JP6364013B2 - 医療器具のための自己対立駆動 - Google Patents

Description

低侵襲医療処置のための器具は、手動で直接的に操られ（manipulated）てもよく、又は、コンピュータ制御若しくはコンピュータ支援を使って操作され（operated）てもよい。しかしながら、医療器具のコンピュータ操作は、しばしば医療器具に厳しい機械的な要求を突き付ける。特に、ロボット医療器具の機械的なシステムは、コンピュータ化された制御システムが器具の正確な動作を達成し得るアクチュエータ動作を計算することができるように、アクチュエータ操作に対するタイトに制御された応答を有する必要があるかも知れない。アクチュエータ制御された医療器具はまた、複数の電気的に制御されるアクチュエータを係合させるドッキング構造を必要とするかも知れない。これらの理由その他のために、コンピュータ支援された手術に適する医療器具は、大きくて扱いにくく又は手動で使用することが困難な傾向があった。

図１は、低侵襲医療処置のためのロボットシステムにおいて使用され得る医療器具を模式的に示す。（本明細書において使用される場合、用語“ロボット”又は“ロボットで”及び同種のものは、遠隔操作又は遠隔ロボット操作の態様を含む。）器具１００は、シャフト１２０の遠位端にツール又はエンドエフェクタ１１０を含む。エンドエフェクタ１１０は、回転可能に装着された顎部１１２及び顎部１１４を含む。顎部１１２は、第一のテンドン（緊張材，tendons）の組１２１及び１２２に接続され、顎部１１４は、第二のテンドンの組１２３及び１２４に接続される。追加的なテンドン（図示なし）が、エンドエフェクタ１１０を配置及び方向付けするための追加的な自由度を与えるために、器具１００内で手首機構又は関節（図示なし）に接続されてもよい。

複数のテンドン１２１，１２２，１２３及び１２４は、シャフト１２０の近位端に取り付けられた後端機構１３０によって引っ張られるときに、顎部１１２及び顎部１１４に力及びトルクを加える。後端機構１３０は、複数の駆動モータ（図示なし）の回転を複数のテンドン１２１，１２２，１２３及び１２４及びエンドエフェクタ１１０の動作に変換するトランスミッションとして機能してもよい。図示されるように、後端機構１３０は、テンドン１２１，１２２，１２３又は１２４毎に一つのキャプスタン１３１，１３２，１３３又は１３４を含み、テンドン１２１，１２２，１２３及び１２４の近位端は、それぞれキャプスタン１３１，１３２，１３３及び１３４に巻き付き、次いで予荷重システム１３５，１３６，１３７及び１３８に付着する。予荷重システム１３５，１３６，１３７及び１３８は、エンドエフェクタ１１０の全可動範囲に渡ってそれぞれのテンドン１２１，１２２，１２３及び１２４の近位端にゼロでない力が加えられるように、付勢されること、例えば引き伸ばされたバネを含むことができる。この構成と共に、キャプスタン１３１，１３２，１３３及び１３４が自由に回転できる場合は、対応する予荷重システム１３５，１３６，１３７又は１３８は、張力を与え、テンドン１２１，１２２，１２３及び１２４における緩みを避ける。

エンドエフェクタ１１０は、駆動モータを使用して操作されてもよい。その駆動モータは、（例えば、マスター−スレーブサーボ制御システム内のマスター制御入力部を通じて）人間の入力を読み取る、制御されるシステムにおいて実行されるソフトウェアの能動制御下にあってもよい。具体的には、制御システムのドッキングポート（図示なし）内に設けられた４つの駆動モータが、それぞれキャプスタン１３１，１３２，１３３及び１３４を回転させるように結合してもよい。後端機構１３０は、モータ又はその他のアクチュエータを含む制御システムの接合部分とドッキングしてもよい。後端機構１３０がドックから取り外された場合は、後端機構１３０の手持ちでの操作は困難であり得る。それは特に、後端機構１３０の形状及びキャプスタン１３１，１３２，１３３及び１３４のアクセス可能性のためであり、また、エンドエフェクタ１１０の各自由度の制御が、二つのキャプスタン、例えばキャプスタン１３１及び１３２又はキャプスタン１３３及び１３４の使用を必然的に伴うからである。

本発明の一つの態様によれば、シャフト及びシャフトの遠位端に装着された被作動構造を有する医療器具は、被作動構造に接続された一組のテンドンを用いることができる。一組のテンドンは、シャフトに沿って延び、それぞれ、反対の方向でキャプスタンに巻き付けられて、自己対立駆動システムを提供する。予荷重システムは、テンドンにおける最小限の張力を維持するように結合させられてもよい。

本発明の一つの具体的な実施形態は、被作動構造を有する医療器具である。被作動構造は、シャフトに対する被作動構造の動作を可能にする方法でシャフトの遠位端に装着される。二本のテンドンは、一本の連続的なケーブル又は類似の構造の反対側の両端であってもよく、被作動構造に接続されてシャフトに沿って延びてもよい。第一のテンドンの一部分は、第一の方向で、シャフトの近位端においてキャプスタンに巻き付けられてもよく、他方のテンドンの一部分は、第一の方向の反対の第二の方向でキャプスタンに巻き付けられてもよい。受動的予荷重システムは、テンドンにおける張力を維持するように結合させられてもよい。

