手術装置およびそれに用いるマニピュレータ
【課題】
手術用マニピュレータを小型化し、メンテナンス性を向上させる。
【解決手段】
医療用マニピュレータ１０２は、患者の患部にアクセス可能な術具３０１を先端部に有する。対向して１対の転がり部材３０９、３１８が配置されている。対をなす転がり部材の一方を他方の転がり部材に対してフレキシブルワイヤが転がり運動させる。１対の転がり部材の回転中心間距離をプレート３０６が一定に保つ。対をなす転がり部材のそれぞれと同軸に１対のギア３１２、３１５が保持され、互いに噛み合っている。反術具側のギアをリンクが回転させる。
手術用マニピュレータを小型化し、メンテナンス性を向上させる。
【解決手段】
医療用マニピュレータ１０２は、患者の患部にアクセス可能な術具３０１を先端部に有する。対向して１対の転がり部材３０９、３１８が配置されている。対をなす転がり部材の一方を他方の転がり部材に対してフレキシブルワイヤが転がり運動させる。１対の転がり部材の回転中心間距離をプレート３０６が一定に保つ。対をなす転がり部材のそれぞれと同軸に１対のギア３１２、３１５が保持され、互いに噛み合っている。反術具側のギアをリンクが回転させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は手術装置およびそれに用いるマニピュレータに関し、特に医療用マニピュレータに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＭＲＩや超音波スキャナー、内視鏡などの診断装置を用いて患部を観察しながら、高周波処置具を患者の体内に穿刺し、体腔内の患部を処置する温熱治療法の例が、特許文献１に記載されている。この公報に記載の方法では、気腹法を用いて患者の腹腔を膨らませ、体外から直線状の治療用アプリケータおよび内視鏡を挿入している。そして、治療用アプリケータに取り付けたマーカをＭＲ装置により観察しながら、患部へ治療用アプリケータを導き治療している。
【０００３】
温熱治療法の他の例が、特許文献２に記載されている。この公報に記載の処置法では、治療具である穿刺針の後端に赤外線カメラが認識できるマーカを取り付けている。赤外線カメラが撮像した穿刺針の位置情報とＭＲＩが取得した画像に基づいて、患部へ治療具を導いている。
【０００４】
医療用マニピュレータを治療に用いる例が、特許文献３および特許文献４に記載されている。これらの公報に記載のマニピュレータでは、ワイヤを用いて関節を駆動している。医療用マニピュレータに用いられる関節機構は、安全性および小型化を考慮して、関節機構に直接駆動アクチュエータを取り付けるのを回避している。特許文献３に記載のマニピュレータでは、先端部関節とこの関節よりもさらに先端部に設けた術具関節を、ワイヤを用いて回動および開閉している。特許文献４に記載のマニピュレータでは、転がり部材を２つ用いて駆動ワイヤの経路長および位相を関節の角度変化によらず一定に保持している。
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−２６７１３３号公報
【特許文献２】特開２００３−３３９６６４号公報
【特許文献３】米国特許 第６３９４９９８号明細書
【特許文献４】特開２００４−１２２２８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記特許文献１および特許文献２に記載された従来の温熱治療用術具は、直線状の形状をしているので、患部ではない傷をつけてはいけない臓器や血管等（以下、障害物と称す）を避けながら目標とする患部へ術具を到達させることが困難な場合があった。また、術具の刺入姿勢も限られていた。患部へ術具を導く際、術具先端位置をＭＲＩ断層画像上で認識しているが、多数のＭＲＩ断層画像から術具先端付近に配置されたマーカを探しだすのに長い時間を要することもあった。
医療用マニピュレータでは、マニピュレータの先端部に設ける術具が小型で複数の自由度を有することが求められている。特許文献３および特許文献４に記載のマニピュレータでは、１つの屈曲関節からそれに隣り合う先端部の関節に動力を伝達するときに、ワイヤにより屈曲関節から術具へ駆動力が伝達される。ワイヤが屈曲する関節内を経由して駆動力を伝達する場合は、ワイヤの疲労や摩耗によりワイヤが切れるおそれがある。術具のような径の細いワイヤを使用する関節機構では、頻繁なメンテナンスが必要となっている。
【０００７】
本発明は上記従来技術の不具合に鑑みなされたものであり、その目的は、手術用マニピュレータを小型化するとともに、メンテナンス性を向上させることにある。本発明の他の目的は、手術用マニピュレータの使い勝手を向上させることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するための本発明の特徴は、先端３自由度を有するマニピュレータを備えた手術装置において、マニピュレータは患者の体腔内で屈曲運動と直動または揺動運動が可能な複数の関節部を有し、この関節部に関節部外からリンク機構とラックアンドピニオン機構の少なくともいずれかの機構を用いて動力伝達するものである。
【０００９】
そしてこの特徴において、関節部は、互いに噛み合う１対の歯車と、この１対の歯車を取り付けた板状部材と、１対の歯車のいずれか一方に一体的に形成した小歯車と、この小歯車と噛み合う変形可能なラックと、一対の歯車の他方に一端部を取り付けた第１のリンクと、板状部材に一端部を取り付けた第２のリンクとを有し、第１のリンクを駆動して屈曲運動を、第２のリンクを駆動して直動運動を可能とするのが好ましく、第１、第２のリンクの他端部に被動ローラまたは被動歯車を取り付け、この被動ローラまたは被動歯車に転がり接触する駆動ローラまたは駆動歯車を設け、駆動ローラまたは駆動歯車を駆動するプーリ及びこのプーリに装架されたフレキシブルワイヤとを有するのがよい。
【００１０】
また上記特徴において、関節部は、互いに噛み合う２対の歯車と、この２対の歯車を１対ずつ別個に取り付けた板状部材と、２対の歯車間に配置され互いに転がり接触するローラ及び板状部材と、対を成す歯車の一方に噛み合い、かさ歯車が一体的に形成された小歯車と、この小歯車と一体的に形成した第１のかさ歯車に噛み合い、外径方向に延びる把持部を有する第２のかさ歯車とを備え、ローラを駆動して屈曲運動を、対をなす歯車を駆動して把持運動を可能としてもよい。
【００１１】
また上記特徴において、マニピュレータは先端部に術具を保持可能であり、関節部は、対向して配置した１対の転がり部材と、この転がり部材の一方を他方の転がり部材に対して転がり運動させる第１の駆動手段と、１対の転がり部材間の距離を保持する保持手段と、転がり部材の各々と同軸に形成され互いに噛み合う１対の歯車と、反術具側の歯車を駆動する第２の駆動手段とを備るてもよく、関節部は、互いに噛み合う１対の歯車と、この歯車をそれぞれ保持する１対のリンクと、この１対のリンクを転がり接触させる部材と、１対の歯車の距離を一定に保持する保持手段と、一方の歯車と一方の保持手段とを駆動する駆動手段とを備えるようにしてもよい。さらに、１対の歯車のうちの術具側の歯車に一体的に小歯車を形成し、この小歯車と噛み合う変形可能なラックと、このラックとピニオンを移動可能に保持するガイドを有するようにしてもよい。
【００１２】
上記目的を達成する本発明の他の特徴は、患者の状態を検出し可視化する画像診断機器と、患者の患部にアクセス可能な術具と、この術具を先端部に有するマニピュレータと、前記マニピュレータを駆動制御する制御部とを有し、マニピュレータは患者の体腔内で術具を屈曲および直動可能としたものである。そして画像診断機器はＭＲＩ装置であることが好ましく、術具の近傍であって取替え可能な直動術具をガイドするガイド部材に、ＭＲＩ装置が認識可能なマーカを配置するようにしてもよい。
【００１３】
上記目的を達成する本発明のさらに他の特徴は、患者の患部にアクセス可能な術具を先端部に有するマニピュレータであって、対向して配置された１対の転がり部材と、対をなす転がり部材の一方を他方の転がり部材に対して転がり運動させる第１の駆動手段と、１対の転がり部材の回転中心間距離を一定に保つ手段と、対をなす転がり部材のそれぞれと同軸に保持され互いに噛み合う１対のギアと、反術具側のギアを回転させる第２の駆動手段とを設けたことにある。
【００１４】
上記目的を達成する本発明のさらに他の特徴は、術具側に配置されたギアと同軸に形成した小歯車と、この小歯車に噛み合いフレキシブルに形成されたラックと、術具側に位置する転がり部材と同期して移動するラックガイドとを設けたことにある。そしてこの特徴において、フレキシブルなラックに術具を交換可能に連結し、ラックを駆動することにより術具を直動させ、術具を交換可能とするのがよい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、手術装置が備えるマニピュレータに屈曲可能な関節装置を設け、マニピュレータの先端部に位置する術具をワイヤ駆動とするとともに関節装置自体はワイヤを用いずに駆動するので、術具の姿勢範囲が増大し、マニピュレータの使い勝手が向上する。また、手術装置が小型化し手術装置のメンテナンス性も向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明に係る手術装置１０の一実施例を、図面を参照して説明する。図１に、手術装置を適用した手術システムを、ブロック図で示す。上下に磁石が対向して配置された開放型のＭＲＩ装置１０１では、水平方向に移動可能であって患者１０３を載置するベッド天板１０４が手術ベッド１２０上に配置されている。患者１０３の患部をＭＲＩ装置１２０の磁石間に設定した撮像位置に位置決めし、患部の画像をＭＲＩ装置１０１が撮像する。患部画像は共鳴信号として検出され、検出された信号は伝送路１１７を経てＭＲＩ制御部１１６に送信される。ＭＲＩ制御部１１６は、画像処理等の信号処理を施し、処理された信号は画像情報提示部１１３で画像１１２として提示される。
【００１７】
本実施例に示した手術装置１０は、ベッド天板１０４に一端部を固定された手術用マニピュレータ１０２を有している。マニピュレータ１０２は、信号回線１０６を介してマニピュレータ駆動部１０７に接続されている。マニピュレータ駆動部１０７には、伝送路１０８を介してマニピュレータ制御部１１５が接続されている。マニピュレータ制御部１１５は、伝送路１１４を介してＭＲＩ制御部１１６に、また伝送路１０９を介して操作入力装置１１０にも接続されている。
【００１８】
開放型ＭＲＩ装置１０１では、フロント信号を受信するＲＦ受信コイル１１９がリング状に設けられている。このＲＦ受信コイル１１９の外周側を覆って、ガイドフレーム１１８が設置されている。ガイドフレーム１１８は、ベッド１２０に取り付けられ長手方向に延びたガイドレール１０５に、任意の位置で固定可能になっている。ガイドレール１０５をガイドフレーム１１８に取り付けるときの取り付け位置情報を取得するために、位置センサを設ける。または、ガイドレールに目盛りを設ける。
【００１９】
術者１１１は、画像情報提示部１１３に示された画像１１２を見ながら操作入力装置１１０を操作する。術者１１１が操作入力装置１１０を操作すると操作入力信号が発生し、この操作入力信号は伝送路１０９を経てマニピュレータ制御部１１５に送られる。マニピュレータ制御部１１５は、この操作入力信号とマニピュレータ駆動部１０７が検出したマニピュレータ１０２が有する各関節の関節値情報とに基づいて、マニピュレータ１０２の動作指令制御信号を生成する。変換された動作指令制御信号は、伝送路１０８を経てマニピュレータ駆動部１０７に送られる。
【００２０】
マニピュレータ駆動部１０７は、詳細を後述する蛇管・ワイヤ駆動方式によりマニピュレータ１０２の各関節を駆動する動力を供給する。マニピュレータの各関節のデータは、マニピュレータ駆動部１０７に取り付けた図示しないセンサが検出する。検出されたデータは、伝送路１０８を介してマニピュレータ制御部１１５へ送信される。
【００２１】
マニピュレータ駆動部１０７とマニピュレータ制御部１１５は、開放型ＭＲＩ装置１０１が信号を検出するのを妨げないように、適切に電気的アイソレーションを施こす。マニピュレータ制御部１１５を、開放型ＭＲＩ装置１０１を覆って形成された図示しないシールドルームの外部に置く。そして、確実にシールドされた制御線および信号線を図示しない導波管内を通しマニピュレータ駆動部１０７に導く。もしくは、シールドルーム内および外に接地された導体パネルを設け、この導体パネルにコネクタを取り付けて信号を入出力する。手術用ベッド１２０およびマニピュレータ１０２がＭＲＩ装置１０１の近傍でも動作作可能であるように、その材質は非磁性である。例えば、強度の必要な金属部分にはチタンやジュラルミン、真鍮等を用い、その他の部分は低磁性かつ絶縁体であるエンジニアリングプラスチックなどを使用している。
【００２２】
図２に、図１で示した手術装置１０に用いるマニピュレータ１０２の詳細を、斜視図で示す。マニピュレータ１０２は、開放型ＭＲＩ装置１０１の撮像領域内に配置可能な程度に小型化されている。マニピュレータは、ガイドフレーム１１８にその基部を固定具２１４を用いて固定されている。固定具２１４をガイドフレーム１１８に固定するときの固定位置を検出するために、ガイドフレーム１１８に目盛りを設けるか、位置センサをガイドフレーム１１８またはマニピュレータ１０２の少なくともいずれかに設ける。
【００２３】
固定具２１４には、マニピュレータ１０２の基部の関節に用いる各部材を収納するマニピュレータフレーム２０８が取り付けられている。マニピュレータフレーム２１４の側面部および反固定具側の面には、図示しない画像診断装置がマニピュレータ１０２位置を認識できるように、マーカ２０７、２１０、２１５、２１６が取り付けられている。マーカ２０７…に基づいて検出したマニピュレータ１０２の位置は、画像診断装置に設定された座標系で表示される。画像診断装置に設定された座標系を、マニピュレータ１０２に設定された座標系に座標変換するかその逆の変換をして、画像診断装置にマニピュレータ１０２の情報をＣG等で表示可能にする。これにより、ＭＲＩ画像にマニピュレータ情報を写しこむことができる。
【００２４】
