JP5033650B2 - オフセット型手術用マニピュレータ及び手術用顕微鏡システム - Google Patents

Description

本発明はオフセット型手術用マニピュレータ及び手術用顕微鏡システムに関するものである。

例えば、脳神経外科手術などのように、顕微鏡観察下又は内視鏡観察下において、体内の深部且つ狭所での微細手術をマニピュレータを用いて低侵襲で行うことが知られている。マニピュレータはある程度の長さを有するストレート細管状で、先端には開閉自在な把持片が設けられている。マニピュレータはマスタの操作による駆動手段により全体が長軸回りに回転自在であると共に、内部に設けられたワイヤを操作することにより、先端の把持片を開閉したり、把持片が設けられている先端部分を屈曲（首振り）させることができる（例えば、特許文献１参照）。
特開２００１−３０９９２０号公報

しかしながら、このような従来の技術にあっては、マニピュレータがある程度の長さを有するストレート細管形状であるため、顕微鏡をマニピュレータの真上に配置することができず、どうしても斜めからの観察となり、顕微鏡により術部の底部まで十分に広い視野で観察することができなかった。また、内視鏡による観察の場合も同様で、マニピュレータと同じ方向から挿入して観察しようとすると、マニピュレータと干渉するため、どうしても斜め方向からの挿入となり、内視鏡を術部の底部まで十分に挿入できない場合があった。

本発明は、このような従来の技術に着目してなされたものであり、顕微鏡や内視鏡により術部の底部まで広い視野で観察することができるオフセット型手術用マニピュレータ及び手術用顕微鏡システムを提供する提供するものである。

請求項１記載の発明は、駆動手段によって長軸回りに回転自在な細筒状の鉗子本体と、鉗子本体を回転自在に支持する支持部材と、鉗子本体の先端に設けられた首振り自在な屈曲部と、屈曲部の先端に設けられた一対の把持片と、鉗子本体の内部に挿通されて屈曲部や把持片に操作力を伝達する複数のワイヤを備え、前記鉗子本体が、駆動手段により回転駆動される基端管部と、屈曲部及び把持片を先端に有し且つ基端管部からオフセットした位置にある先端管部と、基端管部と先端管部を斜めに連結する中間管部とから構成され、基端管部及び先端管部と、中間管部の両端部とが、それぞれユニバーサルジョイントにより連結され、前記各ユニバーサルジョイントが、対応端部の互いに直交する位置に一対ずつ形成されたヨークと、各ヨークの先端が相互に直交する第１軸及び第２軸で回転自在に軸支されるコマとから構成され、前記第１軸は基端管部側及び先端管部側のヨークの先端を貫通し且つ相互に平行であり、第２軸は中間管部の両側のヨークの先端を貫通し且つ相互に平行であり、前記コマに、前記第１軸に合致した状態で並設され且つそれぞれワイヤを挿通する複数のガイド孔が形成されていることを特徴とする。

