JP4980899B2 - 操向可能なフォローザリーダー装置 - Google Patents

Description

本願は、２００４年６月２５日に出願された、米国特許出願第６０／５８３,０９４号、発明の名称「Flexible Steerable Go-Anywhere Medical Snake Robot」の利益を主張し、当該出願は、引用を以て本願の一部となる。

この開示は、遠隔操作機構の分野に関するロボット工学の分野から出た成果であって、より具体的には、３次元的にフレキシブルで操向可能な装置に関する。

本明細書で開示される装置には多くの用途があるが、この装置にとって、意欲的な用途は低侵襲手術である。今日市場で入手可能な医療用ロボットシステムは少ない。これらのシステムは、３つの主要なグループに、即ち、能動システム、準能動システム及び受動システムに分類される。能動ロボットシステムアプローチは、Ｋａｚａｎｚｉｄｅｓらによる「Kazanzides P, Mittelstadt B, Musits B, Barger W, Zuhars J, Williamson B, Cain P and Carbone E: An integrated system for cementless hip replacement. IEEE Engineering in Medicine and Biology. pp. 307-313, 1995」と、Ｂｒａｎｄｔらによる「Brandt G, Radermacher K, Lavalle S, Staudte H. W, Rau G, "A Compact Robot for Image Guided Orthopedic Surgery: Concept and Preliminary Results", Lecture notes in Computer Science 1205, CVRMed-MRCAS'97, Troccaz J, Grimson R, and Mosges R, eds, pp. 767-776, 1997」とに示されており、第１例では、シリアルロボットは、大腿(femur)を能動的に延ばして、膝の手術用のインプラントを最適に取り付ける。このロボットは、目先の仕事に対して仕事量が大きいシリアル型機構である。従って、そのようなロボットは、幾分重くて扱いにくく、幾つかの既知の欠点、例えば、剛性及び精度が比較的低いことと、定格負荷／重量の比が低いことに悩まされる。これらのロボットが医療行為に使用されることは、精度及び安全性が最優先であるから、特定の医療タスクに関して、優れた運動及び動的性能を有するマニピュレータを研究する動機を、研究者に与えている。

第２例では、スチュワートプラットフォームが、股関節置換手術に使用されている。スチュワートプラットフォームは、パラレルロボットの一種である。６自由度のパラレルロボットは、２つの硬いプラットフォームから成り、一方は、ベースプラットフォームとして使用され、他方は、移動自在なエンドエフェクタとして使用される。２つのプラットフォームは、ボールソケット型ジョイントによって、長さを変えることができる６つのリンクに連結されている。各リンクの長さを調整することによって、この機構は、ベースプラットフォームに対して、可動エンドエフェクタを位置決めできる。パラレルロボット構造の利点として、低重量、コンパクト構造、高精度、高剛性、制限された作業空間、高周波応答及び低費用が挙げられる。「Merlet J.-P., Les Robots Paralleles, Hermes, Paris, 1997」。さらに、パラレルロボットは、シリアル装置より遙かに故障に強く、その理由は、シリアル装置では、１つの故障がロボットを急激に動かす可能性があるが、パラレル構造では、１つの故障は、ロボットの全体的な動きに殆ど影響を及ぼさないからである。このことは、医療用途において重要である。何故なら、外科医は、破滅的な故障時に、その最後の位置を維持する装置を望んでいる。「Khodabandehloo K., Brett P.N., Buckingham R.O., "Special-Purpose Actuators and Architectures for Surgery Robots", Computer Integrated Surgery, Taylor R., Lavalle S., Burdea G., Ralph Mosges, eds, pp. 263-274, 1996」。

ロボット工学の視点からは、パラレル機構の主たる欠点は、作業空間が制限されることである。しかしながら、Ｋｈｏｄａｂａｎｄｅｈｌｏｏらによって指摘されたように、限られた作業空間は、医学的応用では利点となる。それは、利用可能なその場の手術領域(active in-situ operation volumes)は、患者及び医師を保護するために制限されるからである。残念なことに、この利点により、手術室内において、手術場所の近くにロボットを配備せざるを得なくなる。そのことは、ロボットが執刀医と干渉するだろうから、大抵の場合、非現実的である。この問題を解決するために導入される解決法の１つは、ロボットが「逆さまに」働くように、手術室の天井に、ロボットシステム全体を取りつけることである。「Lueth T., Bier J., "Robot Assisted Intervention in Surgery", Gilsbach JM. and Stiel H.S. (Editors), Neuronavigation-Neurosurgical and Computer Scientific Aspects, Springer-Verlag, Wien. 1999」。 この解決法では、ロボットは、通常の手術行為中は干渉せず、必要な時に作動し、手術領域に移動する。しかしながら、この解決法は、すべての手術室に適用できるのではなく、特別に手術室を設計する必要がある。

手術室に導入された公知の最初のロボットは、Ｒｏｂｏｄｏｃ(商標)ｓｙｓｔｅｍ(Integrated Surgical Systems, Sacramento, CA)であった。このロボットは、セメントレス人工大腿関節用に、大腿骨の髄腔に穴を開けるために使用される。市場に導入されたその他のロボットシステムには、振動を伴わず、より正確に、具体的には最大１／１００ｍｍの精度で、内視鏡を配置するＵＲＳ(商標)、カメラの支持に使用されるＥｎｄｏ Ａｓｓｉｓｔ(商標)、機器の支持に使用されるＥｎｄｏ Ｗｒｉｓｔ(商標)、人工股関節置換手術に使用されるＣＡＳＰＡＲ(商標)、カメラの支持に使用されるＡＥＳＯＰ(商標)及び機器の支持に使用されるＺＥＵＳ(商標)がある。その他の入手可能な医療用ロボットシステムには、内視鏡／カテーテルの誘導に使用されるＮｅｕｒｏｍａｔｅ(商標)、顕微鏡の支持に使用されるＭＫＭ(商標)、同じく顕微鏡の支持に使用されるＳｕｒｇｉＳｃｏｐｅ(商標)がある。

準能動ロボットシステムのアプローチを示しているものに、Ｈｏらによる「Ho SC, Hibberd RD, Davies BL, "Robot Assisted Knee Surgery", IEEE Engineering in Medicine and Biology, Vol. 14, pp. 292-299, May/June 1995」、Ｋｉｅｎｚｌｅらによる「Kienzle III, T, Stullberg D., Peshkin M., Quaid A., Lea J., Goswami A., Wu Ch., "A Computer-Assisted Total Knee Replacement Surgical System Using a Calibrated Robot", In Computer integrated surgery. Tailor, Lavallee, Burdea, and Mosges, eds, MIT Press, pp. 410-416, 1996」、Ｈａｒｒｉｓらによる「Harris SJ., Lin WJ, Fan KL, Hibberd RD, Cobb J, Middelton R, Davies BL, "Experiences with Robotic Systems for Knee Surgery", Lecture notes in computer science 1205, CVRMed-MRCASD '97」がある。Ｋｉｅｎｚｌｅらの文献では、ロボットは、手術の間、アシスタントの機能を果たし、器具を安定した位置に保持し、刃具を正確に誘導し、所定の手術領域から器具が出るのを防止する。第３のアプローチである受動ロボットシステムを示しているものに、Ｇｒａｃｅらによる「Grace K.W., Colgate J.E., Gluksberg M.R., Chun J. H., "Six Degree of Freedom Micromanipulator for Ophthalmic Surgery", IEEE International Conference on Robotics and Automation, pp. 630-635, 1993」、Ｊｅｎｓｅｎらによる「Jensen P.S., Glucksberg M.R., Colgate J.E., Grace K.W., Attariwala R., "Robotic Micromanipulator for Orthopedic Surgery", 1st International Symposium on Medical Robotics and Computer Assisted Surgery, pp. 204-210, Pittsburgh 22-24, 1994」があって、６自由度ロボットは、執刀医によって完全に制御されて、誘導器具としての機能を果たすだけである。

医療用ロボットの第３のカテゴリーは、受動システムである。この種類のロボットシステムは、外科行為を支援するが、手術中は能動的に関与しない。言い換えれば、執刀医は、常時、外科行為を完全に支配している。Ｍａｔｓｅｎらによる「Matsen FA III, Garbini JL, Sidles JA, Prat B, Baumgarten D, Kaiura R, Robotic assistance in Orthopedic surgery, Clin Orthp and Rela Res 296, 1993: 178-186.」は、膝関節形成用の受動ロボットシステムについて報告している。彼らの研究では、３次元の透明なテンプレートを保持する市販のＵｎｉｍａｔｉｏｎ ＰＵＭＡ ２６０が使用されており、それによって、執刀医は、人工関節面の所望の位置を示すことができる。そして、ロボットは、生じる断面が、実際に電動のこぎりを握って切断を行う執刀医によって示された面と合うように、のこぎりガイドを置く。このシステムは、全く手術室で使用されたことがない。

