数の器具類経路を有する。作動ユニットは、複数のバックボーンのそれぞれに線形作動を提供することにより連続ロボットを作動させるように構成され、作動力を測定する力センサを含む。可撓性位置決めシャフトは、連続ロボットの位置および配向を誘導し、作動ユニットを連続ロボットに接続するように構成されている。【選択図】図１
2013533054.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロボットシステムであって、
最少侵襲診断、外科技術または治療技術を行うための連続ロボットを有し、前記連続ロボットは、複数のバックボーンを含む少なくとも１つの連続セグメントを含み、前記連続セグメントは、複数の器具類経路を有する可撓性器具類用ハウジング内の少なくとも１つの診断用器具と、外科用器具または治療用器具とを搬送し、
また、
前記複数のバックボーンの各々に線形作動を提供することによって前記連続ロボットを作動させるための作動ユニットを有し、前記作動ユニットは、作動力を測定する力センサを含み、
更に、
前記連続ロボットの位置および方向付けを指示するための可撓性位置決めシャフトを有し、前記可撓性位置決めシャフトは、前記作動ユニットを前記連続ロボットへと接続させるように構成されている
ことを特徴とするロボットシステム。
【請求項２】
前記少なくとも１つの器具は、手術器具および可視化器具のうち少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１に記載のロボットシステム。
【請求項３】
前記可撓性位置決めシャフトはロック可能であり、同軸に配置される内部構造および外部支持構造を含み、前記可撓性位置決めシャフトは、前記外部支持構造から離れて独立していることを特徴とする請求項１に記載のロボットシステム。
【請求項４】
前記可撓性位置決めシャフトの内部構造は、複数の器具経路およびバックボーンルーメンを有する潤滑ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）構造を含むことを特徴とする請求項３に記載のロボットシステム。
【請求項５】
前記可撓性位置決めシャフトの前記外部構造は、１組のロックケーブルによって接続された複数のセグメントを含み、前記ロックケーブルが締められると、前記ロックケーブルは前記可撓性位置決めシャフトをロックすることを特徴とする請求項３に記載のロボットシステム。
【請求項６】
線形挿入ステージをさらに含み、前記作動ユニットは前記線形挿入ステージへと取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載のロボットシステム。
【請求項７】
前記可撓性位置決めシャフトのうち少なくとも一部は、前記線形挿入ステージによって支持されていることを特徴とする請求項６に記載のロボットシステム。
【請求項８】
前記少なくとも１つの連続セグメントは、遠位連続セグメントに直列的に接続された近位連続セグメントを含むことを特徴とする請求項１に記載のロボットシステム。
【請求項９】
ロボットデバイスを展開させる方法であって、
作動ユニットと、可撓性位置決めシャフトと、最少侵襲手術を行うために前記作動ユニットによって作動される連続ロボットとを含むロボットデバイスを提供し、前記ロボットデバイスは線形ステージ上に取り付けられ、前記可撓性位置決めシャフトは、前記作動ユニットを前記連続ロボットへと接続させるように構成されており、
前記ロボットデバイスを手術台に対して位置決めし、
前記ロボットデバイスを標的手術部位への進入口へ向けて配向させるように前記可撓性位置決めシャフトを調整し、
前記線形ステージを前記進入口に向けて進行させることにより、前記ロボットデバイスを前記進入口に挿入すること、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１０】
前記連続ロボットは、遠位連続セグメントに直列的に接続された近位連続セグメントを含み、前記直列的に接続されたセグメントは、少なくとも１つの診断用器具、外科用器具または治療用器具を複数の器具類経路を有する可撓性器具類用ハウジング内に入れて搬送することを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記器具経路は、手術器具および可視化器具のうち少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記ロボットデバイスを位置決めすることは、前記ロボットデバイスを手術台へ締めることを含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１３】
前記可撓性位置決めシャフトは、ロック可能であり、同軸に配置された内部構造および外部支持構造を含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１４】
前記可撓性位置決めシャフトの内部構造は、複数の器具経路およびバックボーンルーメンを有する潤滑ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）構造を含み、前記可撓性位置決めシャフトの前記外部構造は、１組のロックケーブルによって接続された複数のセグメントを含み、前記ロックケーブルは、締められると前記可撓性位置決めシャフトをロックすることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