請求項２記載の発明は、コマの表裏両面における各ガイド孔の周辺部にすり鉢状の凹部が形成されていることを特徴とする。

請求項３記載の発明は、中間管部の両端部、或いは、基端管部及び先端管部の対応端部の少なくとも何れか一方に、コマのガイド孔に対応する補助孔を設けたことを特徴とする。

請求項４記載の発明は、マニピュレータにおける先端管部の上方空間に、一対の接眼部を有し術部の光学像を立体観察可能な手術顕微鏡をスタンド装置により支持すると共に、スタンド装置の一部に、手術顕微鏡の一対の接眼部で観察される光学像とは異なる角度から撮影された一対の電子映像を立体観察可能な立体映像表示装置を、補助アームを介して支持したことを特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、先端管部が中間管部を介して基端管部とはオフセットした位置にあるため、先端管部の上方に空間ができ、その上方空間に顕微鏡を設置したり、その上方空間から内視鏡を挿入したりすることができる。従って、顕微鏡や内視鏡により術部の底部まで広い視野で観察することができる。基端管部及び先端管部と、中間管部とは、それぞれユニバーサルジョイントを介して連結されている。ユニバーサルジョイントは鉗子本体の長軸回りの回転トルクを伝達する役割と共に、内部を通るワイヤの位置を位置決めする役割を果たす。すなわち、基端管部を駆動手段により長軸回りに回転させると、その回転はユニバーサルジョイントを介して中間管部及び先端管部にも回転トルクが伝達され、先端の把持片を回転させることができる。また、ユニバーサルジョイントのヨーク同士を連結するコマにはガイド孔が形成されているため、このガイド孔によりワイヤを位置決めした状態で通すことができる。コマは回転に伴って第１軸を中心に傾くが、第１軸自体は長軸に対して直角が維持されたまま長軸回りに回転するだけで、第１軸自体は傾かない。この傾かない第１軸に沿ってガイド孔を形成したため、ガイド孔は長軸回りを回転するだけで、そこに挿通されたワイヤ経路長に変化はなく、ワイヤとガイド孔とのスリップもない。そのため、鉗子本体を回転させても、内部のワイヤが引っ張られたりすることがなく、把持や屈曲の誤作動を招くことがない。

請求項２記載の発明によれば、ガイド孔の周辺部にすり鉢状の凹部を形成したため、ガイド孔の縁部が薄くなり、ガイド孔とワイヤの接触点が安定し、コマが傾いた際にワイヤがガイド孔以外の部分と接触することなくなるため、ワイヤ経路長の変化を更に確実に防止することができる。

請求項３記載の発明によれば、中間管部の両端部、或いは、基端管部及び先端管部の対応端部の少なくとも何れか一方に、コマのガイド孔に対応する補助孔を設けたため、各管部におけるワイヤ位置を規制することができ、ワイヤ相互の干渉を更に確実に回避することができる。

請求項４記載の発明によれば、主術者が手術顕微鏡の一対の接眼部から、術部の光学像を立体観察することができると共に、助手がスタンド装置から延びる補助アームに支持された立体映像表示装置により、手術顕微鏡の一対の接眼部で観察される光学像とは異なる角度から撮影された一対の電子映像を立体観察することができる。立体映像表示装置は、手術顕微鏡でなく、スタンド装置に支持されているため、主術者が手術顕微鏡を動かしても、立体映像表示装置は不動で、助手側の観察に影響を与えない。また、助手は電子映像での立体観察が可能なため、術部の状態を立体的に把握することができ、主術者の援助を正確に行える。電子映像の一部に、ＣＴ、ＭＲＩ、ナビゲーション情報等を一緒に表示しても良い。

以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、マスタ・スレーブ方式のロボットシステムのスレーブ装置１で、図示せぬスタンド装置により支持されている。スレーブ装置１はマニピュレータ２を一部に備えている。マニピュレータ２は、マスタの操作をスケールダウンした状態で、任意の位置及び角度に移動できるようになっている。

マニピュレータ２は、鉗子本体３、支持部材４、屈曲部５、把持片６、ワイヤ７、８、９とから構成されている。鉗子本体３は、それぞれ細径の金属円筒製の基端管部１０、中間管部１１、先端管部１２とから構成されている。

基端管部１０は、「駆動手段」としての駆動モータ１３の下端から突出しており、駆動モータ１３により長軸回りに正逆方向へ回転できるようになっている。この基端管部１０の下端にユニバーサルジョイント１４を介して中間管部１１が連結されている。中間管部１１は基端管部１０に対して４５°の角度を有する斜め状態で連結されている。

中間管部１１は駆動モータ１３から離反する方向へ斜めに延びており、その下端には、別のユニバーサルジョイント１５を介して、先端管部１２が連結されている。従って、先端管部１２は、基端管部１０に対して、駆動モータ１３から離反する方向へオフセットした状態になっている。基端管部１０と先端管部１２とは平行であり、図２に示すように、全体としてクランク形になっており、先端管部１２の上方には空間Ｓが生じる。

