CN104363851A - 医疗操纵器和包含医疗操纵器的医疗成像*** - Google Patents

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Abstract

一种医疗操纵器(30)，具有：由轴承(37)支撑的轴(36)；固定到轴(36)的转子(2)；圆环形振动单元(1)；针对转子(2)激励单元(1)的气动致动器(140)；以及控制施加到致动器(140)的空气压力的控制阀(141)。振动单元(1)具有压电元件(31)，当向元件(31)施加特定的电信号时该压电元件(31)产生单元(1)的行波偏转。单元(1)的行波偏转使得转子(2)旋转以驱动轴(36)。当信号被关断时，致动器(140)使转子(2)与单元(1)接合以防止轴(36)旋转。有时，出于安全或手动调整的目的，希望通过外力或者通过手使轴(36)旋转。于是，阀(141)减小空气压力，使得单元(1)松动其对转子(2)的保持。

Description

医疗操纵器和包含医疗操纵器的医疗成像***
技术领域
本发明涉及包含振动型致动器作为驱动源的医疗操纵器(manipulator)和包含振动型致动器作为驱动源的医疗成像装置。
背景技术
机器人技术的发展导致其对医疗设备的应用的需求增加。诸如图9所示的振动型致动器被用作高精度操纵器的驱动源。振动型致动器能够提供直接驱动，而不需要使用减速机构。并且，振动型致动器具有保持扭矩，该保持扭矩使得操纵器即使在没有电力供给的状态下也能够保持其姿态。上述特征使得振动型致动器适合于在具有高精度位置可控性的医疗操纵器中使用。
PTL 1公开了适合于与磁共振成像(MRI)装置一起使用的振动型致动器。振动型致动器在包含内管和外管的管结构中形成，并且形成用作穿刺装置的驱动源的转子和定子，使得定子和转子在管结构的纵向上延伸并使得定子和转子分别被设置在内管和外管上以便彼此相对。为了解决由在致动器的管结构中出现的弯曲振动导致的医疗操纵器的振动的问题，形成沟槽和螺纹以便围绕内管和外管螺旋地延伸并且彼此配合。振动型致动器的定子和转子中的一个被设置在沟槽和螺纹中的一个上，而定子和转子中的另一个被设置在沟槽和螺纹中的另一个上。
引文列表
专利文献
PTL 1：日本专利公开No.2005-185072
发明内容
技术问题
由于振动型致动器具有保持扭矩，因此当医疗操纵器处于静止时，支撑单元和操纵器单元针对外力被锁定。另一方面，当被检者是活体时，在诸如呼吸器官、循环器官、消化器官、感觉器官、肌肉组织等的生物器官中出现自主和连续的位移。难以精确预测生物器官的位移或抑制生物器官的位移。
因此，医疗操纵器与活体中的生物器官之间的相对位置的变化导致医疗操纵器接收不平衡的负载，这会导致在医疗操纵器的各个部分中出现应力和应变。应力或应变的出现会损坏医疗操纵器，因此期望通过解决上述问题来提高可靠性。
当操作员想要在医疗操纵器处于操作中的状态中手动操作操纵器单元(通过施加外力)时，保持扭矩的存在可能使得难以选择性地仅移动操纵器单元，这会使得难以在正确的位置处安装医疗操纵器或在以后调整位置。
如上所述，当在被检者的内部使用具有用作驱动源的振动型致动器的医疗操纵器时，可能会由于振动型致动器的保持扭矩而出现问题。
问题的解决方案
一种医疗操纵器包含：驱动单元，该驱动单元包含振动型致动器，该振动型致动器包含被配置为响应于被施加的AC(交流)电压激励而产生振动波的振动单元、被配置为响应于振动波的接收而相对于振动单元相对移动的移动单元、以及被配置为在振动单元与移动单元之间施加压力的压力施加单元。医疗操纵器还包含连接到驱动单元并被配置为可通过被驱动单元驱动而移动的操纵器单元、被配置为支撑驱动单元和操纵器单元的支撑单元、连接到振动单元并被配置为向振动单元施加AC电压的驱动电路、以及被配置为控制通过振动单元保持移动单元的保持扭矩的扭矩控制单元。
本发明的有利效果
医疗操纵器包含振动型致动器，该振动型致动器能够在不使用减速机构的情况下执行高精度直接驱动并且能够控制振动型致动器的保持扭矩使得根据情形减小高保持扭矩。设置在医疗操纵器中的振动型致动器的这些特征使得能够在高精度驱动操作与被动操作之间切换，这使得能够防止医疗操纵器由于利用医疗操纵器处理的对象的移动而受损。
并且，上述特征还使得能够通过向操纵器施加外力来手动操作操纵器，当安装医疗操纵器时，这允许在调整、定位等方面增加可操作性。
本发明的其它特征从以下参照附图的示例性实施例的描述将变得清楚。
附图说明
图1A是示出根据实施例的包含扭矩控制单元的医疗操纵器的结构的示例的框图。
图1B是示出根据实施例的包含扭矩控制单元的医疗操纵器的结构的示例的框图。
图1C是示出根据实施例的包含扭矩控制单元的医疗操纵器的结构的示例的框图。
图1D是示出根据实施例的包含扭矩控制单元的医疗操纵器的结构的示例的框图。
图1E是示出根据实施例的包含扭矩控制单元的医疗操纵器的结构的示例的框图。
图1F是示出根据实施例的包含扭矩控制单元的医疗操纵器的结构的示例的框图。
图2A是示出根据实施例的用作医疗穿刺装置的包含医疗操纵器的医疗处置辅助装置的示意图。
图2B是示出根据实施例的用作医疗活检装置的包含医疗操纵器的医疗处置辅助装置的示意图。
图3A是示出根据实施例的医疗操纵器、驱动电路和检测单元彼此连接的方式的示例的示意图。
图3B是示出根据实施例的医疗操纵器、驱动电路和检测单元彼此连接的方式的示例的框图。
图3C是示出根据实施例的医疗操纵器、驱动电路和检测单元彼此连接的方式的示例的示意图。
图3D是示出根据实施例的医疗操纵器、驱动电路和检测单元彼此连接的方式的示例的框图。
图4A是示出根据实施例的包含多个驱动单元的医疗操纵器的示意图。
图4B是示出根据实施例的包含多个驱动单元的医疗操纵器的框图。
