JP6203454B2 - 節輪および医療用マニピュレータ - Google Patents

Description

本発明は、節輪、より詳しくは、医療用マニピュレータの湾曲部を構成するための節輪、およびこの節輪を用いた医療用マニピュレータに関する。
本願は、２０１５年６月１６日に日本国に出願された特願２０１５−１２１１４８号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

腹腔鏡手術では、限られたアクセスルートから患部を処置、観察する必要がある。このため、開腹手術と比較して、自由度が制限され、手技の難易度が上がるが、術後の回復等の観点で患者のメリットは大きい。

先端に湾曲機構を有する医療用マニピュレータを使用することにより、自由度の高い処置や観察が可能になる。医療用マニピュレータの湾曲機構の一つとして、特許文献１に示すような、環状に形成された節輪や湾曲コマが軸線方向に複数並べられた構造（以下、「節輪構造」と称する。）が知られている。

日本国特開２０００−２９６１０３号公報

節輪構造を備えた湾曲機構は、隣接する棒状部材を一つの関節で接続した機構に比べて、長手方向の寸法増大を抑えつつ、多方向への湾曲が可能であるという利点がある。その一方で、モータ等を用いて節輪構造を備えた湾曲機構を駆動する場合、節輪の挙動にブレが生じると、湾曲機構が操作者の意図とずれた挙動を示す可能性がある。

特許文献１の湾曲機構では、複数の半円状の突起を有する湾曲コマを複数整列配置し、突起を軸線方向に貫通するようにワイヤを配置しているが、この構造では、各湾曲コマの軸線まわりの回動を完全に防ぐことは困難である。
湾曲コマが軸線まわりに回動すると、ワイヤを所定量牽引した際に湾曲コマが隣接する湾曲コマに対して傾動する量が変化する。その結果、湾曲機構の挙動に設定とのずれが生じる。モータ等による駆動の場合、マニピュレータ先端に設けられたエンドエフェクタの位置や姿勢は、各湾曲コマの設定傾動量に基づいて算出されるため、傾動量が変化すると、精密な駆動制御が困難となる。

上記事情を踏まえ、本発明は、節輪等の傾動の安定性が高度に保持された湾曲機構を構成することができる節輪を提供することを目的とする。
本発明の他の目的は、節輪等の傾動の安定性が高度に保持された医療用マニピュレータを提供することである。

本発明の第一の態様によれば、医療用マニピュレータの湾曲部を構成するための節輪であって、環状に形成された本体部と、前記本体部の中心軸線方向における第一の面から突出し、突出部分に球面を有する一対の突起部と、を備え、前記本体部は、前記中心軸線を挟んで対向するように形成された一対の嵌合孔と、前記中心軸線方向における第二の面に開口し、前記球面が進入可能な大きさでありかつ前記中心軸線を挟んで対向するように形成された一対の受け孔とを有し、前記一対の突起部は、前記嵌合孔に挿入可能な嵌合部を有しており、前記嵌合部が前記嵌合孔に挿入されることにより、前記球面が前記本体部の前記第一の面側に突出するように前記本体部に嵌合固定され、前記節輪を前記中心軸線方向に複数並べ、第一の節輪の前記一対の突起部を、前記第一の節輪と隣接する第二の節輪の前記一対の受け孔に進入させると、前記第一の節輪の前記球面が前記第二の節輪の前記受け孔の内部の受け面と接触し、前記第一の節輪と前記第二の節輪とが、前記第一の節輪の前記一対の突起部それぞれの前記球面の中心を結ぶ線分を回動中心として相対回動可能となる。

上記の節輪において、前記一対の突起部と前記一対の受け孔とは、前記中心軸線まわりに９０度位相をずらして設けられてもよい。
上記の節輪において、前記突起部は、前記中心軸線と平行に延びる貫通孔を有してもよい。前記一対の受け孔は、前記中心軸線と平行に前記本体部を貫通するように形成されてもよい。

上記の節輪において、前記貫通孔は、前記中心軸線方向の両端に近づくにつれて徐々に拡径してもよい。前記一対の受け孔は、前記中心軸線方向の両端に近づくにつれて徐々に拡径してもよい。
上記の節輪において、前記一対の突起部は、前記本体部よりも硬質な材料で形成されてもよい。

