(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
可撓性ロータリーシャフトであって、
ａ）入力端と出力端とを有する可撓性シースと、
ｂ）それぞれが入力端と出力端を有し、それぞれが前記可撓性シース内を延びる複数個の個々のワイヤフィラメントと、を備え、
前記可撓性シースと複数個の個々のワイヤフィラメントとが、ロータリーシャフトに沿って離間しており、
各個々のワイヤフィラメントの入力端が、それぞれの他の個々のワイヤフィラメントの入力端に連結され、
各個々のワイヤフィラメントの出力端が、それぞれの他の個々のワイヤフィラメントの出力端に連結され、
その入力端とその出力端の間の全長で、前記複数の個々のワイヤフィラメントが、前記複数個のワイヤフィラメントが１本のフィラメントの最少動作半径を維持するように、ゆるく編まれている、
可撓性ロータリーシャフト。
【請求項２】
請求項１に記載の可撓性ロータリーシャフトであって、
前記個々のワイヤフィラメントが互いに実質的に同一で、各々が約０．１２７〜約１．０１６ｃｍ（約０．００５インチ〜０．０４０インチ）の直径を有する可撓性ロータリーシャフト。
【請求項３】
請求項１に記載の可撓性ロータリーシャフトであって、
前記シャフトが、約２．０３２ｃｍ（約０．８インチ）の動作半径で約７×１０-3Ｎｍ（約０．１オンス・インチ）でトルクを正確に伝達できる可撓性ロータリーシャフト。
【請求項４】
ハンドルと作業路を有する内視鏡内に挿通される外科器具であって、
ａ）基端と末端を有する細長可撓性管状シースと、
ｂ）シース内を延び、シースに対して軸方向に移動可能な可撓性シャフトと、前記シャフトが基端と末端を有することと、
ｃ）前記シャフトの前記末端に連結されるか前記末端に形成される端部作動体と、
ｄ）前記シャフトに連結され、前記シースに対して前記シャフトを回転させる第１手段と；
ｅ）前記シースに対して前記シャフトを長手方向に移動する第２手段と、
ｆ）前記第１及び第２手段をともに連結する管状部材と、を備え、
前記可撓性シャフトが複数個の個々のワイヤフィラメントを含み、そのそれぞれが入力端と出力端を有し、
前記シースと複数個の個々のワイヤフィラメントとが、ロータリシャフトに沿って離間しており、
各個々のワイヤフィラメントの入力端が、それぞれの他の個々のワイヤフィラメントの入力端に連結され、
各個々のワイヤフィラメントの出力端が、それぞれの他の個々のワイヤフィラメントの出力端に連結され、
その入力端とその出力端の間の全長で、前記複数の個々のワイヤフィラメントが、シャフトが湾曲された時の複数のワイヤフィラメントの反動トルクがワイヤの本数（Ｎ）と、シャフトの合成をシャフトの曲率半径で割った値と、シャフトの摩擦係数と、可撓性シャフトの半径とをかけた積に等しいように、ゆるく編まれていることと、
から成る外科器具。
【請求項５】
請求項４に記載の外科器具であって、
前記個々のワイヤフィラメントが互いに実質的に同一で、各々が約０．１２７〜約１．０１６ｃｍ（約０．００５インチ〜０．０４０インチ）の直径を有する外科器具。
【請求項６】
請求項４に記載の外科器具であって、
前記シャフトが、約２．０３２ｃｍ（約０．８インチ）の動作半径で約７×１０-3Ｎｍ（約０．１オンス・インチ）でトルクを正確に伝達できる外科器具。
【請求項７】
外科器具であって、
ａ）基端と末端を有する可撓性管状シースと、
ｂ）前記可撓性シース内を延びる可撓性シャフトと、
前記可撓性シャフトが複数個の個々のワイヤフィラメントを含み、そのそれぞれが入力端と出力端を有し、
前記シースと複数個の個々のワイヤフィラメントとが、ロータリシャフトに沿って離間しており、
各個々のワイヤフィラメントの入力端が、それぞれの他の個々のワイヤフィラメントの入力端に連結され、
各個々のワイヤフィラメントの出力端が、それぞれの他の個々のワイヤフィラメントの出力端に連結され、
その入力端とその出力端の間の全長で前記複数の個々のワイヤフィラメントが、ゆるく編まれていることと、
ｃ）前記シースの前記基端と、前記シャフトの前記ワイヤフィラメントの前記入力端とに連結され、前記シースに対する前記シャフトの並進移動をもたらす作動手段と、前記作動手段が、前記シースに対する前記シャフトの回転をもたらすための回転手段を含むことと、
ｄ）クレビスに連結され、前記シャフトの前記末端に連結される少なくとも１個の端部作動体と、前記シースに対する前記シャフトの回転が前記シースに対する前記クレビスの回転をもたらすこと
から成る外科器具。
【請求項８】
請求項７に記載の外科器具であって、
前記個々のワイヤフィラメントが互いに実質的に同一で、各々が約０．１２７〜約１．０１６ｃｍ（約０．００５インチ〜０．０４０インチ）の直径を有する外科器具。
【請求項９】
請求項７に記載の外科器具であって、