图5是示出根据实施例的医疗操纵器连接到外部装置的方式的示意图。
图6A是示出根据实施例的包含压力控制单元的振动型致动器的结构的示例的示意性截面图。
图6B是示出根据实施例的包含压力控制单元的振动型致动器的结构的示例的示意性截面图。
图7A是示出根据实施例的医疗操纵器与被检者或医疗成像装置之间的连接的示图。
图7B是示出根据实施例的医疗操纵器与被检者或医疗成像装置之间的连接的示图。
图7C是示出根据实施例的医疗操纵器与被检者或医疗成像装置之间的连接的示图。
图7D是示出根据实施例的医疗操纵器与被检者或医疗成像装置之间的连接的示图。
图8是示出包含振动型致动器的医疗操纵器的结构的框图。
图9是示出根据实施例的振动型致动器的结构的示例的示意性截面图。
具体实施方式
首先，参照图9，以下给出关于可应用到根据实施例的医疗操纵器的振动型致动器10的基本结构的描述。图9是示出圆环形振动型致动器的结构的示意性截面图。在图9中，为了简化，没有示出扭矩控制单元。
圆环形压电元件31与圆环形振动器32结合。压电元件31响应于被施加的电信号激励而产生振动。关于这种施加到压电元件31的电信号，例如，可利用AC电压信号。振动器32将由压电元件31产生的振动放大成偏转(deflection)振动的形式。压力施加单元3在移动单元2与振动器32之间施加压力。振动器32的振动通过摩擦力被传送到移动单元2。作为结果，移动单元2旋转。移动单元2和扭矩传送部件35经由压力施加单元3连接，使得移动单元2的旋转导致输出轴36旋转。输出轴36经由轴承37可旋转地连接到壳体38。另一方面，振动器32经由连接元件39牢固地连接到壳体38。以下，包含振动器32和压电元件31的结构将被称为振动单元1。
尽管在图9所示的可应用到根据实施例的医疗操纵器的振动型致动器的示例中，振动型致动器具有其中振动单元1和移动单元2围绕旋转轴36以圆环的形式被设置的圆环型，但振动型致动器的结构不限于本示例的结构。例如，振动型致动器可由其中振动单元1和移动单元2以直线被设置的直线型形成，或者可由包含内管和外管(振动单元1和移动单元2中的一个设置在内管和外管中的一个中，而振动单元1和移动单元2中的另一个设置在内管和外管中的另一个中)的管型形成。
压力施加单元3被配置为在沿旋转轴36的轴方向上提供压力，但压力施加单元3在旋转的方向上不具有形变。例如，贝氏弹簧(belleville spring)等可被用作压力施加单元3。由压力施加单元3给予的轴方向上的压力允许振动型致动器具有保持扭矩，这是与通过洛伦兹力(Lorentz force)提供驱动力的电磁马达的特征极大不同的特征。振动型致动器的另一特征是，与电磁马达相比，它能够以低的速度提供大的扭矩。上述特征使得能够在不使用减速机构的情况下容易地实现直接驱动机构。因此，根据实施例的振动型致动器可被用于实现直接驱动操作。
在根据实施例的包含振动型致动器的医疗操纵器中，能够将支撑单元8与操纵器单元9之间的保持扭矩控制到最佳值，以便避免由振动型致动器的保持扭矩导致的上述问题。
下面，参照图1A～1F，以下描述医疗操纵器的基本结构。如图1A～1F所示，根据实施例的医疗操纵器30包含驱动单元4，该驱动单元4至少包含振动型致动器10，该振动型致动器10包含被配置为响应于被施加的AC电压激励而产生振动波的振动单元1、被配置为响应于振动波的接收而相对于振动单元1相对移动的移动单元2、以及被配置为在振动单元1与移动单元2之间施加压力的压力施加单元3。医疗操纵器30还包含支撑驱动单元4的支撑单元8、由驱动单元4支撑的操纵器单元9、连接到振动单元1并被配置为向振动单元1施加AC电压的驱动电路12、以及被配置为控制驱动单元4的保持扭矩的扭矩控制单元6。
振动型致动器10被用作驱动单元4的构成部分，使得驱动单元4中的振动单元1和移动单元2中的任一个被支撑单元8支撑，并且振动单元1和移动单元2中的另一个支撑操纵器单元9，由此允许振动型致动器10的驱动力在操纵操作中被用作驱动医疗操纵器30的扭矩。
驱动单元4至少包含用作用于相对于支撑单元8相对移动操纵器单元9的驱动源的振动型致动器10，并且驱动单元4还可包含机械传送单元、电磁离合器等。即，在根据实施例的医疗操纵器中，振动型致动器10是形成驱动单元4的构成部分中的一个。
在实施例中，在医疗操纵器30中设置扭矩控制单元6使得能够在适当的定时从医疗操纵器的外部控制振动单元1与移动单元2之间的保持扭矩。将在后面参照具体的示例描述从外部可变地控制保持扭矩的机构。
根据扭矩控制单元6的结构和扭矩控制单元6的连接，医疗操纵器可体现为两种形式。
更具体地，在根据第一实施例的医疗操纵器中，连接到压力施加单元3的压力控制单元7被用作扭矩控制单元6。图1A、图1B和图1C是示出根据第一实施例的结构的示例的示意图。另一方面，在根据第二实施例的医疗操纵器中，扭矩控制单元6被配置，使得连接到振动单元1的驱动电路12包含保持扭矩控制电路58。图1D、图1E和图1F是示出根据第二实施例的结构的示例的示意图。
第一实施例
参照图1A、图1B和图1C所示的示意图，以下描述第一实施例。
在图1A、图1B和图1C所示的示例中的每一个中，用作扭矩控制单元6的压力控制单元7连接到设置在驱动单元4中的压力施加单元3。在图1A和图1B所示的结构中，可根据从压力控制单元7输出的扭矩控制信号21控制通过压力施加单元3在振动单元1与移动单元2之间施加的压力。图1C所示的结构是对第一实施例的修改，即，压力施加单元3包含被配置为相对于振动单元1向移动单元2施加恒定压力的加压部件80、被配置为在与加压部件80所施加的压力的方向相反的方向上提供压力的减压单元81、以及连接到减压单元81的压力控制单元7。在第一实施例中，如图1A和图1B所示，扭矩控制单元6即压力控制单元7可被设置在驱动单元4的内部或者可被设置在驱动单元4的外部。
