(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
手術用ステープラシステムを制御するコントローラの作動方法であって、当該作動方法は：
前記コントローラが、手術用ステープラのエンドエフェクタの顎部に発射力を伝達するために作動可能に結合されたアクチュエータの変位を監視するステップと、
前記コントローラが、力を前記手術用ステープラのエンドエフェクタに伝達させるために前記アクチュエータを駆動させる駆動トルクを監視するステップと、
前記コントローラが、前記駆動トルクをトルクの許容範囲の下限から前記トルクの許容範囲の上限までのトルクの許容範囲と比較するステップであって、前記トルクの許容範囲は、前記アクチュエータの変位に基づいて決定される、比較するステップと；
前記コントローラが、前記比較に基づいて、前記発射力の継続的な適用を制御するステップと；を含む、
作動方法。
【請求項２】
前記発射力の継続的な適用を制御するステップは、前記駆動トルクが前記トルクの許容範囲の上限よりも大きい場合に、前記コントローラが、発射を一時中断するステップを含む、
請求項１に記載の作動方法。
【請求項３】
前記駆動トルクが前記トルクの許容範囲の下限よりも小さい場合に、前記コントローラが、ステープル発射の不成功の表示をユーザインタフェイス上に提供するステップをさらに含む、
請求項２に記載の作動方法。
【請求項４】
前記コントローラが、前記比較に基づいて前記手術用ステープラのエンドエフェクタの切断装置又はステープル発射機構の作動を制御するステップをさらに含む、
請求項１に記載の作動方法。
【請求項５】
前記アクチュエータは、モータであり、
該モータの変位は、前記エンドエフェクタの位置に相関している、
請求項２に記載の作動方法。
【請求項６】
前記発射力の継続的な適用を制御するステップは、前記駆動トルクが前記トルクの許容範囲内にある場合に、前記コントローラが、前記発射力の継続的な適用を可能にするステップを含む、
請求項１に記載の作動方法。
【請求項７】
前記発射力の継続的な適用を制御するステップは、前記駆動トルクが前記トルクの許容範囲の下限よりも小さい場合に、前記コントローラが、発射を一時中断するステップを含む、
請求項１に記載の作動方法。
【請求項８】
前記駆動トルクを監視するステップは、前記コントローラが、前記アクチュエータの出力を監視するステップを含む、
請求項１に記載の作動方法。
【請求項９】
手術用ステープラシステムであって、当該システムは：
第１の顎部及びステープルを保持する第２の顎部を含むエンドエフェクタと；
ステープルを発射するための発射力を適用するように構成された作動機構と；
コントローラであって、該コントローラは、力を前記エンドエフェクタに伝達させるために前記作動機構を駆動させる駆動トルクと、トルクの許容範囲の下限から前記トルクの許容範囲の上限までの前記トルクの許容範囲との比較に基づいて、前記作動機構による前記発射力の継続した適用を制御するように構成され、前記トルクの許容範囲は、前記作動機構の変位に基づいて決定される、コントローラと；を含む、
システム。
【請求項１０】
前記コントローラは、前記駆動トルクが前記トルクの許容範囲外となる場合に、発射を一時中断するように構成される、
請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
前記コントローラは、ユーザインタフェイスに通信可能にさらに結合されており、且つ前記駆動トルクが前記トルクの許容範囲外となる場合に、ステープル発射の不成功の表示を提供するべく前記ユーザインタフェイスを制御するように構成される、
請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
前記顎部は、ステープル展開要素と切断装置とを含む、
請求項９に記載のシステム。
【請求項１３】
複数のステープルを前記第２の顎部内にさらに含み、前記コントローラは、前記駆動トルクが前記トルクの許容範囲内となる場合に、前記発射力の適用を継続するようにさらに構成される、
請求項９に記載のシステム。
【請求項１４】
前記駆動トルクが前記トルクの許容範囲の上限よりも大きいことが、前記システム内の詰まりの表示である、
請求項９に記載のシステム。
【請求項１５】
前記コントローラは、前記発射力の適用を一時中断した後にクランプを維持するようにさらに構成される、
請求項１０に記載のシステム。
【請求項１６】
前記コントローラは、前記駆動トルクが前記トルクの許容範囲からどれ位外れているかに基づいてクランプ不成功の可能性をパーセント（％）で出力するようにさらに構成される、
請求項１１に記載のシステム。
【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、２０１１年２月１５日に出願された米国特許仮出願第６１/４４３，１４８号明細書についての仮出願ではないが、この仮出願の利益を主張するものであり、この文献の全体の内容が、参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本出願は、２０１０年２月１２日に出願された、”Cut  and  Seal  Instrument”という表題の米国特許出願第１２/７０５，４１８号明細書（代理人整理No.  ISRG  02180/US）;  ２００９年１１月１３日に出願された、”END  EFFECTOR  WITH  REDUNDANT  CLOSING  MECHANISMS”という表題の米国特許仮出願第６１/２６０，９０７号明細書（代理人整理No.  ISRG    02330PROV）;  ２００９年１１月１３日に出願された、”WRIST  ARTICULATION  BY  LINKED  TENSION  MEMBERS”という表題の米国特許仮出願第６１/２６０，９０３号明細書（代理人整理No.  ISRG    02320PROV），（代理人整理No.  ISRG  02320/US）;２００９年１１月１３日に出願された、”WRIST  ARTICULATION  BY  LINKED  TENSION  MEMBERS”という表題の米国特許仮出願第６１/２６０，９０３号明細書（代理人整理No.  ISRG  02320PROV）;２００９年１１月１３日に出願された、”SURGICAL  TOOL  WITH  A  TWO  DEGREE  OF  FREEDOM  WRIST”という表題の米国特許仮出願第６１/２６０，９１５号明細書（代理人整理No.  ISRG  02350PROV）；及び２００９年１１月１３日に提出された、”MOTOR  INTERFACE  FOR  PARALLEL  DRIVE  SHAFT  WITHIN  AN  INDEPENDENTLY  ROTATING  MEMBER”という表題の米国特許仮出願第６１/２６０，９１９号明細書（代理人整理No.  ISRG  02360PROV）に関連しており、これらの各々の文献は、それらの全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【０００３】
本発明は、クランプ又は発射の不成功を検出するシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００４】
低侵襲性外科技術は、診断又は外科手術中に損傷を受ける無関係な組織の量を低減することを目的としており、それによって患者の回復時間、不快感、及び有害な副作用を低減させている。結果として、標準的な外科手術のための入院の平均日数が、低侵襲性外科技術を使用して大幅に短縮することができる。また、患者の回復時間、患者の不快感、外科的副作用、及び仕事から離れる時間を、低侵襲性手術によって低減することもできる。
【０００５】
低侵襲性手術の一般的な形式は、内視鏡検査であり、内視鏡検査の一般的な形式は、腹腔内部の低侵襲性検査及び手術である腹腔鏡検査である。標準的な腹腔鏡手術において、患者の腹部にガスが注入され、カニューレ・スリーブが、腹腔鏡器具のための入口ポートを提供するために、小さな（約１．２７ｃｍ（１／２インチ）以下の）切開部を通る。
【０００６】
腹腔鏡手術器具は、手術部位で作業するための手術野やツールを視認するための内視鏡（例えば腹腔鏡）が一般的に含まれる。作業ツールは、作業端部を除いて、すなわち各ツールのエンドエフェクタが、延長チューブ（例えば、器具シャフト又はメインシャフトとしても知られている）によってそのハンドル部から分離されることを除いて、典型的には、従来の（開腹）手術に用いられているものと同様である。エンドエフェクタは、例えば、クランプ、把持具、はさみ、ステープラ、焼灼ツール、線状カッター、又は針ホルダを含むことができる。
【０００７】
外科処置を実施するために、外科医は、カニューレ・スリーブを通して内部の手術部位に作業ツールを通過させるとともに、腹部外からそれらツールを操作する。外科医は、内視鏡から取得された手術部位の画像を表示するモニタを用いて処置を視認する。同様の内視鏡技術が、例えば、関節鏡検査、レトロ腹腔鏡検査（retroperitoneoscopy）、骨盤検査、腎腔鏡検査(nephroscopy)、膀胱鏡検査、脳槽鏡検査(cisternoscopy)、洞房鏡検査(sinoscopy)、子宮鏡検査、尿道鏡検査等で使用されている。
【０００８】
