(57)【要約】  本開示の実施形態は全般的に、可変剛性の材料および装置、ならびにその使用方法に関する。一実施形態では、一例として内視鏡用のロボット材料ベースのスリーブを形成するのに有用な、可変剛性のロボット材料が開示される。別の実施形態では、複数の部位の熱アブレーションを診療所で実行するのに有用な、単一ツールの可変剛性の内視鏡およびワーキングチャネルが開示される。さらに別の実施形態では、マイクロ波ベースの組織アブレーションまたは容量減少のツールおよび処置が、睡眠時無呼吸症を治療するために提供される。【選択図】図４Ｃ
2020525254.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１つまたは複数のチャネルを画成する本体と、
前記１つまたは複数のチャネルのうちの少なくとも１つの周りに配設された作動層であって、複数の可変剛性のロボット材料セルを備え、それぞれの可変剛性のロボット材料セルが、
第１の圧縮シートおよび第２の圧縮シート、ならびに
前記第１の圧縮シートと前記第２の圧縮シートの間に重なって配置された材料の複数の薄シートであって、前記複数の薄シートのうちの隣接する薄シートの各対がそれらの間で摩擦を有する複数の薄シートを備える
作動層と
を備える可変剛性の内視鏡組立体。
【請求項２】
前記本体が内視鏡オーバチューブである、請求項１に記載の可変剛性の内視鏡組立体。
【請求項３】
前記本体が内視鏡装置である、請求項１に記載の可変剛性の内視鏡組立体。
【請求項４】
前記複数の薄シートが、その中を通る１つまたは複数のアクチュエータチャネルを有する、請求項１に記載の可変剛性の内視鏡組立体。
【請求項５】
前記１つまたは複数のアクチュエータチャネルのそれぞれに配設された少なくとも１つのアクチュエータであって、永久電磁石を備える少なくとも１つのアクチュエータをさらに備える、請求項４に記載の可変剛性の内視鏡組立体。
【請求項６】
前記１つまたは複数のチャネルが、
内視鏡チャネル、および
ワーキングチャネル
を備える、請求項１に記載の可変剛性の内視鏡組立体。
【請求項７】
前記ワーキングチャネルが、拡張バルーン組立体、針、鉗子、カテーテル、および高周波送達先端から成るグループから選択される１つまたは複数のツールをさらに備える、請求項６に記載の可変剛性の内視鏡組立体。
【請求項８】
１つまたは複数のチャネルを画成する本体と、
前記１つまたは複数のチャネルのうちの少なくとも１つであって、
柔軟な材料から製造された内側チューブにより形成された管腔、
前記内側チューブの長さに沿って分配され、前記内側チューブの外側表面に取り付けられた複数のアクチュエータリングであって、前記複数のアクチュエータリングのそれぞれが、その中を通る１つまたは複数のリングチャネルを有する、複数のアクチュエータリング、ならびに
前記内側チューブの前記長さに沿って通り、前記複数のアクチュエータリングの前記１つまたは複数のリングチャネルを通って延在する１つまたは複数の張った線であって、それぞれのアクチュエータリングが、前記１つまたは複数の張った線のうちの少なくとも１つを保持および解放するように構成された少なくとも１つのアクチュエータを備える、１つまたは複数の張った線
を備える前記１つまたは複数のチャネルのうちの少なくとも１つと
を備える、可変剛性の内視鏡組立体。
【請求項９】
前記本体が内視鏡オーバチューブである、請求項８に記載の可変剛性の内視鏡組立体。
【請求項１０】
前記本体が内視鏡装置である、請求項８に記載の可変剛性の内視鏡組立体。
【請求項１１】
前記管腔を囲む外側ポリマーシェルと、前記複数のアクチュエータリングと、前記１つまたは複数の張った線とをさらに備える、請求項８に記載の可変剛性の内視鏡組立体。
【請求項１２】
前記１つまたは複数のリングチャネルのそれぞれの中に配設されたコレット機構をさらに備える、請求項８に記載の可変剛性の内視鏡組立体。
【請求項１３】
前記１つまたは複数のリングチャネルのそれぞれの中に配設されたキャプスタン機構をさらに備える、請求項８に記載の可変剛性の内視鏡組立体。
【請求項１４】
前記複数のアクチュエータリングが形状記憶合金から製造される、請求項８に記載の可変剛性の内視鏡組立体。
【請求項１５】
患者の鼻腔に通して第１の治療部位まで可変剛性の内視鏡チューブを挿入することであって、前記可変剛性の内視鏡チューブが、その遠位端部を前記第１の治療部位の近くに配置するために、複数の可変剛性のロボット材料セルを備えた作動層を有する、可変剛性の内視鏡チューブを挿入することと、
前記第１の治療部位の近くで前記可変剛性の内視鏡チューブの硬さを高めるために、前記可変剛性の内視鏡チューブの前記作動層を作動させることと、
硬い前記可変剛性の内視鏡チューブを使用して、前記第１の治療部位において医療処置を実行することと
を含む方法。
【請求項１６】
前記医療処置が熱アブレーション処置である、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記第１の治療部位が、鼻、口蓋、舌、および喉頭蓋から成るグループから選択される、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記医療処置がバルーン洞形成術である、請求項１５に記載の方法。
【請求項１９】
前記第１の治療部位が洞である、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記可変剛性の内視鏡チューブの硬さを低くするために、前記可変剛性の内視鏡チューブの前記作動層を非アクティブ化することと、
前記可変剛性の内視鏡チューブを第２の治療部位に導くことと、
前記可変剛性の内視鏡チューブの硬さを高めるために、前記可変剛性の内視鏡チューブの前記作動層を作動させることと、
硬い前記可変剛性の内視鏡チューブを使用して、前記第２の治療部位において前記医療処置を実行することと
をさらに含む、請求項１５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示の実施形態は一般に、感知、計算、作動が埋め込まれた、ロボット材料により有効になる医療用装置を含むがこれに限定されないロボット材料および装置、ならびにその使用方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ロボット材料は、感知、作動、および計算を統合して使用して、基礎を成す材料の形状、容量、剛性、または物理的外見などの特性を変更するように完全にプログラム可能な複合材料である。柔軟な状態からより硬い状態に変わることができる剛性を有する可変剛性の材料が、ロボット材料の一種である。こうした可変剛性の材料は、航空および自動車の用途における振動減衰、電子機器および建設の用途における展開可能な境界面、訓練およびリハビリの用途における抵抗力または支持力を与えるウェアラブル機器を含むがこれらに限定されない様々な用途、ならびに医療用装置および処置に有用である。
【０００３】
現在の内視鏡処置、特に咽頭鏡検査では、多くの場合、医師が柔軟なスコープを使用して患者を快適な状態に維持しながら、到達するのが困難な区域を可視化することが必要である。しかし、柔軟なスコープには、侵襲性を最小限に抑えた処置において制御された操作を行う、または組織を穿孔するのに必要な硬さがない。柔軟な状態からはるかに剛性の高い状態へ、オペレータの判断で切り替えることができる装置を提供することが望ましい。さらに、アブレーションカテーテルなどの侵襲性が最小の手術ツールを挿入するのに必要なワーキングチャネルを有していないことがほとんどである既存の内視鏡に組み込むことができる装置を設計することが望ましく、こうして新しい機器に莫大な投資をする必要をなくす。
【０００４】
したがって、柔軟な状態から硬い状態の範囲にわたる手術ツールを備える材料の剛性を、医師が必要に応じて可逆的に修正することができる医療処置など、様々な用途に使用することができる改善されたロボット材料および装置が必要とされている。
【発明の概要】
【０００５】
本開示の実施形態は全般的に、可変剛性の材料および装置、ならびにその使用方法に関する。一実施形態では、一例として内視鏡用のロボット材料ベースのスリーブを形成するのに有用な、可変剛性のロボット材料が開示される。別の実施形態では、柔軟な内視鏡と結合されたときに、複数の部位の熱アブレーションを診療所で実行するのに有用な、単一ツールの可変剛性の内視鏡オーバチューブおよびワーキングチャネルが開示される。さらに別の実施形態では、マイクロ波ベースの組織アブレーションまたは容量減少のツールおよび処置が、睡眠時無呼吸症を治療するために提供される。