マニピュレータフレーム２０８に、図示しない軸受を介して、第１の関節の関節軸２１８が回転可能に取り付けられている。この関節軸２１８には、プーリ２１７が固定されている。プーリ２１７には、図示しない樹脂ワイヤが装架されている。樹脂ワイヤは、樹脂製フレキシブルチューブ２１９、２２０内を通って、後述するモータ５０７に導かれる。関節軸２１８の端部には、第２の関節のベース２１１が固定されている。第２の関節のベース２１１は、関節軸２１８と共に回転する。
【００２５】
長短２種類のリンク２２３、２２５が、その一端部において軸２１２、２０９を用いて第２の関節のベース２１１に回動可能に取り付けられている。長リンク２２３の他端部は、リンク２２８の一端部に軸２２４を用いて取り付けられている。同様に、短リンク２２６の他端部は、リンク２２７の一端部に軸２２６を用いて取り付けられている。リンク２２７、２２８の他端部は、術具軸２０５に取り付けたガイド８０２（図６参照）に軸２０４、２０３を用いて回動可能に取り付けられている。長リンク２２３は、中間部において短リンク２２６が取り付けられたリンク２２７にも、軸２１３を用いて取り付けられている。これにより、リンク２２７、２２８が平行に動くことが可能になっている。
【００２６】
術具軸２０５は、先端部に術具が取り付けられる屈曲・直動関節３００を先端部に有している。術具軸２０５のリンク２２７、２２８が取り付けられた側には、術具を駆動するためのワイヤが内部を挿通するフレキシブルチューブ２０１を複数本保持する術具駆動中継部２０２が設けられている。
【００２７】
リンク２２３、２２５、２２７、２２８および術具軸２０５は、平行リンクを構成する。したがって、長短リンク２２３、２２６を軸２０９、２１２周りに回転させると、術具軸２０５は、長短リンク２２３、２２６がベース２１１に対する角度と同一の角度をベース２１１に対して保ちながら移動する。
【００２８】
長リンク２２３をベース２１１に取り付ける軸２１２に図示しないプーリを固定し、このプーリに樹脂ワイヤを巻回する。プーリに巻回されたワイヤは、チューブ２２１、２２２２内を挿通して、駆動源に導かれる。軸２１２をワイヤで回転駆動すると、長リンク２２３が軸２１２周りに回動する。軸２０９に同軸に取り付けられた図示しないプーリにも、ワイヤが巻きつけられており、ワイヤはチューブ２２１、２２２に導かれている。ワイヤを引くと軸２０９が回動し、リンク２２６を動かす。このとき、リンク２２６とともに平行リンクを構成するリンク２２３も移動する。これに伴い、術具軸２０５はピボット運動する。
【００２９】
すなわち、ピボット運動のピボット点をＰとすると、術具軸２０５は点Ｐを中心として２方向Ａ、Ｂの向きに回転可能となっている。術具２０５を患者１０３の体腔内に挿入するときは、ピボット点Ｐの位置が体表上にあけた穴に一致するようにマニピュレータ１０２を初期設定する。これにより、体表上に大きな傷を作ることなく低侵襲手術が可能になる。なお、Ａ方向の運動は、軸２１８により生成されるので、このＡ方向の運動を生成する部材を関節Ａとも呼ぶ。同様に、Ｂ方向の運動は、長短リンク２２３、２２６とそれらの取り付け軸２１２、２０９により生成されるので、この運動を生成する部材を関節Ｂとも呼ぶ。
【００３０】
術具軸２０５の先端部に取り付ける屈曲・直動関節３００の概略構造と動作を、図３ないし図５を用いて以下に説明する。図３は、屈曲・直動関節３００と術具軸２０５とが一直線状になる屈曲・直動関節３００の基準位置における正面図であり、図４および図５は関節部を屈曲させたときの正面図である。屈曲・直動関節３００は、先端部に取り付けた穿刺針を直動および屈曲可能にする。
【００３１】
屈曲・直動関節３００は、一対の同形のギア３１２、３１５を有している。一対のギア３１２、３１５は、長円形のプレート３０６に取り付けたピン３１１、３１７に、互いに噛み合う状態で取り付けられる。一方のギア３１５と同軸に、このギア３１５と同期回転する小歯車３１６が取り付けられている。
【００３２】
小歯車３１６には、フレキシブルな樹脂製のラック３０３が噛み合っている。ここで、フレキシブルな樹脂製ラック３０３は、フレキシブルに曲がる樹脂性の棒にラックを形成したものである。ラックの３０３の先端には、穿刺針３０１を取り付けた柄３０２が接続されている。フレキシブルなラック３０３を固定せずに術具軸２０５に収めるために、術具軸２０５および軸受部材３０９には、ラック３０３をスムーズに通すスリットが形成されている。なお、穿刺針３０１先端を冷やしたり熱したりするために、電線や水路を柄３０２に設けるようにしてもよく、これらの電線や水路をフレキシブルなラック３０３に形成してもよい。
【００３３】
柄３０２の外周部には、この柄３０２の運動を規制する直動ガイド３０８が設けられている。直動ガイド３０８は、穿刺針３０１側の歯車３１５が取り付けられるピン３１７に取り付けられている。術具軸２０５の先端部には、対向して１対の突出部である軸受部材３０９が設けられており、この軸受部材３０９の中間部にはピン３１１の両端部を回転支持する軸受が保持されている。
【００３４】
術具軸２０５側のギア３１２の表側には、ギア駆動リンク３０８の一端側がピン３０７により回動可能に固定されている。プレート３０６の裏面側には、図示しないピンによりプレート駆動リンク３１０の一端側が、回動可能に固定されている。
【００３５】
一対のギア３１２、３１５では、外周部付近に外向きの３角形状のラベル３１３、３１４が貼られている。ラベル３１３、３１４は、屈曲・直動関節３００が真直ぐな姿勢をとる基準位置にあるときに、お互いが対向する位置に貼られている。小歯車３１６の外周部付近およびラック３０３にも、同様のラベル３０４、３０５が貼られている。このラベル３０４、３０５も、屈曲・直動関節３００が基準位置にあるときに、互いに対向するように貼られている。これらのラベル３０４、３０５、３１４、３１５は、各部の動きを視認できるようにする。
【００３６】
このように構成した屈曲・直動関節３００では、ギア駆動リンク３０８を動かすと、ギア３１２がピン３１１を中心として回転する。この状態を図４に示す。プレート駆動リンク３１０を術具軸２０５方向に引くと、プレート３０６は術具軸２０５側の歯車３１２が取り付けられたピン３１１を中心にに回転する。このとき、プレート３０６に取り付けたもう一方のピン３１７およびこのピン３１７に取り付けたギア３１５とピニオン３１６と直動ガイド３１８も、同時に動こうとする。
【００３７】
しかしながら、ギア駆動リンク３０８を動かさないとギア３１２は固定されたままであり、回転しない。そこで、プレート３０６にピン３１７を介して取り付けたギア３１５は、他方のギア３１２の周りを噛み合いながら回転し、プレート３０６の動きに従う。プレート３０６が軸受部材３０９に対して動いた角度だけ、直動ガイド３１８はプレート３０６に対してピン３１７を中心に回転する。したがって、ギア３１５がギア３１２の周りを４５度だけ回転すれば、直動ガイド３１８は軸受部材３０９に対して９０度傾く。
【００３８】
直動ガイド３１８がピン３１７周りに回転しても、ギア３１５と一体化した小歯車３１６は、直動ガイド３１８内に保持されたフレキシブルな樹脂製ラック３０３との噛み合い位置を変えない。その結果、フレキシブルな樹脂製ラック３０３に連結された穿刺針３０１と直動ガイド３１８との相対位置は不変となる。フレキシブルな樹脂製ラック３０３は端部側を軸受部材３０９の中にフリーに収納されている。したがって、フレキシブルな樹脂製ラック３０３は術具軸２０５の軸方向には移動可能であり、直動ガイド３１８が傾くと、屈曲して軸受部材３０９からいくらか引き出される。このように、穿刺針３０１の姿勢を傾ける屈曲駆動に対して、ラック３０３と小歯車３１６は干渉しない。
【００３９】
穿刺針３０１を術具軸２０５に対して傾けた後、穿刺針３０１を突き出す動作を図５を用いて説明する。プレート駆動用リンク３１０の位置を固定して、ギア駆動用リンク３０８を術具軸２０５側に動かす。術具軸２０５側のギア３１２は、ピン３１１を中心に回転する。術具２０５側のギア３１２と噛み合う穿刺針３０１側のギア３１５は、ピン３１７を中心として回転する。穿刺針３０１側のギア３１５と一体化した小歯車３１６も、ピン３１７を中心として回転する。小歯車１６の回転により、小歯車１６と噛み合う樹脂製ラック３０３は噛み合い位置を変え、図５の左側に押し出される。その結果、穿刺針３０１は柄３０２を介して突き出る。当然のことながら、ギア駆動用リンク３０８を穿刺針３０１側に動かせば、穿刺針３０１は直動ガイド３１８側に引き込まれる。
【００４０】
なお、穿刺針３０１の上記屈曲動作および進退動作の説明においては、説明を簡単にするため、屈曲・直動関節３００の部品を一部省略している。図６や図７のマニピュレータの斜視図では、その他の機構部品も示している。つまり、一対のギア３１２、３１５の噛み合いだけで屈曲・直動関節３００の姿勢を保持するのが困難な場合等を想定して、ピン３１７、３１２には、ギア３１２、３１４以外に転がり接触部材３０９ａ、３１８ａを取り付けている。転がり接触部材３０９ａ、３１８は、互いに接触する部分が半円形の所定厚さの平板である。転がり接触部材３１８ａ、３０９ａは、滑らずに転がり接触するので、直動ガイド３１８とプレート３０６の角度は保持される。また、穿刺針は長さ約５ｃm程度であり、柄３０２も２ｃm弱の長さである。
【００４１】
本実施例に示した屈曲・直動関節３００は、屈曲運動と直動運動を互いに干渉しないで実施できる。したがって、各軸を協調制御する必要がない。制御性の自由度が増す。また、プレート３０６とギア３１２、３１５を有する屈曲関節よりも先端部に位置する穿刺針３０１のような術具を駆動するときであっても、屈曲関節をワイヤが経由することなく術具を駆動できるので、ワイヤの疲労切断やたるみ等を回避でき、メンテナンス性が向上する。なお本実施例では、屈曲部の駆動やギアの駆動にリンク機構を用いているが、ワイヤやベルト等の駆動機構も利用できる。
【００４２】
図６に、マニピュレータ１０２の詳細を斜視図で示す。術具軸２０５および屈曲・直動関節３００は、４種の動き、すなわち術具軸２０５の直動Ｃおよび軸捻りＤ、屈曲・直動関節３００の屈曲Ｅおよび直動Ｆが可能である。術具軸２０５および屈曲・直動関節３００がこの４種の動きＣ〜Ｆが可能なので、屈曲・直動関節３００の先端は、位置および姿勢の６自由度を有する。これにより、体腔内で任意の位置姿勢をとることができる。
【００４３】
図７に、マニピュレータ１０２の一部を構成する屈曲・直動関節３００の詳細斜視図を示す。屈曲・直動関節３００の一部であって術具軸２０５の端部に位置する関節の外周部には、円筒形の直動ガイド３１８が設けられている。この直動ガイド３１８よりも先端側には中央部に穴のあいた蓋である穿刺針ガイド蓋６０２が配置されている。直動ガイド３１８と穿刺針ガイド蓋６０２は、２本の断面円弧形状の板である穿刺針ガイド６０１を両端で保持する。穿刺針ガイド６０１は、柄３０２の両側面に形成された突起を狭持する。穿刺針３０１は、穿刺針ガイド蓋６０２に形成された穴を進退する。
【００４４】
図３に詳細を示した穿刺針３０１とこれに接続する柄３０２、ラック３０３は一体化されて柄３０２の突起をガイドとして穿刺針ガイド６０１に沿う直動運動する。穿刺針３０１等の術具を交換するときは、穿刺針ガイド６０１と穿刺針ガイド蓋６０２とのねじ止めを外し、穿刺針ガイド蓋６０２を外す。その後、小歯車３１６を回転させてラック３０３を穿刺針３０１側の限界まで押し出し、穿刺針３０１等を穿刺針ガイド６０１から外す。
【００４５】
本実施例によれば、種類の異なる先端術具、例えば針径が異なるもの等を交換できる。また、穿刺針ガイド６０１と穿刺針ガイド蓋６０２とをネジ締結しているので、術具の取り出し及び交換が容易になる。また、穿刺針ガイド蓋６０２の先端部に、ＭＲＩのような診断装置が認識できるリング状のマーカ６０２ａを配置する。その際、リング状マーカ６０２ａの穴部を穿刺針３０１が通るようにマーカ６０２ａを配置する。マーカ６０２ａを配置したので、術具マニピュレータ座標系と診断装置座標系の較正や、ＭＲＩ画像上での目印等に利用できる。
【００４６】
ここで、２個の座標系の較正においては、術具マニピュレータ座標系で計算され、ＭＲＩ診断画像上に表示された術具先端位置と、実際に配置したマーカ６０２ａとの位置誤差により、マニピュレータの各関節の精度を較正または評価する。また、センシング寿命の短いマーカ６０２ａを使用しても、マーカ６０２ａを穿刺針３０１自身に取り付けていないので、マーカ６０２ａ交換の際に穿刺針３０１を分解する必要がなく、マーカ６０２ａの交換が容易になる。
【００４７】
図７から図１０に、屈曲・直動関節３００の詳細を示す。図７はマニピュレータ１０２の一部をなす屈曲・直動関節３００の詳細斜視図、図８は屈曲・直動関節３００に用いる駆動源の斜視図、図９は術具駆動中継部２０２の分解斜視図であり、図１０に図９の内部を斜視図で示す。
【００４８】
図６に示す直動Ｃを達成するために、マニピュレータ１０２は、以下の構成を有している。マニピュレータ１０２の基部側に配置した角柱状のリンク２２７、２２８は、それぞれ１対の突出部２２７ａ、２２８ａを側端部に有しており、この突出部２２７ａ、２２８ａの突出端近傍にはピン２０３、２０４を回転支持する軸受が保持されている。ピン２０３、２０４は、図９に詳細形状を示す断面Ｔ型の板状の直動ガイド８０６および断面Ｆ型の板状の直動ガイド８１４とリンク２２７、２２８とを接続している。リンク２２７、２２８は直動ガイド８１４、８０６に対して回転自由である。
【００４９】
直動ガイド８０６、８１４の線状の突起は、互いに内側を向いて配置されており、この突起に嵌合する溝がそれぞれ形成された直動コマ８０７、８１３が、直動ガイド８０６、８１４の内側に配置されている。一方の直動コマ８１３の反術具側には、フレキシブルなラック８１６が連結されている。ラック８１６は、図示しないガイドチューブ内を通ってＭＲＩ装置外部に配置された図示しない超音波モータまで導かれる。そして、超音波モータ軸に取り付けたピニオンと噛み合っている。ラック８１６を超音波モータで動かすと、直動コマ８１３は直動ガイド８１４上を直動Ｃする。
【００５０】
