(57)【要約】  手術器具は、ユーザーによって操作されるように構成された手持ち部分と、この手持ち部分に動作可能に連結された旋回部分とを備える。旋回部分は、手持ち部分に対して第１及び第２の自由度で旋回するように構成されている。旋回部分は伸縮ノーズ機構を有し、この伸縮ノーズ機構が、ノーズチューブと、このノーズチューブの直線状の平行移動を可能にするようにノーズチューブから延びるキャリッジを有する中間ユニットと、キャリッジと協働し、ノーズチューブを手持ち部分に対して第３の自由度で直線状に平行移動させる駆動モータとを含む。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ユーザーによって操作されるように構成された手持ち部分と、
前記手持ち部分に動作可能に連結された旋回部分であって、前記手持ち部分に対して第１及び第２の自由度にて旋回するように構成された旋回部分と
を備える手術器具であって、
前記旋回部分が伸縮ノーズ機構を有し、
前記伸縮ノーズ機構が、ノーズチューブと、前記ノーズチューブの直線状平行移動を可能にするように複数の送りネジ及び前記ノーズチューブから延びるキャリッジを有する中間ユニットと、前記キャリッジと協働し、前記ノーズチューブを前記手持ち部分に対して第３の自由度にて直線状に平行移動させる駆動モータとを含む、手術器具。
【請求項２】
前記駆動モータが、駆動ギアを有する回転可能なロータを有する、請求項１に記載の手術器具。
【請求項３】
前記送りネジの各々が一端部に被駆動ギアを有し、
前記駆動ギアが、前記被駆動ギアの各々と協働して前記送りネジの各々の回転を可能とするように構成されている、請求項２に記載の手術器具。
【請求項４】
前記キャリッジ及び前記ノーズチューブが互いに別の構成要素となっている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の手術器具。
【請求項５】
前記キャリッジが前記ノーズチューブの一端部に連結されている、請求項１〜４のいずれか一項に記載の手術器具。
【請求項６】
前記キャリッジが、前記送りネジに沿って直線状に平行移動するように構成されている、請求項１〜５のいずれか一項に記載の手術器具。
【請求項７】
前記キャリッジが、前記送りネジのネジ山と連動するネジ山を有する、請求項１〜６のいずれか一項に記載の手術器具。
【請求項８】
前記キャリッジが、前記ノーズチューブを受け入れるように前記キャリッジを貫通する中心開口と、前記送りネジを受け入れ、前記送りネジと協働する複数の二次開口であって、前記中心開口から半径方向に離間している複数の二次開口とを有する、請求項１〜７のいずれか一項に記載の手術器具。
【請求項９】
前記二次開口が、前記送りネジのネジ山と協働するネジ山を有する、請求項８に記載の手術器具。
【請求項１０】
前記ノーズチューブ及び前記キャリッジが互いに対して軸方向に固定されている、請求項１〜９のいずれか一項に記載の手術器具。
【請求項１１】
前記ノーズチューブ及び前記キャリッジが、許容誤差を調整するために前記ノーズチューブと前記キャリッジとの間の半径方向柔軟性をもたらすこと可能にするように構成されている、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の手術器具。
【請求項１２】
前記ノーズチューブは、そこから半径方向に延びる複数の外部タブを有する、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の手術器具。
【請求項１３】
前記伸縮ノーズ機構が、前記ノーズチューブと協働する直線ブッシュを有し、
前記直線ブッシュが、該直線ブッシュを軸方向に貫通する中心開口と、前記中心開口から半径方向に延びると共に前記中心開口に沿って軸方向に延び、前記ノーズチューブの外部タブを受け入れるようになっている複数の内部キー溝とを有する、請求項１２に記載の手術器具。
【請求項１４】
前記ノーズチューブの外部タブ及び前記直線ブッシュの内部キー溝が、前記ノーズチューブと前記直線ブッシュとの間の緊密な半径方向柔軟性をもたらすように構成されている、請求項１３に記載の手術器具。
【請求項１５】
前記ノーズチューブが、アクセサリを動作可能に支持するように構成されている、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の手術器具。
【請求項１６】
前記駆動モータが、前記アクセサリを前記手持ち部分に対して前記第３の自由度で直線状に平行移動させるように構成されており、
前記駆動モータが、前記第３の自由度に関して、前記旋回部分に対して軸方向に固定されている、請求項１５に記載の手術器具。
【請求項１７】
前記ノーズクーブに連結され、前記アクセサリを支持するように構成された連結アセンブリを備え、
前記連結アセンブリが、前記アクセサリのシャフトが貫通する孔を有するコネクタを有する、請求項１５又は１６に記載の手術器具。
【請求項１８】
前記旋回部分が、アクセサリ駆動モータと、前記アクセサリ駆動モータによって回転される中間シャフトとを有する、請求項１５〜１７のいずれか一項に記載の手術器具。
【請求項１９】
前記アクセサリ駆動モータが、電磁コイルと、前記電磁コイルによって回転可能なロータとを有し、
前記ロータは、前記中間シャフトが前記ロータを貫通することを可能にするように、前記ロータを貫通する開口を有する、請求項１８に記載の手術器具。
【請求項２０】
前記ノーズチューブが相互接続シャフトを有し、
前記相互接続シャフトが、前記中間シャフトに連結された第１の端部と、前記アクセサリの駆動を可能にするように前記アクセサリのシャフトに連結するように構成された第２の端部とを有する、請求項１８又は１９に記載の手術器具。
【請求項２１】
前記相互接続シャフトにおける前記第１及び第２の端部の各々は、前記第１の端部が前記中間シャフトの相手端部を受け入れるように構成されると共に、前記第２の端部が前記アクセサリのシャフトの相手端部を受け入れるように構成されるように、二重Ｄ字状開口を有する、請求項２０に記載の手術器具。
【請求項２２】
前記伸縮ノーズ機構が、前記ノーズチューブ内に配置された内部軸受を有し、
前記内部軸受が、前記アクセサリのシャフトの運動を支持するように構成されている、請求項１５〜２１のいずれか一項に記載の手術器具。
【請求項２３】
前記伸縮ノーズ機構を支持するケーシングをさらに備え、
前記ノーズチューブが、前記ケーシングに対して前記第３の自由度で直線状に平行移動するように構成されている、請求項１〜２２のいずれか一項に記載の手術器具。
【請求項２４】
ノーズチューブと、
駆動ギアを備える駆動モータと、
前記ノーズチューブ及び前記駆動モータ間に連結された中間ユニットであって、各々がネジ山を有して一端部に被駆動ギアを有する複数の送りネジと、前記送りネジと連動するためのネジ山を有するキャリッジとを含む中間ユニットと、
を備える手術器具であって、
前記駆動ギアが、前記被駆動ギアの各々と連動して前記送りネジの各々の回転を可能にするように構成され、これによって、前記キャリッジを前記送りネジに沿って直線状に平行移動させ、前記ノーズチューブの伸縮を可能にするようになっている、手術器具。
【請求項２５】
前記キャリッジが、前記ノーズチューブの一端部に連結されている、請求項２４に記載の手術器具。
【請求項２６】
前記キャリッジ及び前記ノーズチューブが互いに別の構成要素となっている、請求項２４又は２５に記載の手術器具。
【請求項２７】
前記キャリッジが、前記ノーズューブを受け入れるように前記キャリッジを貫通する中心開口を有する、請求項２４〜２６のいずれか一項に記載の手術器具。
【請求項２８】
前記キャリッジが、前記送りネジを受け入れ、かつ協働する複数の二次開口であって、前記中心開口から半径方向に離間している複数の二次開口を有する、請求項２７に記載の外科医器具。
【請求項２９】
前記二次開口が、前記送りネジのネジ山と協働するネジ山を有する、請求項２８に記載の外科部位。
【請求項３０】
前記ノーズチューブ及び前記キャリッジが互いに対して軸方向に固定されている、請求項２４〜２９のいずれか一項に記載の手術器具。
【請求項３１】
前記ノーズチューブ及び前記キャリッジが、許容誤差を調整するために前記ノーズチューブと前記キャリッジとの間に半径方向の柔軟性をもたらすことを可能とするように構成されている、請求項２４〜３０のいずれか一項に記載の外科部位。
【請求項３２】
前記ノーズチューブが、そこから半径方向に延びる複数の外部タブを有する、請求項２４〜３１のいずれか一項に記載の手術器具。