ＭｃＥｗｅｎらによる「Mc Ewen C, Bussani CR, Auchinleck GF, Breault MJ. Development and initial clinical evaluation of pre robotic and robotic retraction systems for surgery. 2nd Annual Int Symposium Custom Orthopaedic Prosthetics, Chicago, Oct 1989.」は、手術室にてアシスタントとしてＡｒｔｈｒｏｂｏｔを使用している。このロボットは、ネウマティカルに(neumatically)作動する電子制御式のポジショナ装置であって、手足を保持するために手術中に使用される。このシステムは、センシング機能を持たないので、人間による明確な制御下でしか動くことができない。このシステムは、膝と腰の関節形成中に使用された。

その他の受動ロボットシステムは、Ｇｒａｃｅらによる「Grace K. W., Colgate J. E., Gluksberg M. R., Chun J. H. A Six Degree of Freedom Micromanipulator for Ophthalmic Surgery. IEEE International Conference on Robotics and Automation 1993; 630-635.」によって報告されているが、これらは、整形外科用途に関係していない。Ｇｒａｃｅは、網膜静脈閉塞の治療に使用される６自由度マイクロマニピュレータを開発した。処置中、オペレータは、(顕微鏡を使って)ロボットのエンドエフェクタを見ながら、多次元ジョイスティック入力装置を使用してそれを誘導する。

しかしながら、受動ロボットの最も多い例は、手術ナビゲーションシステムである。なぜならば、それらは、各ＣＡＯＳシステムの主要な要素に相当するからである「Nolte LP, Langlotz F, Basics of computer assisted orthopedic surgery (CAOS), Navigation and robotics in total joint and spine surgery, New York, Springer, 2004.」。基本的に、ナビゲーションシステムは、システム構成部品の位置つまり場所及び方向を、大域座標系で言及し、それらの相対位置は、その大域座標系で決定される。

本特許出願の発明者らは、その他の種類の多数のロボットを作製してきた。彼らの専門分野として、正式には超冗長機構(hyper redundant mechanism)と呼ばれるスネークロボットが挙げられる。スネークロボットは、能動的、準能動的及び受動的方法で使用される。スネークロボットは、当初は、研究及び救助における仕事を補助するために設計及び構築された。「Wolf, A, Brown, H.B., Casciola, R., Costa, A., Schwerin, M., Shamas, E., Choset, H., "A mobile hyper redundant mechanism for search and rescue tasks", Proceedings of IEEE/RSJ IROS2003」。このロボットの構成は、ロボットが最小限の電力及び空間を消費する一方で、それ自身の質量を支えることができるほど十分に堅くなるように、新規な機械設計を要求した。「Shammas, E., Wolf, A., Brown, H.B., Choset, H., "New Joint Design for Three-dimensional Hyper Redundant Robots", Proceedings of IEEE/RSJ IROS2003」。スネークロボットは、可動プラットフォームの上部に取りつけられ、スネークは、半自立的に研究領域まで移送される。可動ロボットプラットフォーム及びスネークロボットの制御は、ジョイスティックで行われるので、簡単で直感的なインターフェースがユーザに提供される。スネークロボットの制御は、ジョイステックの入力がカメラのリファレンスフレームに変換されるようにして、カメラのリファレンスフレーム内で実行される。「Wolf, A, Choset, H., Brown, H.B., Casciola, R., "Design and Control of a Hyper-Redundant Mechanism", Submitted to IEEE Transactions on Robotics」。この種類の装置が、断面の直径を減らして作製されるならば、この種のスネークロボットは、執刀医が、体の領域に低侵襲的に到達して、スネークロボットの先端の器具を用いて手術を行うことを可能にする。

超冗長ロボットに関した過去の研究のほとんど全ては、機構の発展及びエンドエフェクタの配置に焦点を当てて行われた。「Chirikjian G., S., Burdick W., J., (1995a) Kinematically optimal hyper-redundant manipulator configurations, IEEE Tran. On Rob and Aut, 11 (6), pp. 794-806」及び「Chirikjian G., S., Burdick W., J. (1995b) The kinematic of hyper-redundant robot locomotion, IEEE Tran. On Rob and Aut, 11(6), pp. 781-793」。これらの装置のほとんどは、大規模なものに限られていた。歴史的に見ると、Ｈｉｒｏｓｅは、１９７２年に、地面上における本物のヘビの移動運動を模倣した見事な装置を開発した「Hirose, S. Biologically Inspired Robots: Snake-like Locomotors and Manipulators. Oxford University Press: Oxford 1993」。平面的な超冗長マニピュレータを用いたＣｈｉｒｉｋｊｉａｎ及びＢｕｒｄｉｃｋによる研究は、カリフォルニア工科大学にて１９９０年年代初頭まで続いた。彼らの貢献は、ロボット自体ではなく、これらのロボットのための新規なエンドエフェクタ配置アルゴリズムに重点がある(Chirikjian and Burdick, 1995)。近年、その他の研究者、例えばＸｅｒｏｘ ＰａｒｅのＹｉｍ、個人のＭｉｌｌｅｒ及びＮＡＳＡ ＡｍｅｓのＨａｉｔｈは、ヘビの移動運動に関するＨｉｒｏｓｅの先駆的な仕事を再現しており、Ｙｉｍ及びＨａｉｔｈは、Ｙｉｍのポリボットモジュールを使用して、モジュール式超冗長機構を形成した。モジュール方式は、明らかにその利益を有するが、許容し難いほどのコストがかかる。これは、強度及び機動性の損失として現れる。電気機械的結合は、ポリボットの革新であるが、機構に弱い部分をもたらし、ロボットをより離散的にするように(リンク長さが、つまり自由度(ＤＯＦ)における分離が増加するように)空間を占拠するので、機能性が低減する。モジュール化は、ロボットのターゲット構成が事前に知られていない場合に、より価値がある。

超冗長機構の課題は、３次元で自身を持ち上げるほど強く、しかしながら、基本的な計画の実行に一層役立つように十分小さく且つ軽くすることである。パシフィックノースウェスト研究所は、極めて強いが、動きが非常に遅く、さらに大きすぎる３次元機構を開発した。このロボットが非常に遅く移動するのは、爆弾解除に使用する意図からであり、技術者は、このロボットを遠隔操作して、偶発的に爆発させることなく爆弾の内部を探ることができた。運動学的には、この機構は、線状に駆動される一連のユニバーサルジョイントであって、互いに上部で重ねられている。Ｔａｋａｎａｓｈｉは、スネークロボット用の新規な２ＤＯＦジョイントを、ＮＥＣにて開発し、これは、よりコンパクトな設計を可能とした。このジョイントは、受動ジョイントを使用しており、隣接するベイ(bays)のねじれを防止する一方で、同時に２自由度、即ち、曲げ及び方向付け(orienting)をもたらしている。このユニバーサルジョイントは、アンギュラスイベルジョイント(angular swivel joint)を覆っており、それは２自由度をもたらす。外側に装着されたユニバーサルジョイントは、該ジョイントを非常に大きくした。ジェット推進研究所(ＪＰＬ)の研究者らは、Ｔａｋａｎａｓｈｉの設計を、ロボットの内部に小さなユニバーサルジョイントを配置することで、「逆に」した。これは、よりコンパクトな設計を可能にしたが、強度及び剛性にコストが掛かった(バックラッシュ)。小さなユニバーサルジョイントは、偏角が大きいと回転運動を伝達できないだけでなく、重い荷重に耐えることができない。

特定の用途では、超冗長ロボットは、低侵襲手術に通常要求される直径１５ｍｍよりも小さいサイズで動作することが望ましい。超冗長ロボットの機能を高める多自由度の関節(articulation)もまた、主たる研究課題を提供する。重大な課題がいくつかあって、その１つは、超冗長ロボットの作製に取り組むものでなくてはならない。第１は、実際の機械設計自体であって、小さく限定された領域(volume)で、高い機動性を有する装置を構築することである。そのような小規模の場合、低レベル制御は、もう１つの課題である。装置の筐体内のコンパクトな空間は、超冗長ロボットに搭載された全てのアクチュエータ及びセンサーを配線する余地を殆ど残していないから、それ故に、より進歩した低レベルコントローラが使用されるべきである。

