(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＭＲＩの外部から撮像領域へ延在するように設けられるアーム部と、
前記アーム部のＭＲＩ撮像領域側先端部に配置されて姿勢を制御する姿勢制御機構部と、
前記アーム部のＭＲＩ外部側に配置されると共に伝達機構を介して前記姿勢制御機構部を駆動する姿勢制御機構駆動部と、
前記アーム部のＭＲＩ外部側に配置されると共に前記アーム部のＭＲＩ外部側の位置を制御駆動する位置制御駆動機構部と、
前記アーム部と前記位置制御駆動機構部とを結合する駆動結合部と、
前記アーム部の支点として前記アーム部の中間部を支持する中間支持部と、
前記中間支持部を外部に固定するための中間支持固定部材とを備え、
前記中間支持部はＭＲＩ空間内に位置される前記アーム部の中間部を支持し、
前記中間支持部と前記中間支持固定部材との固定位置は前記アーム部の長手方向の複数箇所で可変可能としたことを特徴とする手術用マニピュレータ。
【請求項２】
請求項１に記載の手術用マニピュレータにいて、前記アーム部、前記中間支持部および前記姿勢制御機構部の撮像領域内に位置する部材は非磁性でかつ絶縁性を有する材料で形成したことを特徴とする手術用マニピュレータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、手術用マニピュレータに係わり、特にＭＲＩ（magnetic resonance imager：核磁気共鳴計測装置）環境に対応する手術用マニピュレータに好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のＭＲＩ環境に対応する手術用マニピュレータとしては、特開２０００−２５４８７６号公報に記載されているように、マニピュレータの作業環境における空間占有率が低く、マニピュレータのエンドエフェクタに遠隔から駆動力を伝達することができ、マニピュレータの滅菌や医療機器へのノイズを低減することができ、また手術用マニピュレータをＭＲＩ環境下でも使用可能にすることができるようにするために、アーム機構とエンドエフェクタを有するマニピュレータであって、前記アーム機構とエンドエフェクタの間に前記マニピュレータに伝達する位置姿勢伝達機構を有し、前記位置姿勢伝達機構はリンク機構に固定した第１のリンクとエンドエフェクタに固定する第２のリンクとを６自由度の位置姿勢伝達が可能なリンク機構で連結し、てこ−パラレルリンク式位置姿勢伝達機構としたものがある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述した従来技術におけるパラレルリンク機構は作業座標における位置・姿勢の可動範囲が狭いという課題があった。換言すれば、ＭＲＩの内部などの限定された狭隘空間で手術用マニピュレータによる作業を実現しようとした場合、安全性と作業性はトレードオフの関係にあるが、手術手技の中には吻合・縫合といった複雑かつ局所的に大きな姿勢変化を要するものがあり、そういった手術操作を上述した従来技術の機構で対応することが難しいという課題があった。
【０００４】
さらにＭＲＩの磁場や電磁波との干渉が極めて少なく、安全に動作する手術用マニピュレータを実現するためには、少なくとも内部へ入り込み撮像領域にまで至る部分の材質は非磁性かつ絶縁体が望ましい。このため、上述した従来技術には述べられていないが、ＭＲＩの内部に入り込むリンク部材の材質を例えばエンジニアリングプラスチックやエンジニアリングセラミックなどにすることが考えられるが、強度・剛性が不足してリンク部材が途中で撓むあるいは動作中に大きな振幅で振動するといったことが起こる可能性があり、先端の位置姿勢を正確に制御することが難しいという課題が生ずる。
【０００５】
また、スタッフおよび他の器具・装置類の衝突や、地震などの不慮の災害によって手術用マニピュレータの土台部分が動く場合、単にリンク部材を長尺にした構造の手術用マニピュレータでは大きな範囲で動いてしまうおそれがあるという課題がある。
【０００６】
また、様々な対象・症例・手技において必要かつ充分な可動範囲はそれぞれ異なるものであるが、従来の一般的な手術用マニピュレータでは、これを制御的に限定するのみで、機構的な動作制限を行なうようにしていないため、動作範囲外への運動を本質的に阻止することが難しいという課題があった。例えば小さな範囲での動作で充分な作業においては、手術用マニピュレータが不必要に大きな動きをする危険性が存在し、逆に小さな範囲でのみ動作するように機構を構成してしまうと、別のより大きな動作範囲を必要とする作業には適用できなかった。そのため、安全性を確保しつつ様々な対象・症例・手技に対して同一の手術用マニピュレータを用いることが難しかった。
【０００７】
本発明の目的は、ＭＲＩ内部における作業性と安全性を両立できる手術用マニピュレータを提供することにある。
【０００８】