本発明の第二の態様によれば、医療用マニピュレータは、上記の節輪を複数用いて構成された湾曲部を備える。

上記の節輪によれば、節輪等の傾動の安定性が高度に保持された湾曲機構を構成することができる。
上記の医療用マニピュレータによれば、節輪等の傾動の安定性が高度に保持された構成とすることができる。

本発明の一実施形態に係る内視鏡の全体図である。 前記内視鏡の湾曲部の断面図である。 基本節輪の斜視図である。 前記基本節輪を構成する本体部の形状を示す図である。 前記基本節輪を構成する突起部を示す断面図である。 隣り合う基本節輪の突起部および受け孔を示す拡大図である。 隣り合う基本節輪が相対回動したときの突起部および受け孔を示す拡大図である。

以下、本発明の一実施形態について、図１から図７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である内視鏡１を示す図である。内視鏡１は、腹腔鏡手術等において、トロッカ等を介して体腔内に挿入して使用される。内視鏡１は、湾曲操作可能な湾曲部１１を有する挿入部１０と、挿入部１０の先端部に取り付けられた観察部（エンドエフェクタ）２０と、挿入部１０の基端部に取りつけられた駆動部３０と、駆動部３０を操作するための操作部４０とを備えている。

挿入部１０は、金属等で筒状に形成されている。湾曲部１１は、複数の節輪が軸線方向に並んで配置された構造を有する。湾曲部１１の構造の詳細は後述するが、最も先端側の節輪と駆動部３０とは、挿入部１０に挿通された第一対のワイヤ（動力伝達部材）６１、６２および第二対のワイヤ６３、６４により接続されている。駆動部３０が発生させる駆動力によりワイヤ６１から６４を進退させることで、湾曲部１１を、軸線から離間する４方向に湾曲させる２自由度の湾曲操作を行うことができる。

観察部２０は、固体撮像装置等を有する撮像部と、発光ダイオード（ＬＥＤ）や、光源と接続されたライトガイド等を有する照明部とを備えた公知の構造を有する。観察部２０の取得した画像は、挿入部１０に通された配線等を通って内視鏡１に接続された不図示の外部モニタ等に表示される。

駆動部３０は、駆動力を発生する駆動力発生部３１を備える。駆動力発生部３１は、モータ等の駆動機構を複数備えており、第一対のワイヤ６１、６２と第二対のワイヤ６３、６４とは、それぞれ異なる駆動機構に接続されている。駆動機構とワイヤとは、直接接続されてもよいし、減速のためのギア等を介して接続されてもよい。
操作部４０は、駆動部３０を操作可能に構成されていれば、その具体的構成や設ける位置等に特に制限はなく、公知の操作部の構造等を適宜選択して用いることができる。

図２は、湾曲部１１の断面図である。湾曲部１１は、ワイヤ６１〜６４が接続される先端側節輪１２と、基端側に配置される基端側節輪１３と、先端側節輪１２と基端側節輪１３との間に配置される複数の基本節輪５０との３種類の節輪を用いて構成されている。３種類の節輪は、いずれも環状に形成されており、湾曲部１１の先端側から先端側節輪１２、複数の基本節輪５０、基端側節輪１３の順に軸線方向に並べて配置された状態でワイヤ６１〜６４が挿通されている。

図３は、基本節輪５０を示す斜視図である。基本節輪５０は、本実施形態における節輪であり、環状の本体部５１と、本体部５１に取り付けられた一対の突起部５６とを備えている。
図４の下側は、本体部５１の正面図であり、上側は本体部５１の断面図である。本体部５１は、例えばステンレス鋼等の金属で環状に形成されている。本体部５１は、中央に観察部２０の配線やライトガイド、処置具チャンネルとして用いられるチューブ等の内臓物を通すための収容孔５２を有する。

収容孔５２の周囲には本体部５１の中心軸線Ｘ１（以下、単に「軸線Ｘ１」と称することがある。）方向に延びる４つの貫通孔が設けられている。４つの貫通孔のうち二つは、突起部５６が取り付けられる嵌合孔５３であり、残りの二つは、複数の基本節輪５０が本体部５１の中心軸線Ｘ１方向に並べられた際に、背面（第二の面）側から突起部５６が進入する一対の受け孔５４である。

