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▶ ヴィルトゥオーソ サージカル インコーポレイテッドの特許一覧
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2024-03-18
(54)【発明の名称】低侵襲手術を行うためのシステム
(51)【国際特許分類】
A61B 34/35 20160101AFI20240311BHJP
【ＦＩ】
A61B34/35
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2023556769
(86)(22)【出願日】2022-03-18
(85)【翻訳文提出日】2023-11-08
(86)【国際出願番号】 US2022071218
(87)【国際公開番号】W WO2022198236
(87)【国際公開日】2022-09-22
(31)【優先権主張番号】63/162,609
(32)【優先日】2021-03-18
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】521555616
【氏名又は名称】ヴィルトゥオーソ サージカル インコーポレイテッド
(74)【代理人】
【識別番号】100138760
【弁理士】
【氏名又は名称】森 智香子
(72)【発明者】
【氏名】ヘンドリック、リチャード
(72)【発明者】
【氏名】ブルム、エヴァン
(72)【発明者】
【氏名】ディロン、ニール
(72)【発明者】
【氏名】ブランズ、トレバー
(72)【発明者】
【氏名】アマック、ステファニー
(72)【発明者】
【氏名】ブランコム、ローレン
【テーマコード（参考）】
4C130
【Ｆターム（参考）】
4C130AA02
4C130AA04
4C130AA13
4C130AA22
4C130AA33
4C130AA34
4C130AA42
4C130AB01
4C130AD01
4C130AD04
(57)【要約】
低侵襲手術を行うためのシステム１０は、保持アーム１２と、保持アームインターフェース３０と、保持アームインターフェース３０上に着脱可能に配置された作動ユニット２０と、作動ユニット２０の反対側の保持アームインターフェース３０上に配置された内視鏡シースアセンブリとを含む。作動ユニット２０は、カメラ２２、レンズおよび第１および第２の取り外し可能な使い捨てカートリッジ４１０を受けるように構成されたコンポーネントベイ２１０を含む。各カートリッジ４１０は、そこから延びる同心チューブアレイ４１４を含み、各アレイ４１４は、少なくとも１つのガイドチューブと、ガイドチューブ内に配置された手術具４６とを含む。システム１０の様々なコンポーネントには、フェイルセーフ動作を保証し、機器の損傷または患者への危害を防止するための多数のセーフティ機能および通信機能が配置される。
【選択図】図１
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
保持アームと、前記保持アームに着脱可能に固定された保持アームインターフェースと、
前記保持アームインターフェースに着脱可能に固定された作動ユニットと、
前記作動ユニットの反対側の前記保持アームインターフェースに着脱可能に固定された、インナーシースおよびアウターシースを備える内視鏡シースアセンブリと、を備える、手術を行うための器具。
【請求項2】
前記保持アームが多関節保持アームを備える、請求項１に記載の器具。
【請求項3】
前記作動ユニット上に配置された取り外し可能なカートリッジであって、前記取り外し可能なカートリッジが、前記保持アームインターフェースを通って前記内視鏡シースアセンブリの中へと延伸する同心チューブアレイを備える、取り外し可能なカートリッジをさらに備える、請求項１に記載の器具。
【請求項4】
前記インナーシースの内側に配置されたチャネルであって、前記同心チューブアレイが前記チャネルの内側に位置づけられる、チャネルをさらに備える、請求項３に記載の器具。
【請求項5】
前記保持アームインターフェース上のインターフェースマウントであって、前記インターフェースマウントが、前記保持アームと前記保持アームインターフェースとの間の接続を提供する、インターフェースマウントをさらに備える、請求項４に記載の器具。
【請求項6】
前記作動ユニットが、長手方向軸に沿って前記保持アームインターフェースに対して着脱可能である、請求項４に記載の器具。
【請求項7】
前記内視鏡シースアセンブリが、前記長手方向軸に沿って前記保持アームインターフェースに対して着脱可能である、請求項６に記載の器具。
【請求項8】
前記同心チューブアレイが、前記長手方向軸に沿って軸方向に可動であるか、または、
前記長手方向軸を中心として角度的に可動であるうちの少なくとも一方である、請求項７に記載の器具。
【請求項9】
前記保持アームインターフェースが、ベースプレートおよびシェルを備え、前記ベースプレートが、回転ジョイントにおいて前記長手方向軸を中心としてシェルに対して角度的に可動である、請求項８に記載の器具。
【請求項10】
前記作動ユニットが、前記回転ジョイントを介して前記保持アームインターフェースに対して角度的に可動である、請求項９に記載の器具。
【請求項11】
前記保持アームインターフェース上に配置されたブレーキであって、前記ブレーキが、前記作動ユニットを前記保持アームインターフェースに対して所望の角度配向で選択的に角度的なロックをするように構成される、ブレーキをさらに備える、請求項１０に記載の器具。
【請求項12】
前記保持アームインターフェース上のハンドルをさらに備える、請求項１１に記載の器具。
【請求項13】
前記ハンドル上の第１のボタンであって、前記第１のボタンが、前記システムの機能を選択的に動作させるように構成される、第１のボタンをさらに備える、請求項１２に記載の器具。
【請求項14】
前記カートリッジが、複数のカートリッジ継手をさらに備える、請求項３に記載の器具。
【請求項15】
前記作動ユニットが、複数の作動継手をさらに備え、各々の作動継手がカートリッジ継手に対応する、請求項１４に記載の器具。
【請求項16】
前記カートリッジ上に画定された線形カートリッジスロットと、各々の作動継手から突出している継手フランジと、をさらに備え、
各々の継手フランジが、前記カートリッジが前記作動ユニットの中に挿入されると、前記線形カートリッジスロット内に受け入れられる、請求項１５に記載の器具。
【請求項17】
各々のカートリッジ継手に画定された線形継手スロットをさらに備え、各々のカートリッジ継手が、前記カートリッジが前記作動ユニットの中に完全に挿入されると、対応する継手フランジを受け入れる、請求項１６に記載の器具。
【請求項18】
前記作動ユニット上に配置された複数の駆動モータであって、各々の駆動モータが作動継手に連結され、各々の駆動モータが、対応するカートリッジ継手の回転を制御するように動作する、駆動モータをさらに備える、請求項１７に記載の器具。
【請求項19】
前記カートリッジ上に配置されたチップセットであって、前記チップセットが、前記カートリッジに関する情報を記憶するように構成されたメモリを備える、チップセットをさらに備える、請求項１８に記載の器具。
【請求項20】
前記作動ユニット上のラッチであって、前記ラッチが、前記カートリッジを前記作動ユニットに固定するか、またはそこから取り外すように選択的に動作可能である、ラッチをさらに備える、請求項１９に記載の器具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、手術を行うための手術装置および関連する方法に関する。より特定的には、本発明は、同心チューブアセンブリを用いた低侵襲手術のためのツールおよび方法に関する。
【背景技術】
【0002】
電気機械ロボットを用いた低侵襲手術は、医学における発展している分野である。低侵襲手術を行うための従来の装置、たとえば内視鏡および切除鏡は、一般的には患者の体内の切開部または自然の開口部から挿入される遠位先端部を含む。遠位先端部は光学レンズを含み、これが体内に置かれると、外科医は遠位先端部に近接した視野を目視することができる。内視鏡は通常、手術室のモニタに視野を表示するためにレンズに取り付けられたカメラを有する。いくつかの用途では、内視鏡は、内視鏡の遠位先端部に設置されたカメラを含む。該装置はまた、装置を通って延伸する狭窄した作業チャネルを含む。１以上の細長い手術具を、作業チャネルを通して挿入し得る。切開装置、バスケット、またはレーザー光学系等の器具が、手術具に含まれ得る。手術具の遠位端は、装置の遠位先端部から突出し、それによって、外科医が手術中に患者の体内におけるツールの操作を視覚的に観察することが可能になる。
【0003】
過去数十年にわたり、手術中にできるだけ最も低侵襲な方法で体内に進入することが、患者に多大な利点をもたらすことがますます明らかになってきている。低侵襲手術とは、大きく開く切開なしに体内に進入するあらゆる外科処置を表現する一般的な用語である。
【0004】
低侵襲手術は腹腔鏡手術を含み、これは、可視化をもたらし、術野を目視するためのチューブ（内視鏡）、および体内の小さなポートを通過する長尺の硬性器具を用いる。従来の腹腔鏡手術では、内視鏡は通常、術野を視覚化するためだけに使用され、ツールはその中を通過しない。ツールは体外で、切開ポートを通して向きを変えられ、手術部位における機器操作を提供する。腹腔鏡下手術におけるツール操作は、体内のポートを通して長尺で硬性のシャフトを旋回させることによって行われる。気腹部、胸腔、骨盤、またはあらゆる他の解剖学的に十分な空間を有する作業容積における手術については、本概念は機器操作を与えるための優れた低侵襲ソリューションを提供することが多い。しかしながら、手術部位が細長いチャネルの下にある場合、これらの長尺で硬性のシャフトを旋回させる能力は低下する。アクセスチャネルがより長く、および／または狭くなると、ツールの操作能力は急激に低くなる。
【0005】
低侵襲手術は、内視鏡手術をさらに含む。腹腔鏡手術では、内視鏡を用いて可視化をもたらすのに対し、内視鏡手術は、手術機器を内視鏡チューブ自体の作業チャネルに通す点において異なる。内視鏡手術中に用いることができる手術機器の例は、はさみ、鉗子、レーザーファイバ、モノポーラ／バイポーラ焼灼術等である。内視鏡には硬性内視鏡および軟性内視鏡の両方があり、硬性内視鏡は、体外から手術部位まで直線状の経路を通る手術に用いられ、軟性内視鏡は、湾曲した解剖学的組織を通る曲がりくねった経路が必要とされる手術に用いられる。硬性内視鏡は現在、神経外科、胸部外科、整形外科、泌尿器科、婦人科等を含むがこれらに限定されないほとんどすべての手術分野で用いられている。硬性内視鏡は現在、全身の手術で用いられているが、欠点がないわけではない。硬性内視鏡の作業チャネルを通して操作するツールは、通常、直線状で硬性のツールであるという点で、腹腔鏡道具に類似している。一般的には、これらのツールもまた、内視鏡に対して２自由度の動作に制限され、これらは軸方向への挿入／後退および回転が可能である。場合によっては、外科医が体外で内視鏡を旋回／傾斜させる能力を有し得るが、これは、内視鏡が動くと内視鏡の視野もそれに伴って動くため、作業を特に困難にさせる。また、外科医は、内視鏡の作業チャネルの大きさの制約に起因して、ほとんどの時間、手術部位に一度に１つの機器しか到達させることができず、両手による双手作業の能力が事実上排除される。このように、一度に１つのツールのみという制限、常に変化する視野、限られた自由度、および内視鏡先端部における機器巧緻性の欠如により、内視鏡手術は特に困難なタイプの低侵襲手術となっている。
【0006】
電気機械手術ロボットは、精度、空間的推論、巧緻性に特に長けているため、手術機器操作を支援する大きな可能性を有し、急速に発展している医療分野である。手術ロボットは世界中で広く適合され、数十万件の手術に利用されてきた。これまでに設計された手術用ロボットシステムのほとんどが、機器操作を補助するものであり、概して旋回式ツールおよび可撓性ツールに分類することができる。旋回式の腹腔鏡式システム、たとえば広範に用いられているｄａ Ｖｉｎｃｉ Ｘｉロボット（Ｉｎｔｕｉｔｉｖｅ Ｓｕｒｇｉｃａｌ社製）は、腹腔鏡ツールと同様に、体内のポートを介して傾けることによって機器操作を得る。体外でツールを傾けたり回転させたりすることが可能ではない手術用途のために、研究コミュニティーのいくつかのグループが、可撓性要素ベースのロボットシステムを開発している。これらのシステムは、多くの場合連続体ロボット、あるいは連続的に曲がる、弾性構造を持つロボットと称される。また、同心弾性チューブで構成された、針サイズの小型連続体ロボットの一種である同心チューブマニピュレータも存在する。同心チューブロボットは、体内において関節を有する小径ロボットを必要とする多くの種類の低侵襲外科的介入において有望視されている。眼球、耳、副鼻腔、肺、前立腺、脳等におえる手術が例として含まれる。これらの用途の多くでは、一般的に、ロボットが人体内で「より狭いコーナー」を曲がり、手術部位で巧緻に作業することを可能にするために、より高い曲率が望ましい。内視鏡手術の文脈において、同心チューブの予備曲率は、マニピュレータが内視鏡の先端にどの程度近づいて作業を行うことができるかを決定し、これは内視鏡手術中には非常に重要である。
【0007】
従来の内視鏡手術では、外科医は通常、一方の手に内視鏡を保持し、他方の手に内視鏡機器を保持するが、このことは外科医が２つの器具を同時に操作することを一般的に不可能するものである。ヒューマンエラーという側面に起因して、外科医が内視鏡機器を別のものと交換する必要があるときは、結果として常に注意を要し、潜在的に危険な内視鏡の動きになる可能性がある。しかしながら、外科医は、特定の状況において、特に物質を精密に把持、操作、および切断しようとする場合、２つの器具を同時に正確に操作する能力を必要とする場合が多い。内視鏡が同時に２つ以上のツールに対応することができる場合であっても、ツールは直線状で互いに対して平行な方向にしか向けることができないため、ツール間の真の協働が妨げられる。外科医は、ロボット手術システムが提供する向上された精度、巧緻性、視覚から多大な恩恵を受けることができるが、そのような従来のシステムでは操作性に限界がある。
【0008】
腹腔鏡および内視鏡処置を行うための従来の手術ロボットは一般的に、その遠位端に配置された手術具を操作するように構成された電気機械アクチュエータに結合されたロボットアームを含む。実際には、ロボットアームおよびアクチュエータは、電子インターフェースを介して制御可能でなければならない。そのようなシステムはソフトウェアベースであり、異なる可動範囲内で動作するようにプログラムされ得る。組織の作業空間は、そのようなロボットシステムの全体的なサイズと比較してかなり小さいため、機器の破損または患者を傷つけることを防止する防護策を確実なものにすることは、ロボット手術システムの設計および動作において非常に重要である。多くの従来の手術ロボットは、十分な安全システムが欠如している。
【0009】
加えて、手術ロボット全体の複雑さ、およびそのようなシステムに伴う個々の部品数に起因して、ロボットシステムと手術野との間に無菌の境界面を維持することが不可欠である。従来の手術ロボットは、動作の容易さおよび無菌環境の両方を確保するための十分な無菌機能が欠落している場合が多い。
【0010】