参照图6A，以下描述根据第一实施例的振动型致动器的结构的示例。在该结构中，气动缸140和控制阀141分别被用作压力施加单元3和压力控制单元7。
图6A所示的结构的示例与图1A或图1B所示的结构对应。在图6A所示的振动型致动器的结构中，连接到旋转轴36的移动单元2经由轴承37可旋转地连接到壳体38。并且，振动单元1连接气动缸140的活塞的一端，并因此振动单元1经由气动缸140连接到壳体38。该结构允许振动单元1在朝着和远离移动单元2的两个方向上移动。气动缸140经由塑料管连接到控制阀141的气动输出，使得可通过控制从控制阀141供给的压缩空气的压力远程控制在移动单元2与振动单元1之间施加的压力。作为示例，用于控制气动压力的电磁阀141可被用作控制阀141。
下面，以下给出关于控制包含如图6A所示的那样配置的振动型致动器的医疗操纵器中的保持扭矩的机构的描述。当扭矩命令单元5向控制阀141输出扭矩控制命令20时，控制阀141将从压缩空气供给源供给的压缩空气作为压力控制信号21输出到气动缸140。气动缸140的活塞在朝着移动单元2的方向上对振动单元1施压(urge)。作为结果，在振动单元1与移动单元2之间施加特定的压力，并且在振动单元1与移动单元2之间出现保持扭矩。
另一方面，在没有扭矩控制命令20被从扭矩命令单元5施加到控制阀141的时段期间，控制阀141将气动缸140内的空气排放到大气。这导致振动单元1与移动单元2之间的压力的减小，并因此导致振动单元1与移动单元2之间的保持扭矩的减小。
在图6A所示的结构中，气动缸140向振动单元1供给压力。然而，结构不限于本示例。例如，可向移动单元2施加压力，或者可经由另一元件给予施加到振动单元1的压力。
在图6A所示的示例中，气动缸140被用作压力施加单元3，并且用作控制阀141的电磁阀被作为压力控制单元7使用。然而，实施例不限于本示例，并且可使用另一类型的压力控制单元或另一类型的压力施加单元。
压力控制单元的另一示例是被配置为能够控制压缩气体不可压缩液体的流量的控制阀。压力施加单元的另一示例是气压缸或液压缸。例如，可利用使用干氮气等作为媒介的另一气压控制单元代替气动缸140。压力控制单元、压力控制信号和压力施加单元可以各种方式组合，只要组合能够控制压力。例如，作为替代，可利用液压缸、液压压力信号和液压控制装置的组合。在如本实施例那样使用气动缸140和用于控制气动压力的电磁阀141的情况下，与液压控制***不同，不需要媒介回流***。即，允许将压缩空气排放到周围环境中，这使得能够实现具有小尺寸的***，并且使得不必关心媒介的劣化。
下面，参照图6B，以下描述根据第一实施例的振动型致动器的结构的另一示例。在本示例中，扭矩控制单元6使用电磁力。图6B示出根据第一实施例的振动型致动器的结构的示例，其中压力施加单元3包含电磁体142、移动单元侧弹性元件63、以及压力板33，并且压力控制电路143被用作压力控制单元7。图6B所示的结构的示例与图1A或图1B所示的结构对应。
图1A或图1B所示的压力控制信号21与从图6B所示的压力控制电路143输出并且流过电磁体142的DC(直流)电流34对应。
以下描述被配置为控制根据本实施例的振动型致动器的压力施加机构的示例。振动单元1被固定到壳体38的一端。移动单元2经由移动单元侧弹性元件63、旋转轴36、两个轴承、由磁性材料形成的压力板33以及壳体侧弹性元件53连接到壳体38的另一端。壳体侧弹性元件53的长度和弹性常数被设定为满足下述条件，并且壳体侧弹性元件53连接到壳体38和压力板33。第一条件是，当没有电流被供给到电磁体142的线圈时，不出现弹性变形，并且压力板33和电磁体142彼此分离开。第二条件是，当等于或大于预定值的电流被输入到电磁体142的线圈时，压力板33与电磁体142接触。移动单元侧弹性元件63的长度和弹性常数被设定为满足下述条件，并且移动单元侧弹性元件63连接到压力板33和移动单元2。第一条件是，当没有电流被供给到电磁体142的线圈时，不出现弹性变形，并且移动单元2和振动单元1彼此分离开。第二条件是，当等于或大于预定值的电流被输入到电磁体142时，压力板33移动，并且压力板33的移动导致移动单元2与振动单元1接触并且通过特定的压力压靠振动单元1。
在本实施例中，轴承具有复合结构，该复合结构包含可在沿旋转轴36的方向上自由移动的轴承46和可仅在旋转的方向上自由移动的轴承47。注意，轴承的结构不限于上述结构。在不需要满足在分离方面的第一条件的情况下，可利用被配置为可仅在旋转的方向上移动的轴承代替轴承46。
以下更详细地描述图6B所示的振动型致动器的操作。当从用作压力控制电路143的电磁体控制电路输出的用作压力控制信号21的DC电流通过电磁体142的线圈时，电磁体142产生磁力。磁力导致连接到移动单元2的压力板33在朝着振动单元1的方向上被施压。作为结果，移动单元2和振动单元1彼此压靠。注意，当电磁体142的线圈处于断电状态时，电磁体142与压力板33之间的间隙被设定为大于移动单元2与振动单元1之间的间隙，使得可通过控制流过线圈的电流的大小来连续控制在振动单元1与移动单元2之间施加的压力。可替代地，使用油或水液压压力的驱动机构或不使用动力的机构可被用于改变施加的压力，但其进一步详细的结构不被描述。注意，施加压力改变单元不限于上述那些，而可以各种方式配置施加压力改变单元，只要能够动态改变在振动单元1与移动单元2之间施加的压力。