【請求項３３】
前記伸縮ノーズ機構が、前記ノーズチューブと協働する直線ブッシュを有し、
前記直線ブッシュが、該直線ブッシュを軸方向に貫通する中心開口と、前記中心開口から半径方向に延びると共に前記中心開口に沿って軸方向に延び、前記ノーズチューブの前記外部タブを受け入れるようになっている複数の内部キー溝とを有する、請求項３２に記載の手術器具。
【請求項３４】
前記ノーズチューブの外部タブ及び前記直線ブッシュの内部キー溝が、前記ノーズチューブと前記直線ブッシュとの間の緊密な半径方向柔軟性をもたらすように構成されている、請求項３３に記載の手術器具。
【請求項３５】
前記ノーズチューブが、アクセサリを動作可能に支持するように構成されている、請求項２４〜３４のいずれか一項に記載の手術器具。
【請求項３６】
前記ノーズチューブに連結され、前記アクセサリを支持するように構成された連結アセンブリを備え、
前記連結アセンブリは、前記アクセサリのシャフトが貫通する孔を有するコネクタを含む、請求項３５に記載の手術器具。
【請求項３７】
アクセサリ駆動モータと、
前記アクセサリ駆動モータによって回転される中間シャフトと
を備える請求項３５又は３６に記載の手術器具。
【請求項３８】
前記アクセサリ駆動モータが、電磁コイルと、前記電磁コイルによって回転可能なロータとを有し、
前記ロータが、前記中間シャフトが前記ロータを貫通することを可能とするように、前記ロータを貫通する開口を有する、請求項３７に記載の手術器具。
【請求項３９】
前記ノーズチューブが相互接続シャフトを有し、
前記相互接続シャフトが、前記中間シャフトに連結された第１の端部と、前記アクセサリの駆動を可能にするために前記アクセサリのシャフトに連結するように構成された第２の端部とを有する、請求項３７又は３８に記載の手術器具。
【請求項４０】
前記相互接続シャフトにおける前記第１及び第２の端部の各々は、前記第１の端部が前記中間シャフトの相手端部を受け入れるように構成されると共に、前記第２の端部が前記アクセサリの前記シャフトの相手端部を受け入れるように構成されるために、二重Ｄ字状開口を有する、請求項３９に記載の手術器具。
【請求項４１】
前記伸縮ノーズ機構が、前記ノーズチューブ内に配置された内部軸受を有し、
前記内部軸受が、前記アクセサリのシャフトの運動を支持するように構成されている、請求項３５〜４０のいずれか一項のいずれか１つに記載の手術器具。
【請求項４２】
前記伸縮ノーズ機構を支持するケーシングをさらに備え、
前記ノーズチューブが、前記ケーシングに対して直線状に平行移動するように構成されている、請求項２４〜４１のいずれか一項に記載の手術器具。
【請求項４３】
旋回部分と、
前記旋回部分内に配置されたシャフトと、
前記旋回部分内に配置され、前記シャフトを回転させるように構成された第１の駆動モータと、
前記旋回部分内に配置され、前記シャフトを直線状に平行移動させるように構成された第２の駆動モータであって、前記第２の駆動モータがロータ及び駆動ギアを有し、前記ロータ及び前記駆動ギアの各々が、前記シャフトを受け入れるように、及び前記シャフトが前記ロータ及び前記駆動ギアの各々を通して自在に回転し、かつ直線状に平行移動することを可能にするように、前記ロータ及び前記駆動ギアの各々を貫通する開口を画定している、第２の駆動モータと
を備える手術器具。
【請求項４４】
ユーザーによって操作されるように構成された手持ち部分を備える請求項４３に記載の手術器具。
【請求項４５】
前記旋回部分が、前記手持ち部分に動作可能に連結され、前記手持ち部分に対して第１及び第２の自由度で旋回するように構成されている、請求項４４に記載の手術器具。
【請求項４６】
アクセサリを動作可能に支持するように構成されたノーズチューブを備える請求項４３〜４５のいずれか一項に記載の手術器具。
【請求項４７】
前記第１の駆動モータが、前記アクセサリの回転を可能にするために前記シャフトを回転させるように構成されている、請求項４６に記載の手術器具。
【請求項４８】
前記第２の駆動モータが、前記ノーズチューブ及び前記アクセサリの前記手持ち部分に対する第３の自由度の直線状平行移動を可能にするために、前記シャフトを直線状に平行移動させるように構成されている、請求項４６又は４７に記載の手術器具。
【請求項４９】
前記旋回部分内に配置され、前記ロータ、前記駆動ギア及び前記ノーズチューブと協働して前記シャフト及び前記ノーズチューブの直線状平行運動を可能にするように構成される中間ユニットを備える請求項４６〜４８のいずれか一項に記載の手術器具。
【請求項５０】
前記中間ユニットが複数の送りネジを備える、請求項４９に記載の手術器具。
【請求項５１】
前記送りネジの各々が、ネジ山を有し、かつ一端部に被駆動ギアを含み、
前記駆動ギアが、前記被駆動ギアの各々と協働して前記送りネジの各々の回転を可能にするように構成されている、請求項５０に記載の手術器具。
【請求項５２】
前記中間ユニットが、前記ノーズチューブから延びるキャリッジを有し、
前記キャリッジが、前記送りネジに沿って直線状に平行移動するように構成されている、請求項５０又は５１に記載の手術器具。
【請求項５３】
前記キャリッジ及び前記ノーズチューブが互いに別の構成要素となっている、請求項５２に記載の手術器具。
【請求項５４】
前記キャリッジが前記ノースチューブの一端部に連結されている、請求項５２又は５３に記載の手術器具。
【請求項５５】
前記キャリッジが、前記送りネジのネジ山と連動するネジ山を有する、請求項５２〜５４のいずれか一項に記載の手術器具。
【請求項５６】
前記ノーズチューブ及び前記キャリッジが互いに対して軸方向に固定されている、請求項５２〜５５のいずれか一項に記載の手術器具。
【請求項５７】
前記ノーズチューブ及び前記キャリッジが、許容誤差を調整するために前記ノーズチューブと前記キャリッジとの間に半径方向の柔軟性をもたらすことを可能とするように構成されている、請求項５２〜５６のいずれか一項に記載の手術器具。
【請求項５８】
前記ノーズチューブに連結され、前記アクセサリを支持するように構成された連結アセンブリを備え、
前記連結アセンブリは、前記アクセサリのシャフトが貫通することを可能にする孔を有するコネクタを有する、請求項４６〜５７のいずれか一項に記載の手術器具。
【請求項５９】
前記ノーズチューブ内に配置された内部軸受を備え、
前記内部軸受が、前記アクセサリのシャフトの運動を支持するように構成されている、請求項４６〜５８のいずれか一項に記載の手術器具。
【請求項６０】
前記ノーズチューブが相互接続シャフトを有し、
前記相互接続シャフトが、前記シャフトに連結された第１の端部と、前記アクセサリの前記シャフトに連結するように構成された第２の端部とを有する、請求項５９に記載の手術器具。
【請求項６１】
前記相互接続シャフトにおける前記第１及び第２の端部の各々が、前記第１の端部が前記シャフトの相手端部を受け入れるように構成されると共に、前記第２の端部が前記アクセサリの前記シャフトの相手端部を受け入れるように構成されるために、二重Ｄ字状開口を有する、請求項６０に記載の手術器具。
【請求項６２】
前記第２の駆動モータが、前記ロータを回転させるように構成された電磁コイルを有する、請求項４３〜６１のいずれか一項に記載の手術器具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［関連出願の相互参照］
本願は、２０１５年１１月３０日に出願された米国仮特許出願第６２／２６０，８５１号の利得を主張し、その開示内容は、参照することによって、その全体がここに含まれるものとする。
【０００２】
［発明の分野］
本開示は、概略的には、手術器具に関し、さらに詳細には、伸縮ノーズ機構を有する手術器具を追跡し、かつ制御するためのシステムにて用いられる手術器具に関する。
【背景技術】
【０００３】
（ナビゲーションとしても知られる）追跡システムは、手術器具のような器具の正確な位置を必要とする手術中に外科医を支援する。このような手術の例として、神経外科、脊椎外科、及び整形外科が挙げられる。一具体例では、追跡システムは、外科手術中に手術器具の位置及び方位を追跡し、多くの場合、患者の術前画像又は術中画像と共に器具の位置及び／又は方位をモニターに表示する（術前画像は、典型的には、ＭＲＩ又はＣＴスキャンによって準備され、術中画像は、Ｘ線透視装置、低レベルＸ線装置、又は任意の同様の装置によって準備される）。
【０００４】