ロボット手術の別の複雑さは、ロボットを制御する外科医とハードウェアとの間の通信を伴う。たとえば、ロボット手術システムの個々のコンポーネントは、異なるモードで動作し得るが、装置がどのモードにあるかを迅速に識別し、必要に応じて変更を加えることが外科医にとって重要である。多くの従来のロボット手術システムは、そのような情報を操作パネル上でしか提供せず、このことは、外科医は術野から目を離すことを必要とする。
【0011】
そこで、ロボット手術を行うための装置および方法、特に安全システム、無菌アプローチ、電子インターフェースおよびステータスインジケータの改良が要求されている。
【発明の概要】
【0012】
本概要は、以下の詳細な説明でさらに説明される概念の一部を簡略化して提示するために提供される。本概要は、クレームにおける主題の重要な特徴または本質的な特徴を特定することは意図されておらず、クレームにおける主題の範囲の決定を補助するものとして用いられることも意図されていない。
【0013】
低侵襲手術を行うための装置は、保持アームと、保持アームに着脱可能に装着された保持アームインターフェースと、保持アームインターフェースに着脱可能に装着された作動ユニットと、作動ユニットの反対側の保持アームインターフェースに着脱可能に装着されたシースアセンブリと、を含む。
【0014】
該システムは、ロバストな動作を提供し、機器の破損または患者を傷つけることを防止するための多数の安全かつ動作可能な機能を含む。
【0015】
当業者においては、本開示の多数の他の目的、利点および特徴が、以下の図面および好ましい実施形態の説明を検討することにより容易に明らかとなろう。
【図面の簡単な説明】
【0016】
【図1】低侵襲手術を行うためのシステムの一実施形態の斜視図である。
【図2】低侵襲手術を行うためのシステムの一実施形態の斜視図である。
【図3】低侵襲手術を行うためのシステムの一実施形態の部分分解斜視図である。
【図4】本開示による保持アームインターフェースの一実施形態の正面斜視図である。
【図6】本開示による保持アームインターフェースおよびシースアセンブリの一実施形態の部分分解図である。
【図7】本開示による保持アームインターフェースの一実施形態の部分分解図である。
【図8】本開示による保持アームインターフェースのためのブレーキの一実施形態の部分分解図である。
【図9】本開示による保持アーム器具上のハンドルおよびインターフェースマウントの一実施形態の詳細斜視図である。
【図10】本開示による保持アームインターフェースの一実施形態の正面詳細斜視断面図である。
【図11】本開示による保持アームインターフェースの一実施形態の後面詳細斜視断面図である。
【図12】本開示によるシステムの一実施形態の後面斜視図である。
【図13】本開示によるカートリッジの一実施形態の斜視図である。
【図14】本開示によるシステムの一実施形態の後面斜視図である。
【図15】本開示によるシステムの一実施形態の斜視図である。
【図16】本開示による医師入力コンソールの一実施形態の斜視図である。
【図17】本開示による医師入力コンソールの上部トレイの一実施形態の斜視図である。
【図18】本開示による医師入力コンソール上に表示されたグラフィカルユーザインターフェースの一実施形態のブロック図である。
【図19A】本開示による、ユーザに位置合わせ不良後の入力制御の再位置合わせ方法を指示するグラフィカルユーザインターフェースの一実施形態の平面図である。
【図19B】本開示による、ユーザに位置合わせ不良後後の入力制御の再位置合わせ方法を指示するグラフィカルユーザインターフェースの一実施形態の平面図である。
【図20A】本開示による医師入力コンソールハンドルの一実施形態の側面斜視図である。
【図20B】本開示による医師入力コンソールハンドルの一実施形態の別の側面斜視図である。
【図21】本開示による作動ユニットの一実施形態の上面斜視図である。
【図22】本開示による作動ユニットの一実施形態の底面斜視図である。
【図23A】本開示による入力制御ハンドルの一実施形態の斜視図である。
【図23B】本開示による入力制御ハンドルの別の実施形態の斜視図である。
【図24】入力制御の外科医グリップの様々な実施形態を描画する側面図である。
【図25】本開示による入力制御ハンドルの一実施形態の断面側面図である。
【図26】本開示による入力制御ハンドルの一実施形態の斜視断面図である。
【図27A】本開示によるドレープで覆われた医師入力コンソールの斜視図である。
【図27B】本開示によるドレープで覆われた入力制御の一実施形態の斜視図である。
【図28】本開示による多関節保持アームベースの一実施形態の斜視図である。
【図29】本開示による手術台設置型構成での多関節保持アームベースの一実施形態の斜視図である。
【図30】本開示による安全管理者のための制御システムの一実施形態の概略ブロック図である。
【図31】本開示によるカートリッジ感知サブシステムのある作業要素の一実施形態の概略ブロック図である。
【図32】本開示によるドレープで覆われた作動ユニットの斜視図である。
【図33A】本開示による本開示による同心チューブマニピュレータの先端部の一実施形態の斜視図である。
【図33B】本開示による同心チューブマニピュレータの先端部の別の実施形態の斜視図である。
【図34】本開示による光学サポートガイドの一実施形態の斜視図である。
【0017】
本発明の様々な実施形態の製造および使用を以下に詳細に説明するが、本発明は、多種多様な特定の文脈で具現化される多くの適用可能な発明概念を提供することを理解するべきである。本明細書で説明する具体的な実施形態は、単に本発明を製造および用いる具体的な方法を例示するものであり、本発明の範囲を限定するものではない。当業者においては、本明細書に記載された特定の装置および方法に対する多数の等価物を認識するであろう。そのような等価物は、本発明の範囲内にあり、特許請求の範囲に包含されると考えられる。
【0018】
図中では、明瞭化のため、各図面にすべての参照番号が含まれてはいない。加えて、「上部（ｕｐｐｅｒ）」、「下部（ｌｏｗｅｒ）」、「側部（ｓｉｄｅ）」、「頂部（ｔｏｐ）」、「底部（ｂｏｔｔｏｍ）」等の位置に関する用語は、図中に示された向きにおける器具を指す。当業者においては、使用時に器具が異なる向きになることを前提とする可能性があることを認識するであろう。
システム全体
システム全体
【0019】
図１および２を参照すると、本開示は、低侵襲手術を行うためのロボットシステム１０を提供する。システム１０は、ベース１４上に装着された保持アーム１２を含む。保持アーム１２は多関節保持アームを含み得る。保持アーム１２は、ロボットアームを含んでもよく、または受動アームを含んでもよい。保持アーム１２は、保持アーム１２の操作における補助を提供し得る。たとえば、システム１０は、受動的なカウンターバランスを含んでもよく、または重力もしくは動的補償を提供し得る１以上のモータを含んでもよい。いくつかの実施形態では、保持アーム１２は、ベース１４上ではなく、手術台５０に直接取り付けられてもよい。いくつかの実施形態では、ベース１４は、垂直／調整可能な自由度を提供し得、それによって、保持アーム１２が患者の位置付け方向の配列に補正可能であり得るようにされる。保持アーム１２は、手術野の三次元空間、たとえば図１に示すような手術台５０の上方における手術器具の位置および角度配向を制御するための複数の自由度を提供するように構成される。保持アーム１２は、少なくとも本開示で述べる用途向けに特に構成される。いくつかの実施形態では、保持アーム１２は、ベース１４に固定された傾斜したウェッジ１６に装着される。いくつかの実施形態では、ウェッジ１６は、手術台５０上での手術器具の位置付けを向上させる。他の実施形態では、保持アーム１２は、ベース１４に直接装着される。ベース１４は定置型であってもよく、または可動であってもよい。
【0020】
作動ユニット２０は、低侵襲手術処置を行うための１以上の機器の制御を提供するように、システム１０上に位置づけられる。いくつかの実施形態では、作動ユニット２０は、内視鏡手術用に構成された同心チューブアセンブリ２４を含む。作動ユニット２０は、同心チューブアセンブリ２４およびそれらに取り付けられたツールを制御し得る挿入可能かつ交換可能な機器カートリッジ４１０を受容し得る。また、作動ユニット２０上には、手術中に同心チューブアセンブリ２４の遠位端における術野をディスプレイ６０でリアルタイムに観察するためのカメラ２２が配置されている。光学系またはテレスコープ２６０は、同心チューブアセンブリ２４および接眼レンズにおけるカメラ２２取り付けのためのインターフェースを通して、手術部位への光路および光を提供し得る。さらなる実施形態では、本明細書に開示された特徴は、低侵襲腹腔鏡手術を行うためのロボットシステムに容易に実装され得る。
【0021】
保持アームインターフェース（ＨＡＩ）３０は、保持アーム１２に作動ユニット２０を接続する。保持アームインターフェース３０は、作動ユニット２０と保持アーム１２との間の機械的連結を含む。いくつかの実施形態では、インターフェースマウント３６は、保持アームインターフェース３０の上端に配置される。インターフェースマウント３６は、保持アーム１２の遠位端に位置づけられた対応するアームマウント１８と機械的に係合する。いくつかの実施形態では、インターフェースマウント３６とアームマウント１８との間の係合は、機械的および電気的インターフェースの両方を含む。
【0022】
医師入力コンソール４０は、直接または間接的に作動ユニット２０に接続される。医師入力コンソール４０は、作動ユニット２０上に配置された１以上の手術具を制御するように構成された第１および第２の入力制御部４２、４４を含む。また、いくつかの実施形態では、保持アームインターフェース３０は、作動ユニット２０と医師入力コンソール４０とを連結する１以上の電子インターフェースを含み得る。
【0023】
システム１０は、外科手術を行うための精密な制御、安全性、無菌性、および通信を提供するための多数の機能を含む。安全機能の多くは、システムのコンポーネントが使用中または移送中に損傷しないことを保証するために設けられ、他の安全機能は、手術前、手術中、または手術後に患者および医療従事者を保護するために設けられる。本明細書に記載された安全機能は独立しており、個別の機能として、または包括的な手術システムの一部として互いに組み合わせられて採用されてもよい。
【0024】
図２を参照すると、保持アームインターフェース３０に装着された作動ユニット２０の一実施形態が示される。作動ユニット２０は、第１の側壁２０４と、第１の側壁２０４から間隔を置いて配置された第２の側壁２０６とを有するベース２０２を含む。プラットフォーム２０８は、第１および第２の側壁２０４、２０６の間にわたり、Ｕ字型のフレームを形成している。第１および第２の側壁２０４、２０６間のプラットフォーム２０８の上方には、コンポーネントベイ２１０が画定される。プラットフォームハンドル２１２は、プラットフォーム２０８から後方に延伸し、ユーザが使用中に作動ユニット２０を手動で再度位置づけることを可能にしている。プラットフォームハンドル２１２はまた、作動ユニット２０と保持アームインターフェース３０との係合または係合解除のためにも使用され得る。
【0025】
図３に示すように、保持アームインターフェース３０は、本体３２と、本体３２から上方に延びるブラケット３４とを含む。インターフェースマウント３６は、保持アーム１２上のアームマウント１８の取り付けのために、保持アームインターフェース３０の上端に配置される。いくつかの実施形態では、インターフェースハンドル３８は、本体３２とインターフェースマウント３６との間の保持アームインターフェース３０上に位置づけられる。インターフェースハンドル３８は、ユーザに対し、組織作業スペースに対して同心チューブアセンブリ２４を手動で操縦するために保持アームインターフェース３０を把持するための場所を提供する。
【0026】
保持アームインターフェース（ＨＡＩ）スライドアウトフェイルセーフ
図２および図３に示すように、作動ユニット２０と保持アームインターフェース３０との間に、着脱可能なジョイント２１４が設けられている。このように、作動ユニット２０は、保持アームインターフェース３０から選択的に切り離され得る。そのような切り離しは、保持アームインターフェース３０が保持アーム１２にしっかりと固定されたときに生じ得る。このモジュール構成により、作動ユニット２０は、輸送中、あるいは外科手術中であっても、保持アームインターフェース３０から物理的に係合解除されることが可能になる。たとえば、手術中、患者の組織作業空間から１以上の構造をすばやく引き抜く必要があるかもしれない。作動ユニット２０と保持アームインターフェース３０との間に解除可能なアタッチメントを設けることによって、作動ユニット２０をそのサブアセンブリとともに、患者から離れる方向にすばやく引き出し得る。一実施形態では、作動ユニット２０は、ユーザラッチリリース３１５（図２２参照）を含み得る。ユーザラッチリリース３１５は、作動ユニット２０の底部に配置され得る。ユーザは、ユーザラッチリリース３１５を引いてラッチを解除し、作動ユニット２０から保持アームインターフェース３０を結合解除し得る。
図２および図３に示すように、作動ユニット２０と保持アームインターフェース３０との間に、着脱可能なジョイント２１４が設けられている。このように、作動ユニット２０は、保持アームインターフェース３０から選択的に切り離され得る。そのような切り離しは、保持アームインターフェース３０が保持アーム１２にしっかりと固定されたときに生じ得る。このモジュール構成により、作動ユニット２０は、輸送中、あるいは外科手術中であっても、保持アームインターフェース３０から物理的に係合解除されることが可能になる。たとえば、手術中、患者の組織作業空間から１以上の構造をすばやく引き抜く必要があるかもしれない。作動ユニット２０と保持アームインターフェース３０との間に解除可能なアタッチメントを設けることによって、作動ユニット２０をそのサブアセンブリとともに、患者から離れる方向にすばやく引き出し得る。一実施形態では、作動ユニット２０は、ユーザラッチリリース３１５（図２２参照）を含み得る。ユーザラッチリリース３１５は、作動ユニット２０の底部に配置され得る。ユーザは、ユーザラッチリリース３１５を引いてラッチを解除し、作動ユニット２０から保持アームインターフェース３０を結合解除し得る。
【0027】
本開示の別の特徴は、長手方向挿入軸２６に沿って取り付けまたは切り離しされる作動ユニット２０を提供し、これは、チューブアセンブリ２４に収容された内視鏡ツールの移動軸と共線的である。作動ユニット２０およびその構成部品を、内視鏡軸と同じ長手方向軸に沿って挿入または取り外すことにより、組織作業空間内での左右の動きが最小限になり、周辺組織に対する外傷の可能性が大幅に減少するため、安全性が向上する。長手方向挿入軸２６への移動を制限しないあらゆる他の結合解除設計は、より危険である場合があり、患者に対する許容できない危険、または機器の損傷につながる可能性がある。
【0028】
本開示の別の特徴は、電力の有無にかかわらずシステムから係合解除され得る作動ユニット２０を提供する。着脱可能なジョイント２１４は、電力が損失するか、または誤動作が生じた場合に機械的に解除され得る機械的な切断を利用する。この付加的な安全機能は、電力損失中に１以上の手術具が意図せず患者の体内の適当な位置に保持され得るケースを防止することを助ける。
【0029】
いくつかの実施形態では、解除スイッチ２１６がプラットフォームハンドル２１２上に位置づけられる。ユーザは、解除スイッチ２１６を操作して、作動ユニット２０と保持アームインターフェース３０との間の機械的係合を解除し得る。さまざまな実施形態では、解除スイッチ２１６は、機械的スイッチまたは電気的スイッチを含み得る。