ロボットシステムであって、
最少侵襲の泌尿器手術を行うための連続ロボットを有し、前記連続ロボットは、遠位連続セグメントに直列的に接続された近位連続セグメントを含み、前記直列的に接続されたセグメントは、複数のバックボーンを含み、少なくとも１つの診断用器具、外科用器具または治療用器具を搬送し、
また、
前記複数のバックボーンの各々に線形作動を提供することによって、前記連続ロボットを作動させるための作動ユニットを有し、前記作動ユニットは、作動力を測定するための力センサを含み、
更に、
前記連続ロボットの位置および配向を指示するための可撓性シャフト部を有し、前記可撓性シャフト部は、前記作動ユニットを経尿道切除用内視鏡へと接続するように構成され、前記経尿道切除用内視鏡は、可撓性器具ハウジングおよび前記少なくとも１つの器具を前記作動ユニットから前記連続ロボットへ誘導し、調整アームは、前記可撓性シャフト部を所望の位置および配向に調整するために、前記可撓性シャフトの近位端および遠位端を堅くアンカー固定する
ことを特徴とするロボットシステム。
【請求項１６】
前記少なくとも１つの器具は、手術器具および可視化器具のうち少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１５に記載のロボットシステム。
【請求項１７】
前記手術器具は生検鉗子を含み、前記可視化器具はファイバースコープを含むことを特徴とする請求項１６に記載のロボットシステム。
【請求項１８】
前記泌尿器手術は、膀胱腫瘍の経尿道的電気切除術を含むことを特徴とする請求項１５に記載のロボットシステム。
【請求項１９】
前記調整アームはロック可能であり、前記可撓性シャフト部は、同軸に配置された内部構造および外部支持構造を含むことを特徴とする請求項１５に記載のロボットシステム。
【請求項２０】
前記可撓性シャフト部の内部構造は、複数の器具経路およびバックボーンルーメンを有する潤滑ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）構造を含むことを特徴とする請求項１９に記載のロボットシステム。
【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、３５Ｕ．Ｓ．Ｃ．§１１９（ｅ）に基づき、米国仮特許出願第６１／３６８，１９３号（出願日：２０１０年７月２７日）および米国仮特許出願第６１／４７０，７３０号（出願日：２０１１年４月１日）の優先権を主張し、これらのそれぞれの全体は参照により本明細書に組み込まれる。
【背景技術】
【０００２】
従来の外科手術においては、手術部位の視認化および手術部位へ手によるアクセスのために、充分な大きさの開口部を切開により外科医が患者体内に設ける必要があった。しかし、最近の２０年間においては、医療外科手術の着実な進展により、最少侵襲外科手術（ＭＩＳ）が含まれるようになってきた。最少侵襲外科手術（ＭＩＳ）には、従来の外科手術よりも侵襲度の低い外科技術が含まれている。
【０００３】
最少侵襲診断および／または最少侵襲外科手術は、医師および外科医が患者体内に限られた数の小さな切開を設けることにより内臓にアクセスすることにより、患者の外傷を低減しかつ治癒時間を低減するので、患者に有利である。一般的には、カニューレまたはスリーブを小型切開部を通じて挿入することにより、進入ポートが得られる。この進入ポートを通じて、手術器具が送り込まれる。しかし、これらのアクセスポートは、手術器具の移動範囲を４つの自由度（ＤｏＦ）にのみ制約し、遠位巧緻性も限定される。医師および外科医がこれらの困難を克服することを支援するために、多数のロボットデバイスがおよびシステムが、多数の最少侵襲手術のために設計されている。
【０００４】
しかし、このような多数の研究が従来から為されているにもかかわらず、現行のロボット器具は、臨床用途にとって大きすぎておよび／または巧緻性が不十分である。例えば、深く狭い診断／手術分野によって特徴づけられる臨床用途（例えば、神経外科手術、胎児外科手術、および膀胱腫瘍の経尿道的電気切除術）は、サイズおよび巧緻性制限のせいで既存の市販の診断／外科システムの能力を超えている。
【０００５】
また、現行のロボット器具の場合、術前および術中において器具展開のための準備が長時間必要となる。例えば、外科手術用のロボット器具を展開させるためには、患者を手術室に搬入する前に手術室において器具を正確に配置し、次いで患者を手術室に搬入した後、さらに器具を手術部位に向けて配向する作業が必要となる。このような術前準備は、予めスケジュールの決まっている外科手術にとって煩わしい可能性があり、また、スケジュールの立てられない外科手術（例えば、緊急手術）にとって大きな障害がある。実際、緊急手術中の外科医は、ロボット器具の展開を受け入れる余裕が無いことから、従来の開腹手術に戻るしかない状況が頻繁に発生している。
【発明の概要】
【０００６】