図６に示す軸捻りＤを達成するために、マニピュレータ１０２は以下の構成を有している。図９に示すように、術具軸２０５の反穿刺針側端部には、段付き円筒状に形成された術具アダプタ８１０が配置されている。術具アダプタ８１０の上面にはフランジ８１１が設けられており、フランジ８１１の４角に形成した穴に段付きのスペーサ軸８０４ａ〜８０４ｄが嵌合する。スペーサ軸８０４ａ〜８０４ｄの上端にも段が形成されており、４角部に穴が形成されたフランジ部材である術具捻り軸ガイド８０２の穴に嵌合する。
【００５１】
術具捻り軸ガイド８０２は、円柱状のギアワイヤ変換ガイド８１５の軸方向中間部に位置している。術具捻り軸ガイド８０２では、その下面に円柱状の突起８０２ａ〜８０２ｄが形成されており、この突起８０２ａ〜８０２ｄは、直動コマ８０７、８１３の上下両端面に形成された穴８１３ａ〜８１３ｄに嵌合する。ギアワイヤ変換ガイド８１５の上面には穴が形成されており、その内部に設けた駆動機構を駆動するワイヤが挿通された樹脂製フレキシブルチューブ２０１ａ〜２０１ｄがこの穴を貫通する。
【００５２】
フランジ８１１と術具捻り軸ガイド８０２の間に形成される空間であって、図９の奥側には、図示しないプーリと一体化したギア８０５が配置されており、このギア８０５はギアワイヤ変換ガイド８１５に形成した図示しないギア部に噛み合う。ギア８０５と一体化したプーリには、樹脂製フレキシブルチューブ８０１ａ、８０１ｂを挿通する図示しない樹脂ワイヤが巻回されている。蛇管・ワイヤ駆動方式により樹脂ワイヤを駆動すると、プーリ及びギア８０５が回転し、ギア８０５に噛み合うギアワイヤ変換ガイド８１５が回転する。これにより、術具軸２０５の軸捻りＤを発生する。
【００５３】
円柱状のギアワイヤ変換ガイド８１５の下端部は、術具アダプタ８１０のフランジ８１１に形成した穴に着脱可能に嵌合する。ギアワイヤ変換ガイド８１５と術具アダプタ８１０とを嵌合したときは、ギア４０２、４０８はギア８０８、８０９に噛み合う。このように脱着可能な構造としたので、屈曲・直動関節３００を含む術具２０５の交換が容易になり、メンテナンス性が向上する。また、術具部２０５だけを取り外すために、ギア４０２、４０８と噛み合うギアを有する術具であれば、術具先端形状が他の形状であっても使用できる。これにより、術具形状の制約が減り、多種の術具を使用可能になる。また、術具を取り外し可能であるから、駆動部を滅菌することなく術具だけを滅菌すればよく、滅菌の手間が省けるとともに、滅菌装置を小型化できる。。
【００５４】
図１０に、ギアワイヤ変換ガイド８１５の内部構造を示す。ギアワイヤ変換ガイド８１５に形成した穴を通って導かれたフレキシブルチューブ２０１ａ〜２０１ｄ内の樹脂ワイヤ４０１、４０９を装架するプーリ４０３、４０７が同一のピン４０４に形成されている。このプーリ４０３、４０７よりも大径のギア４０２、４０８が、プーリ４０３、４０７よりも軸方向内側にピン４０４およびプーリ４０３、４０７と一体に形成されている。
【００５５】
ギア４０２と噛み合うギア８０８およびギア４０８と噛み合うギア８０９が、各ギア４０２、４０８に隣り合って配置されている。ギア８０８、８０９は、術具アダプタ８１０の内部に、ピン４０５、４０６を介して保持される。ギア８０８、８０９の内側面には、屈曲・直動関節３００を駆動するリンク３０８、３１０の一端部が図示しないピンにより回転自由に取り付けられている。
【００５６】
ワイヤ４０１、４０９は、図８に示す超音波モータ５０８に取り付けたプーリ５０６に導かれる。超音波モータ５０８には減速器５０７が取り付けられており減速器５０７の出力軸にはプーリ５０６が取り付けられている。減速器５０７の側部には、モータ５０８を取り付けるためのブラケット５０３が取り付けられている。プーリ５０６に導かれたワイヤは４０１（４０９）は、蛇管・ワイヤ駆動方式により駆動される。樹脂ワイヤ４０１、４０９を駆動すると、プーリ４０３、４０７およびそれと一体化したギア４０２、４０８が、ピン４０４を軸として回転する。
【００５７】
屈曲・直動関節３００を駆動するリンク３０８、３１０をギア８０８、８０９に取り付ける図示しないピンとピン４０５、４０６との軸中心間距離は、図３に示すギア駆動リンク３０８の端部固定用ピン３０７とギア固定用ピン３１１間の距離に等しく、この距離はギア駆動リンク３０８の端部固定用ピン３０７とプレート駆動リンク３１０の図示しない端部固定用ピン間の距離にも等しい。これにより、ギアワイヤ変換ガイド８０５内に収めたギア８０８、８０９が回転すると、屈曲・直動関節内のギア３１２およびプレート３０６が駆動される。
【００５８】
本発明に係る手術装置の他の実施例を、図１１および図１２を用いて説明する。本実施例が上記実施例と異なるのは、先端術具部の自由度が１だけ増えたことにある。これにより、術具は、先端３自由度を有する術具となる。図１１は、屈曲・直動関節３００の代わりに用いる、屈曲・把持関節９００の斜視図である。図１２は、屈曲・把持関節９００が有する術具筒９０６等のカバー部を取り去った要部の斜視図である。屈曲・直動関節３００同様に屈曲運動Ｇができるとともに、この屈曲運動Ｇと干渉せずに鋏またはピンセットを模擬した把持運動Ｈ、Ｉが可能になっている。２自由度の把持運動Ｈ、Ｉを協調して実行して、把持が可能になる。
【００５９】
屈曲・把持関節９００は、術具軸２０５との連結部側端部に、術具軸２０５側に設けたギアに噛み合う３個のギア９０１〜９０３を有している。ギア９０１〜９０３は、同一のピン９２０に取り付けられている。最左側に位置するギア９０１の外側面には、２本のリンク９２５、９２６が、最右側に位置するギア９０３の外側面には、２本のリンク９０５、９０６がそれぞれ平行に配置されている。中央に位置するギア９０２の一方の側面にも、２本の９２６、９１０が平行に配置されている。これらのリンク９２５〜９２７、９０５、９０６、９１０は、端部を回転自由にピンでギア９０１〜９０３の側面に取り付けられている。なお、ギヤ９０１〜９０３は噛み合い部の幅方向厚さを厚く、リンク９２５〜９２７、９０５、９０６の可動範囲の部分は幅方向厚さを薄くしている。同様に、リンク９２５〜９２７、９０５、９０６、９１０側も、ギヤ９０１〜９０３に対向する部分の厚さを薄くしている。これにより、屈曲・把持関節９００の小型化を図っている。リンク９２５〜９２７、９０５、９０６、９１０の外周部は、術具筒９０６により覆われている。
【００６０】
リンク９２５〜９２７、９０５、９０６、９１０の他端部は、軸９０８に同軸に取り付けたギア９２４、９０７およびローラ９３１の側面に図示しないピンで回転自由に取り付けられている。したがって、リンク９２５〜９２７、９０５、９０６、９１０及びギア９０１〜９０３、９２４、９０７、ローラ９３１は３個の平行リンク機構を構成する。ギア９０３の回転角度が大きくなると、平行リンクを構成するリンク９０４、９０５が相互に干渉し、ギア９０３の回転が阻害される。ギア９０１〜９０３の回転可能角度は、リンク９０４、９０５の太さにも依存するが、およそ±６０度程度に限られる。
【００６１】
なお、リンク９０４とリンク９０５を、ギア９０３を挟んで互いに反対側に配置すれば、リンク９０４、９０５の干渉を回避できる。しかし、ギア９０３の回転角度が大きくなると、今度は軸９２０にリンク９０４、９０５と干渉するので、結局ギア９０１〜９０３の回転可能角度はおよそ±６０度程度に限られる。
【００６２】
リンク９２５〜９２７、９０５、９０６、９１０の下端部は、上端部と同様に、ギア９０７、９２４との対向部及びローラ９３１に対向する部分の厚さを薄くしている。ギア９０７、９２４およびローラ９３１も噛み合い部または駆動プレート９２３との接触部の軸方向厚さを厚くし、その他の部分の厚さを薄くしている。ギア９０７、９２４およびローラ９３１を取り付けた軸９０８の両端部は、摩擦抵抗を減らすスペーサ９１１を介して術具筒９０６に保持されている。
【００６３】
ギア９２４に噛み合うギア９２１と、ギア９０７に噛み合うギア９１４と、ローラ９３１に接触しローラ外形形状と同じ形状が部分的に形成された駆動プレート９２２が、同一の軸９１３に取り付けられている。ギア９２１は先端側でさらに小歯車９１９に、ギア９１４も先端側でさらに小歯車９１６に噛み合っている。小歯車９１６、９１９は同一の軸９１５に間隔を置いて取り付けられている。ギア９１６は軸９１５に対して回動自由であり、ギア９１９も軸９１５に対して回転自由である。したがって、ギア９１６とギア９１９は干渉することなく、それぞれ独立に回転可能である。
【００６４】
軸９１３、９１５の両端部は、先端部ブラケット９１２に保持されている。術具筒９０６の先端部の内側および先端部ブラケット９１２の術具筒９０６側の内側には、術具筒９０６側と術具部とを接続するプレート９２２、９０９が配置されている、これらのプレート９２２、９０９を、軸９０８、９１３が貫通している。
【００６５】
なお、術具筒９０６および先端部ブラケット９１２がそれぞれ対向する側であって、軸９０８、９１３方向の中間部には、互いに噛み合うギア９０６ａ、９１２ａが部分的に形成された転がり接触部が形成されている。この転がり接触部により、術具筒９０６部と術具部とは、滑らずに転がり接触しながら回転できる。本実施例では転がり接触部にギア９０６ａ、９１２ａを用いているが、ギア９０６ａ、９１２ａの代わりに、滑らずに転がり接触する円板や、ゴム等を表面に貼り付けた滑らずに転がり接触する反円板同士を用いてもよい。転がり接触部は、ピン９０８、９１３を中心とする半円状に形成する。
【００６６】
小歯車９１９、９１６の軸方向内側であって軸９１５には、かさ小歯車９１９ａ、９１６ａが間隔を置いて取り付けられている。２個のかさ小歯車９１９ａ、９１６ａの双方に噛み合うかさ小歯車９１８ａが軸９１５の下方に配置されている。図１２では図示を省略しているが、かさ小歯車９１９ａ、９１６ａの双方に噛み合うもう１つのかさ小歯車９１７ａが軸９１５の上方に配置されている。したがって、かさ小歯車９１６ａ〜９１９ａは、差動歯車装置を構成する。
【００６７】
上下に配置したかさ小歯車９１７ａ、９１８ａには、周方向１箇所に外周側に突き出た把持部９１７、９１８がかさ小歯車９１７ａ、９１８ａと一体的に形成されている。把持部９１７、９１８は、先端部ブラケット９１２に上方に突起して設けたピン９１２ｂおよび下方に突起して設けたピンの周りに回転する。なお、軸方向に並べて配置したギアやロータ、例えばギア９２４とロータ９３１間、ロータ９３１とギア９０７間には、摩擦抵抗を低減するために、スペーサ９１１のような部材を随時挟んでいる。
【００６８】
このように構成した術具筒部及び術具部では、ギア９０２を回転させると、平行リンク機構により駆動プレート９２３が軸９０８を中心に回転しようとする。このとき、駆動プレート９２３に接続されている軸９１３は、軸９０８を中心に、軸９０８と軸９１３間の距離を保ちながら公転運動しようとする。軸９１３に連結された先端部ブラケット９１２も同様に回転しようとするが、ギア９０６ａとギア９１２ａが噛み合っているので、先端部ブラケット９１２は、軸９０８を中心とした公転運動をしながら、軸９１３周りに自転運動する。術具筒９０６のギア９０６ａと先端部ブラケット９１２のギア９１２ａが、転がり接触しながら回転する。
【００６９】
ギア９０１、９０３の位置が固定されているので、ギア９２４とギア９２１、ギア９０７とギア９１４も同様に転がり接触しながら回転する。この運動は図３、４に示した屈曲運動と同じである。ギア９２１、９１４は、先端部ブラケット９１２との相対的位置を変えていないので、ギア９２１、９１４および把持部９１８、９１７は所定位置を保ちながら屈曲運動する。
【００７０】
把持運動Ｈ、Ｉのためには、両端のギア９０１、９０３を駆動する。例えば、左端側のギア９０１を動かすと、ギア９２４が駆動される。それに伴い、ギア９２１、９１９、かさ歯車９１９ａ、９１８ａ、及び把持部９１８が駆動され、屈曲運動Ｇとは独立に把持運動Ｉが実行される。同様に、右端側のギア９０３を動かすと、ギア９０７が駆動される。ギア９１４、９１６、かさ歯車９１６ａ、９１７ａおよび把持部９１７が駆動され、屈曲運動Ｇとは独立に把持運動Ｈが実行される。
【００７１】
なお、ギア９１６、９１９と一体化したかさ歯車９１６ａ、９１９ａの径をそれぞれ変えて、把持部９１７、９１８と一体化したかさ歯車９１７ａ、９１８ａの干渉を防止する。ぎ、関節Hと関節Iの動きも独立に駆動可能としているここで、ギア９１４とギア９１６の減速比を１．５に設定すれば、ギア９０３、９０７、９１４可動範囲を±６０度にしても、把持部９１７では±９０度の動きが可能になる。把持部９１８についても同様である。
【００７２】
本実施例によれば、リンクと転がり接触機構を用いて術具先端の動きを実現したので、術具先端の３自由度をワイヤを用いずに独立に駆動できる。術具部にワイヤを用いないので、ワイヤのたるみや疲労に起因する切断等のおそれがなく、医療用マニピュレータの制御性およびメンテナンス性が向上する。また、関節を独立に駆動できるので、マニピュレータの制御性の向上および安定性の向上が可能になる。
【００７３】
本発明に係る屈曲・直動関節１０００の他の実施例を、図１３に斜視図で示す。上記実施例では平行リンク機構を用いて屈曲・直動関節を駆動していたが、本実施例ではラックアンドピニオン機構を用いてマニピュレータを駆動している。屈曲・直動関節１０００では、術具軸２０５への取り付け端である根元部をブラケット１０３２が覆っている。根元部と、先端部である術具部との間を円筒状のブラケット１０３３および図示しない円筒状のブラケットで覆った中間部が、接続している。図示しないブラケットは、根元部のブラケット１０３２と中間部のブラケット１０３３間の距離を一定に保持する。
【００７４】
根元側端部には、術具軸から術具部へ動力を伝達するために、複数のギア１００１〜１０２１が、軸１０３１に同軸に取り付けられている。ギア１００１とギア１０１１間には、ピニオン１００１ａが、ギア１０１１とギア１０２１間にはピニオン、１０１１ａ、１０２１ａが配置されている。ギア１００１とピニオン１００１ａ、ギア１０１１とピニオン１０１１ａ、ギア１０２１とピニオン１０２１ａとはそれぞれ一体化されている。
【００７５】
各ピニオン１００１ａ〜１０２１ａには、術具側に延びるラック１００２〜１０２２の一端側がそれぞれ噛み合っている。ラック１００２〜１０２２の他端側は、屈曲・直動関節術具１０００の中間部に配置したピニオン１００３ａ〜１０２３ａにそれぞれ噛み合っている。ピニオン１００３ａはギア１００３と、ピニオン１０１３ａはギア１０１３と、ピニオン１０２３ａはギア１０２３とそれぞれ一体化されている。これらのピニオン１００３ａ〜１０２３ａおよびギア１００３〜１０２３は、中間部の第１の軸１０３４に取り付けられている。