超冗長ロボットのサイズを減少する研究の１つの手段は、新しいアクチュエータ発展、例えば形状記憶合金を中心としてきた。能動カテーテル及び内視鏡に関する多くの研究が発表されたが、そのほとんどは、形状記憶合金(ＳＭＡ)アクチュエータ(Tohuko University, Olympus Optical Co)によって駆動されている。ＳＭＡスプリング及びワイヤ駆動は、Ｈｉｒｏｓｅによって実施され、「Hirose, S. Biologically Inspired Robots: Snake-like Locomotors and Manipulators. Oxford University Press: Oxford 1993」、ＳＭＡ材料のヒステリシスな問題が克服された。イタリアのピサにあるサンタアナ研究所(Dario et. al 2000)は、ケーブル駆動される関節鏡器具を開発し、その器具では、ポジションセンサが先端位置を検出し、力センサが接触力を検出する。装置の全体的な精度は、２.３ｍｍである。その他の内視鏡のような能動機構は、ｔｈｅ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅ ｄｅ Ｒｏｂｏｔｑｕｅ ｄｅ Ｐａｒｉｓ(ＬＲＰ)であって、それは、直径８ｍｍの虫(worm)のような機構であり、ＳＭＡで駆動されるピンジョイントを用いた関節を構成する一連のセグメントから形成されている。「Kuhl C, Dumont G., Virtual endoscopy: from simulation to optimization of an active endoscope. Proc. Of the modeling & simulation for computer aided medicine and surgery 2002, 12, pp 84-93」。この装置は、カメラを用いて腸を調査するために特別に設計されている。電歪ポリマー人工筋肉(ＥＰＡＭ)を用いたヘビのような内視鏡ロボットは、スタンフォード研究所(ＳＲＩ)にて開発された。その装置は、同軸のスパイン(spine)によって連結された数個のブロックから構成されている「Kornbluh RD., Pelrine R, Eckerle J., Joseph J., Electrostrictive polymer artificial muscle actuators. Proc. Of the IEEE int. Conf. on Robotics and Automation 1998, pp 2147-2154」。また、ペンシルベニア州立大学の研究者らも、電歪ポリマー人工筋肉を用いるヘビのようなマニピュレータを開発した。「Frecker MI., Aguilera WM., Analytical modeling of a segmented unimorph actuator using electroactive (pvdf-trfe) copolymer. Smart material and structures 2003, pp82-91」。彼らの特殊設計のアクチュエータは、屈曲(curvature)の制御を可能にする。

関節式プローブの代替品として、研究者らは、パイプの点検と医療行為の両方のために、小インチの虫に似た携帯型ロボットを検討した。硬いパイプ内で移動できる小インチの虫に似た機構について、いくつかの原稿が発表された。Ｋａｔｏのデバイスは、長さ９６ｍｍ、直径１８ｍｍの機構であって、それは、スティックアンドスリップ法(stick and slip strategy)を用いてチューブ内を移動する。「Kato S., Hirayama T., Fabrication of a high speed in-pipe mobile micro machine. Proc. of the 4th Japan-France Congress and 2nd Japan-Europe congress on Mechatronics, 1998, 1, pp 429-432」。この機構は、変形可能な環境(腸)内で自身を移動させるように設計されていない。サンタアニア大学によるウォーキングワーク(working work)は、長さ９０ｍｍ、直径１８ｍｍのＳＭＡを用いた虫のようなマニピュレータであって、そのマニピュレータは、それ自身を環境に固定し、その後それ自体を前進移動させる「Dario P., Menciassi A., Park JH., Lee L., Gorinil S., Park J., Robotic solutions and mechanisms for a semi-automated endoscope. Proc. of the IEEE/RSJ international conf. on robotic systems, 2002, p. 1379-1384」。

医療用関節式プローブに特定した基礎研究に焦点を当てると、「Geunbae L., Kazuyuki M., Keisuke Y., Masahisa S., et. al (1996) Multi-link active catheter snake-like robot, Robotica, 14, pp. 499-506」では、研究者らは、シリコン微細加工を用いて、直径２.８ｍｍの能動カテーテルを開発した。このマルチレーンマニピュレータは、形状記憶アクチュエータ(ＳＭＡ)で作られて、正３角形状に固定されたジョイントによって連結されており、幾つかの方向に曲がる。この設計では、制御システムがマニピュレータに統合される場合、ＳＭＡに起因して間接加熱が発生する。その他のＳＭＡを用いた内視鏡器具は、以下の文献に表されている。「Nakamura Y., Matsui A., Saito T., Yoshimoto K., (1995) Shape-memory-alloys active forceps for laparoscopic surgery, IEEE int. Cof. on Robotics ad Automation, pp. 2320-2327」、「Ikuta K., Tsukamoto M., Hirose S., (1988) Shape memory alloys servo actuator system with electric resistance feedback and application for active endoscope, Proc. OfIEEE Int. Conf. Rob. AndAut. pp. 427-430」、「Ikuta K, Nolata M., Aritomi S., (1994a) Hyper redundant active endoscope for minimally invasive surgery, Proc. Of the first symposium on medical robotics and computer assisted surgery, Pittsburgh, PA, pp. 230-237」、「Ikuta K., Nokata M., Aritomi S., (1994b) Biomedical micro robot driven by miniature cybernetic actuator, IEEE Int. Workshop on MEMS, pp. 263-268」、「Dario P., Carrozza M.C., Lencioni L., Magnani B., et. al, (1997a) A micro robotic system for colonoscopy, Proc. Int. Conf. Rob. and Aut. pp. 1567-1572」、「Reynaerts D., Peirs J., Van Brussel H., (1999) Shape memory micro-actuation for a gastro intestinal intervention system. Sensor and actuators, 77, pp. 157-166」。しかしながら、それら器具は、剛性が比較的低く、高い駆動電圧を必要とする。故に、熱の除去が課題となる。異なった駆動コンセプトは、「Piers J., Reynaerts H., Van Brussel H., De Gersem G., (2003) Design of and advanced tool guiding system for robotic surgery, IEEE Int. Conf. Rob andAut, pp. 2651-2656」に示されている。その研究では、著者らは、直径５ｍｍのワイヤで駆動される、超弾性ＮｉＴｉを使用した２自由度のスネークロボット器具を提示している。「Simaan N., Taylor R., and Flint P., (2004) A Dextrous System for Laryngeal Surgery: Multi-Backbone Bending Snake-Like Robot for Dexterous Surgical Tool Manipulation. IEEE Transaction of ICRA 2004, New Orleans」。その他のデバイスは、「Reynaerts D., Peiers L., Van Brussel H., Design of a shape memory actuated gastrointestine intervention system. Proc. of the int. Cof. of new actuation 1997, Epacenet mechanism」、「Young ML., Jinhee L., Jisang P., Byugkyu K., Jong Oh P., Soo Hyun K., Yeh-Sun H., Self propelling endoscopic system. Proc. of the 2001 IEEE/RSJ Int. Conf. on intelligent robotic systems. 2002, pp 117-1122」で報告されている。しかしながら、ワイヤ駆動、ＳＭＡ、及びＥＰＡＭ駆動は、ロボット機構の筐体内の空間が小さくなるので、多自由度ロボットでは課題となる。故に、これらシステムのほとんどは、限定されたチューブ状の環境又はワークに導入されるように開発され、曲げ機構は、３Ｄ曲線(例えば、２重の非平面「Ｓ」字形)を生成できない。

引用を以て本明細書の一部となるＲｏｂｅｒｔ Ｓｔｕｒｇｅｓの米国特許第５,７５９,１５１号は、調査行為を実行するフレキシブルで操向可能な装置を開示している。この装置は、少なくとも１つのスパインを含んでおり、各々は、スパインの硬直を選択的に与える硬直手段(stiffening means)を含んでおり、その長さに沿ってフレキシブルである。フレキシブルなシースが、スパインの周囲を覆っており、スパインに対して軸方向に摺動して移動可能である。これにより、シースは、硬直状態においてスパインの形状に従って適合し、スパインが弛緩状態の場合、さらなる屈曲に抵抗する。操向可能な遠位端は、装置の端部に設けられている。遠位端の制御部は、装置の近位端に装着されている。機構が、デバイスの先端に設けられており、スパインの硬直手段を選択的にアクティブに、及び非アクティブにする。機器用コンジットがシース上に装着されてよい。