手術器具の端の切断具が作用する位置を確定するために、切断ジグ、ガイドアーム、又は他の拘束機構の助けなしに、手術器具を手動で用いることも提案されている。例えば、Brissonらに付与された特許文献１を参照されたい。一具体例では、追跡システムは、典型的には、手術器具に配置された追跡装置を検出するカメラを用いる。追跡装置は、手術器具の位置及び方位を決定するために、発光ダイオード（ＬＥＤ）のような複数の光学マーカーを有している。手術器具の位置は、通常、三次元空間、すなわち、ｘ，ｙ，ｚ座標系又はデカルト座標系において、カメラに対する器具の作業端の座標と相関関係を有している。手術器具の方位は、この器具のピッチ、ロール、及びヨー（ヨーイング）を意味する。手術器具の位置及び方位の両方が画定されたときに、この器具の相対位置は、追跡システムに掌握されたことになる。
【０００５】
手術器具の一形式として、「ペンシル型」の手持ち式手術器具が知られている。ペンシル型手持ち式手術器具は、ユーザーの手によって保持され、患者の組織への医学的／外科的作業、例えば、大腿骨に対する骨組織のような組織の成形又は除去を行うようになっている。ペンシル型手持ち式手術器具は、深さ自由度の運動のために伸縮ノーズを利用する。また、ペンシル型手持ち式手術器具は、旋回ジンバル機構を介してもたらされる２つの追加的な自由度の運動を利用する。一具体例では、器具は、直線状に平行移動するネジ山付きノーズチューブを有する部分を備えている。モータは、ノーズチューブと直接係合する長い雌ネジ山を有する細長のロータを用いて、ノーズチューブを伸縮させる。ノーズチューブは、近位端にモータのロータに直接嵌合する雄ネジ山を有している。ロータが一方向に回転すると、ノーズチューブは、（ノーズチューブが連動していることによって）引き込まれ、反対方向に回転し、その結果、ノーズチューブが押し出される。このようなペンシル型手持ち式手術器具の例は、２０１２年８月３１日に出願された係属中の特許文献２に開示されている。この文献の開示内容は、参照することによって、ここに明示的に含まれるものとする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第６，７５７，５８２号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２０１３／００６０２７８号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記の手持ち式手術器具は、十分に機能しているが、このような手持ち式手術器具の改良が望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
手術器具の一実施形態が提供される。手術器具は、ユーザーによって操作されるように構成された手持ち部分と、この手持ち部分に動作可能に連結された旋回部分とを備えている。旋回部分は、手持ち部分に対して第１及び第２の自由度にて旋回するように構成されている。旋回部分は伸縮ノーズ機構を備えている。伸縮ノース機構は、ノーズチューブと、このノーズチューブの直線状平行移動を可能にするようにノーズチューブから延びるキャリッジを有する中間ユニットと、キャリッジと協働し、ノーズチューブを手持ち部分に対して第３の自由度にて直線状に平行移動させる駆動モータとを備えている。
【０００９】
手術器具の他の実施形態が提供される。手術器具は、ノーズチューブと、駆動ギアを備える駆動モータと、ノーズチューブ及び駆動モータ間に連結された中間ユニットとを備えている。中間ユニットは、各々がネジ山を有すると共に一端部に被駆動ギアを備える複数の送りネジを備えている。中間ユニットは、送りネジと連動するためのネジ山を有するキャリッジを備えている。駆動ギアは、被駆動ギアの各々と連動して送りネジの各々の回転を可能にするように構成され、これによって、キャリッジを送りネジに沿って直線状に平行移動させ、ノーズチューブの伸縮を可能にするようになっている。
【００１０】
手術器具のさらなる他の実施形態が提供される。手術器具は、旋回部分と、この旋回部分内に配置されたシャフトとを備えている。第１の駆動モータが、旋回部分内に配置され、シャフトを回転させるように構成されている。第２の駆動モータが、旋回部分内に配置され、シャフトを直線状に平行移動させるように構成されている。第２の駆動モータは、ロータ及び駆動ギアを備え、ロータ及び駆動ギアの各々は、シャフトを受け入れるために、及びシャフトがロータ及び駆動ギアの各々を通して自在に回転し、かつ直線状に平行移動することを可能にするために、ロータ及び駆動ギアの各々を貫通する開口を画定している。
【００１１】
本開示の他の利点は、添付の図面と併せて以下の詳細な説明を参照することによって良好に理解されたなら、容易に明らかになるだろう。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１Ａ】手術器具のための追跡及び制御システムにおける一実施形態の概略図である。
【図１Ｂ】手術器具のための追跡及び制御システムにおける他の実施形態の概略図である。
【図１Ｃ】図１Ａ及び図１Ｂにおける手術器具のための作業境界を示す図である。
【図２】図１Ａ及び図１Ｂにおける追跡及び制御システムに用いられる手術器具のドリル部分の断面図である。
【図３】図２における手術器具の一部の拡大断面図である。
【図４】図２における手術器具の他の部分の拡大断面図である。
【図５】図２における手術器具のさらに他の部分の拡大断面図である。
【図６】図２における手術器具のさらなる部分の拡大断面図である。
【図７】図２における線７−７に沿った断面図である。
【図８】図２における線８−８に沿った断面図である。
【図９】外側ハウジング及びアクセサリが省略された、図２の手術器具のドリル部分の直線駆動区域の斜視図である。
【図１０】一部が省略された、図９と同様の図である。
【図１１Ａ】図３におけるドリル部分のバー駆動ロータの斜視図である。
【図１１Ｂ】図３におけるバー駆動ロータの他の斜視図である。
【図１２】図４及び図９におけるドリル部分の直線駆動モータのロータの斜視図である。
【図１３】図４における直線駆動モータのコイルの斜視図である。
【図１４Ａ】図６におけるドリル部分のバーシャフトの端面図である。
【図１４Ｂ】図６におけるバーシャフトの斜視図である。
【図１５】図１６Ａ及び図１６Ｂにおけるノーズチューブと協働するブッシュの斜視図である。
【図１６Ａ】図２におけるドリル部分のノーズチューブの斜視図である。
【図１６Ｂ】ネジ付きインサートが組み込まれた図１６Ａにおけるノーズチューブの他の斜視図である。
【図１７】図６における線１７−１７に沿った断面図である。
【図１８Ａ】図２におけるドリル部分のアクセサリの斜視図である。
【図１８Ｂ】図１８Ａにおけるアクセサリの分解図である。
【図１９】図１８Ａにおけるアクセサリの断面図である。
【図２０】手術器具のアクセサリが深さ軸に沿って種々の位置にあるドリル部分の断面図の１つである。
【図２１】手術器具のアクセサリが深さ軸に沿って種々の位置にあるドリル部分の断面図の１つである。
【図２２】手術器具のアクセサリが深さ軸に沿って種々の位置にあるドリル部分の断面図の１つである。
【図２３】手術器具のアクセサリが深さ軸に沿って種々の位置にあるドリル部分の断面図の１つである。
【図２４】手術器具のアクセサリが深さ軸に沿って種々の位置にあるドリル部分の断面図の１つである。
【図２５】手術器具のアクセサリが深さ軸に沿って種々の位置にある図２０〜図２４におけるドリル部分の断面図をまとめた図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１Ａ及び図１Ｂを参照すると、一実施形態に係る手術器具１２００と共に用いられる追跡及び制御システム１００が示されている。手術器具１２００は、アクセサリ２０２と共に用いられる。一実施形態では、アクセサリ２０２は、回転可能なシャフト２０３と、このシャフト２０３の一端部の遠位端チップ２０４とを有している。アクセサリ２０２は、患者の組織への医学的／外科的作業、すなわち、処置を行う構成要素である。手術器具１２００によって駆動可能なアクセサリ２０２の種類として、シェーバー、ドリルビット、バー、超音波工具、材料送達アクセサリ、測定装置、撮像アクセサリ等が挙げられる。図１Ａ及び図１Ｂでは、図示されるアクセサリ２０２はバー（切断アクセサリ）となっている。このバーは、図１８Ａ及び図１８Ｂに示されるように、骨を除去するための球状バーヘッドを有する遠位端部２０４と、キー付き二重Ｄ字形状を有する近位端部２０５とを有している。
【００１４】