【００７６】
中間部の第１の軸１０３４の両端部側に配置したギア１００３、１０２３と噛み合うギア１００４、１００２４が、第１の軸１０３４に平行でより術具側に配置した第２の軸１０３５に取り付けられている。第１の軸１０３４の中間に配置したギア１０１３は、駆動プレート１０１４の一部に形成された歯車部に噛み合っている。駆動プレート１０１４も、第２の軸１０３５に取り付けられている。中間部の第２の軸１０３５の両端部であってギア１００４、１００２４よりも軸方向内側には長円形状のプレート１０４１、１０４２が取り付けられている。中間部のブラケット１０３３の術具側端部であって周方向に２箇所には、第２の軸１０３５と同心の歯車１０３３ａが部分的に形成されている。
【００７７】
中間部の術具側端部は、術具側に取り付けたギア噛み合っている。すなわち、術具側の両外側面には、長円形の先端ブラケット１０３６が配置されており、この先端ブラケット１０３６の中間部側端部には部分的に、歯車１０３６ａが形成されている。先端ブラケット１０３６には、術具部の第１の軸１０３７、術具側の第２の軸１０３８が取り付けられている。術具側の第１の軸１０３７には、中間部の第２の軸１０３５に取り付けたギア１００４、１０２４に噛み合うピニオン１００５、１００２５および長円形状のプレート１０４１、１０４２が取り付けられている。
【００７８】
術具およびそれを取り付ける部分は、図１１および図１２に示したのと同様の構成である。つまり、術具側の第２の軸には、先端ブラケット１０３６側から内側に、順にギア１００６、１００２６、かさ歯車１００６ａ，１０２６ａが取り付けられている。ギア１００６とかさ歯車１００６ａ、ギア１０２６とかさ歯車１０２６ａとは一体化されている。ギア１００６は、術具側の第１の軸１０３６に取り付けたギア１００５と、ギア１０２６はギア１０２５と噛み合っている。
【００７９】
かさ歯車１００６ａ、１０２６ａを取り付ける第２の軸１０３８に直交する方向に延びる軸１０３９には、ブレード１００７、１０２７と一体化されたかさ歯車１００７ａ、１０２７ａが対向して取り付けられている。直交する方向のかさ歯車１００７ａ、１００２７ａが取り付けられた軸１０３９は、術具側の第２の軸１０３６に取り付けられている。
【００８０】
なお、中間部に配置したブラケット１０３３と、術具側に配置した先端ブラケット１０３６では、長円形状のプレート１０４１、１０４２および駆動プレート１０１４により、中間部の第２の軸１０３５と術具側の第１の軸１０３７間の距離が一定に保たれている。また、中間部に配置したブラケット１０３３と、先端ブラケット１０３６とは、各々に形成された歯車１０３３ａ、１０３６ａが噛み合っているので、滑らずに転がり接触する。
【００８１】
このように構成した屈曲・直動関節１０００の動作を、以下に説明する。根元側の軸１０３１に取り付けたギア１００１を回転駆動すると、ピニオン１００１ａが回動し、ラック１００２をこの屈曲・直動関節１０００の軸線方向に移動させる。すると、中間部の第１の軸１０３４に取り付けたピニオン１００３ａが回動し、このピニオン１００３ａと一体化されたギア１００３も回動する。
【００８２】
ギア１００３〜１００６はギアトレインを構成しているから、ギア１００６と一体化されたかさ歯車１００６ａも回動する。かさ歯車１００６ａは上側のかさ歯車１０２７ａに噛み合っているので、かさ歯車１０７ａと一体化した上側のブレード１００７が揺動運動する。同様に、ギア１０２１を回転駆動すると、下側のブレード１０２７が揺動運動する。
【００８３】
根元側の軸１０３１の中間部に配置したギア１０１１を回転駆動すると、ギア１００１、１０２１の場合と同様に、中間部の第１の軸１０３４に取り付けたギア１０１３が回動する。このギア１０１３には、駆動プレート１０１４に部分的に形成された歯車が噛み合っているから、駆動プレート１０１４が回動する。駆動プレート１０１４は術具側の第１の軸１０３７にも取り付けられているので、術具側の第１の軸１０３７は中間部の第２の軸１０３５を中心に回動する。その際、中間部の第２の軸１０３５と術具側の第１の軸１０３７の間の距離は、駆動プレート１０１４により一定に保たれる。
【００８４】
なお、先端ブラケット１０３６に形成した歯車１０３６ａと中間部のブラケット１０３３に形成した歯車１０３３ａが噛み合っているから、ブラケット１０３６、１０３３同士は滑らずに転がり接触する。したがって、先端ブラケット１０３６は、術具側の第２の軸１０３６の周りを自転しながら、中間部の第２の軸１０３５の周りを公転する。
【００８５】
ギアとレインを構成する術具側の第１の軸１０３７に取り付けたギア１００５、１０２５は、中間部の第２の軸１０３５に取り付けたギア１００４、１００２４の周りを滑らずに転がり接触しながら公転するから、駆動プレート１０１４の動きに何ら影響を与えない。したがって、術具を構成するブレード１００７、１０２７は、術具部の屈曲運動と独立して、回動運動できる。
【００８６】
本実施例によれば、関節を屈曲運動させた後にこの屈曲運動をさせる関節に直交して配置した揺動軸に設けた術具を揺動運動させることができる。したがって、各運動が干渉することがない。また、駆動動力にワイヤを使用していないので、ワイヤのたるみや摩耗、切断の恐れがなく、メンテナンス性に優れている。
【図面の簡単な説明】
【００８７】
【図１】本発明に係る手術システムの一ブロック図。
【図２】図１に示した手術システムに用いる手術支援マニピュレータの斜視図。
【図３】関節装置の動作を説明する図で、その正面図。
【図４】関節装置の動作を説明する図で、その正面図。
【図５】関節装置の動作を説明する図で、その正面図。
【図６】図１に示した手術システムに用いる術具マニピュレータの斜視図。
【図７】図１に示した手術システムに用いる術具マニピュレータの先端部の斜視図。
【図８】図６に示した術具マニピュレータに用いるワイヤ駆動部の斜視図。
【図９】図６に示した術具マニピュレータに用いる術具駆動部の分解斜視図。
【図１０】図８に示した術具駆動部の内部の斜視図。
【図１１】図６に示した術具マニピュレータに用いる術具の他の実施例の斜視図。
【図１２】図１１に示した術具の内部の斜視図。
【図１３】本発明に係る術具マニピュレータの他の実施例の斜視図。
【符号の説明】
【００８８】
１０…手術装置、１０１…開放型ＭＲＩ装置、１０２…マニピュレータ、１０３…患者１０４…ベッド天板、１０５…レール、１０６…伝送路、１０７…マニピュレータ駆動部、１０８、１０９…伝送路、１１０…操作入力部、１１１…術者、１１２…画像、１１３…画像情報提示部、１１４…伝送路、１１５…制御部、１１６…ＭＲＩ制御部、１１７…伝送路、１１８…ガイドフレーム、１１９…ＲＦコイル、１２０…ベッド台座、２０１…フレキシブルチューブ、２０２…術具駆動中継部、２０３、２０４…軸、２０５…術具軸、２０７…マーカ、２０８…マニピュレータフレーム、２０９…軸、２１０…マーカ、２１１…ベース、２１２、２１３…軸、２１４…固定具、２１５、２１６…マーカ、２１７…プーリ、２１８…関節軸、２１９、２２０…フレキシブルチューブ、２２１、２２２…チューブ、２２３、２２４…軸、２２５〜２２８…リンク、３００…屈曲・直動関節、３０１…穿刺針、３０２…柄、３０３…樹脂製ラック、３０４、３０５…ラベル、３０６…プレート、３０７…ピン、３０８…ギア駆動リンク、３０９…軸受部材、３０９ａ…ガイド部材、３１０…プレート駆動リンク、３１１…ピン、３１２〜３１５…ギア、３１６…小歯車（ピニオン）、３１７…ピン、３１８…直動ガイド、３１８ａ…ガイド部材、４０１…樹脂ワイヤ、４０２…ギア、４０３…プーリ、４０４〜４０６…ピン、４０７…プーリ、４０８…ギア、４０９…樹脂ワイヤ、５０７…モータ、６０１…穿刺針ガイド、６０２…穿刺針ガイド蓋、６０２ａ…マーカ、８０１ａ、８０１ｂ…フレキシブルチューブ、８０２…術具捻り軸ガイド、８０２ａ〜８０２ｄ…突起、８０５…ギア、８０６…直動ガイド、８０７…直動コマ、８０７ａ、８０７ｂ…穴、８０８、８０９…ギア、８１０…術具アダプタ、８１３…直動コマ、８１１…フランジ、８１３ｃ、８１３ｄ…：穴、８１４…直動ガイド、８１５…ギアワイヤ変換ガイド、８１６…ラック、９０１〜９０３…ギア、９０４〜９０６…リンク、９０６ａ…転がり接触部、９０７…ギア、９０８…ブラケット、９０９…プレート、９１０…リンク、９１１…スペーサ、９１２…ブラケット、９１３…軸、９１４…ギア、９１５…軸、９１６…ギア、９１７、９１８…把持部、９１９…ギア、９１９ａ…かさ歯車、９２０…軸、９２１…ピン、９２２…プレート、９２３…駆動プレート、９２４…ギア、９２５〜９２７…リンク、１００１…ギア、１００１ａ…ピニオン、１００２…ラック、１００３…ギア、１００３ａ…ピニオン、１００４〜１００６…ギア、１００６ａ…かさ歯車、１００７…ブレード、１００７ａ…かさ歯車、１０１１ａ…ピニオン、１０１２…ラック、１０１４…駆動プレート、１０２１…ギア、１０２１ａ…ピニオン、１０２２…ラック、１０２３…ギア、１０２３ａ…ピニオン、１０２４〜１０２６…ギア、１０２６ａ…かさ歯車、１０２７…ブレード、１０２７ａ…かさ歯車、１０３１…軸、１０３２、１０３３…ブラケット、１０３４、１０３５…軸、１０３６ａ…ギア、１０３７〜１０３９…軸。
【技術分野】
【０００１】
本発明は手術装置およびそれに用いるマニピュレータに関し、特に医療用マニピュレータに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＭＲＩや超音波スキャナー、内視鏡などの診断装置を用いて患部を観察しながら、高周波処置具を患者の体内に穿刺し、体腔内の患部を処置する温熱治療法の例が、特許文献１に記載されている。この公報に記載の方法では、気腹法を用いて患者の腹腔を膨らませ、体外から直線状の治療用アプリケータおよび内視鏡を挿入している。そして、治療用アプリケータに取り付けたマーカをＭＲ装置により観察しながら、患部へ治療用アプリケータを導き治療している。
【０００３】
温熱治療法の他の例が、特許文献２に記載されている。この公報に記載の処置法では、治療具である穿刺針の後端に赤外線カメラが認識できるマーカを取り付けている。赤外線カメラが撮像した穿刺針の位置情報とＭＲＩが取得した画像に基づいて、患部へ治療具を導いている。
【０００４】
医療用マニピュレータを治療に用いる例が、特許文献３および特許文献４に記載されている。これらの公報に記載のマニピュレータでは、ワイヤを用いて関節を駆動している。医療用マニピュレータに用いられる関節機構は、安全性および小型化を考慮して、関節機構に直接駆動アクチュエータを取り付けるのを回避している。特許文献３に記載のマニピュレータでは、先端部関節とこの関節よりもさらに先端部に設けた術具関節を、ワイヤを用いて回動および開閉している。特許文献４に記載のマニピュレータでは、転がり部材を２つ用いて駆動ワイヤの経路長および位相を関節の角度変化によらず一定に保持している。
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−２６７１３３号公報
【特許文献２】特開２００３−３３９６６４号公報
【特許文献３】米国特許 第６３９４９９８号明細書
【特許文献４】特開２００４−１２２２８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記特許文献１および特許文献２に記載された従来の温熱治療用術具は、直線状の形状をしているので、患部ではない傷をつけてはいけない臓器や血管等（以下、障害物と称す）を避けながら目標とする患部へ術具を到達させることが困難な場合があった。また、術具の刺入姿勢も限られていた。患部へ術具を導く際、術具先端位置をＭＲＩ断層画像上で認識しているが、多数のＭＲＩ断層画像から術具先端付近に配置されたマーカを探しだすのに長い時間を要することもあった。
医療用マニピュレータでは、マニピュレータの先端部に設ける術具が小型で複数の自由度を有することが求められている。特許文献３および特許文献４に記載のマニピュレータでは、１つの屈曲関節からそれに隣り合う先端部の関節に動力を伝達するときに、ワイヤにより屈曲関節から術具へ駆動力が伝達される。ワイヤが屈曲する関節内を経由して駆動力を伝達する場合は、ワイヤの疲労や摩耗によりワイヤが切れるおそれがある。術具のような径の細いワイヤを使用する関節機構では、頻繁なメンテナンスが必要となっている。
【０００７】
本発明は上記従来技術の不具合に鑑みなされたものであり、その目的は、手術用マニピュレータを小型化するとともに、メンテナンス性を向上させることにある。本発明の他の目的は、手術用マニピュレータの使い勝手を向上させることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するための本発明の特徴は、先端３自由度を有するマニピュレータを備えた手術装置において、マニピュレータは患者の体腔内で屈曲運動と直動または揺動運動が可能な複数の関節部を有し、この関節部に関節部外からリンク機構とラックアンドピニオン機構の少なくともいずれかの機構を用いて動力伝達するものである。
【０００９】
そしてこの特徴において、関節部は、互いに噛み合う１対の歯車と、この１対の歯車を取り付けた板状部材と、１対の歯車のいずれか一方に一体的に形成した小歯車と、この小歯車と噛み合う変形可能なラックと、一対の歯車の他方に一端部を取り付けた第１のリンクと、板状部材に一端部を取り付けた第２のリンクとを有し、第１のリンクを駆動して屈曲運動を、第２のリンクを駆動して直動運動を可能とするのが好ましく、第１、第２のリンクの他端部に被動ローラまたは被動歯車を取り付け、この被動ローラまたは被動歯車に転がり接触する駆動ローラまたは駆動歯車を設け、駆動ローラまたは駆動歯車を駆動するプーリ及びこのプーリに装架されたフレキシブルワイヤとを有するのがよい。
【００１０】