【０００６】
一実施形態では、可変剛性のロボット材料セルが開示される。可変剛性のロボット材料セルは、第１の圧縮シートおよび第２の圧縮シートと、第１の圧縮シートと第２の圧縮シートの間で重なって配置された材料の複数の薄シートであって、複数の薄シートのうちの隣接する薄シートの各対がそれらの間で摩擦を有する複数の薄シートとを備える。
【０００７】
別の実施形態では、可変剛性の内視鏡オーバチューブが開示される。内視鏡オーバチューブは、１つまたは複数のチャネルと、１つまたは複数のチャネルのうちの少なくとも１つの周りに配設された作動層とを含む。作動層は、複数の可変剛性のロボット材料セルを含む。それぞれの可変剛性のロボット材料セルは、第１の圧縮シートおよび第２の圧縮シートと、第１の圧縮シートと第２の圧縮シートの間に重なって配置された材料の複数の薄シートであって、複数の薄シートのうちの隣接する薄シートの各対がそれらの間で摩擦を有する複数の薄シートとを含む。
【０００８】
さらに別の実施形態では、可変剛性の内視鏡オーバチューブが開示される。内視鏡オーバチューブは、１つまたは複数のチャネルを含み、柔軟な区分を接合する硬い継手であって、硬いリングを内側チューブの長さにわたって組み付けることによりそれぞれが構築される硬い継手と、区分全体を横切るリングを貫いて通された、継手で終端する線とから成る。継手は、線形にまたは回転可能に関節接合されてもよく、またはそれらは固定されてもよい。オーバチューブの各端部において、線は硬い末端に取り付けられる。各セグメントの剛性は、リングを通って軸方向に滑らないように線を保持することによって大きく増大され、線を解放することによって同じ量だけ低減される。線は、継手の内側で線の一方または両方の端部をばね負荷するか、たるみ除去機構かのいずれかによって常に張った状態に保たれる。
【０００９】
さらに別の実施形態では、方法が開示される。この方法は、可変剛性の内視鏡オーバチューブを、柔軟なスコープの作業長さにわたって滑らせることを含む。可変剛性の内視鏡オーバチューブに覆われた柔軟なスコープは、患者の鼻腔を通って第１の治療部位まで挿入され、可変剛性の内視鏡チューブは、１）複数の可変剛性のロボット材料セルを有する作動層を有し、可変剛性の内視鏡オーバチューブの硬さを高めるために、可変剛性の内視鏡オーバチューブの作動層を作動させるか、または２）柔軟な区分によって接続された硬いリング区分を有し、可変剛性の内視鏡オーバチューブの硬さを高めるために、リングを貫通する線を、軸方向に動かないように保持するように作動し、硬い可変剛性の内視鏡オーバチューブを、可変剛性の内視鏡オーバチューブのチャネルのうちの１つに挿入されているアブレーションカテーテルと併せて使用して、第１の治療部位において第１の組織の熱アブレーションを実行する。
【００１０】
さらに別の実施形態では、方法が開示される。この方法は、可変剛性の内視鏡オーバチューブを、柔軟な内視鏡の作業長さにわたって滑らせることと、内視鏡と可変剛性の内視鏡オーバチューブとの組合せを、患者の鼻腔に通して第１の治療部位まで挿入することであって、治療部位が、鼻、口蓋、舌、喉頭蓋から成るグループから選択される、第１の治療部位まで挿入することと、粘膜下アブレーションを適用するのに十分な剛性が実現されたら、第１の治療部位において第１の粘膜下組織をアブレーションするために、第１の治療部位にマイクロ波を送達することとを含む。
【００１１】
上に述べた本開示の特徴が詳細に理解できるように、上に簡単にまとめた本開示のさらに具体的な説明を、実施形態を参照しながら提供することができ、それら実施形態のいくつかを添付図面に示す。しかし、本開示は、他の同等に有効な実施形態を認めてもよいことから、添付図面は、本開示の典型的な実施形態のみを示し、したがって本開示の範囲を限定するとはみなされないことに注意すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本明細書に開示する実施形態による可変剛性のロボット材料を示す図である。
【図２】図２Ａ及び図２Ｂは、本明細書に開示する実施形態による永久電磁石を示す図である。
【図３】図３Ａ〜図３Ｃは、本明細書に開示する実施形態による複数のジャミング層の断面図である。
【図４Ａ】本明細書に開示する実施形態による内視鏡オーバチューブを示す図である。
【図４Ｂ】本明細書に開示する実施形態による内視鏡オーバチューブを示す図である。
【図４Ｃ】本明細書に開示する実施形態による内視鏡オーバチューブを示す図である。
【図４Ｄ】本明細書に開示する実施形態による内視鏡オーバチューブを示す図である。
【図５−１】図５Ａ及び図５Ｂは、本明細書に開示する実施形態による内視鏡オーバチューブ組立体を示す図である。
【図５−２】図５Ｃ〜図５Ｅは、本明細書に開示する実施形態による内視鏡オーバチューブ組立体を示す図である。
【図６−１】図６Ａ〜図６Ｃは、本明細書に開示する実施形態による内視鏡オーバチューブ組立体を示す図である。
【図６−２】図６Ｄ及び図６Ｅは、本明細書に開示する実施形態による内視鏡オーバチューブ組立体を示す図である。
【図６−３】図６Ｆ〜図６Ｈは、本明細書に開示する実施形態による内視鏡オーバチューブ組立体を示す図である。
【図６−４】図６Ｉ〜図６Ｋは、本明細書に開示する実施形態による内視鏡オーバチューブ組立体を示す図である。
【図６−５】図６Ｌ〜図６Ｎは、本明細書に開示する実施形態による内視鏡オーバチューブ組立体を示す図である。
【図７】本明細書に開示する実施形態による方法のフローチャートである。
【図８】本明細書に開示する実施形態による方法のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
理解を促すために可能な場合には、同一の参照符号が使用されており、複数の図面に共通した同一の要素を指す。一実施形態の要素および特徴は、さらに言及されることなく、他の実施形態に有益に組み込まれてもよいことが企図される。
【００１４】
本開示の実施形態は全般的に、可変剛性の材料および装置、ならびにその使用方法に関する。一実施形態では、一例として内視鏡用のロボット材料ベースのスリーブを形成するのに有用な、可変剛性のロボット材料が開示される。別の実施形態では、複数の部位の熱アブレーションを診療所で実行するのに有用な、単一ツールの可変剛性の内視鏡オーバチューブおよびワーキングチャネルが開示される。さらに別の実施形態では、マイクロ波ベースの組織アブレーションまたは容量減少のツールおよび処置が、睡眠時無呼吸症を治療するために提供される。
【００１５】
図１は、本明細書に開示する実施形態によるロボット材料セル１００を示す。動作中、形状、容量、剛性、または物理的外見などのロボット材料セル１００の特性が、ロボット材料セル１００に埋め込まれた作動、感知、および計算の構成要素を使用して変更される。ロボット材料セルは、様々な構造のセルのアレイを形成するように、隣り合って配置されてもよい。アレイ内の個々のセルは、すぐ近くのセルがそれらそれぞれの状態についての情報を交換し、適宜それらの状態を調節することができるように結合されてもよい。一例では、ロボット材料セル１００の硬さは、必要に応じて変更可能であり、ロボット材料セル１００に可変剛性が与えられる。可変剛性のロボット材料セル１００は、様々な用途に有用である。可変剛性のロボット材料セル１００は、全般的に、３つの構成要素であるアクチュエータ機構１０２と、少なくとも１つのセンサ１０４と、計算構成要素１０６とを含む。ロボット材料セル１００は、通信構成要素をさらに含んでもよい。動作中、計算構成要素１０６は、アクチュエータ機構１０２をアクティブ化する。１つまたは複数のセンサ１０４は、出力または他の環境に関する刺激もしくはデータを測定し、それらが計算構成要素１０６にフィードバックされて、可変剛性のロボット材料セル１００を続けて使用できるようにしてもよい。
【００１６】