嵌合孔５３と受け孔５４とは、軸線Ｘ１まわりに交互かつ等間隔に配置されている。したがって、嵌合孔５３および受け孔５４は、隣り合う貫通孔のいずれとも軸線Ｘ１まわりの回転角として９０度離れた位置関係にあり、二つの嵌合孔５３の中心同士を結ぶ線および二つの受け孔５４の中心同士を結ぶ線は、いずれも軸線Ｘ１を通る。すなわち、二つの嵌合孔５３は、中心軸線Ｘ１を挟んで対向しており、二つの受け孔５４は、中心軸線Ｘ１を挟んで対向している。

図４に、受け孔５４の断面形状を示す。軸線Ｘ１方向の中間部５４ａは、内径が一定な円柱状の空間である。正面側の第一拡径部５４ｂは、本体部５１の正面に近づくにつれて徐々に拡径する形状を有している。背面側の第二拡径部５４ｃは、本体部５１の背面に近づくにつれて徐々に拡径する形状を有している。第二拡径部５４ｃは、軸線Ｘ１と平行な軸線を有する円錐台状の空間を有している。第二拡径部５４ｃのテーパ状の内面は、突起部５６と接触する受け面５５になっている。

図５は、突起部５６を示す断面図である。突起部５６は、半球状の先端部５７と、先端部５７に接続された略円柱状の嵌合部５８とを備えている。先端部５７の先端側の面は、球面となっており、この球面を有する球の中心Ｃは、嵌合部５８の軸線Ｘ２上に位置している。突起部５６には、軸線Ｘ２を中心軸とする貫通孔５９が設けられている。貫通孔５９の両端部は、それぞれ先端および基端に向かって徐々に拡径するテーパ状に形成されている。

突起部５６は、嵌合部５８が、本体部５１の正面側から嵌合孔５３に挿入されることにより、本体部５１の正面（第一の面）側に突出するように本体部５１に嵌合固定されている。突起部５６を形成する材料としては、金属が好適であり、例えば、真鍮、チタン、ＳＵＳ４２０Ｊ２（ＪＩＳ規格）等のマルテンサイト系ステンレス鋼、あるいは、各種ステンレス鋼にコーティングを施したもの等が挙げられる。

図２に示すように、基本節輪５０は、突起部５６を先端側節輪１２側に向けた状態で、隣り合う基本節輪５０において突起部５６の位相が軸線Ｘ１まわりの回転角として９０度異なるように配置される。これにより、隣り合う２つの基本節輪５０において、基端側に位置する基本節輪５０の突起部５６の前方に先端側に位置する基本節輪５０の受け孔５４が位置する。そして、図６に拡大して示すように、基端側の基本節輪５０の先端部５７が、先端側の基本節輪５０の第二拡径部５４ｃ内に進入し、先端部５７の球面と受け面５５とが接触している。
図２の断面には存在していないが、先端側節輪１２の背面には、第二拡径部５４ｃと同一形状の凹部が設けられており、最も先端側に位置する基本節輪５０の突起部５６が同様の態様で凹部内に進入している。図２に示すように、基端側節輪１３の正面には、二つの突起部５６が取り付けられている。基端側節輪１３の突起部５６は、基本節輪５０に取り付けられた突起部と同様に、もっとも基端側に位置する基本節輪５０の第二拡径部５４ｃ内に進入している。
３種類の節輪が上述のような位置関係である状態で、基本節輪５０の４つの貫通孔に４本のワイヤ６１〜６４がそれぞれ挿通され、湾曲部１１が構成されている。

上記のように構成された本実施形態の内視鏡１の使用時の動作について説明する。
使用者は、操作部４０を操作して駆動部３０を駆動し、湾曲部１１の湾曲操作を行う。駆動部３０の駆動機構により、第一対のワイヤ６１、６２および第二対のワイヤ６３、６４が、挿入部１０に対して進退される。ワイヤ６１〜６４の先端は、先端側節輪１２に接続固定されているため、挿入部１０に対して後退駆動されるワイヤが挿通された位相の方に湾曲部１１が湾曲する。

湾曲部１１が湾曲する際、湾曲部１１を構成する各節輪は、それぞれ隣り合って配置された節輪に対して相対回動する。この相対回動について、図６および図７を参照して説明する。なお、図６および図７では、見やすくするために挿通されたワイヤを省略して示している。