低侵襲性遠隔手術ロボットシステムは、内部手術部位で作業を行う際に外科医の手先が器用な作業を高めるだけでなく、外科医が遠隔位置（無菌区域外）から患者を手術できるようにするために開発されている。遠隔手術システムにおいて、外科医には、大抵の場合、制御コンソールに手術部位の画像が提供されている。適当なビューアやディスプレイ上で手術部位の画像を視認しながら、外科医は、制御コンソールのマスター入力や制御装置を操作することによって、患者に外科処置を行っている。マスター入力装置の各々は、サーボ駆動によって機械的に駆動される／関節運動する手術用器具の動きを制御する。外科処置中に、遠隔手術システムは、エンドエフェクタを有する様々な手術器具又はツールの機械的作動と制御とを提供することができ、ここで、エンドエフェクタは、マスター入力装置の操作に応答して、例えば、針を保持又は駆動させ、血管を把持し、組織を切開する等の、外科医のために様々な役割を行う。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ロボットによらないリニアなクランプ、切断及びステープル留め用デバイスは、様々な外科処置に用いられてきた。例えば、このような装置は、胃腸管の癌性又は異常な組織を切除するために使用することができる。残念なことに、リニアなクランプ、切断及びステープル留め用デバイスを含む多くの周知の手術装置は、所望のクランプ力未満の力を生成する対向している顎部を有しており、この構成によって、手術用デバイスの有効性を低減させている。これらの手術装置が、適用可能な外科処置（例えば、組織のステープル留め）のためにより高いレベルのクランプ力を生成するように開発されてきたが、高い力で顎部をクランプすることは、定期的に失敗する。また、組織をシールするためにステープルを発射することは、失敗することがある外科医がクランプされた又はステープル留めされた組織のクリアな視界を有しておらず、且つ身体内に挿入されたツールが、重要な大きさとスペースの制限とによって制約されるので、クランプやステープルの発射が不成功になったことを検出することは、いくつかの低侵襲性手術用途において困難であることが判明した。ロボットシステムにおける外科医の触覚フィードバックは、多少制限されているので、クランプ又は発射処置が完了するまでに不成功が発生した場合に、外科医は気付いていない可能性がある。上述したことを踏まえると、その不成功が発生した時に外科医がクランプ又はクランプ不成功を検出することが可能になることが望ましく、そのため、その処置は、組織損傷の可能性を低減させる及び／又は外科医が損傷を受けた任意の組織の影響を軽減させるようにするために、一時中断する又は部分的に変更することができる。低侵襲性外科手術環境に関連する制限を考慮すると、エンドエフェクタのプロファイルに実質的に追加することなく、体外から不成功を検出することが望ましい。
【００１０】
このように、不成功を検出するとともに、ユーザに不成功を表示すことができ、さらに低侵襲性処置の要求と両立することができる方法とシステムが望ましい。そのようなツールは、外科用途において、特に低侵襲性手術用途において有益となり得る。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
クランプ及び／又はステープル発射の不成功を検出するとともに表示するための改善されたシステム及び方法が提供される。本発明の方法及びシステムは、顎部同士の間に把持された材料のクランプ又はクランプされた材料内へのステープルの発射が不成功となった可能性があるか否かを検出することに関する。本発明のシステム及び方法は、クランプ又は発射のプロセス中にクランプ又は発射の不成功を検出することができ、それによって、不成功が発生した後に、クランプ又はステープルの発射を継続することによる組織の損傷の可能性を低減させることができる。本発明のシステム及び方法は、エンドエフェクタの２つの顎部の間の身体組織をクランプすることと、クランプされた組織内にステープルを発射することとを伴う外科用途において特に有用である。多くの外科用途は、切断、シーリング及び／又はクランプされた組織のステープル留めをするために十分なクランプ力で身体組織をクランプすることが必要である。クランプとステープルの発射とが、組織マニピュレーションよりも比較的に高い力を必要とするので、クランプ又は発射の際の不成功は、デリケートな組織への損傷を潜在的に引き起こす可能性がある。本発明の方法及びシステムは、その不成功が発生すると直ぐに不成功を表示するとともに体外から不成功の検出が可能になるような低侵襲性手術用途において特に有利である。本明細書に開示された様々な実施形態は、外科用途に関して主に説明されるが、これらの外科用途は、単に例示的な用途であり、開示されたエンドエフェクタ、ツール、及び方法は、人体の内部と外部の両方だけでなく、非外科的な用途の、他の適切な用途に使用することができる。
【００１２】
第１の態様において、本発明は、モータにより駆動される顎部同士の間の材料のクランプの不成功を検出する、又はモータ等のアクチュエータによって駆動されるステープルの発射の際の不成功を検出する方法を提供している。この方法は、クランプ力又は発射力の適用中に、アクチュエータ又はモータの駆動パラメータを監視するステップと、監視対象の駆動パラメータに応答して、クランプ又は発射の不成功の表示をユーザインタフェイス上に出力するステップとを含む。典型的に、モータのトルク出力や作動機構の変位等のアクチュエータの監視対象の駆動パラメータが、駆動パラメータの許容範囲外となる場合に、クランプ又は発射の不成功の表示が発生する。この表示は、また、クランプ又は発射の不成功の可能性を示すことができ、ここで、不成功の可能性は、第１の可能性と第２の可能性との間の傾きの範囲内に収まり、第１の可能性は、不成功の可能性であり、第２の可能性は、成功の可能性である。多くの実施形態において、クランプされるとともにステープル留めされた材料が、外皮又は、腸、胃や肺等の臓器を含む生体組織である。
【００１３】
多くの実施形態において、方法及びシステムは、エンドエフェクタの第１顎部と第２顎部との間でのクランプ中に又はクランプされた組織内へのステープルの発射中に、駆動パラメータを監視するステップを含む。多くの場合、クランプされた組織は、切断線に沿って組織の両側が、組織をシールするために手術用ステープルの列によってステープル留めされた後に、切断される。エンドエフェクタは、一般に、低侵襲性ロボット手術システムの一部である。第１顎部と第２顎部とが、２つの別々の顎部であり、エンドエフェクタの一部に対して関節運動可能な第１の顎部を備えることができ、その場合には、エンドエフェクタの一部は、第２顎部を備える。一態様において、方法は、エンドエフェクタの第１顎部と第２顎部との間で材料をクランプするステップ、又は典型的にはクランプ又は発射するためのユーザからのコマンドに応答して、クランプされた材料内へステープルを発射するステップを含む。このシステムは、クランプ力をクランプに適用するか、又は発射力をステープルに適用してクランプすること又発射することを生じさせている。クランプ又は発射が発生すると、このシステムは、クランプ又は発射力を適用するアクチュエータの駆動パラメータを監視する。監視対象の駆動パラメータに応答して、システムは、クランプ又は発射が不成功であるか又はクランプ又は発射が成功したかの表示をユーザインタフェイス上に出力する。
【００１４】
多くの実施形態において、クランプ又は発射が不成功である可能性の表示は、監視対象の駆動パラメータが、トルク出力の範囲等のアクチュエータの所望の駆動パラメータの許容範囲外となることに応答して提供される。多くの場合、駆動パラメータの許容範囲は、アクチュエータやモータの変位によって変化し、それによって、駆動パラメータの許容範囲は、エンドエフェクタの構成に依存して異なる可能性がある。例えば、（クランプが開いた構成から開始されるように）アクチュエータ又はモータの初期変位における駆動パラメータの許容範囲は、最終的な変位（例えば、クランプが、閉鎖／クランプされた構成されている場合）における駆動パラメータの許容範囲と異なっていてもよい。同じことが発射機構の別の初期構成と最終的な構成とにも当てはまる。システムは、アクチュエータに生じる運動の変位を感知すること、又はアクチュエータがクランプ又は発射を生じさせる機構により、エンドエフェクタの構成を検出してもよい。クランプ又は発射は、アクチュエータをエンドエフェクタ及び／又はステープルに結合する１つ以上の機構を介して駆動パラメータによって行われる。この機構（複数可）は、ケーブル、ハイポチューブ、又はリードスクリューを含むことができる。多くの実施形態において、クランプの不成功の可能性を示す表示は、ユーザインタフェイスのディスプレイ上に示される視覚表示だけでなく、音声信号、視覚信号、又は他の感覚表示によってユーザに伝達することもできる。
【００１５】
別の態様において、方法又はシステムは、クランプ又はステープルの発射の際に不成功又は不成功の可能性の表示に応答して、アクチュエータの駆動を一時中断させることができる。この方法はまた、不成功の表示後に駆動パラメータを維持するステップ、又はステープルの発射を駆動させる力を一時中断させながら、クランプを駆動させる駆動パラメータを維持するステップを含むことができる。多くの実施形態において、一旦適用された又は確立されたクランプ力を維持するために入力が必要ないように、クランプ機構は、逆駆動不可能である。このような場合に、入力によって、クランプを解除し、リードスクリューの動きを逆転させる必要がある。この方法は、不成功の表示を出力した後、クランプを解除するために駆動力を逆転させるステップを含むことができる。