本発明の一つの他の具体的な実施形態は、シャフトの遠位端に装着された被作動構造を有する器具を操作するための方法である。その方法は、第一の方向でキャプスタンに巻き付けられる第一のテンドン、及び、第一の方向の反対の第二の方向でキャプスタンに巻き付けられる第二のテンドンを有する、キャプスタンの回転を駆動するステップを含む。第一のテンドンの遠位部分及び第二のテンドンの遠位部分は、シャフトに沿って延び、被作動構造に係合する。その方法は、キャプスタンから延びる第一のテンドンの近位部分及び第二のテンドンの近位部分において、張力を受動的に制御するステップを更に含む。

図１は、低侵襲医療処置中にロボット制御されることができる、既知の医療器具を示す。 図２は、複数の独立した予荷重システムにそれぞれ接続され、反対向きに巻き付けられた複数の作動テンドンを備えた単一のキャプスタンを使用する、制御システムを備えた医療器具を示す。 図３は、バネ荷重された可動プーリを含む予荷重システムに接続され、反対向きに巻き付けられた複数の作動テンドンを備えた単一のキャプスタンを使用する、制御システムを備えた医療器具を示す。 図４は、直列バネシステム及び固定プーリを含む予荷重システムに接続され、反対向きに巻き付けられた複数の作動テンドンを備えた単一のキャプスタンを使用する、制御システムを備えた医療器具を示す。 図５は、バネ荷重された、スライド式装着部に接続され、反対向きに巻き付けられた複数の作動テンドンを使用する、制御システムを備えた医療器具を示す。 図６は、複数の独立した予荷重システムにそれぞれ接続され、反対向きに巻き付けられた複数の作動テンドンを備えた単一のキャプスタン、及びキャプスタンと被作動構造との間の追加的な引き締めプーリを使用する、制御システムを備えた医療器具を示す。 図７Ａは、複数の独立した予荷重システムに接続され、二つの独立した一方向クラッチ／ベアリング上に反対向きに巻き付けられた複数の作動テンドンを備えた単一のキャプスタンを使用する、制御システムを備えた医療器具を示す。 図７Ｂは、直列バネシステム及び固定プーリを含む予荷重システムに接続され、二つの独立した一方向クラッチ／ベアリング上に反対向きに巻き付けられた複数の作動テンドンを備えた単一のキャプスタンを使用する、制御システムを備えた医療器具を示す。 図８は、医療器具の２自由度の制御のためのシステムを示す。 図９は、手持ち使用のために十分にコンパクトでありかつコンピュータ補助制御も可能な、各自由度について単一のキャプスタンのみを備えたカテーテルシステムの後端の斜視図である。 異なる複数の図面における同じ参照記号の使用は、類似又は同一の項目を示す。

医療器具のための駆動システムは、例えばエンドエフェクタのような被作動構造の自己対立（self-antagonistic）駆動のために二つの作動テンドン（tendons）が反対向きに巻き付く、単一のモータ駆動キャプスタン（駆動軸，capstan）を用いることができる。概して、一つの対立駆動は、反対向きの両方向に引っ張るようにそれぞれ接続された二つの駆動ケーブル又はテンドンを使用して、１自由度を作動させることができる。一つの種類の対立駆動に関しては、二つのテンドンが、二つの独立駆動モータ又はアクチュエータに接続し、それらのモータ又はアクチュエータは、単一の自由度の反対側の両方向にそれぞれ関連する。しかしながら、本明細書において記述されるような自己対立作動に関しては、１自由度の反対側の両方向に関連する二つのケーブルは、同一の駆動モータ又はアクチュエータに接続してもよい。結果として、自己対立駆動システムは、被作動構造の自由度毎に一つのモータ又はアクチュエータを用いることができ、駆動システムが、作動テンドン毎に一つのモータ又はアクチュエータを使用する駆動システムに比べてよりシンプル、より低コストかつよりコンパクトであることを可能にする。さらに、自己対立駆動システムは、手持ち操作及びロボット操作の両方に適していてもよい。一つ以上の予荷重システムは、駆動モータ又はアクチュエータがオフの場合であっても、作動テンドンにおける張力を維持することができ、また、手持ち操作又はロボット操作を可能にすることも助ける。複数の異なる構成において、駆動システムは、直接的に又はプーリシステムを介して作動テンドンの複数の近位端に接続されることができ、又はモータ又はアクチュエータに装着されたスライドに接続されることができる。

図２は、本発明の一つの実施形態による、医療器具２００を模式的に示す。器具２００は、主管２２０の遠位端において被作動構造又は操縦部２１０を含む。主管２２０は、後端機構２３０に接続される。図示された実施形態における操縦部２１０は、柔軟な管材２１２及び作動環２１４を含む。操縦部２１０は、例えば、複数の関節によって相互接続された複数の管状脊椎又は代替的に屈曲部を生み出すための切り口を有するニチノールのような弾性材料の管を含んでもよい。操縦部２１０は、複数の関節又は屈曲部を覆う被覆部材を追加的に含んでもよい。環２１４は、環２１４の反対側の両縁に結合させられた複数の作動テンドン２２１及びテンドン２２２を有する硬質な構造であってもよく、テンドン２２１又は２２２を引っ張ることが、柔軟な管材２１２を環２１４の運動の一つの自由度の一方向又は反対の方向に曲げることにつながる。一つの典型的な実施形態において、環２１４の動作についての他の自由度での作動される動作のために、第二のテンドンの組（図示なし）が作動環２１４に接続されてもよい。多くの他の代替的な操縦部２１０の実施形態が可能である。例えば、操縦部２１０は、多数の独立に作動される関節及び含んでもよく、テンドン２２１及びテンドン２２２は、それらの関節の一つを作動させるために用いられてもよい。また、テンドン２２１及びテンドン２２２は、環２１４を通って巻き付くか又は操縦部２１４内の一つの特定の関節の回りに巻き付くケーブルのような、一つの連続的な構造物の反対側の両端であってもよい。