隣り合う二つの基本節輪５０は、二つの突起部５６が二つの受け孔５４内に進入することにより互いに２か所で支持されている。図６には、隣り合う基本節輪５０が直線状に並んだ、すなわち二つの基本節輪５０の中心軸線Ｘ１（不図示）が一致している状態を示している。この状態でワイヤが操作されると、一方の基本節輪５０が他方の基本節輪５０に対して相対回動する。このとき相対回動の中心軸（回動軸）Ｘ３は、二つの突起部５６における先端部５７の球面形状の中心Ｃを結んだ線分である。この回動軸Ｘ３は、二つの突起部５６が、中心軸線Ｘ１周りに回転角として１８０度離れるように配置されているため、基端側の基本節輪の中心軸線Ｘ１と交差する。
突起部５６と受け孔５４とは、先端部５７の球面とテーパ状の受け面５５とで接触しているため、両者は円弧状に線接触している。このため、隣り合う二つの基本節輪５０が図７に示すように相対回動する際に、中心軸線Ｘ１まわりに相対回動する余地はなく、中心軸線Ｘ１まわりのブレは発生しない。また、受け面５５は、相対回動時に先端部５７の球面上を滑るように相対移動するが、この相対移動の中心は常に回動軸Ｘ３であり、回動軸のブレも発生しない。
上記の作用により、湾曲部１１が湾曲する際、隣り合う基本節輪５０は、概ね設計通りの相対回動を行い、誤差はほとんど生じない。先端側節輪１２および基端側節輪１３も、隣り合う基本節輪５０に対して突起部５６の球面と受け面５５とで接触しているため、同様である。

以上説明したように、本実施形態の内視鏡１によれば、湾曲機構である湾曲部１１を構成する複数の節輪において、隣り合う二つの基本節輪５０は、一方に設けられた二つの突起部５６が有する球面と二つの受け面５５とが接触するように配置されている。このため、隣り合う二つの基本節輪５０は、常に所定の回動軸Ｘ３を中心に相対回動する。したがって、湾曲部１１が湾曲する際の節輪の傾動の安定性が高く保持され、節輪構造でありながら駆動制御を高精度に行うことができる。

また、ワイヤ６１〜６４が挿通される受け孔５４および突起部５６の貫通孔５９は、いずれも両端に近づくにつれて徐々に拡径されているため、隣り合う基本節輪５０が傾動したときも、挿通されたワイヤ６１〜６４が拡径された内面に沿って湾曲することができる。したがって、ワイヤが貫通孔のエッジと接触して損傷する等の事態を抑制することができる。

本実施形態において、受け面５５と突起部５６の球面とが接触する位置は適宜設定することができるが、接触部位が受け孔５４の端部に近すぎると、相対回動した際に突起部５６が受け孔５４から外れる可能性がある。逆に、接触部位が受け孔５４の端部から遠すぎると、受け孔５４の端部（エッジ）や貫通孔５９の端部（エッジ）が、ワイヤ６１〜６４を損傷したりせん断したりする可能性がある。したがって、受け面と突起部の球面とが接触するときに、球面を有する先端部が４０％以上６０％以下程度受け孔内に位置するように突起部の寸法や受け面の傾斜角度等を設定するのが好ましい。

以上、本発明の一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。

例えば、上述の実施形態では、基本節輪を構成する本体部と突起部とが別部材である例を説明したが、これに代えて本体部および突起部が単一の部材で一体に形成されてもよい。
ただし、別部材にすると、それぞれの材質を適宜選択することで、本体部と突起部とが摺動する際の滑りを良くしたり、突起部を本体部より硬質な材料で形成することで変形しにくくし、相対回動時の挙動を更に安定化させたりすることができる点でメリットがある。

また、上述の実施形態では、動力伝達部材が突起部および受け孔に挿通される例を説明したが、動力伝達部材は節輪の他の部位に挿通されてもよい。たとえば、突起部または受け孔と回転角として４５度離れた位置に動力伝達部材用の貫通孔を形成して挿通してもよい。

さらに、上述の実施形態では、基端側の節輪に設けられた突起部が先端側の節輪に設けられた受け孔に進入する例を説明したが、これに代えて、先端側の節輪に設けられた突起部が基端側の節輪に設けられた受け孔に進入する構成であってもよい。このような構成は、上述の実施形態において、節輪の並び方を保持しつつ配置を逆にする、すなわち、先端側節輪１２を基端側にし、基端側節輪１３を先端側にすることで実現できる。この場合も隣り合う節輪が相対回動する際の回動軸を概ね不動にし、同様の効果を得ることができる。したがって、湾曲機構の組立手順等を考慮しつつ、いずれの構成をとってもよい。