【００１６】
多くの実施形態において、システムは、エンドエフェクタと、センサと、ユーザインタフェイスとを備える。エンドエフェクタの第１顎部及び第２顎部は、第１顎部及び第２顎部の間で材料をクランプするために、アクチュエータを駆動させることによって、クランプ力を生成するようにアクチュエータに結合されている。システムはまた、身体組織内にステープルを発射するために、アクチュエータを駆動させることによって発射力を発生するようにステープルに着脱可能に結合されたモータ等のアクチュエータを含むこともできる。クランプ及び発射アクチュエータは、単一のアクチュエータであってもよいし、別個のアクチュエータであってもよい。このシステムは、クランプ力又は発射力をエンドエフェクタに適用するための駆動パラメータを監視するためのセンサを含むことができる。センサは、別個のセンサであってもよく、又はロボット手術システムに組み込むことができ、また、モータや機構の変位を監視することもできる。このシステムはまた、監視対象の駆動パラメータを、所望の駆動パラメータ又はパラメータの範囲と比較するためのプロセッサを含むこともできる。プロセッサは、所与の変位について駆動パラメータの許容範囲を決定することができる。
【００１７】
システムは、クランプ及び発射をそれぞれ生じさせるための第１の作動機構と第２の作動機構とを含むことができる。第１の作動機構と第２の作動機構とは、クランプモードと発射力モードの力要件に対応する異なる力伝達機構を用いることができる。例えば、開いた位置から閉じた位置に顎部を移動させるために、第１顎部の作動機構によって使用される力は、直線力又はトルクとすることができ、組織を貫通させてステープルを発射するために、第２顎部の作動機構によって使用される力は、トルクを含むことができる。多くの実施形態において、第１の作動機構は、高い力のクランプモードにおいて使用するためのリードスクリュー被駆動機構を含み、第２の作動機構が、ステープルの発射の際に使用するための第２のリードスクリュー被駆動機構を含む。あるいはまた、クランプ及び発射は、同じ機構の一部又は同じ機構を利用することができる。
【００１８】
本発明の本質及び利点のより完全な理解のために、参照が、以下の詳細な説明及び添付図面が参照されるべきである。本発明の他の態様、目的及び利点は、以下の図面及び詳細な説明から明らかになろう。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】多くの実施形態に従った、手術を実施するために使用される低侵襲性ロボット手術システムの平面図である。
【図２】多くの実施形態に従った、ロボット手術システムのための外科医用制御コンソールの斜視図である。
【図３】多くの実施形態に従った、ロボット手術システムの電子機器カートの斜視図である。
【図４】多くの実施形態に従った、ロボット手術システムを概略的に例示する図である。
【図５Ａ】多くの実施形態に従った、ロボット手術システムの患者側カート（手術ロボット）の正面図である。
【図５Ｂ】ロボット手術ツールの正面図である。
【図６Ａ】多くの実施形態に従った、関節接合式顎部を有するエンドエフェクタの斜視図である。
【図６Ｂ】多くの実施形態に従った、図６Ａのエンドエフェクタの斜視図である。（リードスクリュー作動機構の構成要素をより良く例示すために関節接合式顎部が取り除かれた状態である）。
【図７Ａ】多くの実施形態に従った、リードスクリュー作動機構の構成要素を例示する図である。
【図７Ｂ】多くの実施形態に従った、リードスクリュー作動機構の構成要素を例示する図である。
【図８Ａ】多くの実施形態に従った、ケーブル作動機構の構成要素を例示する図である。
【図８Ｂ】多くの実施形態に従った、関節接合式顎部の後方に配置されたケーブル作動機構の構成要素を示すために関節接合式顎部の一部が取り除かれた状態の図８Ａのエンドエフェクタの斜視図である。
【図８Ｃ】図８Ａのケーブル作動機構の反対側の構成要素を例示する図である。
【図８Ｄ】図８Ａのケーブル作動機構の反対側の構成要素を例示する図である。
【図８Ｅ】図８Ａのケーブル作動機構の反対側の構成要素を例示する図である。
【図８Ｆ】図８Ａのケーブル作動機構の反対側の構成要素を例示する図である。
【図９Ａ】多くの実施形態に従った、クランプされた構成に向けて顎部を関節運動させるために使用するケーブルを示す、ケーブル作動機構を例示する斜視図である。
【図９Ｂ】開いた構成に向けて顎部を関節運動させるために使用するケーブルを示す、図９Ａのケーブル作動機構を例示する斜視図である。
【図１０】多くの実施形態に従った、リードスクリュー作動機構の構成要素を例示する断面図である。
【図１１】多くの実施形態に従った、ツールアセンブリの簡略化した概略図である。
【図１２】多くの実施形態に従った、ロボットのツールマニピュレータに取り付けられたロボットツールの簡略化した概略図である。
【図１３】多くの実施形態に従った、遠隔ロボット手術システムの概略図である。
【図１４Ａ】多くの実施形態に従った、クランプ不成功の表示を有するユーザインタフェイス・アセンブリを例示する図である。
【図１４Ｂ】多くの実施形態に従った、クランプ不成功の表示を有するユーザインタフェイス・アセンブリを例示する図である。
【図１５Ａ】多くの実施形態に従った、クランプ不成功の表示の例を示す図である。
【図１５Ｂ】多くの実施形態に従った、クランプ不成功の表示の例を示す図である。
【図１６Ａ】多くの実施形態に従った、モータ変位とともに変化するモータトルクの許容範囲と比較されるような、クランプ中の例示的なモータトルクを示す図である。
【図１６Ｂ】多くの実施形態に従った、モータ変位とともに変化するモータトルクの許容範囲と比較されるような、クランプ中の例示的なモータトルクを示す図である。
【図１７】多くの実施形態に従った、方法を例示する図である。
【図１８】多くの実施形態に従った、方法を例示する図である。
【図１９】多くの実施形態に従った、方法を例示する図である。
【図２０】多くの実施形態に従った、方法を例示する図である。
【図２１】多くの実施形態に従った、方法を利用するフローチャートを例示する図である。
【図２２】多くの実施形態に従った、方法を利用するフローチャートを例示する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
クランプ及び／又は締結具発射に関連する改良されたシステム及び方法が、提供される。本発明は、クランプ中に所与の材料のクランプに不成功したか否かの表示を提供することに関する。本発明は、材料をクランプする又はクランプされた材料内にステープルを発射するための顎部材を有するシステムにおいて使用することができる。本発明のシステム及び方法は、低侵襲性手術用途に特に有用であり、それら用途は、体外から制約された環境において不成功検出を可能にしている。このようなシステムは、多くの場合、身体組織をクランプするとともに、比較的に高い力でこの組織内に針を発射するような顎部を有するエンドエフェクタを含む。高いクランプ力でクランプすることにより、ユーザはハードクランプを必要とする様々な処置を行うことができる。例えば、医師は、組織の切断、シールやステープル留めの前に、身体組織のハードクランプが必要な場合がある。ステープル又は他の締結具を発射することは、身体組織を貫通させてステープルを駆動するために比較的大きな力が必要な場合がある。クランプ及びステープル発射は、限られた外科の領域に適用された比較的に大きな力を利用しているので、クランプ又は発射の不成功は、デリケートな組織を損傷させる可能性を有している。本発明の発明及び方法は、エンドエフェクタのプロファイルを増大させることなく、身体の外側からのクランプ又は発射プロセス中にクランプ又は発射の不成功を検出することを可能とするので、有利となる。このような方法及びシステムは、低侵襲性手術ツールの低減された大きさを維持しながら、患者のための増大した機能及び安全性を可能にする。本明細書に開示された様々な実施形態は、外科用途に関して主に説明されるが、これらの外科用途は、単に例示的な用途であり、開示されるシステム及び方法は、人体の内側及び外側の両方で、他の適切な用途に用いることができるだけでなく、非外科的な用途にも用いることができる。
【００２１】
典型的には、本発明を利用するシステムは、材料をクランプするために２つの顎部を有する及び／又はクランプされた材料を貫通させてステープル又は締結具を発射させるエンドエフェクタを含む。２つの顎部は、エンドエフェクタに取り付けられた関節接合式顎部を備えることができ、これは、エンドエフェクタの一部に向けて関節接合式顎部を移動させることによって、第２顎部がエンドエフェクタの一部分となる。多くの実施形態では、システムは、エンドエフェクタの顎部を関節運動させるために２つの独立した機構を使用する。第１の作動機構は、閉じた（把持された）構成と開いた構成との間で関節接合式顎部の位置を変化させるような高速応答／低い力モードを提供している。多くの実施形態において、第１の作動機構は、逆駆動可能である。例えば、低い力での把持モードにおいて、第１の作動機構は、第１顎部と第２顎部との先端同士の間に２．２６８ｋｇ(5  lbs)のクランプ力を提供するように設計することができる。第２の作動機構は、より高いクランプ力において、顎部同士の間で身体組織をクランプするために高い力のクランプモードを提供する。大抵の場合、第２の作動機構は、逆駆動不可能である。第２の作動機構は、比較的に弱い力又はトルク（ただし、大きな変位可能である）を、エンドエフェクタの顎部を回転させるような比較的に高いトルクに変換する。第２の作動機構は、クランプされた顎部の先端同士の間に、例えば２２．６８ｋｇ(50  lbs)のクランプ力を提供するように設計することができる。