【0030】
保持アームインターフェース３０および作動ユニット２０はまた、着脱可能なジョイント２１４の分離中に、これら二つの間の電気的インターフェースが容易に接続解除され得るように構成される。たとえば、いくつかの実施形態では、保持アームインターフェース３０は、作動ユニット２０の遠位端上の対応するコネクタを受けるように位置づけられた１以上のピンソケットを形成する電気コネクタ３４４を含む。作動ユニット２０が保持アームインターフェース３０から切り離されると、保持アームインターフェース３０上の電気コネクタ３４４は、係合解除動作と同じ移動方向に沿って、作動ユニット２０上の対応するコネクタから係合解除される。
【0031】
保持アームインターフェース（ＨＡＩ）セーフティクリティカル信号
図４～６を参照すると、保持アームインターフェース３０は、保持アーム１２と作動ユニット２０との間に電気機械的な連結を提供する。保持アームインターフェース３０は、作動ユニット２０を受けるように構成されたインターフェース本体３２を含む。ブラケット３４はインターフェース本体３２から上方に延伸し、インターフェースマウント３６は保持アームインターフェース３０の上端に配置される。インターフェースマウント３６は、アーム１２上の対応するアームマウント１８に取り付けられる。インターフェースマウント３６は、アームマウント１８との機械的係合を含み、保持アーム１２の遠位端における適所で保持アームインターフェース３０を確実に固定する。
図４～６を参照すると、保持アームインターフェース３０は、保持アーム１２と作動ユニット２０との間に電気機械的な連結を提供する。保持アームインターフェース３０は、作動ユニット２０を受けるように構成されたインターフェース本体３２を含む。ブラケット３４はインターフェース本体３２から上方に延伸し、インターフェースマウント３６は保持アームインターフェース３０の上端に配置される。インターフェースマウント３６は、アーム１２上の対応するアームマウント１８に取り付けられる。インターフェースマウント３６は、アームマウント１８との機械的係合を含み、保持アーム１２の遠位端における適所で保持アームインターフェース３０を確実に固定する。
【0032】
いくつかの実施形態では、保持アーム１２は、インターフェースマウント３６との係合を検出するように構成された、アームマウント１８上またはその付近に位置づけられた１以上のセンサを含む。そのようなセンサは、保持アームインターフェース３０との接触または係合を検出するための、当技術分野で周知の任意の適切な機械的または電気的センサを含み得る。さらなる実施形態では、保持アームインターフェース３０は、インターフェースマウント３６上またはその付近に位置づけられた１以上のセンサを含む。そのようなセンサは、保持アーム１２との接触または係合を検出するための、当技術分野で周知の任意の適切なセンサを含み得る。さらなる実施形態では、第１のセンサが保持アーム１２上に配置され、第２のセンサが保持アームインターフェース３０上に配置される。第１のセンサは、保持アームインターフェース３０との係合を検出するように構成され、第２のセンサは、保持アーム１２との係合を検出するように構成される。このように、システム１０は、各々が対向構造の存在を独立して検出し得る冗長なセーフティセンサを含む。
【0033】
保持アームインターフェース３０、保持アーム１２、またはその両方が、保持アームインターフェース３０と保持アーム１２との間の係合を検出すると、保持アームインターフェースセーフティ信号が生成される。ＨＡＩセーフティ信号は、ロボット保持アーム１２上の１以上のセーフティリレーによって受信される。保持アーム１２がＨＡＩセーフティ信号を検出すると、保持アーム１２上のセーフティリレーは、保持アーム１２の自律的な動きを防止する。このことは、保持アーム１２上の多様な異なる方法で達成され得、保持アーム１２の動きを限定するための電気的、ソフトウェアおよび／または機械的操作を含む。このセーフティ機能は、ＨＡＩセーフティ信号を利用して、保持アームインターフェース３０が保持アーム１２に取り付けられたときの状態を検出する。そのような状態が検出された場合、保持アームインターフェース３０が取り付けられているかぎりは、保持アーム１２は一時的に自律移動が可能ではないようにされる。保持アームインターフェース３０が接続解除され、ＨＡＩセーフティ信号がそのような切り離しを示すと、保持アーム１２は自律移動を再開し得る。
【0034】
加えて、保持アームインターフェース３０が保持アーム１２に取り付けられていることが検出されているような期間の間、保持アームインターフェース３０上の第１および第２の制御ボタン３１４、３１６は、インピーダンスモード間で交互に変動する。これらのボタンは、同様に保持アーム１２のセーフティコントローラおよびセーフティリレーに直接つなげられている。このことはまた、システム全体のセーフティ機能をもたらす。
【0035】
図５を参照すると、保持アームインターフェース３０は、内視鏡の長手方向軸を含み得る第１の平坦面３１８に対し平行方向への動きを可能にし得る第１の平坦面３１８を含み得る。保持アーム１２の嵌合継手は、同様に平坦な雌型レセプタクルを含み得る。内視鏡は、保持アーム１２から結合解除されている間、長手方向軸に沿って移動し得、これによって保持アーム１２からの保持アームインターフェース３０の安全な結合解除を可能にし得、同時に内視鏡は依然として患者の体内にあり得る。保持アーム１２は、たとえば電力が失われている間、停止してブレーキがかかる場合があるため、保持アーム１２の動きを必要としないかまたは受動的な方法で、患者の体内から内視鏡を安全に取り外すことが可能であること有利であり得る。保持アームインターフェース３０は、第２の平坦面（たとえば、マウントフランジ３０８上）を含み得、これは、ユーザが保持アーム１２から保持アームインターフェース３０を結合解除することを可能にし、保持アーム１２を、作動ユニット２０の重量を保持させることなく重力下でこの第二の平坦面上に静止することを可能にする。この機能は、安全性を向上させ、使いやすさという利益をもたらす。
【0036】
図４～６をさらに参照すると、保持アームインターフェース３０は、操作性および安全性を向上させる数多くの特徴を含む。図４に示すように、保持アームインターフェース３０は、保持アーム１２との機械的および電気的接続を提供するインターフェースマウント３６を含む。いくつかの実施形態では、インターフェースマウント３６は、ねじ構成３０４を有する回転カラー３０２を含む。電気的インターフェース３１０は、ねじマウントの上方に、保持アーム１２上の対応する電気接点と係合するように位置づけられる。いくつかの実施形態におけるマウントフランジ３０８は、いくつかの実施形態におけるアームマウント１８上の対応する構造との機械的な係合を提供するためにマウントから横方向に延伸する。
【0037】
いくつかの実施形態では、インターフェースハンドル３８は、インターフェースマウント３６の下方に位置し、指溝３１７を有するグリップ領域を含む。いくつかの実施形態では、インターフェースハンドル３８は、緩衝材料、たとえばプラスチック、発泡体またはゴムのグリップを含む。インターフェースハンドル３８は、保持アームインターフェース３０の手動操作または再位置づけを可能にするためのアーム１２の解除等の異なる制御機能のために構成され得る第１および第２の制御ボタン３１４、３１６を含む。また、異なる実施形態では、第１および第２のボタン３１４、３１６は、本装置の他の機能を制御し得る。ブラケット３４は、インターフェースハンドル３８を本体３２に接続する。
【0038】
シース着脱
本体３２は、その近位側で作動ユニット２０と着脱可能に係合し、患者に面するその遠位側でチューブアセンブリ２４と着脱可能に係合するように構成される。シースマウント３２０は、本体３２の遠位側において、患者に面し、かつ作動ユニット２０から離れるように配置される。シースマウント３２０は、保持アームインターフェース３０と、内視鏡チューブおよび機器、インナーシースおよびアウターシースの挿入および後退を案内する内視鏡チャネルを収容するチューブアセンブリ２４との間に着脱可能なジョイントを提供する。シースマウント３２０は、すばやく解除され得る解放可能な機械的係合を提供し、チューブアセンブリを長手方向挿入軸２６に沿って切り離し、かつ取り外すことを可能にする。
本体３２は、その近位側で作動ユニット２０と着脱可能に係合し、患者に面するその遠位側でチューブアセンブリ２４と着脱可能に係合するように構成される。シースマウント３２０は、本体３２の遠位側において、患者に面し、かつ作動ユニット２０から離れるように配置される。シースマウント３２０は、保持アームインターフェース３０と、内視鏡チューブおよび機器、インナーシースおよびアウターシースの挿入および後退を案内する内視鏡チャネルを収容するチューブアセンブリ２４との間に着脱可能なジョイントを提供する。シースマウント３２０は、すばやく解除され得る解放可能な機械的係合を提供し、チューブアセンブリを長手方向挿入軸２６に沿って切り離し、かつ取り外すことを可能にする。
【0039】
図６を参照すると、インナーシース８０は、保持アームインターフェース３０上のシースマウント３２０と機械的に係合するインナーシースラッチ８２を含む。いくつかの実施形態では、インナーシースラッチ８２は、シースマウント３２０上にスライドし、ロック位置内へと回転する。このように、インナーシースラッチ８２は、シースマウント３２０とインナーシース８０との間に堅固な連結および封止を形成する。インナーシース８０は、長手方向挿入軸２６に沿ってシースマウント３２０上に挿入され、これによって、構成要素の移動が共通軸に制限されるため、付加的なセーフティ対策を提供する。
【0040】
アウターシース９０はインナーシース８０上をスライドし、アウターシースラッチ９２は、インナーシースラッチ８２に係合してアウターシース９０をインナーシース８０に固定し、これによって、いくつかの実施形態では、インナーシース８０とアウターシース９０との間に堅固な連結および封止が形成される。一実施形態では、内視鏡シースアセンブリは、インナーシース８０とアウターシース９０とを含む。
【0041】
チャネルアセンブリ７０は、内視鏡機器を収容する同心チューブアセンブリ２４を各々受ける第１および第２のチューブ状チャネル７６を含む。チャネルアセンブリ７０は、近位端７２および遠位端７４を含む。チャネルアセンブリ７０は、長手方向挿入軸２６に沿って、保持アームインターフェース３０の通路を通ってインナーシース８０に挿入され得る。これによって、構成要素の移動が共通軸に制限されるため、付加的なセーフティ対策を提供する。
【0042】
シースと保持アームインターフェース３０との間に着脱可能なインターフェースを設けることにより、より安全な構成が達成される。シースが作動ユニット２０または保持アームインターフェース３０に永続的に固定されていると、ロボットおよび作動ユニット２０のさらなる大きさに起因して、患者へのツールの挿入はより危険かつ困難なものとなるであろう。本開示は、アウターシースの手動による挿入と、作動ユニット２０の残部からのインナーシースの結合解除とを許す実施形態を提供する。また、シースの結合解除は、無外傷挿入中、既存の従来の機器の使用を可能にし得、ロボットシステム１０を患者に挿入するための特別なツールの必要性を取り除き得る。
【0043】
回転自由度
本開示の別の特徴は、長手方向挿入軸２６を中心とした回転自由度を有するロボット手術を行うためのシステムを提供する。図７を参照すると、保持アームインターフェース３０は、本体３２、ブラケット３４、インターフェースハンドル３８およびインターフェースマウント３６に対する作動ユニット２０の回転を可能にする回転ジョイント３２４を含む。言い換えると、作動ユニット２０およびチューブアセンブリ２４は、長手方向挿入軸２６を中心として回転させ得、一方で保持アームインターフェース３０の残部は保持アーム１２に堅固に固定されたままである。この回転自由度により、内視鏡を長手方向軸を中心として回転させることが可能であり、外科医はロッドレンズ上の視野方向が非ゼロである状態で解剖学的構造を見回すことが可能になる。
本開示の別の特徴は、長手方向挿入軸２６を中心とした回転自由度を有するロボット手術を行うためのシステムを提供する。図７を参照すると、保持アームインターフェース３０は、本体３２、ブラケット３４、インターフェースハンドル３８およびインターフェースマウント３６に対する作動ユニット２０の回転を可能にする回転ジョイント３２４を含む。言い換えると、作動ユニット２０およびチューブアセンブリ２４は、長手方向挿入軸２６を中心として回転させ得、一方で保持アームインターフェース３０の残部は保持アーム１２に堅固に固定されたままである。この回転自由度により、内視鏡を長手方向軸を中心として回転させることが可能であり、外科医はロッドレンズ上の視野方向が非ゼロである状態で解剖学的構造を見回すことが可能になる。
【0044】
回転ジョイント３２４は、保持アームインターフェース３０の近位側にベースプレート３３０を含む。ベースプレート３３０は、本体３２上のアウターシェル３５０に対して回転し得る。アウターシェル３５０は、平坦な後面を有する円錐形状を含む。硬性のファンネルハウジング３５２が本体３２の内側に位置づけられ、ベースプレート３３０は、１以上の留め具を用いてファンネルハウジング３５２に取り付けられる。ファンネルハウジング３５２とアウターシェル３５０との間には、第１のベアリング３５２が配置され、それによって、ファンネルハウジング３５２がアウターシェル３５０の内側で長手方向挿入軸２６を中心として回転し得ると同時に、アウターシェル３５０が静止を維持するようにされる。このように、ベースプレート３３０がファンネルハウジング３５２に固定されると、ベースプレート３３０もまた、ファンネルハウジング３５２の回転と同時に長手方向挿入軸２６を中心として双方向２７に回転し得る。作動ユニット２０およびその対応するコンポーネントが、マウントポスト３４０ａ、３４０ｂおよび底部ラッチ３４６を介してベースプレート３３０に固定されると、作動ユニット２０もまた、ベースプレート３３０およびファンネルハウジング３５２とともに回転し、これによって、チューブアセンブリを通って組織作業空間に延伸するカメラレンズおよび内視鏡同心チューブアレイの回転が可能になる。
【0045】
オペレータが、保持アームインターフェース３０上の回転ジョイント３２４を介して、作動ユニット２０を所望の角度配向に回転させる場合、新たな角度配向を一定時間の間維持することが所望される場合がある。これを達成するために、本開示は、ベースプレート３３０を本体３２に対して所望の角度配向でロックすることを可能にするブレーキ３３４を設ける。ブレーキ３３４は、図８に示すブレーキピン３３９に取り付けられたブレーキノブ３３６を含む。ブレーキハウジング３３８はベースプレート３３０に固定され、ブレーキピンオリフィス３３７は、ブレーキピン３３９がベースプレート３３０に面する本体３２の表面３５１上に画定された対応するブレーキピンソケット３５８に係合するように選択的に延伸させることを可能にする。ブレーキ３３４が係合されると、ブレーキピン３３９はブレーキピンソケット３５８内に延伸し、これによって、ベースプレート３３０が所望の角度配向でロックされる。ブレーキ３３４は、ブレーキノブ３３６を押して捻る動きで操作し、それによって、ブレーキピン３３９をブレーキピンソケット３５８から引き抜くことによって解除され得る。
