医療用マニピュレータ
【課題】対象物をより安定して把持することができる医療用マニピュレータを提供する。
【解決手段】対象物を把持する医療用マニピュレータ１は、先端側に設けられ、開閉する第１鉗子片１１及び第２鉗子片１２と、第１鉗子片及び第２鉗子片の基端側に接続され、軸線方向に進退させることにより第１鉗子片及び第２鉗子片を開閉させる操作部材２０とを備え、第１鉗子片及び第２鉗子片のそれぞれに設けられ、閉じる際に互いに接近して対象物と接触する把持面１１Ａ、１２Ａは、ヤング率が１２０ギガパスカル以下の金属材料で形成されていることを特徴とする。
【解決手段】対象物を把持する医療用マニピュレータ１は、先端側に設けられ、開閉する第１鉗子片１１及び第２鉗子片１２と、第１鉗子片及び第２鉗子片の基端側に接続され、軸線方向に進退させることにより第１鉗子片及び第２鉗子片を開閉させる操作部材２０とを備え、第１鉗子片及び第２鉗子片のそれぞれに設けられ、閉じる際に互いに接近して対象物と接触する把持面１１Ａ、１２Ａは、ヤング率が１２０ギガパスカル以下の金属材料で形成されていることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、医療用マニピュレータ、より詳しくは、生体に対する各種処置に用いられる医療用マニピュレータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、医療の分野において、医療用マニピュレータが生体に対する各種処置に用いられている。
このような医療用マニピュレータとして、特許文献１には、開閉可能な鉗子部を備える把持鉗子が記載されている。通常、鉗子部はステンレス等の金属で形成されることが多い。
【０００３】
医療用マニピュレータを用いて行う手技は様々あるが、その一つに曲針を用いた縫合処置がある。上記の把持鉗子を用いた縫合処置においては、縫合糸を掛けた曲針を鉗子部で把持して組織に刺入する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平８−２２４２４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
縫合処置においては、曲針の先端の向きが重要であるため、鉗子部で曲針を把持したまま、曲針を軸線回りに回転させて先端の向きを調節する等の操作が行われる。しかし、鉗子部を形成するステンレス等の材料は、弾性に乏しいため、丸棒状の曲針とは線接触となりやすく、安定した把持は容易ではない。かといって確実に把持するために把持力量を大きくしすぎると、曲針の破損等の恐れがある。
ここでは一例として縫合処置を説明したが、縫合処置に限らず医療用マニピュレータを用いた手技の多くは、上述のような理由により術者に高度な熟練を要求するものとなっている。
【０００６】
本発明は上記事情に鑑みて成されたものであり、対象物をより安定して把持することができる医療用マニピュレータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、対象物を把持する医療用マニピュレータであって、先端側に設けられ、開閉する一対のアームと、前記一対のアームの基端側に接続され、軸線方向に進退させることにより前記一対のアームを開閉させる操作部材とを備え、前記一対のアームのうち、閉じる際に互いに接近して前記対象物と接触する把持部は、ヤング率が１２０ギガパスカル以下の金属材料で形成されていることを特徴とする。
【０００８】
前記金属材料は、降伏応力が１５００メガパスカル以上であってもよい。また、ガラス遷移領域が２０度以上の金属ガラスであってもよい。
【０００９】
前記把持部は、複数の突起を有してもよい。
また、前記一対のアームは、前記把持部が設けられた側と反対側に凹部を有してもよい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の医療用マニピュレータによれば、対象物をより安定して把持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１実施形態の医療用マニピュレータの備えた医療用マニピュレーションシステムの構成を示す図である。
【図２】同医療用マニピュレータの先端部を示す部分拡大図である。
【図３】同先端部を、一部断面で示す図である。
【図４】同医療用マニピュレータの使用時の動作を示す図である。
【図５】鉗子片の好適な物性を検討する実験の方法を説明する図である。
【図６】実験における評価範囲を説明する図である。
【図７】実験における、比較例の把持面の形状変化を示すグラフである。
【図８】実験における、実施例の把持面の形状変化を示すグラフである。
【図９】実験における、他の実施例の把持面の形状変化を示すグラフである。
【図１０】本発明の第２実施形態の医療用マニピュレータにおける第１鉗子片を示す図である。
【図１１】同医療用マニピュレータの変形例の第１鉗子片を示す図である。
【図１２】同医療用マニピュレータの変形例の第１鉗子片を示す図である。
【図１３】同医療用マニピュレータの変形例の先端部を示す図である。