【００２２】
典型的に、本発明の方法を使用する用途において、外科医は、比較的に高いクランプ力で身体組織をクランプし、一旦クランプすると、一連のステープルをクランプされた組織を貫通させるように発射させ、それによってこの組織をシールする。定期的に、顎部は、この組織をクランプすることに不成功になることがあり、その結果、潜在的に組織への損傷を生じさせている。組織をクランプすることは、様々な理由で不成功になることがあり、それらの理由は、顎部同士の間に把持された非常に多くの組織が存在することやこれら顎部同士の間に把持された不十分な組織が存在することを含み、骨等の隣接する組織からの干渉や顎部同士の間からの組織の滑脱を含む。クランプが成功した場合でも、ステープルや他の締結具の発射は、様々な理由で不成功となることがあり、それらの理由は、ステープルの詰まり、材料の不整合、別の材料からの干渉、又はクランプ材料の滑脱を含む。従って、クランプ又は発射のプロセス中にクランプ又は発射の不成功が発生したことを検出することができ、そのような不成功を医師に表示することができるようなシステム及び方法は有利となり、それによって組織の損傷を生じさせる可能性を低減させている。組織損傷は、本発明の方法の使用によって回避することができ、この方法は、クランプ又は発射プロセスを終了するステップ、すなわち不成功が表示された後に、ユーザはこのプロセスを終了又は変更することを可能にするステップを含む。説明されるシステム及び方法は、そのような不成功を検出するとともに、クランプの間に及び／又はクランプされた材料内にステープルを発射させる間に、不成功又は不成功の可能性の表示をユーザに提供する。クランプ位置において、顎部同士の間の距離が、クランプされた組織を貫通させるようにステープルを発射させるような治療を行うために十分である場合に、クランプは、成功したとみなすことができる。この距離は、組織の種類、治療の種類、又はクランプされた組織を貫通して発射されるステープルの寸法を含む様々な要因に応じて変化する。一態様では、本発明の方法及びシステムは、クランプ及び／又はステープル発射を駆動させるアクチュエータ又はモータの駆動パラメータを監視することによって不成功を検出する。好ましい実施形態では、モータは、エンドエフェクタとともにクランプ及び／又はステープル発射を生じさせるために、例えば、駆動パラメータ又はトルク等の力出力を機構に提供する。システムは、駆動パラメータが、所望の駆動パラメータの許容範囲内にあるか否かを判定することができる。駆動パラメータの許容範囲は、モータの変位や機構に生じる運動に応じて変化する場合がある。典型的に、クランプ又は発射が不成功になった場合に、駆動モータの力出力が、例えばクランプする顎部同士の間の材料の欠如により最小許容力を下回り、又は力出力が、例えば骨上でクランプする又は機構の詰まりにより最大許容力を超えるスパイクが生じる。いずれかの場合においても、モータの駆動を続けると、周囲の材料や組織への損傷を生じさせる可能性がある。材料のクランプ及び／又は組織内への発射中に駆動モータの力出力を監視することによって、本発明の方法及びシステムは、クランプ又は発射中に不成功や不成功の可能性を検出するとともに、そのような不成功又は不成功の可能性の表示をユーザに出力する。さらに、このシステム及び方法は、自動的にクランプ又は発射を終了する、又は不成功の表示を提供した後に、ユーザからのさらなる入力を待つことができる。理想的には、この方法は、クランプ又はステープル発射中の駆動パラメータを監視するステップと、監視対象の駆動パラメータに応答して、クランプ又は発射の不成功の可能性の表示を提供するステップとを含む。
【００２３】
低侵襲性ロボット手術
同様の参照番号が、いくつかの図面を通して同様の部品を表する図面を参照する。図１は、本発明の一実施形態の平面図である。図１には、低侵襲性手術用ロボット（ＭＩＲＳ）システム１０が例示されており、このシステム１０は、典型的には、手術台１４上に横たわっている患者１２に低侵襲性診断又は外科処置を行うために使用される。このシステムは、処置の間に外科医１８によって使用される外科医用コンソール１６を含むことができる。１人以上のアシスタント２０はまた、処置に加わることができる。ＭＩＲＳシステム１０は、患者側カート２２（手術ロボット）と、電子機器カート２４とを含むことができる。患者側カート２２は、少なくとも１つの着脱可能に結合されたツールアセンブリ２６（以下、単に「ツール」と称する）を患者１２の身体内において低侵襲性切開部を通して操作しながら、外科医１８は、コンソール１６を通じて手術部位を視認することができる。ツールアセンブリ２６は、エンドエフェクタ２５を含んでおり、このエンドエフェクタは、組織をクランプするための顎部を有するとともに、クランプされた組織を貫通させてステープルを発射するための機構を有する。手術部位の画像は、立体視鏡等の内視鏡２８によって取得することができ、この内視鏡は、内視鏡２８を向き合わせするために、患者側カート２２によって操作できる。電子機器カート２４は、外科医用コンソール１６を通じて外科医１８に、継続した表示のために手術部位の画像を処理するために使用することができる。電子機器カート２４は、モータ出力によってエンドエフェクタに提供された駆動パラメータを監視するためのプロセッサ２７を含む。このプロセッサ２７は、駆動パラメータを駆動パラメータの許容範囲と比較することによって、駆動パラメータを監視することができる。駆動パラメータの許容範囲は、モータの変位又はエンドエフェクタの機構に生じる運動に伴って変化する可能性があるので、プロセッサ２７は、クランプ及び／又は発射中にモータの変位又はエンドエフェクタの機構に関して変位データを受信することもでき、それによって、プロセッサ２７は、監視対象の駆動パラメータを所定の変位についての駆動パラメータの許容範囲に対して比較する。この変位データは、直接測定してもよく、ロボットの患者側マニピュレータ（ＰＳＭ）システム等のロボットシステムにより得られた位置データ、又はそれらの導関数から決定することができ、例えば、米国特許出願公報第２００７／０００５０４５号明細書に記載されており、この文献は、参照により内容の全体が本明細書に組み込まれる。監視対象の駆動パラメータに応答して、プロセッサ２７は、クランプ不成功の表示をユーザインタフェイスに出力することができる。システム１０は、次に、クランプ又は発射が不成功したか否かを外科医に伝達するために、外科医用コンソール１６上の医師に予測の表示を伝える。
【００２４】
図２は、外科医用コンソール１６の斜視図である。この外科医用コンソール１６は、奥行き知覚を可能にする手術部位の協調立体視を外科医１８に提示するために左眼用ディスプレイ３２と右眼用ディスプレイ３４とを備える。コンソール１６は、一つ以上の入力制御装置３６をさらに含んでおり、この装置３６は、次に、患者側カート２２（図１に示される）に１つ以上のツールを操作させている。入力制御装置３６は、テレプレゼンス(telepresence)を外科医に提供するために、それらの関連ツール２６（図１に示される）と同じ自由度を提供する、又は入力制御機器３６が、ツール２６と一体となるような奥行き知覚を提供し、それによって、外科医が、ツール２６を直接制御する強い感覚を有することになる。この目的のために、位置、力、及び触覚フィードバックセンサ（図示せず）は、ツール２６からの位置、力、及び触感を、入力制御装置３６を通じて外科医の手に返信するために使用することができる。
【００２５】
外科医用コンソール１６は通常、患者と同じ部屋に位置しており、それによって、外科医は、処置を直接監視するとともに、必要に応じて物理的に存在することができ、且つ電話又は他の通信媒体上で話すのではなく、直接アシスタントと話すことができる。しかし、外科医は、別の部屋に、完全に別の建物に、又は遠隔外科処置（すなわち、無菌区域外から手術する）が可能になるように患者から離れた他の遠隔場所に位置することができる。
【００２６】
図３は、電子機器カート２４の斜視図である。電子機器カート２４は、内視鏡２８と結合させることができ、且つ駆動パラメータを監視するとともに、監視対象の駆動パラメータに応答して、クランプ不成功の表示を判定するためのプロセッサ２７を含むことができる。プロセッサ２７はまた、外科医のコンソール上で又は、ローカル及び／又は遠隔地にある他の任意の適切なディスプレイ上で外科医に継続して表示するために、捕捉した画像を処理することができる。
【００２７】