管２２０は、硬質又は柔軟な管であってもよいが、概して、操縦部２１０と比較して柔軟ではない。具体的には、主管２２０は、生来の（natural）管腔の経路に追従するのに十分に柔軟であってもよい。しかしながら、主管２２０の操縦のために、後端機構１３０は、テンドン２２１及びテンドン２２２に対して異なる力を加えてもよい。加えられる力の望ましい結果は、操縦の方向への操縦部２１０の曲がり及び管２２０の最小限の曲がりである。この目標を達成するために、主管２２０は、操縦部２１０と比べてより硬質であってもよく、又は各テンドン２２１及び２２２は、ボーデンケーブル、例えば、ハウジングに包まれた引っ張りワイヤであってもよく、管２２０の曲がりを最小化することができる。複数のテンドン２２１及び２２２は、そうでなければ、金属、ポリマー又はその他の材料で作られた標準的なケーブル、ワイヤ、ロッド又は管であってもよい。一つの例示的な実施形態において、複数のテンドン２２１及び２２２は、異なる構造の被接続部分、例えば、管に融合された標準的なケーブルを含んでもよい。例えば、標準的なケーブルは、複数のテンドン２２１及び２２２の有意な曲がり又は屈曲が予期される場所で使用されてもよく、より硬質な管は、複数のテンドン２２１及び２２２の伸張を減らすために、他の場所で使用されてもよい。

図２は、一つの例示的な器具を示す。図２の器具において、複数の作動テンドン２２１及び２２２は操縦部２１０に付着するが、代替的に複数の作動テンドン２２１及び２２２は、図１に示されるような顎部のような他の種類の被作動構造、他の種類の関節のある構造又は医療器具の機械的な部材の動作を可能にするその他の機構を操作するために使用されてもよい。例えば、複数の作動テンドン２２１及び２２２は、顎部又は他の構造に時計回り及び反時計回りの回転自由を提供する、車軸、平面、円筒又は球面転ころの関節若しくは屈曲部を駆動してもよく、又は被作動構造に直線的な双方向の運動の自由を提供する直動直線関節若しくはスライドを駆動してもよい。

後端機構２３０は、管２２０の近位端に付着し、駆動モータ２５０の回転を複数の作動テンドン２２１及び２２２の動作又は複数の作動テンドン２２１及び２２２における張力に変換するトランスミッションとして働く。後端機構２３０は、具体的には、操縦部２１０を操作するために複数のテンドン２２１及び２２２を操る。図示された実施形態において、後端機構２３０は、キャプスタン２３５を含む。キャプスタン２３５の回りには、複数の作動テンドン２２１及び２２２の両方の一部分が、反対向きの両方向で巻かれる。例えば、テンドン２２１は、キャプスタン２３５の反時計回りの回転が、テンドン２２１の操縦部２１０につながる側からより多くのテンドン２２１を巻き取るように、キャプスタン２３５に巻き付けられてもよい。また、テンドン２２２は、キャプスタン２３５の反時計回りの回転が、操縦部２１０に向かってより多くのテンドン２２２が送り出すように、キャプスタン２３５に巻き付けられてもよい。このようにして、一つの自由度に沿った後方及び前方への操縦部２１０の動作は、単一のキャプスタン２３５の回転を通じて作動されることができる。

駆動モータ２５０はキャプスタン２３５を回転させるように接続され、いくつかの実施形態において、キャプスタン２３５はモータ２５０のシャフトの延長又は一部である。いくつかの他の実施形態において、後端機構２３０がモータ２５０から分離されてもよいように、駆動モータ２５０は、キャプスタン２３５への取り外し可能な接続を有する。モータ２５０は、人の入力（例えば、マスター−スレーブサーボ制御システムにおけるマスター制御入力）及びロボット制御されるシステムにおいて実行されるソフトウェアに基づく、ロボット制御を受けてもよい。加えて、ノブ、レバー又は他の手で操作されるマニピュレータ２６０は、キャプスタン２３５又はモータ２５０に結合させられてもよく、使用者が、キャプスタン２３５の手動での回転を通じて器具２００を手動で操作することを可能にする。このようにして、器具２００は、キャプスタン２３５にトルクを加えるモータ２５０又はノブ２６０と共に、又はモータ２５０又はノブ２６０無しで、使用されることができる。