米国特許第６,６１０,００７号は、操向可能な内視鏡を開示しており、この内視鏡は、選択的に操向可能な遠位部と、自動制御される近位部とを具えた細長い本体を有している。内視鏡本体は、患者の内部へ挿入され、選択的に操向可能な遠位部が用いられて、患者の身体内部で所望の経路が選択される。内視鏡本体が前進する場合、電気的なモーションコントローラが、自動制御される近位部を動作させて、選択的に操向可能な遠位部の選択されたカーブがとられる。その他の所望の経路が、選択的に操向可能な遠位部で選択されて、内視鏡本体が再び前進する。内視鏡本体が再び前進する際に、選択されたカーブは、内視鏡本体の近くに沿って広がり、内視鏡本体が内側に引っ込められる場合、選択されたカーブは、内視鏡本体の遠くに沿って広がる。これは、内視鏡本体が蛇行する動きを生成し、その動きは、体内の器官を通り又は囲み、器官間における所望の経路に沿った蛇行カーブを切り抜けることを可能にする。

３次元的にどの向きにも操向自在なフォローザリーダー装置が開示される。雑然とした腔内の空間に加えて、例えば２〜３例を挙げると、パイプ、チューブ、腸又は血管のような自然の経路内にて、操向自在であるが、これらに限定されることはない。この装置は、第１機構を含んでおり、該第１機構は、複数のリンクと、第１機構が硬直状態(rigid state)及び弛緩状態(limp state)になることを可能にする第１固定装置と具えている。第２機構は、複数のリンクと、該第２機構が硬直状態及び弛緩状態になることを可能にする第２固定装置を含んでおり、第１機構及び第２機構の少なくとも一方又は両方が操向可能である。この実施例では、第１機構及び第２機構は、並んで、又は一方が他方の内部に配置されてよい。

本開示の別の実施例は、複数のリンクを有する内側コアと、複数のリンクを有する外側スリーブとを具える超多関節プローブ(highly articulated probe)に関する。第１ワイヤが、内側コアの複数のリンク又は外側スリーブの複数のリンクの何れか一方を通って延び、複数のワイヤが、内側コアの複数のリンク又は外側スリーブの複数のリンクの何れか他方を通る。装置は、指令信号を生成する。電気機械式フィーダが指令信号に応答して、内側コアと外側スリーブの夫々が弛緩モード、硬直モードを繰り返し、内側コア及び外側スリーブを前進及び後退させる。この実施例では、内側コア及び外側スリーブの少なくとも１つ又は両方は、操向可能である。

本開示の別の実施例では、フォローザリーダー型の装置を制御する方法は、第１機構及び第２機構の状態を、一方の機構が硬直し、他方の機構が弛緩するように制御する工程と、弛緩している機構を所定距離だけ前進させる工程と、それら機構の状態を変更する工程と、装置が所望の位置に配置されるまで、前進及び変更を繰り返す工程とを含んでいる。この方法では、操向は、弛緩している間に第１機構を操向すること、若しくは弛緩している間に第２機構を操向することによって、又は弛緩している間に両方の機構を操向することによって実現される。

本開示の別の実施例では、操向可能なフォローザリーダー装置を３次元空間内で動かす方法は、操向可能なフォローザリーダー装置の端部に設けられたデバイスから画像を生成する工程を含む。操向可能なフォローザリーダー装置は、上記で説明した実施例の何れかに基づいて構成される。画像は、フォローザリーダー装置の移動を制御するために使用される。フォローザリーダー装置の端部に設けられたデバイスは、カメラ、又はレンズ及びライトパイプのうちの１つを含んでいる。この方法は、リアルタイムで行われる。空間が心膜(pericardium)である場合、この方法は、剣状突起(xiphoid process)の下に切開を加える工程と、操向可能なフォローザリーダー装置を、その切開に挿入する工程を更に含んでいる。

本開示の実施例である超多関節ロボットプローブ(ＨＡＲＰ)(10)は、図１Ａ乃至図１Ｃに示されており、基本的に内部及び外部の２つの同心の構造であって、それらの各々を、操向可能機構と見ることができる。図１Ａ乃至図１Ｃは、ＨＡＲＰ(10)の異なる動作に関したコンセプトを示している。図１Ａを参照すると、我々は、内側機構を、第１機構又は内側コア機構(12)と呼ぶ。我々は、外側機構を、第２機構又はスリーブ機構(14)と呼ぶ。各々の機構は、交互に硬直又は弛緩状態になる。硬直モード又は状態では、機構は、単に硬直している。弛緩モード又は状態では、機構は、非常にフレキシブルであり、周囲の形状を形作るか、再形成され得る。ここで留意すべきは、本明細書で使われている「弛緩」という用語は、重力やその周囲の形状に応じて特定の構成を受動的に取る構造を示すのではなく、本明細書で説明される「弛緩」構造は、装置のオペレータが望む位置及び構成を取ることができ、故に、柔らかく受動的であるのではなく、関節で繋がっており、制御可能である。

このＨＡＲＰ(10)では、一方の機構が弛緩を開始し、他方の機構が硬直を開始する。説明のために、図１Ａのステップ１では、スリーブ(14)は硬直しており、コア(12)は弛緩していると仮定する。ここで、コア(12)は、後述するように、供給機構(16)によって前方に押され、図１Ａのステップ２に示されるように、「先端」即ち遠位端が操向される。次に、コア(12)が硬直し、スリーブ(14)は弛緩する。スリーブ(14)は、図１Ａのステップ３に示すように、コア(12)に追いつくまで、又は、コア(12)と同程度延びるまで、前方に押される。次に、スリーブ(14)が硬直し、コア(12)が弛緩する。そして、この手順が反復される。このアプローチの変形例は、同じく操向可能なスリーブ(14)を持つ。このような装置の動作は、図１Ｂに図示されている。図１Ｂでは、各機構が別の機構に追いついて、１リンク前に進むことが理解できる。それは、スリーブ(14)にカメラを追加する必要があるが、ＨＡＲＰ(10)のより迅速な展開を可能とするであろう。現在の例では、スリーブ(14)は操向可能であるが、コア(12)は違う。このような装置の動作を、図１Ｃに示す。

医療用途では、ＨＡＲＰ(10)が所望の場所に到達すると、執刀医は、内側コア(12)を取り除き、硬直したスリーブ(14)を介して一般的なデバイス又は特別な器具の何れかをスライドさせて、様々な作業をすることができる。

ＨＡＲＰ(10)は、外科手術だけではなく、エンジン検査、エンジン修理及びエンジン改良に使用される。その他の用途には、タンク検査、スパイ又は監視用途、爆弾解除、潜水艦にような狭く制限された空間や核兵器内における検査又は改修などがある。また、その他の用途には、構造(例えば建物)検査、有害廃棄物除去やバイオテロリストのサンプルの再生などもある。 明らかに、本開示の装置の用途は多岐に渡っており、特定の用途に限定されるべきでない。

本開示は幾つかの主要な発明を組み込んでいるが、本開示の装置であるＨＡＲＰ(10)は、Ｂｏｂ Ｓｔｒｕｇｅの特許装置(米国特許第５,７５９,１５１)に幾らか似ている。第１に、コア(12)及び/又はスリーブ(14)が、操向可能である。第２に、スリーブ(14)は、硬直及び弛緩の両方になる。これら２つの発明は、ＨＡＲＰ(10)を３次元的にどこでも動かすことを可能となる。Ｓｔｒｕｇｅの装置が、大腸のようなチューブ状の空間を通じて移動しているとする。Ｓｔｒｕｇｅの装置は、それが進む際に、大腸が装置の形を決めることを必要とする。Ｓｔｒｕｇｅの装置は、外へ広がる際に、以前の形状を「記憶」できず、それが通った経路を維持できない。これは、硬直及び弛緩する要素が１つのみであるという事実による。ＨＡＲＰ(10)は、以前の形状を記憶できる。このため、ＨＡＲＰ(10)は、人体の腔内の空間のような３次元体積のどこへでも動くことが可能である。図２Ａ乃至図２Ｄは、装置(10)のプロトタイプが取り得る様々な配置を示す。