図４は、（図１のＭＩＲＳシステム１０等の）ロボット手術システム５０を概略的に例示しており、ここで、プロセッサ５８とディスプレイ６０とが、電子機器カート５６と外科医用コンソール５２とは別個に図示されている。上述したように、（図１における外科医用コンソール１６等の）外科医用コンソール５２は、低侵襲性処置中に、（図１の患者側カート２２等の）患者側カート５４（手術ロボット）を制御するために外科医によって使用することができる。身体組織をシールするためのステープルを発射する準備のために、外科医は、エンドエフェクタの顎部材同士の間にクランプするように、患者側カート５４のツールにコマンドを出力することができる。このコマンドに応答して、プロセッサ５８は、システムにコマンドを出力して、顎部と一緒に移動を開始する機構と係合させるために、モータの駆動を開始するとともに、クランプ力を所望のクランプ力に増大させるようにすることができる。顎部が一緒に移動を開始するとともに、クランプ力が増大するときに、プロセッサ５８は、モータの駆動パラメータを連続的に監視し、且つモータが所望のクランプ力でクランプするように顎部を駆動させるために、駆動パラメータを駆動パラメータの許容範囲と比較する。クランプ中の任意の時点で、駆動パラメータが、許容範囲の駆動パラメータを超過する又は下回ると、プロセッサ５８は、ユーザインタフェイス上にクランプ不成功の表示を出力することができる。クランプ不成功の検出に応答して、プロセッサ５８はまた、モータの駆動を一時中断するステップ、ステープルの発射を防止するステップ、検出されたクランプ不成功の発生時のクランプ力を維持するステップ、ユーザ入力を待つステップ、及び組織のクランプを解除するステップ等の追加機能のコマンドを出力することができる。同様に、プロセッサ５８は、成功裏にクランプされた組織を貫通させてステープルを発射する間に、駆動パラメータを連続して監視する。駆動パラメータが所望の駆動パラメータの許容範囲外になることに応答して、プロセッサ５８は、ユーザインタフェイス上に不成功の表示を出力することができる。発射不成功の検出に応答して、プロセッサ５８は、発射を終了するステップ、モータの駆動を一時中断するステップ、発射を防止しつつ、組織のクランプを維持するステップ、又はユーザ入力を待つステップ等の他の機能のコマンドを出力することができる。
【００２８】
当業者は、クランプ不成功の表示が、クランプ不成功の可能性がどれ位のものかの表示を含むことができることを理解するであろう。例えば、プロセッサ５８は、不成功の可能性０％から不成功の可能性１００％の範囲のクランプ不成功の可能性を示すクランプ不成功の表示を出力することができ、こうして、不成功表示によって示される不成功の可能性が増加することに基づいて、実際の不成功が発生する前に、ユーザが処置を調整したり、終了することができる。いくつかの実施形態では、監視対象の駆動パラメータが、駆動パラメータの許容範囲内にある場合に、次に、不成功の可能性を表す不成功表示は、０〜４９％の範囲内にある不成功の可能性を表すことができる。別の実施形態において、この範囲は、色のグラデーション等の非数値的階調を含むグラデーションとして表すことができる。不成功表示によって伝達された不成功の可能性に依存して、外科医は、次に無事に身体組織のクランプを安全に進めることができる、又はディスプレイ６０が、クランプのより高い可能性又は発射の成功を示すまで、クランプを中断するとともに、顎部を再配置することができる。
【００２９】
図５Ａ及び図５Ｂは、それぞれ、患者側カート２２と外科器具６２とを示している。外科器具６２の１つである手術器具２６は、組織をクランプするとともにクランプされた組織内にステープルを発射するための１組の顎部材を有するエンドエフェクタの一例である。示された患者側カート２２は、３つの手術器具２６と、処置の部位の画像を捕捉するために使用される立体内視鏡等の撮像装置２８との操作のために提供されている。操作は、多数のロボット関節部を有するロボット機構によって提供される。撮像装置２８と手術器具２６とは、運動リモートセンターが切開部の大きさを最小化するために切開部に維持されるように、位置決めされるとともに患者の切開部を通して操作することができる。手術部位の画像は、撮像装置２８の視野内に位置する手術器具２６の先端側端の画像を含むことができる。
【００３０】
独立した作動機構を有する組織クランプ及びステープル発射
多くの実施形態において、２つの独立した作動機構が、エンドエフェクタの関節接合式顎部の関節運動を制御するために使用される。第１の作動機構は、高い力のクランプモードを提供するために使用することができ、第２の作動機構は、高い力の発射モードを提供するために使用することができる。多くの実施形態において、高いクランプ力と高い発射力を提供するように使用される第１の及び第２の作動機構は、逆駆動不可能である。第１の及び第２の作動機構は、第１の及び第２のリードスクリューを備えることができる。独立した作動機構を使用することによって、同じ処置の間に様々な機能のために異なる力を必要とするいくつかの外科的用途、例えば、電気焼灼シーリング、ステープル留め等において有益となり得る。
【００３１】
多くの実施形態において、高い力のクランプモードでの顎部の作動が、リードスクリュー被駆動カムを含むリードスクリュー作動機構によって提供される。この被駆動カムは、リードスクリュー被駆動カムが、その動作範囲の第１端部にある場合に、関節接合式顎部を閉じた（クランプされた）構成に保持するために、関節接合式顎部上のカム面と嵌合するように接続される。さらに、リードスクリュー被駆動カムは、その運動範囲の第２端部（反対側の端部）にあるときに、被駆動カムは、関節接合式顎部の動きを制限していない。換言すれば、嵌合されるカム面は、一方向のリードスクリュー被駆動カムの動きによって、関節接合式顎部が閉じられ、逆方向のリードスクリュー被駆動カムの動きによって、関節接合式顎部が、カム面によって提供される限度まで開くことが可能になる（ただし、力は加えていない）ように配置される。多くの場合、リードスクリュー作動機構は、逆駆動不可能である。多くの実施形態において、エンドエフェクタの顎部材の位置は、ケーブル作動機構の位置によって決定することができ、又はリードスクリューによって駆動される場合に、リードスクリューの位置によって決定することができる。このシステムは、クランプ力においてクランプを生じさせるための駆動部と発射力においてステープルの発射を生じさせるための駆動部とを有するデュアル駆動モータを含むことができる。モータは、既存のモータや駆動部を利用して、又は追加の駆動部やモータを利用して、ステープルの発射を生じさせている。本発明の方法及びシステムは、クランプや発射を駆動しているモータ、又は複数のモータの駆動パラメータを監視する。さらに、不成功が検出されたときにそのモータの駆動を終了させる又は停止させるステップは、別の駆動部の駆動を継続することやモータに他の機能を生じさせるステップを含んでもよい。例えば、発射不成功が表示された場合に、システムは、依然としてクランプ力の駆動を維持しながら、発射力を駆動させるステップを停止させ、組織のクランプを解除するためにユーザの指示を待つ。
【００３２】
図６Ａは、多くの実施形態に従った、２つの独立した作動機構によって関節接合された顎部７２を有するエンドエフェクタ７０の斜視図である。エンドエフェクタ７０は、エンドエフェクタの基部７４と、関節接合式顎部７２と、ステープルを保持する取り外し可能な固定顎部７６とを含む。エンドエフェクタ７０は、第１駆動シャフト７８と、第２駆動シャフト８０と、２つの作動ケーブル（図示せず）とを介して作動される。第１駆動シャフト７８は、リードスクリュー作動機構のリードスクリュー８２を回転させ、このリードスクリュー８２は、固定顎部７６内に位置する。第２駆動シャフト８０は、取り外し可能な固定顎部７６の別のリードスクリュー（図示せず）を回転させる。
【００３３】
多くの実施形態において、第１駆動シャフト７８及び／又は第２駆動シャフト８０は、エンドエフェクタ７０が器具シャフトを介して結合されるように、基端側ツールシャーシに位置する駆動機構によって駆動される。多くの実施形態において、基端側ツールシャーシは、ロボットマニピュレータのツールに着脱可能に搭載されるように構成されている。多くの実施形態において、第１駆動シャフト７８と第２駆動シャフト８０とは、基端側ツールシャーシに位置するそれぞれの駆動機構を介して作動される。多くの実施形態において、このような駆動機構は、基端側ツールシャーシに配置されるモータによって駆動される。
【００３４】
図６Ｂは、多くの実施形態に従った、図６Ａのエンドエフェクタ７０の斜視図である（リードスクリュー作動機構の構成要素をより良く例示するために関節接合式顎部７２が取り除かれた状態である）。リードスクリュー８２は、エンドエフェクタの基部７４に対して回転するように取り付けられている。リードスクリュー被駆動カム８４は、リードスクリュー８２の選択される回転によって、エンドエフェクタの基部７４においてリードスクリュー被駆動カム８４をカムスロット８６に沿って選択的に平行移動させて使用することができるように、リードスクリュー８２に結合されている。エンドエフェクタ７０は、関節接合式顎部７２をエンドエフェクタの基部７４と回転結合するように使用される旋回ピン８８を含む。
【００３５】
図７Ａ〜図１０は、エンドエフェクタが、クランプモードにおいてその顎部同士の間の身体組織をクランプするとともに、クランプされた組織内にステープルを発射するような作動機構を例示している。
【００３６】
