JP2010099530A - 手術用具のためのフレキシブルリスト - Google Patents
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Abstract
【解決手段】低侵襲手術器具は、作業端部、近接端部、及びこの作業端部と近接端部との間のシャフト軸とを有する細長いシャフト(14)、及びエンドエフェクタ(12)とを含む。リスト部材(10)は、壁に囲まれた内部を通って延びる軸を含むフレキシブルチューブ(26)を有する。このフレキシブルチューブの壁は、フレキシブルチューブの軸に平行するように方向付けられた複数の内腔を含む。リスト部材(10)は、細長いシャフトの作業端部に接続される近接部分と、エンドエフェクタ(12)に接続される遠位部分とを有する。複数の作動ケーブル(24)は、エンドエフェクタに接続される遠位部分を有する。
【選択図】図4−1
Description
[02]本出願は、2002年12月6日に出願された米国仮特許出願第60/431,636号の利益に基づき、これを主張し、その開示全体は参照として本明細書に組み込まれる。本出願は、以下の特許および特許出願に関連し、その全開示は参照として本明細書に組み込まれる。
2002年6月28日に出願された“Platform Link Wrist Mechanism”という名称の米国特許出願第10/186,176号と、
1998年9月18日に出願され、W099/50721号として公開された“Robotic Apparatus”という名称のPCT国際出願第PCT/US98/19508号と、
1999年10月15日に出願された“Surgical Robotic Tools,Data Architecture,and Use”という名称の米国特許出願第09/418,726号と、
1998年12月8日に出願された“Image Shifting for a Telerobotic System”という名称の米国特許出願第60/111,711号と、
1999年8月20日に出願された“Stereo Imaging System for Use in Telerobotic System”という名称の米国特許出願第09/378,173号と、
1999年9月17日に出願された“Master Having Redundant Degrees of Freedom”という名称の米国特許出願第09/398,507号と、
1999年9月17日に出願された“Cooperative Mnimally Invasive Telesurgery System”という名称の米国特許出願第09/399,457号と、
1999年8月13日に出願された“Camera Referenced Control in a Minimally Invasive Surgical Apparatus”という名称の米国特許出願第09/373,678号と、
1999年9月17日に出願された“Surgical Tools for Use
in Minimally Invasive Telesurgical Applications”という名称の米国特許出願第09/398,958号と、
1998年9月15日に発行された“Endoscopic Surgical Instrument and Method for Use”という名称の米国特許5,808,665号。
本発明は概ね手術用具に関し、より詳細にはロボット手術を行うための手術用具におけるフレキシブルリスト機構に関する。
本発明は、用具がロール、ピッチおよびヨーにおいて一切の特異点を有さないように、ピッチおよびヨー回転を提供するリスト機構を有する用具の代替的実施形態に向けられている。リスト機構はフレキシブルチューブまたはバネもしくは同様のフレキシブル構成要素に接続される一連のディスクにより形成され得る、フレキシブルチューブ状構造を有する。作動ケーブルまたはフレキシブルワイヤー(例えば、ニチノールによって構成される)が、リスト機構を通って延び、ピッチおよびヨー回転においてフレキシブルリストを屈折させるのに使用される。ロールの回転は、リスト機構が取り付けられる用具シャフトを回転させることにより提供される。