手術器具１２００は、アクセサリ２０２のシャフト２０３及び遠位端チップ２０４を回転させ、手術器具１２００に取り付けられたアクセサリ２０２の遠位端チップ２０４を所定の境界に対して所望の関係に保つために、追跡及び制御システム１００が手術器具１２００を追跡する。（ここで、「遠位側」は、手術器具１２００を保持するユーザーから器具が作用する組織の方を向く側を意味し、「近位側」は、手術器具１２００が作用する組織から器具を保持するユーザーの方を向く側を意味する）。追跡及び制御システム１００は、手術器具１２００の原位置に対するアクセサリ２０２の遠位端チップ２０４の位置を制御する。この制御によって、アクセサリ２０２の遠位端チップ２０４は、このアクセサリが作用する外科部位における境界に衝突しないように又はこの境界を破らないように阻止されることを理解されたい。
【００１５】
一実施形態では、手術器具１２００は手持ち構造を有している。図示される手持ち構造は、ペンシルグリップ構造である。しかしながら、他の形式の手持ち構造であっても、ここに述べる概念を用いることができる。手術器具１２００は、（旋回部分とも呼ばれる）総称的に１２０２で示されるドリル部分と、ユーザーの手によって保持される手持ち部分１２０４とを備えている。ドリル部分１２０２は、例えば、図２〜図６に示されるように、アクセサリ２０２に連結されている。手持ち部分１２０４は、ドリル部分１２０２に２つの旋回自由度をもたらすようになっている。アクセサリ２０２、例えば、バー、ドリルビット等が回転するいくつかの実施形態では、ドリル部分１２０２は、アクセサリ２０２を回転軸Ｒを中心として回転させる（図２）。
【００１６】
前述したように、手術器具１２００に関して、回転軸Ｒは、手持ち部分１２０２に対してピッチ方向及びヨー（ヨーイング）方向に移動する。ドリル部分１２０２は、アクセサリ２０２を原位置に対して直線軸、すなわち、深さ軸Ｚに沿って伸縮させる。ドリル部分１２０２に関して、図示される実施形態では、深さ軸Ｚ及び回転軸Ｒは同一軸であることを理解されたい。
【００１７】
図１Ａ及び図１Ｂに示されているように、手術器具１２００及びアクセサリ２０２は、大腿骨１０２の一部を成形するために用いられる。手術器具１２００は、他の種類の組織、例えば、人体の軟組織又は他の骨の除去又はそれ以外の処理を行うために用いられてもよいことを理解されたい。
【００１８】
図１Ａ及び図１Ｂをさらに参照すると、図示される実施形態では、大腿骨１０２は、遠位端チップ２０４によって除去されるべき目標体積１０４の材料を有している。目標体積１０４は、作業境界１０６と呼ばれる境界によって画定されている。この作業境界１０６は、処置の後に残留するべき骨の表面を画定している。追跡及び制御システム１００は、遠位端チップ２０４が目標体積１０４の材料のみを除去し、作業境界１０６を超えないことを確実にするために、手術器具１２００を追跡し、かつ制御する。他の実施形態において、作業境界１０６は、どのような形状又は大きさによって画定されてもよく、二次元形状又は三次元形状、線、軌道、表面、直線経路、非直線経路、体積、面、孔、輪郭等を含んでもよいことを理解されたい。いくつかの実施形態では、作業境界１０６は、手術器具１２００が横断するべきではない二次元又は三次元境界を画定することができる。他の実施形態では、作業境界１０６は、手術器具１２００のアクセサリ２０２が移動するときに沿うべき線、経路、軌道又は進路を画定してもよい。これらの場合、作業境界１０６は、作業経路、作業軌道、又は作業進路とも呼ばれることを理解されたい。
【００１９】
図１Ａ及び図１Ｂを参照すると、追跡及び制御システム１００は、ナビゲーションユニット１０８を備えている。ナビゲーションユニット１０８は、大腿骨１０２及び手術器具１２００の位置及び方位を追跡する。ナビゲーションユニット１０８は、カメラ１１０と、このカメラ１１０からの信号を受信し、この信号を処理するナビゲーションコンピュータ１１２とを備えている。カメラ１１０は、データ結線１０７によってナビゲーションコンピュータ１１２に接続されている。一具体例では、データ結線１０７は、高速通信及びアイソクロナス実時間データ転送のシリアルバスインターフェイス規格であるＩＥＥＥ１３９４インターフェイスであるとよい。データ結線１０７は、企業特化プロトコルを用いてもよいことを理解されたい。
【００２０】
追跡及び制御システム１００内に組み込み可能な１つのカメラ１１０は、ミシガン州カラマズーのStryker Corporationから市販されているFlashPoint（登録商標）６０００Cameraである。このカメラ１１０は、互いに離間した３つの高解像度ＣＣＤカメラ（図示せず）を備えている。ＣＣＤカメラは、赤外線（ＩＲ）信号を検出する。カメラ１１０は、スタンド（図示せず）に取り付けられ、カメラ１１０が（理想的には障害物によって遮蔽されることなく）手持ち部分１２０４及び大腿骨１０２に取り付けられたトラッカー１１４，１１６の視野内に入るように、処置が行われる区域の上方に位置決めされる。各トラッカー１１４，１１６は、赤外光をカメラ１１０に伝達する発光ダイオード、例えば、（図示されない）３つのＬＥＤの形態にある複数の光学マーカーを有している。場合によっては、光学マーカーは、カメラユニット（図示せず）と共に用いられる３つ以上の光反射鏡（図示せず）であってもよく、この場合、光反射鏡から反射した光を伝達することになる。他の処置では、追加的なトラッカーが人体の他の骨、組織又は他の部分、工具、又は器具に取付けられてもよいことを理解されたい。トラッカー１１４，１１６は、それぞれ、追跡装置１１４，１１６と呼ばれることもあることを理解されたい。
【００２１】
ナビゲーションコンピュータ１１２は、ラップトップコンピュータのようなパーソナルコンピュータであってもよい。ナビゲーションコンピュータ１１２は、ディスプレイ１１３、中心処理ユニット（図示せず）、メモリ（図示せず）、及び記憶装置（図示せず）を有している。ナビゲーションコンピュータ１１２にソフトウエアが実装されている。ソフトウエアは、カメラ１１０から受信した信号をトラッカー１１４，１１６が取り付けられた対象物の位置及び方位を表すデータに変換する。また、ナビゲーションコンピュータ１１２に付随的に設けられているのは、入力装置、例えば、マウス又は他の適切なポインター入力装置及びキーボードである。
【００２２】
カメラ１１０から転送された光捕獲信号に基づいて、ナビゲーションコンピュータ１１２は、カメラ１１０に対する各光学マーカの位置、従って、この光学マーカが取り付けられた対象物の位置及び方位を決定する。カメラ、ナビゲーションコンピュータ１１２、及びトラッカー１１４，１１６の例は、Malackowskiらに付与された米国特許第７，７２５．１６２号に示されている。この文献の開示内容、例えば、カメラ、ナビゲーションコンピュータ、及びトラッカー並びに関連する操作方法及び使用は、参照することによって、ここに含まれるものとする。
【００２３】
追跡及び制御システム１００は、データ結線１２１を介してナビゲーションコンピュータ１１２と通信する器具制御装置１２０を備えている。図１Ａ及び図１Ｂにおいて、器具制御装置１２０は、コンピュータを備えていてもよいし、又はコンピュータを備えていなくてもよい。データ結線１２１は、高速通信及びアイソクロナス実時間データ転送のシリアルバスインターフェイス規格であるＩＥＥＥ１３９４インターフェイスであるとよい。他の具体例では、データ結線１２１は、企業特化プロトコルを用いてもよい。器具制御装置１２０は、データ結線１２３によって手術器具１２００と通信する。いくつかの具体例では、ナビゲーションコンピュータ１１２及び器具制御装置１２０は、単一ユニットであってもよいことを理解されたい。
【００２４】
図１Ａにおいて、追跡及び制御システム１００は、モータ動力結線１２５を介して手術器具１２００における複数のモータの各々と通信する複数のモータ制御装置１２４を備えている。加えて、器具制御装置１２０は、データ結線１２６を介してモータ制御装置１２４と通信する。データ結線１２６は、EtherCatのような高速データ通信プロトコルであるとよい。他の具体例では、データ結線１２６は、企業特化プロトコルを用いてもよい。モータ制御装置１２４は、モータ動力結線１２５を介して手術器具１２００のアクチュエータを作動し、かつ位置決めする。いくつかの具体例では、モータ制御装置１２４は、単一ユニットであってもよいことを理解されたい。
【００２５】