図７Ａ及び図７Ｂは、図６Ａ及び図６Ｂのリードスクリュー作動機構を例示している。リードスクリュー８２は、先端側ジャーナル面９６と、基端側ベアリング９８に接する基端側ジャーナル面とを有している。多くの実施形態において、先端側ジャーナル面９６は、カムスロット８６の先端に位置する円筒状の容器内に受容されている。リードスクリュー８２のこのような先端側支持体は、リードスクリュー８２が過度に揺れることから保持するとともに、先端側ジャーナル面９６と円筒状容器との間に比較的大きなクリアランス（複数可）を有するように構成することができる。基端側ベアリング９８は、リードスクリュー８２の基端を支持するために、エンドエフェクタの基部７４によって支持されている。基端側ベアリング９８は、摩擦及び摩耗を低減するのに役立つことができるボールベアリングとすることができる。先端側ベアリング（図示せず）は、リードスクリュー８２の先端を支持するために、エンドエフェクタの基部７４によって支持することができ、この先端側ベアリングは、ボールベアリングとすることができる。リードスクリュー被駆動カム８４は、リードスクリュー８２の雄ねじと嵌合するように構成されたねじ穴を含んでいる。リードスクリュー被駆動カム８４は、カムスロット８６の対応する頂面及び底面と相互作用するように構成された頂面及び底面を含む。リードスクリュー被駆動カム８４とカムスロット８６との間の相互作用は、リードスクリュー被駆動カム８４がカムスロット８６に対して相対的に回転することを防止し、それによって、リードスクリューの回転に応答して、リードスクリュー被駆動カム８４を、カムスロット８６に沿って平行移動させる。
【００３７】
関節接合式顎部７２は、嵌合カム面９４を含んでおり、この嵌合カム面９４は、カムスロット８６に沿ってリードスクリュー被駆動カム８４の位置によって、旋回ピン８８の周りの関節接合式顎部７２の回転運動が、リードスクリュー被駆動カム８４によって拘束されている程度を判定するように構成されている。関節接合式顎部７２は、第１の基端側部１００と中央スロットで区切られている第２の基端側部１０２とを含む。第１の及び第２の基端側は、関節接合式顎部７２が、旋回ピン８８を介してエンドエフェクタの基部７４に結合されるときに、エンドエフェクタの基部７４の対向する側に配置されている。第１の及び第２の基端側部１００，１０２の各々は、嵌合カム面９４を規定するとともに、リードスクリュー被駆動カム８４と基端側部１００，１０２との間のクリアランスを提供する凹部領域を含む。リードスクリュー被駆動カム８４が、カムスロット８６の基端側部に又はその近傍に位置しているときに（図７Ａ及び図７Ｂに例示された位置の近傍）、リードスクリュー被駆動カム８４と関節接合式顎部７２の嵌合カム面９４との間の接触によって、クランプされた構成において関節接合式顎部を保持する。リードスクリュー被駆動カム８４が、カムスロット８６の先端に位置するとき、旋回ピン８８の周りの関節接合式顎部の回転位置が、（リードスクリュー被駆動カム８４と関節接合式顎部７２の嵌合カム面９４との間にギャップがある）クランプされた構成と、（リードスクリュー被駆動カム８４と関節接合式顎部７２の嵌合カム面９４との間にギャップがある又はなくてもよい）開いた構成との間での回転位置の範囲についてリードスクリュー被駆動カム８４よって制約されない。カムスロット８６の基端と先端との間におけるリードスクリュー被駆動カム８４の位置について、拘束されない動きの範囲は、使用されるカム面に従って変化することができる。
【００３８】
関節接合式顎部７２の嵌合カム面９４を規定するために、基端側部１００，１０２の各々の凹部を使用することによって、多くの利点が提供される。例えば、基端側面を貫通して延びるスロットを横断するように対向する凹部を使用することによって、関節接合式顎部の基端側部１００，１０２に連続的な外面を提供し、その外面は、トラバース（横断）スロットの開口部で引掛るほど患者組織に引掛る可能性が高くない。トラバーススロットの欠如はまた、トラバーススロットを備えた基端側に比べて基端側部１００，１０２を補強するのに役立ち、従って、増大したクランプ剛性を提供する。このような基端側部１００，１０２は、２つの面において増大した剛性を有することができ、その増大した剛性は、外力の存在下において関節接合式顎部７２の整列を維持するのに役立つことができる。２つの面におけるこのような増大した剛性は、いくつかの外科用途、例えば組織ステープル留めにおいて有益であり、その組織ステープル留めは、ステープルとこのステープルを形成するアンビルポケットとの間の整列を維持する。さらに、トラバーススロットの代わりに凹部を使用することによって、開いたトラバーススロットの状態の基端側面を有する機構に比べて、異物により詰まりにくい作動機構を提供する。
【００３９】
リードスクリュー作動機構は、組織の切断又はシールを容易にするために、関節接合式顎部とエンドエフェクタの対向する顎部との間に所望のクランプ力を提供するように構成することができる。例えば、多くの実施形態において、リードスクリュー作動機構は、関節接合式顎部７２の先端部（旋回ピン８８から約５．０８ｃｍ(2  inches)）に少なくとも９．０７２ｋｇ（20  lbs）のクランプ力を提供するように構成される。多くの実施形態において、リードスクリュー作動機構は、関節接合式顎部７２の先端部に少なくとも２２．６８ｋｇ(50  lbs)のクランプ力を提供するように構成される。多くの実施形態において、関節接合式顎部７２の先端部に２２．６８ｋｇ(50  lbs)のクランプ力を生成するために、リードスクリュー８２への入力トルクが約０.２Ｎｍであり、リードスクリュー８２は、２９回回転する。このシステムは、モータの変位、クランプ機構又は発射機構の変位を検出することができ、又はリードスクリューの変位を感知することによってエンドエフェクタの構成により、変位を検出することができる。例えば、多くの実施形態において、システムは、クランプ機構及び発射機構の両方の動作範囲を決定するとともに、その動作範囲内のリードスクリューの変位を決定するために、処置を開始する前に較正される。このような較正によって、システムが、エンドエフェクタの構成を決定する、又はリードスクリューの変位から単に機構の変位を判定することができる。
【００４０】
リードスクリュー作動機構は、入手可能な材料と部品とを用いて作製することができる。例えば、リードスクリュー作動機構の多数の部品は、入手可能なステンレス鋼（複数可）から作製することができる。リードスクリュー被駆動カム８４は、擦れ合う表面（例えば、リードスクリュー８２；エンドエフェクタの基部７４；関節接合式顎部７２の基端側部１００，１０２）との摩擦を減らすために、（例えば、ＴｉＮ）でコーティングすることができる。撚り線ケーブルが第１の作動機構を駆動するために使用することができる。
【００４１】
図８Ａ〜図８Ｆは、多くの実施形態に従って、ケーブル作動機構１１０の構成要素を例示している。上述したように、リードスクリュー被駆動カム８４は、カムスロット８６の先端（すなわち、旋回ピン８８の近く）に位置することができる。上述したように、リードスクリュー被駆動カム８４の先端側の位置について、旋回ピン８８を中心にした関節接合式顎部７２の回転位置が、関節接合式顎部７２の回転位置の範囲について制約されていない。従って、旋回ピンを中心にした関節接合式顎部７２の回転位置は、ケーブル作動機構１１０によって制御することができる。ケーブル作動機構１１０は、クランプされた構成と開いた構成との間の関節接合式顎部の回転位置を変化させるように動作可能である。ケーブル作動機構１１０は、引張ケーブル１１２，１１４のペアを含む。ケーブル作動機構１１０は、クランプされた構成に向けて旋回ピン８８を中心にして関節接合式顎部７２を回転させるために使用される第１のリンク機構１１６と、開いた構成に向けて旋回ピン８８を中心にして関節接合式顎部７２を回転させるために使用される類似の第２のリンク機構１１８とを備える。（図８Ａ及び図８Ｂに示される）第１のリンク機構１１６は、旋回ピン１２２を介してエンドエフェクタの基部７４に対して回転するように取り付けられた回転リンク１２０を含む。接続リンク１２４は、回転リンク１２０を、旋回ピン１２６と旋回ピン１２８とを介して関節接合式顎部７２に結合する。第１のリンク機構１１６は、引張ケーブル１１２の引張動作を介して関節運動される。動作時には、引張ケーブル１１２の引張動作によって、旋回ピン１２２を中心にして時計方向に回転リンク１２０を回転させる。接続リンク１２４から得られた動作によって、クランプされた構成に向けて旋回ピン８８を中心にして反時計回りの方向に関節接合式顎部７２を回転させる。
【００４２】
ケーブル作動機構１１０の（図８Ｃ〜図８Ｆに示される）第２のリンク機構１１８は、第１のリンク機構１１６に類似した部品を含んでおり、例えば、旋回ピン１３２を介してエンドエフェクタの基部７４に対して回転するように取り付けられた回転リンク１３０と、回転リンク１３０を２つの旋回ピン１３６，１３８を介して関節接合式顎部７２に結合する接続リンク１３４とを含む。第２のリンク機構１１８は、引張ケーブル１１４の引張動作を介して関節運動される。第２のリンク機構１１８は、引張ケーブル１１４の引張動作によって、開いた構成に向けて旋回ピン８８を中心にして関節接合式顎部７２を回転させるように構成されている。多くの実施形態において、接続リンク１３４と第２のリンク機構１１８の回転リンク１３０との間の旋回ピン１３６は、接続リンク１２４と第１リンク機構１１６の回転リンク１２０との間の旋回ピン１２６と位相が１８０度ずれている。ケーブル作動機構１１０の引張ケーブル１１２，１１４の引張及び延長を調整することによって、開いた構成とクランプされた構成との間で関節接合式顎部７２を関節運動させるように使用される。最も良い同じ力で向きが反対のケーブルの動きを提供するために（従って、後述の、キャプスタン（巻上）駆動システムのケーブル張力を維持するために）、旋回ピン１２２，１３２に対する共通の回転軸線は、関節接合式顎部７２が閉じて（又はほぼ閉じて）おり、関節接合式顎部７２が再び開いた（又はほぼ開いた）ときに、旋回ピン１２８，１３８に対する回転軸線を含む平面上に位置するように構成されている。接続リンク１２４，１３４は、第１の及び第２のリンク機構１１６，１１８に対してこの同一平面を中心にして対称に反対向きに組み立てられている。旋回ピン１２２，１２６と旋回ピン１３２，１３６との間の距離は、第１の及び第２のリンク機構１１６，１１８の両方に対して同じであり、旋回ピン１２６，１２８と旋回ピン１３６，１３８との間の距離は、第１の及び第２のリンク機構１１６，１１８の両方に対して同じになる。