様々な実施形態において、予荷重システム２４０は、たとえモータ２５０及びノブ２６０のいずれもキャプスタン２３５にトルクを加えない場合でも、複数のテンドン２２１及び２２２における最小限かつ等しい張力を維持し、複数のテンドン２２１及び２２２における緩み及び操縦部２１０における偏った運動を防止するために用いられることができる。予荷重システム２４０は、加えられる張力が制御又はフィードバックシステムに応答する必要がないような、受動的なものであってもよい。他の実施形態において、予荷重システムは、能動的に制御されてもよい（例えば、最小のテンドン張力若しくは緩みが検出された場合に緊張を加えるか又は所定のテンドンの張力若しくは張力範囲を維持する）。図２の実施形態において、複数のテンドン２２１及び２２２の近位端は、キャプスタン２３５から予荷重システム２４０へ延びる。具体的には、各テンドン２２１又は２２２は、キャプスタン２３５の回りの規定の巻き角（一回転よりも小さくても、一回転以上を含んでもよい）について、キャプスタン２３５に巻き付けられてもよく、複数のテンドン２２１及び２２２の近位端は、キャプスタン２３５を越えて延び、予荷重システム２４０に接続する。複数のテンドン２２１及び２２２は、恒久的にキャプスタン２３５に取り付けられることを必要とせず、従って、例えば、モータ２５０又はノブ２６０がテンドン２２１又は２２２を操縦部２１０に向かって送り出す方向に回った場合に、キャプスタン２３５に対して滑ることが可能である。とはいえ、予荷重システム２４０によって加えられる巻き角及び張力は、モータ２５０又はノブ２６０がテンドン２２１又は２２２の遠位端から引き込むときに、モータ２５０又はノブ２６０によって加えられるトルクがそのテンドン２２１又は２２２の遠位部分における張力を制御するようなものである。

図２の実施形態における予荷重システム２４０は、複数のバネ２４１及び２４２を使用して実施される。複数のバネ２４１及び２４２は、後端機構２３０のケース又はシャーシにしっかりと固定されてもよい。複数のバネ２４１及び２４２は、手術器具２００の全可動範囲に渡ってそれぞれのテンドン２２１及び２２２にゼロでなくかつ等しい力が加えられるように、付勢、例えば伸張されてもよい。この構成によって、キャプスタン２３５が自由に回転できる場合に、複数のバネ２４１及び２４２は、それぞれテンドン２２１及び２２２を引き寄せ、テンドン２２１及び２２２における張力を制御する。したがって、予荷重システム２４０は、テンドン２２１又は２２２の必要とされる長さを引き込むことによって、テンドン２２１及び２２２における緩みを防ぐことができる。さらに、予荷重システム２４０は、テンドン２２１及び２２２の両方に対して等しい大きさの張力を加え、操縦部２１０における偏った運動を手術器具２００の全可動範囲に渡って防止する。

予荷重システム２４０内の各バネ２４１又は２４２は、より一般的に、テンドン２２１又は２２２の近位端の所要の変位の範囲を可能にすると同時に、テンドン２２１又は２２２の近位端に対して力を加えることが可能な、如何なる構造又はシステムでも置き換えられることができる。複数のバネ２４１及び２４２は、例えば、線形コイルバネ、定荷重バネ又は他のバネ要素の使用であってもよい。他のバネ要素は、例えば回転コイルバネ、板バネ又はコンプライアントな部材である。コンプライアント（従順）な部材は、例えば、曲がるビーム（梁）、片持ちビーム又は弾性のバンドである。複数のバネ２４１及び２４２は、如何なる種類のコンプライアントな部材、バネ又は張力適用システムであってもよいが、バネ２４１が加える張力は、理想的には器具の全可動範囲に渡って、バネ２４２によって加えられる張力と等しくてもよい。そうでなければ、各テンドンに対する予荷重が不釣り合いになり、操縦部において偏った運動を生み出し得る。さらに、バネ要素又はコンプライアントな部材は、取り付けられた複数のテンドンの端に対して直接的又は間接的に力を加えるために、伸張又は圧縮を通じて働いてもよい。加えて、バネ要素又はコンプライアントな部材は、バネ２４１によってテンドン２２１に対して加えられる力が、器具２００の全可動範囲に渡って、バネ２４２によってテンドン２２２に対して加えられる力を等しくなるように設計されてもよい。所要の力を加えるための他の方法、例えば、錘又は磁石を使用するシステムが、代替的に用いられてもよい。力の供給源に加えて、予荷重システム２４０は、取り付けられたテンドンに加えられる力の大きさを、例えば、操縦部２１０の全可動範囲に渡って一定の力を加えるように、管理又は制御する、機械的な要素（図示なし）を含んでもよい。

図３は、主管２２０及び操縦部２１０を有するカテーテルを含む器具３００の一つの実施例を示す。操縦部２１０は、図２を参照して上述したように、後端機構２３０内のキャプスタン２３５に巻き付けられた複数のテンドン２２１及び２２２を使用して制御されることができるが、器具３００は、代替的な予荷重システム３４０を用いることによって器具２００とは異なる。予荷重システム３４０は、スライド式装着部を有するプーリ３４４に取り付けられる、付勢されたバネ３４２を含む。スライド式装着部は、プーリ３４４がキャプスタン２３５に向かって又はキャプスタン２３５から離れるように動くことを可能にする。予荷重システム３４０において、複数のテンドン２２１及び２２２の近位端は、つなぎ合わされ、プーリ３４４の回りで輪状にされる。運転中に、駆動モータ２５０又はノブ２６０は、キャプスタン２３５を回転させて、テンドン２２１又はテンドン２２２の遠位部分における張力を増大させ、操縦部２１０を、より高い張力のテンドン２２１又はテンドン２２２に向かって曲げるか又は動かすことができる。同時に、バネ３４２は、テンドン２２１及びテンドン２２２の両方の近位端が、バネ３４２がプーリ３４４に加える力の半分にほとんど等しい張力を支えるまで、プーリ３４４が移動及び回転することを可能にする。上述したように、引き込まれているテンドン２２１又はテンドン２２２の遠位端部における張力は、キャプスタン２３５に加えられるモータ又は手動でのトルクに依存するものであり、繰り出されているテンドン２２２又はテンドン２２１の遠位端部における張力は、近位端における張力とほとんど同一のものである。このようにして、予荷重システム３４０は、複数のテンドン２２１及び２２２の近位端においてゼロでなくかつ等しい張力を維持し、複数のテンドン２２１及び２２２における緩みを防止することができる。