【0046】
いくつかの用途では、作動ユニット２０の自由な回転を制限し、それによって、ブレーキ３３４が係合解除されたときに装置が長手方向挿入軸２６を中心として自由に旋回し得ないようにすることが望ましい。ベースプレート３３０の自由な角度回転に対してある程度の抵抗を与えるために、角度付き回り止めアセンブリが設けられる。角度付き回り止めアセンブリは、本体３２の後方指向面３５１上に画定された複数の角度付き回り止め凹部３５９を含む。いくつかの実施形態では、各々の角度付き回り止め凹部３５９は、ブレーキピンソケット３５８と角度的に位置合わせされ、それによって、ブレーキピン３３９が各角度位置でブレーキピンソケット３５８と位置合わせされて偏るようにされる。
【0047】
図１０及び図１１を参照すると、角度付き回転止めアセンブリ３７４は、本体３２の外周の周りに円周方向に配置され、多数の所定の角度止めを画定している。ベースプレート３３０がシェル３５０に対して回転すると、回転止めボールまたは回転止めポストがシェル３５０に向かって偏り、対応する凹部３５９の中にスライドする。回転止め構造によって付与される力は、ベースプレート３３０をシェル３５０に対してロックするのではなく、むしろアセンブリの非限定的な回転を制限する一方で、ブレーキピン３３９とブレーキピンソケットとの容易な位置合わせを可能にするように動作させる一時的な係合を提供するように構成される。
【0048】
いくつかの実施形態では、角度ロックプランジャが、ソレノイドまたは別の作動機構によって提供され得る。角度ロックプランジャが作動する実施形態では、この角度自由度をロックまたはロック解除するためのユーザの入力部が、作動ユニット２０上に遠隔配置されてもよい。一実施形態では、図２１を参照すると、角度回転自由度をロック解除するための１以上のボタン３００ａ、３００ｂは、作動ユニット２０の側壁２０４、２０６上に位置し得る。いくつかの実施形態では、制御アルゴリズムは、この自由度をロック解除するために、複数のボタン３００ａ、３００ｂが同時に押し下げられること、たとえばボタン３００ａおよび３００ｂが同時に押圧されることを必要とする場合がある。これにより、使用中に誤ってこの自由度が解除されることがないようなさらなる安全対策がもたらされる。
【0049】
また、図１０および１１に示すように、回転ジョイント３２４は、ファンネルハウジング３５２が、本体３２の近位側の第１のベアリング３５４によって支持され、かつ本体３２の近位側の第２のベアリング３７０によっても支持されるように構成される。このように、ファンネルハウジング３５２は、揺れまたは横方向の動きなしに、長手方向挿入軸２６を中心として軸対称に回転し得る。
【0050】
ファンネル３６０は、図５に示すベースプレート３３０上のアクセス開口部３３２を介して、長手方向挿入軸２６に沿ってファンネルハウジング３５２の中に挿入される。ファンネル３６０は、第１および第２のテーパ状チャネルを含み得、これは手術具を収容する同心チューブアセンブリを、長手方向に向かってチャネルアセンブリ７０の中へと挿入させ、患者に向かってチューブアセンブリ２４の長さに沿って挿入されることを可能にする。第１および第２のチャネル３６２、３６４は、チャネルが患者に向かって進むにしたがって狭くなり、それによって、各同心チューブアセンブリ２４を対応するチャネルに中心合わせさせるテーパを各々含む。ファンネル３６０の遠位端は、各々が対応するチューブ状チャネルアセンブリ７０を受けるように寸法決めされた第１および第２のチャネルソケット３６６、３６８を含む。インナーシース８０は、ファンネル３６０の遠位端上にスライドし、シースマウント３２０に係合するように構成される。シースマウント３２０は、ファンネルハウジング３５２の前方端に堅固に固定され、それによって、ベースプレート３３０がシェル３５０に対して回転すると、前方の回転ジョイント３７２においてシースマウント３２０がファンネルハウジング３５２の回転とともに回転するようにされる。ファンネル３６０の後端にはファンネルラッチ３６１が配置され、ファンネル３６０を保持アームインターフェース３０に対して軸方向に固定する。
【0051】
作動ユニット２０が回転ジョイント３２４を中心として、保持アームインターフェース３０に対して回転したとき、外科医がつねに角度回転の方向および度合いを理解するように、角回転の度合いを指標化することが望ましい。このことを達成するために、本開示は、いくつかの実施形態において、保持アームインターフェース３０上に、シェル３５０に対するベースプレート３３０の角度位置を検出する角度センサを設ける。角度センサは回転信号を提供し、回転信号を表すグラフィックインジケータがディスプレイ６０上に表示される。いくつかの実施形態では、インジケータは、保持アームインターフェース３０に対する作動ユニット２０の回転の方向および度合いを示すコンパスを含む。
【0052】
平頭カートリッジインターフェース
図１２～１３を参照すると、本開示は、カートリッジ４１０の遠位端から延伸する同心チューブアレイ４１４を含む取り外し可能な機器カートリッジ４１０を提供する。各々の同心チューブアレイ４１４は、手術具を方向づけるための１以上のチューブと、手術中にチューブを通してチューブアセンブリ２４の遠位端から患者の体内へと延伸する１以上の手術具４６とを含む。各々のカートリッジ４１０は、同心チューブアレイ４１４内に収容された固有の手術具４６を備えて構成される。手術具４６および同心チューブアレイ４１４内の１以上の同心チューブは、各カートリッジ４１０内の一組のギア連結部を介して個々に操作され得る。たとえば、同心チューブアレイ４１４内のガイドチューブは、カートリッジ４１０に対して軸方向に並進され得、またカートリッジ４１０に対してその長手方向軸を中心として回転させ得る。同様に、ガイドチューブの内側に収容された手術具４６は、独立して軸方向に並進させ得、また回転させ得る。
図１２～１３を参照すると、本開示は、カートリッジ４１０の遠位端から延伸する同心チューブアレイ４１４を含む取り外し可能な機器カートリッジ４１０を提供する。各々の同心チューブアレイ４１４は、手術具を方向づけるための１以上のチューブと、手術中にチューブを通してチューブアセンブリ２４の遠位端から患者の体内へと延伸する１以上の手術具４６とを含む。各々のカートリッジ４１０は、同心チューブアレイ４１４内に収容された固有の手術具４６を備えて構成される。手術具４６および同心チューブアレイ４１４内の１以上の同心チューブは、各カートリッジ４１０内の一組のギア連結部を介して個々に操作され得る。たとえば、同心チューブアレイ４１４内のガイドチューブは、カートリッジ４１０に対して軸方向に並進され得、またカートリッジ４１０に対してその長手方向軸を中心として回転させ得る。同様に、ガイドチューブの内側に収容された手術具４６は、独立して軸方向に並進させ得、また回転させ得る。
【0053】
各々のカートリッジ４１０は、第１、第２、第３、第４および第５のカートリッジ継手インターフェース４２０、４２２、４２４、４２６、４２８を含む複数の独立したカートリッジ継手インターフェースを含む。各カートリッジ継手インターフェースを回転させて、同心チューブアレイ４１４の個々の自由度を制御し得る。たとえば、第１のカートリッジ継手インターフェース４２０を用いて、ガイドチューブの軸方向の並進を制御し得る。第２のカートリッジ継手インターフェース４２２を用いて、ガイドチューブの回転を制御し得る。第３のカートリッジ継手インターフェース４２４を用いて、手術具４６の軸方向の並進を制御し得る。第４のカートリッジ継手インターフェース４２６を用いて、手術具４６の回転を制御し得る。これらは単なる例であり、各カートリッジ４１０は、同心チューブアレイ４１４において採用される手術具４６のタイプによって、カスタマイズされた用途向けに構成されてもよい。
【0054】
各カートリッジ継手インターフェースは継手スロット４３２を含み、カートリッジ４１０はカートリッジスロット４３０を含む。各々の継手スロット４３２がカートリッジスロット４３０と位置合わせされると、カートリッジ４１０の長さに沿って連続的な線形スロットが形成される。しかしながら、個々の継手スロット４３２がカートリッジスロット４３０に対し位置合わせ不良である場合、カートリッジ４１０の長さに沿った連続的な線形スロットが遮断される。
【0055】
使用中、各々のカートリッジ継手インターフェースは回転によって制御される。図１２を参照すると、作動ユニット２０は、コンポーネントベイ２１０内に第１のカートリッジスロット２２０と第２のカートリッジスロット２３０とを含む。第１のカートリッジスロット２２０は、図１３に示す、各カートリッジ外面に１以上のカートリッジフランジ４３８を含む対応するダブテールトラック４３６に係合するように構成されたダブテールトラックを含む第１のカートリッジトラック２２２を含む。使用中、カートリッジ４１０は、その同心チューブアレイ４１４が第１のファンネル３６２の中へと挿入されて前進するように位置合わせされ、同心チューブアレイ４１４をファンネル３６０の中へと供給させ、長手方向軸に沿って組織作業空間に向かってチューブアセンブリ２４内に供給させるようにされ得る。カートリッジ４１０およびチューブアレイ４１４が前進すると、カートリッジ４１０上のダブテールトラック４３６は、第１のカートリッジスロット２２０の第１のトラック２２２の中へとスライドする。
【0056】
カートリッジ継手スロット４３２がカートリッジスロット４３０と位置合わせされている場合、カートリッジ４１０は、この位置から所望の位置へと前進のみを続け、カートリッジの長さ方向に沿って遮るものがないスロットを形成し得る。これは、作動ユニット２０が、カートリッジ継手４２０、４２２、４２４、４２６、４２８に各々対応する複数の作動継手２２６を含むためである。たとえば、第１の作動継手２２６は、第１のカートリッジスロット２２０の中へと突出している線形フランジ２２８を含む。平頭の線形フランジ２２８は、カートリッジ４１０がそのトラックに沿って前進すると、カートリッジスロット４３０内をスライドし、さらに各カートリッジ継手スロット４３２内をスライドするような寸法にされる。しかしながら、線形フランジ２２８が、位置合わせ不良であるカートリッジ継手に到達した場合、カートリッジ４１０は、それ以上トラックに沿って進むことが許されない。この安全機能が、同心チューブアレイ４１４に対する初期状態に向けて正しく構成されていないカートリッジの挿入を防止する。たとえば、各同心チューブアレイ４１４は、遠位端に対し所望される初期状態を有する。このことは、同心チューブアレイ４１４が引っ掛かったり損傷したりすることなくチューブアセンブリ２４を通して挿入されることができることを確実にするためであり、また、あらゆる手術具４６がその初期状態において後退位置にあることを確実にすることによって患者の安全を確実にするためである。しかしながら、カートリッジ継手が不注意で回転させられた場合、そのような回転は、同心チューブアレイ４１４のその所望される初期状態からの位置合わせ不良を生じさせるおそれがある。本開示は、カートリッジ継手と作動継手との間の平頭なフランジの位置合わせを提供し、いずれかの継手側が、初期状態から位置合わせ不良が生じた何らかの部材を１つでも有する場合、挿入できないようにする。
【0057】
図１２をさらに参照すると、いったんカートリッジ４１０がそのカートリッジスロット内に完全に挿入されると、カートリッジ前方端部４１６は、さらなる前方への移動を制限する移動停止位置に達し、カートリッジは、カートリッジラッチ４１８を用いて適所にロックされる。カートリッジラッチ４１８は、第１のトラック２２２上の対応するラッチに係合し、それによって、カートリッジを適所に機械的に固定する。手術中、カートリッジ４１０は、カートリッジラッチ４１８を解放し、カートリッジを作動ユニット２０から後方に引っ張って離すことによって、作動ユニット２０から後退させ得る。
【0058】
図１４を参照すると、各カートリッジスロット２２０、２３０は、隣接する側壁２０４、２０６で収容された対応するモータパックを含む。カートリッジ４１０が作動ユニット２０に正しく設置されると、各々の作動継手が対応するカートリッジ継手に係合し、それによって、各々の継手フランジ２２８がカートリッジ４１０上の対応するカートリッジ継手スロット４３２に受けられるようにされる。この位置から、第１および第２の側壁２０４、２０６上の第１および第２のモータパックの各々において独立した駆動モータを動作させて、係合された継手の回転を開始させ得る。一例として、図１４では、カートリッジ４１０は、第２のカートリッジスロット４３０に設置されている。第２の側壁２０６内部に収容されたモータパック４４６は、別個の駆動モータを含み、各々の駆動モータは個々の継手に対応する。各駆動モータは、特定の継手を制御するように独立して動作し得る。各継手は、ギアアセンブリ４４８を介して、同心チューブアレイ４１４内のコンポーネントを駆動する。作動継手２２６の回転を精密に制御することによって、カートリッジ継手の精密制御が達成され、このことは、ギアを介して、同心チューブアレイ４１４内部の個々のコンポーネントの所望かつスケールダウンされた動きにつながる。
【0059】
電気外科インターフェース
一実施形態では、機器カートリッジ４１０は、同心チューブアセンブリ４１４を通して電気外科用プローブを送出し、手術部位で組織を切除および凝結させることができる。これらのプローブは、単極または双極であってもよく、流体媒体または空気媒体中で動作し得る。バイポーラプローブは、回路の両側が同じ機器に設けられた生理食塩水中でバイポーラとして作動してもよく、または２つの機器がバイポーラ回路の片側を各々備えてもよく、それによって切除経路が機器の間にあるようにされ得る。電気外科用機器は、電気外科ジェネレータに直接取り付けられたフットペダルを用いて作動させることができる。このジェネレータは、ロボットシステム１０の外部にあってもよく、またはシステム１０に含まれていてもよい。フットペダルは、ベース１４または医師入力コンソール４０に取り付けられていてもよい。フットペダルは、ケーブルを経由して電気外科ジェネレータに伝わる制御信号を生成し得る。システム１０は、第１または第２の入力制御４２、４４を通して、あるいはシステム１０に取り付けられたフットペダルを介して、あるいは電気外科ジェネレータに直接取り付けられたフットペダルを介して、電気外科手術を作動させることができるように構成され得る。
一実施形態では、機器カートリッジ４１０は、同心チューブアセンブリ４１４を通して電気外科用プローブを送出し、手術部位で組織を切除および凝結させることができる。これらのプローブは、単極または双極であってもよく、流体媒体または空気媒体中で動作し得る。バイポーラプローブは、回路の両側が同じ機器に設けられた生理食塩水中でバイポーラとして作動してもよく、または２つの機器がバイポーラ回路の片側を各々備えてもよく、それによって切除経路が機器の間にあるようにされ得る。電気外科用機器は、電気外科ジェネレータに直接取り付けられたフットペダルを用いて作動させることができる。このジェネレータは、ロボットシステム１０の外部にあってもよく、またはシステム１０に含まれていてもよい。フットペダルは、ベース１４または医師入力コンソール４０に取り付けられていてもよい。フットペダルは、ケーブルを経由して電気外科ジェネレータに伝わる制御信号を生成し得る。システム１０は、第１または第２の入力制御４２、４４を通して、あるいはシステム１０に取り付けられたフットペダルを介して、あるいは電気外科ジェネレータに直接取り付けられたフットペダルを介して、電気外科手術を作動させることができるように構成され得る。