本発明のその他の目的と有利点は以下の記述から明らかにされる。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するための本発明の手術用マニピュレータは、ＭＲＩの外部から撮像領域へ延在するように設けられるアーム部と、前記アーム部のＭＲＩ撮像領域側先端部に配置されて姿勢を制御する姿勢制御機構部と、前記アーム部のＭＲＩ外部側に配置されると共に伝達機構を介して前記姿勢制御機構部を駆動する姿勢制御機構駆動部と、前記アーム部のＭＲＩ外部側に配置されると共に前記アーム部のＭＲＩ外部側の位置を制御駆動する位置制御駆動機構部と、前記アーム部と前記位置制御駆動機構部とを結合する駆動結合部と、前記アーム部の支点として前記アーム部の中間部を支持する中間支持部と、前記中間支持部を外部に固定するための中間支持固定部材とを備え、前記中間支持部はＭＲＩ空間内に位置される前記アーム部の中間部を支持し、前記中間支持部と前記中間支持固定部材との固定位置は前記アーム部の長手方向の複数箇所で可変可能としたことにある。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施例を図に基づいて説明する。
【００１１】
本実施例の手術用マニピュレータの全体構成を図１に基づいて説明する。図１は本発明の一実施例を示す手術用マニピュレータの構成図である。
【００１２】
図１において、１は先端関節駆動部で構成される姿勢制御機構駆動部、２はアーム根元駆動部で構成される位置制御駆動機構部、３はアーム根元支持部で構成される駆動結合部、４はアーム部、５は中間支持部、６は先端関節部で構成される姿勢制御機構部、７は中間支持固定部材、８は駆動部固定用土台、９は開放型ＭＲＩ、９ａはＭＲＩ９の上部磁石、９ｂはＭＲＩ９の下部磁石、１１は患者横臥台、１２は患者、１３は中間支持取付部を表す。
【００１３】
本実施例における手術用マニピュレータは、姿勢制御機構駆動部４、位置制御駆動機構部２、駆動結合部３、アーム部１、中間支持部５および姿勢制御機構部６を備えて構成されている。また、本実施例におけるＭＲＩ９は上部磁石９ａ、下部磁石９ｂおよび患者横臥台１１を備えて構成されている。そして、患者横臥台１１はＭＲＩの外で患者を横たえたのちに平行移動され、ＭＲＩ９の上部磁石９ａおよび下部磁石９ｂの間に患者を導き、手術対象の患部が撮像中心へ概略位置決めされる。
【００１４】
アーム部１はＭＲＩ９の外部から撮像領域へ延在するように設けられている。姿勢制御機構部６はアーム部１のＭＲＩ撮像領域側に位置して姿勢を制御するように設けられている。姿勢制御機構駆動部４は、アーム部１のＭＲＩ外部側に配置されると共に、伝達機構を介して姿勢制御機構部６を駆動するように設けられている。位置制御駆動機構部２は、アーム部１のＭＲＩ外部側に配置されると共に、ＭＲＩ外部側の位置を制御駆動するように設けられている。駆動結合部３はアーム部１と位置制御駆動機構部２とを結合するように設けられている。中間支持部５は、アーム部１の支点としてアーム部１の中間部を支持すると共に、ＭＲＩ撮像領域内に位置される前記アーム部の中間部を支持するように設けられている。そして、姿勢制御機構駆動部４と位置制御駆動機構部２とは独立した駆動機構で構成されている。
【００１５】
中間支持部５はその固定プレート５１を中間支持取付部１３を介して中間支持固定部材７に固定される。中間支持固定部材７は上部磁石９ａに固定される。また固定部７は中間支持部５を固定する部分がアーム部１の長手方向に複数ヶ所設けられている。この固定する部分の位置を変えて中間支持部５を固定することによって、駆動部固定用土台８の設置位置との関係で、アーム部１の先端部におけるおよその可動範囲を規定することができる。したがって、手術の種類に合わせて適切な可動範囲を設定するように中間支持部５の固定位置を変えることにより、より安全性を高めることができる。
【００１６】
手術用マニピュレータはＭＲＩ９の磁場内に置かれるため、その構成材料・部品はＭＲＩ装置の撮像に干渉しないように選定される。
【００１７】
すなわち、手術用マニピュレータの機構材料はポリエーテルエーテルケトンやＦＲＰ、各種マシナブルセラミックス・エンジニアリングセラミックス（ただしアルミナ系若しくはＣＦＲＰのように導電性材料の繊維が混入しているものは除く）などが用いられる。特に、ベアリングはセラミックベアリング、ねじやボルトはポリエーテルエーテルケトン製のものが用いられる。なお、磁場から比較的遠い土台部分については、アルミニウム合金や真鍮が一部使用される。
【００１８】
また、手術用マニピュレータの関節部にはアクチュエータが備えられ、治療操作に必要な力がこれらによって発生されるが、これらのアクチュエータはＰＺＴ等のセラミックにおける電歪効果を利用した所謂圧電アクチュエータやその応用である超音波モータが用いられる。超音波モータの構造材もセラミックベアリングや真鍮・アルミニウム合金など極力非磁性材料を用いる。そして、各関節部の変位は、光ファイバにより導かれ、エンコーダ盤によって変調（例えばエンコーダ盤の回転に応じた数の矩形波にする）された光や透過または反射された光を再度光ファイバによってＭＲＩ装置の磁場の外に導き、そこで電気信号に変換したのちこれを用いて各関節の位置検出を行なう。
【００１９】