高速展開可能な可撓性ロボットシステムおよび方法が提供される。本開示の内容により、最少侵襲の診断および介入のための可撓性ロボット器具類の高速展開が可能となる。また、本開示の内容により、深い手術部位における最少侵襲外科手術が容易化される。深い手術部位においては、硬質の手技用器具（例えば、硬質内視鏡検査器具および腹腔鏡検査法器具）は煩雑となり、あるいは、標的組織または臓器をナビゲートおよび標的組織または臓器にアクセスすることができない。
【０００７】
一実施形態において、ロボットシステムが提供される。このロボットシステムは、連続ロボットと、作動ユニットと、可撓性位置決めシャフトとを含む。連続ロボットは、最少侵襲診断、外科技術または治療技術を行うように構成され、複数のバックボーンを含む少なくとも１つの連続セグメントを含む。連続セグメントは、少なくとも１つの診断用器具、外科用器具または治療用器具を可撓性器具類用ハウジングに収容して搬送する。可撓性器具類用ハウジングは、複数の器具類経路を有する。作動ユニットは、複数のバックボーンのそれぞれを線形作動させることによって連続ロボットを作動させるように構成され、作動力を測定する力センサを含む。可撓性位置決めシャフトは、連続ロボットの位置および方向付けの指示と、作動ユニットの連続ロボットへの接続とを行うように、構成される。
【０００８】
他の実施形態において、ロボットデバイスを展開させる方法が提供される。この方法は、ロボットデバイスを提供することであって、ロボットデバイスは、作動ユニットと、可撓性位置決めシャフトと、最少侵襲手術を行うために作動ユニットによって作動される連続ロボットとを含み、ロボットデバイスは線形ステージ上に取り付けられ、可撓性位置決めシャフトは、作動ユニットを連続ロボットへと接続させるように構成されている。前記方法は、更に、ロボットデバイスを手術台に対して位置決めすることと、ロボットデバイスを標的手術部位への進入口へと方向付けるように可撓性位置決めシャフトを調整することと、線形ステージを進行させることにより、ロボットデバイスを進入口に挿入することとを含む。
【０００９】
さらに他の実施形態において、最少侵襲の泌尿器手術のためのロボットシステムが提供される。ロボットシステムは、連続ロボットと、作動ユニットと、可撓性シャフト部とを含む。連続ロボットは、最少侵襲の泌尿器手術を行うように構成され、近位連続セグメントを含む。近位連続セグメントは、遠位連続セグメントに直列的に接続される。直列的に接続されたセグメントは、複数のバックボーンを含み、少なくとも１つの診断用器具、外科用器具または治療用器具を搬送する。作動ユニットは、複数のバックボーンそれぞれを線形作動させることにより、連続ロボットを作動させるように構成され、作動力を測定する力センサを含む。可撓性シャフト部は、連続ロボットの位置決めおよび方向付けの指示と、作動ユニットの経尿道切除用内視鏡への接続とを行うように構成される。経尿道切除用内視鏡は、可撓性器具ハウジングおよび少なくとも１つの器具を作動ユニットから連続ロボットへと誘導する。調整アームは、可撓性シャフトの近位端および遠位端を堅くアンカー固定して、可撓性シャフト部を所望の位置および配向へと調整する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本開示の内容のいくつかの実施形態による、最少侵襲の診断および外科手術のための高速展開可能な可撓性ロボットシステムを示す。
【図２】本開示の内容のいくつかの実施形態による、高速展開可能な可撓性ロボットシステムによって展開できる可撓性器具類用ハウジングを示す。
【図３Ａ】本開示の内容のいくつかの実施形態による、最少侵襲の診断および外科手術のための高速展開可能な可撓性ロボットシステムを示す。
【図３Ｂ】本開示の内容のいくつかの実施形態による、最少侵襲の診断および外科手術のための高速展開可能な可撓性ロボットシステムを示す。
【図４】本開示の内容のいくつかの実施形態による、高速展開可能な可撓性ロボットシステム内に含まれる作動ユニットの個々のコンポーネントおよびサブアセンブリを示す。
【図５】本開示の内容のいくつかの実施形態による、同心バックボーン作動アセンブリの断面図である。
【図６Ａ】本開示の内容のいくつかの実施形態による、直列的に並べられた２つの連続セグメントを有する連続ロボットを示す。
【図６Ｂ】本開示の内容のいくつかの実施形態による連続セグメントの断面図である。
【図７】本開示の内容のいくつかの実施形態による、連続セグメントの構造および運動術語体系を示す。
【図８Ａ】本開示の内容のいくつかの実施形態による、最少侵襲の診断および外科手術のための高速展開可能な可撓性ロボットシステムを示す。
【図８Ｂ】本開示の内容のいくつかの実施形態による、高速展開可能な可撓性ロボットシステムの調整シャフトの断面図である。
【図９Ａ】本開示の内容のいくつかの実施形態による、最少侵襲の泌尿器手術のための高速展開可能な可撓性ロボットシステムを示す。
【図９Ｂ】本開示の内容のいくつかの実施形態による、最少侵襲の泌尿器手術のための高速展開可能な可撓性ロボットシステムの可撓性位置決めシャフトの断面図である。
【図１０】本開示の内容のいくつかの実施形態による、膀胱腫瘍（ＴＵＲＢＴ）の経尿道的電気切除術を行うための高速展開可能な可撓性ロボットシステムの展開を示す。