【0060】
平頭インターフェースのフェイルセーフ使用
カートリッジスロット平頭インターフェースの使用に関連する１つの問題は、カートリッジ継手のいずれかがカートリッジスロット４３０と位置合わせ不良である場合、カートリッジが取り除かれない場合があることである。使用中、継手が回転されると、作動ユニット２０に対する電力損失が、継手がカートリッジスロット４３０と位置合わせされず、カートリッジを取り外す必要があるというシナリオを引き起こす可能性がある。このことが外科手術中に発生した場合、患者にとって危険である可能性がある。
カートリッジスロット平頭インターフェースの使用に関連する１つの問題は、カートリッジ継手のいずれかがカートリッジスロット４３０と位置合わせ不良である場合、カートリッジが取り除かれない場合があることである。使用中、継手が回転されると、作動ユニット２０に対する電力損失が、継手がカートリッジスロット４３０と位置合わせされず、カートリッジを取り外す必要があるというシナリオを引き起こす可能性がある。このことが外科手術中に発生した場合、患者にとって危険である可能性がある。
【0061】
本開示は、継手が位置合わせされていない場合であっても、各カートリッジの取り外しを可能にするフェイルセーフ機構を提供する。たとえば、各カートリッジトラックは、着脱可能なダブテールベース４５０を含む。カートリッジ４１０が、その対応するカートリッジトラック２２２、２３２に設置されると、カートリッジ４１０が継手を位置合わせさせることなく直ちに取り外されなければならない場合、トラック解放スイッチ４５２を動作させて、作動ユニット２０から着脱可能なベース４５０を直ちに解放し得る。各カートリッジがベース４５０とダブテール構造で係合しているため、カートリッジ４１０およびベース４５０は、１つの取り付けユニットとして一緒に解放される。この安全機能は、作動ユニット２０に対する電力が失われ、カートリッジを取り外さなければならないケースにおけるフェイルセーフをもたらす。
【0062】
カートリッジ識別
いくつかの実施形態では、各カートリッジ４１０は、カートリッジの適切な位置づけおよび識別を検証するための１以上の装置を含む。たとえば、図１３に示すように、カートリッジ４１０は、カートリッジに固有の情報がプログラムされた組み込み型カートリッジチップセット４４１を含む。カートリッジチップセット４４１は、特定のカートリッジを識別する情報を含み、カートリッジＩＤ番号、カートリッジ製造情報、カートリッジ滅菌情報、手術具４６およびガイドチューブ構成等の同心チューブアレイ４１４に関する情報等を含むがこれらに限定されない。また、各カートリッジチップセット４４１は、カートリッジの先行使用に関する情報を含んでもよい。いくつかの実施形態では、各カートリッジチップセット４４１は読み取り専用メモリを含んでもよく、他の実施形態では、各カートリッジチップセット４４１は読み取りおよび書き込み機能を含む。
いくつかの実施形態では、各カートリッジ４１０は、カートリッジの適切な位置づけおよび識別を検証するための１以上の装置を含む。たとえば、図１３に示すように、カートリッジ４１０は、カートリッジに固有の情報がプログラムされた組み込み型カートリッジチップセット４４１を含む。カートリッジチップセット４４１は、特定のカートリッジを識別する情報を含み、カートリッジＩＤ番号、カートリッジ製造情報、カートリッジ滅菌情報、手術具４６およびガイドチューブ構成等の同心チューブアレイ４１４に関する情報等を含むがこれらに限定されない。また、各カートリッジチップセット４４１は、カートリッジの先行使用に関する情報を含んでもよい。いくつかの実施形態では、各カートリッジチップセット４４１は読み取り専用メモリを含んでもよく、他の実施形態では、各カートリッジチップセット４４１は読み取りおよび書き込み機能を含む。
【0063】
いくつかの実施形態では、各カートリッジチップセット４４１は、カートリッジに関する情報を記憶するように構成された無線周波数識別（ＲＦＩＤ）、（電気的消去可能プログラマブル読出し専用メモリ）ＥＥＰＲＯＭ、または近距離無線通信（ＮＦＣ）タグ装置を含む。各カートリッジチップセット４４１に記憶された情報は、１以上の通信インターフェース４４０を介して、作動ユニット２０に通信され得る。たとえば、いくつかの実施形態では、カートリッジ４１０は、第１および第２のカートリッジ通信インターフェース４４０ａ、４４０ｂを含む。各通信インターフェースは、作動ユニット２０上の対応する回路との通信を可能にする。各カートリッジチップセット４４１から得られた情報は、作動ユニット２０または遠隔したプロセッサによって処理される。そのような情報は、カートリッジが適切に設置されているか、または適切なカートリッジが設置されているかを判断するために用いられることができる。カートリッジ通信インターフェースを通して得られた情報がエラーを明らかにした場合、システム障害が発生するおそれがあり、障害が修正されるまでシステムは動作可能にならない。
【0064】
いくつかの用途では、各カートリッジ４１０は、カートリッジが一度のみ用いられて廃棄され得るように、チップセット４４１を介してプログラムされる。以前に使用されたことがあるカートリッジが作動ユニット２０に設置された場合、システム障害が発生し、カートリッジを使用し得ない。
【0065】
光学サポートガイド
図１２および図１４を再度参照すると、保持アームインターフェース３０およびチューブアセンブリ２４とロッドレンズとの正しい位置合わせを確実にするために、光学サポートガイド２６０が設けられている。光学サポートガイド２６０は、チューブアセンブリ２４の長さに沿って移動するロッドレンズ２６６の挿入場所を画定し、組織作業空間および手術具４６の観察をリアルタイムで提供する。光学ガイドサポート２６０は、第１および第２のカートリッジスロット２２０、２３０の間に位置する。光学ガイドサポート２６０は、作動ユニット２０上のプラットフォーム２０８に固定された剛性スタンドオフに装着された中空のチューブを含む。第１および第２のカートリッジトラック２２２、２３２は角度を有し、トラック間に間隙空間を形成している。第１および第２のカートリッジトラックの角度を有する向きによって提供されるこの間隙は、カメラおよびレンズを位置づけるための空間を提供する。第１および第２のカートリッジトラック２２２、２３２が角度を有する向きを有していない場合、カメラおよびレンズを位置づけるための十分な余地が取れないであろう。しかしながら、第１および第２のカートリッジトラック２２２、２３２が平行な構成で間隔を置かれている場合、各同心チューブアレイをその対応するファンネルチャネルに向けて挿入することはほぼ不可能であろう。いくつかの実施形態では、第１および第２のカートリッジトラック２２２、２３２は各々、中心長手方向軸に対して約５～約３０°の間の角度を有する。図１４に示すように、レンズ開口部２６４はファンネル内に画定され、ロッドレンズは、光学サポートガイド２６０を通ってレンズ開口部２６４の中へと挿入され得る。光学サポートガイド２６０の口径は、レンズ開口部２６４と、ファンネルを通して画定された対応する線形レンズチャネルとに軸方向に位置合わせされる。図３４を参照すると、いくつかの実施形態では、光学サポートガイド２６０には、光学系を手動で調整し、適所にロックすることを可能にする手動調整機能２００が設けられている。いくつかの実施形態では、この調整機能２００は、光学サポートガイド２６０上に締め付ける蝶ネジを含み得る。
図１２および図１４を再度参照すると、保持アームインターフェース３０およびチューブアセンブリ２４とロッドレンズとの正しい位置合わせを確実にするために、光学サポートガイド２６０が設けられている。光学サポートガイド２６０は、チューブアセンブリ２４の長さに沿って移動するロッドレンズ２６６の挿入場所を画定し、組織作業空間および手術具４６の観察をリアルタイムで提供する。光学ガイドサポート２６０は、第１および第２のカートリッジスロット２２０、２３０の間に位置する。光学ガイドサポート２６０は、作動ユニット２０上のプラットフォーム２０８に固定された剛性スタンドオフに装着された中空のチューブを含む。第１および第２のカートリッジトラック２２２、２３２は角度を有し、トラック間に間隙空間を形成している。第１および第２のカートリッジトラックの角度を有する向きによって提供されるこの間隙は、カメラおよびレンズを位置づけるための空間を提供する。第１および第２のカートリッジトラック２２２、２３２が角度を有する向きを有していない場合、カメラおよびレンズを位置づけるための十分な余地が取れないであろう。しかしながら、第１および第２のカートリッジトラック２２２、２３２が平行な構成で間隔を置かれている場合、各同心チューブアレイをその対応するファンネルチャネルに向けて挿入することはほぼ不可能であろう。いくつかの実施形態では、第１および第２のカートリッジトラック２２２、２３２は各々、中心長手方向軸に対して約５～約３０°の間の角度を有する。図１４に示すように、レンズ開口部２６４はファンネル内に画定され、ロッドレンズは、光学サポートガイド２６０を通ってレンズ開口部２６４の中へと挿入され得る。光学サポートガイド２６０の口径は、レンズ開口部２６４と、ファンネルを通して画定された対応する線形レンズチャネルとに軸方向に位置合わせされる。図３４を参照すると、いくつかの実施形態では、光学サポートガイド２６０には、光学系を手動で調整し、適所にロックすることを可能にする手動調整機能２００が設けられている。いくつかの実施形態では、この調整機能２００は、光学サポートガイド２６０上に締め付ける蝶ネジを含み得る。
【0066】
視覚制御および調整
いくつかの実施形態では、光学系システムは、一体型の照明を有するＣＭＯＳまたはＣＣＤ技術等の「チップ先端」撮像センサを利用し得、これにより、カメラ２２またはテレスコープ２６０を取り除き得る。１以上の実施形態では、撮像センサは、同心チューブアセンブリ２４の先端に取り付けら得、それによって、処置中に外科医の視野を動的に変えることが可能になる。これは、第３の同心チューブマニピュレータによって行われてもよい。いくつかの実施形態では、ロボットシステム１０は、光学系システム、すなわちテレスコープ２６０または画像センサのいずれかの作動を提供し得、それによって、外処置中に科医の視野を動的に変え得るようにされる。外科医の視野を変えることは、医師入力コンソール４０における入力を介した外科医の直接制御の下であってもよいし、または制御アルゴリズムが、第１または第２の入力制御４２、４４において伝達する外科医の機器の移動に応答して、画像センサを動かしてもよい。これは、機器、または機器間の点もしくは領域の追跡を可能にする「アイ・イン・ハンド」技術を含み得る。
いくつかの実施形態では、光学系システムは、一体型の照明を有するＣＭＯＳまたはＣＣＤ技術等の「チップ先端」撮像センサを利用し得、これにより、カメラ２２またはテレスコープ２６０を取り除き得る。１以上の実施形態では、撮像センサは、同心チューブアセンブリ２４の先端に取り付けら得、それによって、処置中に外科医の視野を動的に変えることが可能になる。これは、第３の同心チューブマニピュレータによって行われてもよい。いくつかの実施形態では、ロボットシステム１０は、光学系システム、すなわちテレスコープ２６０または画像センサのいずれかの作動を提供し得、それによって、外処置中に科医の視野を動的に変え得るようにされる。外科医の視野を変えることは、医師入力コンソール４０における入力を介した外科医の直接制御の下であってもよいし、または制御アルゴリズムが、第１または第２の入力制御４２、４４において伝達する外科医の機器の移動に応答して、画像センサを動かしてもよい。これは、機器、または機器間の点もしくは領域の追跡を可能にする「アイ・イン・ハンド」技術を含み得る。
【0067】
ステータスライト
いくつかの実施形態では、作動ユニット２０および保持アームインターフェース３０は、光パターン、光色、光持続時間に基づいてユーザに情報を提供するステータスライトを各々含む。たとえば、図１４に示すように、第１のステータスライト２７２は、第１のカートリッジスロット２２０が第１のカートリッジを受ける準備ができていることを示し得、第２のステータスライト２７４は、第２のカートリッジスロット２３０が第２のカートリッジを受ける準備ができていることを示し得る。また、そのような光は、カートリッジ、モータ、または継手に関して障害が発生した場合を示し得る。
いくつかの実施形態では、作動ユニット２０および保持アームインターフェース３０は、光パターン、光色、光持続時間に基づいてユーザに情報を提供するステータスライトを各々含む。たとえば、図１４に示すように、第１のステータスライト２７２は、第１のカートリッジスロット２２０が第１のカートリッジを受ける準備ができていることを示し得、第２のステータスライト２７４は、第２のカートリッジスロット２３０が第２のカートリッジを受ける準備ができていることを示し得る。また、そのような光は、カートリッジ、モータ、または継手に関して障害が発生した場合を示し得る。
【0068】
図１５を参照すると、保持アーム１２上のアームマウント１８上には、アームライト２８０が配置されている。アームライト２８０は、いくつかの実施形態では、アームマウント１８の周縁に向けられたライトのリングを含む。アームライト２８０は、システムの異なる動作状態または故障状態を示すように、異なる色で点灯し得る。アームライト２８０の場所に起因して、オペレータは、システムの状態に関し即座の理解を得るように、アームライト２８０を視覚的に観察し得る。いくつかの実施形態では、アームライト２８０は、保持アーム１２のインピーダンスモードを示すように構成される。そのようなモードは、内視鏡軸モードを示す第１の色、安定した保持モードを示す第２の色、および自由運動モードを示す第３の色を含むことができる。そのような視覚的フィードバック機構は、さらなる人的要因の安全機能を提供する。
【0069】
いくつかの実施形態では、ステータスライト２７２、２７４はまた、作動ユニット２０を患者の体から安全に取り外すことが可能であるときを示すためにも用いられてもよい。外科医または手術室のスタッフが、患者から作動ユニット２０および内視鏡の全体を取り外す前に、マニピュレータを完全に後退させることを忘れてしまう可能性がある。マニピュレータを後退させていなかった場合、この工程中に患者を負傷させる可能性がある。作動ユニット２０上の１以上のステータスライト２７２、２７４は、作動ユニット２０を安全に取り外すことができるタイミングを示し得る。この情報は、手術室のスタッフおよび外科医のトレーニングの一部として含まれてもよい。さらに、（図１７に描画されているように）作動ユニット２０上のステータスライト２７２、２７４または医師入力コンソール４０のライトインジケータ１０６は、いったん挿入された機器カートリッジ４１０がロボットシステム１０によって認識されると、挿入された機器カートリッジ４１０の色と一致するように色を変えてもよい。機器カートリッジ４１０の色は、ツール固有であってもよく、このステータスライト２７２、２７４またはインジケータライト１０６の変更は、システム１０が正しい機器を認識したフィードバックをユーザに提供し得る。最終的には、電気外科用機器カートリッジ４１０の作動中に、ステータスライト２７２、２７４またはインジケータライト１０６が黄色または青色に変化させてもよい。黄色は、電気外科的切除について認識される色であってもよく、青色は、電気外科的凝結について認識される色であってもよい。１以上の実施形態では、他の色が使用されてもよい。これは、システム１０が期待されているように挙動しており、システムのあらゆる不正な動作のユーザによる検出をより容易にすることを可能にするフィードバックを提供し得る。いくつかの実施形態では、これらのステータスライト機能は、より安全なシステム１０を提供し、システムの状態についてユーザのさらなる認識を可能にする。