前記シャフトが、約２．０３２ｃｍ（約０．８インチ）の動作半径で約７×１０-3Ｎｍ（約０．１オンス・インチ）でトルクを正確に伝達できる外科器具。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本願は、１９９９年８月６日に出願された共同所有の米国特許出願第０９／３６９，７２４号、発明の名称「ポリープ切除術用係蹄器具」に関連し、その開示はすべて、参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
（発明の背景）
（１．発明の属する技術分野）
本発明は、可撓性ロータリーシャフトに関する。本発明は、詳細には、ヒステリシスが低減され、トルク伝達が増加され、内部摩擦が低いマルチストランド可撓性ロータリーシャフトに関する。本発明のシャフトは、湾曲した経路を通り抜けなければならない最少侵襲性外科器具の構成要素として特に有用である。
【０００３】
（２．先行技術）
可撓性ロータリーシャフトは、湾曲した経路内にトルクを伝達するために多くの用途で使用されている。一般的に、可撓性ロータリーシャフトは、回転エネルギー源（たとえばモータ）に連結される入力端と、回転される物に連結される出力端とを有する。幾つかの用途において、単一のモノストランドワイヤが使用される。モノストランド可撓性ロータリーシャフトは、所定曲率すなわち「動作半径」の周囲に湾曲された場合に、永久ひずみに抵抗するために十分な降伏強さを有していなくてはならない。実際、モノストランド可撓性ロータリーシャフトを設計する場合、設計者はまず動作半径、すなわち、シャフトが通り抜けると予想される最少半径を決定しなければならない。動作半径のための最大ワイヤ直径は、使用されるワイヤの降伏強さと弾性係数に基づいてのみ決定できる。この最大値よりも大きな直径を有する任意材料のワイヤは、動作半径の周囲に湾曲されると、永久に変形したままとなる。
【０００４】
モノストランドの可撓性ロータリーシャフトの最大直径が、特定の動作半径に対して決定されると、設計者は、ワイヤが、特定用途向けの強度とねじり剛性を有しているかを判断しなければならない。モノストランド可撓性ロータリーシャフトは、比較的小さい動作半径で比較的大きなトルクを伝達するには不十分であるとして不評である。
【０００５】
従来、マルチストランド可撓性ロータリーシャフトが、比較的小さい動作半径で比較的大きなトルクを伝達するために採用されてきた。先行技術の図１及び２は単純なマルチストランドシャフトを示している。典型的なマルチストランド可撓性シャフト１０は、螺旋構成でたとえば２２などの中心フィラメントの周囲に典型的に巻かれた、たとえば１１、１２、１４、１６、１８、２０の複数個のワイヤフィラメントから成る。先行技術の図１及び２には図示されないが、複数の層のフィラメントが交互に反対方向に巻かれることがしばしばある。かかる構造はモノストランド可撓性ロータリ−シャフトの欠点を克服している一方で、やはりそれ自体の欠点を有する。マルチストランド可撓性シャフトの最も顕著な欠点は、フィラメント間の内部摩擦から生じるヒステリシスの増加である。ヒステリシスは、可撓性ロータリーシャフトの入力端と出力端の挙動の差を表わすために一般的に用いられる用語である。その最も単純な形態において、ヒステリシスは、入力端のトルクの適用と、出力端でのその結果生じる回転との間の時間遅延を指す。また、ヒステリシスは、入力端での挙動とは一致しない出力端の他の異常な挙動も指す。
【０００６】
マルチストランド可撓性ロータリーシャフトの内部摩擦とヒステリシスは、該マルチストランド可撓性ロータリーシャフトが構築された様態から生じる。具体的には、個々のワイヤが線巻き工程中に変形し、アセンブリが「それ自体を一緒に保持する」ように、互いに対して保持する。すなわち、かかる可撓性シャフトを分解すると、個々のワイヤが螺旋形状に変形し、個々の層が特定の圧縮量で次の内層を把持していることが分かる。この種の構造は、個々のワイヤがより線工程中に螺旋形状に成型されるため、「予備成形」ケーブルとして知られる。かかるケーブルがこの方法で作製されなかった場合、端部が切断されると、個々のより線が弾力で離れるため、サブアセンブリとして扱うことが非常に困難となる。実際、幾つかの可撓性シャフトは、切断されると弾力によって離れるが、既知のすべてのマルチストランド可撓性シャフトの場合、個々のワイヤは螺旋形状に永久に変形している。このことにより、ワイヤ間にかなりの圧縮接触力があり、その結果、湾曲経路を通る間にシャフトが回転すると、ワイヤ間に摩擦が生じる。この内部ワイヤ間摩擦により、可撓性シャフト内へのエネルギー吸収が生じ、出力端に伝達されるエネルギーが、入力端に加えられるエネルギーよりも少なくなる。
【０００７】