【図１１】本開示の内容のいくつかの実施形態による、最少侵襲の泌尿器手術のための高速展開可能な可撓性ロボットシステムの連続ロボットが到達することができる、作業空間の断面図である。
【図１２】本開示の内容のいくつかの実施形態による、最少侵襲の診断および外科手術のためのロボットデバイスを展開させる方法のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
高速展開可能な可撓性ロボットシステムおよび方法が提供される。本開示の内容のいくつかの実施形態において、硬質手技用器具類が標的組織または標的臓器の周囲をナビゲートするかまたは標的組織または標的臓器にアクセスすることが不可能な深い手術部位において、最少侵襲の診断および外科手術のための高速展開可能な可撓性ロボットシステムが提供される。
【００１２】
図１は、本開示の内容のいくつかの実施形態による、最少侵襲の診断および外科手術のための高速展開可能な可撓性ロボットシステム１００の図である。図１を参照して、高速展開可能な可撓性ロボットシステム１００は、作動ユニット１０１と、可撓性であると共にロック可能な手動調整できる位置決めシャフト１０３と、挿入可能な連続ロボット１０５とを含む。いくつかの実施形態において、作動ユニット１０１は、２つの直列的に接続された冗長型の３バックボーンの連続セグメント（例えば、近位セグメント、遠位セグメント）を半自動的挿入のための進行／退避ステージによって制御する能力を備えて、７つの自由度（ＤｏＦ）を組み込むことが可能である。また、いくつかの実施形態において、連続セグメントの各独立バックボーン上の力センサは、バックボーンの作動力を測定することができる。感知された作動力は、遠位環境相互作用力と、コンプライアント運動アルゴリズムとを推測することも可能である。
【００１３】
いくつかの実施形態において、調整可能な位置決めシャフト１０３により、外科用器具および／または診断用器具を外科ワークフローへ高速に出し入れすることができるように、連続ロボット１０５を高速に位置決めすることが可能となっている。また、いくつかの実施形態において、調整可能な位置決めシャフト１０３は、内部ケーブル張力を用いてもよい。内部ケーブル張力は、手またはコンピュータのいずれかによって制御され、これにより、調整可能な位置決めシャフト１０３を手によって再位置決めすることが所望される場合に、上記ケーブルを緩めることができ、また、再位置決めが完了して新規位置決め構成にロックされる場合には、上記ケーブルを締めることも可能である。
【００１４】
いくつかの実施形態において、連続ロボット１０５の屈曲部は、調整可能な位置決めシャフト１０３の遠位端から伸長または退避させることができる。更に、いくつかの実施形態において、連続ロボット１０５はマスターインターフェースを介して展開されてもよい。このマスターインターフェースは、マスターコンソールへと接続されており、このマスターコンソールは、連続ロボット１０５および挿入された器具類の制御のために、ディスプレイおよびインターフェースを含む。
【００１５】
図２は、本開示の内容のいくつかの実施形態による、連続ロボット１０５によって展開可能な可撓性器具類用ハウジング２００の図を示す。図２を参照して、可撓性器具類用ハウジング２００は、複数の独立ルーメン２０１、２０３、および２０５を含む。いくつかの実施形態において、可撓性器具類用ハウジング２００は、少なくとも１つのルーメン（例えば、ルーメン２０１および２０５）を含む。少なくとも１つのルーメンは、例えば白色光を用いた内視鏡検査のための照明器具および／または画像化器具を搬送するためである。また、いくつかの実施形態において、ルーメン２０１および２０５の直径は、０．５５ｍｍと測定された。いくつかの実施形態において、可撓性器具類用ハウジング２００は、微小手術器具（例えば、コールドバイオプシー鉗子および切除ループ）を搬送する少なくとも１つのルーメン（例えば、ルーメン２０３）を含む。いくつかの実施形態において、ルーメン２０３の直径は１．２ｍｍと測定される。更に、いくつかの実施形態において、独立ルーメン２０１、２０３および２０５は、潤滑ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）構造によって支持される。
【００１６】
図３Ａ〜図３Ｂは、本開示の内容のいくつかの実施形態による、最少侵襲の診断および外科手術のための高速展開可能な可撓性ロボットシステム３００を示す図である。図３Ａ〜図３Ｂを参照して、高速展開可能な可撓性ロボットシステム３００は、作動ユニット３０１と、手動調整できるなロック可能な位置決めシャフト３０３と、進行退避ステージを備え直列接続された連続セグメントを２つ有する３バックボーン連続ロボット３０５と、円錐型アセンブリ３０７と、線形挿入ステージ３０９と、可撓性器具類用ハウジング３１３と、器具類経路３１１の近位端とを含む。いくつかの実施形態において、作動ユニット３０１は、線形挿入ステージ３０９に取り付けられている。
【００１７】