【0070】
埋め込み型モータ制御
図１４を再度参照すると、本開示の別の特徴は、作動ユニット２０の統合型モータ制御およびオンボードの安全コントローラハードウェアを有する作動ユニット２０を含むシステムを提供する。手術を行うためのいくつかの従来のロボットシステムは、通信ケーブルを介してアクチュエータに接続される遠隔モータ制御および安全コントローラハードウェアを含む。しかしながら、本システムでは、各カートリッジに対して複数の自由度制御が提示されることに起因して、そのような従来の構成は実現不可能である。本開示は、アクチュエータにオンボードで収容されたモータ制御および安全制御装置ハードウェアを含むシステムを提供する。
図１４を再度参照すると、本開示の別の特徴は、作動ユニット２０の統合型モータ制御およびオンボードの安全コントローラハードウェアを有する作動ユニット２０を含むシステムを提供する。手術を行うためのいくつかの従来のロボットシステムは、通信ケーブルを介してアクチュエータに接続される遠隔モータ制御および安全コントローラハードウェアを含む。しかしながら、本システムでは、各カートリッジに対して複数の自由度制御が提示されることに起因して、そのような従来の構成は実現不可能である。本開示は、アクチュエータにオンボードで収容されたモータ制御および安全制御装置ハードウェアを含むシステムを提供する。
【0071】
グリップツール解放
いくつかのカートリッジは、組織をグリップまたは把持するために作動させることができる手術具４６を採用し得る。そのような機器は、切除装置、グリッパ装置、鉗子、またはバスケットを含む。グリップツール４６が組織と係合し、動力損失が生じた場合、グリップツール４６を組織から手動で解放し、それによって、外傷を引き起こすことなくツール４６を後退させることができるようにする必要があるであろう。本開示は、電力を失った場合にグリップを解放することができるような機械的グリップ解放を含むグリップ機構カートリッジを提供する。いくつかの実施形態におけるグリップ解放は、グリップを解放する手動で引き込み可能なピンを含む。グリップツール４６カートリッジをグリップするための多数の他の好適な機械的グリップ解放機構が採用されてもよい。
いくつかのカートリッジは、組織をグリップまたは把持するために作動させることができる手術具４６を採用し得る。そのような機器は、切除装置、グリッパ装置、鉗子、またはバスケットを含む。グリップツール４６が組織と係合し、動力損失が生じた場合、グリップツール４６を組織から手動で解放し、それによって、外傷を引き起こすことなくツール４６を後退させることができるようにする必要があるであろう。本開示は、電力を失った場合にグリップを解放することができるような機械的グリップ解放を含むグリップ機構カートリッジを提供する。いくつかの実施形態におけるグリップ解放は、グリップを解放する手動で引き込み可能なピンを含む。グリップツール４６カートリッジをグリップするための多数の他の好適な機械的グリップ解放機構が採用されてもよい。
【0072】
保持アームインターフェース
上述のように、保持アームインターフェース３０は、保持アーム１２と作動ユニット２０との間の機械的および電気的連結を含む。保持アームインターフェース３０は、手術システムにおいて単独で、または他の機能と組み合わせて用いられ得る数多くの特徴で構成される。また、保持アームインターフェース３０は、内視鏡シースアセンブリおよび作動ユニット２０を含むさまざまなコンポーネントのモジュラー取り付けを可能にすることにより、手術野における無菌性を提供するように構成される。
上述のように、保持アームインターフェース３０は、保持アーム１２と作動ユニット２０との間の機械的および電気的連結を含む。保持アームインターフェース３０は、手術システムにおいて単独で、または他の機能と組み合わせて用いられ得る数多くの特徴で構成される。また、保持アームインターフェース３０は、内視鏡シースアセンブリおよび作動ユニット２０を含むさまざまなコンポーネントのモジュラー取り付けを可能にすることにより、手術野における無菌性を提供するように構成される。
【0073】
継手制限およびツール先端安全制限
本開示は、患者の負傷または装置の損傷のリスクを低減するための多数の安全機能を提供する。いくつかの実施形態では、本開示は、手術具４６および同心チューブアレイ４１４の可動範囲に対するソフトウェアベースの制限を利用するシステムを提供する。そのようなソフトウェアベースの制限は、実際に装置によって機械的に達成され得る可動範囲が、プログラムされたフィールドを超えて拡張しているにもかかわらず、駆動継手が、組織作業空間内の任意のチューブアレイ４１４またはツール４６を所定の範囲を超えて過度に拡張させることを防止する。制御ソフトウェアを作業空間内のチューブアレイ４１４およびツール４６の可動範囲に制限を加えるようにプログラムすることによって、手術中の周辺組織への不注意による損傷を防止するための安全係数が得られ得る。
本開示は、患者の負傷または装置の損傷のリスクを低減するための多数の安全機能を提供する。いくつかの実施形態では、本開示は、手術具４６および同心チューブアレイ４１４の可動範囲に対するソフトウェアベースの制限を利用するシステムを提供する。そのようなソフトウェアベースの制限は、実際に装置によって機械的に達成され得る可動範囲が、プログラムされたフィールドを超えて拡張しているにもかかわらず、駆動継手が、組織作業空間内の任意のチューブアレイ４１４またはツール４６を所定の範囲を超えて過度に拡張させることを防止する。制御ソフトウェアを作業空間内のチューブアレイ４１４およびツール４６の可動範囲に制限を加えるようにプログラムすることによって、手術中の周辺組織への不注意による損傷を防止するための安全係数が得られ得る。
【0074】
ソフトウェアベースの制限に加えて、カートリッジ自体が、チューブアレイ４１４およびツール４６に利用可能な移動範囲に対するハードウェアベースの制約を含む。たとえば、ギア駆動部４４８は、各チューブアレイ４１４およびツール４６に加えられ得る可動範囲の制限のために、駆動ギア上に機械的な停止部を含む。
【0075】
チューブアレイ４１４およびツール４６のための作業空間を画定する別の変数は、カメラ２２およびロッドレンズ内視鏡の視野を含む。ロッドレンズは、チューブアセンブリ２４の遠位端における視野を提供する。いくつかの実施形態では、システムは、チューブアレイ４１４およびツール４６の動きをレンズの視野内で視認できる空間に制約するためのソフトウェアおよび／またはハードウェアベースの制限によって構成される。チューブアレイ４１４またはツール４６が視野を越えて延伸しようとした場合、エラー障害が生成され、可動範囲が直ちに規制されて、視野外へのチューブアレイ４１４またはツール４６の通過を防止する。
【0076】
外科医作業空間インターフェース
図１６および１７を参照すると、一実施形態では、医師入力コンソール４０は、外科医にインターフェースを提供する。このインターフェースは、スクリーン１０２、１以上のボタン１０４、スピーカ、またはライトインジケータ１０６を含み得る。スクリーン１０２は、タッチスクリーンを含んでもよく、かつドレープを通して操作可能であってもよく、システム状態、外科処置継続時間、保持アーム１２の状態を表示し得、または、いずれの機器がシステムの左側にあるか、もしくは機器の右側にあるかを示し得る。スクリーン１０２上に表示され得るグラフィカルユーザインターフェース１０８の一実施形態が図１８に示される。また、このインターフェース１０８は、回復可能または回復不可能な障害情報、およびユーザに対する再開のための指示を表示し得る。インターフェース１０８は、入力制御４２を再登録するためのグラフィカルな指示を提供し得る。医師入力コンソール４０は、新たなマニピュレータ動作の開始前に可聴信号を発してもよく、これは、意図的なサブシステムの障害を検出して手術室スタッフに警告する安全機能として機能し得る。１以上のボタン１０４またはタッチスクリーン１０２は、手術を開始するか、手術を一時停止するか、または手術を終了することができる入力を提供し得る。スクリーン１０２は、正しいシステムのセットアップ、故障、動作のための指示を提供し得る。システムステップが順番通りに実行されない場合、たとえば作動ユニット２０が機器カートリッジ４１０を取り外す前に抜かれた場合、スクリーン１０２またはスピーカはユーザに警告し得る。
図１６および１７を参照すると、一実施形態では、医師入力コンソール４０は、外科医にインターフェースを提供する。このインターフェースは、スクリーン１０２、１以上のボタン１０４、スピーカ、またはライトインジケータ１０６を含み得る。スクリーン１０２は、タッチスクリーンを含んでもよく、かつドレープを通して操作可能であってもよく、システム状態、外科処置継続時間、保持アーム１２の状態を表示し得、または、いずれの機器がシステムの左側にあるか、もしくは機器の右側にあるかを示し得る。スクリーン１０２上に表示され得るグラフィカルユーザインターフェース１０８の一実施形態が図１８に示される。また、このインターフェース１０８は、回復可能または回復不可能な障害情報、およびユーザに対する再開のための指示を表示し得る。インターフェース１０８は、入力制御４２を再登録するためのグラフィカルな指示を提供し得る。医師入力コンソール４０は、新たなマニピュレータ動作の開始前に可聴信号を発してもよく、これは、意図的なサブシステムの障害を検出して手術室スタッフに警告する安全機能として機能し得る。１以上のボタン１０４またはタッチスクリーン１０２は、手術を開始するか、手術を一時停止するか、または手術を終了することができる入力を提供し得る。スクリーン１０２は、正しいシステムのセットアップ、故障、動作のための指示を提供し得る。システムステップが順番通りに実行されない場合、たとえば作動ユニット２０が機器カートリッジ４１０を取り外す前に抜かれた場合、スクリーン１０２またはスピーカはユーザに警告し得る。
【0077】
図１７を参照すると、一実施形態では、医師入力コンソール４０は、回転されたときに１以上の水平トラック１１２内で第１または第２の入力制御４２、４４の左右方向の調整を提供する入力制御アジャスタ１１０を提供する。この人間工学的な調整は、解剖学的なばらつきおよび好み全体にわたって、外科医に快適さを提供する。入力制御アジャスタ１１０は、ノブ、ダイヤル、または他のタイプの入力制御アジャスタを含み得る。
【0078】
外科医入力装置再登録プロセス
第１または第２の入力制御部４２、４４は、意図が検出されないとき、手術が一時停止されたとき、故障が検出されたとき、または手術が開始される前後に動かされた場合、同心チューブマニピュレータとの登録が解除される場合がある。再登録指示は、スクリーン１０２上に提供される。再登録指示は、第１または第２の入力制御部４２、４４の所望の／再登録されたポーズの上部に、第１または第２の入力制御部４２、４４の現在の位置または向きのリアルタイムの透明な三次元オーバレイと、再登録の進捗を表示する進捗表示とを含み得る。同様に、再登録指示は、進捗表示とともに、二次元ターゲットマーカおよび現在の二次元位置マーカを含んでもよい。グラフィカルインターフェース上の再登録指示の可能な実施形態が、図１９Ａおよび１９Ｂに示される。
第１または第２の入力制御部４２、４４は、意図が検出されないとき、手術が一時停止されたとき、故障が検出されたとき、または手術が開始される前後に動かされた場合、同心チューブマニピュレータとの登録が解除される場合がある。再登録指示は、スクリーン１０２上に提供される。再登録指示は、第１または第２の入力制御部４２、４４の所望の／再登録されたポーズの上部に、第１または第２の入力制御部４２、４４の現在の位置または向きのリアルタイムの透明な三次元オーバレイと、再登録の進捗を表示する進捗表示とを含み得る。同様に、再登録指示は、進捗表示とともに、二次元ターゲットマーカおよび現在の二次元位置マーカを含んでもよい。グラフィカルインターフェース上の再登録指示の可能な実施形態が、図１９Ａおよび１９Ｂに示される。
【0079】
外科医作業空間人間工学
いくつかの実施形態では、ロボットシステム１０は、システム１０を用いる外科医に１以上の解剖学的制約を加え得る。これらの解剖学的制約は、短期的または慢性的な外科医の不快感を生み出すおそれがあるが、これは、いくつかの外科的処置が長時間である場合があり、外科医がいくつかの処置を反復的に行う場合があるためである。システム１０は、上部トレイ１１４もしくは第１または第２の入力制御部４２、４４の位置を調整することができる医師入力コンソール４０を備え、それによって、入力制御部４２、４４を使用するときに外科医オペレータが立ったり座ったりすることができるようにされる。一実施形態では、四節リンケージ１１６がこの動きを可能にし、気体ばね１１８が重力補償を提供して、トレイが重力で落下しないようにする。四節リンケージ１１６の設計は、上部トレイ１１４が下方に移動すると、上部トレイ１１４を外科医の方に移動させ、これによって、外科医が座った位置にあるときに地面に付加的な足の空間を作り出す。いくつかの実施形態では、医師入力コンソール４０は、医師入力コンソール４０の外科医制御のいずれかを動作させるために外科医に特定の足位置要件を課さない場合がある。１以上の実施形態では、医師入力コンソール４０のベース１２０は、「Ｘ」または「Ｕ」字形状として構成され、運搬中の医師入力コンソール４０の安定性のために大きなホイールベースを提供しながらも、外科医のための利用可能な足の空間を増加させる。ベース１２０は、医師入力コンソール４０を運搬するための１以上のキャスタ１２２または他のタイプのホイールを含み得る。外科医または他のオペレータは、サイドハンドル１２４の中または上部トレイ１１４の下部のいずれかの入力部を押し下げることによって、上部トレイ１１４の位置を調整し得る。いくつかの実施形態では、この入力部は、図２０Ａに示すように、トグル式入力部１２６を含み得る。他の実施形態では、入力部は、図２０Ｂに示すように、プッシュ式入力１２８を含み得る。
いくつかの実施形態では、ロボットシステム１０は、システム１０を用いる外科医に１以上の解剖学的制約を加え得る。これらの解剖学的制約は、短期的または慢性的な外科医の不快感を生み出すおそれがあるが、これは、いくつかの外科的処置が長時間である場合があり、外科医がいくつかの処置を反復的に行う場合があるためである。システム１０は、上部トレイ１１４もしくは第１または第２の入力制御部４２、４４の位置を調整することができる医師入力コンソール４０を備え、それによって、入力制御部４２、４４を使用するときに外科医オペレータが立ったり座ったりすることができるようにされる。一実施形態では、四節リンケージ１１６がこの動きを可能にし、気体ばね１１８が重力補償を提供して、トレイが重力で落下しないようにする。四節リンケージ１１６の設計は、上部トレイ１１４が下方に移動すると、上部トレイ１１４を外科医の方に移動させ、これによって、外科医が座った位置にあるときに地面に付加的な足の空間を作り出す。いくつかの実施形態では、医師入力コンソール４０は、医師入力コンソール４０の外科医制御のいずれかを動作させるために外科医に特定の足位置要件を課さない場合がある。１以上の実施形態では、医師入力コンソール４０のベース１２０は、「Ｘ」または「Ｕ」字形状として構成され、運搬中の医師入力コンソール４０の安定性のために大きなホイールベースを提供しながらも、外科医のための利用可能な足の空間を増加させる。ベース１２０は、医師入力コンソール４０を運搬するための１以上のキャスタ１２２または他のタイプのホイールを含み得る。外科医または他のオペレータは、サイドハンドル１２４の中または上部トレイ１１４の下部のいずれかの入力部を押し下げることによって、上部トレイ１１４の位置を調整し得る。いくつかの実施形態では、この入力部は、図２０Ａに示すように、トグル式入力部１２６を含み得る。他の実施形態では、入力部は、図２０Ｂに示すように、プッシュ式入力１２８を含み得る。