可変剛性のロボット材料セル１００の例では、アクチュエータ機構１０２は、可変剛性のアクチュエータ機構である。可変剛性のアクチュエータ機構１０２は、可変剛性のロボット材料セル１００の硬さに変化を生じさせる全般的に任意の好適な機構である。たとえば、層ジャミングにより、材料のシートと、２枚以上のシートに加えられる垂線方向の（垂直な）圧力との表面相互作用に基づきスケーラブルな硬さが提供される。シートをともに押す傾向にある、シートに対して垂線方向の弱い圧力または力を受けながら、曲げ力が個々のシートに加えられている間、個々のシートは互いに滑ってずれるので、可変剛性のロボット材料セル１００は曲げやすくなる。表面に対して垂線方向の圧力が増大するにつれて、シートは互いに滑ってずれる能力を失い、表面に対して垂線方向の圧力または力を加えても可変剛性のロボット材料セル１００の高剛性化またはその形状保持として生じる相変態を起こす。圧力は、全般的に、磁気システム、空気圧システム、液圧システム、機械システム、静電システム、および形成可能材料のシステムを使用して、材料のシートに直接または間接的に加えられる。同様に、粒子ジャミングにより、粒子の密度に基づきスケーラブルな硬さが提供される。刺激に応答して非常に素早く物理状態を変える流動学的材料も、スケーラブルな硬さを提供し、可変剛性のアクチュエータ機構として有用である。さらに、本開示は、電気活性のあるポリマー（ＥＡＰ）、および形状記憶合金（ＳＭＡ）などの他の機械的なまたは材料ベースのアクチュエータ機構を使用して、可変剛性のロボット材料セル１００の硬さに変化を生じさせることを企図する。
【００１７】
計算構成要素１０６は、全般的に、開ループまたは閉ループのコンピュータ入力信号を含み、それにより可変剛性のロボット材料セル１００は、プログラム可能なシステムになる。動作中、計算構成要素１０６は、可変剛性のアクチュエータ機構１０２を作動させるための命令を提供する。計算構成要素１０６は、全般的に、電源と、１つまたは複数のコンデンサと、１つまたは複数の制御部とを含む。電源は、全般的に、バッテリ、または壁の、すなわち設備の電源を含む任意の適切な電源である。１つまたは複数のコンデンサは、セルごとの分散コンデンサとすることができる。１つまたは複数の制御部は、可変剛性のロボット材料セル１００を作動させるための入力信号を提供する任意の好適な制御部とすることができる。好適な制御部は、スイッチ、ポテンショメータ、およびパルスベースの信号を含むが、これらに限定されない。制御部からの入力信号は、複数の可変剛性のロボット材料セル１００などのすべてのセルが作動されるか、いずれのセルも作動されないかのオールオアナッシングのパターン、１つの画素などのそれぞれ個々のセルが作動される画素ベースのパターン、またはセルがチャネルに、すなわち真っ直ぐな線もしくは他の経路に沿ってグループ化されて、共通して作動されるまたは作動されないチャネルベースのパターンを含むがこれらに限定されない所望のパターンで、アレイのセルに加えられてもよい。一例では、コンピュータ入力信号は、可変剛性のアクチュエータ機構１０２の調整を可能にする。たとえば、可変剛性のロボット材料セル１００の電流および／または電圧は、出力の力、したがって可変剛性のロボット材料セル１００の硬さに影響を及ぼすように調整可能である。
【００１８】
センサ１０４は、全般的に、出力または他の環境データを測定することができるセンサもしくは測定要素であり、それらが、計算構成要素１０６などの開ループもしくは閉ループのシステムにフィードバックされて、自己補正動作が行われてもよく、またはデータストレージに供給されてもよい。好適なセンサ１０４の例は、タッチセンサ、熱センサ、インピーダンスセンサ、圧力センサ、流れセンサ、ひずみセンサ、加速度計、曲げセンサ、視覚的センサ、たとえば光コヒーレンストポロジセンサおよび狭帯域撮像センサ、光学センサ、ならびに化学センサを含むが、これらに限定されない。
【００１９】
一実施形態では、可変剛性のアクチュエータ機構１０２は、永久電磁石と、２つのフランジの間に配設された複数のジャミング層とを含む。図２Ａ〜図２Ｂは、本明細書に開示する実施形態による永久電磁石２０３を示す。図３Ａ〜図３Ｃは、本明細書に開示する実施形態による複数のジャミング層３２０を示す。
【００２０】
図２Ａに示すように、永久電磁石２０３は、銅配線などの配線２１０がその周りに巻かれた１対の電磁ロッド２０８（典型的には、高保磁力ロッドと低保磁力ロッド）を含み、磁石は、その両端部の金属シート２１２によって定位置に保持される。一実施形態では、１対の電磁ロッド２０８は、ＡｌＮｉＣｏＶロッドおよびＮｄＦｅＢ４０ロッドを含み、これらが互いに平行にエポキシ接着され、磁極片として作用する金属の強磁性矩形シートにより両端を覆われ、ここで、磁極片の幅は、ロッドの直径の倍に等しく、長さは同程度の寸法であり、厚さははるかに小さい寸法である。１つまたは複数のワイヤ２１０は、電磁ロッド２０８の周りにコイル形状に巻かれている。ワイヤ２１０を通って電流を流すことによって、コイルの長軸周りに磁場が生成され、磁場の大きさおよび関連する力は、電流の方向、コイルのワイヤにおける電圧およびそれを流れる電流の値、ならびにワイヤ２１０の巻き数および寸法の関数である。ここで、コイルのワイヤ２１０の両端部は、永久電磁石２０３を「オン」と「オフ」の状態に切り替える短い電流パルスを提供する制御回路に接続される。電力が永久電磁石２０３のコイルに加えられたとき、その低保磁力と高保磁力の磁石の磁極が、整合されておらず、それによりそれらの磁場が反対方向を指す場合には、永久電磁石２０３は「オフ」状態であり、磁極片との閉磁気回路が効率的に生成される。低保磁力と高保磁力の磁石の磁極が、それらの磁場が同じ方向を指すように整合されている場合には、組立体は「オン」状態になり、磁極片との開磁気回路が効率的に生成される。図２Ｂに示すように、永久電磁石２０３は平坦であり、同心円状に巻かれたワイヤ２１０によって囲まれた、たとえば低保磁力磁石材料２０８を含む。ワイヤ２１０に電力供給してそれに電流を流すことにより、電流の方向に応じて、電磁ロッド２０８のうちの少なくとも一方の磁極を反転して、少なくとも部分的にはその強磁性磁極板の外側に磁場を生成させることができ、または、電磁ロッド２０８および磁極片２１２を含む閉磁気回路を形成して、それによりロッド２０８および磁極片２１２の外側にまったく磁場がない、もしくはほんのわずかな磁場しかないようにすることができる。
【００２１】
複数のジャミング層３２０は、全般的に、上部圧縮シート３２４と下部圧縮シート３２６の間に配設された２枚以上の（例では１２枚を示す）薄シート３２２の重なりである。図３Ａの実施形態に示すように、複数のジャミング層３２０は、中に１つまたは複数のアクチュエータチャネル３２８を含み、この中に、永久電磁石２０３などの可変剛性アクチュエータが配置される。受け板などの強磁性シート３２１が、１つまたは複数のアクチュエータチャネル３２８のそれぞれの下部に配置され、下部圧縮シート３２６の第１の表面、すなわち薄シート３２２に面する下部圧縮シート３２６の表面に取り付けられる。第２の強磁性シート３２１が、１つまたは複数のアクチュエータチャネル３２８のそれぞれの上部に配置され、上部圧縮シート３２４の第２の表面、すなわち薄シート３２２に面する上部圧縮シート３２４の表面に取り付けられる。永久電磁石２０３が、磁極片２１２およびロッド２０８の外側に磁場を位置付けるように制御されるとき、強磁性板は、それに隣接した永久電磁石２０３の端部に向かって磁気的に吸引され、したがってシート３２１は、薄シート３２２の重なりをともに圧迫する。永久電磁石２０３が、閉磁気回路を中に生成するように制御されるとき、シート３２１は、永久電磁石２０３の隣接した端部に磁気的に吸引されず、薄シート３２２の締付けは生じない。あるいは、上部および下部３２４、３２６の圧縮シートは、それ自体が、全体的にまたは部分的に磁化可能な材料から構成されてもよい。
【００２２】
それぞれの薄シート３２２は、長さと幅が厚さよりも大きい任意の材料とすることができる。それぞれの薄シート３２２は、全般的に、高い表面摩擦と高い弾性の両方を有する任意の好適な材料である。シートの重なりの剛性は、等式Ｆ＝Ｐ＊μ＊Ｎ＊Ａによって決定され、ここでＦは、重なりを曲げるのに必要な力であり、Ｐは、シートの表面に垂直に加えられる圧力であり、μは、薄シートの表面の摩擦係数であり、Ｎは、加えられる圧力Ｐを受ける重なり内のシート数であり、Ａは、加えられる圧力Ｐを受ける個々の薄シート間の接触表面積である。一実施形態では、それぞれの薄シート３２２は、それぞれの薄シート３２２間の接触表面積（Ａ）を増大させることによって可変剛性を高めるために、中に３次元構造または他の階層構造を有する材料である。別の実施形態では、それぞれのシートは、約０．１５ミリメートルなど、約０．１０〜約０．２０ミリメートル（ｍｍ）の厚さを有する高摩擦タイベックから作られる。
【００２３】