【図１４】同医療用マニピュレータの変形例の先端部を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の第１実施形態について、図１から図９を参照して説明する。図１は、本実施形態の医療用マニピュレータ（以下、単に「マニピュレータ」と称する。）１を備えた医療用マニピュレーションシステム（以下、単に「システム」と称する。）１００を示す図である。システム１００は、モニタ１０１を有する制御装置１０２と、制御装置１０２に取り付けられたマスターアーム１０３と、患者Ｐの体腔内に挿入される処置部１０４とを備えている。処置部１０４は、体腔内を観察するための内視鏡１０５を有し、マニピュレータ１は、内視鏡１０５のチャンネルに挿入されている。術者Ｏｐがマスターアーム１０３を操作すると、マスターアーム１０３の位置および姿勢の情報が電気信号としてスレーブアームとしてのマニピュレータ１に送られ、マニピュレータ１の位置および姿勢に反映される。これにより、各種処置を行うことができる。
【００１３】
図２は、マニピュレータ１の先端部１０を示す部分拡大図である。マニピュレータ１は、体腔内で処置を行うための先端部１０と、先端部１０に接続された操作部材２０と、操作部材２０が挿通された本体部３０とを備えている。
先端部１０は、第１鉗子片１１及び第２鉗子片１２からなる一対の鉗子片（アーム）を備えており、マニピュレータ１は、いわゆる把持鉗子として構成されている。第１鉗子片１１及び第２鉗子片１２は、回動軸１３で互いに回動可能に連結されており、回動軸１３は、カバー部材１４によって本体部３０に保持されている。
なお、第１鉗子片１１及び第２鉗子片１２は非晶質合金である金属ガラスを用いて所定の物性を有するように形成されているが、これについては後述する。
【００１４】
図３は、閉じた状態の先端部１０を、一部断面で示す図である。操作部材２０は、２本の操作ワイヤ２０Ａおよび２０Ｂからなり、それぞれ第１鉗子片１１及び第２鉗子片１２の基端側に、各鉗子片に対して相対回動可能に接続されている。操作ワイヤ２０Ａ、２０Ｂは、金属等の一定の剛性を有する材料で形成されている。操作ワイヤ２０Ａ、２０Ｂは、第１鉗子片１１及び第２鉗子片１２に接続された先端側が図３に示すようにクランク状に曲げ加工されており、基端側は本体部３０内を通って図示しないモータ等の駆動機構に接続されている。当該駆動機構を用いて２本の操作ワイヤ２０Ａ、２０Ｂを軸線方向に進退させることにより、第１鉗子片１１及び第２鉗子片１２を開閉させることができる。
【００１５】
本体部３０の先端にはカバー部材１４が固定されており、本体部３０と回動軸１３との相対位置関係はほぼ一定に保持されている。本体部３０の内腔には、操作ワイヤ２０Ａ、２０Ｂが挿通されている。
【００１６】
第１鉗子片１１及び第２鉗子片１２は、非晶質合金である金属ガラスを用いた成形により形成されている。
非晶質合金とは、複数の金属元素が結晶構造を形成せずに凝固（アモルファス化）した合金のことである。非晶質合金は、複数の金属元素からなる金属材料の溶湯を、ガラス遷移温度以下になるまで急速冷却することにより形成される。非晶質合金は、通常の結晶金属に見受けられるような結晶粒界を有さず、結晶粒界を起因とした粒界腐食（結晶粒界に沿って腐食が進行する現象）を生じないことから、耐食性に優れている。
【００１７】
非晶質合金の例としては、例えば、チタン（Ｔｉ）基合金、鉄（Ｆｅ）基合金、ジルコニウム（Ｚｒ）基合金、マグネシウム（Ｍｇ）基合金などを挙げることができる。
非晶質合金のうち、ガラス遷移領域（結晶化温度からガラス遷移温度を引いた値）が２０℃以上である非晶質合金は、特に、金属ガラスと称される場合があり、本発明においても、金属ガラスとはこのような特性を有する非晶質合金を指す。
【００１８】
金属ガラスは、結晶金属のような凝固収縮を生じないことから、成形金型に対する高精度な転写性を有し、さらにガラス遷移領域ではガラスのような熱間プレス加工も可能であることから、成形品の形状自由度、寸法精度、生産性に優れている。また、金属ガラスは、その物性として低ヤング率・高強度であり、さらに熱に対して低膨張である。
【００１９】
金属ガラスで形成された第１鉗子片１１及び第２鉗子片１２は、低ヤング率であるため、曲針のような硬質の対象物を把持した際は、図４に示すように、第１鉗子片１１及び第２鉗子片１２のそれぞれにおいて、一対の鉗子片が閉じた際に曲針１１０と接触する把持面（把持部）１１Ａおよび１２Ａが曲針１１０の外面形状に対応して弾性変形する。その結果、第１鉗子片１１及び第２鉗子片１２と曲針１１０との接触面積が増加し、安定して曲針１１０等を把持することができる。
一方、金属ガラスは高強度であり、降伏応力が大きい。そのため、曲針１１０等を把持したときも塑性変形しにくく、第１鉗子片１１及び第２鉗子片１２を開くと、弾性変形した把持面１１Ａおよび１２Ａは、把持前の形状に良好に復帰する。したがって、つかみなおし等によって曲針等を何度も把持しても、把持面１１Ａおよび１２Ａに曲針等の形状が残ることはなく、安定した把持を繰り返すことができ、耐久性に優れたマニピュレータとすることができる。
【００２０】
第１鉗子片１１及び第２鉗子片１２を形成する金属材料は、金属ガラスに限られるものではなく、所定の物性を有するものであれば上述した効果を奏する。そこで、上述した効果を好適に奏するヤング率および降伏応力の範囲を検討するため、第１鉗子片１１及び第２鉗子片１２を複数の金属材料で形成して実験を行った。以下に、各実施例および比較例の詳細と実験結果について記す。