鉗子本体３は、スレーブ装置１の本体から延びた支持部材４により、前記先端管部１２がオフセットしたクランク形状が保持されている。支持部材４は、中間管部１１の上下両端部と、先端管部１２の上端部に対応する位置に、それぞれブロック１６、１７、１８が形成されている。中間管部１１の上端に対応するブロック１６には、中間管部１１が貫通する開口１９（図４参照）が形成され、中間管部１１の下端に対応するブロック１７と、先端管部１２の上端に対応するブロック１８には、中間管部１１及び先端管部１２を回転自在に保持するベアリング２０、２１がそれぞれ設けられている（図５参照）。

先端管部１２の先端には、図３に示すように、多間節の屈曲部５が形成されている。この屈曲部５は相反する二方向に首振りすることができる。屈曲部５の先端には一対の把持片６が設けられている。把持片６は開閉自在で、一対の保持片６で患部の一部を挟むことができる。

鉗子本体３の内部には、先端管部１２の先端から基端管部１０まで３本のワイヤ７、８、９が挿通されている。３本のワイヤ７、８、９は基端管部１０から駆動モータ１３内に導入され、それぞれ個別に引張操作力が伝達されるようになっている。３本のワイヤ７、８、９のうち、１本のワイヤ８は把持片６を開閉させるためのもので、２本のワイヤ７、９は屈曲部５を相反する二方向へ屈曲させるためものである。

次に、ユニバーサルジョイント１４、１５の構造を説明する。上側のユニバーサルジョイント１４と、下側のユニバーサルジョイント１５とは、基本的に、上下対象で同じ構造のため、以下、主に図６に基づいて、先端管部１２と中間管部１１とを連結する下側のユニバーサルジョイント１５を例に説明し、上下のユニバーサルジョイント１４、１５の構成部品には共通の符号を付す。尚、以下において、先端管部１２及び基端管部１０は垂直状態で、中間管部１１はそれらに対して４５°傾斜した状態として説明する。

先端管部１２と、中間管部１１には、それぞれ端部の対向位置に一対のヨーク２２、２３が突出形成されている。互いのヨーク２２、２３の位置は、ユニバーサルジョイント１５の基本として、９０°相違した相互に直交した関係にある。

両方のヨーク２２、２３の先端は、それぞれ概略円板形状のコマ２４の側面に接続されている。先端管部１２側のヨーク２２の先端は、コマ２４の対向する位置に第１軸Ａを中心にして回転自在に軸支されている。中間管部１１側のヨーク２３は、コマ２４の９０°相違した位置に第２軸Ｂを中心にして回転自在に軸支されている。すなわち、第１軸Ａと第２軸Ｂは、コマ２４の中心を通過し、且つ相互に直交している。上下のユニバーサルジョイント１４、１５の第１軸Ａ同士は互いに平行で、第２軸Ｂ同士も互いに平行である。

このような基本構造のユニバーサルジョイント１５を備えているため、中間管部１１と先端管部１２とが４５°の角度を成していても、中間管部１１を回転させると、その回転トルクがヨーク２３を介してコマ２４に伝達され、そのコマ２４からヨーク２２に伝達されて、先端管部１２を回転させる。上側の中間管部１１と基端管部１０との間のユニバーサルジョイント１４も同様である。

前述のように、上下のユニバーサルジョイント１４、１５において、第１軸Ａと第２軸Ｂは互いに直交しており、第１軸Ａ同士と第２軸Ｂ同士はそれぞれ互いに平行な関係にあるが、第１軸Ａは先端管部１２等が垂直なため（垂直として説明）、先端管部１２等を回転させても、水平状態が維持されたまま垂直軸を中心に回転するだけで傾かない。これに対し、第２軸Ｂは、中間管部１１が斜めのため、中間管部１１の回転に伴って、水平位置から４５°位置の間で傾く。