可撓性シャフトのフィラメントは、動作半径が減少するにつれて増加する内部摩擦を発することが知られている。さらに、任意動作半径で、シャフトの可撓性が高いほど、内部摩擦量が低くなる。この内部摩擦による抵抗を克服するために必要なトルクは「回転トルク」と呼ばれている。このようにして、任意のシャフトの回転トルク値は通常、特定の動作半径に指定されている。したがって、シャフトがより可撓性が高くなるほど、すなわち湾曲可撓性が高くなるほど、任意の動作半径の回転トルクは低くなる。
【０００８】
ねじり剛性とねじりたわみは、可撓性シャフトの反対のパラメータを示す。ねじり剛性は、加えられるトルクに対するシャフトの抵抗、すなわちそのロータリーシャフトを中心とするひねりまたはねじり力の尺度を表わす。ねじりたわみは、加えられるトルクによって可撓性シャフトが受ける単位長さ当たりのひねりの度を示す。ねじりたわみは、通常ポンド・インチ当たりのフット数当たりの度数（ｄｅｇ／ｆｔ／ｌｂ−ｉｎ）で表わされ、反対にねじり剛性はｌｂ−ｉｎ／ｆｔ／ｄｅｇで表わされる。
【０００９】
したがって、可撓性シャフトを選択する場合、最少動作半径の長さと、入力トルクの大きさが、シャフトの湾曲可撓性を判断する際の重要な要因となる。可撓性シャフトを選択する際には以下の条件が満たされていなければならない。すなわち、まずシャフトは、最少動作半径に湾曲した場合に、損傷を受けない程度の十分な湾曲可撓性を有していなければならない。第２に、シャフトは、最少動作半径での回転トルク値が入力トルク、すなわちドライバ要素の出力トルクよりも少なくとも低くなければならない。第３に、シャフトは、最少ねじりたわみで回転動作を正確に伝達するに十分なねじり剛性を有していなければならない。
【００１０】
ほとんどの設計者は、マルチストランド可撓性シャフトにそったトルク伝達のメカニズムが、個々のワイヤ内の引張り（及び圧縮）応力によると考えている。実際、大きなトルクを伝達する現行のマルチストランド可撓性シャフトでは、これはほぼ真実である。高いトルクを受けると、かかるマルチストランドアセンブリは、（ひねりの方向に応じて）幾つかの層が膨張し、幾つかは収縮することで反応する。内側が膨張する層である場合、外側の収縮層によって抵抗され、トルクは収縮層で引張り応力に、膨張層で圧縮応力へ分解される。かくして、トルクに対するこの反応は、ワイヤの層と層の間に接触力を生じ、該接触力が摩擦を生じる。その結果、医療機器を操縦するため、もしくは回転位置信号を伝達するために使用されるシャフトの場合のように、入力トルクが方向によって交互に変わる場合、可撓性シャフトの出力端で回転動作が顕著に失われる。シャフトの入力部が静止状態から一方向にひねられると、内部摩擦を克服するためには、一定量のひねり（ヒステリシス）が必要となり、回転動作が出力端で見られる前に、層が互いに干渉状態になる。次にシャフトが交互の方向にひねられると、以前のヒステリシスがまず克服され、ワイヤの内部状態が静止状態に戻り、次に、シャフトが新しい方向に「巻かれる」と、同様の量のヒステリシスが導入される。可撓性シャフトが湾曲経路を通ると、シャフトが湾曲経路内で湾曲することにより、層間に追加応力（及びその結果内部摩擦の増加）が導入されるため、ヒステリシスがさらに悪化する。
【００１１】
予備成形されたマルチストランド可撓性シャフトの前述のヒステリシスにより、該予備成形されたマルチストランド可撓性シャフトは一端から他端への回転動作の精密な伝達装置として機能できない。該シャフトが一方向のパワーの伝達で十分良好に機能しても、内部摩擦によって生じるヒステリシスすなわち「から動き」により、（２つの回転方向で）回転制御を正確に伝達することが無効となる。
【００１２】
（発明の概要）
したがって、本発明の目的は、ヒステリシスを減少させた可撓性ロータリーシャフトを提供することにある。
また本発明の目的は、トルク伝達を増加させた可撓性ロータリーシャフトを提供することにある。
【００１３】
本発明の別の目的は、内部摩擦がほとんどないかまったくないマルチストランド可撓性ロータリーシャフトを提供することにある。
本発明のさらに別の目的は、１回転方向から反対方向の回転方向に逆転した場合に、正確なトルク伝達を有する可撓性ロータリーシャフトを提供することにある。
【００１４】
本発明のさらなる目的は、モノストランド可撓性ロータリーシャフトの利点と、マルチストランド可撓性ロータリーシャフトの利点とを組み合わせ、同時に、それぞれの欠点を回避することにある。
【００１５】