(項目1)
作業端部と近接端部と、該作業端部と該近接端部との間のシャフト軸とを有する細長いシャフトと、
エンドエフェクタと、
細長いシャフトの作業端部に接続される近接部分とエンドエフェクタに接続される遠位端部分とを含む、フレキシブルチューブと内バネとを有するリスト部材であって、該内バネはフレキシブルチューブの内部空洞内に配置され、該内バネはフレキシブルチューブの軸に平行な軸を有するリスト部材と、
エンドエフェクタに接続される遠位端部分を有し、該遠位端部分からリスト部材を通って細長いシャフトに向かって近接部分まで延びており、ピッチ回転およびヨー回転でリスト部材を屈折させるように作動可能な複数の作動ケーブルと、
を含む低侵襲手術器具。
(項目2)
前記作動ケーブルは前記内バネの中空内部に配置される、項目1に記載の器具。
(項目3)
少なくとも3本の作動ケーブルが前記エンドエフェクタに接続される、項目1に記載の器具。
(項目4)
前記作動ケーブルの近接部分は、作動ケーブルを作動するように構成されるジンバルプレートに接続され、該ジンバルプレートは細長いシャフトの近接端部に近接して配置される、項目1に記載の器具。
(項目5)
作動ケーブルは内バネとフレキシブルチューブとの間に配置される、項目1に記載の器具。
(項目6)
前記フレキシブルチューブは、作動ケーブルを受けるための内腔を形成するように、内バネの外面により閉じられる内部軸スロットを含む、項目5に記載の器具。
(項目7)
前記フレキシブルチューブは、フレキシブルチューブの軸に対して概ね横断する複数の横切込みを含む、項目1に記載の器具。
(項目8)
作業端部と近接端部と、該作業端部と該近接端部との間のシャフト軸とを有する細長いシャフトと、
エンドエフェクタと、
壁に囲まれた内部を通って延びる軸を含むフレキシブルチューブを有するリスト部材であって、フレキシブルチューブの壁はフレキシブルチューブの軸に概ね平行するように方向付けられた複数の内腔を含み、リスト部材は細長いシャフトの作業端部に接続される近接部分とエンドエフェクタに接続される遠位端部分とを有するリスト部材と、
エンドエフェクタに接続される遠位端部分を有し、該遠位端部分からリスト部材の壁の内腔を通って細長いシャフトに向かって近接部分まで延びており、ピッチ回転およびヨー回転でリスト部材を屈折させるように作動可能な複数の作動ケーブルと、
を含む低侵襲手術器具。
(項目9)
前記フレキシブルチューブの壁は12個の内腔を含む、項目8に記載の器具。
(項目10)
各作動ケーブルは、2つの隣接する内腔を通って延びるように、フレキシブルチューブの壁の遠位端部分の周りで輪状にされる、項目8に記載の器具。
(項目11)
前記フレキシブルチューブは、フレキシブルチューブの軸に対して概ね横断する複数の横切込みを含む、項目8に記載の器具。
(項目12)
フレキシブルチューブの外面の周囲に巻かれた外側カバーをさらに含む、項目11に記載の器具。
(項目13)
前記横切込みは、各々が互いに対向して配置される1対の切込みを有する切込みの交互の層を含み、各層の切込みは、隣接する層の切込みから約90度ずつ離間される方向に向けられた、項目11に記載の器具。
(項目14)
前記横切込みは、リブの上下のディスク部分の間でリブを接続したままにして、概ねフレキシブルチューブの軸に沿って、ディスク部分内に延びるスリットがリブの両側に設けられる、項目13に記載の器具。
(項目15)
前記フレキシブルチューブは、フレキシブルチューブの軸に概ね平行するように方向付けられた複数のスロットを有する内側チューブと、スロットで内腔を形成するように内側チューブの周囲に巻かれた外側カバーとを含む、項目8に記載の器具。
(項目16)
前記外側カバーは外バネを含む、項目15に記載の器具。
(項目17)
前記フレキシブルチューブは、各々が複数のスロットの1つの周囲に配置される複数のバネを含む、項目8に記載の器具。
(項目18)
前記フレキシブルチューブの内部の周囲に配置される内バネをさらに含む、項目8に記載の器具。
(項目19)