図４は、主管２２０及び操縦部２１０を含む器具４００の一つの他の実施例を示す。操縦部２１０は、図２を参照して上述したように、後端機構２３０内のキャプスタン２３５に巻き付けられた複数のテンドン２２１及び２２２を使用して制御されることができるが、器具４００は、他の代替的な予荷重システム４４０を含む。予荷重システム４４０は、直列の（in-line）バネ４４２及び固定されたプーリ４４４を含む。固定されたプーリ４４４は、後端機構２３０の壁、ケース又はシャーシにしっかりと固定されてもよい。一つのテンドン２２１又は２２２はバネ４４２の一端に接続し、他方のテンドン２２２又は２２１の近位端は、固定されたプーリ４４４に巻き付いた後にバネ４４２の他端に接続する。バネ４４２は、等しい力を複数のテンドン２２１及び２２２の近位端に加えるように、付勢、例えば伸張されており、バネ４４２はまた、複数のテンドン２２１及び２２２において起こり得る伸張及び主管２２０又は操縦部２１０の軸方向の圧縮を補償するのに十分な可動域を有する。モータ２５０又はノブ２６０は、上述したように、より高い張力を一つのテンドン２２１又は２２２の遠位端において制御することができ、一方で、予荷重システム４４０はテンドン２２２及びテンドン２２１の両方において最小限の張力を制御する。

図５は、同様に主管２２０及び操縦部２１０を含む器具５００の更に他の実施例を示す。操縦部２１０は、図２を参照して上述したように、後端機構２３０内のキャプスタン２３５に巻き付けられた複数のテンドン２２１及び２２２を使用して制御されることができる。器具５００は、複数のテンドン２２１及び２２２に直接的に接続する代わりに、キャプスタン２３５にバネ荷重をかける予荷重システム５４０を含む。図５において、予荷重システム５４０は駆動モータ２５０に結合させられており、駆動モータ２５０はスライド式装着部を有する。スライド式装着部は、キャプスタン２３５の回転軸に対して垂直な方向における、モータ２５０及びキャプスタン２３５の直線運動を可能にする。代替的に、予荷重システム５４０は、例えば、ノブ２６０、キャプスタン２３５の軸受け（図示なし）に対して、又はキャプスタン２３５のスライド式装着部（図示なし）に対して、他の方法でキャプスタン２３５に結合してもよい。図５の実施形態において、複数のテンドン２２１及び２２２の近位端は、キャプスタン２３５に対して取り付けられてもよく又はキャプスタン２３５上に固定されてもよい。

図６は、同様に主管２２０及び操縦部２１０を含む器具６００の更に他の実施例を示す。操縦部２１０は、図２を参照して上述したように、後端機構２３０内のキャプスタン２３５に巻き付けられた複数のテンドン２２１及び２２２を使用して制御されることができる。器具６００はまた、図２の予荷重システム２４０と同一の予荷重システム２４０又は図３，図４又は図５を参照して記述したような代替的な予荷重システムを含んでもよい。器具６００は、キャプスタン２３５と操縦部２１０との間でテンドン２２１及び２２２に係合する引き締め（take-up）バネシステム６４０の追加において、図２の器具２００とは異なる。図６における引き締めシステム６４０は、複数のテンドン２２１及び２２２にそれぞれ係合し、複数のテンドン２２１及び２２２の長さに対して垂直な方向にテンドンを引き寄せるようにバネ荷重をかけられている。このようにして、引き締めシステム６４０は、キャプスタン２３５がいずれの方向に回転するかに関わらず、ゼロでない張力を維持し、複数のテンドン２２１及び２２２における緩みを防止するための一つの他の機構を提供する。

送り出されるテンドン２２１又はテンドン２２２は、受動的予荷重システムが複数のテンドン２２１及び２２２の遠位端において常に少なくとも最小限の張力を維持するために、キャプスタン２３５上を滑る必要があり得る。一つの他の実施形態において、自己対立駆動システム内の二つのテンドンは、反対向きの両方向に、二つの独立した一方向（ワンウェイ）クラッチ又は一方向軸受けに巻き付く。それらの一方向クラッチは、一方のクラッチのみが駆動回転方向毎に係合するように、反対の意味で方向付けられてもよい。図７Ａは、例えば、自己対立システム７００を示す。図７Ａの自己対立システム７００において、二つのテンドン７２１及び７２２は、反対向きの両方向に、一方向クラッチ又は軸受け７３１又は７３２にそれぞれ巻き付く。一方向クラッチ７３１は、モータ２５０又はノブ２６０が中心のシャフト７３０を時計回りに駆動した場合にクラッチ７３１がテンドン７２１の遠位側を引き寄せ、モータ２５０又はノブ２６０がシャフト７３０を反時計回りに回転させた場合にクラッチ７３１が滑るように方向付けられている。一方向クラッチ７３２は、モータ２５０又はノブ２６０がシャフト７３０を反時計回りに回転させた場合にクラッチ７３２が遠位側テンドン７２２を引き寄せ、モータ２５０又はノブ２６０がシャフト７３０を時計回りに回転させた場合には滑るように方向付けられている。このようにして、一つの一方向クラッチ７３１又は７３２のみが、各駆動回転方向に関して係合することができる。システム７００の受動的予荷重システム７４０は、他方のテンドン７２２又は７２１の伸張によってテンドン７２１又は７２２において増大する緩み又は張力の可能性を消すことができる。なぜなら、受動的予荷重システム７４０は、自由回転するクラッチ７２１又は７２２上の緩みを引き込むことができるからである。