以下に詳述する以上の目的にそって、本発明のマルチストランド回転シャフトは、互いに巻かれていないかまたは中央芯線の周囲に巻かれていない複数個の個々のフィラメントを含む。各フィラメントの入力端は互いに連結され、各フィラメントの出力端は互いに連結されている。すべてのフィラメントは同一で、Ｎ本の複数個のワイヤで、各ワイヤが、所要最大トルクの伝達に必要な降伏応力のＮ分の１を有することが望ましい。直観的には、トルクを伝達するためにフィラメントが一緒に撚り合わされなければならないように思われるが、実際にはそうではない。実際は、ワイヤが互いに接触していなくても、Ｎ本のフィラメントの組が、１本のフィラメントによって伝達できるトルクのＮ倍（最大その降伏応力まで）を伝達できる。したがって、Ｎ本の自由フィラメントの組は１本のフィラメントのトルクのＮ倍を伝達でき、１本のねじり剛性のＮ倍を有し、同時に、１本のフィラメントの最少動作半径を維持する。１組の自由フィラメントは（強制的に一緒に撚り合わされていないため）、フィラメント間では測定できるほどのいかなる接触力も有さないため、測定できるほどの内部摩擦やヒステリシスはない。かかる１組のフィラメントにおける全ヒステリシスをかなり排除するためには、フィラメントは、撚り合わされていたとしてもゆるく一緒に撚り合わされているだけでなくてはならない。実際、ワイヤを一緒にゆるく撚り合わせる唯一の理由は、フィラメントの組を簡単に取り扱えるようにし、個々のワイヤフィラメントが、一端から他端へおおむね湾曲した同じ経路をたどることを保証するためである。しかし、ロータリーシャフトが所定長に製造され、可撓性導管内に配される場合、フィラメントは完全にばらばらの状態になり、たとえば平行に共に配される。
【００１６】
本発明は、内部摩擦がほとんどもしくはまったくない可撓性シャフトを構築する方法を説明する。かかる可撓性シャフトはヒステリシスがほとんどないかもしくはまったくなしに回転動作を伝達し、その結果回転動作を逆転する場合でも、また小さい半径で湾曲されている間、一端から他端への動作の精密な伝達を行う。実際、本発明の可撓性シャフトは、個々のフィラメントの１本の直径に等しい直径を有するモノストランド可撓性シャフトによって達成されるものと同じくらい小さい半径の周囲に湾曲させられる。
【００１７】
本発明は、特に、湾曲した経路を通り抜けなければならない最少侵襲性外科器具の製造において多くの実用適用例がある。
本発明のさらなる目的と利点は以下の詳細な説明と添付図面から当業者には明らかである。
【００１８】
（好ましい実施形態の詳細な説明）
まず図３を参照すると、本発明によるマルチストランド可撓性ロータリーシャフト１００は、複数個の個々のフィラメント、たとえば１０２、１０４、１０６、１０８、１１０、１１２、１１４を含む。各フィラメントは、図３で「Ｉ」とおおむね指定される入力端と、図３で「Ｏ」とおおむね指定される出力端とを有する。入力端はすべて、たとえば連結器１１６によって互いに連結されている。出力端はすべて、たとえば連結器１１８によって互いに連結されている。フィラメントは互いの周囲に、あるいは中心芯線の周囲に緊密に巻かれていない。しかし、単にシャフトの取り扱いを容易にするためだけに一緒にゆるく巻くことができる。全フィラメントは同一で、Ｎ本の複数個のワイヤに対し、各ワイヤが、シャフトが要する最大トルクの伝達に必要な降伏応力のＮ分の１を有することが望ましい。
【００１９】
（本発明の物理的原則の説明）
トルクが自由な機械物体に加えられると、該物体は加速角速度を獲得し始める。物体が加速しない状態にとどまるためには、第１トルクと等しい大きさで反対方向の別のトルクが物体に加えられる必要がある。２つの等しい大きさで反対方向のトルクが物体上の同一地点に加えられる必要はない。したがって、剛性の機械物体は、物体に加えられたすべてのトルクを効果的に「加算」または統合し、物体が静止している（または一定の角速度で回転している）場合は、物体に加えられたすべてのトルクが合計ゼロになることが避けられない結論である。
【００２０】
これに留意し、２個の自由な物体が剛性の１本の支持されていないモノストランドワイヤフィラメントによって接続された場合、第２物体が固定状態に保持され、一方で第１物体が回転すると、ワイヤフィラメントはねじれて変形し、第２剛性物体の固定点で「反動トルク」が生じる。ワイヤフィラメントは支持されていないため、フィラメントにかかる表面接触圧力はなく、したがって、その動作に抵抗するもしくは、ワイヤ自体の反動トルクを生じる摩擦はない。その結果、第２物体での反動トルクは、第１物体に加えられたトルクと大きさが等しい。ワイヤフィラメントのねじり応力がワイヤの降伏応力未満である限り、このシステムは、ヒステリシスなしに、１端から他端へトルクと回転動作を正確に伝達する。この構造は単純で直観的である。
【００２１】