このような特性を有する第１軸Ａ及び第２軸Ｂを勘案し、コマ２４に形成されるワイヤ７、８、９を通すためのガイド孔２５、２６、２７は、第１軸Ａに合致させた。つまり、３本のワイヤ７、８、９をそれぞれ通すための３つのガイド孔２５、２６、２７を第１軸Ａに沿って直線状に並べて形成した。

コマ２４は所定の厚さを有するため、コマ２４の表裏両面における各ガイド孔２５、２６、２７の周辺部には、すり鉢状の凹部２８、２９、３０を形成した。凹部２８、２９、３０は第１軸Ａに沿った方向では短く（図７参照）、第２軸Ｂに沿った方向では長く湾曲した形状（図８参照）になっている。このようにすることにより、ガイド孔２５、２６、２７の縁部が薄くなり、完全に第１軸Ａと合致した状態となる。

ユニバーサルジョイント１４、１５の部分において、中間管部１１の両端は開放された筒状態になっているが、先端管部１２及び基端管部１０の端部は湾曲した状態で塞がれていて、その部分には、それぞれガイド孔２５、２６、２７に対応する補助孔３１、３２、３３が形成されている。

次に、作用を説明する。基端管部１０が駆動モータ１３により、その長軸回りの回転させられると、その回転トルクは上側のユニバーサルジョイント１４を介して中間管部１１に伝達され、更に下側のユニバーサルジョイント１５を介して先端管部１２に伝達されるため、例えば、把持片６で患部の一部を把持した状態で捻ったりすることができる。ユニバーサルジョイント１４、１５では、各ヨーク２２、２３がコマ２４の側面にしっかりと軸支された構造のため、回転方向でガタつきがなく、正確な回転トルクの伝達を行うことができる。

鉗子本体３の内部には３本のワイヤ７、８、９が挿通されており、そのワイヤ７、８、９をマスタの操作に応じて必要な量だけ引くことにより、先端管部１２の先端において、把持片６の開閉操作や、屈曲部５の首振り操作を行うことができる。

各ユニバーサルジョイント１４、１５において、ワイヤ７、８、９はコマ２４のガイド孔２５、２６、２７に、それぞれ個別に通されているため、ワイヤ７、８、９同士が干渉し合うこともない。更に、基端管部１０及び先端管部１２の対応端部にも、ガイド孔２５、２６、２７に対応する補助孔３１、３２、３３が設けられているため、基端管部１０及び先端管部１２側においても、ワイヤ７、８、９の位置を規制することができ、ワイヤ７、８、９相互の干渉を更に確実に回避することができる。尚、補助孔３１、３２、３３は中間管部１１の両端部にも設けても良い。

ユニバーサルジョイント１４、１５が回転する過程で、コマ２４は第１軸Ａを中心に水平状態から４５°の角度まで傾くことを繰り返す。このようにコマ２４が傾いても、図９及び図１０に示すように、ワイヤ７、８、９を通すガイド孔２５、２６、２７は、傾かない第１軸Ａに沿って形成されてため、第１軸Ａと同様に、水平方向に回転するだけである。

そのため、ガイド孔２５、２６、２７は、図１５及び図１６に示すように、あたかも水平な仮想円板３５に沿って水平方向でのみ回転する状態となり、上下のガイド孔２５、２６、２７を結ぶ経路３６、３７、３８は不変となる。従って、ユニバーサルジョイント１４、１５を回転させても、そこを通過するワイヤ７、８、９の経路長さは不変で、ワイヤ７、８、９とガイド孔２５、２６、２７との間でスリップも生じない。そのため、鉗子本体３を回転させても、内部のワイヤ７、８、９が引っ張られたりすることがないため、把持や屈曲の誤作動を招くことがない。

また、前述のように、コマ２４は回転しながら第１軸Ａを中心に傾くが、ガイド孔２５、２６、２７の周辺部にすり鉢状の凹部２８、２９、３０を形成したため、ガイド孔２５、２６、２７の縁部が薄くなり、ガイド孔２５、２６、２７とワイヤ７、８、９の接触点が安定し、コマ２４が傾いた際にワイヤ７、８、９がガイド孔２５、２６、２７以外の部分と接触することなく、ワイヤ７、８、９の経路長の変化は確実に防止されるようになっている。