次の説明は、好ましい実施例の詳細を含む。この明細書を読む者は、本開示が、以下の詳細情報によって限定されないことを認識すべきである。むしろ、詳細な情報は、限定ではなく、例示を目的としている。図３Ａ乃至図３Ｄ並びに図４Ａ及び図４Ｂを見ると、スリーブ(14)及びコア(12)が夫々示されており、スリーブ(14)及びコア(12)は、夫々この実施例の同心のシリンダ(22)(24)で夫々構成されている。しかしながら、その他の形状のリンク、例えばドックボーン構成(図示せず)に加えて、同心状でないタイプのリンク、数ある中でも、例えばバックボーン構成(図１７参照)を利用してよい。シリンダ(22)(24)の端部は平坦でなく、一方の端部(26)は「外向」又は凸状の半球面形であり、他方の端部(28)は、「内向」又は凹状の半球面形である。両方とも、共通の曲率半径Ｒを持つ。外側スリーブ(14)のシリンダ(22)又はリンクは、連続的に「結合」されており、あるシリンダ(22)の凸状端部(26)は、隣接するシリンダ(24)の凹状端部(28)に嵌められる。同様に、内側コア(12)のシリンダ(24)又はリンクも、連続的に結合されている。その結果、運動学的な観点による、球状ジョイントがもたらされる。現在の実施例では、リンクの各々は、隣接するリンクの先端で回転可能となっており、あらゆる方向に略１４度の可動域を有する球状ジョイントとして機能する。しかしながら、その他の可動域も可能である。シリンダ(22)は、コントロールワイヤが通る３つのチャンネル(30)を有している。

図５Ａ及び図５Ｂは、コア(14)が操向可能な別の実施例を示している。この実施例のコア(14)は、凸状端部(26)及び凹状端部(28)を有するシリンダ(24')で構成されている。しかしながら、シリンダ(24')は、コントロールワイヤ用の３つのチャンネル(32)を有する。

スリーブ(14)及びコア(12)の両方の先頭(例えば遠位のシリンダ)は、１２０度間隔で取り付けられた３本のケーブルを用いて操向される。図３Ａ乃至図３Ｄ及び図５Ａ乃至図５Ｄから理解されるように、ワイヤの通り抜けを可能とするために、３つの小さな円筒状のチャンネル(30)(32)が夫々設けられている。図４Ａ及び図４Ｂに示す装置バージョンでは、内側シリンダ(24)は、１本のワイヤのみを有しており、その場合、中心部を通る１つの孔(34)のみがある。

上述の好ましい実施例は、ケーブル又はワイヤを利用するが、弛緩した構成要素を操作する代わりの手段、例えば、小型の圧空若しくは油圧シリンダ、又は、個々のリンク間に配置されるその他の機械的連結が、この発明の範囲から逸脱することなく使用できることは理解されるだろう。

リンク、故にＨＡＲＰ(10)は、プラスチックを含む、ＮＭＲにてオンラインで利用できる材料からほぼ作製される。我々の装置の最新のプロトタイプでは、外側スリーブ(14)の外径が１２ｍｍで、内側コア(12)の外径が６ｍｍである。１２ｍｍの選択は、利用可能なポートのサイズに基づいている。外側スリーブ(14)の各々のリンクの重量は、１．５グラムであり、内側コア(12)の各々のリンクの重量は、０．５グラムである。現在、内側コア(12)及び外側スリーブ(14)の各々におけるリンクの数は、１７である。従って、装置(10)の総重量は３４グラムとなり、その全長は、３００ｍｍとなる。これらの数値は、限定ではなく、例示を目的としている。

既に述べた通り、コア(12)及びスリーブ(14)は、ワイヤ及びケーブルを利用して、硬直又は弛緩にされる。様々な変形例があるが、最新のプロトタイプでは、外側スリーブ(14)は、３本のワイヤが張られたシリンダの組で構成される。３本のワイヤは、１２０度間隔で離れており、あらゆる向きへの操向を可能とする。このデザインは、おおよそ８センチメートルの曲率半径をもたらす。スリーブ(14)の後方に向けてワイヤが引かれると、シリンダ(22)が互いに引かれる。牽引力が大きくなると、外側スリーブ(14)が硬直するまで、隣接するシリンダ(22)間の摩擦力が増加する(即ち、硬直モードに入る)。牽引力が解除されると、外側スリーブ(14)は弛緩する。つまり、これらワイヤは、各々のモータと共に固定装置を構成する。モータは、モータ制御用の電気回路を伴っており、ワイヤの張力を制御する手段を構成する。外側スリーブ(14)が、内側コア(12)の前方に配置されたシリンダであり、内側コア(12)が硬直している場合、外側スリーブ(14)の遠位リンクは、１本または３本以上のワイヤを引くことで向きを変化できる。各々のワイヤに与えられる牽引力の大きさは、制御される。同じ大きさで３本のワイヤを引くことにより、外側スリーブ(14)はその形状を変えずに硬直する。

内側コア(12)は、外側スリーブ(14)のように、シリンダの組から構成される。外側スリーブ(14)とは異なり、内側コア(12)は操向機能を必要としない(しかし、選択的に有してもよい)。内側コア(12)は、硬直モードから弛緩モードに変化し、後退する機能を必要とする。従って、内側コア(12)が操向機能を必要としない実施例では、内側コア(12)のリンクは、１本のワイヤで一続きにされるので、装置(10)の直径が短くなる。

図６Ａ及び図６Ｂが示すタイプの供給機構(16)は、対象とする領域の内外に、ＨＡＲＰ(10)を出し入れする。フィーダ(16)には、２つの可動カートがある。第１カート(42)は、第１固定トレイ(43)に載せられており、外側スリーブ(14)を駆動する。一方、第２カート(44)は、第２固定トレイ(45)に載せられており、内側コア(12)を駆動する。従って、カート(42)(44)の各々、つまり、内側コア(12)及び外側スリーブ(14)の各々は、夫々別個の線形アクチュエータ(44)(48)によって独立に駆動される。線形アクチュエータ(44)(48)は、周知のように、位置制御に使用されるシャフトエンコーダ(図示せず)を持っていてもよい。

カート(42)(44)の各々は、内側コア(12)及び外側スリーブ(14)のワイヤを制御するのに必要な、１又は２以上のモータを有してもよい。例えば、図７及び図８に示すように、カート(42)は、外側スリーブ(14)のワイヤ(54)(55)(56)の張力を制御するモータ(50)(51)(52)を有する。図９に示すように、第２カート(44)は、内側コア(12)のワイヤ(59)の張力を制御するモータ(58)を有している。モータ(50)(51)(52)(58)の各々に、周知の位置制御で使用されるシャフトエンコーダ(図示せず)が設けられてもよい。内側コア(12)も操向可能であれば、それに３つのモータが必要とされるだろう。

長径が１２ミリメートルであるＨＡＲＰ(10)では、フィーダ(16)の形状は、４００ミリメートル(長さ)、１００ミリメートル(幅/重量)であり、一方、ＨＡＲＰの長さは、３００ミリメートルである。１２ミリメートルであるプロトタイプのＨＡＲＰ(10)は、保護用ポリ袋に入れられて無菌にされる。しかしながら、装置は、装置の廃棄を可能とするために廉価なＡＢＳプラスティックから構成されてもよい。

我々は、モータを選択することで、装置の「最悪の場合」の状態に、即ち、ワイヤを張るモータは、最も大きいトルクを出さねばならない場合に対応した。「最悪の場合」の状態では、ＨＡＲＰ(10)がカンチレバーの位置で延び広がり、外側スリーブ(14)が弛緩し、内側コア(12)は、自身の重量に加えて、外側スリーブ(14)の重量を同様に支えている。

この状態を支えるために内側コア(12)のワイヤ(59)に加えられる必要な軸力(axial force)を得るために、我々は、この極端な状況を簡略化したモデルを利用する。この状態を支えるこの簡略化されたモデルは、図１０Ａ乃至図１０Ｃに示されており、ここで、我々は、システムのパラメータを以下のように近似する。外側スリーブのシリンダの重量は１．５グラム、内側スリーブのシリンダの重量は０．５グラム、及び各々におけるシリンダの数量は１７である。従って、装置の総重量は３４グラムとなり、装置の全長は３００ミリメートルである。最後に、外側スリーブ(14)の外径は１２ミリメートルであり、内側コア(12)の外径は６ミリメートルである。利用可能なポートに基づいて１２ミリメートルが選択され、６ミリメートルは設計による。