【００２１】
まず、実験に用いた実施例および比較例について説明する。
（実施例１）
第１鉗子片１１及び第２鉗子片１２をＺｒ系金属ガラスZr55Cu30Al10Ni5で形成し、操作部材として、各鉗子片にφ０．３６ミリメートル（ｍｍ）のステンレス（ＳＵＳ３０４）製ワイヤを接続した。把持面１１Ａおよび１２Ａの大きさは、いずれも幅２ｍｍ×長さ６ｍｍとした。なお、上述の記載及び以降の記載において、金属ガラスの組成中の数字は、原子％（ａｔ％）を示す。
（実施例２）
第１鉗子片１１及び第２鉗子片１２をＴｉ系金属ガラスTi51Cu19Ni16.5Al7Zr3Si3B0.5で形成した。操作部材および把持面１１Ａおよび１２Ａの大きさは、実施例１と同一とした。
（実施例３）
第１鉗子片１１及び第２鉗子片１２をＺｒ系金属ガラスZr65Cu17.5Ni10Al7.5で形成した。操作部材および把持面１１Ａおよび１２Ａの大きさは、実施例１と同一とした。
（実施例４）
第１鉗子片１１及び第２鉗子片１２を金属ガラスでないチタン系合金Ti-18Nb-20Zr-1Al-1Cr-6Sn（数字は重量％）で形成した。操作部材および把持面１１Ａおよび１２Ａの大きさは、実施例１と同一とした。
（比較例１）
ＳＵＳ３０４を用いて第１鉗子片１１及び第２鉗子片１２を形成した。操作部材および把持面１１Ａおよび１２Ａの大きさは、実施例１と同一とした。
（比較例２）
ベリリウム銅（Ｃ１７２０）を用いて第１鉗子片１１及び第２鉗子片１２を形成した。操作部材および把持面１１Ａおよび１２Ａの大きさは、実施例１と同一とした。
【００２２】
実験は、実験１と実験２との２種類行った。以下に、各実験方法について説明する。
（実験１）
実験１は、すべての実施例および比較例を対象にして行った。図５に示すように、ＳＵＳ３０４製の棒状試料Ｓ（φ０．５ｍｍ、長さ２０ｍｍ）を第１鉗子片１１と第２鉗子片１２との間に挟み、鉗子片間に５ニュートン（Ｎ）の力がかかるように操作部材２０を牽引して棒状試料Ｓを把持した。
圧子１２０により、棒状試料Ｓの一方の端部Ｓａに鉗子片の先端側から把持面と平行な力をかけつつ、他方の端部Ｓｂの変位をセンサ１２１で計測した。圧子１２０に作用する反力をロードセルによってモニターし、棒状試料Ｓが把持された部位を中心に１０度回転するまでの最大力量を把持力として評価した。
（実験２）
実験２は、実施例３、４、および比較例１を対象にして行った。棒状試料Ｓを挟んだ各例の鉗子片に対して、実験１と同様に鉗子片間に５Ｎの力がかかるように操作部材２０を牽引し、棒状試料Ｓの把持操作を１００回繰り返した。把持操作の前後において、図６に示すように、任意に選択した一方の鉗子片の把持面の長手方向中間部２ｍｍの範囲で幅方向中央（図６中のＬ１）における断面形状を測定し、その変化を比較した。
実験１および２の結果を表１に示す。
【００２３】
【表１】
【００２４】
表１には、各実施例および比較例における金属材料のヤング率および降伏応力を示している。
実験１においては、いずれの実施例においても把持力は２０Ｎ以上であり、棒状試料Ｓが良好に把持されていた。一方、比較例では、いずれも把持力は１８Ｎ程度であり、充分でなかった。したがって、少なくともヤング率にして１２０ギガパスカル（ＧＰａ）以下の弾性を有することが必要と考えられた。
【００２５】
図７から図９は、それぞれ比較例１、実施例４、および実施例３における把持面の断面形状を示すグラフである。いずれの例でも、把持操作前（図７（ａ）、図８（ａ）、図９（ａ））は把持面が概ね平坦であるが、比較例１においては、図７（ｂ）に示すように、１００回の把持操作後、把持面の顕著な変形が発生した。この変形は目視でも確認可能であり、把持操作により鉗子片が塑性変形を起こしたことによるものと推測された。実施例４においても、比較例１ほどではないものの、把持面に若干の変形が発生しており、塑性変形が発生していると推測された（図８（ｂ））。
これに対し、実施例３では、図９（ａ）および図９（ｂ）に示すように、把持操作の前後で把持面の形状に大きな変化はなく、塑性変形を起こしていないことが確認された。
３つの例における把持操作後の把持面の形状の違いは、主に金属材料の降伏応力の違いによるものと考えられ、把持面の塑性変形を好適に防止する観点からは、降伏応力が少なくとも１５００メガパスカル（ＭＰａ）以上であることが好ましいと考えられた。
【００２６】
以上説明したように、本実施形態のマニピュレータ１によれば、ヤング率１２０ＧＰａ以下の金属材料で第１鉗子片１１及び第２鉗子片１２が形成されているため、硬質の部材等を把持すると、把持面１１Ａ、１２Ａが当該部材の形状に合わせて弾性変形し、部材との接触面積が増加する。その結果、硬質の対象物であっても安定した状態で把持することができる。
【００２７】
さらに、降伏応力が１５００ＭＰａ以上の金属材料を選択することで、塑性変形を起こしにくく把持面の形状が変化しにくいマニピュレータとすることができる。その結果、把持操作を連続して行っても、安定して対象物を把持可能な耐久性の高いマニピュレータとすることができる。
【００２８】
さらに、金属材料として金属ガラスを選択することで、寸法の小さな鉗子片であっても、射出成形や遠心鋳造等により容易かつ高精度に形成することができ、製造時間および製造コストを著しく低減して効率よく製造することができる。