在图6B所示的结构中，如果壳体侧弹性元件53被去除、并且电磁体142移动到被去除的壳体侧弹性元件53的原来位置以及电磁体142被固定到壳体38，那么获得图1C所示的根据第一实施例的结构。在该结构中，压力施加单元3被配置为包含减压单元81和加压部件80，该减压单元81包含压力板33和电磁体142，该加压部件80包含移动单元侧弹性元件63。压力控制单元7与压力控制电路143对应。
下面，以下描述通过压力控制单元控制保持扭矩的机构。保持扭矩基本上与施加压力的大小成比例。因此，能够通过根据希望的保持扭矩改变在振动单元与移动单元之间施加的压力来控制保持扭矩。例如，当希望在针对特定的外力具有抵抗性的同时实现被动性时，可通过将在振动单元与移动单元之间施加的压力不设定为零而设定为小于在正方向或反方向驱动致动器时所使用的标准值的值，来减小保持扭矩。更具体地，施加压力可被设定为标准值的1/100～1/2的范围中的值。更优选地，施加压力可被设定为标准值的1/50～1/5的范围中的值，使得确保在操纵器单元被放置在被检者的内部的特定区域中时减小操纵器受损的风险。
在振动单元与移动单元之间施加的压力的减小导致振动型致动器的保持扭矩的减小，这可使得支撑单元难以支撑操纵器单元。这可使得难以保持整个操纵器的姿态。例如，在多个振动型致动器被设置在多关节(joint)机构中以便实现多个控制自由度的情况下，大量的关节或自由度可进一步增加保持姿态的难度。为了避免以上情形，可如图4A所示的那样作为补偿单元设置平衡重(counter weight)62。图4A示出多个振动型致动器被串行连接以实现多关节机构的结构的示例。图4A所示的结构包含被配置为在移动方向上驱动处置辅助器具61的处置辅助器具驱动单元65、被配置为在单轴方向上驱动操纵器单元9的驱动单元4、被配置为控制操纵器单元9的相对于中间操纵器单元28的角度phi2的旋转驱动单元48、以及被配置为控制中间操纵器单元28的相对于支撑单元8的角度phi1的旋转驱动单元49，由此实现四个自由度。由于作用在由旋转驱动单元48驱动的驱动单元4、驱动单元65、操纵器单元9和处置辅助器具61以及将上述单元连接到驱动单元48的其它元件(图中未示出)上的重力，关于驱动单元48出现力矩。为了补偿由于重力导致的力矩，第一平衡重62a经由减小保持扭矩的驱动单元被设置在支撑单元的与操纵器单元相对的端部上。类似地，第二平衡重62b被设置为补偿由于作用在中间操纵器单元28和连接到中间操纵器单元28的其它元件上的重力导致的关于驱动单元49出现的力矩。平衡重62a和62b的设置使得，在低保持扭矩操作模式中，医疗操纵器能够具有操纵器单元9的高被动性，同时使整个操纵器的姿态的波动最小化。
如图4A所示，根据本实施例的包含多个驱动单元的医疗操纵器可被配置，使得多个驱动单元被设置在从支撑单元到位于离支撑单元最远的位置处的操纵器单元的路径上的适当位置处，使得允许各驱动单元在不同的方向上驱动操纵器单元。该结构使得能够唯一地控制操纵器单元的位置，这允许可控制区域的扩展和控制精度的提高。
下面，参照图3A和图3B，以下描述根据第一实施例的医疗操纵器中基于扭矩命令单元5的操作的机构。图3A是示出通过向图1A～1C所示的根据第一实施例的医疗操纵器30的结构添加位置信息检测单元13所获得的结构的示意图。图3B是示出图3A所示的结构中的信号流的细节的框图。
以下描述基于扭矩命令单元5发出的命令改变根据第一实施例的医疗操纵器的操作模式的处理示例。在包含处置辅助器具的医疗处置辅助装置中，以如下所述的方式在处置辅助行为期间由扭矩命令单元控制保持扭矩。为了提供操纵器单元9的操作的更好理解，在图3A和图3B中没有示出处置辅助器具。
首先，以下给出关于为了精确地将处置辅助器具放在被检者的内部的希望位置处将操纵器单元9***到被检者的内部的阶段所利用的操作模式的描述。在该阶段，如图3B所示，基于从位置信息检测单元13传送的用作检测信号的位置信息信号14，扭矩命令单元5确定还没有到达目标位置，并因此扭矩命令单元5向压力控制单元7发送扭矩控制命令20以增加施加的压力。作为响应，压力控制单元7向驱动单元4的压力施加单元3输出压力控制信号21，以将施加的压力调整到指定值。作为结果，在振动单元与移动单元之间施加指定的压力，并且通过特定的保持扭矩相对于支撑单元8支撑操纵器单元9。因此，操纵器单元9通过驱动单元4的操作扭矩向目标点移动，直到处置辅助器具到达目标点。
下面，以下给出关于在操纵器已到达目标点之后的阶段的操作的描述。在通过使用活体处置辅助器具执行处置的时段期间，需要使处置辅助器具保持在被检者的内部。在本实施例中，基于从位置信息检测单元13传送到扭矩命令单元5的位置信息信号14，作出关于操纵器单元9是否已到达目标位置的确定。如果确定操纵器单元9已到达目标位置，那么扭矩命令单元5向压力控制单元7传送扭矩控制命令20以减小施加的压力。作为检测-->位置信息传送-->判断-->命令传送的一系列操作的结果，驱动单元4的振动型致动器的保持扭矩减小，并因此图3A所示的操纵器单元9相对于支撑单元8的保持扭矩也减小。作为结果，***在被检者的内部的处置辅助器具和操纵器单元9相对于装置上基准不固定，而是它们跟随被检者40的移动而移动。如上所述，在本实施例中，医疗操纵器根据操纵器的位置信息操作，使得防止操纵器受损。
下面，以下描述处置时段结束之后的操纵器的操作模式。为了从被检者40拔出处置辅助器具，扭矩命令单元5向压力控制单元7发出扭矩控制命令20以产生施加的压力。这使得操纵器能够如在***操作中那样将处置辅助器具和操纵器单元从被检者40的内部拔出，同时保持特定的保持扭矩。
导致扭矩命令单元5向压力控制单元7发出命令传送的触发不限于上述的位置信息信号14。例如，如图3A所示，可通过许多事件触发扭矩命令单元5的操作。它们可以是使得操作员能够进行手动操作(在该手动操作中，操作员执行关于是否到达目标点的确定)的输入、由上级(upper-level)控制器14发出的命令、由医疗成像装置发出的命令等。当操纵器单元从被检者的内部拔出时，振动型致动器的保持扭矩未必需要与***操纵器单元的操作中相同。例如，保持扭矩可保持在低的值，并且可通过向操纵器单元施加外力来手动拔出操纵器单元。