予荷重システム７４０の機構は、予荷重システム２４０と同一であってもよい。図示されるように、複数のテンドン２２１及び２２２の近位端は、予荷重システム７４０内の複数のバネシステム７４１及び７４２に接続する。複数のバネシステム７４１及び７４２は、テンドン２２１及び７２２における最小限かつ等しい張力を維持し、複数のテンドン２２１及び２２２における緩みを防止する。代替的に、本明細書において記述されたシステムのような、如何なる他の予荷重システムであっても、用いられることができる。図７Ｂは、例えば、複数のテンドン２２１及び２２２が、図４の予荷重システム４４０と同じ種類の直列バネシステム７４３及び固定されたプーリ７４４を含む予荷重システム７４５に接続することを除いて、図７Ａと同一である。

上で述べたような操縦可能な器具は、器具の遠位側先端のピッチ及びヨーを制御する能力から恩恵を受けることができる。図２，３，４，５及び６は、遠位側先端内の医療器具のいくつかの実施例、例えば、遠位側先端の一つの角度、すなわちピッチ又はヨーを制御するために後方又は前方に曲がることができる操縦部２１０を示す。より一般的に、医療器具は、遠位側先端のピッチ角度及びヨー角度の独立した制御のために、二つのそのような駆動システムを包含してもよい。図８は、例えば、医療器具８００を示す。医療器具８００は、操縦可能な器具のような医療装置の操縦部２１０に接続された遠位端を有する、二組の作動テンドン２２１及び２２２並びに２２１’及び２２２’を用いる。例えば、複数のテンドン２２１，２２２，２２１’及び２２２’の遠位端は、環２１４の外周の回りに９０度の間隔で、全て作動環２１４に接続されてもよい。複数のテンドン２２１及び２２２は、反対の方向で、キャプスタン２３５に巻き付く。キャプスタン２３５は、複数のテンドン２２１及び２２２のための予荷重システム２４０を有する。複数のテンドン２２１’及び２２２’は同様に、反対の方向で、キャプスタン２３５’に巻き付く。キャプスタン２３５’は、複数のテンドン２２１’及び２２２’のための予荷重システム２４０’を有する。このようにして、器具８００の遠位側先端のピッチ角度及びヨー角度は、キャプスタン２３５及びキャプスタン２３５’に接続された二つのモータ２５０又はノブ２６０を使用して制御されることができる。

環２１４における複数のテンドン２２１及び２２２の分離及び複数のテンドン２２１’及び２２２’の分離は、ピッチ作動及びヨー作動のために互いに垂直であってもよい。結果として、関連する駆動システム、具体的にはキャプスタン２３５及びキャプスタン２３５’は、同様に互いに垂直であってもよい。垂直な方向は、器具８００の便利な手持ち使用のためのコンパクトな駆動システムのためには最良の構成ではないかも知れない。しかしながら、キャプスタン２３５及び駆動モータ２５０のような駆動システム部品の方向及び位置は、プーリシステム８５２又は駆動伝達システム８５４を使用して再配置されてもよい。具体的には、プーリシステム８５２は、複数のキャプスタン２３５及び２３５’が垂直でなくてもよいように、複数のテンドン２２１，２２２，２２１’及び２２２’の方向を変えるために使用されてもよい。駆動伝達システム８５４、例えばベルトシステム又はギアシステムは同様に、複数のキャプスタン２３５及び２３５’に対する、いずれかのモータ２５０の位置又は方向を変えるために使用されてもよい。

図８に示されるようなモータ２５０は、直接的にキャプスタン２３５に取り付けられる必要はない。より一般的には、複数の駆動モータ、例えばシステム８００におけるモータ２５０及び２５０’を含み得るモータパックが、係合機構を通じて、複数のキャプスタン、例えばキャプスタン２３５及び２３５’に接続してもよい。係合機構は、モータパックが、自己対立駆動システムの複数のキャプスタンを含む後端機構を係合又は係合解除させることを可能にする。各手動ノブ２６０は、手動で器具を操縦するために、対応するキャプスタン２３５に取り付けられたままでもよく、テンドン２２１又は２２２の一方に対してより高い張力を加える。後端機構からのモータパックの取り外しは、利点を有する。具体的には、取り外し可能なモータパックは、医学的処置が実行される無菌の領域を取り囲む無菌バリアの外側であってもよい。モータパックは、その結果、後端機構及び器具の残りの部分について要求され得る高圧オートクレーブ滅菌のような、標準的であるが煩わしい洗浄処置を免れることができる。後端機構が単一回使用（使い捨て）の器具の一部である場合、器具は容易に交換及びリサイクルされることができ、一方でモータパックは繰り返して使用されることができる。モータパックはまた、ロボット制御されるアームに留まるか又は恒久的に取り付けられて、手動での使用中に器具をより小さく、より軽くしてもよい。例えば、ひとたび医者が器具の手持ち操作を終えると、その医者は、モータパック及びロボットアーム上に器具の後端機構を取り付けてもよい。次いで、器具をロボット制御するために入力装置（例えば、ジョイスティック）が使用されてもよい。