フレキシブルチューブの外面上に編組カバーをさらに含み、該編組カバーはフレキシブルチューブの近接端部と遠位端部との間で時計回りの方向に巻かれる第1のセットのワイヤーと、フレキシブルチューブの近接端部と遠位端部との間で反時計回りの方向に巻かれ、第1のセットのワイヤーとともに織り込まれる第2のセットのワイヤーとを有する、項目8に記載の器具。
(項目20)
前記フレキシブルチューブの壁は、フレキシブルチューブの軸に概ね平行に、軸接続部により摺動可能に互いに接続される複数の軸方向摺動部材を含む、項目8に記載の器具。
(項目21)
前記軸接続部はタングおよび溝接続部を含む、項目20に記載の器具。
(項目22)
各軸方向摺動部材は作動ケーブルの1つを受けるための内腔を含む、項目20に記載の器具。
(項目23)
各軸方向摺動部材は、一体化された摺動要素として作動ケーブルの1つと一体的に形成される、項目20に記載の器具。
(項目24)
前記フレキシブルチューブは、互いに連結される、フレキシブルチューブの円周の周りに配置される複数の軸バネを含み、各軸バネは、作動ケーブルの1つを受けるための内腔の1つを提供するように隣接する軸バネのコイルと重なり合うコイルを有する、項目8に記載の器具。
(項目25)
前記フレキシブルチューブは、フレキシブルチューブの軸に沿って連続して接続される高点と低点とを含む複数の波形バネセグメントを有する波形バネを含み、1つの波形バネセグメントの高点は隣接する波形バネセグメントの低点に接続される、項目8に記載の器具。
(項目26)
前記リストは、フレキシブルチューブの遠位端部に接続される遠位終端ディスクを含み、前記遠位終端ディスクはフレキシブルチューブより実質的に堅い、項目8に記載の器具。
(項目27)
作業端部と近接端部と、該作業端部と該近接端部との間のシャフト軸とを有する細長いシャフトと、
エンドエフェクタと、
細長いシャフトの作業端部に接続される近接部分とエンドエフェクタに接続される遠位端部分とを含む内バネを有するリスト部材であって、リスト部材は内バネの軸に沿って分布される複数の環状ディスクを有し、該環状ディスクはそれぞれ、内バネと接続される内縁を有するリスト部材と、
エンドエフェクタに接続される遠位端部分を有し、該遠位端部分からリスト部材を通って細長いシャフトに向かって近接部分まで延びており、ピッチ回転およびヨー回転でリスト部材を屈折させるように作動可能な複数の作動ケーブルと、
を含む低侵襲手術器具。
(項目28)
前記ディスクは、作動ケーブルがその中を通って延びる複数の穴を含む、項目27に記載の器具。
(項目29)
前記ディスクはそれぞれ、互いに対向して配置される、内縁から内バネのコイル間の間隙に延びる1対の内側タブを含む、項目27に記載の器具。
(項目30)
隣接するディスクは、隣接するディスクの内側タブから約90度離間して配置される、一方のディスクの内側タブで方向付けられる、項目28に記載の器具。
(項目31)
前記ディスクはそれぞれ、隣接するディスク間を合わせるための外側合わせ面と内側合わせ面とを含み、一方のディスクの外側合わせ面は、隣接するディスクの内側合わせ面と合わさる、項目27に記載の器具。
(項目32)
前記外側合わせ面と内側合わせ面の形状は概ね球面である、項目31に記載の器具。
(項目33)
各々が隣接するディスク間に配置され接続される、複数のエラストマー部材をさらに含む、項目27に記載の器具。
(項目34)
内バネと環状ディスクの外側に配置されるリストカバーをさらに含む、項目27に記載の器具。
(項目35)
前記リストカバーは非導電体材料の平らな螺旋を含む、項目34に記載の器具。
(項目36)
前記平らな螺旋は、該螺旋の隣接する層間で重なり合う、湾曲した縁を含む、項目35に記載の器具。
(項目37)
前記平らな螺旋は、内バネの軸に概ね平行するように方向付けられた溝を含む、項目35に記載の器具。