いくつかの実施形態において、作動ユニット３０１は、一体型の力センサを備えた６つのＤｏＦを組み合わせた作動ユニットであってもよい。また、いくつかの実施形態において、作動ユニット３０１は、３つの同心バックボーン作動アセンブリを含む。これら３つの同心バックボーン作動アセンブリはそれぞれ、接続された作動シリンダを含む。各シリンダはそれぞれ、連続ロボット３０５内の合計６個の作動ラインのうち１つを作動させる。更に、いくつかの実施形態において、例えば、各接続されたステージは、一次および二次シリンダを含み、連続ロボット３０５内の各バックボーンの近位セグメントおよび遠位セグメントを作動させる。
【００１８】
いくつかの実施形態において、円錐型アセンブリ３０７は、連続ロボット３０５の作動ラインを作動ユニット３０１から可撓性器具類用ハウジング３１３内へと経路設定しているる。可撓性器具類用ハウジング３１３は、作動ラインおよび器具類を連続ロボット３０５へと誘導する。また、いくつかの実施形態において、器具類は、器具類経路３１１の近位端を介して可撓性ハウジング内へ挿入される。
【００１９】
いくつかの実施形態において、調整可能な位置決めシャフト３０３により、手動調整可能な可撓性部分が得られる。この手動調整可能な可撓性部分は、連続ロボット３０５の位置および配向を指示する。調整可能な位置決めシャフト３０３により、手術室内におけるロボットシステム３００の高速展開は、ロボットシステム３００の位置および配向を変更する能力を提供することによって可能となる。これにより、例えば外科手術のためにシステムを作成するための必要な時間が低減される。
【００２０】
図４は、本開示の内容のいくつかの実施形態による、高速展開可能な可撓性ロボットシステムに設けられた作動ユニット４００の分解図である。図４を参照して、作動ユニット４００は、同心バックボーン作動アセンブリ４０１、４０３および４０５と、円錐型アセンブリ４０７と、１組のベースプレートおよびトッププレート４０９および４１１とを含む。各バックボーン作動アセンブリは、一次シリンダ４１３および二次シリンダ４１５を含む。一次シリンダ４１３および二次シリンダ４１５は、ベースプレート４０９およびトッププレート４１１へと接続する。
【００２１】
いくつかの実施形態において、作動ユニット４００は、接続プレート４１９を介して挿入ステージ４１７上に取り付けられる。また、いくつかの実施形態において、作動ユニット４００に接続された連続ロボットのバックボーンは、同心作動アセンブリ４０１、４０３および４０５から、円錐型アセンブリ４０７と連続ロボットとの間の空間を保持するバックボーンを介して経路設定される。
【００２２】
図５は、本開示の内容のいくつかの実施形態による、同心バックボーン作動アセンブリ５００の断面を示す図である。図５を参照して、同心バックボーン作動アセンブリ５００は、一次シリンダ５０１と、二次シリンダ５０３とを含む。一次シリンダおよび二次シリンダ双方はそれぞれ、モータ５０５または５０７を含む。モータ５０５または５０７は、内部親ねじ５１３または５１５によってピストン５０９または５１１を駆動する。
【００２３】
いくつかの実施形態において、各ピストン５０９および５１１の内部の親ねじナット５１７および５１９はそれぞれ、２つの部材を含む。これら２つの部材は、親ねじ５１３または５１５上において相互に締めつけることができ、これにより、ピストン５０９または５１１と親ねじ５１３または５１５との間のバックラッシュを除去する。また、いくつかの実施形態において、ピストン５０９および５１１の直線運動をモータエンコーダならびに線形ポテンショメータ５２１および５２３によって二重測定することができる。モータエンコーダは、モータ５０５および５０７と一体化される。更に、いくつかの実施形態において、一次シリンダピストン５１１は、シヤーピンによって、二次シリンダ５０３の外径にクランプされた接続アーム５２５へ、堅く接続されている。
【００２４】
いくつかの実施形態において、連続ロボットの近位セグメントの二次バックボーンは、二次シリンダ５０３のベース５２７へと接続され、これにより、一次シリンダピストン５１１が移動すると、近位二次バックボーンが一次シリンダ５０１に対して駆動される。また、いくつかの実施形態において、二次シリンダピストン５０９は、二次シリンダロードセル５３１を介して、連続ロボットの遠位セグメントの二次バックボーンワイヤ５２９の接続部にと取り付けられている。二次シリンダロードセル５３１は、連続ロボットの遠位二次バックボーンにおける作動力を直接測定することができる。
【００２５】
いくつかの実施形態において、同心バックボーン作動アセンブリ５００は、一次シリンダロードセル５３３を介して作動ユニットのベースプレートに接続されている。一次シリンダロードセル５３３は、アセンブリに取り付けられた１組の同軸二次バックボーンにおける作動力の合計を測定することができる。また、いくつかの実施形態において、同心バックボーン作動アセンブリ５００は、一次シリンダ５０１および二次シリンダ５０３の近位端においてナイロンブッシング上に支持され、これにより一次シリンダロードセル５３３上のモーメントを回避する。
【００２６】
図６Ａは、本開示の内容のいくつかの実施形態による、直列に並べられた連続セグメントを２つ有する連続ロボット６００を示す図である。図６Ａを参照して、連続ロボット６００は、近位連続セグメント６０１と、遠位連続セグメント６０３とを含む。
【００２７】