図１Ａに示される実施形態では、追跡及び制御システム１００は、器具ドライバ１３０をさらに備えているとよい。器具ドライバ１３０は、アクセサリ２０２の動力及び／又は速度を制御するために、ドリル部分１２０２の後述のアクセサリ駆動モータに動力を供給する。器具ドライバ１３０内の動力供給及び制御構成部品は、「モータ駆動外科用ハンドピースが接続された制御コンソールであって、このハンドピースの２つ以上で全て未満に同時に動力供給するように構成された制御コンソール」と題する米国特許第７，４２２，５８２号に記載される手術器具制御コンソールにおけるものと同様であってもよい。この開示内容、例えば、制御コンソールの動力供給及び制御構成部品並びに関連する操作方法及び使用は、参照することによって、ここに含まれるものとする。器具ドライバ１３０は、データ結線１３１を介して器具制御装置１２０と通信する。データ結線１３１は、高速通信及びアイソクロナス実時間データ転送のシリアルバスインターフェイス規格であるＩＥＥＥ１３９４インターフェイスであるとよい。データ結線１３１は、企業特化プロトコルを用いてもよい。他の具体例では、器具ドライバ１３０は、器具制御装置１２０内に一体化されていてもよいし、又はその一部であってもよいことを理解されたい。
【００２６】
図１Ｂにおいて、追跡及び制御システム１００は、データ結線１２１を介してナビゲーションコンピュータ１１２と通信する器具制御装置１２０を備えている。この実施形態では、器具制御装置１２０は、手術器具１２００のモータの各々のために、モータ制御装置１２４及び電源１３２を備えているか又は含んでいる。この実施形態では、前述の実施形態の器具ドライバ１３０は、追加的なモータ制御装置１２４に取替えられていることを理解されたい。器具制御装置１２０は、データ結線１２３Ａによって手術器具１２００と通信する。図１Ｂに示される実施形態では、結線１２３Ａの配線は、図１Ａのものと異なっており、手術器具１２００の複数のモータに給電するために共通の動力結線１３１が必要である。この種の実施形態は、手術器具１２００内に実装される電子機器の種類及び数量にも影響を与える。加えて、この実施形態は、手術器具１２００と器具制御装置１２０との間の結線の大きさ及び数を著しく低減させる。器具制御装置１２０は、パーソナルコンピュータ等を備えていてもよいことを理解されたい。
【００２７】
図１Ｃを参照すると、器具制御装置１２０は拘束境界１１１を画定している。拘束境界１１１は、緩衝部１０５を画定するように作業境界１０６から所定の距離を隔てて位置している。追跡及び制御システム１００の一具体例では、器具制御装置１２０は、手術器具１２００を制御するように、拘束境界１１１に対する遠位端チップ２０４の中心の位置を決定する。作業境界１０６と拘束境界１１１との間の相対距離は、ある程度、アクセサリ２０２の幾何学的形状の関数である。例えば、もしもアクセサリ２０２が球状バーヘッドとして遠位端チップ２０４を備えていたならば、拘束境界１１１は、バーヘッドの直径の半分である。バーヘッドの中心軌跡が拘束境界１１１上にあるとき、バーの外側切断面が作業境界１０６にあることを理解されたい。
【００２８】
図１Ａ及び図１Ｂを参照すると、手術器具１２００は、データ結線１２３を介して器具制御装置１２０と通信する。データ結線１２３は、ナビゲーションコンピュータ１１２によって生じ、器具制御装置１２０に伝達される位置及び方位に基づき、手術器具１２００を制御するために必要な入力及び出力のための経路をもたらす。手術器具１２００は、前述したように、図１Ａ及び図１Ｂに示される追跡及び制御システム１００に用いられるとよい。前述したように、追跡及び制御システム１００は、アクセサリ２０２の遠位端チップ２０４を目標体積１０４に保つために、目標体積１０４及び手術器具１２００の位置及び方位を追跡する。手術器具１２００は、典型的には、追跡及び制御システム１００、特に器具制御装置１２０に接続するためのデータ結線１２３を備えていることを理解されたい。
【００２９】
図２を参照すると、手術器具１２００は、ドリル部分１２０２とも呼ばれる遠位側アセンブリと、手持ち部分１２０４とも呼ばれる近位側アセンブリとを備えている。手持ち部分１２０４は、ユーザーによって操作され、いくつかの実施形態では、ユーザーの手によって支持され、かつ移動される。いくつかの実施形態では、ユーザーは、手持ち部分１２０４を把持し、かつ支持することによって手術器具１２００を操作し、手術器具１２００は、他の機械的アーム、フレーム等によって支持されない。他の実施形態では、手術器具１２００は、ロボットアーム又はマニピュレータに取り付けられてもよく、いくつかのモードでは、ロボットアーム又はマニピュレータの運動を制御するために、ユーザーが手動によって手持ち部分１２０４と協働することが可能になっている。このような器具の一例は、２０１４年３月３日に「仮想拘束境界を確立するためのシステム及び方法」の表題で出願された米国特許出願公開第２０１４／０２７６９４３号に記載されている。この文献は、参照することによって、その全体がここに含まれるものとする。手術器具１２００を追跡するために、追跡装置１１４が手持ち部分１２０４に取り付けられるとよいことを理解されたい。
【００３０】
アクセサリ２０２は、ドリル部分１２０２によって手持ち部分１２０４に移動可能に連結されている。ドリル部分１２０２は、アクセサリ２０２を離脱可能に保持し、アクセサリ２０２を患者の組織に医学的／外科的作業を行うように駆動し、アクセサリ２０２の遠位端チップ２０４がアクセサリ２０２が作用する目標体積１０４の作業境界１０６に衝突しないように又はこの作業境界１０６を破らないように阻止するために、アクセサリ２０２を直線軸又は深さ軸Ｚにおいて深さ自由度で移動させる。手持ち部分１２０４内に含まれる２つの旋回自由度は、前述の直線又は深さ自由度と連係することを理解されたい。
【００３１】
手持ち部分１２０４は、ドリル部分１２０２と係合し、アクセサリ２０２の遠位端チップ２０４が目標体積１０４の作業境界１０６に衝突しないように又はこの作業境界１０６を破らないように阻止するために、ドリル部分１２０２をアクセサリ２０２のピッチ運動及びヨー運動を調整するように移動させる。前述のように、「ピッチ」は、後述のジンバル１３１２の中心を通る水平面に対するドリル部分１２０２及びアクセサリ２０２の上下方向（すなわち、図示されるＸ軸）の角方位であり、「ヨー」は、ジンバル１３１２の中心を通る垂直面に対するドリル部分１２０２及びアクセサリ２０２の左右方向（すなわち、図示されるＹ軸）の角方位である。ドリル部分１２０２に対するアクセサリ２０２の遠位端チップ２０４の移動の範囲は、追跡及び制御システム１００によって画定されることを理解されたい。
【００３２】
手持ち部分１２０４は、外側ケーシング１２０６を備え、ドリル部分１２０２は、外側ケーシング１２０８を備えている。外側ケーシング１２０８は、手持ち部分１２０４の外側ケーシング１２０６に対してＺ軸を中心として回転可能に固定されている。ドリル部分１２０２は、外側ケーシング１２０８に固定されたブッシュケーシング１２１０と、ブッシュケーシング１２１０から延び、アクセサリ２０２を支持する可動ノーズチューブ１２１２とを備えている。手持ち部分１２０４は、ドリル部分１２０２に係合し、２０１２年８月３１日に「ハウジング、ハウジングから延びる切断アクセサリ、及びハウジングに対する切断アクセサリの位置を確立するアクチュエータを備える手術器具」の表題で出願された米国特許出願公開第２０１３／００６０２７８号に開示されている方法と同じように、手持ち部分１２０４に対するドリル部分のピッチ運動及びヨー運動を調整することを理解されたい。この文献は、参照することによって、その全体がここに含まれるものとする。
【００３３】
図２、図３、図５、図６、図１１Ａ及び図１１Ｂを参照すると、ドリル部分１２０２は、総称的に１２１４で示されるアクセサリ駆動機構を備えている。アクセサリ駆動機構１２１４は、アクセサリ２０２を回転軸Ｒを中心として回転させ、このアクセサリにトルクを与えるために、アクセサリ２０２に連結されている。駆動機構１２１４は、アクセサリ駆動モータとも呼ばれる駆動モータ１２１６を備えている。駆動モータ１２１６は、中間シャフト１２２４を駆動するために外側ケーシング１２０８内に配置されている。中間シャフト１２２４は、（「バーシャフト」とも呼ばれる）相互接続シャフト１２７０を駆動し、この相互接続シャフト１２７０が、最終的にアクセサリ２０２のシャフト２０３を駆動する。
【００３４】