在本实施例中，发出扭矩控制命令20，使得如果从连接到操纵器单元9或处置辅助器具61的位置信息检测单元13输出的位置信息信号作为检测信号被接收，那么，基于该接收信号，扭矩控制命令20被从扭矩命令单元5输出到扭矩控制单元6。然而，在本实施例中，检测单元不限于被配置为检测位置信息的单元，而是该检测单元可检测其它控制参数。
并且，连接到根据本实施例的医疗操纵器的医疗成像装置不限于MRI装置，而是可利用各种各样的医疗成像装置，诸如放射线照相成像装置、超声成像装置或能够检测特性参数的其它医疗成像装置。
下面，例如，对于手动改变医疗操纵器的姿态或位置的情况，以下给出关于基于扭矩命令单元5的操作的描述。
当操纵器被用于医疗处置中时，需要根据被检者的尺寸、离床的操作距离或其它因素执行在操纵器的定位等方面的初始设定。在初始设定中，当扭矩命令单元5从操作员接收命令时，扭矩命令单元5向压力控制单元7发出命令以减小施加的压力。作为结果，操纵器的保持扭矩降低，并且操作员变得能够手动改变操纵器的姿态或位置。在确定操纵器的姿态或位置之后，如果操作员向扭矩命令单元5发出命令以施加压力，那么操纵器的保持扭矩增加。
在利用气动缸或气动压力控制阀作为压力施加机构的情况下，操作员可手动打开控制阀以减小保持扭矩。在这种情况下，操作员用作扭矩命令单元5。
在图3B所示的示例中，从位置信息检测单元13输出的位置信息信号14被输入到驱动电路12和扭矩命令单元5。可替代地，例如，由设置在驱动电路12中的计算/控制单元130执行的计算的结果可被输出到扭矩命令单元5。
通过利用上述根据第一实施例的结构，变得能够在不改变驱动电路的情况下在执行高精度位置控制的操作模式与被动操作模式之间切换。这使得能够减小医疗操纵器在出现被检者的不可避免的移动的处置辅助行为期间受损的可能性。
并且，针对外力的被动性使得能够手动操作操纵器，这导致安装等中的可操作性的增加。
第二实施例
参照图1D、1E和1F、图3C和图3D以及图9，以下描述第二实施例。
图1D～1F是分别示出根据第二实施例的包含用作扭矩控制单元的保持扭矩控制电路的医疗操纵器的结构的示例的框图。图3C是示出位置信息检测单元13连接到根据第二实施例的医疗操纵器的操纵器单元的结构的示意图。图3D是示出图3C所示的结构中的信号流的细节的框图。
首先，参照图1D、图1E和图1F所示的示意图，以下描述第二实施例。第二实施例在连接方面与第一实施例不同在于，在第二实施例中，驱动电路被配置，使得扭矩控制单元6连接到振动单元1，而在第一实施例中扭矩控制单元连接到压力施加单元。第二实施例具有能够在不改变振动型致动器的压力施加机构的情况下通过改变驱动电路来减小保持扭矩的特征。
在第二实施例中，扭矩控制单元6用作在振动单元1振动以相对于振动单元1相对移动移动单元2的第一振动状态与振动单元1振动以便减小保持扭矩的第二振动状态之间切换的单元。扭矩控制单元6包含被配置为输出驱动波以在振动单元1中产生特定的振动状态由此减小振动型致动器10的保持扭矩的保持扭矩控制电路58。以下将描述由保持扭矩控制电路58输出以产生振动状态由此减小保持扭矩的驱动波的细节。
在第二实施例中，驱动电路的电路配置被改变以便能够改变用于激励振动单元1的驱动波，由此在操纵器移动到希望的位置的模式与操纵器跟随活体的移动而移动的模式之间切换。
为了提供根据第二实施例的驱动电路12和振动单元1的操作机构的更好理解，首先，以下给出关于通过图9所示的振动型致动器驱动图8所示的操纵器时的驱动电路12和驱动单元4(振动型致动器)的操作的描述。在本说明书中，通过驱动扭矩驱动振动型致动器10以便旋转的方法被称为行波驱动(当指定其方向时，为正向行波驱动或反向行波驱动)。
当通过正向行波或反向行波驱动图9所示的振动型致动器10时，图8所示的驱动电路12向布置在振动单元1的压电元件31上的两对电极施加2相AC周期信号。通过改变2相周期信号的振幅、频率和相位差的一部分或全部，能够控制振动型致动器的旋转速度和旋转方向。通过切换2相周期信号的相位差来切换在振动单元1中激励的椭圆振动的行进方向，由此切换振动型致动器10的旋转方向。在本实施例中，2相周期信号指的是具有相位差信息作为控制参数的周期信号的两个或更多个组合，其中，允许0(弧度)作为相位差的值。并且，在本实施例中，由驱动电路输出以激励振动单元1以产生行波的2相周期信号被称为行波信号(或者，当指定其方向时，为正向行波信号或反向行波信号)。
保持扭矩控制电路58的示例是图1E所示的被配置为向振动单元1输出驻波驱动信号55的驻波驱动电路54。另一示例是图1F所示的被配置为向振动单元1输出交变驱动信号57的交变驱动电路56。注意，交变驱动信号57是使得正向行波信号和反向行波信号交替出现的信号。
参照图9，以下对于2相AC周期信号的相位差被设定为小于行波信号的相位差并且2相AC周期信号被施加到压电元件31的情况，描述振动型致动器10的操作。在振动单元1中，不激励行进弯曲振动，但激励驻波振动。在振动单元1具有驻波振动的状态中，振动单元1仅提供向上推动(thrust)移动单元2的力，但振动单元1不提供旋转方向上的力。并且，在行波驱动模式中，振动单元和移动单元2保持彼此接触。相反，在驻波振动模式中，振动单元1和移动单元2间歇地接触。因此，在驻波振动模式中，作用于振动单元1与移动单元2之间的摩擦力的时间平均小。因此，能够执行操作，使得在不具有振动型致动器10的旋转的同时减小驱动单元的保持扭矩。
下面，以下描述驻波驱动电路54的修改。