セグメント６０１および６０３はそれぞれ、中央に配置された１つの受動型一次バックボーン６１７と、半径方向に対称な３つの作動型二次バックボーン６１９および６２１とから構成される。これらの作動型二次バックボーン６１９および６２１は、端部ディスク６０５（近位セグメント端部ディスク）または６０７（遠位セグメント端部ディスク）ならびに複数のスペーサディスク６０９によって境界を区切られ、これらのスペーサディスク６０９は、セグメントが作業空間内を移動する際の半径方向の対称性をほぼ維持する。図６Ｂは、本開示の内容のいくつかの実施形態による連続セグメント６０１および６０３の断面図を示す。
【００２８】
いくつかの実施形態において、二次バックボーン６１９（近位二次バックボーン）および二次バックボーン６２１（遠位二次バックボーン）は、一次バックボーン６１７から分離角度β（図７に示す）およびピッチ円半径ｒだけ均等に間隔を空けて配置される。また、いくつかの実施形態において、近位二次バックボーン６１９は、超弾性ニチノール管である。更に、いくつかの実施形態において、遠位二次バックボーン６２１はニチノールワイヤであり、近位二次バックボーン６１９の内部を走っている。いくつかの実施形態において、一次バックボーン６１７はニチノールワイヤである。
【００２９】
連続ロボット６００により、手術器具（例えば、生検鉗子６１１）および可視化器具（例えば、ファイバースコープ６１３）を搬送するための１組の器具類経路６１５が得られる。また、いくつかの実施形態において、ファイバースコープ６１３は、可撓性の１ｍｍ直径のファイバースコープであり、１０ｋ画素フューズ画像ガイドを備えている。更に、いくつかの実施形態において、ファイバースコープ６１３は、カメラシステムへと接続されている。
【００３０】
図６Ｂを参照して、連続セグメント６０１および６０３の断面は、３つの均等に間隔を空けて配置された器具経路（器具ルーメンとも呼ばれる）６１５と、一次バックボーンルーメン６２３と、二次バックボーンルーメン６２５とを含む。
【００３１】
図７は、本開示の内容のいくつかの実施形態による、連続セグメント７００の構造および運動術語体系を示す図である。図７を参照して、ｋ番目のセグメントの多バックボーン連続ロボットの姿勢を１組の一般化座標内において以下のように規定された構成空間ベクトルによって記述することができる。
【数１】
2013533054.tif 000003
式中、ｋ＝１、２、．．．の場合における（・）（ｋ）は、ｋ番目のセグメントと関連付けられた変数を示し、θ（ｋ）およびδ（ｋ）は、セグメントの屈曲角度および屈曲面の配向をそれぞれ規定する。
【００３２】
逆運動学が、構成空間ψ（ｋ）を以下の接合空間に関連付ける。
【数２】
2013533054.tif 000004
は、以下の式によって得られる。
【数３】
2013533054.tif 000005
式中、Ｌｊ，（ｋ）は、ｋ番目のセグメントのｊ番目の二次バックボーン７０３の長さであり、Ｌ（ｋ）は、ｋ番目のセグメントの一次バックボーン７０１の長さであり、
【数４】
2013533054.tif 000006
および
【数５】
2013533054.tif 000007
である。
【００３３】
瞬間逆運動学は、微分方程式（２）によって記述することができ、これにより以下が得られる。
【数６】
2013533054.tif 000008
式中、ヤコビアン
【数７】
2013533054.tif 000009
は、以下によって得られる。
【数８】
2013533054.tif 000010
式中、
【数９】
2013533054.tif 000011
である。
【００３４】
ｋ番目のセグメントの直接運動学は、セグメント端部ディスクのベースディスクに対する位置
【数１０】
2013533054.tif 000012
および配向
【数１１】
2013533054.tif 000013
によって得られる。
【数１２】
2013533054.tif 000014
の場合、運動学は以下の形態
【数１３】
2013533054.tif 000015
をとり、かつ
【数１４】
2013533054.tif 000016
である。ここで、
【数１５】
2013533054.tif 000017
であり、フレーム{g(k)} および {b(k)}は、図７に示すようになる。
【００３５】
【数１６】
2013533054.tif 000018
の場合、公式化の単一性
【数１７】
2013533054.tif 000019
は、以下のようになる。
【数１８】
2013533054.tif 000020
および
【数１９】
2013533054.tif 000021
【００３６】
微分方程式（５）および（６）により、瞬間直接運動学は、以下の形態をとる。
【数２０】
2013533054.tif 000022
ここで、
【数２１】
2013533054.tif 000023
の場合、ヤコビアン
【数２２】
2013533054.tif 000024
は、以下のようになる。
【数２３】
2013533054.tif 000025
【数２４】
2013533054.tif 000026
の場合、公式化の単一性
【数２５】
2013533054.tif 000027
は、ロピタルの規則を適用することによって以下が得られる。
【数２６】
2013533054.tif 000028
【００３７】