次に、手術用マニピュレータを構成する各要素の詳細について順次説明する。
【００２０】
まず、位置制御駆動機構部２を図２に基づいて説明する。図２は図１の手術用マニピュレータにおける位置制御駆動機構部の斜視図である。
【００２１】
図２において、２１はＸ軸方向土台プレート、２２ａ〜２２ｃはＸ、Ｙ、Ｚ軸方向アクチュエータ、２３ａ〜２３ｃはＸ、Ｙ、Ｚ軸方向駆動用ボールネジ、２４ａ〜２４ｃはＸ、Ｙ、Ｚ軸方向リニアガイド、２５ａ〜２５ｃはＸ、Ｙ、Ｚ軸方向リニアエンコーダ、２６はＸ軸方向移動プレート、２７はＹ軸方向移動プレート、２８はＺ軸方向固定プレート、２９はＺ軸方向移動プレート、２９ａは駆動結合部取付用穴を示す。なお、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向リニアガイド２４ａ〜２４ｃは並置された二つのガイドで構成されている。Ｘ軸方向移動プレート２６はＹ軸方向土台プレートを兼ねている。Ｙ軸方向移動プレート２７はＺ軸方向土台プレートを兼ねている。
【００２２】
Ｘ軸方向土台プレート２１は駆動部固定用土台８に固定される。この土台プレート２１はリニアガイド２４ａを介してＸ軸方向移動プレート２６と連結されている。このＸ軸方向リニアガイド２４ａはＸ軸方向土台プレート２１に固定されたＸ軸方向に延びるレールとＸ軸方向移動プレート２６に固定されたＸ軸方向に延びるレールとが摺動可能に結合されて構成されると共に、これらが二つ平行に設けられて形成されている。このＸ軸方向リニアガイド２４ａによって、Ｘ軸方向移動プレート２６の動作は一方向（Ｘ軸方向）に拘束される。Ｘ軸方向土台プレート２１に固定されたＸ軸方向アクチュエータ２２ａは回転駆動力を発してＸ軸方向駆動用ボールネジ２３ａを回転させるようになっている。Ｘ軸方向駆動用ボールネジ２３ａはＸ軸方向移動プレート２６に螺合されているので、Ｘ軸方向駆動用ボールねじ２３ａの回転力はＸ軸方向移動プレート２６に対する直線的推進力に変換される。これによって、Ｘ軸方向移動プレート２６はＸ軸方向に移動される。
【００２３】
このＸ軸方向移動プレート２６の直線移動量はＸ軸方向リニアエンコーダ２５ａにより検出され、組み込まれた制御系（図示せず）に送られる。制御系は、この検出された移動量に基づいてＸ軸方向移動プレート２６を目標位置へ移動せしめるようアクチュエータ２２ａを駆動する。目標位置の入力に関しては、例えば多関節多自由度機構を術者が操作し、その動作を検出し処理することで目標値としたり、あるいは一般的な計算機の入出力インターフェイスを利用したりすることが考えられる。また、状況によってはＭＲＩ９やその他の診断装置や光を利用した空間位置姿勢計測装置の計測データをもとに制御用計算機が目標位置を生成し、それに従って動作することも考えられる。
【００２４】
Ｙ軸方向移動プレート２７はＹ軸方向リニアガイド２４ｂを介してＸ軸方向移動プレート２６と連結されている。このＹ軸方向リニアガイド２４ｂはＸ軸方向移動プレート２６に固定されたＹ軸方向に延びるレールとＹ軸方向移動プレート２７に固定されたＹ軸方向に延びるレールとが摺動可能に結合されて構成されると共に、これらが二つ平行に設けられて形成されている。これによって、Ｙ軸方向移動プレート２７の動作は一方向（Ｙ軸方向）に拘束される。Ｘ軸方向移動プレート２６に固定されたＹ軸方向アクチュエータ２２ｂは回転駆動力を発してＹ軸方向駆動用ボールネジ２３ｂを回転させるようになっている。Ｙ軸方向駆動用ボールネジ２３ｂはＹ軸方向移動プレート２７に螺合されているので、Ｙ方向駆動用ボールネジ２３ｂの回転力はＹ軸方向移動プレート２７に対する直線的推進力に変換される。これによって、Ｙ軸方向移動プレート２７はＹ軸方向に移動される。
【００２５】
このＹ軸方向移動プレート２７の直線移動量はＹ軸方向リニアエンコーダ２５ｂにより検出され、制御系に送られる。制御系は、この検出された移動量に基づいてＹ軸方向移動プレート２７を目標位置へ移動せしめるようアクチュエータ２２ｂを駆動する。なお、アクチュエータ２２ｂを駆動するための制御系はＸ軸方向アクチュエータ２２ａの制御系と同一でもよいし別でもよい。
【００２６】
Ｚ軸方向固定プレート２８とＺ軸方向移動プレート２９はＺ軸方向リニアガイド２４ｃを介して連結されている。Ｚ軸方向移動プレート２９は上下の一方向にのみ運動を拘束される。Ｚ軸方向固定プレート２８はＹ軸方向移動プレート２７に固定され、Ｙ軸方向移動プレート２７の上面に垂直に立設されている。Ｚ軸方向リニアガイド２４ｃはＺ軸方向固定プレート２８に固定されたＺ軸方向に延びるレールとＺ軸方向移動プレート２９に固定されたＺ軸方向に延びるレールとが摺動可能に結合されて構成されると共に、これらが二つ平行に設けられて形成されている。これによって、Ｚ軸方向移動プレート２９の動作は一方向（Ｚ軸方向）に拘束される。Ｙ軸方向移動プレート２７に固定されたＺ軸方向アクチュエータ２２ｃは回転駆動力を発してＺ軸方向駆動用ボールネジ２３ｃを回転させる。Ｚ軸方向駆動用ボールネジ２３ｃはＺ軸方向移動プレート２９に螺合されているので、Ｚ軸方向駆動用ボールネジ２３ｃの回転力はＺ軸方向移動プレート２９に対する直線的推進力に変換される。これによって、Ｚ軸方向移動プレート２９はＺ軸方向に移動される。