また上記特徴において、関節部は、互いに噛み合う２対の歯車と、この２対の歯車を１対ずつ別個に取り付けた板状部材と、２対の歯車間に配置され互いに転がり接触するローラ及び板状部材と、対を成す歯車の一方に噛み合い、かさ歯車が一体的に形成された小歯車と、この小歯車と一体的に形成した第１のかさ歯車に噛み合い、外径方向に延びる把持部を有する第２のかさ歯車とを備え、ローラを駆動して屈曲運動を、対をなす歯車を駆動して把持運動を可能としてもよい。
【００１１】
また上記特徴において、マニピュレータは先端部に術具を保持可能であり、関節部は、対向して配置した１対の転がり部材と、この転がり部材の一方を他方の転がり部材に対して転がり運動させる第１の駆動手段と、１対の転がり部材間の距離を保持する保持手段と、転がり部材の各々と同軸に形成され互いに噛み合う１対の歯車と、反術具側の歯車を駆動する第２の駆動手段とを備るてもよく、関節部は、互いに噛み合う１対の歯車と、この歯車をそれぞれ保持する１対のリンクと、この１対のリンクを転がり接触させる部材と、１対の歯車の距離を一定に保持する保持手段と、一方の歯車と一方の保持手段とを駆動する駆動手段とを備えるようにしてもよい。さらに、１対の歯車のうちの術具側の歯車に一体的に小歯車を形成し、この小歯車と噛み合う変形可能なラックと、このラックとピニオンを移動可能に保持するガイドを有するようにしてもよい。
【００１２】
上記目的を達成する本発明の他の特徴は、患者の状態を検出し可視化する画像診断機器と、患者の患部にアクセス可能な術具と、この術具を先端部に有するマニピュレータと、前記マニピュレータを駆動制御する制御部とを有し、マニピュレータは患者の体腔内で術具を屈曲および直動可能としたものである。そして画像診断機器はＭＲＩ装置であることが好ましく、術具の近傍であって取替え可能な直動術具をガイドするガイド部材に、ＭＲＩ装置が認識可能なマーカを配置するようにしてもよい。
【００１３】
上記目的を達成する本発明のさらに他の特徴は、患者の患部にアクセス可能な術具を先端部に有するマニピュレータであって、対向して配置された１対の転がり部材と、対をなす転がり部材の一方を他方の転がり部材に対して転がり運動させる第１の駆動手段と、１対の転がり部材の回転中心間距離を一定に保つ手段と、対をなす転がり部材のそれぞれと同軸に保持され互いに噛み合う１対のギアと、反術具側のギアを回転させる第２の駆動手段とを設けたことにある。
【００１４】
上記目的を達成する本発明のさらに他の特徴は、術具側に配置されたギアと同軸に形成した小歯車と、この小歯車に噛み合いフレキシブルに形成されたラックと、術具側に位置する転がり部材と同期して移動するラックガイドとを設けたことにある。そしてこの特徴において、フレキシブルなラックに術具を交換可能に連結し、ラックを駆動することにより術具を直動させ、術具を交換可能とするのがよい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、手術装置が備えるマニピュレータに屈曲可能な関節装置を設け、マニピュレータの先端部に位置する術具をワイヤ駆動とするとともに関節装置自体はワイヤを用いずに駆動するので、術具の姿勢範囲が増大し、マニピュレータの使い勝手が向上する。また、手術装置が小型化し手術装置のメンテナンス性も向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明に係る手術装置１０の一実施例を、図面を参照して説明する。図１に、手術装置を適用した手術システムを、ブロック図で示す。上下に磁石が対向して配置された開放型のＭＲＩ装置１０１では、水平方向に移動可能であって患者１０３を載置するベッド天板１０４が手術ベッド１２０上に配置されている。患者１０３の患部をＭＲＩ装置１２０の磁石間に設定した撮像位置に位置決めし、患部の画像をＭＲＩ装置１０１が撮像する。患部画像は共鳴信号として検出され、検出された信号は伝送路１１７を経てＭＲＩ制御部１１６に送信される。ＭＲＩ制御部１１６は、画像処理等の信号処理を施し、処理された信号は画像情報提示部１１３で画像１１２として提示される。
【００１７】
本実施例に示した手術装置１０は、ベッド天板１０４に一端部を固定された手術用マニピュレータ１０２を有している。マニピュレータ１０２は、信号回線１０６を介してマニピュレータ駆動部１０７に接続されている。マニピュレータ駆動部１０７には、伝送路１０８を介してマニピュレータ制御部１１５が接続されている。マニピュレータ制御部１１５は、伝送路１１４を介してＭＲＩ制御部１１６に、また伝送路１０９を介して操作入力装置１１０にも接続されている。
【００１８】
開放型ＭＲＩ装置１０１では、フロント信号を受信するＲＦ受信コイル１１９がリング状に設けられている。このＲＦ受信コイル１１９の外周側を覆って、ガイドフレーム１１８が設置されている。ガイドフレーム１１８は、ベッド１２０に取り付けられ長手方向に延びたガイドレール１０５に、任意の位置で固定可能になっている。ガイドレール１０５をガイドフレーム１１８に取り付けるときの取り付け位置情報を取得するために、位置センサを設ける。または、ガイドレールに目盛りを設ける。
【００１９】
術者１１１は、画像情報提示部１１３に示された画像１１２を見ながら操作入力装置１１０を操作する。術者１１１が操作入力装置１１０を操作すると操作入力信号が発生し、この操作入力信号は伝送路１０９を経てマニピュレータ制御部１１５に送られる。マニピュレータ制御部１１５は、この操作入力信号とマニピュレータ駆動部１０７が検出したマニピュレータ１０２が有する各関節の関節値情報とに基づいて、マニピュレータ１０２の動作指令制御信号を生成する。変換された動作指令制御信号は、伝送路１０８を経てマニピュレータ駆動部１０７に送られる。
【００２０】
マニピュレータ駆動部１０７は、詳細を後述する蛇管・ワイヤ駆動方式によりマニピュレータ１０２の各関節を駆動する動力を供給する。マニピュレータの各関節のデータは、マニピュレータ駆動部１０７に取り付けた図示しないセンサが検出する。検出されたデータは、伝送路１０８を介してマニピュレータ制御部１１５へ送信される。
【００２１】
マニピュレータ駆動部１０７とマニピュレータ制御部１１５は、開放型ＭＲＩ装置１０１が信号を検出するのを妨げないように、適切に電気的アイソレーションを施こす。マニピュレータ制御部１１５を、開放型ＭＲＩ装置１０１を覆って形成された図示しないシールドルームの外部に置く。そして、確実にシールドされた制御線および信号線を図示しない導波管内を通しマニピュレータ駆動部１０７に導く。もしくは、シールドルーム内および外に接地された導体パネルを設け、この導体パネルにコネクタを取り付けて信号を入出力する。手術用ベッド１２０およびマニピュレータ１０２がＭＲＩ装置１０１の近傍でも動作作可能であるように、その材質は非磁性である。例えば、強度の必要な金属部分にはチタンやジュラルミン、真鍮等を用い、その他の部分は低磁性かつ絶縁体であるエンジニアリングプラスチックなどを使用している。
【００２２】
図２に、図１で示した手術装置１０に用いるマニピュレータ１０２の詳細を、斜視図で示す。マニピュレータ１０２は、開放型ＭＲＩ装置１０１の撮像領域内に配置可能な程度に小型化されている。マニピュレータは、ガイドフレーム１１８にその基部を固定具２１４を用いて固定されている。固定具２１４をガイドフレーム１１８に固定するときの固定位置を検出するために、ガイドフレーム１１８に目盛りを設けるか、位置センサをガイドフレーム１１８またはマニピュレータ１０２の少なくともいずれかに設ける。
【００２３】
固定具２１４には、マニピュレータ１０２の基部の関節に用いる各部材を収納するマニピュレータフレーム２０８が取り付けられている。マニピュレータフレーム２１４の側面部および反固定具側の面には、図示しない画像診断装置がマニピュレータ１０２位置を認識できるように、マーカ２０７、２１０、２１５、２１６が取り付けられている。マーカ２０７…に基づいて検出したマニピュレータ１０２の位置は、画像診断装置に設定された座標系で表示される。画像診断装置に設定された座標系を、マニピュレータ１０２に設定された座標系に座標変換するかその逆の変換をして、画像診断装置にマニピュレータ１０２の情報をＣG等で表示可能にする。これにより、ＭＲＩ画像にマニピュレータ情報を写しこむことができる。
【００２４】
マニピュレータフレーム２０８に、図示しない軸受を介して、第１の関節の関節軸２１８が回転可能に取り付けられている。この関節軸２１８には、プーリ２１７が固定されている。プーリ２１７には、図示しない樹脂ワイヤが装架されている。樹脂ワイヤは、樹脂製フレキシブルチューブ２１９、２２０内を通って、後述するモータ５０７に導かれる。関節軸２１８の端部には、第２の関節のベース２１１が固定されている。第２の関節のベース２１１は、関節軸２１８と共に回転する。
【００２５】
長短２種類のリンク２２３、２２５が、その一端部において軸２１２、２０９を用いて第２の関節のベース２１１に回動可能に取り付けられている。長リンク２２３の他端部は、リンク２２８の一端部に軸２２４を用いて取り付けられている。同様に、短リンク２２６の他端部は、リンク２２７の一端部に軸２２６を用いて取り付けられている。リンク２２７、２２８の他端部は、術具軸２０５に取り付けたガイド８０２（図６参照）に軸２０４、２０３を用いて回動可能に取り付けられている。長リンク２２３は、中間部において短リンク２２６が取り付けられたリンク２２７にも、軸２１３を用いて取り付けられている。これにより、リンク２２７、２２８が平行に動くことが可能になっている。
【００２６】
術具軸２０５は、先端部に術具が取り付けられる屈曲・直動関節３００を先端部に有している。術具軸２０５のリンク２２７、２２８が取り付けられた側には、術具を駆動するためのワイヤが内部を挿通するフレキシブルチューブ２０１を複数本保持する術具駆動中継部２０２が設けられている。
【００２７】
リンク２２３、２２５、２２７、２２８および術具軸２０５は、平行リンクを構成する。したがって、長短リンク２２３、２２６を軸２０９、２１２周りに回転させると、術具軸２０５は、長短リンク２２３、２２６がベース２１１に対する角度と同一の角度をベース２１１に対して保ちながら移動する。
【００２８】
長リンク２２３をベース２１１に取り付ける軸２１２に図示しないプーリを固定し、このプーリに樹脂ワイヤを巻回する。プーリに巻回されたワイヤは、チューブ２２１、２２２２内を挿通して、駆動源に導かれる。軸２１２をワイヤで回転駆動すると、長リンク２２３が軸２１２周りに回動する。軸２０９に同軸に取り付けられた図示しないプーリにも、ワイヤが巻きつけられており、ワイヤはチューブ２２１、２２２に導かれている。ワイヤを引くと軸２０９が回動し、リンク２２６を動かす。このとき、リンク２２６とともに平行リンクを構成するリンク２２３も移動する。これに伴い、術具軸２０５はピボット運動する。
【００２９】
すなわち、ピボット運動のピボット点をＰとすると、術具軸２０５は点Ｐを中心として２方向Ａ、Ｂの向きに回転可能となっている。術具２０５を患者１０３の体腔内に挿入するときは、ピボット点Ｐの位置が体表上にあけた穴に一致するようにマニピュレータ１０２を初期設定する。これにより、体表上に大きな傷を作ることなく低侵襲手術が可能になる。なお、Ａ方向の運動は、軸２１８により生成されるので、このＡ方向の運動を生成する部材を関節Ａとも呼ぶ。同様に、Ｂ方向の運動は、長短リンク２２３、２２６とそれらの取り付け軸２１２、２０９により生成されるので、この運動を生成する部材を関節Ｂとも呼ぶ。
【００３０】
術具軸２０５の先端部に取り付ける屈曲・直動関節３００の概略構造と動作を、図３ないし図５を用いて以下に説明する。図３は、屈曲・直動関節３００と術具軸２０５とが一直線状になる屈曲・直動関節３００の基準位置における正面図であり、図４および図５は関節部を屈曲させたときの正面図である。屈曲・直動関節３００は、先端部に取り付けた穿刺針を直動および屈曲可能にする。
【００３１】
屈曲・直動関節３００は、一対の同形のギア３１２、３１５を有している。一対のギア３１２、３１５は、長円形のプレート３０６に取り付けたピン３１１、３１７に、互いに噛み合う状態で取り付けられる。一方のギア３１５と同軸に、このギア３１５と同期回転する小歯車３１６が取り付けられている。
【００３２】
小歯車３１６には、フレキシブルな樹脂製のラック３０３が噛み合っている。ここで、フレキシブルな樹脂製ラック３０３は、フレキシブルに曲がる樹脂性の棒にラックを形成したものである。ラックの３０３の先端には、穿刺針３０１を取り付けた柄３０２が接続されている。フレキシブルなラック３０３を固定せずに術具軸２０５に収めるために、術具軸２０５および軸受部材３０９には、ラック３０３をスムーズに通すスリットが形成されている。なお、穿刺針３０１先端を冷やしたり熱したりするために、電線や水路を柄３０２に設けるようにしてもよく、これらの電線や水路をフレキシブルなラック３０３に形成してもよい。
【００３３】
柄３０２の外周部には、この柄３０２の運動を規制する直動ガイド３０８が設けられている。直動ガイド３０８は、穿刺針３０１側の歯車３１５が取り付けられるピン３１７に取り付けられている。術具軸２０５の先端部には、対向して１対の突出部である軸受部材３０９が設けられており、この軸受部材３０９の中間部にはピン３１１の両端部を回転支持する軸受が保持されている。
【００３４】
術具軸２０５側のギア３１２の表側には、ギア駆動リンク３０８の一端側がピン３０７により回動可能に固定されている。プレート３０６の裏面側には、図示しないピンによりプレート駆動リンク３１０の一端側が、回動可能に固定されている。
【００３５】
一対のギア３１２、３１５では、外周部付近に外向きの３角形状のラベル３１３、３１４が貼られている。ラベル３１３、３１４は、屈曲・直動関節３００が真直ぐな姿勢をとる基準位置にあるときに、お互いが対向する位置に貼られている。小歯車３１６の外周部付近およびラック３０３にも、同様のラベル３０４、３０５が貼られている。このラベル３０４、３０５も、屈曲・直動関節３００が基準位置にあるときに、互いに対向するように貼られている。これらのラベル３０４、３０５、３１４、３１５は、各部の動きを視認できるようにする。
【００３６】