装置の重量は、装置の重さの中心で質点として簡略化される。最大トルクは、ＨＡＲＰ(10)の最も近い２つのシリンダ間の領域に加わる。従って、我々は、最も近いシリンダに接触している１つの長いシリンダのみを含む、簡略化したモデルを開発した。内側コアのワイヤには、ＨＡＲＰ(10)の中心部にて、軸力Ｆが加わる。簡略化したモデルの自由物体図は、図１０Ｃに示されている。

半径γであり摩擦係数μである球状面に加えられた力Ｆとトルクτの近似関係は、式(1)で示される。

摩擦係数が、重要な設計基準であることは式(1)から明らかである。シリンダ間の摩擦が低い場合、機構自身の重量を持ちこたえるために必要な牽引力は膨大である。シリンダ間の摩擦係数を正確に見出すために、幾つかの実証的テストを要した。

異なる３種の材料がテストされた。アルミニウムＴ６０６１-Ｔ６、Ｇａｒｏｌｉｔｅ(商標)Ｇ１１/ＦＲ５及びＧａｒｏｌｉｔｅ(商標)Ｇ１０/ＦＲ４である。アルミニウム及びＧａｒｏｌｉｔｅ Ｇ１１/ＦＲ５の摩擦係数は、約０．２〜０．３であった。負荷下で数分間回転すると、接触面が研磨されて平坦化し、摩擦係数が急激に減少した。我々の設計上、これらの材料は不適当である。Ｇａｒｏｌｉｔｅ Ｇ１０/ＦＲ４は、高圧でラミネートされたガラス強化エポキシであり、非常に高い摩擦係数(約０．５)を有しており、摩耗に対して耐久性があった。この材料はまた、ＭＲＩに合う。

これらのテストに基づいて、Ｇａｒｏｌｉｔｅ Ｇ１０/ＦＲ４を使用することに決めた。この材料は、上述した極度の状態において装置全体の重量に持ちこたえるのに適切なワイヤ牽引力(約３５〜４０Ｎ)を利用可能とする。さらに、この牽引力は、外側スリーブの遠位リンクを操向することでさらに加わるトルクに持ちこたえるのにも十分であった。

Ｇａｒｏｌｉｔｅ Ｇ１０/ＦＲ４を使用する結果として、摩耗防止ワイヤが必要とされた。故に、我々は、直径が０．０３０''であり、破断荷重が１５０ｌｂｆであり、低伸縮性の(約３％)のＳｐｅｃｔｒａ(商標)ポリエチレン製ファイバーワイヤを利用した。Ｓｐｅｃｔｒａワイヤのさらなる利点は、非常に狭い曲率半径であって、直径が短いプーリ(直径４ミリメートル)を使用することで、トルク当たりの牽引力を大きくすることが可能となる。

図１１は、制御システムの構成要素及びそれら構成要素間の情報の流れを示すブロック図である。供給機構(16)は、バス変換モジュール(64)を介して制御コンピュータ(62)とインターフェイスする。現在の実施例では、変換モジュール(64)は、 ＵＳＢからＩ²Ｃに変換し、また戻す。供給機構(16)の発信データは、モジュール(64)に入力されてＵＳＢに変換され、その後、コンピュータ(62)のＵＳＢポート(66)に入力される。制御ソフトウエア(68)の受信データは、供給機構(16)における各々のモータについて、モータの現在のデータと、モータのエンコーダのデータとを含んでよい。ジョイスティックデータ(位置データ)もまた、ジョイスティック(70)から受信されてよい。モニタ(72)が、外側スリーブ(12)及び/又は内側コア(14)の遠位端に装着されたカメラのビデオデータに応答し、ＨＡＲＰ(10)の遠位端の位置について、ユーザに視覚的なフィードバックが提供されてよい。制御ソフトウエア(68)は、モータ電流制限コマンドと、モータ位置コマンドとを出力し、それらは供給機構(16)に入力される。

図１２は、供給機構(16)で用いられる典型的な電気システムのブロック図である。複数のＰＩＤモータコントローラ(74)が用いられて、様々な線形アクチュエータ(46)(48)及びモータ(50)(51)(52)(58)が制御される。ＰＩＤモータコントローラ(74)の一例は、図１３Ａ、１３Ｂ及び１３Ｃに詳細に示されている。ＰＩＤモータコントローラ(74)は、ＰＩＣ１８Ｆシリーズマイクロコントローラ(95)を中心に構成されている。モータコントローラ(74)はまた、直交デコーダチップ(96)、Ｈ-ブリッジチップ(97)、アンプ(98)(99)(100)(101)を有するクワッド(quad)オペアンプチップ(ＴＬＶ２３７４−ＩＰＷ)を有する。コントローラ(74)はまた、これらの集積回路をサポートする多数のディスクリートな構成要素に加えて、３つのコネクタで特徴づけられている。あるコネクタ(103)はモータ用であり、その他の２つのコネクタ(104)(105)は、スタッキングバス構造を与える。

直交チップ(96)は、モータエンコーダの２チャンネルエンコーダデータをデコードして、マイクロコントローラ(95)に送られるアップダウンクロックを出力する。マイクロコントローラ(95)は、カウンタ回路を使用して、モータシャフトの回転及び逆転動作をカウントし、モータシャフトの現在位置を計算する。

Ｈ-ブリッジチップ(97)は、モータ駆動に使用される。このチップは、マイクロコントローラ(95)からの入力として、ＰＷＭ信号及び方向信号を得て、これら信号に応じてモータのオン及びオフを切り換える。このチップは、モータに必要であって、マイクロコントローラ(95)の出力性能を越えた高電流及び高電圧を取り扱う。

３番目のチップは、クワッドオペアンプである。このチップは、もっぱらモータ電流のモニタリングに利用される。 第１アンプ(98)は、７４.２のゲインを有する非反転構成で使用され、その出力は、マイクロコントローラ(95)のアナログツーデジタルピンに送られる。第２アンプ(99)は、ゲインが５００である非反転のアンプとして構成されており、これもまた、マイクロコントローラ(95)のアナログツーデジタルピンに接続される。この高増幅率は、低電流値におけるより正確な電流測定をもたらす。第３アンプ(100)は、モータ電流に比例した電流でＬＥＤを駆動する電流源を制御することに使用される。これは、運動方向を示すＬＥＤと共に、コントローラ(74)が行っていることを、オペレータに明確に視覚的に示す。

マイクロコントローラ(ＰＩＣ)(95)は、このボードの中心である。このチップは、ホストコンピュータ(62)との通信で利用されるＩ²Ｃバス周辺機器という特徴を有する。これは、コンピュータ(62)からコントローラ(74)へコマンドを送ることに使用される双方向リンクであり、一方で、ステータス情報が、コントローラ(74)からコンピュータ(62)へ戻される。コンピュータ(62)からのコマンドは、目的位置と電流の限界値とに関係している。コンピュータ(62)に戻されたステータスは、モータの電流測定値とモータエンコーダの値とを含む。

マイクロコントローラ(95)の主な役割は、ＰＩＤ位置制御ループを作動することである。このＰＩＤループの目的は、モータエンコーダのカウントと、動的に生成される目的位置との差を最小にすることである。この目的位置は、マイクロコントローラのプログラムのもう１つの構成要素である、軌道生成システムにより生成される。

コントローラ(74)の軌道生成システムは、周知のように、Ｉ²Ｃバスを介して与えられる最終目的位置と、Ｉ²Ｃバスを介して与えられる目的位置への所望の時間値とに基づいて、目的位置を生成する。軌道生成システムは、これらの値を用いて台形速度プロファイルを生成し、指定された時間の間に、所望の最終目的位置にモータを移動させる。この作業の目的位置は、略１ｋＨｚで更新され、それはまた、ＰＩＤループの周波数である。

同時に、マイクロコントローラ(95)はまた、オンボードのアナログ-デジタル変換器を介して、モータ電流の値を読み取る。これらの値は、Ｉ²Ｃバスで与えられた最大電流値と比較され、測定された電流が所望の最大値を超える場合、Ｈ-ブリッジへのＰＭＷの出力は抑制される。これはまた、ＰＩＤループと同じ周波数で動作する。