【００２９】
次に、本発明の第２実施形態について、図１０から図１４を参照して説明する。本実施形態のマニピュレータ４１と、第１実施形態のマニピュレータ１との異なるところは、把持面の形状である。なお、以降の説明において、既に説明したものと同様の構成については、同一の符号を付して重複する説明を省略する。
【００３０】
図９は、マニピュレータ４１の第１鉗子片４２を示す図である。把持面４３には、凹部４４が形成されている。凹部４４の幅方向の最大寸法Ｄ１、深さＤ２、底部の幅方向寸法Ｄ３等は、想定される把持対象物等によって適宜設定されてよい。例えば、本実施形態では、一般的な曲針を、その湾曲方向と把持面とが略直交するように把持した際も安定して把持できるように、把持面の寸法２ｍｍ×６ｍｍに対して、上述のＤ１、Ｄ２、およびＤ３が、それぞれ１．６ｍｍ、０．５ｍｍ、０．５ｍｍに設定されている。
また、図示を省略するが、もう一方の第２鉗子片も凹部４４と同一形状の凹部を有するように形成されている。
【００３１】
上記のように構成されたマニピュレータ４１においては、曲針の湾曲方向が把持面と平行なときは、第１実施形態のマニピュレータ１とほぼ同様に好適に把持することができる。
また、曲針が軸線回りに回転して、湾曲方向が把持面と交差する方向を向いた際は、湾曲部分が凹部４４内に収容されるとともに、凹部４４の周縁は曲針の外周面に追随して変形し、好適に曲針を把持することができる。
【００３２】
本実施形態では、曲針のような形状を有する対象物に対応した例として、把持面に凹部を形成した例を説明したが、把持面に形成する形状はこれに限られず、対象物の形状や物性等に応じて適宜設定することができる。
【００３３】
例えば、図１１に示す変形例のように、把持面４３に把持面の長手方向に延びる溝５０を複数形成し、長手方向に延びる突起５１を複数把持面４３に形成してもよい。また、図１２に示す変形例のように、円筒状の微細な突起５２を複数把持面４３に形成してもよい。これらの突起５１および５２は、応力が集中することにより対象物の形状にさらに良好に追従するように弾性変形するため、複雑な形状の対象物であっても安定した把持を行うことができる。
突起５１や突起５２等の微細な形状は、一般的な切削等により形成するのは容易ではないが、鉗子片の材料として金属ガラスを用いると、射出成形や遠心鋳造等により容易に形成することができる。
【００３４】
さらに、図１３に示す変形例のように、把持面に形成された凹部５３が幅方向にわたって連続するように形成されてもよい。このようにすると、一対の鉗子片を閉じたときでも、把持面間の一部に間隙が確保される。当該間隙の寸法等を、対象物に合わせて設定することにより、より安定した把持を行うことができる。このとき、図１４に示す変形例のように、各鉗子片において、幅方向に延びる凹部５４を把持面と反対側に形成し、一対の鉗子片が互いに離間する方向に変形しやすくしてもよい。凹部５４の形成位置としては、凹部５３よりも回動軸１３寄りの位置とするのが好ましい。
【００３５】
以上、本発明の各実施形態について説明したが、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において各実施形態の構成要素の組み合わせを変えたり、各構成要素に種々の変更を加えたり、削除したりすることが可能である。
【００３６】
例えば、上述の各実施形態においては、鉗子片全体が所定の物性を有する金属材料で形成された例を説明したが、少なくとも対象物に接触する把持部がこのような物性を有していれば、上述の効果を奏することができる。したがって、把持部を構成する部分のみを金属材料で所定の物性を有するように形成し、ステンレス等で形成された残りの部位に取り付けることにより本発明のマニピュレータのアームが形成されてもよい。
また、上述の実施形態では、マニピュレーションシステム用のマニピュレータの例を説明したが、本発明の適用範囲はこれには限られず、術者が直接操作するタイプのマニピュレータに適用されてもよい。
【符号の説明】
【００３７】
１、４１ 医療用マニピュレータ
１１、４２ 第１鉗子片（アーム）
１１Ａ、１２Ａ、４３ 把持面（把持部）
１２ 第２鉗子片（アーム）
２０ 操作部材
５１、５２ 突起
５３ 凹部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、医療用マニピュレータ、より詳しくは、生体に対する各種処置に用いられる医療用マニピュレータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、医療の分野において、医療用マニピュレータが生体に対する各種処置に用いられている。
このような医療用マニピュレータとして、特許文献１には、開閉可能な鉗子部を備える把持鉗子が記載されている。通常、鉗子部はステンレス等の金属で形成されることが多い。
【０００３】
医療用マニピュレータを用いて行う手技は様々あるが、その一つに曲針を用いた縫合処置がある。上記の把持鉗子を用いた縫合処置においては、縫合糸を掛けた曲針を鉗子部で把持して組織に刺入する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平８−２２４２４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