支持されていない第２モノストランドワイヤフィラメントが物体間に連結されていると、各ワイヤは個々に機能する。すなわち、第１物体が回転し、第２物体が固定状態に保持されると、トルクは各ワイヤに独立して加えられる。ワイヤが同じ材料、寸法、長さ（それにより同じねじれ剛性）である場合、各ワイヤのトルクは第１物体に加えられるトルクの半分になる。第２物体で、各ワイヤは該物体にそのトルクを加え、第２物体に２本のワイヤによって加えられる総トルクは第１物体に加えられるトルクと同じになる。ワイヤが支持されておらず、ワイヤにその他の力が作用していない場合、ワイヤが互いに接触していなくてもこの分析が適用される。
【００２２】
直観的には、トルクを伝達するためにワイヤが一緒に撚り合わされなければならないように想定されるが、実際にはそうではない。実際は、ワイヤが互いに接触していなくても、Ｎ本のワイヤの組が、１本のワイヤによって伝達できるトルクのＮ倍（最大その降伏応力まで）を伝達できる。したがって、「Ｎ本の自由ワイヤの組」は１本のワイヤのトルクのＮ倍を伝達でき、１本のねじり剛性のＮ倍を有し、同時に、１本のワイヤの最少動作半径を維持する。１組の自由ワイヤは（強制的に一緒に撚り合わされていないため）、ワイヤ間では測定できるほどのいかなる接触力も有さないため、測定できるほどの内部摩擦やヒステリシスはない。かかる１組のワイヤにおける全ヒステリシスをかなり排除するためには、ワイヤは、まったく一緒に撚り合わせられないか、せいぜいゆるく一緒に撚り合わせられているだけでなくてはならない。実際、ワイヤを一緒にゆるく撚り合わせる唯一の理由は、ワイヤの組を簡単に取り扱えるようにし、個々のワイヤフィラメントが、一端から他端へおおむね湾曲した同じ経路をたどることを保証するためである。
【００２３】
図４〜８を参照して以下に詳述する本発明によるシャフトの実際の構造において、幾つかの小径（たとえば約０．１２７〜約１．０１６ｃｍ（約０．００５インチ〜０．０４０インチ））ワイヤの組（たとえば３ないし４）は、第１端で接合され、一緒にばらけて配され（平行、ゆるく撚り合わされた状態、または編まれた状態で）、そして第２端で接合されている。該組の第１および第２端の接合部は、前述の分析において説明された第１および第２剛性物体の機能部として働く。該組にＮ本のワイヤがある場合、１本のかかるワイヤのねじり剛性のＮ倍を有し、測定できるほどのヒステリシスなしに、１本のかかるワイヤのトルクのＮ倍を伝達できる。自由ワイヤの組は小トルクで、回転動作とトルクの非常に精密な伝達装置となるが、互いに干渉しあうようにワイヤが緊密に撚り合わされていない場合は、第１物体に加えられたトルクをワイヤ束で引張り応力と圧縮応力に分解する手段がないため、同じ数の同様のワイヤの緊密に撚り合わされたより線と同じくらい大きなトルクを伝達することは一般的にできない。以下に説明するように、実用的な典型的な実施例は、約２．０３２ｃｍ（約０．８インチ）の動作半径で、約７×１０-3Ｎｍ（約０．１オンス・インチ）のトルクを伝達するよう設計されている。
【００２４】
また、鋭角の湾曲部の周囲を通って回転動作とトルクを伝達するという自由ワイヤ組の別の利点についても注目しなければならない。緊密に撚り合わされたより線ワイヤが可撓性シャフトとして使用される際、ワイヤを収納し、摩擦を減少するために、通常は管状シース内に閉じ込められる。急な半径の周囲にシースが湾曲される際、可撓性シャフトが回転するときに、ワイヤの外側の層はシースの内面にそってスライドしなければならない。一次近似値では、シース内の接触力Ｆcontact は、緊密に巻かれた可撓性シャフトの剛性Ｓflex shaftをシャフトの曲率半径Ｒcurve で割った値に等しい。接触力によって生じる反動トルクＴr (flex shaft)は、接触力Ｆcontact と、摩擦係数Ｃf と、可撓性シャフトの半径とをかけた積Ｒs (flex shaft)に等しい。したがって、緊密に巻かれたシャフトの反動トルクＴr は：
Ｔr (flex shaft)＝（Ｓflex shaft／Ｒcurve ）＊Ｃf ＊Ｒflex shaft）（１）によって定義される。
【００２５】
ただし、自由ワイヤ組において、該組が湾曲部の周囲に湾曲される際、ワイヤはそれぞれ最大可能湾曲半径を取り、すなわち、シースの内側上に互いに並列する。少量の回転の場合、かかる個々のワイヤは、組として渦を巻くのではなく、それぞれの軸を中心として独立して回転し、シースに対する摩擦から生じる各ワイヤに作用する反動トルクは：
【００２６】
Ｔr (wire)＝（Ｓwire／Ｒcurve ）＊Ｃf Ｒw ire（２）
となり、ここでＳwireはワイヤの剛性で、Ｒcurve はワイヤの半径である。このため、Ｎ本のワイヤ組では、組への反動トルク合計が：
Ｔr (ensemble)＝Ｎ＊（Ｓwire／Ｒcurve ）＊Ｃf Ｒwire（３）
に等しくなる。したがって、該組と可撓性シャフトの摩擦トルク比は：
Ｔr (flex shaft)／Ｔr (ensemble)＝［Ｓflex shaft／Ｎ＊Ｓwire］＊［Ｒflex shaft／Ｒwire］（４）