１つまたは複数のアクチュエータチャネル３２８の構成は、特定の用途の硬さ要件に基づき事前決定される。たとえば、１つまたは複数のアクチュエータチャネル３２８およびその中に配設されるアクチュエータの構成は、可変剛性のロボット材料セル１００のセンサ１０４などのセンサから収集される情報に基づき事前決定される。１つまたは複数のアクチュエータチャネル３２８は、全般的に、矩形または円筒形のチャネルを含むがこれらに限定されない任意の好適な形状である。１つまたは複数のアクチュエータチャネル３２８のそれぞれの位置は、全般的に、複数のジャミング層３２０およびその全体的な重なりの事前決定された剛性を提供するように構成される。一例では、１つまたは複数のアクチュエータチャネル３２８は、隣接するアクチュエータチャネル３２８に配置されるアクチュエータ間で、複数のジャミング層３２０における圧力損失を低減するために、互いに近くに配置される。
【００２４】
動作中、永久電磁石２０３のアクティブ化により発生した力が、上部圧縮シート３２４と下部圧縮シート３２６を、２枚以上の薄シート３２２の重なりの中央に向かって引きつけ、２枚以上の薄シート３２２の重なりの表面に垂直に圧力を加える。この力により、複数のジャミング層３２０の硬さが増大し、複数のジャミング層の剛性が増大する。
【００２５】
さらなる実施形態では、永久電磁石２０３のその１％から１００％まで、すべてではないが一部に選択的に電力供給することによって、重なり全体の剛性を変えることができる。
【００２６】
図３Ｂの実施形態に示すように、２枚以上の薄シート３２２が織り込まれ、複数のジャミング層３２０の織り込まれた薄シート３２２間の隙間に１つまたは複数のアクチュエータチャネル３２８が含まれる。
【００２７】
図３Ｃの実施形態に示すように、複数のジャミング層３２０は、１つまたは複数のアクチュエータチャネルを含まない。図３Ｂの実施形態の動作中、囲み３３０の端部を引いてその側壁を、薄シート３２２の重なりの向かい合う側面とともに、それらに対して引く、または囲み内の真空を引いて中を大気中より低い圧力にし、それにより、周囲の大気圧と囲み内の低い真空圧力との差に等しい圧力によって、囲みの表面が薄シート３２２の重なりの向かい合う側面に対して内向きに引き寄せられることなどにより、複数のジャミング層に間接的な（矢印Ａで示す）力が作用して、硬さが増大する。
【００２８】
別の実施形態では、可変剛性のアクチュエータ機構は、第１の圧縮シートと第２の圧縮シートの間に配設された永久電磁石を含む。第１の圧縮シートまたは第２の圧縮シートのうちの少なくとも１枚は、受け板を含む。図３Ａ〜図３Ｃに示す実施形態とは異なり、可変剛性のアクチュエータ機構は、第１の圧縮シートと第２の圧縮シートの間に複数のジャミング層を含まない。動作中、永久電磁石はアクティブ化されると、受け板と相互作用して、可変剛性のロボット材料セルの硬さを増大させる。
【００２９】
別の実施形態では、２枚の隣接した圧縮シートが、シート表面に印刷された平坦な電磁石または平坦な永久電磁石のコイルを有する。これらの平坦な、回路の印刷された磁気アクチュエーション機構はアクティブ化されると、磁気コイルの正反対にある他方の圧縮シートの部分の強磁性領域に向かって引きつけられる。
【００３０】
本明細書に記載の可変剛性のロボット材料セルなどのロボット材料セルは、様々な用途に有用である。開示したロボット材料セルは、内視鏡、移植可能物質、手術ロボット、外骨格、裂片、ギプス、固定具、歯科矯正、カテーテル、成形可能な美容インプラント、口腔装置、および睡眠時無呼吸症インプラントなどの医療用装置に有用である。開示した可変剛性のロボット材料セルは、重り、抵抗性衣類、抵抗性機器、リハビリ機器、および調節可能な剛性のベッドなどの健康およびフィットネス用途に有用である。開示した可変剛性のロボット材料セルは、翼、エアフォイル、減衰システム、構造的システム、着陸システム、ソーラーパネルシステム、および宇宙で展開可能なシステムなどの航空宇宙用途に有用である。開示した可変剛性のロボット材料セルは、エネルギー用途に有用である。開示した可変剛性のロボット材料セルは、防護服、車両、タイヤシステム、シェルタ、および成形可能な外装などの防衛装置に有用である。開示した可変剛性のロボット材料セルは、シートおよびむち打ちの支持、成形可能な外装、およびタイヤなどの自動車用途に有用である。
【００３１】
本開示の実施形態によれば、可変剛性のロボット材料セル１００などの複数の可変剛性のロボット材料セルは、任意の好適な構成に組み合わされる。たとえば、可変剛性のロボット材料セルを周期的または非周期的に組み合わせて、中空または中実のチューブを形成することができ、このチューブが、様々な用途のための１つまたは複数のチャネルを囲むスリーブもしくはオーバチューブとして使用されてもよい。中空チューブの例では、中空チューブは、チューブが使用されることになるに作業に応じて、単一チャネルまたは複数チャネルのチューブとすることができる。たとえば、可変剛性のロボット材料セルは、内視鏡の管の中で永久電磁石によって作動される層ジャミングを形状ロック機構として使用するワーキングチャネルを有する可変剛性の内視鏡スリーブなど、様々な装置のための補強管を形成するように構成されてもよい。
【００３２】
一実施形態では、患者体内の到達が困難な区域をナビゲートする柔軟性をユーザに与える、既存の内視鏡に嵌めることができるオーバチューブまたはスリーブが開示される。装置は、作動要素、たとえば永久電磁石をユーザがアクティブ化すると、硬い状態に変わることができ、組織を正確に操作する能力をユーザに与える。スリーブは、好ましくは、内視鏡に隣接して位置付けられた内側層、中央作動層、および絶縁用の第３の外側層から構成される。作動層は、最も内側の層の周りにコイル状に巻かれ、アクティブ化されてスリーブ全体を柔軟な状態から硬い状態に変換することができる。作動機構は、磁石、圧電物質、イオン性ポリマー、形状記憶合金、および／または微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）を組み込んで作動することができる。作動層がアクティブ化されると、柔軟な状態から硬い状態にスリーブの状態を可逆的に変換する。
【００３３】
図４Ａ〜図４Ｄは、本明細書に開示する実施形態による内視鏡オーバチューブ４００を示す。図４Ａに示すように、内視鏡オーバチューブ４００は、全般的に、周囲スリーブ４０６として示す本体によって画成される第１のチャネル４０２と第２のチャネル４０４を含む。一実施形態では、第１のチャネル４０２は、図４Ｂに示すように、中に内視鏡４０８を有する内視鏡チャネルであり、第２のチャネル４０４は、高周波、冷凍アブレーション、マイクロ波、レーザ、超音波、および内部へのエレクトロポレーション送達を含む任意のタイプのアブレーションのために遠位端部に装着された拡張バルーン組立体、針、鉗子、またはカテーテルなどのツール４１０を有するワーキングチャネルである。スリーブ４０６は全般的に複数の層を含み、そのうちの少なくとも１つは作動層である。
【００３４】
図４Ｃに示すように、スリーブ４０６は、第１のポリマー層４１２と第２のポリマー層４１６の間に配設された作動層４１４を含む。作動層４１４は、可変剛性のロボット材料セル１００などの複数のロボット材料セルを備える。第１のポリマー層４１２および第２のポリマー層４１６は、全般的に、絶縁および／または構造を内視鏡オーバチューブ４００に提供するための任意の好適なポリマー材料である。
【００３５】
作動層４１４の量および構成は、実施される処置に求められる剛性レベルに基づき決定される。処置に求められる剛性のレベルに関する情報は、全般的に、たとえば可変剛性のロボット材料セル１００などの可変剛性のロボット材料セルにあるセンサ１０４などのセンサにより収集される情報に基づき、事前決定される。たとえば、作動層４１４の潜在的な剛性の量および構成は、スリーブ４０６を有するツールの基部において医師が加える力およびトルクを、スリーブ４０６の先端に伝えるように選択される。睡眠時無呼吸症の処置の例では、作動層４１４の量および構成は、睡眠時無呼吸症を治療するために、ワーキングチャネル４０４のツール４１０が患者の組織を貫通することができるように、スリーブ４０６に十分な硬さを与えるように選択される。一実施形態では、作動層４１４は、スリーブ４０６の全長に延在する。別の実施形態では、作動層４１４は、スリーブ４０６の先端など、スリーブ４０６の一部分だけを占める。作動層４１４は、スリーブ４０６の長さに沿って延在する帯の形、図４Ｄに示すようにスリーブ４０６の周りにコイル状に巻かれたらせんの形、またはスリーブ４０６の周りの編組の形であってもよい。動作中、作動層４１４の硬さは、上述したようにユーザ入力に応じて調節される。作動層４１４がアクティブ化されると、作動層４１４は硬くなる。次いでこれにより、内視鏡オーバチューブ４００全体の剛性が高くなる。たとえば動作中、医師は全般的にボタンを押し、これが、プリント回路板（ＰＣＢ）を介して、可変剛性のアクチュエーション機構をアクティブ化し、ＥＰＭに受け板を付勢させて、層ジャミングを作動させ、こうして医師の望み通りに必要に応じて制御可能な可変剛性が得られる。