次に、このオフセット型手術用マニピュレータ２の実際の適用例を説明する。

図１７は、脳神経外科手術において、手術顕微鏡４０と組み合わせた手術用顕微鏡システムの例を示すものである。鉗子本体３の先端管部１２がオフセットしており、先端管部１２の上方には空間Ｓが生じるため、その空間Ｓの手術顕微鏡４０をセットした構成になっている。

脳深部を対象とした脳神経外科手術では、頭部Ｈの開頭範囲をなるべく小さく抑える必要があり、このような場合において、頭蓋外から手術顕微鏡４０で映像党を取得することを考えた場合、手術顕微鏡４０の光軸Ｘを可能な限り開頭面に垂直な方向に近づけた方が深い位置まで広い範囲の患部映像を取得することができる。

従来は、鉗子本体がストレート形状であったため、手術顕微鏡４０の光軸Ｘを開頭面垂直に近づけようとすると、鉗子本体と物理的に干渉してしまう問題点があったが、この実施形態では先端管部１２がオフセットしているため、その上方の空間Ｓに手術顕微鏡４０をセットして、光軸Ｘを開頭面に対して垂直に近づけることができる。

この手術顕微鏡４０は、既知のフロア設置型のスタンド装置４１の垂直状態が維持された先端リンク４２の支持ボックス４３に対して、コ字状の吊下アーム４４を介して支持されている。

手術顕微鏡４０は、対物光学系、ズーム光学系、接眼光学系を内蔵し、一対の接眼部４５から両眼視差を有する術部の光学像を立体的に観察できるようになっている。手術顕微鏡４０の下部には、主術者とは９０°相違する方向で立体撮影可能なカメラ４６が取付けられている。このカメラ４６では、主術者用の光は透過するが、それとは９０°相違する方向での光を分岐導入して立体的に撮影する。

支持ボックス４３の側面には、補助アーム４７を介して立体映像表示装置４８が支持されている。立体映像表示装置４８は内部に一対の表示パネル（小型ＬＣＤ）を備え、そこにカメラ４６で撮影した術部に関する横方向から見た一対の電子映像をそれぞれ表示することができる。この一対の電子映像は横方向から見た両眼視差を有していて立体的に観察することができる。

この実施形態によれば、主術者が手術顕微鏡４０の一対の接眼部４５から、術部の光学像を立体観察することができると共に、助手がスタンド装置４１から延びる補助アーム４７に支持された立体映像表示装置４８により、手術顕微鏡４０の一対の接眼部４５で観察される光学像とは異なる角度から撮影された一対の電子映像を立体観察することができるため、術部の状態を立体的に把握することができ、主術者の援助を正確に行える。電子映像の一部には、ＣＴ、ＭＲＩ、ナビゲーション情報等を一緒に表示することも可能で、この点においても、助手にとって手術の援助が行いやすい。

立体映像表示装置４８は、手術顕微鏡４０でなく、スタンド装置４１の先端リンク４２に支持されているため、主術者が手術顕微鏡４０を動かしても、立体映像表示装置４８は不動で、助手側の観察に影響を与えない。

図１８は、マニピュレータ２、４９を２セット使用すると共に、内視鏡５０と組み合わせた手術用顕微鏡システムの例を示すものである。マニピュレータ２、４９を２セット使用するため、複雑な手術処置も行える。また、内視鏡５０を上方の空間Ｓから頭部Ｈの開頭面に対して垂直に近い方向で挿入することができるため、開頭部の深い位置まで広い範囲の患部観察を行うことができる。