【００２７】
このＺ軸方向移動プレート２９の直線移動量はＺ軸方向リニアエンコーダ２５ｃにより検出され、制御系に送られる。制御系は、この検出された移動量に基づいてＺ軸方向移動プレート２９を目標位置へ移動せしめるようＺ軸方向アクチュエータ２２ｃを駆動する。なお、Ｚ軸方向アクチュエータ２２ｃを駆動するための制御系はＸ軸方向アクチュエータ２２ａおよびＹ軸方向アクチュエータ２２ｂの制御系と同一でもよいし別でもよい。
【００２８】
Ｚ軸方向移動プレート２９の上部には駆動結合部３を取り付けるための二つの取付穴２９ａが形成されている。この取付穴２９ａに駆動結合部３からネジまたは突起等挿入してＺ軸方向移動プレート２９と駆動結合部３との相対的な運動を拘束せしめるようになっている。
【００２９】
各プレート２１、２６、２７、２８、２９は、非磁性金属であるジュラルミンのうち強度の高いグレードの材質のものか、もしくはポリエーテルエーテルケトンの高強度グレードなどエンジニアリングプラスチックの何れかを使用するようにしている。しかしながら、位置制御駆動機構部２がＭＲＩ９の撮像中心からかなり離れ所謂５ガウスラインと呼ばれる磁場強度の境界近傍に配置される場合には、加工性や価格等とのトレードオフを勘案して前述したグレードを下げるようにしてもよい。
【００３０】
各アクチュエータ２２ａ〜２２ｃは電磁力を発生しない超音波モータが用いられている。そして、各アクチュエータ２２ａ〜２２ｃのケーシングはジュラルミン、軸は黄銅、軸受はセラミックなどの材料を用いて非磁性化対応を施している。また、各ボールネジ２３ａ〜２３ｃは強度と磁性（磁化率）の低さを考慮してベリリウム銅が用いられている。
【００３１】
リニアガイド２４ａ〜２４ｃは、ベリリウム銅からなるレールとブロック、チタンもしくは黄銅からなるビス、セラミックからなるボール、樹脂からなるエンドプレートを備えて構成されている。チタンや黄銅はベリリウム銅と同様低磁化率材料であり、その他の材質は非磁性かつ絶縁体である。
【００３２】
リニアエンコーダ２５ａ〜２５ｃは、ＭＲＩ９の磁場や高周波の影響の及ばない地点から光ファイバを通して入射光を導き、透過または反射した光を光ファイバを通して再び前記地点まで戻し、これをフォトトランジスタ等を用いた光電変換回路によってエンコーダ信号としている。本実施例では、リニアエンコーダ２５ａ〜２５ｃを図示したが、モータもしくはボールネジの回転を検出する回転型の光ファイバエンコーダを用いるか、もしくは光や赤外線、音波といったＭＲＩ９の発する磁場や高周波と干渉しない媒体を利用する位置計測装置を用いて位置計測を行なうようにしてもよい。
【００３３】
次に、駆動結合部３を図３に基づいて説明する。図３は図１の手術用マニピュレータにおける駆動結合部の斜視図である。
【００３４】
図３において、３１は固定プレート、３２は垂直回転フレーム、３３は垂直回転軸、３４は垂直回転軸止め、３５は前後回転軸、３６は前後回転ブロック、３７はアーム捻り回転用摺動材、３８はアーム捻り回転駆動用歯車、３９はアーム捻り回転量検出用エンコーダ、３０はアーム捻り回転アクチュエータを示す。
【００３５】
固定プレート３１は取付穴２９ａ（図２参照）を利用してＺ軸方向移動プレート２９に固定される。垂直回転フレーム３２は、固定プレート３１から上方に突出する垂直回転軸３３に底部が嵌合され、垂直回転軸３３を回転中心として自由回転する。この垂直回転軸３３を直接駆動するアクチュエータは存在しない。前後回転ブロック３６は、フレーム３２の両側面から内方に突出する前後回転軸３５に両側面部が嵌合され、前後回転軸３５を回転中心として自由回転する。アーム捻り回転用摺動材３７は前後回転ブロック３６の中央部に貫通穴を形成するように設置され、その穴内にはアーム部１が通されている。アーム部１の外壁とアーム捻り回転用摺動材３７の内壁が滑らかに摺動するようにしたことにより、アームの捻り回転が容易に行なえる。
【００３６】
以上の垂直・前後・捻りの３方向への回転軸は一点で交差するように構成され、これらによるジンバル構造が形成されている。これによって、垂直・前後の自由回転は、Ｘ・Ｙ・Ｚ軸が駆動され、アーム部１の中間を同様のジンバル構造で拘束されることによって生じる。ただし、捻り回転はそれらとは干渉せずにアクチュエータ３０によって駆動される。
【００３７】
前後回転ブロック３６の上部にはアーム捻り回転アクチュエータ３０とアーム捻り回転量検出用エンコーダ３９が取り付けられている。アクチュエータ３０の出力はアーム捻り回転駆動用歯車３８を介して伝達される。またアームの回転量はエンコーダ３９により検出される。
【００３８】
駆動結合部３の各要素の材質にはポリエーテルエーテルケトン等の高強度エンジニアリングプラスチックが用いられている。特にアーム捻り回転用摺動材３７は摺動部分を有するため摺動グレードの高い（耐摺動性の高い）ものが選択されている。駆動結合部３は撮像中心から遠いため、非磁性金属の部分的使用も可能であるが、より好ましいのはエンジニアリングプラスチックやエンジニアリングセラミックを用いることである。アクチュエータ３０は前述したアクチュエータ２２ａ〜２２ｃと同様に非磁性化対応された超音波モータが用いられる。エンコーダ３９には光ファイバ導光型のものが用いられ、ＭＲＩ９の磁場と特に励起高周波によるノイズの混入、およびＲＦ信号に対する干渉を防ぐようになっている。