ドリル部分１２０２及びアクセサリ２０２は、手持ち部分１２０４に対して複数の自由度で移動する。手術器具１２００は、複数のアクチェータ、例えば、後述の直線駆動モータ１２２６、ヨーモータ（ヨーイングモータ）１２２３、及びピッチモータ１２２７を備えている。これらのモータは、アクセサリ２０２を手持ち部分１２０４に対して複数の自由度で移動させるために、アクセサリ２０２に動作可能に連結されている。アクチュエータの少なくとも１つ、さらに具体的には、ヨーモータ１２２３及びピッチモータ１２２７は、駆動機構１２１４及びアクセサリ駆動モータ１２１６を手持ち部分１２０４に対してピッチ自由度及びヨー自由度で移動させることを理解されたい。また、外側ケーシング１２０８は、アクチュエータの少なくとも１つ、例えば、ヨーモータ１２２３によって、手持ち部分１２０４に対してヨー自由度で移動可能であると共に、ピッチモータ１２２７によって、手持ち部分１２０４に対してピッチ自由度で移動可能であることを理解されたい。これらのモータはモータ制御装置１２４に接続されている。直線駆動モータ１２２６は、直線運動又は回転運動をもたらすように作動される。ヨーモータ１２２３及びピッチモータ１２２７は、米国特許出願公開第２０１３／００６０２７８号に開示されるものと同様であってもよく、この文献に記載される方法と同じように、ドリル部分１２２０をヨー自由度及びピッチ自由度で移動させるようになっていてもよい。なお、この文献は、参照することによって、ここに含まれるものとする。
【００３５】
複数のアクチュエータ、例えば、直線駆動モータ１２２６、ヨーモータ１２２３、及びピッチモータ１２２７は、アクセサリ２０２を手持ち部分１２０４に対してピッチ自由度、ヨー自由度、及び深さ自由度を含む少なくとも３つの自由度で移動させることができる。アクセサリ２０２がバーである一実施形態では、アクセサリ駆動モータ１２１６は、アクセサリ２０２の回転速度を少なくとも選択的に制御することによって、第４の自由度をもたらすモータとして機能する。
【００３６】
ドリル部分１２０２は、アクセサリ２０２及びアクチュエータの１つを支持し、アクチュエータの少なくとも他の１つによって移動可能になっている。具体的には、ドリル部分１２０２、さらに具体的には、外側ケーシング１２０８は、直線駆動モータ１２２６及びアクセサリ駆動モータ１２１６を支持している。直線駆動モータ１２２６は、アクセサリ２０２をドリルの深さ軸Ｚに沿って平行移動させる。ドリル部分１２０２がヨーモータ１２２３及びピッチモータ１２２７によって移動可能であることを理解されたい。また、ヨーモータ１２２３及びピッチモータ１２２７は、アクセサリ駆動モータ１２１６及び直線駆動モータ１２２６を手持ち部分１２０４に対してピッチ自由度及びヨー自由度で移動させることを理解されたい。また、アクセサリ駆動モータ１２１６は、器具ドライバ１３０（図１Ａ）又はモータ制御装置（図１Ｂ）によって制御可能であることを理解されたい。
【００３７】
一実施形態では、アクセサリ駆動モータ１２１６は、電磁コイル１２１７と、アクセサリ２０２を駆動させるために外側ケーシング１２０８に回転可能に連結されたロータ１２１８とを備えている。ロータ１２１８は、各端部に少なくとも１つの軸受１２２０を備えることができる。これらの軸受１２２０は、電磁コイル１２１７を介して外側ケーシング１２０８に動作可能に係合し、これによって、ロータ１２１８を外側ケーシング１２０８に連結し、外側ケーシング１２０８に対するロータ１２１８の回転を可能にする。電磁コイル１２１７がロータ１２１８を回転させることを理解されたい。ロータ１２１８は、図１１Ｂに示されるように、二重「Ｄ」字状接続部を介して中間シャフト１２２４を駆動することを理解されたい。
【００３８】
ドリル部分１２０２は、アクセサリ２０２の位置を決定かつ制御するために、アクセサリ駆動モータ１２１６及び／又は直線駆動モータ１２２６内にどのような適切な手段を備えていてもよい。例えば、モータ１２１６，１２２６の１つ又は複数は、ホール効果センサを備えていてもよい。ホール効果センサは、ロータからの検知された磁場に基づく信号を測定する。この磁場に基づく信号は、関連するモータロータの回転位置の関数として変化する。付加的に又は代替的に、回転位置エンコーダ又は絶対角位置エンコーダが用いられてもよい
【００３９】
図２及び図５を参照すると、ドリル部分１２０２は、総称的に１２２２で示される伸縮ノーズ機構も備えている。伸縮ノーズ機構１２２２は、外側ケーシング１２０８内に配置された中間シャフト１２２４を備えている。中間シャフト１２２４は、アクセサリ駆動モータ１２１６の回転をアクセサリ２０２に伝達させ、これによって、アクセサリ２０２を駆動させるために、ロータ１２１８から延びている。また、伸縮ノーズ機構１２２２は、総称的に１２２６で示される直線駆動モータと、総称的に１２２８で示される（中間ユニットとも呼ばれる）直線ブロック要素とを備えている。直線ブロック要素１２２８は、直線駆動モータ１２２６と協働し、ノーズチューブ１２１２を直線軸又は深さ軸Ｚに沿って伸縮、すなわち、平行移動させるものである。
【００４０】
図２、図４、図１２及び図１３を参照すると、直線駆動モータ１２２６は、電磁コイル１２２９と、ロータ１２３０とを備えている。ロータ１２３０は、このロータを軸方向に貫通する開口１２３２を有し、これによって、中間シャフト１２２４が直線駆動モータ１２２６を貫通し、アクセサリ駆動モータ１２１６に回転可能に接続される。ロータ１２３０は、少なくとも１つ又は複数の軸受１２３４を備えている。これらの軸受１２３４の１つは、ロータ１２３０の一端部において電磁コイル１２２９を介して外側ケーシング１２０８に係合し、これらの軸受１２３４の他の１つは、ロータ１２３０の他の軸端部において直線ブロック要素１２２８に係合している。直線駆動モータ１２２６は、ロータ１２３０の一端部に直線ブロック要素１２２８と係合する駆動ギア１２３６も備えている。電磁コイル１２２９がロータ１２３０を回転させることを理解されたい。中間シャフト１２２４は、各軸端部に二重「Ｄ」字状接続部を形成する平坦部１２２５を有することを理解されたい。
【００４１】
図２、図５及び図７〜図１０を参照すると、直線ブロック要素１２２８は、軸方向に延びる複数の送りネジ１２３８を備えている。これらの送りネジ１２３８は、周方向において互いに離間している。図示される実施形態では、３つの送りネジ１２３８が設けられている。送りネジ１２３８の各々は、このネジに沿って複数のネジ山１２３９を有している。送りネジ１２３８の各々は、その一端部に被駆動ピニオンギア１２４０を備えている。ピニオンギア１２４０は、ロータの駆動ギア１２３６の歯に係合する複数の歯を備えている。
【００４２】
直線ブロック要素１２２８はまた、送りネジ１２３８に沿って直線状に又は軸方向に移動するキャリッジ１２４２を備えている。キャリッジ１２４２は、ノーズチューブ１２１２から延び、送りネジ１２３８とノーズチューブ１２１２との間に機械的連動をもたらすものである。一実施形態では、キャリッジ１２４２は、ノーズチューブ１２１２の一部として一体に形成され、これによって、キャリッジ１２４２及びノースチューブ１２１２は、共通の構成要素の一部を構成する。他の実施形態では、キャリッジ１２４２及びノーズチューブ１２１２は互いに別の構成要素となっている。キャリッジ１２４２は、送りネジ１２３８のネジ山１２３９と連動するネジ山１２４７を備えている。キャリッジ１２４２は、種々の実施形態によれば、送りネジ１２３７と協働するようになっている。
【００４３】
一実施形態では、キャリッジ１２４２は、ノーズチューブ１２１２を受け入れるためにこのキャリッジを軸方向に貫通する中心開口１２４４を備えている。キャリッジ１２４２はまた、中心開口１２４４から半径方向に離間した複数の二次開口１２４６を備えている。これらの二次開口１２４６は、周方向において互いに離間しており、キャリッジ１２４２を軸方向に貫通している。二次開口１２４６は、送りネジ１２３８のネジ山１２３９に係合するネジ山１２４７を備えている。ノーズチューブ１２１２は、キャリッジ１２４２をノーズチューブ１２１２に対して配置するために、半径方向に延びるフランジ１２４８と、ノーズチューブ１２１２内に配置されてキャリッジ１２４２に係合するフランジ付きブッシュ１２４９とを有している。３つのピニオンギア１２４０の全てが駆動ギア１２３６に係合する結果として、直線駆動ロータ１２３０が回転するときに３つの送りネジ１２３８が連動することを理解されたい。
【００４４】