【0080】
先行技術の手術ロボットシステムは、多くの場合、医師インターフェースにおいて特定の肘、頭、額、または前腕の位置を必要とする。多くの場合、外科医制御は、センサが肘、頭、額、または前腕の特定の位置を測定した場合にのみアクティブになる。特定の実施形態では、医師入力コンソール４０は、外科医に肘や前腕の位置制約を加えない。先行技術の手術ロボットシステムは、手術室の外科医視野を限定する医師インターフェースを設ける場合がある。外科医の視野は、目前の大きなスクリーンによって、または医師インターフェースに一体化された接眼レンズを覗き込むことを要求することによって限定される場合がある。一実施形態では、医師入力コンソール４０は、第１または第２の入力制御部４２、４４を動作させている間、手術室の視界を遮らない。先行技術の手術ロボットシステムの医師インターフェースは、典型的には、医師インターフェースによって加えられる解剖学的制約に起因して、妊娠後期の外科医が外科医制御を操作することを妨げる。医師入力コンソール４０は、妊娠後期のオペレータによる使用を妨げるような解剖学的制約を課し得ない。
【0081】
外科医入力装置人間工学
以下に続く開示では、第１の入力制御部４２を参照して主題を論じるが、かかる論議は第２の入力制御部４４にも適用可能である。図２３Ａおよび図２３Ｂを参照すると、一実施形態では、第１の制御部４２ハンドルは、精密なグリップ、完全な把持、オーバーハンドグリップ、またはアンダーハンドグリップを可能にするように円筒状に形成されている。第１の入力制御部４２は、人差し指または親指によるツールボタンの押し下げを可能にする形状または構成であってもよく、そのようなグリップの各々が図２４に示される。円筒形状は、精密または強い／完全な把持を可能にし得る。第１の入力制御部４２は、グリップ面が直径１インチ（約２．５４センチメートル）および直径１．５インチ（約３．８１センチメートル）の境界円筒内に包含されるような形状であり得る。第１の入力制御部４２ハンドルは、１以上の平坦部１３０または隆起した縁１３２のような他の方向付け特徴を含んでもよく、それによって、外科医がハンドルを見下ろすことなく、触覚的に彼らの手の中でハンドルを方向付けることができるようにされる。これにより、外科医が手術室のディスプレイ６０に視線を固定し続けることが可能になることによって、手術がより安全になる。いくつかのグリップでは、ハンドルの丸みを帯びた上部１３４が、外科医の手のひらに収まり得る（図２４参照）。この丸みを帯びた上部１３４を手のひら内に固定することによって、第１の制御部４２の制御のための強固かつ安定したサポート構造を外科医の手のひら内に作り出し得る。このことは、図２５に描画された内部ベアリング１３８によって可能にされ得る。ハンドルは、主軸１３６の周囲にロール自由度を含んでもよい。一実施形態では、これらのセンサ１４０はポテンショメータを含み得、冗長な角度位置センサ１４０が、さらなる安全のために第１の入力制御部４２に設けられ得る。ロール自由度は、１以上の角度位置センサ１４０によって感知され得る。第１の入力制御部４２は、各自由度に減衰摩擦を与えるように構成されてもよい。第１の入力制御部４２のハンドルでは、これは摩擦付加機能１４２を含み得る。第１の制御部４２は、離したり、再度グリップしたりすることができる。第１の制御部４２は、いったん解放されると動き得ないように、軽量であってもよく、または静的にバランスが取れていてもよい。
以下に続く開示では、第１の入力制御部４２を参照して主題を論じるが、かかる論議は第２の入力制御部４４にも適用可能である。図２３Ａおよび図２３Ｂを参照すると、一実施形態では、第１の制御部４２ハンドルは、精密なグリップ、完全な把持、オーバーハンドグリップ、またはアンダーハンドグリップを可能にするように円筒状に形成されている。第１の入力制御部４２は、人差し指または親指によるツールボタンの押し下げを可能にする形状または構成であってもよく、そのようなグリップの各々が図２４に示される。円筒形状は、精密または強い／完全な把持を可能にし得る。第１の入力制御部４２は、グリップ面が直径１インチ（約２．５４センチメートル）および直径１．５インチ（約３．８１センチメートル）の境界円筒内に包含されるような形状であり得る。第１の入力制御部４２ハンドルは、１以上の平坦部１３０または隆起した縁１３２のような他の方向付け特徴を含んでもよく、それによって、外科医がハンドルを見下ろすことなく、触覚的に彼らの手の中でハンドルを方向付けることができるようにされる。これにより、外科医が手術室のディスプレイ６０に視線を固定し続けることが可能になることによって、手術がより安全になる。いくつかのグリップでは、ハンドルの丸みを帯びた上部１３４が、外科医の手のひらに収まり得る（図２４参照）。この丸みを帯びた上部１３４を手のひら内に固定することによって、第１の制御部４２の制御のための強固かつ安定したサポート構造を外科医の手のひら内に作り出し得る。このことは、図２５に描画された内部ベアリング１３８によって可能にされ得る。ハンドルは、主軸１３６の周囲にロール自由度を含んでもよい。一実施形態では、これらのセンサ１４０はポテンショメータを含み得、冗長な角度位置センサ１４０が、さらなる安全のために第１の入力制御部４２に設けられ得る。ロール自由度は、１以上の角度位置センサ１４０によって感知され得る。第１の入力制御部４２は、各自由度に減衰摩擦を与えるように構成されてもよい。第１の入力制御部４２のハンドルでは、これは摩擦付加機能１４２を含み得る。第１の制御部４２は、離したり、再度グリップしたりすることができる。第１の制御部４２は、いったん解放されると動き得ないように、軽量であってもよく、または静的にバランスが取れていてもよい。
【0082】
外科医入力装置ツールボタン
図２３Ａから理解されるように、いくつかの実施形態では、第１の制御部４２は、２つの統合されたツールボタン１４４ａ、１４４ｂを含み得る。システム１０は、特に、グリップツール、バスケットもしくはスネア等の組織を取り囲んで把持するツール、またはレーザーもしくは電気外科プローブ等のエネルギ送出ツールを含むツール４６のアレイを送り出すことができる。第１の入力制御部４２は、これらのツール４６の作動のための２つのツールボタン１４４ａおよび１４４ｂを含み得る。延伸／後退が可能なツール４６については、遠位の（すなわち、外科医から最も遠い）ボタン１４４ａは、外科医から遠ざかる方を指す矢印を含み得る。ボタン１４４ａは、押されて保持されると、ツール４６をマニピュレータ外に延伸させ得る。近位のボタン１４４ｂは、外科医に向かって指す矢印を含み得る。ボタン１４４ｂは、押されて保持されると、ツール４６をマニピュレータ先端に後退させ得る。２つのツールボタン１４４ａ、１４４ｂのうちの一方を黄色に着色し、電気外科切除入力を作動させ得る。２つのツールボタン１４４ａ、１４４ｂのうちの他方を青色に着色し、電気外科凝結入力を作動させ得る。これらのボタンの押し下げが、電気接点を開閉するか、または電気外科ジェネレータへの起動入力として機能し得る別の電気情報信号を生成してもよい。この電気外科ジェネレータは、システム１０に含まれていてもよいし、システム１０とインターフェースを取っていてもよい。これらのツールボタン１４４ａ、１４４ｂは、第１の入力制御部４２ハンドルの端部から４０～８０ミリメートルの間にあってもよい。この測定値を図２３Ｂの長さＡで示す。
図２３Ａから理解されるように、いくつかの実施形態では、第１の制御部４２は、２つの統合されたツールボタン１４４ａ、１４４ｂを含み得る。システム１０は、特に、グリップツール、バスケットもしくはスネア等の組織を取り囲んで把持するツール、またはレーザーもしくは電気外科プローブ等のエネルギ送出ツールを含むツール４６のアレイを送り出すことができる。第１の入力制御部４２は、これらのツール４６の作動のための２つのツールボタン１４４ａおよび１４４ｂを含み得る。延伸／後退が可能なツール４６については、遠位の（すなわち、外科医から最も遠い）ボタン１４４ａは、外科医から遠ざかる方を指す矢印を含み得る。ボタン１４４ａは、押されて保持されると、ツール４６をマニピュレータ外に延伸させ得る。近位のボタン１４４ｂは、外科医に向かって指す矢印を含み得る。ボタン１４４ｂは、押されて保持されると、ツール４６をマニピュレータ先端に後退させ得る。２つのツールボタン１４４ａ、１４４ｂのうちの一方を黄色に着色し、電気外科切除入力を作動させ得る。２つのツールボタン１４４ａ、１４４ｂのうちの他方を青色に着色し、電気外科凝結入力を作動させ得る。これらのボタンの押し下げが、電気接点を開閉するか、または電気外科ジェネレータへの起動入力として機能し得る別の電気情報信号を生成してもよい。この電気外科ジェネレータは、システム１０に含まれていてもよいし、システム１０とインターフェースを取っていてもよい。これらのツールボタン１４４ａ、１４４ｂは、第１の入力制御部４２ハンドルの端部から４０～８０ミリメートルの間にあってもよい。この測定値を図２３Ｂの長さＡで示す。
【0083】
外科医入力装置意図性感知
図２６を参照すると、一実施形態では、第１の入力制御部４２ハンドルは、長手方向軸の周囲に巻かれた内部フレキシブル回路基板１８４を含み、ドレープを通して、かつ手袋をはめた状態を含む接触に起因する複数のチャネル（１４６ａ、１４６ｂ、１４６ｃ）の静電容量変化を感知することが可能である。この静電容量感知の目的は、意図性を判断することである。一実施形態では、静電容量式タッチセンサは、長手方向軸の周囲に７つの独立したチャネルを備える。第１の入力制御部４２がケーブルによって誤ってぶつけられるかまたは衝撃を受けた場合、あるいは医師入力コンソール４０が誤ってぶつかった場合、これらの動きは同心チューブマニピュレータには伝えられない。意図性感知は重要な安全上の考慮事項であるが、本実施形態では、他のシステムでよく見られるような、非人間工学的な追加の制約（たとえば、肘の位置、額の位置など）を外科医に加えることがあり得ない。制御システムは、外科医の制御動作を手術部位のマニピュレータに伝達するために、複数のチャネルネル１４６ａ、１４６ｂ、１４６ｃを、潜在的に隣接しないチャネルをアクティブにするために含み得る。これにより、第１の入力部４２がその一側にぶつかり、両側面で把持されていない場合、動きが同心チューブマニピュレータに伝達されないようにされるさらなる安全性を提供し得る。
図２６を参照すると、一実施形態では、第１の入力制御部４２ハンドルは、長手方向軸の周囲に巻かれた内部フレキシブル回路基板１８４を含み、ドレープを通して、かつ手袋をはめた状態を含む接触に起因する複数のチャネル（１４６ａ、１４６ｂ、１４６ｃ）の静電容量変化を感知することが可能である。この静電容量感知の目的は、意図性を判断することである。一実施形態では、静電容量式タッチセンサは、長手方向軸の周囲に７つの独立したチャネルを備える。第１の入力制御部４２がケーブルによって誤ってぶつけられるかまたは衝撃を受けた場合、あるいは医師入力コンソール４０が誤ってぶつかった場合、これらの動きは同心チューブマニピュレータには伝えられない。意図性感知は重要な安全上の考慮事項であるが、本実施形態では、他のシステムでよく見られるような、非人間工学的な追加の制約（たとえば、肘の位置、額の位置など）を外科医に加えることがあり得ない。制御システムは、外科医の制御動作を手術部位のマニピュレータに伝達するために、複数のチャネルネル１４６ａ、１４６ｂ、１４６ｃを、潜在的に隣接しないチャネルをアクティブにするために含み得る。これにより、第１の入力部４２がその一側にぶつかり、両側面で把持されていない場合、動きが同心チューブマニピュレータに伝達されないようにされるさらなる安全性を提供し得る。
【0084】
無菌野における医師インターフェース
先行技術の手術ロボットシステムは、典型的には、医師インターフェースを無菌野外で用いることを必要とする。医師入力コンソール４０は、所望の場合は無菌野内で用いられるように構成されてもよい。図１６および２７Ａを参照すると、いくつかの実施形態では、ドレープバー１５０がドレープ１４８を第１または第２の入力部４２、４４の上に「張られる」ようにし、それによって、動作中にそれらがドレープ１４８と干渉しないようにすることが可能である。ドレープ１４８がドレープサポートバー１５０の上に張られた後、ドレープ１４８は床に向かって下り、上部トレイ１１４と床との間の約半分を覆い得る。図２７Ｂから理解されるように、一実施形態では、ドレープ１４８は、第１または第２の入力制御部４２、４４の両方の上方に延伸してもよく、両側のハンドルと主入力制御部４２、４４シャフトとの間のインターフェースにおいて、引き裂きタブ１５２および被覆ワイヤを含んでもよい。一実施形態では、この被覆ワイヤは固定されることができ、引き裂きタブ１５２は、ドレープ１４８のハンドル部分がドレープの他の部分から独立するように引き裂くことができ、ドレープ１４８を束ねることなく、依然として無菌のインターフェースを維持したまま、接合の制限なく回転させることができる。
先行技術の手術ロボットシステムは、典型的には、医師インターフェースを無菌野外で用いることを必要とする。医師入力コンソール４０は、所望の場合は無菌野内で用いられるように構成されてもよい。図１６および２７Ａを参照すると、いくつかの実施形態では、ドレープバー１５０がドレープ１４８を第１または第２の入力部４２、４４の上に「張られる」ようにし、それによって、動作中にそれらがドレープ１４８と干渉しないようにすることが可能である。ドレープ１４８がドレープサポートバー１５０の上に張られた後、ドレープ１４８は床に向かって下り、上部トレイ１１４と床との間の約半分を覆い得る。図２７Ｂから理解されるように、一実施形態では、ドレープ１４８は、第１または第２の入力制御部４２、４４の両方の上方に延伸してもよく、両側のハンドルと主入力制御部４２、４４シャフトとの間のインターフェースにおいて、引き裂きタブ１５２および被覆ワイヤを含んでもよい。一実施形態では、この被覆ワイヤは固定されることができ、引き裂きタブ１５２は、ドレープ１４８のハンドル部分がドレープの他の部分から独立するように引き裂くことができ、ドレープ１４８を束ねることなく、依然として無菌のインターフェースを維持したまま、接合の制限なく回転させることができる。
【0085】
多関節アームベース