【００３９】
次に、姿勢制御機構駆動部４を図４を用いて説明する。図４は図１の手術用マニピュレータにおける姿勢制御機構駆動部の説明図である。なお、図４（ａ）は平面図、図４（ｂ）は側面図である。
【００４０】
図４において、４１は複合円筒、４２ａ〜４２ｄは複合円筒４１を回転させるアクチュエータ、４３は動力伝達用ワイア、４４はエンコーダへの変位伝達用ワイア、４５は変位伝達用プーリ、４６は複合円筒４１の回転変位を検出するエンコーダ、４７ａ〜４７ｂは動力伝達用ワイア４３のテンションプーリ、４８は複合円筒回転用摺動体、４９は筐体を示す。複合円筒４１は駆動用と変位伝達用の円筒を兼ねている。
【００４１】
これらが２基あって箱状に構成され、２系統の動力をワイア４３で先端へ伝達することにより姿勢制御機構部６を制御駆動するようになっている。
【００４２】
複合円筒４１は径の異なる円筒を積み重ねた形状をしており、最下段円筒の外周を複数のアクチュエータ４２ａ〜４２ｄによって押さえることによって回転される。アクチュエータ４２ａ〜４２ｄは突起状の接触部を有し、この接触部が長辺方向平面内で楕円を描く。これらの接触部を複合円筒４１に接触させると、これらの接触部が位相を合わせて複合円筒４１の外周部を円周方向に押すことになり、複合円筒４１が回転する。中段円筒は動力伝達用プーリの役目をする。この中段円筒には動力伝達用ワイア４３が巻き付けられており、ワイア４３はテンションプーリ４７ａ〜４７ｂによって弛み防止のための張力が与えられた状態でアーム部１の内部を通り姿勢制御機構部６へ至っている。複合円筒４１の最上段円筒にはエンコーダ４６への変位伝達用ワイア４４が巻き付けられている。ワイア４４は変位伝達用プーリ４５にも巻き付けられており、プーリ４５は複合円筒４１の回転変位を検出するようにエンコーダ４６を回転させる。なお、筐体４９と複合円筒４１との間の滑らかな回転のために、複合円筒回転用摺動体４８が挟み込まれている。この摺動体４８の代わりに非磁性材料（例えばセラミック）のベアリングを用いてもよい。
【００４３】
筐体４９の材質はエンジニアリングプラスチックが望ましいが、撮像中心から遠いことや強度・加工性等のトレードオフを考慮してジュラルミン等の非磁性（一般的に磁化率が低いとされている意）金属を用いてもよい。複合円筒４１、変位伝達用プーリ４５、テンションプーリ４７ａ〜４７ｂはエンジニアリングプラスチックが用いられている。アクチュエータはセラミックの構造体をジュラルミンのケーシングに納めたものが用いられる。その他ネジなどもチタン、黄銅、もしくはエンジニアリングプラスチック等が使用されている。
【００４４】
次に、中間支持部５を図５に基づいて説明する。図５は図１の手術用マニピュレータにおける中間支持部材の斜視図である。
【００４５】
図５において、５１は固定プレート、５２は垂直回転フレーム、５３は前後回転ブロック、５４は中空円筒摺動材、５５は前後回転軸、５６は垂直回転軸を示す。
【００４６】
中間支持部５は駆動結合部３と同様の構成であるが、向きが逆さまになっている点、アーム捻り回転駆動用の駆動系を有しない点、中空円筒摺動材５４の内壁においてアーム部１の捻り回転および円筒軸方向に関するアーム部１の直動があり２方向に摺動する点が異なる。なお、駆動結合部３および中間支持部５に共通な構成例の詳細は後述する。
【００４７】
次に、アーム部１を図６に基づいて説明する。図６は図１の手術用マニピュレータにおけるアーム部の斜視図である。
【００４８】
図６において、１４はアーム構造材、１５は駆動結合部３からの抜け止め、１６は駆動結合部３に付属したアーム捻り回転駆動用歯車３８の受け側歯車、１７はスペーサを示す。アーム構造材１４は複数のアーム構造材１４Ａ、１４Ｂで構成されている。抜け止め１５、受け側歯車１６およびスペーサ１７はアーム構造材１４Ａ側に設けられている。
【００４９】
アーム構造材１４、抜け止め１５、スペーサ１７には、ポリエーテルエーテルケトン等のエンジニアリングプラスチックもしくはＦＲＰ等の材料が用いられている。受け側歯車１６には強度や加工性などのトレードオフからジュラルミン等の非磁性金属が用いられている。アーム構造材１４は筒状に形成されており、その内部は中空もしくは少なくとも姿勢制御機構部６への駆動伝達ワイア４３が通るだけの空間を有している。また、強度を高めるために内部に補強構造を施してもよい。
【００５０】
次に、姿勢制御機構部６について図７を用いて説明する。図７は図１の手術用マニピュレータにおける姿勢制御機構部の説明図である。なお、図７（ａ）は平面図、図７（ｂ）は側面図である。
【００５１】
図７において、６１は首振部フレーム、６２は術具ガイド用円筒、６３ａ〜６３ｂは軸止め、６４ａ〜６４ｂは軸支持部、６５ａ〜６５ｂは動力伝達用プーリ、６６ａ〜６６ｂは入力軸傘歯歯車、６７ａ〜６７ｂは動力伝達用ワイア、６８は出力軸傘歯歯車を表す。