となる。
【００２７】
ねじり剛性が同じである組と可撓性シャフトの場合、ひねり剛性は屈曲剛性と同じ式に従うため、曲げ剛性も等しい。したがって、式（４）の右項の第一項は約１まで減少する。その結果、摩擦トルクの割合（Ｔr (flex shaft)／Ｔr (ensemble)）は組の個々のワイヤの半径に対する可撓性シャフトの半径の割合と等しい。したがって、トルク伝達装置として機能する自由ワイヤ組の摩擦によるトルクは、直径の割合により、同様の剛性の可撓性シャフトの摩擦によるトルクよりも小さい。７本のワイヤから成る典型的なアセンブリは、個々のワイヤの直径に対する撚り合わされた可撓性シャフトの直径の割合が約３対１で、自由な組は、同様の湾曲シース内での摩擦の約３分の１となる。この結果は、可撓性シャフトを形成するために緊密に撚り合わされた束と、組にまとめられた自由な束という、７本のワイヤから成る非常によく似た２つの束の比較に有効である（この分析は、非常に保守的な仮定であるが、可撓性シャフトの剛性が、個々のワイヤの剛性の合計と等しいことを想定することに留意する）。
【００２８】
以上の分析から、従来の可撓性シャフトを形成するために同様の緊密に撚り合わされたワイヤ束を使用することに対して、トルク伝達装置としてばらばらに撚り合わされた（またはまったく撚り合わされていない）ワイヤ組を使用することに３つの非自明な点があることが分る。まず、緊密に撚り合わされた可撓性シャフトよりも、自由な組では大幅にヒステリシスが減少される。第２に、シース内での自由な組の摩擦（すべての小さな回転角で）は、緊密に撚り合わされた同等の可撓性シャフトの摩擦のほんの一部である。第３に、自由な組は、緊密に撚り合わされた束よりも小さい半径の周囲に湾曲できる。
【００２９】
本発明のマルチストランド可撓性ロータリーシャフトは多くのさまざまな用途で実際に使用される。
（本発明を利用する実際の適用の説明）
本発明の実際の用途の１つは、すでに組み込まれた共同所有出願の係蹄器具におけるものである。次に図４〜７を参照すると、外科用係蹄器具２１０は、基端２１４と末端２１６を有する細長可撓性管状シース２１２と、基端２２０と、シース２１２内を延び、該シース２１２に対して軸方向に移動可能な末端２２２とを有する可撓性回転式シャフト２１８と、シャフト２１８の末端２２２に連結されるか該末端２２２に形成され、シース２１２の末端２１６に隣接していることが望ましい係蹄２２４と、シース２１２に対してシャフト２１８を移動させるための第１及び第２ハンドルアセンブリ２２６、２２８とを備えている。
【００３０】
回転式シャフト２１８は、各々が直径約０．０３０４８ｃｍ（約０．０１２インチ）で、高弾性限界の高強度、直線状の（そりのない）３本のステンレス鋼線から構成することが望ましい。ワイヤの基端は互いに溶接され、ワイヤの末端は互いに溶接されている。その基端と末端との間にワイヤはばらばらの状態で連係している。シャフト２１８は、永久変形なしに湾曲した経路（たとえば半径が約０．８インチの経路）内で湾曲するようになっている。さらに、前述した理由により、その全長のいずれの地点でもシャフト２１８を回転させることにより、係蹄２２４を正確に回転できる。
【００３１】
２個のハンドルの内末端側の方である内科医用ハンドルアセンブリ２２６は、本体２３０と、本体に対して同軸につまみ２３２を回転させることが可能な様態で、軸受２３３ａ、２３３ｂ上に本体２３０内に搭載されたつまみ２３２とを一般的に備えている。本体２３０は、１ないしそれ以上の開口部２３５を備えた中心孔２３４と、ねじ山付き末端２３６と、ねじ山付き基端２３８とを備えている。係蹄器具２１０のシース２１２は、本体２３２のねじ山付き末端２３６に、たとえばフレアナット接続２４２などの手段により接続されている。補強スリーブ２４４が接続部２４２でシース２１２上に設けられていることが望ましい。つまみ２３２は、たとえば断面形状が正方形のように、非円形の孔２４０を含む。つまみ２３２は（以下に説明する理由により）、係蹄２２４を開閉するために必要な移動距離、すなわちシース２１２内に圧縮された場合の係蹄の長さと少なくとも同じ長さであることが望ましい。つまみ２３２が本体に対し、たとえば内科医によって回転できるように、開口部２３５はつまみ２３２への接近手段を設ける。
【００３２】
つまみ２３２の孔２４０内を延びるシャフト２１８の一部（望ましくは、互いに拘束されたワイヤの基端）にはキー２４６、すなわち、シャフト２１８上またはその周囲に固定された、もしくはシャフトの２つの部分の間に剛性に、固定的にはさまれたスプライン要素が設けてある。キー２４６は矩形形状を有することが望ましいが、円形以外の他の形状を有してもよい。キー２４６は孔２４０内で軸方向にスライド移動が可能である。したがって、シャフト２１８は孔２４０内を軸方向に移動できる（そしてこれが、つまみ２３２の長さが係蹄を開閉するために必要とされる移動距離と少なくとも同じ長さであることが望ましい理由である）。しかし、つまみ２３２が本体２３０に対して回転される際、孔２４０内のキー２４６が回転し、その結果、シャフト２１８と係蹄２２４とがシース２１２に対して回転する。