縫合処置においては、曲針の先端の向きが重要であるため、鉗子部で曲針を把持したまま、曲針を軸線回りに回転させて先端の向きを調節する等の操作が行われる。しかし、鉗子部を形成するステンレス等の材料は、弾性に乏しいため、丸棒状の曲針とは線接触となりやすく、安定した把持は容易ではない。かといって確実に把持するために把持力量を大きくしすぎると、曲針の破損等の恐れがある。
ここでは一例として縫合処置を説明したが、縫合処置に限らず医療用マニピュレータを用いた手技の多くは、上述のような理由により術者に高度な熟練を要求するものとなっている。
【０００６】
本発明は上記事情に鑑みて成されたものであり、対象物をより安定して把持することができる医療用マニピュレータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、対象物を把持する医療用マニピュレータであって、先端側に設けられ、開閉する一対のアームと、前記一対のアームの基端側に接続され、軸線方向に進退させることにより前記一対のアームを開閉させる操作部材とを備え、前記一対のアームのうち、閉じる際に互いに接近して前記対象物と接触する把持部は、ヤング率が１２０ギガパスカル以下の金属材料で形成されていることを特徴とする。
【０００８】
前記金属材料は、降伏応力が１５００メガパスカル以上であってもよい。また、ガラス遷移領域が２０度以上の金属ガラスであってもよい。
【０００９】
前記把持部は、複数の突起を有してもよい。
また、前記一対のアームは、前記把持部が設けられた側と反対側に凹部を有してもよい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の医療用マニピュレータによれば、対象物をより安定して把持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１実施形態の医療用マニピュレータの備えた医療用マニピュレーションシステムの構成を示す図である。
【図２】同医療用マニピュレータの先端部を示す部分拡大図である。
【図３】同先端部を、一部断面で示す図である。
【図４】同医療用マニピュレータの使用時の動作を示す図である。
【図５】鉗子片の好適な物性を検討する実験の方法を説明する図である。
【図６】実験における評価範囲を説明する図である。
【図７】実験における、比較例の把持面の形状変化を示すグラフである。
【図８】実験における、実施例の把持面の形状変化を示すグラフである。
【図９】実験における、他の実施例の把持面の形状変化を示すグラフである。
【図１０】本発明の第２実施形態の医療用マニピュレータにおける第１鉗子片を示す図である。
【図１１】同医療用マニピュレータの変形例の第１鉗子片を示す図である。
【図１２】同医療用マニピュレータの変形例の第１鉗子片を示す図である。
【図１３】同医療用マニピュレータの変形例の先端部を示す図である。
【図１４】同医療用マニピュレータの変形例の先端部を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の第１実施形態について、図１から図９を参照して説明する。図１は、本実施形態の医療用マニピュレータ（以下、単に「マニピュレータ」と称する。）１を備えた医療用マニピュレーションシステム（以下、単に「システム」と称する。）１００を示す図である。システム１００は、モニタ１０１を有する制御装置１０２と、制御装置１０２に取り付けられたマスターアーム１０３と、患者Ｐの体腔内に挿入される処置部１０４とを備えている。処置部１０４は、体腔内を観察するための内視鏡１０５を有し、マニピュレータ１は、内視鏡１０５のチャンネルに挿入されている。術者Ｏｐがマスターアーム１０３を操作すると、マスターアーム１０３の位置および姿勢の情報が電気信号としてスレーブアームとしてのマニピュレータ１に送られ、マニピュレータ１の位置および姿勢に反映される。これにより、各種処置を行うことができる。
【００１３】
図２は、マニピュレータ１の先端部１０を示す部分拡大図である。マニピュレータ１は、体腔内で処置を行うための先端部１０と、先端部１０に接続された操作部材２０と、操作部材２０が挿通された本体部３０とを備えている。
先端部１０は、第１鉗子片１１及び第２鉗子片１２からなる一対の鉗子片（アーム）を備えており、マニピュレータ１は、いわゆる把持鉗子として構成されている。第１鉗子片１１及び第２鉗子片１２は、回動軸１３で互いに回動可能に連結されており、回動軸１３は、カバー部材１４によって本体部３０に保持されている。
なお、第１鉗子片１１及び第２鉗子片１２は非晶質合金である金属ガラスを用いて所定の物性を有するように形成されているが、これについては後述する。
【００１４】
図３は、閉じた状態の先端部１０を、一部断面で示す図である。操作部材２０は、２本の操作ワイヤ２０Ａおよび２０Ｂからなり、それぞれ第１鉗子片１１及び第２鉗子片１２の基端側に、各鉗子片に対して相対回動可能に接続されている。操作ワイヤ２０Ａ、２０Ｂは、金属等の一定の剛性を有する材料で形成されている。操作ワイヤ２０Ａ、２０Ｂは、第１鉗子片１１及び第２鉗子片１２に接続された先端側が図３に示すようにクランク状に曲げ加工されており、基端側は本体部３０内を通って図示しないモータ等の駆動機構に接続されている。当該駆動機構を用いて２本の操作ワイヤ２０Ａ、２０Ｂを軸線方向に進退させることにより、第１鉗子片１１及び第２鉗子片１２を開閉させることができる。