図８Ａは、本開示の内容のいくつかの実施形態による、最少侵襲の診断および外科手術のための高速展開可能な可撓性ロボットシステム８００を示す。図８Ａを参照して、高速展開可能な可撓性ロボットシステム８００は、作動ユニット８０１と、同心手動調整シャフト８０３と、連続ロボット８０５と、線形挿入ステージ８０７と、調整シャフト８０３のためのロックハンドル８０９とを含む。
【００３８】
いくつかの実施形態において、調整シャフト８０３により、外科および／または診断器具を高速で外科ワークフローに導入および外科ワークフローから除去できるような様態で連続ロボット８０５を高速位置決めすることが可能となる。また、いくつかの実施形態において、調整シャフト８０３は、手動制御される内部ケーブル張力を用いてもよく、これにより、調整シャフト８０３の手動調整が所望されるときケーブルを緩めることができ、また、調整完了時には締めることもできる。
【００３９】
いくつかの実施形態において、調整シャフト８０３は、複数のセグメント８１１と、１組のロックケーブル８１３とを用いて構築される。また、いくつかの実施形態において、ロックケーブル８１３は、ロックハンドル８０９によって制御されたカムロック機構を介して締められた際、調整シャフト８０３をロックする。更に、いくつかの実施形態において、ロックハンドル８０９は、ロックケーブル８１３をキャプスタンを介して直接締めてもよい。
【００４０】
図８Ｂは、本開示の内容のいくつかの実施形態による、調整シャフト８０３の断面図を示す。図８Ｂを参照して、調整シャフト８０３は、ロックケーブル８１３と、器具経路８１５ａ（搬送器具類）と、８１５ｂ（空）と、連続ロボット８０５のための二次バックボーンルーメン８１７と、調整シャフト８０３のための可撓性プラスチックカバー８１９（図８Ａ中では図示せず）と、可撓性器具ハウジング８２１とを含む。いくつかの実施形態において、可撓性器具ハウジング８２１は、ＰＴＦＥ押出によって構成されてもよい。
【００４１】
図９Ａは、本開示の内容のいくつかの実施形態による、最少侵襲の泌尿器手術（例えば、膀胱腫瘍のための経尿道的電気切除術（ＴＵＲＢＴ））のための高速展開可能な可撓性ロボットシステム９００を示す。図９Ａを参照して、高速展開可能な可撓性ロボットシステム９００は、作動ユニット９０１と、可撓性シャフト部９０３と、泌尿器切除用内視鏡９０５と、連続ロボット９０７と、調整アーム９０９とを含む。
【００４２】
いくつかの実施形態において、作動ユニット９０１は、力感知能力を備える。更に、いくつかの実施形態において、可撓性シャフト部９０３は、調整アーム９０９によって支持される。調整アーム９０９は独立しており、可撓性シャフト部９０３から分離される。更に、いくつかの実施形態において、調整アーム９０９は、手動で調整可能でありかつロック可能である。いくつかの実施形態において、調整アーム９０９は、シャフト部９０３を支持するように、可撓性シャフト部９０３の近位端および遠位端を堅くアンカー固定する。いくつかの実施形態において、調整アーム９０９は、泌尿器切除用内視鏡９０５に接続するように構成される。
【００４３】
図９Ｂは、本開示の内容のいくつかの実施形態による、可撓性シャフト部９０３の断面図を示す。図９Ｂを参照して、可撓性シャフト部は、ＰＴＦＥ押出部９１３を含む内部潤滑構造、および可撓性支持アセンブリ９１１を含む外部支持構造によって構成される。このＰＴＦＥ押出部９１３は、器具経路／ルーメン９１５と、二次連続バックボーン９１９のための二次バックボーンルーメン９１７と、支持ストラット９２１を含む可撓性支持アセンブリ９１１と、を含む。
【００４４】
いくつかの実施形態において、支持ストラット９２１は、ステンレススチールまたは他の適切な可撓性合金から構成することが可能である。また、いくつかの実施形態において、調整アーム９０９は、外部支持構造にのみ堅くアンカー固定され、これにより、ＰＴＦＥ押出部９１３は、外部支持構造によって規定された軌跡においてスライドすることができる。
【００４５】
調整アーム９０９および可撓性シャフト部９０３により、ロボット器具を外科環境内に高速展開させることが可能となる。可撓性シャフト部９０３により、ロボットシステム９００の挿入された部分と患者の尿道との間のアライメントに長時間をとられること無く、ロボット器具を挿入することが可能となる。これによって、ロボット器具の展開および除去のための臨床ワークフローにおける障害が最小化される。
【００４６】
図１０は、本開示の内容のいくつかの実施形態による、男性患者の体内において膀胱腫瘍の経尿道的電気切除術（ＴＵＲＢＴ）を行うための高速展開可能な可撓性ロボットシステム１０００の展開を示す図である。図１０を参照して、ロボットシステム１０００は、作動ユニット１００１と、線形ステージ１００３と、可撓性シャフト部１００５と、調整アーム１００７と、尿道切除用内視鏡１００９と、連続ロボット１０１１とを含む。連続ロボット１０１１は、近位連続セグメント１０１３を含む。近位連続セグメント１０１３は、遠位連続セグメント１０１５に直列に接続され、他の器具とともに電気焼灼ループ１０１７およびファイバースコープ（図示せず）を搬送する。
【００４７】