ピッチ方向及びヨー方向において操縦可能な器具のための駆動システムの一つのコンパクト又は小型な半径構造は、複数の駆動モータ２５０及び２５０’並びに複数のキャプスタン２３５及び２３５’の回転軸を、主管２２０の方向に沿って方向付ける。図９は、駆動モータ２５０及びキャプスタン２３５が主管２２０の軸に沿って方向付けられた器具９００を示す。器具９００内のプーリシステム９１０及び９１０’は、それぞれの受動的予荷重システム４４０及び４４０’に接続し、その軸に沿い主管２２０を通って伸びる（run）複数のテンドン２２１及び２２２並びに複数のテンドン２２１’及び２２２’の方向を変え、複数のテンドン２２１及び２２２並びに複数のテンドン２２１’及び２２２’の近位端が主管２２０の軸に対して垂直になるようにすることができる。このようにして、複数のテンドン２２１及び２２２並びに複数のテンドン２２１’及び２２２’は、上述したようにそれぞれのキャプスタン２３５及び２３５’に巻き付くことができる。

ピッチ−ヨー駆動を提供することができる器具９００の一つの具体的な実施形態は、軽量、例えば、約１ポンド（０．４５３６ｋｇ）であってもよく、かつコンパクト、例えば、６０ｍｍより小さな最大外径を有してもよい。主シャフト２２０は、４本のテンドン又は引っ張りワイヤを含んでもよく、２本はピッチ用であり２本はヨー用であり、操縦部２１０の先端において四方点（cardinal points）で終端となる。各テンドンは、ボーデンケーブル内の引っ張りワイヤであってもよく、引っ張りワイヤは、遠位の操縦部内の環に接して遠位側で終端となっており、制御されたスライドを可能にする予荷重システムに接して近位側で終端となっている。各引っ張りワイヤは、ポリマーケーブル（例えば、ケブラー（登録商標））の部分を含んでもよい。そのポリマーケーブルは、アイドラによってモータシャフト又はキャプスタンへ経路を定められてもよい。ポリマーケーブル部分はまた、モータシャフト上にくるまるか又は巻き付いてもよく、同じモータシャフト上に巻き付く二つの部分は、反対の方向に巻かれる。予荷重機構は、常に引っ張りワイヤにおける最小限の張力を保つ。

上述した複数の駆動システムは、手動及びコンピュータ支援の器具の操作に関して有意な利益をもたらすことができる。具体的には、生検（バイオプシー）に関して、外科医又は他の医療関係者は、口又は肛門のような患者の生来の開口を通して器具を手動で挿入することを望むかも知れず、後端機構は、上述したように、挿入中の手持ち使用のために十分に小型に作られ得る。一つ又は二つの機械的なノブは、手動での操作のために設けられてもよく、器具の先端部の二方向又は四方向への曲げを可能にする。例えば、ノブは、標準的な気管支鏡又は結腸鏡内のように方向付けられてもよい。作動モータのモータ軸は器具シャフトと平行であってもよく、その構成は、患者の解剖学的構造の近傍に、より容易な操作のためにより多くの場所を残すことができる。上述した複数の駆動システムのうちの少なくともいくつかの比較的な軽量さ及び小さな視覚的寸法はまた、魅力的であるか又は意識下鎮静を受けて生検のような処置を受けている患者にとって恐ろしくないものであり得る。コンピュータ支援操作に関して、駆動システムは、自由度毎に一つのモータ又はアクチュエータを使用してもよく、その構成は、ケーブル毎に一つのモータを使用する駆動システムと比較した場合に費用及びシステムの複雑さを低減することができる。

複数の具体的な実施形態が開示されたが、これらの実施形態は、ただ単に例に過ぎず、限定として取られるべきではない。開示された実施形態の複数の特徴の様々な適応及び組み合わせが、続く特許請求の範囲内に含まれる。

Claims (17)