【００１５】
本体部３０の先端にはカバー部材１４が固定されており、本体部３０と回動軸１３との相対位置関係はほぼ一定に保持されている。本体部３０の内腔には、操作ワイヤ２０Ａ、２０Ｂが挿通されている。
【００１６】
第１鉗子片１１及び第２鉗子片１２は、非晶質合金である金属ガラスを用いた成形により形成されている。
非晶質合金とは、複数の金属元素が結晶構造を形成せずに凝固（アモルファス化）した合金のことである。非晶質合金は、複数の金属元素からなる金属材料の溶湯を、ガラス遷移温度以下になるまで急速冷却することにより形成される。非晶質合金は、通常の結晶金属に見受けられるような結晶粒界を有さず、結晶粒界を起因とした粒界腐食（結晶粒界に沿って腐食が進行する現象）を生じないことから、耐食性に優れている。
【００１７】
非晶質合金の例としては、例えば、チタン（Ｔｉ）基合金、鉄（Ｆｅ）基合金、ジルコニウム（Ｚｒ）基合金、マグネシウム（Ｍｇ）基合金などを挙げることができる。
非晶質合金のうち、ガラス遷移領域（結晶化温度からガラス遷移温度を引いた値）が２０℃以上である非晶質合金は、特に、金属ガラスと称される場合があり、本発明においても、金属ガラスとはこのような特性を有する非晶質合金を指す。
【００１８】
金属ガラスは、結晶金属のような凝固収縮を生じないことから、成形金型に対する高精度な転写性を有し、さらにガラス遷移領域ではガラスのような熱間プレス加工も可能であることから、成形品の形状自由度、寸法精度、生産性に優れている。また、金属ガラスは、その物性として低ヤング率・高強度であり、さらに熱に対して低膨張である。
【００１９】
金属ガラスで形成された第１鉗子片１１及び第２鉗子片１２は、低ヤング率であるため、曲針のような硬質の対象物を把持した際は、図４に示すように、第１鉗子片１１及び第２鉗子片１２のそれぞれにおいて、一対の鉗子片が閉じた際に曲針１１０と接触する把持面（把持部）１１Ａおよび１２Ａが曲針１１０の外面形状に対応して弾性変形する。その結果、第１鉗子片１１及び第２鉗子片１２と曲針１１０との接触面積が増加し、安定して曲針１１０等を把持することができる。
一方、金属ガラスは高強度であり、降伏応力が大きい。そのため、曲針１１０等を把持したときも塑性変形しにくく、第１鉗子片１１及び第２鉗子片１２を開くと、弾性変形した把持面１１Ａおよび１２Ａは、把持前の形状に良好に復帰する。したがって、つかみなおし等によって曲針等を何度も把持しても、把持面１１Ａおよび１２Ａに曲針等の形状が残ることはなく、安定した把持を繰り返すことができ、耐久性に優れたマニピュレータとすることができる。
【００２０】
第１鉗子片１１及び第２鉗子片１２を形成する金属材料は、金属ガラスに限られるものではなく、所定の物性を有するものであれば上述した効果を奏する。そこで、上述した効果を好適に奏するヤング率および降伏応力の範囲を検討するため、第１鉗子片１１及び第２鉗子片１２を複数の金属材料で形成して実験を行った。以下に、各実施例および比較例の詳細と実験結果について記す。
【００２１】
まず、実験に用いた実施例および比較例について説明する。
（実施例１）
第１鉗子片１１及び第２鉗子片１２をＺｒ系金属ガラスZr55Cu30Al10Ni5で形成し、操作部材として、各鉗子片にφ０．３６ミリメートル（ｍｍ）のステンレス（ＳＵＳ３０４）製ワイヤを接続した。把持面１１Ａおよび１２Ａの大きさは、いずれも幅２ｍｍ×長さ６ｍｍとした。なお、上述の記載及び以降の記載において、金属ガラスの組成中の数字は、原子％（ａｔ％）を示す。
（実施例２）
第１鉗子片１１及び第２鉗子片１２をＴｉ系金属ガラスTi51Cu19Ni16.5Al7Zr3Si3B0.5で形成した。操作部材および把持面１１Ａおよび１２Ａの大きさは、実施例１と同一とした。
（実施例３）
第１鉗子片１１及び第２鉗子片１２をＺｒ系金属ガラスZr65Cu17.5Ni10Al7.5で形成した。操作部材および把持面１１Ａおよび１２Ａの大きさは、実施例１と同一とした。
（実施例４）
第１鉗子片１１及び第２鉗子片１２を金属ガラスでないチタン系合金Ti-18Nb-20Zr-1Al-1Cr-6Sn（数字は重量％）で形成した。操作部材および把持面１１Ａおよび１２Ａの大きさは、実施例１と同一とした。
（比較例１）
ＳＵＳ３０４を用いて第１鉗子片１１及び第２鉗子片１２を形成した。操作部材および把持面１１Ａおよび１２Ａの大きさは、実施例１と同一とした。
（比較例２）
ベリリウム銅（Ｃ１７２０）を用いて第１鉗子片１１及び第２鉗子片１２を形成した。操作部材および把持面１１Ａおよび１２Ａの大きさは、実施例１と同一とした。
【００２２】
実験は、実験１と実験２との２種類行った。以下に、各実験方法について説明する。
（実験１）
実験１は、すべての実施例および比較例を対象にして行った。図５に示すように、ＳＵＳ３０４製の棒状試料Ｓ（φ０．５ｍｍ、長さ２０ｍｍ）を第１鉗子片１１と第２鉗子片１２との間に挟み、鉗子片間に５ニュートン（Ｎ）の力がかかるように操作部材２０を牽引して棒状試料Ｓを把持した。