コントローラ(74)は、複数のコントローラ(74)が積まれるように設計されており、これらコントローラは、ボードの上部及び下部の両方にある４０個のボードコネクタ(104)(105)(図１３Ｂ)を利用することにより積まれる。そのシステムは、マルチドロップＩ²Ｃバスを使用しているので、２つの接続のみが、電力に加えてボード間で必要とされる。これらスタッキングコネクタの導体の大多数は、電力に使用されて、これらのような小さなコネクタの単一のピンの電流制限が克服されている。

モータは、夫々に対応するコントローラ(74)と、２×５ １００ｍｉｌ間隔直角ヘッダ(103)を通じて、それぞれのコントローラ(74)に接続している。これは、多用途コネクタであって、モータへのリボンケーブル又は個別な配線を可能とする。このシステムで使用されるモータには、リボンケーブルＩＤＣコネクタがある。

各々のボードはまた、５つのＬＥＤを有しており、その１つは図１３Ａに示されており、その他は、図１３Ａに示されたマイクロコントローラ(95)に接続されており、図１３Ｃに示されている。モータ電流により制御される赤色ＬＥＤ(スタッキングコネクタに最も近い)がある。次に、黄色ＬＥＤは、ＰＩＤからのエラーサインを示し、モータのシャフトが回転するように指令されている方向を示す。中央のＬＥＤは現在未使用であり、将来的に使用可能である。緑色ＬＥＤは、パワー/ブートインディケータとして使用され、ソフトウエアの制御下にある。最後に、もう一つの赤色ＬＥＤ(モータコネクタ付近)は、Ｉ²Ｃバスがエラーを検知する度に切り替えられて、Ｉ²Ｃバスの信頼性を視覚的に示す。

システムが使用される前に、第１機構(12)及び第２機構(14)は「ホーム」にされる必要がある。即ち、それらの相対位置が確定されなくてはならない。これは、線形アクチュエータ(46)(48)がそれらの移動範囲の終点に達するまで、両方の機構を引き戻すことで行われ、アクチュエータ電流の増加としてシステムに状態が検出される。制御ソフトウエア(68)は、エンコーダ情報を利用して、第１機構(12)及び第２機構(14)の位置を記録し、ホーム化が完了する。

制御ソフトウエアは、その後、図１４で示す「ステップ前進」モードにシステムを移行させる。まず、第１機構(12)は、ステップ７６で硬直する。図１５Ａも参照のこと。これは、張力を与えるモータ(58)がその電流限界で行き詰まるまで、テンションワイヤ(59)が引く方向と反対方向に、モータ(58)を駆動することで行われる。第２機構(14)は、ステップ７８で弛緩する。これは、張力を与えるモータ(50)(51)(52)を、一定の回転回数だけ、テンションワイヤが引く方向に駆動させて、ワイヤを緩ませることで行われる。第２機構(14)は、ステップ８０(図１５Ｂ参照)で前進し、第１機構(12)の端部を１リンク長さ分超えて、遠位端に配置される。第２機構(14)を押している線形アクチュエータ(46)のエンコーダは、どれだけ遠くに第２機構が移動したかを「カウント」する。

この時点で、ソフトウエア(68)は、ユーザ入力状態になっている。ソフトウエア(68)は、ステップ８２でジョイスティック(70)の位置をモニタし、ジョイスティックの２軸データを、第２機構(14)の３軸座標系に変換する。ワイヤ(54)(55)(56)を制御するモータ(50)(51)(52)のシャフトの位置は、変換されたジョイスティック位置に応じて、ステップ８４で変化する。ユーザは、第２機構(14)の飛び出たリンクを所望の角度に操向すると、ステップ８６で示すように、ジョイスティック(70)のボタンを押して、その角度を固定する。張力を与える３つのモータ(50)(51)(52)は、ステップ８８で電流限界に達して行き詰まるまで、テンションワイヤ(54)(55)(56)が引く方向と反対方向に駆動される。これは、形成されている角度の内側に最も近いワイヤから始まり、一定の僅かな遅延の後、次のワイヤに進み、最後に、角度の最も外側部分にあるワイヤに進む。つまり、この順序でワイヤを張ることで、同時に張るよりも正確に、ユーザが選択した角度が維持される。

３つのモータ(50)(51)(52)の各々が電流限界に達すると、第２機構(14)は硬直し、ステップ９０に示すように、第１機構(12)は安全に弛緩する。これは、テンションワイヤ(59)が引く方向に所定の回転回数だけ、張力を与えるモータ(58)を駆動して行われる。第１機構(12)は、その後、リンクの長さだけ前進し、ステップ９２及び図１５Ｃに示すように、その遠位端が、第２機構(14)の遠位端と同じ位置に又は同心円状になる。第１機構(12)を押す線形アクチュエータ(48)のエンコーダが使用されて、第１機構(12)がどれだけ遠くに進んだかをカウントする。この位置になると、第１機構(12)及び第２機構(14)の両方の遠位リンクは、同じ角度になる。そして、ステップ７６及び７８に示すように、第１機構(12)が硬直してこの角度が保持され、第２機構(14)が弛緩する。このようにして、第１機構(12)及び第２機構(14)が、所望の長さ及び経路形状に前進するまで、遠位リンクを操向し、適所で位置を固定し、１リンクステップで前進することを、プロセスは継続する。

図１４及び図１５Ａ乃至図１５Ｃと関連する動作の説明では、図示されていないカメラが、第２機構(14)の遠位リンクに配置されていることになっている。故に、第２機構(14)が操向される一方で、第１機構(12)は、単に後に続くだけである。当然に、そのプロセスが反対にされて、第１機構(12)にカメラを配置して、第１機構(12)が操向されて、第２機構(14)が後に続いてもよい。別の実施例では、第１機構(12)及び第２機構(14)の両方の遠位端にカメラが設けられて、２つの機構は、一方に「リープフロッグ(leap frog)」され得る。つまり、機構の一方が単に他方に追いつくだけではなく、追いつかれた後、その操向機能により、１リンク分前進する。その後、他方の機構は「追いついて」、操向機能を有しているので１リンク長さ分前進する。このような装置では、ＨＡＲＰ(10)の端部の所望の配置がより迅速に得られると考えられる。

カメラを通じて操向が達成されると考えられるが、その他の機構が使用されてもよい。例えば、第１機構(12)及び第２機構(14)の各々の遠位リンクは、Ｘ線又はＮＭＲＩを用いて可視化できる材料で構成されてよく、又は、ＨＡＲＰ(10)の進行を追跡することで、ＨＡＲＰ(10)を操向するようなその他のデバイスで構成されてよい。或いは、少量の放射性物質が第１機構(12)及び第２機構(14)の各遠位端に付されて、ＨＡＲＰ(10)の進行が追跡されてもよい。ＨＡＲＰ(10)の経路及び形状の管理は、インテリジェントアルゴリズムを用いて行われてもよい。本発明は、ＨＡＲＰ(10)の操向及び/又は誘導のために情報を与えるタイプの機構に限定されるものではない。

機構を引き戻すプロセスも、前進と同じように行われるが、手順は反対になり、図１６で示すように、ユーザからの操向入力はない。ジョイスティック(70)を利用してユーザが「引き戻し」モードを選択すると、第２機構(14)が引き戻されて、その遠位端は、第１機構(12)の遠位端と同じ位置になる。第２機構(14)は硬直し、第１機構(12)は弛緩する。そして、第１機構(12)はリンク長分引き戻され、第１機構(12)は硬直する。第２機構(14)は弛緩し、第２機構(14)の遠位端が第１機構(12)の遠位端と同じ位置になるまで、引き戻される。そのサイクルは、ユーザーがボタンを押して停止させるまで、又は、第１機構(12)及び第２機構(14)がホーム位置に到達するまで継続する。

次に実験結果を説明すると、１.４ｍｍのオリンパスＰＦ１４挿入チューブのような、容易に入手できる光ファイバーベースカメラ及びビデオカメラが、直径６ｍｍの開口部を有するように設計された内側コア(12)のリンクの開口の中心に挿入された。別のオプションとしては、現在３ｍｍの厚さである、外側スリーブ(14)のリンクの壁部にビデオカメラが組み込まれるであろう。このような装置を利用して、図１８及び図１９に示すように、我々は、豚の心膜腔を通ることができた。