【００５２】
動力伝達用プーリ６５ａ〜６５ｂは動力伝達用ワイア４３によって駆動される。各プーリ６５ａ〜６５ｂは入力軸傘歯歯車６６ａ〜６６ｂと一体で回るように軸支持部６４ａ〜６４ｂに支持されている。入力軸傘歯歯車６６ａ〜６６ｂと出力軸傘歯歯車６８は差動機構を構成し、動力伝達用ワイア４３から入力軸傘歯歯車６６ａ〜６６ｂへ与えられる駆動量の向きと割合に応じて術具ガイド用円筒６２の首振りと捻りが生じる。例えば入力軸傘歯歯車６６ａ〜６６ｂの回転が共通の回転軸に対して同方向かつ同じ角度量になるように各ワイア４３を引くと術具ガイド用円筒６２は捻れることなく首を振り、回転方向のみ逆になるようにすると首を振ることなく術具ガイド用円筒６２に捻りの動きが生じる。なお、首振りと術具ガイドの捻りの軸はアーム捻りの回転軸と一点で交差するように配置されている。
【００５３】
これらの首振り・捻り回転とアーム部１自身の捻り回転を合わせることによってアーム先端部での姿勢３自由度を制御することができる。また首振りとアーム捻り回転によってある方向を中心に十字に首を振る動作が容易に実現できる。これと位置制御駆動機構部２によって生ぜしめられる先端３自由度の位置制御動作とを合わせることによって、先端部に装備されるべき術具をトロカールを通して挿入し操作する経皮操作において必要な動作、すなわち所謂ピボットモーション（挿入時に皮膚や表面と交差している部分を不動にしたまま内部においてその先端で多自由度の動作を行なうこと。挿入部分の皮膚や表面を広げたりする危険性がなく、内視鏡下手術等では必須の動き）を容易に実現できる。
【００５４】
次に、図８を用いて駆動結合部３の構成例の詳細を補足説明する。図８は図３の駆動結合部の詳細説明図である。
【００５５】
図８において、３３ａは垂直回転軸３３の軸部、３３ｂ、３３ｃは垂直回転軸３３の摺動材、３５ａは前後回転軸３５の軸部、３５ｂは前後回転軸３５のスペーサ、３５ｃは前後回転軸３５の摺動材、３６ａは前後回転ブロック３６の嵌込穴を表す。
【００５６】
垂直回転軸３３の軸部３３ａは固定プレート３１の下部に嵌め込まれ、摺動材３３ｂ〜３３ｃを介して固定プレート３１および垂直回転フレーム３２を貫通し、軸止め３４により結合される。これにより垂直回転フレーム３２は固定プレート３１に対して垂直方向軸周りに自由回転することができる。
【００５７】
前後回転軸３５の摺動材３５ｃは前後回転ブロック３６の嵌込穴３６ａに嵌め込まれている。前後回転軸３５の軸部３５ａは垂直回転フレーム３２の側面部分およびスペーサ３５ｂを貫通して摺動材３５ｃ内に至る。ここにおいて軸部３５ａと摺動材３５ｃとの摺動が生じ、アーム捻り回転用摺動材３７は前後に（言い換えると、アーム部１を上下に傾斜して）自由回転することができる。
【００５８】
なお、中間支持部５の詳細構造も上述した駆動結合部３の詳細構造と同じである。
【００５９】
駆動結合部３および中間支持部５の材質に関しては既に述べた通りであり、ポリエーテルエーテルケトンなどのエンジニアリングプラスチックを主に用いることが望ましい。摺動部分に関しては、さらに耐摺動性のグレードの高いものを選択することが望ましい。特に、中間支持部５は撮像中心により近く、またＭＲＩ９の空間内に配置されるため、非磁性であっても金属の使用は極力しない方がよい。
【００６０】
中間支持部５は中間支持固定部材７を介してＭＲＩ９に固定されているので、スペースファクタが良好であるが、ＭＲＩ９に固定することが難しい場合には、時不変である空間座標系を有すると考えられるものに対して固定してもよい。例えば図９に示すように中間支持固定部材７Ａを介して土台８に固定されるようにしてもよい。
【００６１】
次に、手術用マニピュレータの動作を図１０を用いて説明する。図１０は図１の手術用マニピュレータの動作を説明する斜視図である。
【００６２】
図１０において、１０１はＸ軸駆動方向を示す矢印、１０２はＹ軸駆動方向を示す矢印、１０３はＺ軸駆動方向を示す矢印、１０４はアーム捻り回転駆動方向を示す矢印付き円弧、１０５は姿勢制御機構部６の首振り駆動方向を示す矢印付き円弧、１０６は姿勢制御機構部６の捻り駆動方向を示す矢印付き円弧、１０７はＸ軸・Ｙ軸若しくはその両方が駆動されることにより引き起こされる垂直回転フレーム３２の回転方向を示す矢印付き円弧（点線）、１０８はＺ軸が駆動されることにより引き起こされる前後回転ブロック３６の回転方向を示す矢印付き円弧（点線）、１０９はＸ軸・Ｙ軸若しくは両方が駆動されることにより引き起こされる垂直回転フレーム５２の回転方向を示す矢印付き円弧（点線）、１１０はＺ軸が駆動されることにより引き起こされる前後回転ブロック５３の回転方向を示す矢印付き円弧、１１１はアーム捻り回転軸、１１２は姿勢制御機構部部首振り回転軸、１１３は術具ガイド用円筒６２の捻り回転軸、１１４は垂直回転フレーム３２の回転軸、１１５は上下回転ブロック３６の回転軸、１１６は垂直回転フレーム５２の回転軸、１１７は上下回転ブロック５３の回転軸、１１８はＸ軸・Ｙ軸・Ｚ軸若しくは全軸を駆動したことによって引き起こされる中間支持部５における直動方向を示す矢印をそれぞれ表わす。