圧子１２０により、棒状試料Ｓの一方の端部Ｓａに鉗子片の先端側から把持面と平行な力をかけつつ、他方の端部Ｓｂの変位をセンサ１２１で計測した。圧子１２０に作用する反力をロードセルによってモニターし、棒状試料Ｓが把持された部位を中心に１０度回転するまでの最大力量を把持力として評価した。
（実験２）
実験２は、実施例３、４、および比較例１を対象にして行った。棒状試料Ｓを挟んだ各例の鉗子片に対して、実験１と同様に鉗子片間に５Ｎの力がかかるように操作部材２０を牽引し、棒状試料Ｓの把持操作を１００回繰り返した。把持操作の前後において、図６に示すように、任意に選択した一方の鉗子片の把持面の長手方向中間部２ｍｍの範囲で幅方向中央（図６中のＬ１）における断面形状を測定し、その変化を比較した。
実験１および２の結果を表１に示す。
【００２３】
【表１】
【００２４】
表１には、各実施例および比較例における金属材料のヤング率および降伏応力を示している。
実験１においては、いずれの実施例においても把持力は２０Ｎ以上であり、棒状試料Ｓが良好に把持されていた。一方、比較例では、いずれも把持力は１８Ｎ程度であり、充分でなかった。したがって、少なくともヤング率にして１２０ギガパスカル（ＧＰａ）以下の弾性を有することが必要と考えられた。
【００２５】
図７から図９は、それぞれ比較例１、実施例４、および実施例３における把持面の断面形状を示すグラフである。いずれの例でも、把持操作前（図７（ａ）、図８（ａ）、図９（ａ））は把持面が概ね平坦であるが、比較例１においては、図７（ｂ）に示すように、１００回の把持操作後、把持面の顕著な変形が発生した。この変形は目視でも確認可能であり、把持操作により鉗子片が塑性変形を起こしたことによるものと推測された。実施例４においても、比較例１ほどではないものの、把持面に若干の変形が発生しており、塑性変形が発生していると推測された（図８（ｂ））。
これに対し、実施例３では、図９（ａ）および図９（ｂ）に示すように、把持操作の前後で把持面の形状に大きな変化はなく、塑性変形を起こしていないことが確認された。
３つの例における把持操作後の把持面の形状の違いは、主に金属材料の降伏応力の違いによるものと考えられ、把持面の塑性変形を好適に防止する観点からは、降伏応力が少なくとも１５００メガパスカル（ＭＰａ）以上であることが好ましいと考えられた。
【００２６】
以上説明したように、本実施形態のマニピュレータ１によれば、ヤング率１２０ＧＰａ以下の金属材料で第１鉗子片１１及び第２鉗子片１２が形成されているため、硬質の部材等を把持すると、把持面１１Ａ、１２Ａが当該部材の形状に合わせて弾性変形し、部材との接触面積が増加する。その結果、硬質の対象物であっても安定した状態で把持することができる。
【００２７】
さらに、降伏応力が１５００ＭＰａ以上の金属材料を選択することで、塑性変形を起こしにくく把持面の形状が変化しにくいマニピュレータとすることができる。その結果、把持操作を連続して行っても、安定して対象物を把持可能な耐久性の高いマニピュレータとすることができる。
【００２８】
さらに、金属材料として金属ガラスを選択することで、寸法の小さな鉗子片であっても、射出成形や遠心鋳造等により容易かつ高精度に形成することができ、製造時間および製造コストを著しく低減して効率よく製造することができる。
【００２９】
次に、本発明の第２実施形態について、図１０から図１４を参照して説明する。本実施形態のマニピュレータ４１と、第１実施形態のマニピュレータ１との異なるところは、把持面の形状である。なお、以降の説明において、既に説明したものと同様の構成については、同一の符号を付して重複する説明を省略する。
【００３０】
図９は、マニピュレータ４１の第１鉗子片４２を示す図である。把持面４３には、凹部４４が形成されている。凹部４４の幅方向の最大寸法Ｄ１、深さＤ２、底部の幅方向寸法Ｄ３等は、想定される把持対象物等によって適宜設定されてよい。例えば、本実施形態では、一般的な曲針を、その湾曲方向と把持面とが略直交するように把持した際も安定して把持できるように、把持面の寸法２ｍｍ×６ｍｍに対して、上述のＤ１、Ｄ２、およびＤ３が、それぞれ１．６ｍｍ、０．５ｍｍ、０．５ｍｍに設定されている。
また、図示を省略するが、もう一方の第２鉗子片も凹部４４と同一形状の凹部を有するように形成されている。
【００３１】
上記のように構成されたマニピュレータ４１においては、曲針の湾曲方向が把持面と平行なときは、第１実施形態のマニピュレータ１とほぼ同様に好適に把持することができる。
また、曲針が軸線回りに回転して、湾曲方向が把持面と交差する方向を向いた際は、湾曲部分が凹部４４内に収容されるとともに、凹部４４の周縁は曲針の外周面に追随して変形し、好適に曲針を把持することができる。
【００３２】
本実施形態では、曲針のような形状を有する対象物に対応した例として、把持面に凹部を形成した例を説明したが、把持面に形成する形状はこれに限られず、対象物の形状や物性等に応じて適宜設定することができる。
【００３３】
例えば、図１１に示す変形例のように、把持面４３に把持面の長手方向に延びる溝５０を複数形成し、長手方向に延びる突起５１を複数把持面４３に形成してもよい。また、図１２に示す変形例のように、円筒状の微細な突起５２を複数把持面４３に形成してもよい。これらの突起５１および５２は、応力が集中することにより対象物の形状にさらに良好に追従するように弾性変形するため、複雑な形状の対象物であっても安定した把持を行うことができる。