通常の心膜は２層構造で、フラスコ形の嚢(sac)であって、外側の線維外膜と、心臓に陥入される内側の漿液包とから構成される。心膜腔又は嚢は、漿膜性心膜(serous pericardium)の対向する２つの層の間にある連続する実質的な空間である。心嚢壁及び大血管の間の後壁にて、心膜腔は、窪みや洞の連続的な網目である。心嚢壁の全ては、大血管に基底部がある。故に、心臓の前方の心室表面に沿って心膜内を通行する間に障害はない。心膜腔には、３つの洞がある。上洞(上大動脈窪み(superior aortic recess)とも称される）、主要血管の間に幾つかの窪み(上大動脈、下大動脈、右肺及び左肺の窪み)を含む横洞。下大動脈の窪みは、無冠状動脈弁葉及び右冠動脈大動脈弁尖の心外膜側にアクセス可能である。斜洞は、心房、特に左心房の後で、４つの肺静脈間の領域に延びる。心嚢には５つの窪み、即ち、上位大動脈(ＳＡＲ)、下位大動脈(ＡＲ)、下大動脈(ＰＣＲ)、左肺(ＬＰＶＲ)及び右肺(ＲＰＶＲ)である。

図１８及び図１９に示すように、斜洞を調査して、後の心室を可視化し、右及び左から横洞に入って、左心耳を可視化し、５つの窪みの全て(ＳＡＲ、ＬＡＲ、ＰＣＲ、ＬＰＶＲ及びＲＰＶＲ)を調査した。故に、本発明の装置及び用法は、多関節プローブに装着されたオンボードカメラ(又はレンズ、光ファイバ)から、内部器官(又は部位)若しくは腔内空間に関する様々な種類の内視鏡検査又は視覚化を可能にする。オンボードカメラからリアルタイム映像が得られて、遠隔操作、つまりリモートコントロールで、リアルタイムな３Ｄ案内がなされる。

好ましい実施例について、本発明が説明されたが、当該技術分野における通常の知識を有する者は、多くの変更、変形及び置換が可能であることを認めるだろう。例えば、図２０に示されるように、第１機構(12)及び第２機構(14)は、離間した関係にあって、一方が他方の中にはない。このような実施例にて、一方又は両方の機構は、装置(10)が動く際に、離間した関係を維持する部材を有していてもよい。結果として、本発明は開示された実施例に限定されず、添付の特許請求の範囲によってのみ限定される。

本開示を容易に理解し、簡単に実施するために、限定ではなく説明の目的で、本開示の様々な実施例が、以下に示す添付の図面と共に説明される。
本開示のコンセプトの実例を示す図である。 本開示のコンセプトの実例を示す図である。 本開示のコンセプトの実例を示す図である。 開示された装置の一実施例である試作品が取る配置構成を示す図である。 開示された装置の一実施例である試作品が取る配置構成を示す図である。 開示された装置の一実施例である試作品が取る配置構成を示す図である。 開示された装置の一実施例である試作品が取る配置構成を示す図である。 外側スリーブのシリンダを示す図である。 外側スリーブのシリンダを示す図である。 外側スリーブのシリンダを示す図である。 外側スリーブのシリンダを示す図である。 内側コアのシリンダの端面図である。 内側コアのシリンダの断面図である。 操向可能な内側コアのシリンダの別の実施例を示す図である。 操向可能な内側コアのシリンダの別の実施例を示す図である。 操向可能な内側コアのシリンダの別の実施例を示す図である。 操向可能な内側コアのシリンダの別の実施例を示す図である。 供給機構の一実施例を示す図である。 供給機構の一実施例を示す図である。 ワイヤの張力を調整する装置を示す図である。 外側スリーブのワイヤの張力を調整する装置を示す図である。 内側スリーブのワイヤの張力を調整する装置を示す図である。 最悪の場合におけるカンチレバーの極端な配置構成を示す概略図である。 単純化モデルを示す図である。 最悪の場合の配置構成を示す自由物体図である。 制御システムの構成要素と、これらの構成要素間の情報の流れとを示すブロック図である。 供給機構について例示的な電気システムを示すブロック図である。 図１２のＰＩＤモータコントローラの電気回路図である。 図１２のＰＩＤモータコントローラの電気回路図である。 図１２のＰＩＤモータコントローラの電気回路図である。 ステップ前進モード動作のフローチャートである。 本開示の装置を移動させるプロセスを示す図である。 本開示の装置を移動させるプロセスを示す図である。 本開示の装置を移動させるプロセスを示す図である。 装置を後退させるプロセスのフローチャートである。 本開示の装置で使用されるリンクの別の実施例を示す図である。 本開示の一実施例を示す図であって、その端部に設けられ、内蔵の視覚化に使用されるオンボードカメラが含まれている。 本開示の一実施例を示す図であって、その端部に設けられ、内蔵の視覚化に使用されるオンボードカメラが含まれている。 本開示の装置の別の実施例を示す図である。

Claims (10)

1. 超多関節プローブであって、
   複数のリンクを具える内側コアと、
   複数のリンクを具える外側スリーブと、
   内側コアの複数のリンク又は外側スリーブの複数のリンクの何れかを通って延びる第１ワイヤと、
   内側コアの複数のリンク又は外側スリーブの複数のリンクの他方を通って延びる複数のワイヤと、
   コマンド信号を生成するデバイスと、
   コマンド信号に応答して、内側コア及び外側スリーブを弛緩モードと硬直モードの間で行き来させ、内側コア及び外側スリーブを前進及び引き戻させ、内側コア及び外側スリーブの少なくとも１つを操向する電気機械式フィーダとを具えており、
   電気機械式フィーダは、線形移動する第１カートと、線形移動する第２カートと、第１カートの位置を制御する第１アクチュエータと、第２カートの位置を制御する第２アクチュエータとを具えており、
   内側コア又は外側スリーブの一方は第１カートに応答し、内側コア又は外側スリーブの他方は第２カートに応答し、
   第１カートに応答する内側コア又は外側スリーブの一方が弛緩状態にあると共に、第２カートに応答する内側コア又は外側スリーブの他方が硬直状態にある場合に、第１カートは前進するように構成されている超多関節プローブ。
2. 電気機械式フィーダは、第１ワイヤの張力を制御する第１機構と、複数のワイヤの張力を制御する複数の機構とを具えており、
   第１カートは、第１機構を運ぶように構成されており、第２カートは、複数の機構を運ぶように構成されている、請求項１に記載のプローブ。
3. 第１機構、複数の機構、第１アクチュエータ及び第２アクチュエータは、夫々モータを具えている、請求項２に記載のプローブ。
4. リンクは、円筒状、ドッグボーン状及び背骨状のリンクから成る群から選択される、請求項１に記載のプローブ。
5. 内側コアと外側スリーブの少なくとも一方はカメラを具えている、請求項１乃至４の何れかに記載のプローブ。
6. カメラは、プローブの遠位端の位置を少なくとも含む３次元空間の画像を生成する、請求項５に記載のプローブ。
7. 内側コア及び外側スリーブを有しており、内側コア又は外側スリーブの１つは硬直状態から開始する超多関節プローブを制御コンピュータを用いて制御する方法であって、
   制御コンピュータは、
   弛緩している構造が応答する第１カートを所定距離前進させる工程と、
   第１カートによって運ばれると共に張力を与える第１の機構を用いて、弛緩している構造を硬直させ、第２カートによって運ばれると共に張力を与える第２の機構を用いて、硬直している構造を弛緩させる工程と、
   プローブの遠位端が所望の位置に配置されるまで、プロセスを繰り返す工程と実行するように構成されており、
   内側コア及び外側スリーブの少なくとも１つは、弛緩状態の時に操向可能である方法。
8. 内側コアは操向可能であり、前進させる工程は、外側スリーブの遠位端を越えて、内側コアのリンクの長さ分、内側コアを前進させる工程を含み、前進させる工程は、外側スリーブを、その遠位端が内側コアの遠位端と同心円状になるまで前進させる工程をさらに含んでいる、請求項７に記載の方法。
9. 外側スリーブは操向可能であり、前進させる工程は、内側コアの遠位端を越えて、外側スリーブのリンクの長さ分、外側スリーブを前進させる工程を含み、前進させる工程は、内側コアを、その遠位端が外側スリーブの遠位端と同心円状になるまで前進させる工程をさらに含んでいる、請求項７に記載の方法。
10. 内側コア及び外側スリーブは操向可能であり、前進させる工程は、外側スリーブの遠位端を越えて、内側コアのリンクの長さ分、内側コアを前進させる工程を含み、前進させる工程は、内側コアの遠位端を越えて、外側スリーブのリンクの長さ分、外側スリーブを前進させる工程を含んでいる、請求項７に記載の方法。

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