【００４３】
図９Ａ及び図９Ｂは、多くの実施形態に従って、別のケーブル作動機構１４０を介する関節接合式顎部７２の関節運動を例示している。ケーブル作動機構１４０の一実施形態において、第１の引張ケーブル１４２と第２の引張ケーブル１４４とは、関節接合式顎７２の基端に直接的に結合されている。第１の引張ケーブル１４２が、第１のプーリ１４６の周りに巻き付けられており、それによって、第１の引張ケーブル１４２の引張動作によって、クランプされた構成に向けて旋回ピン８８を中心にして関節接合式顎部７２を回転させる。第２の引張ケーブル１４４が、第２のプーリ１４８の周りに巻き付けられており、それによって、第２の引張ケーブル１４４の引張動作によって、開いた構成に向けて旋回ピン８８を中心にして関節接合式顎部７２を回転させる。従って、ケーブル作動機構１４０の第１の及び第２の引張ケーブルの引張及び延長を調整することによって、開いた構成とクランプされた構成との間で関節接合式顎部７２を関節運動させるように使用される。最も良い同じ力で向きが反対のケーブルの動きを提供するために（従って、後述の、キャプスタン（巻上）駆動システムのケーブル張力を維持するために）、旋回ピン８８を中心にしてケーブル１４２によって規定される円弧の半径は、ケーブル１４４によって旋回ピン８８を中心して規定される半径と実質的に同一である。
【００４４】
機構は、リードスクリュー、ケーブル又はハイポチューブを含むことができるが、クランプ又はステープル発射を行うために別の機構を使用することができる。例えば、押し／引きロッドやバネを含む作動機構を用いることができる。
【００４５】
図１０は、上述したリードスクリュー作動機構の構成要素を例示する断面図である。図示された構成要素は、リードスクリュー８２と、リードスクリュー被駆動カム８４と、エンドエフェクタの基部７４のカムスロット８６と、先端側のジャーナル面９６と、エンドエフェクタの基部の円筒形状の容器１５４と、エンドエフェクタの基部７４によって支持されている基端側のベアリング９８とを含む。
【００４６】
図１１は、多くの実施形態に従った、ツールアセンブリ１７０の簡略化した概略図である。このツールアセンブリ１７０は、基端側の作動機構１７２と、基端及び先端を有する細長いシャフト１７４と、このシャフトの先端に配置されたツール本体１７６と、クランプされた構成と開いた構成の間でツール本体１７６に対して移動可能な顎部１７８と、この顎部に結合された第１の作動機構と、その顎部に結合された第２の作動機構とを含む。第１の作動機構は、クランプされた構成と開いた構成との間でツール本体に対する顎部の位置を変化させるように動作可能である。第２の作動機構は、顎部がクランプされた構成に保持される第１の構成と、ツール本体に対する顎部の位置が第２の作動機構によって制約されない第２の構成とを有している。第１の作動機構は、基端側の作動機構に動作可能に結合されている。多くの実施形態において、第１の作動機構は、基端側の作動機構によって作動される引張ケーブルのペアを備えている。第２の作動機構は、基端側の作動機構に動作可能に結合されている。多くの実施形態において、第２の作動機構は、基端側の作動機構から細長いシャフト１７４，１６４を貫通して延びる駆動シャフトを介して、基端側の作動機構によって駆動されるようなツール本体に位置するリードスクリュー被駆動カムを含む。
【００４７】
ツールアセンブリ１７０は、様々な用途で使用するために構成することができる。例えば、ツールアセンブリ１７０は、基端側の作動機構で使用される手動及び／又は自動作動を有するハンドヘルド装置として構成することができる。ツールアセンブリ１７０はまた、外科用途に、例えば、電気焼灼シーリング、ステープル留め等において使用するように構成することもできる。ツールアセンブリ１７０は、低侵襲性ロボット手術を超えた用途、例えば、非ロボット低侵襲性手術、低侵襲性でないロボット手術、非ロボットの低侵襲性でない手術、並びに開示された冗長(redundant)顎部作動の使用が有益であろう他の用途を有する。
【００４８】
冗長顎部作動は、ロボットツールのエンドエフェクタの顎部を関節運動させるために使用することができる。例えば、図１２は、冗長顎部作動を用いるロボットツール１８０を概略的に例示している。このロボットツール１８０は、基端側のツールシャーシ１８２と、駆動モータ１８４と、器具シャフト１８６と、先端側のエンドエフェクタ１８８と、第１の作動機構部１９０と、第２の作動機構１９２とを含む。先端側のエンドエフェクタ１８８は、関節接合式顎部１９４を備える。基端側のツールシャーシ１８２は、第１の駆動部１９８と、基端側のツールシャーシ１８２がロボットツールマニピュレータ１９６に取り付けられたときに、ロボットツール１８０の第１の作動機構部１９０と動作可能に結合される第１の作動機構部２００とを有するロボットのツールマニピュレータ１９６に着脱可能に取り付けられる。器具シャフト１８６は、ツールシャーシ１８２に隣接する基端と、エンドエフェクタ１８８に隣接する先端とを有している。（部分２００と部分１９０とを含む）第１の作動機構は、ツールシャーシ１８２が、開いた構成とクランプされた構成との間でエンドエフェクタ１８８を関節運動させるために、ツールマニピュレータ１９６に取り付けられたときに、第１の駆動部１９８を関節接合式顎部１９４に結合する。第２の作動機構１９２は、発射力をステープルに加えるために、駆動モータ１８４を関節接合式顎部１９４に結合し、それによって、エンドエフェクタからエンドエフェクタの顎部内でクランプされた組織を貫通させてステープルを発射させる。第１の作動機構は、組織を貫通させてステープルを発射するために、比較的に高い力を提供するようなリードスクリュー被駆動機構とすることができる。第２の作動機構は、駆動モータ１８４をリードスクリュー作動機構に、例えば高い力のクランプモードを提供する上述したリードスクリュー作動機構に結合するような駆動シャフトを含むことができる。システム１８０は、クランプ及び発射のそれぞれの間に第１の駆動部１９８と駆動モータ１８４との駆動パラメータを監視するためのセンサ１９３を含む。センサ１９３はまた、モータの所与の変位又はエンドエフェクタの構成に応じて所望の駆動パラメータの許容範囲を決定するために、第１の駆動部と駆動モータとの変位を検出することができる。クランプモードにおいて、エンドエフェクタの構成は、開いた構成、閉じた／クランプされた構成及びそれら開いた構成とクランプされた構成との間の任意の構成を含むことができる。発射モードにおけるエンドエフェクタの構成は、１つ以上のステープルが、エンドエフェクタ内に配置されるとともに、ある機構を介して駆動モータ１８４に着脱可能に結合された発射前の構成と、１つ以上のステープルが、組織を貫通して発射されるとともに、組織をシールするように典型的に折り曲げられた発射後の構成と、を含むことができ、ここで、ステープルは、エンドエフェクタから取り外されている。エンドエフェクタの構成はまた、発射前モードと発射後モードとの間に任意の構成を含むこともできる。第１の駆動部又は駆動モータの変位を検出することにより、センサは、駆動パラメータの許容範囲をより正確に決定するとともに、クランプ又は発射の不成功をより正確に予測するために、いずれのモードにおいてもエンドエフェクタの所定の構成を判定することができる。
【００４９】
図１３は、本発明の実施形態を組み込んだ遠隔ロボット手術システムの概略図である。図１３の例において、医師は、組織をクランプする又はステープルを発射するために、システムへのコマンドを入力する。ユーザのコマンドに応答して、システムは、クランプ及び／又は発射機構２４０を介してクランプ又は発射を駆動させるために、モータ２１０の駆動を開始する。機構２４０によってクランプ又は発射が行われるときに、プロセッサ２２０は、モータ２１０のトルク出力等の駆動パラメータを監視する。この監視することは、トルク出力を、モータの所与の変位や機構に対するトルク出力の許容範囲と比較することを含むことができる。プロセッサ２２０は、モータ２１０、機構２４０、或いはクランプ又は発射中にモータや機構の変位を検出するためのセンサ２３０のいずれか又は全てに結合することができる。監視対象の駆動パラメータがトルク出力（又は駆動機構の変位）の許容範囲外となることに応答して、プロセッサ２２０は、クランプ又は発射が不成功した又は不成功の可能性を有していることを示すように、ユーザインタフェイスのディスプレイ６０上に不成功表示２５０を出力する。典型的には、ディスプレイ６０は、クランプ又は発射中に、エンドエフェクタの画像を含んでいる。
【００５０】