尚、以上の実施形態では、脳神経外科手術の場合を例に説明したが、これに限定されるものでなく、体内の深部且つ狭所で行われるあらゆる手術に適用することができる。

本発明の実施形態に係るオフセット型手術用マニピュレータを搭載したスレーブ装置を示す斜視図。 マニピュレータのオフセット状態を示す概略図。 マニピュレータの先端の屈曲部及び把持片を示す拡大図。 基端管部と中間管部を連結する上側のユニバーサルジョイントを示す斜視図。 中間管部と先端管部を連結する下側のユニバーサルジョイントを示す斜視図。 下側のユニバーサルジョイントを示す拡大図。 コマを第１軸に沿って断面した断面図。 コマを第２軸に沿って断面した断面図。 コマが第１軸を中心に傾いた状態を示す断面図。 コマが第１軸を中心に傾いた状態を示す概略斜視図。 マニピュレータを示す側面図。 図１１の状態から９０°相違した回転状態を示すマニピュレータの側面図。 マニピュレータを示す概略斜視図。 マニピュレータを示す概略断面図。 上下コマ間のワイヤの経路を示す説明図。 図１５の状態から９０°相違した回転状態を示す説明図。 マニピュレータと手術顕微鏡との組み合わせた手術用顕微鏡システムを示す説明図。 マニピュレータと内視鏡との組み合わせた手術用顕微鏡システムを示す説明図。

符号の説明

２ マニピュレータ
３ 鉗子本体
４ 支持部材
５ 屈曲部
６ 把持片
７、８、９ ワイヤ
１０ 基端管部
１１ 中間管部
１２ 先端管部
１４、１５ ユニバーサルジョイント
２２、２３ ヨーク
２４ コマ
２５、２６、２７ ガイド孔
２８、２９、３０ 凹部
３１、３２、３３ 補助孔
４０ 手術顕微鏡
４１ スタンド装置
４５ 接眼部
４６ カメラ
４８ 立体映像表示装置
４９ マニピュレータ
５０ 内視鏡
Ａ 第１軸
Ｂ 第２軸
Ｈ 頭部
Ｓ 空間
Ｘ 光軸

Claims (4)

1. 駆動手段によって長軸回りに回転自在な細筒状の鉗子本体と、鉗子本体を回転自在に支持する支持部材と、鉗子本体の先端に設けられた首振り自在な屈曲部と、屈曲部の先端に設けられた一対の把持片と、鉗子本体の内部に挿通されて屈曲部や把持片に操作力を伝達する複数のワイヤを備え、
   前記鉗子本体が、駆動手段により回転駆動される基端管部と、屈曲部及び把持片を先端に有し且つ基端管部からオフセットした位置にある先端管部と、基端管部と先端管部を斜めに連結する中間管部とから構成され、基端管部及び先端管部と、中間管部の両端部とが、それぞれユニバーサルジョイントにより連結され、
   前記各ユニバーサルジョイントが、対応端部の互いに直交する位置に一対ずつ形成されたヨークと、各ヨークの先端が相互に直交する第１軸及び第２軸で回転自在に軸支されるコマとから構成され、
   前記第１軸は基端管部側及び先端管部側のヨークの先端を貫通し且つ相互に平行であり、第２軸は中間管部の両側のヨークの先端を貫通し且つ相互に平行であり、
   前記コマに、前記第１軸に合致した状態で並設され且つそれぞれワイヤを挿通する複数のガイド孔が形成されていることを特徴とするオフセット型手術用マニピュレータ。
2. コマの表裏両面における各ガイド孔の周辺部にすり鉢状の凹部が形成されていることを特徴とする請求項１記載のオフセット型手術用マニピュレータ。
3. 中間管部の両端部、或いは、基端管部及び先端管部の対応端部の少なくとも何れか一方に、コマのガイド孔に対応する補助孔を設けたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載のオフセット型手術用マニピュレータ。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載されたマニピュレータにおける先端管部の上方空間に、一対の接眼部を有し術部の光学像を立体観察可能な手術顕微鏡をスタンド装置により支持すると共に、
   スタンド装置の一部に、手術顕微鏡の一対の接眼部で観察される光学像とは異なる角度から撮影された一対の電子映像を立体観察可能な立体映像表示装置を、補助アームを介して支持したことを特徴とする手術用顕微鏡システム。

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