本明細書で説明されるように、「エンドエフェクタ」は、医療機能のための、例えば対象組織の所定治療を達成するための、リスト部材を介して操作可能である事実上の作業遠位端部を指す。例えば、エンドエフェクタによっては外科用メス、ブレードまたは電極などの単一作業部材を有するものもある。また、例えば鉗子、捕捉用具、はさみまたはクリップアプライヤーなどの1対または複数の作業部材を有するエンドエフェクタもある。ある実施形態では、ディスクまたは背柱が、集合的に長手方向内腔またはリストに沿った空間を画定し、エンドエフェクタの操作に関連する多数の代替要素または手段のうちのいずれか1つに、導管を提供する開口部を有するように構成される。その例としては、電気的に起動されるエンドエフェクタ(例えば、電気外科電極、変換器、センサーなど)用の導体、流動体、ガスまたは固体用導管(例えば、吸引、吸入、灌注、治療流動体、付属品導入、生検抽出用など)、移動するエンドエフェクタ部材を作動するための機械的要素(例えば、ケーブル、フレキシブル要素、またはグリップ、鉗子、はさみを操作するための連接要素)、導波管、音伝道性要素、光ファイバー要素などを含む。このような長手方向導管は、弾性高分子チューブもしくはスパイラルワイヤ巻きチューブなどのライナ、絶縁体、またはガイド要素を備え得る。
図1は、手術用具用の遠位端エンドエフェクタ12と近接用具シャフトまたは主チューブ14との間に接続されるリスト10を示す。図示されるエンドエフェクタ12は、図2において最もよくわかるように、遠位クレビス18上に搭載されるグリップ16を含む。遠位クレビス18は、近接位置でハイポチューブ26に接続する複数のワイヤーまたはケーブル24の遠位クリンプ22を収納する側面アクセススロット20を含む。また、ハイポチューブ26は、プラットフォームまたはガイド30と用具シャフト14の内部とを通って延びる。ガイド30は、ハイポチューブ26およびワイヤーアセンブリを方向付けさせ、器具の用具シャフト14に取り付けられる。ガイド30はまた、用具シャフト14がロールに動くと、リスト10のローリング動作を開始する。側面アクセススロット20により、従来技術でクリンプ22を所定位置に圧入することができる。当然、レーザー溶接などワイヤー24を遠位クレビス18に取り付けるという他の方法が、他の実施形態で採用され得る。
図4は、ニチノールで構成され得る作動ケーブルまたはワイヤー44を受ける、円周に分布される穴または内腔43を有するチューブ42を含むリスト40を示す。チューブ42はフレキシブルで、ケーブル44を引っ張ることによりピッチおよびヨーの屈折を可能とする。リスト40は好適には、フレキシブルチューブ42にケーブルの力を均等に配分するように、堅い遠位終端ディスク41(図4Bの代替実施形態で示すように)、またはフレキシブルチューブ42よりも実質的に堅い他の補強材を含む。チューブ42の中空は、グリップケーブルなどのエンドエフェクタケーブルのための空間を提供する。典型的には少なくとも4つの内腔がある。内バネ47が設けられ得る。
図8および図9は、チューブ状リスト80を形成するために軸タングおよび溝接続部84により互いに接続または連結される、複数のフレキシブル軸方向摺動部材82を有するリスト80を示す。各摺動部材82はチューブ80の長手方向セグメントを形成する。軸接続部84により、摺動部材82はリスト長手方向中心線に対して各部材の側方の位置を保ちつつ、互いに軸方向に摺動することができる。各摺動部材82は、作動ケーブルを受けるための穴または内腔86を含み、この穴または内腔86はリスト80の遠位端部に隣接して終結される。図9は、摺動部材82の摺動動作により促進される、ケーブル90のケーブル引っ張り力のもとでのリスト80の屈折を図示する。ケーブル90は用具シャフト92を通って延び、近接位置で作動用のジンバルプレート94などの作動機構に接続される。リスト80の屈折時において、摺動部材82の曲率半径が異なるので、摺動部材82は異なる量で屈折する。代替的には、軸方向摺動部材を有するリストの実施形態は、一体化されたケーブルおよび摺動部材を有し得、例えばこれにより摺動部材は一体化された摺動要素としてケーブルの周囲に一体的に形成される(例えば、押出し成形により)、またはこれにより、作動機構は摺動部材の近接端部に連結され、摺動部材は力をリストの遠位端部に直接伝える。