1. 医療器具であって、
   シャフト、
   被作動構造であり、前記シャフトに対する当該被作動構造の動作を可能にする方法で前記シャフトの遠位端に装着された、被作動構造、
   前記被作動構造に接続され、前記シャフトに沿って延びる、第一のテンドン、
   前記被作動構造に接続され、前記シャフトに沿って延びる、第二のテンドン、
   前記シャフトの近位端のキャプスタンであり、当該キャプスタンは回転可能に装着され、前記第一のテンドンは、第一の方向で当該キャプスタンに巻き付けられる部分及び当該キャプスタンから延びる近位端を含み、前記第二のテンドンは、第二の方向で当該キャプスタンに巻き付けられる部分及び当該キャプスタンから延びる近位端を含み、前記第二の方向は前記第一の方向の反対である、キャプスタン、
   前記キャプスタンを回転させるためのモータを前記キャプスタンに接続させる機構、及び
   前記第一のテンドン及び前記第二のテンドンの前記近位端に一定の張力を加えるように結合させられた、受動的予荷重システム、
   を有する、器具。
2. 前記受動的予荷重システムは、
   前記第一のテンドンの前記近位端に結合させられた、第一のバネ、及び
   前記第二のテンドンの前記近位端に結合させられた、第二のバネ、
   を有する、請求項１記載の器具。
3. 前記第一のバネは、前記第一のテンドンの前記近位端に一定の力を加える定荷重バネを含み、
   前記第二のバネは、前記第二のテンドンの前記近位端に一定の力を加える定荷重バネを含む、
   請求項２記載の器具。
4. 前記受動的予荷重システムは、前記第一のテンドンの近位端及び前記第二のテンドンの近位端と係合させられたプーリシステムを有する、請求項１記載の器具。
5. 前記受動的予荷重システムは、前記プーリシステムを引っ張ることによって前記第一のテンドン及び前記第二のテンドンに張力を加えるように結合させられたバネを更に有する、請求項４記載の器具。
6. 前記受動的予荷重システムは、前記第一のテンドンと前記プーリシステムとの間に結合させられたバネを更に有する、請求項４記載の器具。
7. 前記第一のテンドンの前記近位端及び前記第二のテンドンの前記近位端は、つなぎ合わされ、前記プーリシステムの一つのプーリに巻き付く、請求項４記載の器具。
8. 前記モータは、前記キャプスタンを回転させるように結合させられており、前記モータは、前記モータのコンピュータ制御を可能にするインターフェイスを有する、請求項１記載の器具。
9. 前記機構は、前記器具の手動での操作のために前記モータが前記キャプスタンから分離されることを可能にする、請求項８記載の器具。
10. 前記キャプスタンの手動での回転のために結合させられたノブを更に有する、請求項８記載の器具。
11. 前記予荷重システムは、前記キャプスタンの回転軸に対して垂直な方向における前記キャプスタンの直線運動を可能にする、前記キャプスタンのスライド式装着部を有する、請求項８記載の器具。
12. 前記キャプスタンの前記スライド式装着部は、前記キャプスタンの回転軸に対して垂直な方向における前記モータ及び前記キャプスタンの直線運動を可能にする、前記モータのスライド式装着部である、請求項１１記載の器具。
13. 前記キャプスタンと前記被作動構造との間の位置で前記第一のテンドンに係合する第二の予荷重システムを更に有する、請求項１記載の器具。
14. 医療器具であって、
    シャフト、
    被作動構造であり、前記シャフトに対する当該被作動構造の動作を可能にする方法で前記シャフトの遠位端に装着された、被作動構造、
    前記被作動構造に接続され、前記シャフトに沿って延びる、第一のテンドン、
    前記被作動構造に接続され、前記シャフトに沿って延びる、第二のテンドン、
    前記シャフトの近位端のキャプスタンであり、当該キャプスタンは回転可能に装着され、前記第一のテンドンの一部分は、第一の方向で当該キャプスタンに巻き付けられ、前記第二のテンドンの一部分は、前記第一の方向の反対の第二の方向で当該キャプスタンに巻き付けられる、キャプスタン、及び
    前記第一のテンドン及び前記第二のテンドンにおける張力を維持するように結合させられた、受動的予荷重システム、
    を有し、
    前記キャプスタンは、
    第一の一方向クラッチであり、前記第一のテンドンは当該第一の一方向クラッチに巻き付けられる、第一の一方向クラッチ、及び
    第二の一方向クラッチであり、前記第二のテンドンは当該第二の一方向クラッチに巻き付けられる、第二の一方向クラッチ、
    を有し、
    前記第一の一方向クラッチは、前記第二のクラッチに前記第二のテンドンを引っ張らせる方向に前記キャプスタンが回転させられた場合にスリップし、
    前記第二の一方向クラッチは、前記第一のクラッチに前記第一のテンドンを引っ張らせる方向に前記キャプスタンが回転させられた場合にスリップする、
    器具。
15. シャフトの遠位端に装着された被作動構造、駆動モータ、及び受動的予荷重システムを有する器具の作動方法であって、当該作動方法は、
    前記駆動モータがキャプスタンの回転を駆動するステップであり、前記キャプスタンは、第一の方向で前記キャプスタンに巻き付けられる第一のテンドン及び前記第一の方向の反対の第二の方向で前記キャプスタンに巻き付けられる第二のテンドンを有し、前記第一のテンドンの遠位部分及び前記第二のテンドンの遠位部分は、前記シャフトに沿って延び、前記被作動構造に係合する、ステップ、及び
    前記キャプスタンから延びる前記第一のテンドンの近位部分及び前記第二のテンドンの近位部分において、前記受動的予荷重システムが張力を受動的に制御するステップであり、張力を受動的に制御する前記ステップは、前記受動的予荷重システムが前記第一のテンドンの近位端に力を加えるサブステップ、及び前記受動的予荷重システムが前記第二のテンドンの近位端に同じ力を加えるサブステップ、を含み、前記第一のテンドンの近位端及び前記第二のテンドンの近位端に加えられる力は、前記被作動構造の可動域に渡って一定である、ステップ、
    を含む、作動方法。
16. 前記キャプスタンの回転を駆動する前記ステップは、前記器具のロボット操作中に行われる、請求項１５記載の作動方法。
17. 前記第一のテンドンは、前記キャプスタンに前記第二のテンドンを引っ張らせる方向に前記キャプスタンが回転した場合に前記キャプスタンに対してスリップし、
    前記第二のテンドンは、前記キャプスタンに前記第一のテンドンを引っ張らせる方向に前記キャプスタンが回転した場合に前記キャプスタンに対してスリップする、
    請求項１記載の器具。

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