【００３６】
図４Ａ〜図４Ｄは、複数の可変剛性のロボット材料セルのスリーブ形状の構成を示す。複数の可変剛性のロボット材料セルの他の好適な構成は、ファブリック状の構成、および球状の構成を含むが、これらに限定されない。
【００３７】
図５Ａ〜図５Ｅは、本明細書に開示する実施形態による形状ロックオーバチューブ組立体１を示す。スリーブは、好ましくは、ボールソケット継手を使用して互いに嵌め込まれてもよい多数の個々のモジュールから構成される。各モジュールのソケット部分は作動すると、好ましくは、隣接するモジュールのボール部分を締め付け、スリーブ全体の状態を柔軟な状態から硬い状態に効率的に変える。各ソケットの締め付けは、モジュールのソケット部分の周りのリングを作動させ、ソケット部分の周囲を効率的に小さくする装置によって実現されてもよい。この装置およびリング機構は、磁石、圧電物質、イオン性ポリマー、形状記憶合金、および／または微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）を組み込んで作動してもよい。
【００３８】
スリーブを構成する個々のモジュールは、好ましくは、作動されていないときのスリーブの柔軟性を硬くすることができる十分な機動性を、モジュールに関連するボールソケット継手が実現するように、設計される。
【００３９】
各モジュールの中央は、その中に機器を通すことができるように好ましくは中空である。モジュールを通る中空チャネルは、動いている間に機器の挟み込みを防止するために、ボール端部において先細りになっていてもよい。
【００４０】
各モジュールのソケット部分は、後に続くモジュールのボール部分が組立て中に適切に着座できるようにするとともに、締め付け中に内向きに十分たわむことができるようにするために、リリーフノッチを含んでもよい。
【００４１】
ソケット部分は、締め付け機構を嵌めることができるようにするために、モジュール全体を周方向に囲むくぼみを有してもよい。締め付け中にソケットが内向きにたわむことにより、好ましくはソケットの周囲が小さくなる。
【００４２】
説明した締め付け作用により、ソケット部分は、後に続くモジュールのボール部分がどの向きにあるかに関わらず、それに圧力を加えて、それを効率的に定位置に保持する。この作用を実行するスリーブに関連するすべてのモジュールは、スリーブ全体を同時に硬い状態にする。
【００４３】
図５Ａは、接続されたモジュールおよび締め付け機構を含むある範囲のスリーブ組立体を示す。
【００４４】
図５Ｂは、図７Ａのスリーブを通る中空チャネルであって、機器を挿入することができる中空チャネルを示す。
【００４５】
図５Ｃは、スリーブを構成するモジュールの斜視図である。
【００４６】
図５Ｄは、締め付け機構として使用されてもよいリングの斜視図である。
【００４７】
図５Ｅは、締め付け機構を構成する締め付け部材の斜視図である。
【００４８】
図５Ａは、複数の相互接続されたモジュール５０２から構成されるある範囲のスリーブ５０１を示す。各モジュール５０２は、ソケット７のくぼみ５０８（図５Ｃ）に着座する締め付け機構を好ましくは構成するギャップおよび締め付け機構５０４を有する、スロットに差し込まれたリング５０３を含む。各モジュール５０２のボール部分５０６は、締め付け機構が係合していないときには、それぞれ前にあるモジュール５０２のソケット部分５０７の内側で自由に回転することができ、スリーブ５０１のその長さにわたる柔軟性を提供することができる。締め付け機構が係合すると、それらはギャップを超えてリングの端部を内側に互いに引き寄せ、それによりリングの直径を小さくして圧迫し、それにより各モジュール５０２のソケット部分５０７を締め付けて、その後にあるモジュール５０２のボール部分５０６をその現在の向きに保持して、スリーブ５０１全体を効率的に硬くする。
【００４９】
図５Ｂは、スリーブ組立体５０１の近位端部を示す。各モジュール５０２は、機器５０５を通せるように中空チャネル５１０を含んでもよい。この場合スリーブ５０１は、ユーザの判断で機器に柔軟性または硬さを与えることになる。
【００５０】
図５Ｃは、モジュール５０２の実施形態を示す。ボール部分５０６は、好ましくは前のモジュール５０２のソケット部分５０７の内側に嵌まり、回転を可能にする。各モジュール５０２の中央は、機器５０５を挿入する／通過させることができるように中空チャネル５１０を含んでもよい。くぼみ５０８により、好ましくは、締め付け機構がモジュール５０２内に嵌まるようになる。ソケット部分５０７が締め付けられると、リリーフノッチ５０９によりソケット部分５０７をさらに内向きにたわませて、隣接したモジュールのボール部分５０６を十分に圧迫することができる。
【００５１】
図５Ｄは、締め付け機構を構成するリング５０３を示す。
【００５２】
図５Ｅは、締め付け機構を構成する締め付け部材５０４を示す。締め付け部材５０４は、引き込まれるか、リング５０３を通してエネルギーを伝達するかのいずれかによって機能してもよく、それによりリングが、各モジュール５０３のソケット部分５０７の周りで締まる。締め付け部材５０４は、作動するのに磁石、圧電物質、イオン性ポリマー、形状記憶合金、および／または微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）の使用を必要としてもよい。
【００５３】
図６Ａ〜図６Ｎは、本明細書に開示する実施形態による形状ロックオーバチューブ組立体を示す。形状ロックオーバチューブの作業シャフトの長さに沿って、異なる区分を別々にアクティブ化することができ、それにより障害物の周りをナビゲートするためのモジュール性が提供される。この理由から、電気的に制御されるアクチュエータは、オーバチューブの形状を局所的にロックするタスクを実行するために、オーバチューブに取り付けられたハンドルの内側ではなく、シャフトの長さに沿って局所的に配置される。しかし、取り付けられたハンドルは、剛性要件から必要とみなされた場合、または選択的に線を張ることにより操作性を与えるために、追加のアクチュエータを組み込んでもよい。
【００５４】
形状ロックオーバチューブの遠位シャフトは、複数の構成要素の組立体から成る。補強ポリマーの内側チューブが、スコープなどのツールを挿入するため、かつ線の張力に対抗する構造的安定性を提供するための主管腔を提供する。硬いリングが、内側チューブに接着される。リングは、局所的なアクチュエータのためのアタッチメントを提供し、さらなるねじれ剛性を提供する。おおよそ３本から８本の線が、リングの開口部を貫通した形状ロックチューブの遠位作業シャフトの長さを横切っている。線は、引張弾性係数は非常に高いが、曲げ剛性は非常に低く、腱のように作用する。すべての線は、たとえば、継手および末端（近位末端はハンドルに組み込まれている）に組み込まれたプーリーを用いてねじりばねを使用して、またはリング間の引張装置を使用することにより、またはリングに配置されたアクチュエータに自動引張を組み込むことにより、常に（たるみのない）張った状態に保たれる。剛性の低い外側チューブにより、形状ロックオーバチューブの内側構成要素を覆う外側ライニングまたはシュラウドが提供される。
【００５５】
リングの代わりに、それぞれのアームが１つの線を保持するヒトデ形状、またはハブから出ているスポークであって、１つまたは複数のスポークがアクチュエータに接続され、このアクチュエータ内に線が通っているスポークなど、他の形状のリンク機構を使用してもよい。断面がおおよそ円形または楕円形だと思われる線の代わりに、アスペクト比の大きい断面が矩形のテープ、または溝が埋め込まれた、もしくはスプロケットの歯車と噛み合う歯車が構築されたベルト、または鎖であって、その輪が、アクチュエータに接続されたスプロケットの歯車と噛み合う鎖を使用してもよい。
【００５６】
形状ロックを生成するために、オーバチューブハンドルに位置付けられたボタンが押されて、リングに位置付けられた局所的アクチュエータをアクティブ化し、それにより、張った線をアクチュエータが定位置に保持する。すなわちアクティブ状態ではリングに対して線が軸方向に動かないようにする。オーバチューブの柔軟な非アクティブ状態に戻るために、オーバチューブハンドルのボタンが再度押され、アクチュエータが線の引張を解放し、それにより線は、屈曲中にリングに対して軸方向に自由に動くようになる。