図10および図11は、チューブ状リスト100を形成するために円周の周りに配置される複数の軸バネ102により形成されるリスト100を示す。バネ102は同じ方向または、よりありがちな反対方向に巻かれたコイルバネである。図11でより明確にわかるように、ケーブル104は隣接するバネ102の各対の重なり領域を通って延びる。重なりにより、リスト100がケーブル張力のもとで十分圧縮されている場合、リスト100の密着高さは、個々のバネ102の密着高さの2倍となるであろう。バネ102は典型的には、ケーブルがたるまないように、またリスト安定性を高めるために圧縮状態で予め負荷される。
図12は、チューブ状の波形バネリスト120を形成するように積み重ねられる、または巻かれる複数の波形バネセグメントまたは構成要素122を有する波形バネ120の形態のリストを示す。1つの実施形態では、波形バネは、擬似螺旋状の連続した1片の平らなワイヤーから形成され、これを巻いたものであり、波形は各サイクル毎に変化し、1つのサイクルの高点は次のサイクルの低点に接する。このようなバネは市販のもので、例えば、Smalley Spring Companyから入手可能である。穴が波形バネリスト120に形成され、作動ケーブルを受ける。代替的に、複数の別個のディスク状波形バネセグメントが作動ケーブル上にビーズ状に並べられ得る(ケーブルにより保持されるか、または互いに接着される)。
図14はリスト140のいくつかのセグメントまたはディスク142を示す。内部バネ144はディスク142の内部空間に設けられ、一方、複数のケーブルまたはワイヤー145がピッチおよびヨーにリスト140を屈折するために使用される。ディスク142は、内バネ144上にはめ込まれるか連結され、エンドエフェクタ用の引っ張りケーブルの内腔として作用する。引っ張りケーブルを介してエンドエフェクタに加わる力がリスト140をゆがめないように、内バネ144は軸方向剛性を提供する。代替の実施形態では、バネ144の代わりに積み重ねられた固体スペーサを使用して、この機能を達成することができる。ディスク142はそれぞれ、隣接したディスクの湾曲した内側あわせ面148と合わさる湾曲した外側合わせ面146を含む。図15は、ディスク142間の関連付けられた相対的回転に伴うリスト140の屈折を図示する。ディスク142は、例えばプラスチックまたはセラミックで構成され得る。球面の合わせ面146、148間の摩擦は、好適にはリスト140の動きを妨害するほど強くない。この潜在的な問題を軽減する1つの方法は、リスト140を屈折させるようにケーブル145を作動している間、何らかの圧縮負荷に耐え、ディスク142上の過度の圧縮負荷を防ぐであろう適切な内部バネ144を選択することである。内部バネ144はシリコンゴムなどで構成され得る。さらなるシリコン部材150も、作動ケーブルを囲み得る。代替実施形態では、個々のディスク142は1つの連続した螺旋状の細長い一片に置き換えられている。
図18は、エラストマー部材184により分離された複数のディスク182を有するリスト180を示す。エラストマー部材184は環状の部材であり得るか、ディスク182の円周に分布された複数のブロックを含み得る。図14のリスト140と同様に、内部バネ186がディスク182およびエラストマー部材184の内部空間に設けられ、一方、複数のケーブルまたはワイヤー188が使用されてピッチおよびヨーにリスト180を屈折する。ディスク182は、内バネ184上にはめ込まれるか連結され、エンドエフェクタ用の引っ張りケーブルの内腔として作用する。引っ張りケーブルを介してエンドエフェクタに加わる力がリスト180をゆがめないように、内バネ184は軸方向剛性を提供する。このリスト180の構成は、リスト140よりヒトの脊椎によく似ている。エラストマー部材184は、弾性的に変形してピッチおよびヨーのリスト180の屈折を可能とする。エラストマー部材184を使用することで、ディスク182間のあわせ面の必要性がなくなり、また関連摩擦力がなくなる。