キャリッジ１２４２は、キャリッジ１２４２及びノーズチューブ１２１２が同一の構成部品から形成されるかどうか等の因子によっては、中心開口１２４４を有していなくてもよい。同様に、二次開口１２４６は、送りネジ１２３８のネジ山１２３９と連動するための代替的構造、例えば、部分的な円形部分、回動機構（例えば、軸受）等に置き換えられてもよい。
【００４５】
キャリッジ１２４２は、ノーズチューブ１２１２の近位端部において軸方向に捕捉又は固定されている。キャリッジ１２４２及びノーズチューブ１２１２は、キャリッジ１２４２が深さＺ軸方向においてノーズチューブ１２１２に対して揺動しないように緊密な軸方向柔軟性（axial compliance）を有するように構成されているとよい。この軸方向柔軟性は、ゼロであってもよい。すなわち、軸方向の捕捉は、許容誤差が実際上存在しないほど緊密になっていてもよい。
【００４６】
一方、ノーズチューブ１２１２及びキャリッジ１２４２は、許容誤差を調整するために比較的大きな半径方向柔軟性（radial compliance）をもたらすことを可能にするように構成されるとよい。半径方向柔軟性は、キャリッジ１２４２とノーズチューブ１２１２との間の緊密な軸方向柔軟性よりも著しく大きくなっているとよい。このような半径方向柔軟性は、種々の方法によってもたらすことができる。一実施形態では、キャリッジ１２４２とノーズチューブ１２１２との間に間隙をもたらし、具体的には、キャリッジ１２４２がノーズチューブ１２１２に対して半径方向に移動することを可能にするために、キャリッジ１２４２の中心開口１２４４の内径は、ノーズチューブ１２１２の外径よりも意図的に大きくなっている。付加的又は代替的に、二次開口１２４６は、もし設けられるなら、送りネジ１２３８の外径よりも意図的に大きな内径を備えているとよい。さらに、付勢部材、例えば、バネがキャリッジ１２４１内に組み込まれてもよく、及び／又はキャリッジ１２４２とノーズチューブ１２１２との間に連結されてもよい。他の例では、キャリッジ１２４２及び／又はノーズチューブ１２１２は、半径方向移動を吸収するために、変形可能な材料から構成されもよいし、又はこの材料に連結されてもよい。
【００４７】
直線ブロック要素１２２８は、送りネジ１２３８の一端部の周りに配置されたエンドホルダー１２５０も備えている。エンドホルダー１２５０は、ノーズチューブ１２１２を受け入れるようにエンドホルダー１２５０を軸方向に貫通する中心開口１２５２を備えている。エンドホルダー１２５０は、中心開口１２５２から半径方向に離間した複数の二次開口１２５４も備えている。これらの二次開口１２５４は、周方向において互いに離間し、エンドホルダー１２５０を貫通している。各開口１２５４は、送りネジ１２３８の一端部を回転可能に支持する軸受１２５６を備えている。エンドホルダー１２５０は、外側ケーシング１２０８内に配置され、この外側ケーシングに固定されている。直線ブロック要素１２２８は、ハウジング１２５８も備えている。ハウジング１２５８は、送りネジ１２３８の他端部の周りに配置され、ロータ１２３０の周りに配置された軸受１２３４に接続されている。ハウジング１２５８は、軸方向に延び、複数の固定具１２６０によってエンドホルダー１２５０に接続されている。ハウジング１２５８は、外側ケーシング１２０８内に配置され、この外側ハウジングに固定されている。送りネジ１２３８の他端部は、軸受１２６２によってハウジング１２５０内に回転可能に配置されていることを理解されたい。また、中間シャフト１２２４は、軸受１２６４によってハウジング１２５８内に回転可能に支持されていることを理解されたい。中間シャフト１２２４は、３つの位置で支持され、中央軸受１２６４は、二重Ｏリング１２６５によって支持されていることを理解されたい。中間シャフト１２２４の遠位端部は、軸受１２６６によって回転可能に支持され、かつノーズチューブ１２１２に対して軸方向に固定されている（図５）。これによって、中間シャフト１２２４は、ノーズチューブ１２１２が伸縮するときにノーズチューブ１２１２の位置に追従することになる。
【００４８】
直線ブロック要素１２２８は、キャリッジ１２４２の直線位置を検知するために、ハウジング１２５８の周りに配置された平行移動エンコーダ１２６８をさらに備えている。平行移動エンコーダ１２６８は、キャリッジ１２４２の位置を検知することを理解されたい。これは、ノーズチューブ１２１２及びアクセサリ２０２の位置を決定する１つの方法をもたらすことになる。このキャリッジの位置の検知は、磁石をキャリッジ１２４２上に配置し、１つ又は複数のホール効果センサをハウジング１２５８に沿って配置することによって達成される。ノーズチューブ１２１２及びアクセサリ２０２の位置を測定又は決定する他の技術、例えば、電磁センサ等を用いる技術が利用されてもよい。
【００４９】
図２、図５、図６、図１４Ａ及び図１４Ｂを参照すると、駆動機構１２１４は、相互接続シャフト１２７０を備えている。相互接続シャフト１２７０は、ノーズチューブ１２１２内に配置され、中間シャフト１２２４の遠位端部とアクセサリ２０２のシャフト２０３の近位端部２０５を相互接続する。相互接続シャフト１２７０は、図１４Ａに示されるように、各端部に二重Ｄ字状開口１２７２を有しているが、本発明の範囲から逸脱することなく、どのような適切な形状を有していてもよい。相互接続シャフト１２７０の各端部は、軸受１２７４によってノーズチューブ１２１２内に支持されている。二重Ｄ字状開口１２７２は、中間シャフト１２２４の回転がアクセサリシャフト２０３に伝達されるように、シャフト１２２４、２０３のキー付き端部に接続されることを理解されたい。相互接続シャフト１２７０は、中間シャフト１２２４からアクセサリ２０２のアクセサリシャフト２０３にトルクを伝達させることを理解されたい。
【００５０】
図２、図６、図１５及び図１７を参照すると、伸縮ノーズ機構１２２２は、ノーズチューブ１２１２内に配置された直線ブッシュ１２７６も備えている。ブッシュ１２７６は、略円断面を備える略円筒形状を有している。ブッシュ１２７６は、ノーズチューブ１２２１２を受け入れるようにこのブッシュを貫通する中心開口１２７８を備えている。ブッシュ１２７６は、中心開口から半径方向に延びる複数の内部通路又はキー溝１２８０も備えている。キー溝１２８０は、ノーズチューブ１２１２の突起又は外部タブ１２８２を受け入れるようにこのブッシュを貫通している。各内部キー溝１２８０は、ノーズチューブ１２１２の外部タブ１２８２の１つを受け入れるようになっている。キー溝１２８０は、深さ軸Ｚと平行に延び、外部タブ１２８２を深さ軸Ｚに沿った移動に対して押さえるように寸法決めされ、かつ形作られている。ブッシュ１２７６は、ケーシング１２０８の材料と異なる種々の材料から形成することができる。ブッシュ１２７６は、ノーズチューブ１２１２に対して低摩擦接触をもたらす材料から形成されてもよいし、又は位置検知を可能にするために非磁気材料から形成されてもよい。ノーズチューブ１２１２の外部タブ１２８２は、直線ブッシュに対してキーとして作用し、これによって、その軸を中心とする回動を阻止することを理解されたい。ブッシュ１２７６は、外側ケーシング１２１０に対して固定されていることも理解されたい。
【００５１】
図２、図６、図１６Ａ及び図１６Ｂを参照すると、伸縮ノーズ機構１２２２は、軸方向に延びるノーズチューブ１２１２を備えている。ノーズチューブ１２１２は、外側ケーシング１２１０に対して伸縮するようになっている。ノーズチューブ１２１２は、直線ブロック要素１２２８によって，外側ケーシング１２１０に対して深さ軸Ｚに沿って移動する。ノーズチューブ１２１２が深さ軸Ｚに沿って移動するとき、外部タブ１２８２がキー溝１２８０内において摺動することを理解されたい。
【００５２】
図９、図１０、図１６Ａ及び図１６Ｂを参照すると、伸縮ノーズ機構１２２２は、圧入のような適切な機構によってノーズチューブ１２１２の遠位端部に接続又は挿入されたアダプタ又はインサート１２８３を備えている。インサート１２８３は、遠位端部に雄ネジ山部分１２８５を有している。
【００５３】
図６を参照すると、伸縮ノーズ機構１２２２は、ノーズチューブ１２１２内に配置された１つ又は複数の軸受１２８６を備えている、これらの軸受１２８６は、アクセサリ２０２のアクセサリシャウト２０３に係合し、このアクセサリシャフト２０３を回転可能に支持するように構成されている。伸縮ノーズ機構１２２２は、ノーズチューブ１２１２内に配置された複数のスペーサ１２８８，１２９４も備えている。スペーサ１２８８，１２９４は、それらの間に位置するバネ１２９２によって軸方向に離間され、ノーズチューブ１２１２内の多数の軸受を予圧するものである。
【００５４】