【００５７】
遠位シャフトの長さに沿って位置付けられたリングにおいて形状ロック中およびロック解除中に線を保持および解放するために、様々な原理が使用されてもよい。すべての動作原理は、線にかかるすべての張力を、単一のリング／作動ユニットが保持するべきではないという要件によって縛られる。線の負荷は、チューブの長さに沿って複数のリング間で分散されるべきであり、こうして故障のリスクを低減し、単一のアクチュエータの保持要件を低くする。使用される原理は、選択された作動に応じて選択される。アクチュエーション機構は、圧電的、電磁的、永久電磁石的、電気活性のあるポリマー、および形状記憶合金を含んでもよいが、これらに限定されない。
【００５８】
各リングは、他のリングとは無関係に作動されてもよいので、隣接するリングのグループを作動させ、他のリングを非アクティブのままにしておくことにより、モジュール式の形状ロック、すなわち、形状ロックオーバチューブ組立体の全長のうちの一区分の形状ロックがもたらされる。モジュール性は、リング間隔を小さくし、材料、寸法、または構造の変更により内側チューブの剛性を増大させ、それによりアクティブ状態において線の張力を高くできるようにすることによって、向上させることもできる。
【００５９】
装置の柔軟な区分は、リングと、線と、チューブの組立体から成る。区分は、いずれかの端部において、硬い継手または末端に取り付けられてもよい。末端には、１つの柔軟な区分だけが取り付けられる。継手には、２つ以上の柔軟な区分が取り付けられる。上述したオーバチューブでは、そのハンドルおよびその遠位端部は、末端を組み込んでいる。継手内または末端内で、線は、正の張力を維持するために、固定取付け点で、または線形ばねで、またはねじりばねとスプールの組立体で終端してもよい。あるいは、線は、たるみを除去して張力を維持する回転式アクチュエータにおいて終端してもよい。
【００６０】
図６Ａは、オーバチューブの遠位シャフトの一区分を示す組立体の拡大図である。
【００６１】
図６Ｂは、せん断機構を使用して線を定位置にロックする個々のリング組立体の図である。
【００６２】
図６Ｃは、隣接するせん断リングが「ロックされた」位置に逆向きに回転した状態の個々のリング組立体の別の図である。
【００６３】
図６Ｄは、コレット機構を使用して線を定位置にロックする個々のリング組立体の全範囲図である。
【００６４】
図６Ｅは、コレット機構を使用して線を定位置にロックする個々のリング組立体の側面図である。
【００６５】
図６Ｆは、キャプスタン機構を使用して線を定位置にロックする個々のリング組立体の全範囲図である。
【００６６】
図６Ｇは、キャプスタンリング組立体において線を定位置にロックするために使用される個々のスピンキャプスタンの全範囲図である。
【００６７】
図６Ｈは、キャプスタンリング組立体において線を定位置にロックするために使用される個々の回転レバー式キャプスタンの図である。
【００６８】
図６Ｉは、キャプスタンリング組立体において線を定位置にロックするために使用される個々の線形レバー式キャプスタンの図である。
【００６９】
図６Ｊは、キャプスタンリング組立体において線を定位置にロックするために使用される個々の先細りスピンキャプスタンの全範囲図である。
【００７０】
図６Ｋは、結び目リング組立体において線を定位置にロックするために使用される個々の結び目機構の図である。
【００７１】
図６Ｌは、形状記憶合金から作られた、その反った形状で示される個々のリングの図である。
【００７２】
図６Ｍは、形状記憶の編組線の、その拡大形状の一区分の図である。
【００７３】
図６Ｎは、２つの柔軟な区分を接続する硬い２つの末端と硬い１つの継手を示す、形状ロック機能を有する細長い操作可能装置のスケルトン図である。
【００７４】
図６Ａは、シャフト６０３に収容された形状ロックオーバチューブ組立体を示す。管腔６０４は、鋼もしくはニチノール、または炭素繊維の編組もしくはコイルで補強されたポリマーマトリックスなど、よじれおよび座屈に強い柔軟な材料から構築された内側チューブ６０６によって形成される。アクチュエータリング６０７が、内側チューブ６０６の長さに沿って配設され、その外側表面に取り付けられており、このアクチュエータリング６０７を通って、シャフト６０３の長さに沿って通る張った線６０８が延在している。リング６０７は、所与の幾何学的構成でまたはその構成にシャフト６０３をロックするために、張った線６０８を保持および解放することができるアクチュエータを収容する。外側ポリマーシェル６０９は、組立体全体を囲み、それを保護して、シャフト６０３の外側表面を生成する。
【００７５】
図６Ｂおよび図６Ｃは、せん断機構を使用して線６０８の保持および解放を実現する単一のアクチュエータリング組立体６０７の例を示す。リング組立体６０７を通ってシャフト６０３の局所的な長手方向に延在するチャネル６１０により、線６０８はリング組立体６０７を貫通できるようになる。埋め込まれたアクチュエータをアクティブ化することにより組立体６０７の２つのリングが互いに回転すると（図６Ｄ）、リング組立体の少なくとも一部分がその他の部分に対して周方向に回転し、その結果、線６０８のチャネル６１０の断面が少なくなって、チャネルの内側表面の部分が、そこを通って延在する線を把持するまたはつかむことができるようになり、それによりシャフト６０３のその区分の形状を、張った線６０８に対してロックする。
【００７６】
図６Ｄおよび図６Ｅは、コレット機構を使用して線６０８の保持および解放を実現する代替的な単一のアクチュエータリング組立体６０７の例を示す。中空コレット６１１はリングの片側から延在し、その中空内部は、リング組立体６０７のチャネル６１０の開口部に直接つながっており、それによりリング組立体６０７のチャネルを線６０８が貫通できるようになる。コレット６１１は、コレット６１１の内径を収縮する（断面が縮むまたは小さくなる）または拡張させる（断面が拡大する）ことを可能にするように構築された１つまたは複数の材料から成る。リング組立体６０７の埋込みアクチュエータをアクティブ化することにより、線６０８の周りのコレット６１１が締まり、それによりシャフト６０３のその区分の形状を、張った線６０８に対してロックする。
【００７７】
図６Ｆおよび図６Ｇは、キャプスタン機構を使用して線６０８の保持および解放を実現する単一のアクチュエータリング組立体６０７の例を示す。リング組立体６０７のチャネル６１０により、線６０８はリング組立体６０７を貫通できるようになる。キャプスタン６１２は、キャプスタン表面と線との摩擦の結果、リング組立体６０７を通って軸方向に動かないように線を保持する手段として、線６０８とキャプスタン６１２との接触表面積の増大を利用するように構築された１つまたは複数の材料から成り、その摩擦は、線張力に比例する。なぜなら、ばね張力が線を引いて、キャプスタンの曲線状の円筒形表面に接触させるからである。リング組立体６０７の埋込みアクチュエータをアクティブ化することにより、キャプスタン６１２が回転しないようにロックされ、キャプスタンは、その周りに巻かれた線６０８を把持しているので、キャプスタンを回転しないようにロックすることにより、線に対してリングが定位置にロックされ、したがってシャフト６０３のその区分の局所的な形状が定位置にロックされる。オフ状態では、キャプスタン６１２はその中心軸に支持されて自由にスピンし、それにより曲線状の表面がその軸周りに回転できるようになり、こうしてシャフト６０２の局所的な長手方向において線６０８が比較的自由に動くことができるようになる。
【００７８】
図６Ｈは回転レバーキャプスタン６１３の機構を示し、これを使用して線６０８を保持して、線６０８がシャフト６０３の局所的な長手方向においてリング組立体６０７のチャネル６１０を通って動くことがないようにすることができる。回転レバー６１３は、線６０８と回転レバー６１３が接触するための表面積をチャネル６１０内に提供する。レバー６１３が、リング６０７と線６０８の間で自由に動くように配置されているとき、線６０８と、隣接したレバー６１３の表面との接触はせいぜい最小限しかなく、シャフト６０３の局所的な長手方向において線６０８とリング６０７が互いに自由に移動するのに十分な大きさの開口部が提供される。リング組立体６０７の埋込みアクチュエータをアクティブ化することにより、レバーの平坦な端面同士が垂直に向かい合うように回転レバーキャプスタン６１３が回転軸周りにスイングされ、それによりレバー６０７の丸い表面が、チャネル６１０を通って延在する線６０８に係合されて、線の隣接する部分を、シャフト６０２の局所的な長手方向に対して垂直に向かい合う方向に押す。その結果、線６０８はレバー６０７の隣接した表面の間に挟まれ、それによりそれらの間で線６０８が挟まれ、線６０８に対してシャフト６０３のその区分がロックされる。オフ状態では、レバー６１３は、図６Ｈの破線輪郭に示されるように、水平に外向きに面しているので、それにより線６０８はチャネル６１０内で自由に動くことができる。