根据实施例，如图1D～1F所示，驻波驱动电路54可被配置为能够控制驻波驱动信号的振幅，由此使得能够控制推动振动中的接触面积。改变在推动驱动中的振动单元1中激励的振动的振幅的振幅的方法不限于改变驱动信号波形的振幅。例如，驱动信号波形的频率可朝着或远离振动单元1的固有频率而改变。即，能够通过朝着或远离振动单元1的固有频率改变驻波驱动信号的频率来改变在振动单元1中激励的振动的振幅。可替代地，驻波驱动电路54可被配置为输出驻波驱动信号55，使得振幅仅对于2相周期信号的周期信号中的一个而被设定为足够小。
在减小利用驻波驱动振动单元1中的驻波驱动信号55的2相周期信号的相位差的方法中，不需要将相位差设定为零，即，周期信号不需要为同相。可在通过与另一元件的摩擦等来防止移动单元2的旋转的范围中存在相位差。
下面，参照图9，以下给出关于对第二实施例的修改的示例的描述，其中行波信号被用作保持扭矩控制信号59。在行波驱动中，振动单元1向上推动移动单元2并且驱动移动单元2以在与行波的方向相反的方向上移动。然而，移动单元2具有每次振动单元1通过行波信号的一个周期的振动波与移动单元2接触时会出现的非常小的旋转位移。在行波驱动中，以超声范围中的高频率重复执行一周期馈送操作，由此导致致动器获取输出速度。在本实施例中，行波的行进方向在短时间内交替切换。更具体地，行波信号的相位被切换，使得正向行波信号和反向行波信号在基本上在移动单元2上没有旋转出现的每个短时间交替出现。注意，在本实施例中，移动单元2的“基本上没有旋转”的更严格的定义在于，旋转限于不导致操纵器具有控制位置的问题的小范围，并且移动单元2可能相对于振动单元1不完全处于静止。在本实施例中，如上所述，通过切换相位，信号随时间交替反转。可替代地，另一波参数可被改变以在正向行波信号与反向行波信号之间交替切换。
通过改变行波的行进方向以每个短时间在正向行波信号与反向行波信号之间交替切换，能够消除作用在移动单元2上的旋转力，使得在宏观上仅存在从振动单元1作用在移动单元2上的上推动力。在这种状态下，与驻波驱动那样，与振动单元不振动或者通过行波驱动的状态相比，振动单元1与移动单元2之间的摩擦力变小，并因此能够通过控制交变信号的正向和反向行波信号的振幅来控制保持扭矩。
下面，参照图3C和图3D，以下给出关于根据第二实施例的具有驱动电路12和位置信息检测单元13的医疗操纵器中的基于扭矩命令单元5的操作的机构的描述。图3C是示出通过向图1D～1F中的一个所示的根据第二实施例的医疗操纵器30的结构添加位置信息检测单元13所获得的结构的示意图。图3D是示出图3C所示的结构中的信号流的细节的框图。在图3C和图3D所示的示例中，驱动电路12包含根据第二实施例的作为扭矩控制单元的驻波驱动电路54。为了提供操纵器单元9的操作的更好理解，在图3C和图3D中没有示出处置辅助器具。
以下描述基于由扭矩命令单元5发出的命令改变根据第二实施例的医疗操纵器的操作模式的处理的示例。在包含处置辅助器具61的医疗处置辅助装置中，以如下所述的方式在处置辅助行为期间由扭矩命令单元控制保持扭矩。为了提供操纵器单元9的操作的更好理解，在图3C和图3D中没有示出处置辅助器具。
首先，以下给出关于为了精确地将处置辅助器具定位在被检者的内部的希望位置处将操纵器单元9***到被检者的内部的阶段所利用的操作模式的描述。在该阶段，基于从位置信息检测单元13传送的用作检测信号的位置信息信号14，扭矩命令单元5确定还没有到达目标位置，并因此扭矩命令单元5向驱动电路12输出扭矩控制命令20以产生特定的驱动扭矩。根据接收的扭矩控制命令20，驱动电路12的驱动信号产生单元131禁用驻波驱动电路54并且向振动型致动器10的振动单元1输出正向行波信号。作为结果，正向扭矩作用于振动单元与移动单元之间，并且相对于支撑单元8该扭矩驱动操纵器单元9。因此，与第一实施例中那样，变得能够移动处置辅助器具，直到它到达目标点。
下面，以下给出关于操纵器已到达目标点之后的阶段的操作的描述。在通过使用处置辅助器具执行处置的时段期间，需要使处置辅助器具保持在被检者的内部。在本实施例中，基于从位置信息检测单元13向扭矩命令单元5传送的位置信息信号14，作出关于操纵器单元9是否已到达目标位置的确定。如果确定操纵器单元9已到达目标位置，那么扭矩命令单元5向驱动电路12传送扭矩控制命令20以减小保持扭矩。根据接收的扭矩控制命令20，驱动电路12的驱动信号产生单元131操作驻波驱动电路54以向振动型致动器10的振动单元1输出驻波驱动信号55。作为检测-->位置信息传送-->判断-->命令的一系列操作的结果，驱动单元4的振动型致动器10的静止摩擦扭矩减小，并因此操纵器单元9相对于支撑单元8的保持扭矩也减小。因此，***在被检者的内部的处置辅助器具61和操纵器单元9相对于装置上基准不固定，而是它们跟随被检者40的移动而移动。如上所述，在本实施例中，医疗操纵器根据操纵器的位置信息操作，使得防止操纵器受损。
下面，以下描述处置时段结束之后的操纵器的操作模式。为了从被检者40拔出处置辅助器具，扭矩命令单元5向驱动电路12发出扭矩控制命令20以产生驱动扭矩。这使得操纵器能够如在***操作中那样从被检者40的内部拔出处置辅助器具，同时保持特定的保持扭矩。
与第一实施例中相同，导致扭矩命令单元5向驱动装置12发出命令的触发不限于上述位置信息信号14。例如，如图3C所示，可通过许多事件触发扭矩命令单元5的操作。它们可以是由操作员执行关于是否到达目标点的确定的手动操作命令、由上级控制器14发出的命令、由医疗成像装置发出的命令等。关于将操纵器单元从被检者的内部拔出的操作，振动型致动器的保持扭矩未必需要与***操纵器单元的操作中相同。例如，保持扭矩可保持在低的值，并且可通过向操纵器单元施加外力来手动拔出操纵器单元。