このように構成した屈曲・直動関節３００では、ギア駆動リンク３０８を動かすと、ギア３１２がピン３１１を中心として回転する。この状態を図４に示す。プレート駆動リンク３１０を術具軸２０５方向に引くと、プレート３０６は術具軸２０５側の歯車３１２が取り付けられたピン３１１を中心にに回転する。このとき、プレート３０６に取り付けたもう一方のピン３１７およびこのピン３１７に取り付けたギア３１５とピニオン３１６と直動ガイド３１８も、同時に動こうとする。
【００３７】
しかしながら、ギア駆動リンク３０８を動かさないとギア３１２は固定されたままであり、回転しない。そこで、プレート３０６にピン３１７を介して取り付けたギア３１５は、他方のギア３１２の周りを噛み合いながら回転し、プレート３０６の動きに従う。プレート３０６が軸受部材３０９に対して動いた角度だけ、直動ガイド３１８はプレート３０６に対してピン３１７を中心に回転する。したがって、ギア３１５がギア３１２の周りを４５度だけ回転すれば、直動ガイド３１８は軸受部材３０９に対して９０度傾く。
【００３８】
直動ガイド３１８がピン３１７周りに回転しても、ギア３１５と一体化した小歯車３１６は、直動ガイド３１８内に保持されたフレキシブルな樹脂製ラック３０３との噛み合い位置を変えない。その結果、フレキシブルな樹脂製ラック３０３に連結された穿刺針３０１と直動ガイド３１８との相対位置は不変となる。フレキシブルな樹脂製ラック３０３は端部側を軸受部材３０９の中にフリーに収納されている。したがって、フレキシブルな樹脂製ラック３０３は術具軸２０５の軸方向には移動可能であり、直動ガイド３１８が傾くと、屈曲して軸受部材３０９からいくらか引き出される。このように、穿刺針３０１の姿勢を傾ける屈曲駆動に対して、ラック３０３と小歯車３１６は干渉しない。
【００３９】
穿刺針３０１を術具軸２０５に対して傾けた後、穿刺針３０１を突き出す動作を図５を用いて説明する。プレート駆動用リンク３１０の位置を固定して、ギア駆動用リンク３０８を術具軸２０５側に動かす。術具軸２０５側のギア３１２は、ピン３１１を中心に回転する。術具２０５側のギア３１２と噛み合う穿刺針３０１側のギア３１５は、ピン３１７を中心として回転する。穿刺針３０１側のギア３１５と一体化した小歯車３１６も、ピン３１７を中心として回転する。小歯車１６の回転により、小歯車１６と噛み合う樹脂製ラック３０３は噛み合い位置を変え、図５の左側に押し出される。その結果、穿刺針３０１は柄３０２を介して突き出る。当然のことながら、ギア駆動用リンク３０８を穿刺針３０１側に動かせば、穿刺針３０１は直動ガイド３１８側に引き込まれる。
【００４０】
なお、穿刺針３０１の上記屈曲動作および進退動作の説明においては、説明を簡単にするため、屈曲・直動関節３００の部品を一部省略している。図６や図７のマニピュレータの斜視図では、その他の機構部品も示している。つまり、一対のギア３１２、３１５の噛み合いだけで屈曲・直動関節３００の姿勢を保持するのが困難な場合等を想定して、ピン３１７、３１２には、ギア３１２、３１４以外に転がり接触部材３０９ａ、３１８ａを取り付けている。転がり接触部材３０９ａ、３１８は、互いに接触する部分が半円形の所定厚さの平板である。転がり接触部材３１８ａ、３０９ａは、滑らずに転がり接触するので、直動ガイド３１８とプレート３０６の角度は保持される。また、穿刺針は長さ約５ｃm程度であり、柄３０２も２ｃm弱の長さである。
【００４１】
本実施例に示した屈曲・直動関節３００は、屈曲運動と直動運動を互いに干渉しないで実施できる。したがって、各軸を協調制御する必要がない。制御性の自由度が増す。また、プレート３０６とギア３１２、３１５を有する屈曲関節よりも先端部に位置する穿刺針３０１のような術具を駆動するときであっても、屈曲関節をワイヤが経由することなく術具を駆動できるので、ワイヤの疲労切断やたるみ等を回避でき、メンテナンス性が向上する。なお本実施例では、屈曲部の駆動やギアの駆動にリンク機構を用いているが、ワイヤやベルト等の駆動機構も利用できる。
【００４２】
図６に、マニピュレータ１０２の詳細を斜視図で示す。術具軸２０５および屈曲・直動関節３００は、４種の動き、すなわち術具軸２０５の直動Ｃおよび軸捻りＤ、屈曲・直動関節３００の屈曲Ｅおよび直動Ｆが可能である。術具軸２０５および屈曲・直動関節３００がこの４種の動きＣ〜Ｆが可能なので、屈曲・直動関節３００の先端は、位置および姿勢の６自由度を有する。これにより、体腔内で任意の位置姿勢をとることができる。
【００４３】
図７に、マニピュレータ１０２の一部を構成する屈曲・直動関節３００の詳細斜視図を示す。屈曲・直動関節３００の一部であって術具軸２０５の端部に位置する関節の外周部には、円筒形の直動ガイド３１８が設けられている。この直動ガイド３１８よりも先端側には中央部に穴のあいた蓋である穿刺針ガイド蓋６０２が配置されている。直動ガイド３１８と穿刺針ガイド蓋６０２は、２本の断面円弧形状の板である穿刺針ガイド６０１を両端で保持する。穿刺針ガイド６０１は、柄３０２の両側面に形成された突起を狭持する。穿刺針３０１は、穿刺針ガイド蓋６０２に形成された穴を進退する。
【００４４】
図３に詳細を示した穿刺針３０１とこれに接続する柄３０２、ラック３０３は一体化されて柄３０２の突起をガイドとして穿刺針ガイド６０１に沿う直動運動する。穿刺針３０１等の術具を交換するときは、穿刺針ガイド６０１と穿刺針ガイド蓋６０２とのねじ止めを外し、穿刺針ガイド蓋６０２を外す。その後、小歯車３１６を回転させてラック３０３を穿刺針３０１側の限界まで押し出し、穿刺針３０１等を穿刺針ガイド６０１から外す。
【００４５】
本実施例によれば、種類の異なる先端術具、例えば針径が異なるもの等を交換できる。また、穿刺針ガイド６０１と穿刺針ガイド蓋６０２とをネジ締結しているので、術具の取り出し及び交換が容易になる。また、穿刺針ガイド蓋６０２の先端部に、ＭＲＩのような診断装置が認識できるリング状のマーカ６０２ａを配置する。その際、リング状マーカ６０２ａの穴部を穿刺針３０１が通るようにマーカ６０２ａを配置する。マーカ６０２ａを配置したので、術具マニピュレータ座標系と診断装置座標系の較正や、ＭＲＩ画像上での目印等に利用できる。
【００４６】
ここで、２個の座標系の較正においては、術具マニピュレータ座標系で計算され、ＭＲＩ診断画像上に表示された術具先端位置と、実際に配置したマーカ６０２ａとの位置誤差により、マニピュレータの各関節の精度を較正または評価する。また、センシング寿命の短いマーカ６０２ａを使用しても、マーカ６０２ａを穿刺針３０１自身に取り付けていないので、マーカ６０２ａ交換の際に穿刺針３０１を分解する必要がなく、マーカ６０２ａの交換が容易になる。
【００４７】
図７から図１０に、屈曲・直動関節３００の詳細を示す。図７はマニピュレータ１０２の一部をなす屈曲・直動関節３００の詳細斜視図、図８は屈曲・直動関節３００に用いる駆動源の斜視図、図９は術具駆動中継部２０２の分解斜視図であり、図１０に図９の内部を斜視図で示す。
【００４８】
図６に示す直動Ｃを達成するために、マニピュレータ１０２は、以下の構成を有している。マニピュレータ１０２の基部側に配置した角柱状のリンク２２７、２２８は、それぞれ１対の突出部２２７ａ、２２８ａを側端部に有しており、この突出部２２７ａ、２２８ａの突出端近傍にはピン２０３、２０４を回転支持する軸受が保持されている。ピン２０３、２０４は、図９に詳細形状を示す断面Ｔ型の板状の直動ガイド８０６および断面Ｆ型の板状の直動ガイド８１４とリンク２２７、２２８とを接続している。リンク２２７、２２８は直動ガイド８１４、８０６に対して回転自由である。
【００４９】
直動ガイド８０６、８１４の線状の突起は、互いに内側を向いて配置されており、この突起に嵌合する溝がそれぞれ形成された直動コマ８０７、８１３が、直動ガイド８０６、８１４の内側に配置されている。一方の直動コマ８１３の反術具側には、フレキシブルなラック８１６が連結されている。ラック８１６は、図示しないガイドチューブ内を通ってＭＲＩ装置外部に配置された図示しない超音波モータまで導かれる。そして、超音波モータ軸に取り付けたピニオンと噛み合っている。ラック８１６を超音波モータで動かすと、直動コマ８１３は直動ガイド８１４上を直動Ｃする。
【００５０】
図６に示す軸捻りＤを達成するために、マニピュレータ１０２は以下の構成を有している。図９に示すように、術具軸２０５の反穿刺針側端部には、段付き円筒状に形成された術具アダプタ８１０が配置されている。術具アダプタ８１０の上面にはフランジ８１１が設けられており、フランジ８１１の４角に形成した穴に段付きのスペーサ軸８０４ａ〜８０４ｄが嵌合する。スペーサ軸８０４ａ〜８０４ｄの上端にも段が形成されており、４角部に穴が形成されたフランジ部材である術具捻り軸ガイド８０２の穴に嵌合する。
【００５１】
術具捻り軸ガイド８０２は、円柱状のギアワイヤ変換ガイド８１５の軸方向中間部に位置している。術具捻り軸ガイド８０２では、その下面に円柱状の突起８０２ａ〜８０２ｄが形成されており、この突起８０２ａ〜８０２ｄは、直動コマ８０７、８１３の上下両端面に形成された穴８１３ａ〜８１３ｄに嵌合する。ギアワイヤ変換ガイド８１５の上面には穴が形成されており、その内部に設けた駆動機構を駆動するワイヤが挿通された樹脂製フレキシブルチューブ２０１ａ〜２０１ｄがこの穴を貫通する。
【００５２】
フランジ８１１と術具捻り軸ガイド８０２の間に形成される空間であって、図９の奥側には、図示しないプーリと一体化したギア８０５が配置されており、このギア８０５はギアワイヤ変換ガイド８１５に形成した図示しないギア部に噛み合う。ギア８０５と一体化したプーリには、樹脂製フレキシブルチューブ８０１ａ、８０１ｂを挿通する図示しない樹脂ワイヤが巻回されている。蛇管・ワイヤ駆動方式により樹脂ワイヤを駆動すると、プーリ及びギア８０５が回転し、ギア８０５に噛み合うギアワイヤ変換ガイド８１５が回転する。これにより、術具軸２０５の軸捻りＤを発生する。
【００５３】
円柱状のギアワイヤ変換ガイド８１５の下端部は、術具アダプタ８１０のフランジ８１１に形成した穴に着脱可能に嵌合する。ギアワイヤ変換ガイド８１５と術具アダプタ８１０とを嵌合したときは、ギア４０２、４０８はギア８０８、８０９に噛み合う。このように脱着可能な構造としたので、屈曲・直動関節３００を含む術具２０５の交換が容易になり、メンテナンス性が向上する。また、術具部２０５だけを取り外すために、ギア４０２、４０８と噛み合うギアを有する術具であれば、術具先端形状が他の形状であっても使用できる。これにより、術具形状の制約が減り、多種の術具を使用可能になる。また、術具を取り外し可能であるから、駆動部を滅菌することなく術具だけを滅菌すればよく、滅菌の手間が省けるとともに、滅菌装置を小型化できる。。
【００５４】
図１０に、ギアワイヤ変換ガイド８１５の内部構造を示す。ギアワイヤ変換ガイド８１５に形成した穴を通って導かれたフレキシブルチューブ２０１ａ〜２０１ｄ内の樹脂ワイヤ４０１、４０９を装架するプーリ４０３、４０７が同一のピン４０４に形成されている。このプーリ４０３、４０７よりも大径のギア４０２、４０８が、プーリ４０３、４０７よりも軸方向内側にピン４０４およびプーリ４０３、４０７と一体に形成されている。
【００５５】
ギア４０２と噛み合うギア８０８およびギア４０８と噛み合うギア８０９が、各ギア４０２、４０８に隣り合って配置されている。ギア８０８、８０９は、術具アダプタ８１０の内部に、ピン４０５、４０６を介して保持される。ギア８０８、８０９の内側面には、屈曲・直動関節３００を駆動するリンク３０８、３１０の一端部が図示しないピンにより回転自由に取り付けられている。
【００５６】
ワイヤ４０１、４０９は、図８に示す超音波モータ５０８に取り付けたプーリ５０６に導かれる。超音波モータ５０８には減速器５０７が取り付けられており減速器５０７の出力軸にはプーリ５０６が取り付けられている。減速器５０７の側部には、モータ５０８を取り付けるためのブラケット５０３が取り付けられている。プーリ５０６に導かれたワイヤは４０１（４０９）は、蛇管・ワイヤ駆動方式により駆動される。樹脂ワイヤ４０１、４０９を駆動すると、プーリ４０３、４０７およびそれと一体化したギア４０２、４０８が、ピン４０４を軸として回転する。
【００５７】
屈曲・直動関節３００を駆動するリンク３０８、３１０をギア８０８、８０９に取り付ける図示しないピンとピン４０５、４０６との軸中心間距離は、図３に示すギア駆動リンク３０８の端部固定用ピン３０７とギア固定用ピン３１１間の距離に等しく、この距離はギア駆動リンク３０８の端部固定用ピン３０７とプレート駆動リンク３１０の図示しない端部固定用ピン間の距離にも等しい。これにより、ギアワイヤ変換ガイド８０５内に収めたギア８０８、８０９が回転すると、屈曲・直動関節内のギア３１２およびプレート３０６が駆動される。
【００５８】
本発明に係る手術装置の他の実施例を、図１１および図１２を用いて説明する。本実施例が上記実施例と異なるのは、先端術具部の自由度が１だけ増えたことにある。これにより、術具は、先端３自由度を有する術具となる。図１１は、屈曲・直動関節３００の代わりに用いる、屈曲・把持関節９００の斜視図である。図１２は、屈曲・把持関節９００が有する術具筒９０６等のカバー部を取り去った要部の斜視図である。屈曲・直動関節３００同様に屈曲運動Ｇができるとともに、この屈曲運動Ｇと干渉せずに鋏またはピンセットを模擬した把持運動Ｈ、Ｉが可能になっている。２自由度の把持運動Ｈ、Ｉを協調して実行して、把持が可能になる。
【００５９】
屈曲・把持関節９００は、術具軸２０５との連結部側端部に、術具軸２０５側に設けたギアに噛み合う３個のギア９０１〜９０３を有している。ギア９０１〜９０３は、同一のピン９２０に取り付けられている。最左側に位置するギア９０１の外側面には、２本のリンク９２５、９２６が、最右側に位置するギア９０３の外側面には、２本のリンク９０５、９０６がそれぞれ平行に配置されている。中央に位置するギア９０２の一方の側面にも、２本の９２６、９１０が平行に配置されている。これらのリンク９２５〜９２７、９０５、９０６、９１０は、端部を回転自由にピンでギア９０１〜９０３の側面に取り付けられている。なお、ギヤ９０１〜９０３は噛み合い部の幅方向厚さを厚く、リンク９２５〜９２７、９０５、９０６の可動範囲の部分は幅方向厚さを薄くしている。同様に、リンク９２５〜９２７、９０５、９０６、９１０側も、ギヤ９０１〜９０３に対向する部分の厚さを薄くしている。これにより、屈曲・把持関節９００の小型化を図っている。リンク９２５〜９２７、９０５、９０６、９１０の外周部は、術具筒９０６により覆われている。