さらに、上述の実施形態では、二対のワイヤを備え４方向に湾曲可能な構成例を説明したが、ワイヤを一対だけ設けて２方向に湾曲可能な構成にしてもよい。この場合、２つの突起部と２つの受け面とを中心軸線まわりの同一位相に配置し、すべての基本節輪を突起部の位相が一致するように並べて配置することにより湾曲部を構成してもよい。このような構成であれば、湾曲機構の長手方向の寸法を短く構成することができる。さらに、先端側節輪および基端側節輪を挿入部に対して軸線まわりに回動可能に取り付け、操作部の操作により湾曲機構全体を挿入部の他の部位に対して軸線まわりに回転可能に構成すると、２方向に湾曲可能かつ湾曲方向を所望の向きに変更可能な構成が実現できる。

加えて、本発明の医療用マニピュレータとしての内視鏡は、挿入部が硬性のものには限定されない。したがって、挿入部において湾曲部以外の領域が可撓性を有する軟性の内視鏡であってもよい。また、本発明の構造は、モータ等の駆動機構により湾曲部の駆動を行う場合に大きな効果を奏するが、公知のダイヤルノブ等により手動で湾曲部を駆動する構成にも適用可能である。
さらに、本発明の医療用マニピュレータが備えるエンドエフェクタも、上述した観察部には限定されない。例えば、通電して使用する高周波ナイフ等や通電せずに使用する把持鉗子等、処置に使用する各種の構成であってもよい。

上記実施形態の節輪によれば、節輪等の傾動の安定性が高度に保持された湾曲機構を構成することができる。
上記実施形態の医療用マニピュレータによれば、節輪等の傾動の安定性が高度に保持された構成とすることができる。

１ 内視鏡（医療用マニピュレータ）
１１ 湾曲部
５０ 基本節輪（節輪）
５１ 本体部
５４ 受け孔
５５ 受け面
５６ 突起部
５９ 貫通孔
Ｃ （突起部の球面の）中心
Ｘ１ 中心軸線

Claims (6)

1. 医療用マニピュレータの湾曲部を構成するための節輪であって、
   環状に形成された本体部と、
   前記本体部の中心軸線方向における第一の面から突出し、突出部分に球面を有する一対の突起部と、
   を備え、
   前記本体部は、
   前記中心軸線を挟んで対向するように形成された一対の嵌合孔と、
   前記中心軸線方向における第二の面に開口し、前記球面が進入可能な大きさでありかつ前記中心軸線を挟んで対向するように形成された一対の受け孔とを有し、
   前記一対の突起部は、前記嵌合孔に挿入可能な嵌合部を有しており、前記嵌合部が前記嵌合孔に挿入されることにより、前記球面が前記本体部の前記第一の面側に突出するように前記本体部に嵌合固定され、
   前記節輪を前記中心軸線方向に複数並べ、第一の節輪の前記一対の突起部を、前記第一の節輪と隣接する第二の節輪の前記一対の受け孔に進入させると、前記第一の節輪の前記球面が前記第二の節輪の前記受け孔の内部の受け面と接触し、前記第一の節輪と前記第二の節輪とが、前記第一の節輪の前記一対の突起部それぞれの前記球面の中心を結ぶ線分を回動中心として相対回動可能となる
   節輪。
2. 前記一対の突起部と前記一対の受け孔とは、前記中心軸線まわりに９０度位相をずらして設けられている請求項１に記載の節輪。
3. 前記突起部は、前記中心軸線と平行に延びる貫通孔を有し、
   前記一対の受け孔は、前記中心軸線と平行に前記本体部を貫通するように形成されている
   請求項１に記載の節輪。
4. 前記貫通孔は、前記中心軸線方向の両端に近づくにつれて徐々に拡径しており、
   前記一対の受け孔は、前記中心軸線方向の両端に近づくにつれて徐々に拡径している
   請求項３に記載の節輪。
5. 前記一対の突起部は、前記本体部よりも硬質な材料で形成されている請求項１に記載の節輪。
6. 請求項１に記載の節輪を複数用いて構成された湾曲部を備える医療用マニピュレータ。

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