図１８Ａ、図１８Ｂ及び図１９を参照すると、アクセサリ２０２は、アクセサリ２０２のアクセサリシャフト２０３をインサート１２８３を介してノーズチューブ１２１２に回転可能に連結させる連結（バー）アセンブリ１２９８を備えているとよく、これによって、アクセサリ２０２は、ノーズチューブ１２１２に対する回転時に回転軸Ｒを中心として回転する。連結アセンブリ１２９８は、孔１３０２を有するコネクタ１３００を備えている。孔１３０２は、コネクタ１３００を軸方向に貫通しており、その一端部に雌ネジ山１３０４を有している。雌ネジ山１３０４は、連結アセンブリ１２９８をインサート１２８３のネジ山付き端部１２８５に保持するためのものである、連結アセンブリ１２９８は、１つ又は複数の軸受１３０６も備えている。軸受１３０６は、孔１３０２内においてコネクタ１３００とアクセサリ２０２のアクセサリシャフト２０３との間に配置され、これによって、これらの間の回転を可能にするものである。また、連結アセンブリ１２９８は、軸受１３０６の内輪をアクセサリシャフト２０３に対して適所に捕捉又は拘束するフランジ付き貝殻片１３０９Ａ，１３０９Ｂも備えている。連結アセンブリ１２９８は、フランジ付き貝殻片１３０９Ａ，１３０９Ｂを中心としてアクセサリシャフト２０３上に配置されたスリーブ１３０８、１３１０も備えている。連結アセンブリ１２９８の前述の実施形態は、制限的なものとみなされるべきではないことを理解されたい。また、連結アセンブリ１２９８をノーズチューブ１２１２に固定するための代替的方法及び軸受１３０６の内輪をアクセサリシャフト２０３に対して適所に固定するための代替的な製造方法も可能であることを理解されたい。ノーズチューブ１２１２は、アクセサリ２０２を支持し、ケーシング１２０８，１２１０に対して深さ軸Ｚに沿って平行移動可能であること、すなわち、典型的には円筒状のノーズチューブ１２１２は、深さ軸Ｚに沿ってアクセサリ２０２の位置を調整することをさらに理解されたい。
【００５５】
図２０〜図２５は、例えば、外側ケーシング１２０８，１２１０に対して深さ軸Ｚに沿って異なる位置に移動したノーズチューブ１２１２を示している。具体的には、図２０において、ノーズチューブ１２１２は、ほぼ完全に後退しており、図２４では、ノーズチューブ１２１８は、ほぼ完全に伸長している。図２１〜図２３は、図２０及び図２４に示される位置間の位置を示している。具体的には、図２２は、「原」位置にあるノーズチューブ１２１２を示している。図２１は、完全後退位置と原位置との間の中間位置にあるノーズチューブ１２１２を示している。図２３は、原位置と完全伸長位置との間の中間位置にあるノーズチューブ１２１２を示している。図２５は、図２０〜図２５に示される位置の全てを示している。ノーズチューブ１２１２がケーシング１２０８，１２１０に対して移動すると、ノーズチューブ１２１２内に収容された連結アセンブリ１２９８、アクセサリ２０２、及び全ての他の構成要素が、ノーズチューブ１２１２及び中間シャフト１２２４と共に移動することを理解されたい。
【００５６】
図２に示されるように、ドリル部分１２０２は、手持ち部分１２０４対するアクセサリ２０２の少なくとも２つの旋回自由度の運動を支持するジンバル１３１２を備えている。具体的には、アクセサリ２０２は、ジンバル１３１２を中心としてピッチ運動及びヨー運動するように調整可能である。ジンバル１３１２は、手持ち部分１２０４に対して深さ軸Ｚに沿って固定されている。ノーズチューブ１２１２は、ジンバル１３１２に対してドリルの深さ軸Ｚに沿って直線状に平行移動することを理解されたい。
【００５７】
ジンバル１３１２は、ドリル部分１２０２の外側ケーシング１２０８内に一体化されているので、ドリル部分１２０２及びアクセサリ２０２は、手持ち部分１２０４に対して旋回することができる。ジンバル１３１２は、ドリル部分１２０２が旋回されたときのドリル部分１２０２の慣性質量モーメントを最小にし、所定の供給トルクに対する角加速度を最大にするために、ドリル部分１２０２の略重力中心Ｇを中心として配置されるとよい。
【００５８】
一実施形態では、アクセサリ駆動モータ１２１４に動力を供給するために、すなわち、アクセサリ２０２に選択的に動力を供給するか又は動力供給を中断するために、トリガー又は足ペダル、又は代替的にボタン（図示せず）が手持ち部分１２０４の外側ケーシング１２０６によって支持されていてもよい。手術器具１２００に関して前述したように、手術器具１２００は、手術器具１２００内に配置されたセンサ（図示せず）を備えていてもよい。センサは、もしもトリガーが作動されたなら及び／又はもしトリガーの作動が停止されたならば、信号を生成するようになっている。センサからの出力信号は、データ結線１３（図１Ａ）によって、器具駆動コンソール１３０に転送される。このセンサ信号の状態に基づいて、器具ドライバ１３０は、アクセサリ２０２の遠位端チップ２０３が目標体積１０４の境界１０６内にあるときに、通電信号をアクセサリ駆動モータ１２１４に印加する。トリガー又はボタンの代替例又は付加例として、アクセサリ駆動モータ１２１４へのオン／オフ指令ををもたらすことによってアクセサリ駆動モータ１２１４を制御するために、足ペダル（図示せず）が器具制御装置１２０と通信するようになっていてもよい。
【００５９】
前述したように、いくつかの実施形態では、アクセサリ２０２の遠位端チップ２０４が目標体積１０４の境界１０６の外にあるときに、器具ドライバ１２０は、仮にトリガーが作動されても、通電信号をアクセサリ駆動モータ１２１４に印加しない。追跡及び制御システム１００は、以下のように、すなわち、アクセサリ２０２の遠位端チップ２０４が目標体積１０４の緩衝部１０５に入ったときに、すなわち、工具の運動範囲が失われたときに、器具ドライバコンソール１３０がアクセサリ２０２の速度を低減させる通電信号を印加するように構成されていてもよい。
【００６０】
アクセサリ２０２の運動／操作を制御するための他の制御システム／方法は、２０１２年８月３１日に「ハウジング、ハウジングから延びる切断アクセサリ、及びハウジングに対して切断アクセサリの位置を確立するアクチュエータを備える手術器具」の表題で出願された米国特許出願公開第２０１３／００６０２７８号に記載されているものと同様であってもよい。この文献は、参照することによって、ここに含まれるものとする。
【００６１】
以上、本発明の実施形態について、例示的に説明してきた。用いられた専門用語は、制限するためではなくむしろ説明するためのものであることを理解されたい。
【００６２】
前述の示唆に照らして、本発明の多くの修正及び変更が可能である。従って、添付の請求項の範囲内において、本発明は、具体的に記載された方法以外の方法で実施されてもよい。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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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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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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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１５】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１７】
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【図１８Ａ】
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【図１８Ｂ】
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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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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【国際調査報告】
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