突起５１や突起５２等の微細な形状は、一般的な切削等により形成するのは容易ではないが、鉗子片の材料として金属ガラスを用いると、射出成形や遠心鋳造等により容易に形成することができる。
【００３４】
さらに、図１３に示す変形例のように、把持面に形成された凹部５３が幅方向にわたって連続するように形成されてもよい。このようにすると、一対の鉗子片を閉じたときでも、把持面間の一部に間隙が確保される。当該間隙の寸法等を、対象物に合わせて設定することにより、より安定した把持を行うことができる。このとき、図１４に示す変形例のように、各鉗子片において、幅方向に延びる凹部５４を把持面と反対側に形成し、一対の鉗子片が互いに離間する方向に変形しやすくしてもよい。凹部５４の形成位置としては、凹部５３よりも回動軸１３寄りの位置とするのが好ましい。
【００３５】
以上、本発明の各実施形態について説明したが、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において各実施形態の構成要素の組み合わせを変えたり、各構成要素に種々の変更を加えたり、削除したりすることが可能である。
【００３６】
例えば、上述の各実施形態においては、鉗子片全体が所定の物性を有する金属材料で形成された例を説明したが、少なくとも対象物に接触する把持部がこのような物性を有していれば、上述の効果を奏することができる。したがって、把持部を構成する部分のみを金属材料で所定の物性を有するように形成し、ステンレス等で形成された残りの部位に取り付けることにより本発明のマニピュレータのアームが形成されてもよい。
また、上述の実施形態では、マニピュレーションシステム用のマニピュレータの例を説明したが、本発明の適用範囲はこれには限られず、術者が直接操作するタイプのマニピュレータに適用されてもよい。
【符号の説明】
【００３７】
１、４１ 医療用マニピュレータ
１１、４２ 第１鉗子片（アーム）
１１Ａ、１２Ａ、４３ 把持面（把持部）
１２ 第２鉗子片（アーム）
２０ 操作部材
５１、５２ 突起
５３ 凹部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物を把持する医療用マニピュレータであって、
先端側に設けられ、開閉する一対のアームと、
前記一対のアームの基端側に接続され、軸線方向に進退させることにより前記一対のアームを開閉させる操作部材と、
を備え、
前記一対のアームのうち、閉じる際に互いに接近して前記対象物と接触する把持部は、ヤング率が１２０ギガパスカル以下の金属材料で形成されていることを特徴とする医療用マニピュレータ。
【請求項２】
前記金属材料は、降伏応力が１５００メガパスカル以上であることを特徴とする請求項１に記載の医療用マニピュレータ。
【請求項３】
前記金属材料は、ガラス遷移領域が２０度以上の金属ガラスであることを特徴とする請求項１または２に記載の医療用マニピュレータ。
【請求項４】
前記把持部は、複数の突起を有することを特徴とする請求項１または２に記載の医療用マニピュレータ。
【請求項５】
前記一対のアームは、前記把持部が設けられた側と反対側に凹部を有することを特徴とする請求項１または２に記載の医療用マニピュレータ。
【請求項１】
対象物を把持する医療用マニピュレータであって、
先端側に設けられ、開閉する一対のアームと、
前記一対のアームの基端側に接続され、軸線方向に進退させることにより前記一対のアームを開閉させる操作部材と、
を備え、
前記一対のアームのうち、閉じる際に互いに接近して前記対象物と接触する把持部は、ヤング率が１２０ギガパスカル以下の金属材料で形成されていることを特徴とする医療用マニピュレータ。
【請求項２】
前記金属材料は、降伏応力が１５００メガパスカル以上であることを特徴とする請求項１に記載の医療用マニピュレータ。
【請求項３】
前記金属材料は、ガラス遷移領域が２０度以上の金属ガラスであることを特徴とする請求項１または２に記載の医療用マニピュレータ。
【請求項４】
前記把持部は、複数の突起を有することを特徴とする請求項１または２に記載の医療用マニピュレータ。
【請求項５】
前記一対のアームは、前記把持部が設けられた側と反対側に凹部を有することを特徴とする請求項１または２に記載の医療用マニピュレータ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１２−５０６９１（Ｐ２０１２−５０６９１Ａ）
【公開日】平成２４年３月１５日（２０１２．３．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１９５７６３（Ｐ２０１０−１９５７６３）
【出願日】平成２２年９月１日（２０１０．９．１）
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年３月１５日（２０１２．３．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月１日（２０１０．９．１）
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
【Ｆターム（参考）】
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