当医疗操纵器被用于处置辅助行为等中时，出现被检者的不可避免的移动。因此，同样在第二实施例中，如上所述，保持扭矩响应于被检者的移动而减小，使得允许处置辅助器具和操纵器单元跟随被检者的移动而移动。这使得能够减小医疗操纵器在处置辅助行为期间受损的可能性。
同样在第二实施例中，如第一实施例中那样，如图3C所示，扭矩命令单元5可被连接以便接收由操作员等发出的上级命令，以控制振动型致动器的保持扭矩，由此使得能够根据操作员的意图在正确的定时减小医疗操纵器的保持扭矩。并且，扭矩命令单元5可被配置为接收由操作员发出的上级命令以连续或逐步地指定保持扭矩，由此使得能够根据操作员的意图调整保持力。可在操纵器单元上设置用于由操作员使用以输入上级命令5的输入单元，使得允许操作员在处置辅助行为、安装中的定位等方面更容易操作医疗操纵器。
如上所述，在本实施例中，医疗操纵器能够在不改变振动型致动器的结构的情况下在执行高精度位置控制的操作模式与被动操作模式之间切换。这使得即使在出现被检者的不可避免的移动的处置辅助行为期间也能够减小医疗操纵器受损的可能性。并且，能够实现安装等中的可操作性的增加。
以下描述对于第一和第二实施例均可能的医疗操纵器的修改的示例。
其它实施例
参照图2A和图2B，以下给出关于通过将处置辅助器具61连接到根据实施例的医疗操纵器而实现的医疗处置辅助装置的示例的描述。
在图2A所示的示例中，要被放入到被检者的内部的穿刺单元15以可相对移动的方式连接到操纵器单元9，由此实现用作医疗穿刺装置的医疗处置辅助装置。穿刺单元15的一端固定到穿刺单元驱动单元16，该穿刺单元驱动单元16固定到操纵器单元9。更具体地，进行连接，使得能够控制穿刺单元15相对于操纵器单元9的相对位置，并且还能够控制穿刺单元15相对于支撑单元8的相对位置。通过以上述方式形成医疗操纵器30，变得能够更安全地辅助穿刺处置操作。
在图2B所示的示例中，代替图2A所示的穿刺单元15和穿刺单元驱动单元16，设置被配置为提取被检者的身体组织的提取单元17和提取单元驱动单元18，由此实现活检装置。通过以上述方式形成根据实施例的医疗操纵器30，变得能够更安全地辅助提取操作。
注意，在图2A和图2B中，为了提供处置辅助器具61与根据实施例的医疗操纵器30之间的连接的更好理解，没有示出扭矩控制单元。
如上所述，通过将诸如手术刀、钳子等的手术辅助工具、检验辅助工具、诸如传感器等的处置辅助器具连接到根据实施例中的一个的医疗操纵器的操纵器单元，能够实现具有高功能性的医疗操纵器。
下面，参照图7A和图7B，以下描述支撑单元8。图7A和图7B示出根据实施例中的一个的医疗操纵器和被检者的相对位置，并且还示出床连接到医疗操纵器的方式。可参照固定到被检者的设备或被检者的表面、放置在衣服上的工具、诸如床的外部装置的一部分等来执行支撑单元8相对于被检者的定位。在图7A和图7B所示的示例中，支撑单元8被固定到床41。
支撑单元8可形成为具有刚性结构，以确保即使当医疗操纵器处于操作中时也稳定地支撑驱动单元4和操纵器单元9。为了实现驱动单元4相对于支撑单元8的定位的适当的自由度，支撑单元8可具有允许其调整旋转、直线移动、曲线移动等的位置和方向的调整机构。在图7A和图7B所示的示例中，支撑单元8具有允许其进行垂直位置调整、水平位置调整、方位调整和仰角调整的调整机构。调整机构还可包含允许其远程进行定位的驱动源。
图4A示出多个振动型致动器被串联连接以实现多关节机构的结构的示例。在图4A所示的示例中，对应于被配置为在希望的移动方向上驱动处置辅助器具61的处置辅助器具驱动单元65、被配置为在单轴方向上驱动操纵器单元9的驱动单元4、被配置为控制操纵器单元9的相对于中间操纵器单元28的角度phi2的旋转驱动单元48、以及被配置为控制中间操纵器单元28的相对于支撑单元8的角度phi1的旋转驱动单元49的四个自由度被实现，由此实现四个自由度。在根据实施例的医疗操纵器具有两个或更多个自由度的情况下，振动型致动器可控制所有的自由度，或者振动型致动器可控制自由度的一部分，而剩余的自由度可手动控制或者由其它致动器控制。
参照图4B，以下给出关于诸如图4A所示的多个振动型致动器用作各自由度的驱动元件的结构的描述。图4B示出根据第二实施例向各自由度分配多个振动型致动器的方式。在本示例中，多个振动型致动器被设置在驱动单元4中，尽管图4B没有示出它们。构成元件401、402、403和404中的每一个与图3C所示的驱动电路12对应。
在本实施例中，扭矩命令单元5可向与各自由度相关联的构成元件401、402、403和404发出单独的保持扭矩命令，或者扭矩命令单元5可发出保持扭矩命令以控制所有的自由度。在单独控制与各自由度的构成元件相关联的保持扭矩的情况下，例如，对于与方向A平行的轴的自由度的保持扭矩可被设定为固定到高的值，而对于与方向B平行的轴的自由度的保持扭矩可被设定为低，使得仅在方向B上获得被动性。方向A可以是***操纵器的方向，而方向B可以是与***操纵器的方向垂直的方向。
下面，参照图5，以下给出关于根据本实施例的医疗操纵器连接到外部装置的方式的示例的描述。在图5所示的示例中，MRI装置作为外部装置27连接到根据本实施例的驱动电路12。驱动电路12包含连接到外部装置27的上级命令传送单元45的扭矩命令单元5。当上级命令传送单元45检测到由外部装置27监视的特性参数、位置信息等的变化时，或者当上级命令传送单元45检测到由操作员、被检者等手动发出的命令时，上级命令传送单元45向扭矩命令单元5传送上级命令67。外部装置27还可包含被配置为向设置在驱动电路12中的目标位置信号接收单元25传送基于存储在外部装置27中的目标位置信息的目标位置信号26的传送单元24。在该结构中，驱动电路12可比较操纵器单元9的位置信息与操纵器单元9的目标位置，传送正向行波信号或反向行波信号作为操纵器单元驱动信号22，并且，根据需要传送驻波驱动信号或交变驱动信号作为保持扭矩控制信号59。