【００３３】
末端ハンドルアセンブリ２２６は、２００ｃｍ内視鏡内に挿通されるように設計された係蹄器具２１０のためのシース２１２の末端２１６から約２１０cmの位置に配することが望ましい。したがって、内科医は、本体に対してつまみ２３２、したがってシース２１２に対して係蹄を回転できるような様態で本体２３０を把持でき、同時に、内視鏡の作業路内で係蹄器具２１０を軸方向に位置決めするグリップとして本体２３０を使用できる。
【００３４】
シャフト２１８は、本体３２０の基端２３８から基端ハンドルアセンブリ２２８または補助ハンドルへ延びる。基端ハンドルアセンブリ２２８は、静止部材２５０と、静止部材に対してスライド可能なスプール部材２５２とを含むことが望ましい。静止部材２５０は、シャフト２１８の基端２２０が内部に延びる長手スルーホール２５６と、横断スロット２５８と、基端親指リング２６０と、末端ねじ山付きコネクタ２６２を含む。シャフト２１８の基端には、伝導性補強スリーブ２６４を設けることが望ましく、円筒伝導性軸受２６６が補強スリーブ２６４の基端周囲に連結される。スプール部材２６２は、静止部材２５０上にスプール部材２５２に固定するために、横断スロット２５８内を延びるクロスバー６８を含む。さらに、スプール部材２６２は焼灼用プラグ２７０を含むことが望ましい。伝導性軸受２６６はクロスバー２６８内を延び、クロスバー２６８内で伝導性軸受が自由に回転できる様態で、カラー２７４がクロスバー２６８内で軸受２６６を固定する。バネ２７２が焼灼器用プラグ２７０と伝導性軸受２６６との間に延び、軸受２６６の回転位置にかかわらず、プラグ２７０と軸受２６６との間には接点を設ける。静止部材２５０に対するスプール部材２５２の移動により、係蹄２２４はシース２１２の末端２１６から延び、該末端２１６内へ後退する。基端ハンドルと末端ハンドルとの間のシャフト部は（内科医と助手の間の）湾曲経路を通る可能性は低いため、モノストランドワイヤ、もしくは末端ハンドルより末端の部分ほど可撓性がない他の可撓性シャフトから構成できる。
【００３５】
前述の組み込まれた出願で説明したように、電気絶縁性の延長シース２８０が、たとえばフレアナット接続２８２、２８４を介して連結された本体２３０の基端２３８と、静止部材２５０の末端２６２との間のシャフト２１８を延びる。かくして、末端ハンドルアセンブリ２２６と基端ハンドルアセンブリ２２８とを接合し、しかも間隔をあけた連続した外側接続が存在する。補強スリーブ２８６は、本体２３０の基端２３８の延長シース２８０上に設けることが望ましく、別の補強スリーブ２８８が静止部材２５０の末端２６２の延長シース２８０上に設けることが望ましい。
【００３６】
使用時、内視鏡の作業路と連通する内視鏡ハンドル内のポートを典型的に使用して、内科医は係蹄器具２１０を内視鏡（図示せず）内に導入する。次に、内科医は基端側の助手用ハンドル２２８を助手に渡す。次に内科医は、係蹄器具の末端内科医用ハンドル２２６の本体２３０を把持し、それを用いて、シース２１２の末端２１６を、切除するポリープに隣接して配する。次に内科医は、助手に係蹄を伸ばすよう指示し、これは、静止部材２５０に対してスプール部材２５２を移動することで実行される。次に内科医は、末端ハンドル２２６を使用して、シャフト２１８をつまみ２３２を介して回転させることで、ポリープ上に係蹄を軸方向に配すると同時に係蹄を回転させる。次に内科医は、望ましければ焼灼器を使用して、係蹄を閉じ、ポリープを剪断するよう助手に指示する。このようにして、内科医はポリープ上に係蹄を配する手段を制御し、助手は、係蹄の開閉と焼灼を制御する。
【００３７】
本発明の別の実用適用例は、米国特許第５，４３９，４７８号に開示したマイクロ外科切断器具にあり、参照によってその全開示が本願に組み込まれる。
次に図８を参照すると、本発明を組み込んだマイクロ外科器具３８０は、可撓性コイル３１４と、コイル３１４内を延びる可撓性回転式シャフト３１６と、シャフト３１６に連結される端部作動体３１８と、コイル３１４の末端に連結される回転式クレビスアセンブリ３２０と、基端作動アセンブリ３８２とを含む。基端作動アセンブリ３８２は、その内２個がフィンガーリング３８５によって覆われた指置き３８６を設けた静止ハンドル部３８４と、コイル３１４と可撓性回転シャフト３１６とを受け止めるための貫通孔３８８とを有する。親指リング３９２を有するレバーアーム３９０が、ピボット軸３９４によって静止ハンドル３８４に旋回できるように取り付けられている。レバーアーム３９０は、静止ハンドルの孔３８８と実質的に同軸の孔３９６と、孔３９６に実質的に直交するスロット３９８とを有する。スロット３９８には、受け止め孔４０２と止めネジ４０４とを有するぎざ付きディスク４００が取り付けられている。