【００６０】
リンク９２５〜９２７、９０５、９０６、９１０の他端部は、軸９０８に同軸に取り付けたギア９２４、９０７およびローラ９３１の側面に図示しないピンで回転自由に取り付けられている。したがって、リンク９２５〜９２７、９０５、９０６、９１０及びギア９０１〜９０３、９２４、９０７、ローラ９３１は３個の平行リンク機構を構成する。ギア９０３の回転角度が大きくなると、平行リンクを構成するリンク９０４、９０５が相互に干渉し、ギア９０３の回転が阻害される。ギア９０１〜９０３の回転可能角度は、リンク９０４、９０５の太さにも依存するが、およそ±６０度程度に限られる。
【００６１】
なお、リンク９０４とリンク９０５を、ギア９０３を挟んで互いに反対側に配置すれば、リンク９０４、９０５の干渉を回避できる。しかし、ギア９０３の回転角度が大きくなると、今度は軸９２０にリンク９０４、９０５と干渉するので、結局ギア９０１〜９０３の回転可能角度はおよそ±６０度程度に限られる。
【００６２】
リンク９２５〜９２７、９０５、９０６、９１０の下端部は、上端部と同様に、ギア９０７、９２４との対向部及びローラ９３１に対向する部分の厚さを薄くしている。ギア９０７、９２４およびローラ９３１も噛み合い部または駆動プレート９２３との接触部の軸方向厚さを厚くし、その他の部分の厚さを薄くしている。ギア９０７、９２４およびローラ９３１を取り付けた軸９０８の両端部は、摩擦抵抗を減らすスペーサ９１１を介して術具筒９０６に保持されている。
【００６３】
ギア９２４に噛み合うギア９２１と、ギア９０７に噛み合うギア９１４と、ローラ９３１に接触しローラ外形形状と同じ形状が部分的に形成された駆動プレート９２２が、同一の軸９１３に取り付けられている。ギア９２１は先端側でさらに小歯車９１９に、ギア９１４も先端側でさらに小歯車９１６に噛み合っている。小歯車９１６、９１９は同一の軸９１５に間隔を置いて取り付けられている。ギア９１６は軸９１５に対して回動自由であり、ギア９１９も軸９１５に対して回転自由である。したがって、ギア９１６とギア９１９は干渉することなく、それぞれ独立に回転可能である。
【００６４】
軸９１３、９１５の両端部は、先端部ブラケット９１２に保持されている。術具筒９０６の先端部の内側および先端部ブラケット９１２の術具筒９０６側の内側には、術具筒９０６側と術具部とを接続するプレート９２２、９０９が配置されている、これらのプレート９２２、９０９を、軸９０８、９１３が貫通している。
【００６５】
なお、術具筒９０６および先端部ブラケット９１２がそれぞれ対向する側であって、軸９０８、９１３方向の中間部には、互いに噛み合うギア９０６ａ、９１２ａが部分的に形成された転がり接触部が形成されている。この転がり接触部により、術具筒９０６部と術具部とは、滑らずに転がり接触しながら回転できる。本実施例では転がり接触部にギア９０６ａ、９１２ａを用いているが、ギア９０６ａ、９１２ａの代わりに、滑らずに転がり接触する円板や、ゴム等を表面に貼り付けた滑らずに転がり接触する反円板同士を用いてもよい。転がり接触部は、ピン９０８、９１３を中心とする半円状に形成する。
【００６６】
小歯車９１９、９１６の軸方向内側であって軸９１５には、かさ小歯車９１９ａ、９１６ａが間隔を置いて取り付けられている。２個のかさ小歯車９１９ａ、９１６ａの双方に噛み合うかさ小歯車９１８ａが軸９１５の下方に配置されている。図１２では図示を省略しているが、かさ小歯車９１９ａ、９１６ａの双方に噛み合うもう１つのかさ小歯車９１７ａが軸９１５の上方に配置されている。したがって、かさ小歯車９１６ａ〜９１９ａは、差動歯車装置を構成する。
【００６７】
上下に配置したかさ小歯車９１７ａ、９１８ａには、周方向１箇所に外周側に突き出た把持部９１７、９１８がかさ小歯車９１７ａ、９１８ａと一体的に形成されている。把持部９１７、９１８は、先端部ブラケット９１２に上方に突起して設けたピン９１２ｂおよび下方に突起して設けたピンの周りに回転する。なお、軸方向に並べて配置したギアやロータ、例えばギア９２４とロータ９３１間、ロータ９３１とギア９０７間には、摩擦抵抗を低減するために、スペーサ９１１のような部材を随時挟んでいる。
【００６８】
このように構成した術具筒部及び術具部では、ギア９０２を回転させると、平行リンク機構により駆動プレート９２３が軸９０８を中心に回転しようとする。このとき、駆動プレート９２３に接続されている軸９１３は、軸９０８を中心に、軸９０８と軸９１３間の距離を保ちながら公転運動しようとする。軸９１３に連結された先端部ブラケット９１２も同様に回転しようとするが、ギア９０６ａとギア９１２ａが噛み合っているので、先端部ブラケット９１２は、軸９０８を中心とした公転運動をしながら、軸９１３周りに自転運動する。術具筒９０６のギア９０６ａと先端部ブラケット９１２のギア９１２ａが、転がり接触しながら回転する。
【００６９】
ギア９０１、９０３の位置が固定されているので、ギア９２４とギア９２１、ギア９０７とギア９１４も同様に転がり接触しながら回転する。この運動は図３、４に示した屈曲運動と同じである。ギア９２１、９１４は、先端部ブラケット９１２との相対的位置を変えていないので、ギア９２１、９１４および把持部９１８、９１７は所定位置を保ちながら屈曲運動する。
【００７０】
把持運動Ｈ、Ｉのためには、両端のギア９０１、９０３を駆動する。例えば、左端側のギア９０１を動かすと、ギア９２４が駆動される。それに伴い、ギア９２１、９１９、かさ歯車９１９ａ、９１８ａ、及び把持部９１８が駆動され、屈曲運動Ｇとは独立に把持運動Ｉが実行される。同様に、右端側のギア９０３を動かすと、ギア９０７が駆動される。ギア９１４、９１６、かさ歯車９１６ａ、９１７ａおよび把持部９１７が駆動され、屈曲運動Ｇとは独立に把持運動Ｈが実行される。
【００７１】
なお、ギア９１６、９１９と一体化したかさ歯車９１６ａ、９１９ａの径をそれぞれ変えて、把持部９１７、９１８と一体化したかさ歯車９１７ａ、９１８ａの干渉を防止する。ぎ、関節Hと関節Iの動きも独立に駆動可能としているここで、ギア９１４とギア９１６の減速比を１．５に設定すれば、ギア９０３、９０７、９１４可動範囲を±６０度にしても、把持部９１７では±９０度の動きが可能になる。把持部９１８についても同様である。
【００７２】
本実施例によれば、リンクと転がり接触機構を用いて術具先端の動きを実現したので、術具先端の３自由度をワイヤを用いずに独立に駆動できる。術具部にワイヤを用いないので、ワイヤのたるみや疲労に起因する切断等のおそれがなく、医療用マニピュレータの制御性およびメンテナンス性が向上する。また、関節を独立に駆動できるので、マニピュレータの制御性の向上および安定性の向上が可能になる。
【００７３】
本発明に係る屈曲・直動関節１０００の他の実施例を、図１３に斜視図で示す。上記実施例では平行リンク機構を用いて屈曲・直動関節を駆動していたが、本実施例ではラックアンドピニオン機構を用いてマニピュレータを駆動している。屈曲・直動関節１０００では、術具軸２０５への取り付け端である根元部をブラケット１０３２が覆っている。根元部と、先端部である術具部との間を円筒状のブラケット１０３３および図示しない円筒状のブラケットで覆った中間部が、接続している。図示しないブラケットは、根元部のブラケット１０３２と中間部のブラケット１０３３間の距離を一定に保持する。
【００７４】
根元側端部には、術具軸から術具部へ動力を伝達するために、複数のギア１００１〜１０２１が、軸１０３１に同軸に取り付けられている。ギア１００１とギア１０１１間には、ピニオン１００１ａが、ギア１０１１とギア１０２１間にはピニオン、１０１１ａ、１０２１ａが配置されている。ギア１００１とピニオン１００１ａ、ギア１０１１とピニオン１０１１ａ、ギア１０２１とピニオン１０２１ａとはそれぞれ一体化されている。
【００７５】
各ピニオン１００１ａ〜１０２１ａには、術具側に延びるラック１００２〜１０２２の一端側がそれぞれ噛み合っている。ラック１００２〜１０２２の他端側は、屈曲・直動関節術具１０００の中間部に配置したピニオン１００３ａ〜１０２３ａにそれぞれ噛み合っている。ピニオン１００３ａはギア１００３と、ピニオン１０１３ａはギア１０１３と、ピニオン１０２３ａはギア１０２３とそれぞれ一体化されている。これらのピニオン１００３ａ〜１０２３ａおよびギア１００３〜１０２３は、中間部の第１の軸１０３４に取り付けられている。
【００７６】
中間部の第１の軸１０３４の両端部側に配置したギア１００３、１０２３と噛み合うギア１００４、１００２４が、第１の軸１０３４に平行でより術具側に配置した第２の軸１０３５に取り付けられている。第１の軸１０３４の中間に配置したギア１０１３は、駆動プレート１０１４の一部に形成された歯車部に噛み合っている。駆動プレート１０１４も、第２の軸１０３５に取り付けられている。中間部の第２の軸１０３５の両端部であってギア１００４、１００２４よりも軸方向内側には長円形状のプレート１０４１、１０４２が取り付けられている。中間部のブラケット１０３３の術具側端部であって周方向に２箇所には、第２の軸１０３５と同心の歯車１０３３ａが部分的に形成されている。
【００７７】
中間部の術具側端部は、術具側に取り付けたギア噛み合っている。すなわち、術具側の両外側面には、長円形の先端ブラケット１０３６が配置されており、この先端ブラケット１０３６の中間部側端部には部分的に、歯車１０３６ａが形成されている。先端ブラケット１０３６には、術具部の第１の軸１０３７、術具側の第２の軸１０３８が取り付けられている。術具側の第１の軸１０３７には、中間部の第２の軸１０３５に取り付けたギア１００４、１０２４に噛み合うピニオン１００５、１００２５および長円形状のプレート１０４１、１０４２が取り付けられている。
【００７８】
術具およびそれを取り付ける部分は、図１１および図１２に示したのと同様の構成である。つまり、術具側の第２の軸には、先端ブラケット１０３６側から内側に、順にギア１００６、１００２６、かさ歯車１００６ａ，１０２６ａが取り付けられている。ギア１００６とかさ歯車１００６ａ、ギア１０２６とかさ歯車１０２６ａとは一体化されている。ギア１００６は、術具側の第１の軸１０３６に取り付けたギア１００５と、ギア１０２６はギア１０２５と噛み合っている。
【００７９】
かさ歯車１００６ａ、１０２６ａを取り付ける第２の軸１０３８に直交する方向に延びる軸１０３９には、ブレード１００７、１０２７と一体化されたかさ歯車１００７ａ、１０２７ａが対向して取り付けられている。直交する方向のかさ歯車１００７ａ、１００２７ａが取り付けられた軸１０３９は、術具側の第２の軸１０３６に取り付けられている。
【００８０】
なお、中間部に配置したブラケット１０３３と、術具側に配置した先端ブラケット１０３６では、長円形状のプレート１０４１、１０４２および駆動プレート１０１４により、中間部の第２の軸１０３５と術具側の第１の軸１０３７間の距離が一定に保たれている。また、中間部に配置したブラケット１０３３と、先端ブラケット１０３６とは、各々に形成された歯車１０３３ａ、１０３６ａが噛み合っているので、滑らずに転がり接触する。
【００８１】
このように構成した屈曲・直動関節１０００の動作を、以下に説明する。根元側の軸１０３１に取り付けたギア１００１を回転駆動すると、ピニオン１００１ａが回動し、ラック１００２をこの屈曲・直動関節１０００の軸線方向に移動させる。すると、中間部の第１の軸１０３４に取り付けたピニオン１００３ａが回動し、このピニオン１００３ａと一体化されたギア１００３も回動する。
【００８２】
ギア１００３〜１００６はギアトレインを構成しているから、ギア１００６と一体化されたかさ歯車１００６ａも回動する。かさ歯車１００６ａは上側のかさ歯車１０２７ａに噛み合っているので、かさ歯車１０７ａと一体化した上側のブレード１００７が揺動運動する。同様に、ギア１０２１を回転駆動すると、下側のブレード１０２７が揺動運動する。
【００８３】
根元側の軸１０３１の中間部に配置したギア１０１１を回転駆動すると、ギア１００１、１０２１の場合と同様に、中間部の第１の軸１０３４に取り付けたギア１０１３が回動する。このギア１０１３には、駆動プレート１０１４に部分的に形成された歯車が噛み合っているから、駆動プレート１０１４が回動する。駆動プレート１０１４は術具側の第１の軸１０３７にも取り付けられているので、術具側の第１の軸１０３７は中間部の第２の軸１０３５を中心に回動する。その際、中間部の第２の軸１０３５と術具側の第１の軸１０３７の間の距離は、駆動プレート１０１４により一定に保たれる。
【００８４】
なお、先端ブラケット１０３６に形成した歯車１０３６ａと中間部のブラケット１０３３に形成した歯車１０３３ａが噛み合っているから、ブラケット１０３６、１０３３同士は滑らずに転がり接触する。したがって、先端ブラケット１０３６は、術具側の第２の軸１０３６の周りを自転しながら、中間部の第２の軸１０３５の周りを公転する。
【００８５】
ギアとレインを構成する術具側の第１の軸１０３７に取り付けたギア１００５、１０２５は、中間部の第２の軸１０３５に取り付けたギア１００４、１００２４の周りを滑らずに転がり接触しながら公転するから、駆動プレート１０１４の動きに何ら影響を与えない。したがって、術具を構成するブレード１００７、１０２７は、術具部の屈曲運動と独立して、回動運動できる。
【００８６】
本実施例によれば、関節を屈曲運動させた後にこの屈曲運動をさせる関節に直交して配置した揺動軸に設けた術具を揺動運動させることができる。したがって、各運動が干渉することがない。また、駆動動力にワイヤを使用していないので、ワイヤのたるみや摩耗、切断の恐れがなく、メンテナンス性に優れている。
【図面の簡単な説明】
【００８７】
【図１】本発明に係る手術システムの一ブロック図。
【図２】図１に示した手術システムに用いる手術支援マニピュレータの斜視図。
【図３】関節装置の動作を説明する図で、その正面図。
【図４】関節装置の動作を説明する図で、その正面図。
【図５】関節装置の動作を説明する図で、その正面図。
【図６】図１に示した手術システムに用いる術具マニピュレータの斜視図。
【図７】図１に示した手術システムに用いる術具マニピュレータの先端部の斜視図。