経尿道的電気切除術を行うために、いくつかの実施形態において、ロボットシステム１０００は手術台に固定され、膀胱がん患者に対して、線形ステージ１００３を用いてロボットシステム１０００を患者尿道に向かって進行させることにより、位置決めされる。ロボットシステム１０００を尿道の付近に位置決めした後、高速経尿道展開のための調整アーム１００７を用いて可撓性シャフト部１００５をさらに調整する。
【００４８】
切除用内視鏡１００９を経尿道的に展開させた後、作動ユニット１００１を用いて連続ロボット１０１１を作動させる。この作動は、近位連続セグメント１０１３および遠位連続セグメント１０１５を操作して（電気焼灼ループ１０１７によって切除されるべき疑わしい組織および可視病巣１０１９が存在する）膀胱の部分を見つけて到達することにより、行われる。
【００４９】
図１１は、本開示の内容のいくつかの実施形態による、図１０に示すような高速展開可能な可撓性ロボットシステム（例えば、ロボットシステム１０００）の連続ロボット１１０１が到達できる作業空間１１０３の断面を示す図である。
【００５０】
ＭＡＴＬＡＢコンピューティング環境において運動学分析を行って、膀胱の全体にわたる腫瘍の切除に関連する作業空間１１０３を評価した。この分析は、高速展開可能な可撓性ロボットシステム（例えば、ロボットシステム１０００）が、膀胱（図１１に示すような前面を含む）全体にわたる可視化および膀胱への到達が可能であることを示す。
【００５１】
図１２は、本開示の内容のいくつかの実施形態による、最少侵襲の診断および外科手術のためのロボットデバイスを展開させる方法１２００のフローチャートを示す。図１２を参照すると、ロボットデバイスはステップ１２０１に提供される。いくつかの実施形態において、ロボットデバイスは、高速展開可能な可撓性ロボットシステム（例えば、図３、図８または図９にそれぞれ示すようなロボットシステム３００、８００または９００）であってもよい。ステップ１２０３において、ロボットデバイスは、患者または手術台に相対して位置決めされる。また、いくつかの実施形態において、ロボットデバイスは、ストラップを介して患者または手術台へと固定される。
【００５２】
ステップ１２０５において、ロボットデバイスは、標的手術部位への進入口（例えば、尿道、口腔、または標的手術部位の付近に設けられた切開部）に向かって配向される。いくつかの実施形態において、ロボットデバイスの連続ロボットおよびロボットのための作動ユニットを接続させる可撓性シャフトをロボットの高速展開のために調整する。また、いくつかの実施形態において、可撓性シャフト部の近位端および遠位端においてアンカー固定された調整アームを、限られた生体構造または開口部内へのデバイスの高速展開が容易化されるように、ロボットデバイスの配向のために調整する。図１０に示すように、例えば、調整アーム１００７を用いて、可撓性シャフト部１００５を手動で調整して、切除用内視鏡１００９の位置および配向を調整することができる。
【００５３】
ステップ１２０７において、ロボットデバイスを標的手術部位への進入口に挿入する。図１０に示すように、膀胱腫瘍の経尿道的電気切除術のために、例えば、尿道切除用内視鏡１００９に接続された連続ロボット１０１１を患者尿道を通じて患者膀胱に挿入する。
【００５４】
ステップ１２０９において、ロボットデバイスを作動させて、最少侵襲手術を行う。例えば、膀胱腫瘍の経尿道的電気切除術を行うために、疑わしい組織および可視病巣１０１９を電気焼灼ループ１０１７によって切除し、膀胱から除去する。
【００５５】
上述した例示的実施形態にて本発明を記載および例示してきたが、本開示はあくまでも例示目的のために記載されたものであり、本発明の意図および範囲から逸脱することなく本発明の実行の詳細において多数の変更が可能であることを理解すべきである。本開示の実施形態の特徴は、多様な様態で組み合わせおよび再配置が可能となっている。
【図１】
2013533054.tif 000029
【図２】
2013533054.tif 000030
【図３Ａ】
2013533054.tif 000031
【図３Ｂ】
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【図４】
2013533054.tif 000033
【図５】
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【図６Ａ】
2013533054.tif 000035
【図６Ｂ】
2013533054.tif 000036
【図７】
2013533054.tif 000037
【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
2013533054.tif 000039
【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
2013533054.tif 000041
【図１０】
2013533054.tif 000042
【図１１】
2013533054.tif 000043
【図１２】
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【国際調査報告】
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