【００３８】
コイル３１４の基端は、クリンプ、半田付け、圧着、その他の適切な方法により静止ハンドル３８４の貫通孔３８８内に搭載される。可撓性回転式シャフト３１６の基端はディスク４００の孔４０２内に挿入され、止めネジ４０４によって所定位置に保持される。したがって、レバーアーム３９０内のスロット３９８内のきざみ付きディスク４００の回転によって、シャフト３１６が作動アセンブリ３８２に対して回転可能であることは当業者には明白である。静止ハンドル３８４に対するレバーアーム３９０の移動により、コイルに対してシャフト３１６が並進移動し、端部作動体３１８を開閉することも言うまでもない。
【００３９】
本発明によると、可撓性回転式シャフト３１６は、それぞれが直径約０．０３０４８ｃｍ（０．０１２インチ）の３本のステンレス鋼線から構成される。ワイヤの基端はシャフト受け止め孔４０２において互いに溶接され、ワイヤの末端は端部作動体３１８において互いに溶接される。基端と末端の間で、ワイヤは一緒に緊密に巻かれておらず、まったく一緒に巻かれていないことが望ましい。シャフト３１６の典型的な長さは約１００〜２５０cmである。シャフトは、約０．０３オンス・インチのトルクを正確に伝達する。シャフト３１６は、半径０．０８インチを有する湾曲部を通り抜けられる。
【００４０】
操作の際、医師は指を指置き３８６周囲に置き、親指を親指リング３９２内に通して作動アセンブリ３８２を保持する。人差し指は、シャフト３１６の回転と、したがってクレビス３４０と端部作動体３１８の回転を生じさせるディスク４００を自由に回転させる。
【００４１】
本発明が、前述の組み込まれた特許に開示した他の実施例と組み合わせて都合よく使用されることは当業者には明らかである。さらに、本発明は、鉗子、バスケット、切除器具、破砕機、ドリルを含む他の操縦可能な外科用器具と組み合わせて都合よく使用される。本発明はまた、可撓性回転軸を使用する血液圧送器具、操縦可能な鉗子、ロータリーカテーテル、操縦可能な電極、操縦可能な注入針、操縦可能な焼灼器具を含む心臓血管器具と組み合わせて都合よく使用される。種々の内視鏡用器具に加え、本発明は、ファローピウス管・子宮の挿管用カテーテル、操縦可能なはさみ、把持器、切開器と焼灼プローブ、切除器具、離解器具などの種々の腹腔鏡器具と組み合わせて都合よく利用される。また本発明は、ガイドワイヤなどの他の操縦可能な器具でも都合よく使用される。外科器具に加え、本発明は、制御または送電用小型可撓性シャフト、航空機制御ケーブル、コンパスや風向装置などの遠隔装置、歯科用ドリル、速度計駆動ケーブル、操縦可能な検査スコープなどの関連のない分野で有用な用途が判明している。
【００４２】
マルチストランド可撓性ロータリーシャフトの幾つかの例を本明細書において説明、図示してきた。本発明の特定の実施例と用途について説明してきたが、本発明は当業で可能な限り範囲が広く、明細書はそのように解釈されるものと意図されるため、本発明が特定の実施例と用途に限定されることは意図していない。したがって、特定の寸法が開示されているが、他の寸法も利用できることが理解される。また、特定のフィラメント数が示されているが、フィラメント数は用途によって決定されることが認識される。さらに、フィラメント端の溶接に関連して、特定の構成が開示されているが、端部を一緒に拘束するための他の手段も使用できることが理解される。したがって、請求されるその精神と範囲から逸脱することなく、本発明にその他の改変が行えることは当業者には理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【図１】  先行技術のマルチストランド可撓性ロータリーシャフトの略断面図。
【図２】  図１の先行技術のマルチストランド可撓性ロータリーシャフトの略側面図。
【図３】  本発明によるマルチストランド可撓性ロータリーシャフトの部分透視略破断擬似透視図。
【図４】  本発明によるマルチストランド可撓性ロータリーシャフトを利用する係蹄器具の分解側面断面図。
【図５】  図４の５−５線における拡大断面図。
【図６】  図４の６−６線における拡大断面図。
【図７】  図４の７−７線における拡大断面図。
【図８】  本発明によるマルチストランド可撓性ロータリーシャフトを使用したマイクロ外科用切断器具の部分縦断面の側面図。
【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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