【００６３】
位置制御駆動機構部２のＸ・Ｙ・Ｚ軸が動作方向１０１、１０２、１０３に関する直線運動を生じさせたとき、駆動結合部３がそれによって動き、垂直回転フレーム３２および前後回転ブロック３６が回転軸１１４、１１５を中心として回転方向１０７、１０８のような回転運動を起こす。一方、中間支持部５はＭＲＩ９に固定されているが、垂直回転フレーム５２および前後回転ブロック５３は駆動力に従って回転軸１１６、１１７を中心軸として回転方向１０９、１１０のように回転する。このときアーム中心軸１１１が直線であるので、回転方向１０７、１０９の回転変位量と回転方向１０８、１１０の回転変位量とは等しくなる。また、位置制御駆動機構部２を動かせば、駆動結合部３の各回転軸の交点と中間支持部５の各回転軸の交点との距離は変化する。すなわち、その際に中間支持部５においてアーム部１の長手方向に関する直動１１８が生ずる。
【００６４】
以上のように、位置制御駆動機構部２のＸ・Ｙ・Ｚ軸を駆動させると、このような梃子と直動の組み合わせによって先端の位置を変化せしめる。このＸＹＺ軸の直線変位と先端部の位置変位の関係は単純な幾何学的関係であり容易に求められる。係る変位においてアームの捻り軸に関する捻り角は変化しない。姿勢制御機構部６の首振りおよび捻りも同様である。よってまず前記の位置変位に伴う先端の姿勢変化を導き、それに加える形で中心軸１１１周りのアーム捻り１０４、１１２周りの先端首振り１０５、１１３周りの先端捻り１０６の姿勢制御を考えればよいことになる。
【００６５】
以上のような機構であるため前述のようにピボットモーションを実現することが容易になる。ピボットモーションには先端捻りの自由度は必須ではないが、これがあることによって術具の姿勢を制御することができ、より複雑な手術操作を実現できることになる。
【００６６】
以上に述べてきた手術用マニピュレータを構成する各要素、あるいは駆動のためのアクチュエータ、ワイア等のうち言及のなかったものに関しても、全て磁場に対して感応しない非磁性物質で構成するのは言うまでもない。構造材はジュラルミン（アルミニウム合金）やチタン合金などの非磁性金属、エンジニアリングプラスチックを用いる。また前記の例ではアクチュエータは非磁性材料のみで構成され電磁的な駆動原理を用いないものとしてば超音波モータを挙げたが、液圧・空気圧駆動アクチュエータなどを適用することも可能である。また、ワイアには靭性の高い高分子材料を用いることが望ましい。先端に装着を想定される術具の部分はエンジニアリングセラミックもしくはマシナブルセラミックで製作することが望ましい。
【００６７】
以上のように構成された手術用マニピュレータには次のような利点がある。
（１）アーム部１のＭＲＩ外部側を限られた可動範囲の位置制御駆動機構部２で駆動すると共に、ＭＲＩ９の空間内にアーム部１の支点となる中間支持部５を設けて中間支持部５の動作範囲を制限するようにしているので、長いアーム部１が振り回されたりするような危険な誤動作を機構的に防止することができる。
（２）アーム部１のＭＲＩ９の空間内に位置する部分に中間支持部５を設けているので、アーム部１のＭＲＩ側の先端における撓みが確実に軽減され、手術用マニピュレータとしての安全性・信頼性を高めることができる。
（３）姿勢を制御できる姿勢制御機構部６をアーム部１のＭＲＩ撮像領域側先端部に設けているので、姿勢制御機構部６の動作がごく限られた狭い範囲の空間で行なうことができ、狭いＭＲＩ撮像領域内での特別な手術に対応することが可能となる。姿勢制御機構部６として差動機構を用いているので、特にコンパクトな構造で狭い範囲の空間内を動作させることができる。
（４）姿勢制御機構部６の駆動源である姿勢制御機構駆動部４をＭＲＩ外部側に置いて姿勢制御機構駆動部４の駆動力をワイア４３で姿勢制御機構部６に伝達するようにしているので、アーム部１の先端部にある姿勢制御機構部６の駆動のために手術用マニピュレータ全体としてはあまり動くことはないにもかかわらず、先端部において局所的に複雑な動作を実現できる。したがって、この点からも狭いＭＲＩ撮像領域内での特別な手術に対応することが可能となる。
（５）アーム部１のＭＲＩ外部側の位置駆動にＸ軸・Ｙ軸・Ｚ軸方向に直動する直動機構を用いているので、手術用マニピュレータの動きが直感的でわかりやすいものになる。これにより周囲の作業者の安全が図りやすくなる。
（６）姿勢制御機構部６の速度は主に位置駆動の速度と支点の位置で決まり、中間支持部５の固定位置を可変にしているので、通常容易には変更できない位置制御駆動機構部２の速度仕様を変えることなく、姿勢制御機構部６の速度仕様を可変にできる。例えば、中間支持部５を姿勢制御機構部６側へ持っていけば、姿勢制御機構部６の可動範囲が小さくなるとともに最高速度が小さくなる。これは微細操作に際してそのスケールに見合った速度（すなわち空間的な速度で言えば低速）で行なうことができることを意味する。逆に中間支持部５を姿勢制御機構部６の反対側に持っていけば、姿勢制御機構部６の可動範囲が広がるとともに最高速度が上がることとなり、大きな操作を速く行なうことができる。言い換えると、アーム部１の支点によって限定された可動範囲と、その端から端まで動く速度との比を常に同じに設定できるため、映像情報の倍率を調節すればつねに画面の中での先端部の速度は同じに見えるという効果もある。