図１４Ａ〜１４Ｂは、システム１０のディスプレイ６０上に現れる不成功表示２５０の２つの例を示している。典型的には、ユーザインタフェイス６０は、クランプ又は発射の不成功の表示に加えて、手術中にエンドエフェクタの手術ツールの画像を取得する及び／又は視覚的表現を表示する。不成功表示は、本発明の特徴を外科処置にシームレスに組み込むために、外科処置中にユーザインタフェイス・ディスプレイ上の画像の上に重ねてもよい。好ましくは、不成功表示は、外科医が、クランプする又はクランプされた組織内にステープルを発射するように、システム１０にコマンドを出力したときにのみ表示される。駆動パラメータを監視することによって、システム１０は、処置中に不成功の表示を提供する。図１４Ａは、画面の右下の領域に重ねて表示されたクランプの不成功表示２５０を含むディスプレイ６０を示しており、ここでこの図は、不成功表示２５０が、クランプ成功の可能性があり、システムがクランプを継続することを示している。図１４Ｂは、画面の右下の領域に重ねて表示された不成功表示２５０を含むディスプレイ６０を示しており、ここでこの図は、クランプが、不成功の可能性があることを示している。不成功の表示２５０は、クランプを駆動する監視対象の駆動パラメータが、駆動パラメータの所定の許容範囲外となることに応答して、出力される。
【００５１】
図１５Ａ〜１５Ｂは、クランプ予測表示２５０の追加例を示す図である。図１５Ａは、階調度としてクランプ不成功の可能性を示す不成功表示の一例を示す図であり、この例では、不成功の可能性は、可能性のパーセンテージとして表される。例えば、監視対象の実際の駆動パラメータが、所定の駆動パラメータの範囲から外れるほど、クランプ不成功の可能性がより増すことになる。例えば、一実施形態では、監視対象の実際の駆動トルクが、所定の目標駆動トルクの５％以内であれば、システムは、クランプ成功の可能性９０％の表示を表示する。この監視対象の駆動トルクが、目標駆動トルクからさらに逸脱するときに、この不成功の可能性は、クランプの可能性が９０％からダウンして０％になるように、単調な関係で減少する。あるいはまた、駆動パラメータは、作動機構の変位であってもよい。そのような実施形態において、システムは、駆動機構の変位を監視するとともに、この変位が、変位の所定の許容範囲外となる場合に、クランプ又は発射の不成功を示すことができる。図１５Ｂは、２つの設定の間で切り替わる表示を有する実施形態を示している。表示の光が点灯しているときは、発射不成功の可能性が示されており、そうでなければ、発射不成功は示されない。
【００５２】
図１６Ａ〜図１６Ｂは、本発明の多くの実施形態に従った、所望の駆動パラメータの許容範囲に対する監視対象の駆動パラメータのグラフを例示している。この実施形態では、システムは、システムのクランプ又は発射を駆動するようなモータのトルクを監視することによって単にクランプ及び／又は発射の不成功の表示を提供し得ることを示している。示されるように、所定のトルク範囲は、エンドエフェクタの動きを生じさせるようなモータの変位に関連して変化し得る。モータの変位（複数可）は、クランププロセス中に、システムによってエンドエフェクタの位置に相関させることができる。例えば、クランプ中に、モータの変位がＳｉからＳｆに変化すると、エンドエフェクタの（複数の）顎部は、開いた構成から閉じた（クランプされた）構成に変化する。同様に、モータの変位は、クランプされた組織内にステープルが発射される間に、エンドエフェクタの位置又は構成を追跡するために使用することができる。多くの実施形態において、処置を行う前に、システムは、モータの変位をエンドエフェクタの構成と相関させるために、開いた位置から閉じた位置に顎部を較正するように、第１の構成から第２の構成にエンドエフェクタの顎部を較正する。
【００５３】
図１６Ａは、モータの変位（複数可）を伴って変化するような駆動トルク（ｔ）の所定の許容範囲を例示している。この許容範囲は、上限ｔｕｐｐｅｒと下限ｔｌｏｗｅｒとの２つの関数で境界が定められている。システムは、駆動トルクの所定の許容範囲と比較される監視対象の駆動トルクＴに応答して、クランプ不成功の表示を出力する。モータの変位が、Ｓｆに達するとともに、システムが、クランプ又は発射の不成功の可能性を示していない場合に、システムは、クランプ又は発射の成功した表示を提供することができる。この例では、グラフは、トルクの許容範囲と、クランプ又は発射中の監視対象の駆動トルクとをＴ１として示している。示されるように、クランプ又は発射中に、Ｔ１は、駆動トルクの許容範囲内に留まり、こうして、システムは、クランプ又は発射が（不成功の表示を欠いてもよい）成功した可能性が高いという表示を出力する。
【００５４】
図１６Ｂは、駆動トルク（ｔ）の同様の所定の許容範囲と、（異なる時間に発生した）２つの別個の駆動トルクＴ２及びＴ３とを例示している。示されるように、Ｔ２は、トルクの許容範囲の下限ｔｌｏｗｅｒを下回っている。これは、組織が、エンドエフェクタの顎部から滑脱しており、顎部同士の間に組織が存在しないので、顎部を閉じるためにほとんどトルクが必要とされていない場合に発生することがある。このような場合、システムは、不成功点Ｆ２でクランプ不成功の可能性の表示を出力し、その時点で、システムは、システムに不成功が発生した後に、クランプ力を適用し続けることによるあらゆる可能性の組織損傷を防ぐために、クランプの駆動を一時中断することができる。監視対象のトルクＴ３によって示されるように、駆動トルクがトルクの許容範囲の上限を超えた場合に、不成功が発生することがある。これは、顎部が骨の上でクランプされており、閉じた／クランプされた構成に達するために過剰なトルクが必要とされる場合に発生することがあり、潜在的に骨又は周囲の組織に組織損傷を引き起こす可能性がある。この例では、監視対象のトルクが不成功点Ｆ３でｔｕｐｐｅｒを超過すると、その時点で、システムは、組織損傷の可能性を低減するために、クランプ又は発射の駆動を一時中断することができる。不成功の検出に応答して、システムは、駆動パラメータの駆動を一時中断する又は組織のクランプを解除するために駆動力を逆転させてもよく、さらに不成功の表示を提供することができる。
【００５５】
図１７〜１９は、本発明の方法の実施形態を図示する。図１７は、例示的な方法３００の簡略的な表現である。方法３００は、クランプするためにツールを駆動するモータの駆動パラメータを監視するステップ３０２と、監視対象の駆動パラメータに応答して、クランプ中にクランプ不成功の可能性の表示をユーザインタフェイスに出力するステップ３０４とを含む。図１８は、例示的な方法３０４の簡略的な表現である。方法３０４は、クランプされた材料内にステープルを発射するためのツールを駆動するモータの駆動パラメータを監視するステップ３０５と、監視対象の駆動パラメータに応答して、発射中に発射不成功の可能性の表示をユーザインタフェイスに出力するステップ３０７とを含む。図１９は、方法３１０の簡略化した表現であり、この方法はさらに、クランプするためのユーザ入力に応答して、組織をクランプするためにモータを駆動するステップ３１２と、組織のクランプ中にモータの駆動パラメータを監視するステップ３１４と、監視対象の駆動パラメータに応答して、クランプ中にクランプ不成功の可能性の表示を出力するステップ３１６と、不成功の可能性の表示が存在する場合に、モータの駆動を一時中断する、又は不成功の可能性に表示が存在しない場合に、モータの駆動を継続するステップ３１８とを含む。図２０は、方法３２０の簡略化した表現であり、この方法は、ユーザ入力に応答して、クランプするためにモータを駆動する、又はクランプされた材料内にステープルを発射するステップ３２２と、クランプ又は発射中に駆動パラメータを監視するステップ３２４と、クランプ又は発射中に、クランプ又は発射の不成功の可能性の表示をユーザインタフェイス上に出力するステップ３２６とを含む。不成功の可能性の表示が存在しない場合に、次に、方法３２０は、クランプ又は発射するために、モータの駆動を継続するステップ３２８と、クランプ又は発射が完了したときに、成功のメッセージを出力する３３０ステップとをさらに含む。不成功の可能性の表示が存在する場合は、次に、方法３２０は、この表示に応答してモータの駆動を一時中断するステップ３３２と、駆動パラメータが一時中断されたという表示を出力するステップ３３４とをさらに含む。
【００５６】
図２１〜２２は、本発明の方法の実施形態を例示するフローチャートを示す。図２１は、低侵襲性ロボット手術システムに組み込まれるような、クランプに適用される本発明の方法の実施形態を示すフローチャートである。図２２は、図２０のロボット手術システムに組み込まれるような、クランプされた組織内にステープルを発射するように適用される本発明の方法の実施形態を示すフローチャートである。説明されるロボットシステムは、クランプする及び／又はクランプされた組織内にステープルを発射するために、システムにコマンドを出力するためのユーザ入力を必要とすることがある。
【００５７】
なお、明細書に記載される実施例及び実施形態は例示目的であり、種々の変更やそれらを踏まえた変化が、当業者に示唆されるとともに、本出願の精神並びに範囲内に及び添付の特許請求の範囲内に含まれることが理解される。多数の様々な組み合わせが可能であり、そのような組み合わせは、本発明の一部であるとみなされる。
【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５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図８Ｄ】
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【図８Ｅ】
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【図８Ｆ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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