【００７９】
図６Ｉは線形ピンチキャプスタン６１４の機構を示し、これを使用して、リング組立体６０７を通って軸方向に動かないように線６０８を保持することができる。線形ピンチ１４は、リング組立体６０７を通って軸方向に動かないように線を保持する手段として、線６０８と線形ピンチ１４との接触表面積を生成する。リング組立体６０７の埋込みアクチュエータをアクティブ化することにより、リング６０７を通るチャネル６１０内の線６０８が通ることになっている経路を、線形ピンチ６１４が越えて線形に移動し、それによりピンチが、シャフト６０３の局所的な長手方向において互いに隣接して位置付けられ、それにより線６０８を挟み、シャフト６０３の局所的な長手方向においてシャフト６０３のその区分をロックする。オフ状態では、レバー６１４は、シャフト６０３の局所的な長手方向において隣接しておらず６０３、シャフト６０３の局所的な長手方向において線６０８の経路に対して垂直な方向に離間して、線６０８がチャネル６１０内で自由に動くことができるようになる。
【００８０】
図６Ｊは先細り（切頭円錐形の）回転可能キャプスタン６１５の機構を示し、これを使用して、シャフト６０３の局所的な長手方向においてリング組立体６０７のチャネル６１０を通って動くことがないように線６０８を保持することができる。先細り回転可能キャプスタン６１５は、リング組立体６０７を通って軸方向に動かないように線を保持する機構として、線６０８と、回転可能キャプスタン６１５の先細り表面との接触表面積を生成する。リング組立体６０７の埋込みアクチュエータをアクティブ化することにより、先細りスピンキャプスタン６１５がチャネル６１０内で回転しないように固定され、線６０８と、キャプスタン６１５の先細り表面との摩擦により、その周りに巻かれた線６０８が、シャフト６０３の局所的な長手方向の移動に対抗して固定され、それによりシャフト３のその区分が線６０８に対して定位置にロックされる。オフ状態では、先細り回転可能キャプスタン６１５は、その中心軸６２６周りに自由に回転して、線６０８が自由に動けるようにする。その先細り形状に起因して、中心軸６２６に沿った線形移動により、先細りスピンキャプスタン６１５は、線６０８の張力の量を調節することもできる。
【００８１】
図６Ｋは結び目６１７の機構を示し、これを使用して、線６０８がシャフト６０３の局所的な長手方向においてリング組立体６０７を通って軸方向に動くことがないようにすることができる。結び目６１７は、リング組立体６０７を通って軸方向に動かないように線を保持する手段として、線６０８とロッド６１６との接触表面積を生成する。リング組立体６０７の埋込みアクチュエータをアクティブ化することにより、線６０８が結び目になり６１７、それにより線６０８をロッド６１６に対して締め付け、シャフト６０３のその区分を線６０８にロックする。オフ状態では、線６０８は、チャネル６１０を通って自由に動く。
【００８２】
図６Ｌは、ニチノールなどの形状記憶合金から作られたリング６０７の開口部またはチャネル６１０を、その把持状態または狭窄状態で示し、その開口部またはチャネル６１０は、鋼などのより硬い材料から作られた線６０８をしっかり保持して、シャフト６０３の局所的な長手方向において線６０７の長さに沿ってリング６０７が動くことのないようにする。リング６０７は、その自由な、温度がより高い状態で、線６０８を把持するように構成される。低温状態では、リング６０７の相変化材料が、高温状態の形から変形し、ここでチャネル６１０は、高温状態の形から拡大され、線６０８はチャネル内で自由に動くことができる。熱を加えると、温度の上昇により材料がより剛性の高い高温の相に変換され、それを記憶された形状に戻し、それによりチャネル６１０を通って延在する線６０８をリング６０７が把持する。冷却すると、材料は、チャネル６１０の開口面積が増大する相に戻る。熱源は、この特定の目的のためにリング６０７に組み付けられたワイヤの抵抗加熱であってもよい。別の実施形態では、熱は、マイクロ波エネルギーを搬送するものなど、ワーキングチャネルに配置されたケーブルまたは導波路内での電気エネルギー伝送の副産物であってもよい。
【００８３】
図６Ｍは、リング６０７に取り付けられた硬い中空シリンダ６２８の中に同軸に配置された形状記憶合金から作られた線６０８を示す。線は、加熱されたときにその直径を変える単一のストランド構造６０８の形であってもよく、または加熱されたときにその構造の変化に起因して全体的な直径の変化を受ける編まれたマルチストランド構造６１８であってもよい。シリンダ６２８は、熱膨張係数の低い材料から作られる。低温では、線の構造は小さい直径を有し、線は、シリンダ内をその長手方向に自由に動く。線６０８を加熱すると、それがより高温でより剛性の高い相に遷移し、記憶された形状に戻ることによって、線の直径が増大し（単一ストランド６０８）、または構造の直径が増大し（マルチストランド６１８）、それによりそれ自体とシリンダ６２８との間に摩擦が生じて、シリンダ６２８の長手方向における線６０８の移動が制限される。
【００８４】
図６Ｎは、２つの柔軟な区分６２２を接続する硬い２つの末端６１９、６２０と、硬い１つの継手６２１とを示す、形状ロック機能を有する細長い操作可能装置の概略図である。手術ツールのハンドルに組み付けられてもよい近位末端６２０は、張力を維持する線６２４用のばねアタッチメント６２３を有する。すなわち、ツールのハンドル（図示せず）に近い線６２４の端部は、その近位端部をハンドルの内向きに引くようにばねにより付勢されており、それにより張力をそこに加える。中央継手６２１は、ツールのハンドルから遠い線６２４の端部をそれに接続するための固定アタッチメントをその近位側に有し、回転アクチュエータ６２５をその遠位側に有する。線の第２のセットの近位端部は、回転アクチュエータのシャフトに接続される。アクチュエータ６２５は２つの目的を有し、それらは、線６２４の第２のセットの線６２４の張力を維持することと、遠位区分を能動的に曲げるために、線６２４の第２のセットのうちの何本かの線６２４の長さを選択的に長くしながら、他の線６２４の長さを短くすることである。遠位末端６１９は、中央継手６２１から遠い、線６２４の第２のセットの端部をそれに接続するための固定アタッチメントを有する。線６２４の第２のセットの線６２４の長さを変えることは、アクチュエータ６２５のシャフトを選択的に回転させることによって実現され、このシャフトの周りに、線６２４の第２のセットの近位端部が巻かれる。シャフトを第１の方向に回転させることにより、線６２４の一部分がそこから繰り出され、それによりアクチュエータ６２５のシャフトと、遠位末端６１９へのその固定接続部との間の線６２４の長さが長くなる。シャフトを第２の、反対の方向に回転させることにより、アクチュエータ６２５のシャフトと、遠位末端６１９へのその固定接続部との間の線６２４の長さが短くなる。針、把持具、または手術用切断ツールなどの端部作動体は、遠位末端６１９に含まれてもよい。
【００８５】
別の実施形態では、形状ロックオーバチューブ組立体は、線の単一のセットを含んでもよく、これがたとえば近位末端６２０と中央継手６２１の間で、その第１の長さにわたって張った状態で固定され、遠位末端６１９と中央継手６２１の間で長さが変更可能である。
【００８６】
先に述べた実施形態は、可変剛性の内視鏡オーバチューブを企図しているが、内視鏡または他の装置自体の剛性を必要に応じて変えることができるように、可変剛性の材料または機構が内視鏡または他の装置自体に直接組み込まれてもよいことも企図される。
【００８７】