【図８】図６に示した術具マニピュレータに用いるワイヤ駆動部の斜視図。
【図９】図６に示した術具マニピュレータに用いる術具駆動部の分解斜視図。
【図１０】図８に示した術具駆動部の内部の斜視図。
【図１１】図６に示した術具マニピュレータに用いる術具の他の実施例の斜視図。
【図１２】図１１に示した術具の内部の斜視図。
【図１３】本発明に係る術具マニピュレータの他の実施例の斜視図。
【符号の説明】
【００８８】
１０…手術装置、１０１…開放型ＭＲＩ装置、１０２…マニピュレータ、１０３…患者１０４…ベッド天板、１０５…レール、１０６…伝送路、１０７…マニピュレータ駆動部、１０８、１０９…伝送路、１１０…操作入力部、１１１…術者、１１２…画像、１１３…画像情報提示部、１１４…伝送路、１１５…制御部、１１６…ＭＲＩ制御部、１１７…伝送路、１１８…ガイドフレーム、１１９…ＲＦコイル、１２０…ベッド台座、２０１…フレキシブルチューブ、２０２…術具駆動中継部、２０３、２０４…軸、２０５…術具軸、２０７…マーカ、２０８…マニピュレータフレーム、２０９…軸、２１０…マーカ、２１１…ベース、２１２、２１３…軸、２１４…固定具、２１５、２１６…マーカ、２１７…プーリ、２１８…関節軸、２１９、２２０…フレキシブルチューブ、２２１、２２２…チューブ、２２３、２２４…軸、２２５〜２２８…リンク、３００…屈曲・直動関節、３０１…穿刺針、３０２…柄、３０３…樹脂製ラック、３０４、３０５…ラベル、３０６…プレート、３０７…ピン、３０８…ギア駆動リンク、３０９…軸受部材、３０９ａ…ガイド部材、３１０…プレート駆動リンク、３１１…ピン、３１２〜３１５…ギア、３１６…小歯車（ピニオン）、３１７…ピン、３１８…直動ガイド、３１８ａ…ガイド部材、４０１…樹脂ワイヤ、４０２…ギア、４０３…プーリ、４０４〜４０６…ピン、４０７…プーリ、４０８…ギア、４０９…樹脂ワイヤ、５０７…モータ、６０１…穿刺針ガイド、６０２…穿刺針ガイド蓋、６０２ａ…マーカ、８０１ａ、８０１ｂ…フレキシブルチューブ、８０２…術具捻り軸ガイド、８０２ａ〜８０２ｄ…突起、８０５…ギア、８０６…直動ガイド、８０７…直動コマ、８０７ａ、８０７ｂ…穴、８０８、８０９…ギア、８１０…術具アダプタ、８１３…直動コマ、８１１…フランジ、８１３ｃ、８１３ｄ…：穴、８１４…直動ガイド、８１５…ギアワイヤ変換ガイド、８１６…ラック、９０１〜９０３…ギア、９０４〜９０６…リンク、９０６ａ…転がり接触部、９０７…ギア、９０８…ブラケット、９０９…プレート、９１０…リンク、９１１…スペーサ、９１２…ブラケット、９１３…軸、９１４…ギア、９１５…軸、９１６…ギア、９１７、９１８…把持部、９１９…ギア、９１９ａ…かさ歯車、９２０…軸、９２１…ピン、９２２…プレート、９２３…駆動プレート、９２４…ギア、９２５〜９２７…リンク、１００１…ギア、１００１ａ…ピニオン、１００２…ラック、１００３…ギア、１００３ａ…ピニオン、１００４〜１００６…ギア、１００６ａ…かさ歯車、１００７…ブレード、１００７ａ…かさ歯車、１０１１ａ…ピニオン、１０１２…ラック、１０１４…駆動プレート、１０２１…ギア、１０２１ａ…ピニオン、１０２２…ラック、１０２３…ギア、１０２３ａ…ピニオン、１０２４〜１０２６…ギア、１０２６ａ…かさ歯車、１０２７…ブレード、１０２７ａ…かさ歯車、１０３１…軸、１０３２、１０３３…ブラケット、１０３４、１０３５…軸、１０３６ａ…ギア、１０３７〜１０３９…軸。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端３自由度を有するマニピュレータを備えた手術装置において、前記マニピュレータは患者の体腔内で屈曲運動と直動または揺動運動が可能な複数の関節部を有し、この関節部に関節部外からリンク機構とラックアンドピニオン機構の少なくともいずれかの機構を用いて動力伝達することを特徴とする手術装置。
【請求項２】
前記関節部は、互いに噛み合う１対の歯車と、この１対の歯車を取り付けた板状部材と、前記１対の歯車のいずれか一方に一体的に形成した小歯車と、この小歯車と噛み合う変形可能なラックと、前記一対の歯車の他方に一端部を取り付けた第１のリンクと、前記板状部材に一端部を取り付けた第２のリンクとを有し、前記第１のリンクを駆動して屈曲運動を、前記第２のリンクを駆動して直動運動を可能としたことを特徴とする請求項１に記載の手術装置。
【請求項３】
前記第１、第２のリンクの他端部に被動ローラまたは被動歯車を取り付け、この被動ローラまたは被動歯車に転がり接触する駆動ローラまたは駆動歯車を設け、前記駆動ローラまたは前記駆動歯車を駆動するプーリ及びこのプーリに装架されたフレキシブルワイヤとを有することを特徴とする請求項２に記載の手術装置。
【請求項４】
前記関節部は、互いに噛み合う２対の歯車と、この２対の歯車を１対ずつ別個に取り付けた板状部材と、２対の歯車間に配置され互いに転がり接触するローラ及び板状部材と、前記対を成す歯車の一方に噛み合い、かさ歯車が一体的に形成された小歯車と、この小歯車と一体的に形成した第１のかさ歯車に噛み合い、外径方向に延びる把持部を有する第２のかさ歯車とを備え、前記ローラを駆動して屈曲運動を、前記対をなす歯車を駆動して把持運動を可能としたことを特徴とする請求項１に記載の手術装置。
【請求項５】
患者の状態を検出し可視化する画像診断機器と、患者の患部にアクセス可能な術具と、この術具を先端部に有するマニピュレータと、前記マニピュレータを駆動制御する制御部とを有し、前記マニピュレータは患者の体腔内で術具を屈曲および直動可能としたこと特徴とする手術装置。
【請求項６】
患者の患部にアクセス可能な術具を先端部に有するマニピュレータであって、対向して配置された１対の転がり部材と、対をなす転がり部材の一方を他方の転がり部材に対して転がり運動させる第１の駆動手段と、１対の転がり部材の回転中心間距離を一定に保つ手段と、対をなす転がり部材のそれぞれと同軸に保持され互いに噛み合う１対のギアと、反術具側のギアを回転させる第２の駆動手段とを設けたことを特徴とするマニピュレータ。
【請求項７】
術具側に配置されたギアと同軸に形成した小歯車と、この小歯車に噛み合いフレキシブルに形成されたラックと、術具側に位置する前記転がり部材と同期して移動するラックガイドとを設けたことを特徴とする請求項６に記載のマニピュレータ。
【請求項８】
前記フレキシブルなラックに術具を交換可能に連結し、前記ラックを駆動することにより術具を直動させ、術具を交換可能としたことを特徴とする請求項７に記載のマニピュレータ。
【請求項９】
前記画像診断機器はＭＲＩ装置であることを特徴とする請求項５に記載の手術装置。
【請求項１０】
前記術具の近傍であって取替え可能な直動術具をガイドするガイド部材に、ＭＲＩ装置が認識可能なマーカを配置したことを特徴とする請求項９に記載の手術装置。
【請求項１１】
前記マニピュレータは先端部に術具を保持可能であり、前記関節部は、対向して配置した１対の転がり部材と、この転がり部材の一方を他方の転がり部材に対して転がり運動させる第１の駆動手段と、前記１対の転がり部材間の距離を保持する保持手段と、前記転がり部材の各々と同軸に形成され互いに噛み合う１対の歯車と、反術具側の歯車を駆動する第２の駆動手段とを備えたことを特徴とする請求項１に記載の手術装置。
【請求項１２】
前記関節部は、互いに噛み合う１対の歯車と、この歯車をそれぞれ保持する１対のリンクと、この１対のリンクを転がり接触させる部材と、前記１対の歯車の距離を一定に保持する保持手段と、一方の歯車と一方の保持手段とを駆動する駆動手段とを備えたことを特徴とする請求項１に記載の手術装置。
【請求項１３】
前記１対の歯車のうちの術具側の歯車に一体的に小歯車を形成し、この小歯車と噛み合う変形可能なラックと、このラックとピニオンを移動可能に保持するガイドを有することを特徴とする請求項１１に記載の手術装置。
【請求項１】
先端３自由度を有するマニピュレータを備えた手術装置において、前記マニピュレータは患者の体腔内で屈曲運動と直動または揺動運動が可能な複数の関節部を有し、この関節部に関節部外からリンク機構とラックアンドピニオン機構の少なくともいずれかの機構を用いて動力伝達することを特徴とする手術装置。
【請求項２】
前記関節部は、互いに噛み合う１対の歯車と、この１対の歯車を取り付けた板状部材と、前記１対の歯車のいずれか一方に一体的に形成した小歯車と、この小歯車と噛み合う変形可能なラックと、前記一対の歯車の他方に一端部を取り付けた第１のリンクと、前記板状部材に一端部を取り付けた第２のリンクとを有し、前記第１のリンクを駆動して屈曲運動を、前記第２のリンクを駆動して直動運動を可能としたことを特徴とする請求項１に記載の手術装置。
【請求項３】
前記第１、第２のリンクの他端部に被動ローラまたは被動歯車を取り付け、この被動ローラまたは被動歯車に転がり接触する駆動ローラまたは駆動歯車を設け、前記駆動ローラまたは前記駆動歯車を駆動するプーリ及びこのプーリに装架されたフレキシブルワイヤとを有することを特徴とする請求項２に記載の手術装置。
【請求項４】
前記関節部は、互いに噛み合う２対の歯車と、この２対の歯車を１対ずつ別個に取り付けた板状部材と、２対の歯車間に配置され互いに転がり接触するローラ及び板状部材と、前記対を成す歯車の一方に噛み合い、かさ歯車が一体的に形成された小歯車と、この小歯車と一体的に形成した第１のかさ歯車に噛み合い、外径方向に延びる把持部を有する第２のかさ歯車とを備え、前記ローラを駆動して屈曲運動を、前記対をなす歯車を駆動して把持運動を可能としたことを特徴とする請求項１に記載の手術装置。
【請求項５】
患者の状態を検出し可視化する画像診断機器と、患者の患部にアクセス可能な術具と、この術具を先端部に有するマニピュレータと、前記マニピュレータを駆動制御する制御部とを有し、前記マニピュレータは患者の体腔内で術具を屈曲および直動可能としたこと特徴とする手術装置。
【請求項６】
患者の患部にアクセス可能な術具を先端部に有するマニピュレータであって、対向して配置された１対の転がり部材と、対をなす転がり部材の一方を他方の転がり部材に対して転がり運動させる第１の駆動手段と、１対の転がり部材の回転中心間距離を一定に保つ手段と、対をなす転がり部材のそれぞれと同軸に保持され互いに噛み合う１対のギアと、反術具側のギアを回転させる第２の駆動手段とを設けたことを特徴とするマニピュレータ。
【請求項７】
術具側に配置されたギアと同軸に形成した小歯車と、この小歯車に噛み合いフレキシブルに形成されたラックと、術具側に位置する前記転がり部材と同期して移動するラックガイドとを設けたことを特徴とする請求項６に記載のマニピュレータ。
【請求項８】
前記フレキシブルなラックに術具を交換可能に連結し、前記ラックを駆動することにより術具を直動させ、術具を交換可能としたことを特徴とする請求項７に記載のマニピュレータ。
【請求項９】
前記画像診断機器はＭＲＩ装置であることを特徴とする請求項５に記載の手術装置。
【請求項１０】
前記術具の近傍であって取替え可能な直動術具をガイドするガイド部材に、ＭＲＩ装置が認識可能なマーカを配置したことを特徴とする請求項９に記載の手術装置。
【請求項１１】
前記マニピュレータは先端部に術具を保持可能であり、前記関節部は、対向して配置した１対の転がり部材と、この転がり部材の一方を他方の転がり部材に対して転がり運動させる第１の駆動手段と、前記１対の転がり部材間の距離を保持する保持手段と、前記転がり部材の各々と同軸に形成され互いに噛み合う１対の歯車と、反術具側の歯車を駆動する第２の駆動手段とを備えたことを特徴とする請求項１に記載の手術装置。
【請求項１２】
前記関節部は、互いに噛み合う１対の歯車と、この歯車をそれぞれ保持する１対のリンクと、この１対のリンクを転がり接触させる部材と、前記１対の歯車の距離を一定に保持する保持手段と、一方の歯車と一方の保持手段とを駆動する駆動手段とを備えたことを特徴とする請求項１に記載の手術装置。
【請求項１３】
前記１対の歯車のうちの術具側の歯車に一体的に小歯車を形成し、この小歯車と噛み合う変形可能なラックと、このラックとピニオンを移動可能に保持するガイドを有することを特徴とする請求項１１に記載の手術装置。
【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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２００６−１９１９３９（Ｐ２００６−１９１９３９Ａ）
【公開日】平成１８年７月２７日（２００６．７．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−３２９６（Ｐ２００５−３２９６）
【出願日】平成１７年１月１１日（２００５．１．１１）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）国等の委託研究の成果に係る特許出願（平成１６年度独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「基盤技術研究促進事業（民間基盤技術研究支援制度）／未来型医療を実現する小型手術用ロボティックシステムの研究開発」、産業活力再生特別措置法第３０条の適用を受ける特許出願）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年７月２７日（２００６．７．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１月１１日（２００５．１．１１）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）国等の委託研究の成果に係る特許出願（平成１６年度独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「基盤技術研究促進事業（民間基盤技術研究支援制度）／未来型医療を実現する小型手術用ロボティックシステムの研究開発」、産業活力再生特別措置法第３０条の適用を受ける特許出願）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
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