図19は、垂直方向に方向付けられ、リスト190のピッチおよびヨー屈折を促進する、交互のけたまたはリブ194に支持される複数のディスク192を含むリスト190を示す。隣接するディスク192間の切込みを除去して、隣接するディスク192間の概ね垂直なリブ194、196の交互の層を残しておくことにより、リスト190がチューブから形成され得る。ディスク192は作動ケーブルがその中を通る穴198を有する。ディスク192およびリブ194、196は、スチール、アルミニウム、ニチノール、プラスチックなどの種々の材料で構成され得る。図20に図示されるようにリスト200の代替実施形態では、ディスク202はケーブルを受けるための穴の代わりにスロット204を含む。このようなチューブは、ケーブルを通すための穴を有するチューブよりも押出し形成しやすい。バネ206は、ディスク202に巻かれてケーブルを支持する。
図22は、複数の薄いディスク224がバネ222の長さに亘って分布される、コイルバネ222を含むリスト220の一部を示す。図22のリスト部分には2つのディスク224しか見えず、図23と図24で図示される互いに直交するタブ226で方向付けられる224Aおよび224Bを含む。バネ222は、ディスク224を挿入するために設けられる間隙を除いて密着高さで巻かれる。バネ222は内縁およびディスク224のタブ226の近くでディスク224に接続される。ディスク224は、エッチングにより形成され得、作動ケーブルを受けるための穴228を含み得る。タブ226は、ピッチおよびヨーのリスト220の屈折時において、バネ222を一定ポイントで屈折させる支点として作用する。ディスク224は、いくつかの実施形態によっては比較的堅いが、他の実施形態では、リスト220の屈折時にバネ要素として屈折及び作用するのに十分フレキシブルであり得る。シリコーン外側カバーは、誘電絶縁体としてコイルバネ222とディスク224の周囲に設けられ得る。加えて、バネ222とディスク224アセンブリは、例えば、図25および図26における外側ピースまたは外装ピース250から形成される外側構造により保護され得る。各外装ピース250は、外側合わせ面252および内側合わせ面254を含む。1つの外装ピース250の外側合わせ面252は、隣接する外装ピース250の内側合わせ面254と合わさる。外装ピース250はバネ222の長さに沿って積み重ねられ、リスト220の屈折から回転しながら、接触を維持する。
フレキシブルなリストは、加えられた負荷に対する種々の材料の剛性に正確に依存する。すなわち、使用される材料が堅ければ堅いほど、および/またはリストの長さが短ければ短いほど、および/またはリストが大きい直径を有していればいるほど、発揮される所定の外科的な力のもとでのリストに関しては、横へのたわみはより小さくなるであろう。引っ張りケーブルが無視しうるコンプライアンスを有する場合、リストの端部の角度は正確に決定することができるが、ケーブルによるこれに対抗する力のもとでは、移動性または横へのたわみがあり得る。リストがまっすぐで、このような力が働いた場合、例えば、リストはS字形のたわみを呈す。これに対抗する1つの方法は、十分な剛性の適切な材料とリストに適した形状を有することである。別の方法は、米国特許出願第10/187,248号で説明されるように、引っ張りケーブルの半分をリストの長さに沿って途中で終結させ、これらを残りのケーブルの半分まで引っ張ることである。S字形のたわみに対するより大きな抵抗は、モーメントに耐える能力を犠牲にして得られる。S字形のたわみを避けるさらに別の方法は、リストの外側に編組カバーを設けることである。
上記はいくつかのリスト用外装またはカバーを開示する。図28および図29は、リストカバーのさらなる例を示す。図28では、リストカバー280はプラスチックまたはセラミックなどの非導体材料の平らな螺旋により形成される。リストが屈折されると、螺旋状カバー280の異なるコイルは互いに摺動する。図29は、屈折または湾曲した縁292を含み、螺旋の隣接する層間の重なりを確実にする。リストにねじれ剛性を提供するために、リストカバー300は、リストの軸に平行して方向付けられたうねまたは溝302を含み得る。うね302は、1つの螺旋状の層から次の層へのスプラインとして作用し、リスト用のねじれスタビライザーを構成する。ステントのように構成されたニチノールレーザカバーの考察を付け足す。
Claims (1)
- 明細書中に記載の方法。
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