図７は、本明細書に開示する実施形態による方法７００のフローチャートである。方法７００は、全般的に、本明細書に記載の、図４Ａ〜図４Ｄ、図５Ａ〜図５Ｅ、および図６Ａ〜図６Ｎに示す可変剛性の内視鏡オーバチューブなどの可変剛性の内視鏡オーバチューブを使用した、複数の部位の熱アブレーション方法であり、この処置は、診療所において実行されることが可能である。方法７００は、柔軟な状態のときに可変剛性の内視鏡オーバチューブに柔軟な内視鏡を挿入することにより、動作７１０で開始される。可変剛性のオーバチューブに覆われた内視鏡は、患者の鼻腔を通って第１の治療部位まで挿入される。内視鏡の挿入された端部が第１の治療部位に配置されると、動作７２０において、内視鏡オーバチューブの作動層が作動されて、オーバチューブ組立体の硬さを高くする。次に動作７３０において、医師は、硬いオーバチューブ組立体によって定位置に保持された内視鏡を使用して、第１の治療部位において第１の組織の熱アブレーションを実行する。ここで、内視鏡の端部が、患者体内に送られたオーバチューブの先端部から離れて、その内向きに作動されてもよいことも企図される。方法７００はカスタム化することができ、全般的に、患者体内の任意の数の部位を繰り返し治療する。たとえば、第１の治療部位を熱アブレーションした後、作動層を非アクティブ化してオーバチューブの硬さを低くし、オーバチューブ組立体の柔軟性を高くする。次いで医師は、内視鏡およびオーバチューブ組立体を、第２の治療部位に導く。第２の治療部位において、オーバチューブ組立体の作動層が作動されて、オーバチューブ組立体の硬さを高める。次に、医師は、硬いオーバチューブによって定位置に保持された内視鏡を使用して、第２の治療部位において第２の組織の熱アブレーションを実行する。
【００８８】
熱アブレーションは、熱を利用して身体の組織または部分を除去したり、乱切により組織の容量を低減したりする処置である。睡眠時無呼吸症を治療するために、熱アブレーションを使用して、下鼻甲介、軟口蓋、舌根、舌扁桃、および喉頭蓋の肥大部分など、睡眠時無呼吸の症状を引き起こすことが知られている解剖学的閉塞の様々な治療部位において、組織の除去、またはその容量の低減が行われてもよい。内視鏡オーバチューブの可変硬さは、患者の快適さを維持するために柔軟でありながら、有益なことに、医師が内視鏡およびオーバチューブを経鼻的に挿入し、患者の鼻腔に通して様々な治療部位に至るように内視鏡チューブを操作できるようにし、次いで有益なことに、内視鏡の作業端部が様々な治療部位のうちの１つの位置付けられると、医師が内視鏡オーバチューブの硬さを高めることができるようにし、それにより、治療部位において罹患組織を貫通するのに十分な力が、アブレーションカテーテルの近位端部から遠位のアブレーション先端に伝えられるようになる。さらに、内視鏡オーバチューブの可変剛性により、医師は様々な治療部位の組織の最も深い層にもアクセスして、その組織の容量を低減できるようになり、それと同時に、アブレーションカテーテルがそこを通って患者組織内に挿入される最小の大きさの刺創を利用することによって、患者の粘膜を無傷の状態に保てるようになる。さらに、複数の治療部位を治療するために単一のツールを使用することにより、手術室環境ではなく、診療所の設備において、より迅速な処置を経鼻的に実行できるようになる。
【００８９】
図８は、本明細書に開示する実施形態による方法８００のフローチャートである。方法８００は、マイクロ波ベースの組織アブレーション／容量低減の方法であり、これは睡眠時無呼吸症を治療するための処置など、耳、鼻、および喉の処置に使用されてもよい。内視鏡チューブ４００などの様々装置を使用して、方法６００を実行することができる。方法８００は、動作８１０において、内視鏡を患者の鼻腔に通して第１の治療部位まで挿入することにより開始される。動作８２０において、第１の治療部位にマイクロ波が送達されて、第１の治療部位の第１の組織をアブレーションし、または他のやり方でその容量を低減させる。一例では、内視鏡チューブは、内視鏡チャネルとワーキングチャネルを含む。ワーキングチャネルはカテーテルを有し、それは、医師に対してその近位端部がマイクロ波のエネルギー源に接続されており、その遠位端部が、患者体内の様々な治療部位にマイクロ波エネルギーを送達することができる針先端またはアンテナであるように、挿入されている。
【００９０】
一実施形態では、方法８００を実行するために、可変剛性の内視鏡４００などの可変剛性の内視聴が使用される。したがって、方法８００は、可変剛性の内視鏡チューブの硬さを高めるために、可変剛性の内視鏡チューブの作動層を作動させることをさらに含む。さらに、可変剛性の内視鏡チューブの硬さを低くするために可変剛性の内視鏡チューブの作動層を非アクティブ化して、可変剛性の内視鏡チューブを第２の治療部位に導き、可変剛性の内視鏡チューブの作動層を作動させて可変剛性の内視鏡チューブの硬さを高め、第２の治療部位にマイクロ波を送達して、第２の治療部位において第２の粘膜下組織をアブレーションすることにより、複数の治療部位を治療するように方法８００を繰り返すことができる。
【００９１】
上述したように、睡眠時無呼吸症では、鼻、口蓋、舌、および喉頭蓋の位置など、その状態が睡眠時無呼吸症を引き起こすことが知られている患者体内の様々な治療部位において、組織を除去するために熱アブレーションが使用されてもよい。マイクロ波ベースのアブレーション方法８００は、粘膜を傷つけることなく、これらの部位のそれぞれの粘膜下空間において組織のアブレーション、または他のやり方による組織の容量の低減を行うのに有用である。有益なことに、マイクロ波は、他の高周波ほど組織種を問わずに使用でき、したがって、鼻、口蓋、舌、および喉頭蓋の、睡眠時無呼吸症をよく引き起こす組織などの脂肪組織を、より良好にアブレーションできるようにする。さらにマイクロ波は、カテーテルの先端からより信頼性の高い、制御可能なアブレーションゾーンを提供する。さらにマイクロ波は、より均一な信号を提供し、様々な治療部位において組織の焼け焦げが少なく、神経との接触が少ないので術後の痛みが少なく、従来のアブレーション方法では通常ヒートシンクになる血管への熱損失が少ない。
【００９２】
アブレーション処置に加えて、本明細書に記載の可変剛性の内視鏡チューブの実施形態は、バルーン洞形成処置など、様々な医療手順のためにバルーンを送達および展開するのに有用である。たとえば、バルーン洞形成方法は、全般的に、内視鏡チューブを患者の鼻腔に通して、第１の洞または鼻介骨などの第１の治療部位まで挿入することを含む。第１の治療部位にくると、可変剛性の内視鏡チューブの作動層が作動されて、可変剛性の内視鏡チューブの硬さが高くなる。次いで、可変剛性の内視鏡チューブからバルーンが展開されて、洞または鼻介骨の部位が開かれ、または拡張される。次いでバルーンを後退させてもよく、作動層の作動が停止されてもよく、それにより内視鏡チューブが柔軟になり、第２の洞または鼻介骨の部位など次の治療部位に導かれてもよい。これらの動作は、バルーンの拡張処置を完了するために任意の好適な回数繰り返されてもよい。同時に、開示する可変剛性の内視鏡チューブを使用して、体全体の任意の所望の部位においてバルーン拡張を実行することができる。
【００９３】
本開示の利点は、内視鏡などの材料または装置を必要に応じて硬くできること、および診療所において単一のツールを使用して、組織の容量低減など複数の部位において医療処置を実行できることを含むが、これらに限定されない。たとえば、本開示は、患者の鼻、口蓋、舌、および喉頭蓋などの複数の部位において熱アブレーションを実行することにより睡眠時無呼吸症を治療するための、経鼻的に挿入することができる、アクセスと送達の両方に有用な単一のツールを提供する。
【００９４】
上記は、本開示の実施形態を対象とするが、本開示のさらなる実施形態が、その基本的範囲から逸脱することなく考案されてもよく、その範囲は、以下の特許請求の範囲によって決定される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図５−１】
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【図５−２】
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【図６−１】
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【図６−２】
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【図６−３】
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【図６−４】
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【図６−５】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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