（７）駆動結合部３および中間支持部５を共にジンバル構造にしたために、位置制御駆動機構部２のＸＹＺ各軸を駆動したときにアーム長手方向周りの角度を変えない（姿勢に干渉しない）ようにできる。したがって位置制御駆動機構部２によって姿勢制御機構部６を抉ることがない。
（８）中間支持部５を動かすことによりアーム長手方向の動作倍率を一定に保ちつつ、長手方向と垂直な２方向の動作倍率が支点位置を変えることができる。想想定配置では手術用マニピュレータは患者の横からアプローチする。患者の体の横幅は概ねどの部分でも同じなので、この方向への動作倍率は一定でよい。一方、これと垂直な２方向に関しては、まず体軸と同じ方向があり、この方向には体が伸びているため、ある術式で体の上から下までアプローチしなければならないようなことがある場合（例えば、足から血管を採取し、それを上半身の手術で移植片として利用する場合など）にも対応できる。また垂直方向は使用する環境、特にＭＲＩの高さやギャップ幅が様々である場合に対応することができる。
【００６８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ＭＲＩ内部における作業性と安全性を両立できる手術用マニピュレータを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す手術用マニピュレータの構成図である。
【図２】図１の手術用マニピュレータにおける位置制御駆動機構部の斜視図である。
【図３】図１の手術用マニピュレータにおける駆動結合部の斜視図である。
【図４】図１の手術用マニピュレータにおける姿勢制御機構駆動部の説明図である。
【図５】図１の手術用マニピュレータにおける中間支持部材の斜視図である。
【図６】図１の手術用マニピュレータにおけるアーム部の斜視図である。
【図７】図１の手術用マニピュレータにおける姿勢制御機構部の説明図である。
【図８】図３の駆動結合部の詳細説明図である。
【図９】図５の中間支持部の固定構造の変形例を示す図である。
【図１０】図１の手術用マニピュレータの動作を説明する斜視図である。
【符号の説明】
１…アーム部、２…位置制御駆動機構部、３…駆動結合部、４…姿勢制御機構駆動部、５…中間支持部、６…姿勢制御機構部、７、７Ａ…中間支持固定部材、８…駆動部固定用土台、９ａ…上部磁石、９ｂ…下部磁石、１１…患者横臥台、１２…患者、１３…中間支持取付部、１４…アーム構造材、１５…抜け止め、１６…受け側歯車、１７…スペーサ、２１…Ｘ軸方向土台プレート、２２ａ〜２２ｃ…Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向アクチュエータ、２３ａ〜２３ｃ…Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向駆動用ボールネジ、２４ａ〜２４ｃ…Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向リニアガイド、２５ａ〜２５ｃ…Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向リニアエンコーダ、２６…Ｘ軸方向移動プレート、２７…Ｙ軸方向移動プレート、２８…Ｚ軸方向固定プレート、２９…Ｚ軸方向移動プレート、２９ａ…駆動結合部取付用穴、３１…固定プレート、３２…垂直回転フレーム、３３…垂直回転軸、３３ａ、３３ｂ…スペーサ、摺動材、３４…垂直回転軸止め、３５…前後回転軸、３５ａ…軸部、３５ｂ…スペーサ、３６…前後回転ブロック、３６ａ…嵌込穴、３７…アーム捻り回転用摺動材、３８…アーム捻り回転駆動用歯車、３９…アーム捻り回転量検出用エンコーダ、３０…アーム捻り回転アクチュエータ、４１…複合円筒、４２ａ〜４２ｄ…アクチュエータ、４３…動力伝達用ワイア、４４…変位伝達用ワイア、４５…変位伝達用プーリ、４６…エンコーダ、４７ａ〜４７ｂ…テンションプーリ、４８…複合円筒回転用摺動体、４９…筐体、５１…固定プレート、５２…垂直回転フレーム、５３…前後回転ブロック、５４…中空円筒摺動材、５５…前後回転軸、５６…垂直回転軸、６１は首振部フレーム、６２…術具ガイド用円筒、６３ａ〜６３ｂ…軸止め、６４ａ〜６４ｂ…軸支持部、６５ａ〜６５ｂ…動力伝達用プーリ、６６ａ〜６６ｂ…入力軸傘歯歯車、６８…出力軸傘歯歯車。
【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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【図９】
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【図１０】
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