下面，参照图7A～7D，以下给出关于根据本实施例的医疗操纵器连接到被检者或医疗成像装置的方式的描述。图7A和图7B是示出从可移动的床的纵向侧和横向侧观看到的医疗成像***的示意图。医疗成像***包含根据本实施例的连接到包含床基(bed base)42和床41的可移动床的医疗操纵器。在图7A～7D所示的结构中，被检者40可利用诸如带子、缓冲单元等的定位单元(未示出)牢固地置于床上。因此，通过将支撑单元8固定到床，支撑单元8基本上相对于被检者40定位。图7C和图7D是示出根据本实施例的医疗操纵器被应用到图7A和图7B所示的具有可移动床的医疗成像装置的***的示意图。
根据本实施例的医疗操纵器的工作距离、尺寸和其它因素被设定，使得医疗操纵器的存在不干扰医疗成像装置的图像捕获操作。在图7C和图7D所示的示例中，根据本实施例的医疗操纵器连接到床41，使得允许医疗操纵器和床41被放到MRI装置43的筒形测量单元44中。
尽管已参照示例性实施例描述了本发明，但应理解，本发明不限于所公开的示例性实施例。随附权利要求的范围应被赋予最宽的解释以便包含所有这样的修改以及等同的结构和功能。
本申请要求2012年6月15日提交的日本专利申请No.2012-135453的权益，在此通过全部引用而合并于此。

Claims (20)

1.一种医疗操纵器，包括：
驱动单元，该驱动单元包含振动型致动器，该振动型致动器包含被配置为响应于被施加的AC电压激励而产生振动波的振动单元、被配置为响应于振动波的接收而相对于振动单元相对移动的移动单元、以及被配置为在振动单元与移动单元之间施加压力的压力施加单元；
操纵器单元，该操纵器单元连接到驱动单元并被配置为可通过被驱动单元驱动而移动；
支撑单元，该支撑单元被配置为支撑驱动单元和操纵器单元；
驱动电路，该驱动电路连接到振动单元并被配置为向振动单元施加AC电压；以及
扭矩控制单元，该扭矩控制单元被配置为控制通过振动单元保持移动单元的保持扭矩。
2.根据权利要求1所述的医疗操纵器，其中，支撑单元通过支撑振动单元和移动单元中的一个来支撑驱动单元，并且操纵器单元被振动单元和移动单元中的另一个支撑。
3.根据权利要求1或2所述的医疗操纵器，还包括连接到扭矩控制单元并被配置为向扭矩控制单元输出扭矩控制命令以控制保持扭矩的扭矩命令单元。
4.根据权利要求1～3中的一项所述的医疗操纵器，其中，扭矩控制单元是连接到压力施加单元并被配置为控制压力的压力控制单元。
5.根据权利要求4所述的医疗操纵器，其中，压力施加单元是气压缸或液压缸，并且，
压力控制单元是被配置为控制压缩气体或不可压缩液体的流量的控制阀。
6.根据权利要求5所述的医疗操纵器，其中，气压缸是被配置为由压缩空气控制的气动缸，并且，
压力控制单元是被配置为控制压缩空气的流量的电磁阀。
7.根据权利要求4所述的医疗操纵器，其中，
压力施加单元包含电磁体和弹性元件，并且，
压力控制单元是被配置为控制供给到电磁体的电流的大小的电磁体控制电路。
8.根据权利要求1～3中的一项所述的医疗操纵器，其中，扭矩控制单元是设置在驱动电路中并被配置为向振动单元输出保持扭矩控制信号的保持扭矩控制电路。
9.根据权利要求8所述的医疗操纵器，其中，保持扭矩控制电路是被配置为向振动单元输出保持扭矩控制信号的驻波驱动电路，该保持扭矩控制信号包含用于在振动单元中激励驻波的驻波驱动信号。
10.根据权利要求8所述的医疗操纵器，其中，保持扭矩控制电路是被配置为向振动单元输出保持扭矩控制信号的交变驱动电路，该保持扭矩控制信号包含正向行波信号和反向行波信号交替出现的交变驱动信号。
11.根据权利要求1～10中的一项所述的医疗操纵器，其中，医疗操纵器包含多个驱动单元，所述多个驱动单元中的至少两个被设置在从支撑单元到操纵器单元的路径上的位置处，使得允许各驱动单元在不同的方向上驱动操纵器单元。
12.根据权利要求11所述的医疗操纵器，其中，扭矩控制单元是被配置为基于接收的扭矩控制命令来控制所述多个驱动单元中的至少一个以减小保持扭矩的单元。
13.根据权利要求1～12中的一项所述的医疗操纵器，其中，支撑单元包含重力补偿单元。
14.根据权利要求13所述的医疗操纵器，其中，重力补偿单元是经由驱动单元被设置在与操纵器单元相对的位置处并连接到支撑单元的平衡重。
15.一种医疗处置辅助装置，包括：
根据权利要求1～14中的一项所述的医疗操纵器；和
处置辅助器具，该处置辅助器具连接到操纵器单元并被配置为辅助处置行为。
16.根据权利要求15所述的医疗处置辅助装置，其中，处置辅助器具是要被放入到被检者的内部的穿刺单元或被配置为提取被检者的身体组织的提取单元。
17.根据权利要求3所述的医疗操纵器，其中，扭矩控制命令基于由操作员或被检者向扭矩命令单元发出的手动操作命令被扭矩命令单元输出到扭矩控制单元。
18.根据权利要求3所述的医疗操纵器，其中，扭矩控制命令基于从连接到操纵器单元或处置辅助器具的检测单元输出的检测信号被扭矩命令单元输出到扭矩控制单元。
19.一种医疗成像***，包括：
根据权利要求1～14中的一项所述的医疗操纵器；和
医疗成像装置，该医疗成像装置包含被配置为传送与目标位置相关联的位置信息的传送单元，
所述驱动电路包含被配置为接收与目标位置相关联的位置信息的目标位置信号接收单元。
20.根据权利要求19所述的医疗成像***，其中，医疗成像装置包含MRI装置、放射线照相成像装置和超声成像装置中的一个。
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