図２８を参照すると、いくつかの実施形態では、多関節アームベース１５４は、スクリーンまたはタッチスクリーン１５６上にセットアップおよび停止のための指示を提供し得る。このスクリーン１５６により、ユーザは、ドレープを適用するために多関節保持アーム１２を延伸する命令を行うことが可能になり得る。スクリーン１５６はさらに、ユーザが保持アーム１２の較正を命令することを可能にし、キャスターブレーキ１５８の適用を可能にし得る。スクリーン１５６は、ディスプレイ６０またはスクリーン１０２を含み得る。いくつかの実施形態では、多関節アームベース１５４は、多関節保持アーム１２を地面から遠ざけるかまたはより近づけて位置づけることを可能にする、作動式または受動式の垂直調整を提供し得る。多関節アームベース１５４は、保持アーム電子コントローラ、電源、または絶縁変圧器等の他のシステム機器用の記憶装置１６０を含むことができる。多関節アームベース１５４は、内視鏡機器および電気外科ジェネレータのための空間を含み得る。
図２８を参照すると、いくつかの実施形態では、多関節アームベース１５４は、スクリーンまたはタッチスクリーン１５６上にセットアップおよび停止のための指示を提供し得る。このスクリーン１５６により、ユーザは、ドレープを適用するために多関節保持アーム１２を延伸する命令を行うことが可能になり得る。スクリーン１５６はさらに、ユーザが保持アーム１２の較正を命令することを可能にし、キャスターブレーキ１５８の適用を可能にし得る。スクリーン１５６は、ディスプレイ６０またはスクリーン１０２を含み得る。いくつかの実施形態では、多関節アームベース１５４は、多関節保持アーム１２を地面から遠ざけるかまたはより近づけて位置づけることを可能にする、作動式または受動式の垂直調整を提供し得る。多関節アームベース１５４は、保持アーム電子コントローラ、電源、または絶縁変圧器等の他のシステム機器用の記憶装置１６０を含むことができる。多関節アームベース１５４は、内視鏡機器および電気外科ジェネレータのための空間を含み得る。
【0086】
図２９を参照すると、多関節アームベース１６２は、手術台５０のレールに装着可能であり得る。この保持アーム１２は、ブレーキ機能を備えた作動式または受動式であってもよい。この装着は、患者の位置づけおよび患者の解剖学的構造に適応するように多関節保持アーム１２の垂直位置の調節を可能にし得る垂直バー１６４を含み得る。
【0087】
一実施形態では、多関節アームベース１６２は、図２８のカートに類似したカートを含み得るが、手術室レールに類似した装着機能を含んでもよく、それによって、多関節保持アーム１２が多くの可能な構成で切り離され、再装着されることができるようにされることができる。これにより、システム１０に対する患者の位置づけおよび臨床的表示のためのさらなる多用性が可能となる。
【0088】
緊急停止装置
図１７を参照すると、一実施形態では、医師入力コンソール４０は、保持アーム１２の動き（作動している場合）、マニピュレータの動き、または電気手術出力を即座に阻止し得る緊急停止装置１６６を含む。図２９を参照すると、多関節アームベース１５４は、タッチスクリーン１５６の近傍に、医師入力コンソール４０の緊急停止装置１６６と同等の機能を果たす緊急停止装置を含み得る。緊急停止装置１６６は、システム１０が予期しないかまたは安全でない方法で挙動している場合の、手術室のスタッフまたは外科医の安全のための機能である。
図１７を参照すると、一実施形態では、医師入力コンソール４０は、保持アーム１２の動き（作動している場合）、マニピュレータの動き、または電気手術出力を即座に阻止し得る緊急停止装置１６６を含む。図２９を参照すると、多関節アームベース１５４は、タッチスクリーン１５６の近傍に、医師入力コンソール４０の緊急停止装置１６６と同等の機能を果たす緊急停止装置を含み得る。緊急停止装置１６６は、システム１０が予期しないかまたは安全でない方法で挙動している場合の、手術室のスタッフまたは外科医の安全のための機能である。
【0089】
モータ制御安全監視システム
図３０を参照すると、一実施形態では、作動ユニット２０は安全監視システム１７０を含む。このシステム１７０の目的は、安全限界が破られた場合にモータシステム１７４の中の１以上のモータ１７２を停止させることである。この安全監視システム１７０は、モータの位置および速度の値を読み取り、命令された位置および速度の値と比較する冗長計算素子（安全中央処理装置１７６（１）および１７６（２）等）を備える。これらの値が安全限界内にある場合、演算素子は心拍信号を心拍モニタ集積回路チップ（心拍モニタ１７８（１）または１７８（２）など）に送信し、心拍モニタ集積回路チップは、アクチュエータへのモータ電力を制御する１以上のモータ駆動部１８２と通信しているセーフティリレー（セーフティリレー１８０（１）または１８０（２）など）をラッチする。演算素子が動かなくなったり、応答しなくなったりした場合、心拍モニタ１７８（１）または１７８（２）は、リレー１８０（１）または１８０（２）を動かしてモータ１７２を停止させる。電力がなければ、セーフティリレー１８０（１）または１８０（２）は開いているため、電力がモータ１７２に到達しない。この基本経路は、安全監視システム１７０が内部冗長性を持つように、冗長センサと並列に繰り返される。起動中、および／または動作中に断続的に、リレー１８０（１）または１８０（２）は、それらが依然として意図されたように開閉されることができることを確実にするために自己試験を行う。この安全監視システム１７０は、３つの独立した故障が同時に、かつ検出されることなく生じて安全性を侵害するおそれがあるが、これは起こる可能性がきわめて低い。この安全監視システム１７０は、作動ユニット２０自体の内部に組み込まれていてもよい。
図３０を参照すると、一実施形態では、作動ユニット２０は安全監視システム１７０を含む。このシステム１７０の目的は、安全限界が破られた場合にモータシステム１７４の中の１以上のモータ１７２を停止させることである。この安全監視システム１７０は、モータの位置および速度の値を読み取り、命令された位置および速度の値と比較する冗長計算素子（安全中央処理装置１７６（１）および１７６（２）等）を備える。これらの値が安全限界内にある場合、演算素子は心拍信号を心拍モニタ集積回路チップ（心拍モニタ１７８（１）または１７８（２）など）に送信し、心拍モニタ集積回路チップは、アクチュエータへのモータ電力を制御する１以上のモータ駆動部１８２と通信しているセーフティリレー（セーフティリレー１８０（１）または１８０（２）など）をラッチする。演算素子が動かなくなったり、応答しなくなったりした場合、心拍モニタ１７８（１）または１７８（２）は、リレー１８０（１）または１８０（２）を動かしてモータ１７２を停止させる。電力がなければ、セーフティリレー１８０（１）または１８０（２）は開いているため、電力がモータ１７２に到達しない。この基本経路は、安全監視システム１７０が内部冗長性を持つように、冗長センサと並列に繰り返される。起動中、および／または動作中に断続的に、リレー１８０（１）または１８０（２）は、それらが依然として意図されたように開閉されることができることを確実にするために自己試験を行う。この安全監視システム１７０は、３つの独立した故障が同時に、かつ検出されることなく生じて安全性を侵害するおそれがあるが、これは起こる可能性がきわめて低い。この安全監視システム１７０は、作動ユニット２０自体の内部に組み込まれていてもよい。
【0090】
カートリッジ感知サブシステム
図３１を参照すると、一実施形態では、機器カートリッジ４１０は、カートリッジ磁石１８４とＲＦＩＤタグ１８６とを含み得る。ＲＦＩＤタグ１８６は、機器カートリッジ４１０のツールタイプに関する情報、機器カートリッジ４１０が以前に使用されたかに関する情報、ＲＦＩＤタグ１８６が第三者によって書き込まれるのを防止したり、不正な機器カートリッジ４１０の使用を防止したりし得るシステム１０によって暗号化されたパスワードを含み得る。いったん機器カートリッジ４１０が挿入されると、システム１０は、機器カートリッジ４１０が以前に使用されていないことを検証し得、挿入されたツール４６のためにマニピュレータ運動学を調整し得る。さらに、カートリッジ感知サブシステムは、埋め込み型磁石およびホールセンサ１８８を利用して、機器カートリッジ４１０が完全に挿入されたことを検出し得る。機器カートリッジ４１０が有効であることが確認され、完全に挿入されていることが確認されるまで、アクチュエータの動きを防止し得る。ＲＦＩＤモジュール１９０は、いずれのカートリッジ４１０が作動ユニット２０の左側に挿入されているか、およびいずれのカートリッジ４１０が作動ユニット２０の右側に挿入されているかを区別するために、読み取り電力を変調することができる。このサブシステムは、システム１０の残部についてソフトウェアの更新を行うことのみを必要とする追加機器を構築することを可能にする。一実施形態では、カートリッジチップセット４４１は、カートリッジ磁石１８４またはＲＦＩＤタグ１８６を含み得る。
図３１を参照すると、一実施形態では、機器カートリッジ４１０は、カートリッジ磁石１８４とＲＦＩＤタグ１８６とを含み得る。ＲＦＩＤタグ１８６は、機器カートリッジ４１０のツールタイプに関する情報、機器カートリッジ４１０が以前に使用されたかに関する情報、ＲＦＩＤタグ１８６が第三者によって書き込まれるのを防止したり、不正な機器カートリッジ４１０の使用を防止したりし得るシステム１０によって暗号化されたパスワードを含み得る。いったん機器カートリッジ４１０が挿入されると、システム１０は、機器カートリッジ４１０が以前に使用されていないことを検証し得、挿入されたツール４６のためにマニピュレータ運動学を調整し得る。さらに、カートリッジ感知サブシステムは、埋め込み型磁石およびホールセンサ１８８を利用して、機器カートリッジ４１０が完全に挿入されたことを検出し得る。機器カートリッジ４１０が有効であることが確認され、完全に挿入されていることが確認されるまで、アクチュエータの動きを防止し得る。ＲＦＩＤモジュール１９０は、いずれのカートリッジ４１０が作動ユニット２０の左側に挿入されているか、およびいずれのカートリッジ４１０が作動ユニット２０の右側に挿入されているかを区別するために、読み取り電力を変調することができる。このサブシステムは、システム１０の残部についてソフトウェアの更新を行うことのみを必要とする追加機器を構築することを可能にする。一実施形態では、カートリッジチップセット４４１は、カートリッジ磁石１８４またはＲＦＩＤタグ１８６を含み得る。
【0091】
ドレープを通した動き：モータパック
図１２を参照すると、１以上の実施形態において、作動ユニット２０は、一体型の継手２２８を有するドレーププレート２２４を含み得る。このプレート２２４は、無菌インターフェースを通してモータの動きを提供し得、それによって、無菌の機器カートリッジ４１０に組み込まれたマニピュレータを作動させることができるようにされる。ドレーププレート２２４は、作動ユニット２０の側壁２０４、２０６にスナップ止めされているため、看護スタッフはセットアップ中に簡単に組み立てることができる。モータ出力継手は、ドレーププレート継手２２８のすぐ後ろに位置してもよく、ドレーププレート２２４がその継手をモータ継手と位置合わせさせることなく壁にスナップ止めされることを可能にする軸方向バネを含み得る。起動中、作動ユニット２０は、その軸の各々を３６０度回転させ、これによって、モータ出力継手がドレーププレート２２４と正しい嵌合位置にしなることが可能になる。そして、継手は、平頭インターフェースを利用して機器カートリッジ４１０の挿入を可能にするように平坦に保持される。図３２は、作動ユニットドレープ１９２に一体化されたドレーププレート２２４を描画する。
図１２を参照すると、１以上の実施形態において、作動ユニット２０は、一体型の継手２２８を有するドレーププレート２２４を含み得る。このプレート２２４は、無菌インターフェースを通してモータの動きを提供し得、それによって、無菌の機器カートリッジ４１０に組み込まれたマニピュレータを作動させることができるようにされる。ドレーププレート２２４は、作動ユニット２０の側壁２０４、２０６にスナップ止めされているため、看護スタッフはセットアップ中に簡単に組み立てることができる。モータ出力継手は、ドレーププレート継手２２８のすぐ後ろに位置してもよく、ドレーププレート２２４がその継手をモータ継手と位置合わせさせることなく壁にスナップ止めされることを可能にする軸方向バネを含み得る。起動中、作動ユニット２０は、その軸の各々を３６０度回転させ、これによって、モータ出力継手がドレーププレート２２４と正しい嵌合位置にしなることが可能になる。そして、継手は、平頭インターフェースを利用して機器カートリッジ４１０の挿入を可能にするように平坦に保持される。図３２は、作動ユニットドレープ１９２に一体化されたドレーププレート２２４を描画する。
【0092】
多関節保持アームロック解除
一実施形態において、多関節保持アーム１２は、強力なパワーグリップのためのグリップハンドルを含む。ハンドルの直径は、１～４インチ（約２．５４ｃｍ～１０．１６ｃｍ）であってもよい。ハンドルは、ロック解除機構を含んでいてもよい。作動式の保持アーム１２の場合、ロック解除機構は、保持アーム制御システムに接続され得るボタンまたはスイッチ接点を含み得る。ロック解除機構は、異なるタイプの動き、たとえば内視鏡軸に沿った動きのみ、大幅に減衰された動き、軽度に減衰された動き、並進のみ（回転なし）、回転のみ、または選択可能な回転中心を中心とする回転のみを可能にする複数のボタンを含み得る。受動式保持アーム１２の場合、ロック解除機構は、多関節保持アーム１２のすべての関節をロック解除する機構を含み得る。ハンドルを作動ユニット２０の質量中心付近に位置させてもよく、それによって、外科手術室スタッフが彼らの手に大きなトルクを感じることなく、より容易に操作できるようにされる。
一実施形態において、多関節保持アーム１２は、強力なパワーグリップのためのグリップハンドルを含む。ハンドルの直径は、１～４インチ（約２．５４ｃｍ～１０．１６ｃｍ）であってもよい。ハンドルは、ロック解除機構を含んでいてもよい。作動式の保持アーム１２の場合、ロック解除機構は、保持アーム制御システムに接続され得るボタンまたはスイッチ接点を含み得る。ロック解除機構は、異なるタイプの動き、たとえば内視鏡軸に沿った動きのみ、大幅に減衰された動き、軽度に減衰された動き、並進のみ（回転なし）、回転のみ、または選択可能な回転中心を中心とする回転のみを可能にする複数のボタンを含み得る。受動式保持アーム１２の場合、ロック解除機構は、多関節保持アーム１２のすべての関節をロック解除する機構を含み得る。ハンドルを作動ユニット２０の質量中心付近に位置させてもよく、それによって、外科手術室スタッフが彼らの手に大きなトルクを感じることなく、より容易に操作できるようにされる。
【0093】
機器カートリッジ送出可能ツールインターフェース
図１４を参照すると、一実施形態では、機器カートリッジ４１０は、機器カートリッジ４１０の背面から同心チューブマニピュレータの内腔へのユーザアクセスを含み得る。移動ロッド４９０は、ユーザアクセスを提供し得る。この移動ロッド４９０は、同心チューブマニピュレータの最も内側のチューブとともに移動し得る。同心チューブマニピュレータの最も内側のチューブの遠位先端は、外科医が術野で見る機器の先端を含み得る。送達可能なツール４６または器具が、このロッド４９０を通してマニピュレータの先端に送り出され、可動ロッド４９０に固定されると、この機器はマニピュレータの先端とともに移動し得る。可動ロッド４９０は、レーザーファイバまたは電気外科用プローブ等の送り出し可能な機器を軸方向に保持するためのコレット機構または同様の機構を備えていてもよい。これにより、機器カートリッジ４１０内部に、あらかじめ組み立てられて提供される必要のない既存のプローブまたは装置を使用することが可能になる。また、これらの機器が再度加工されることが可能であれば、再利用の可能性を可能にし、処置のための病院の経費を節約が可能になる。
図１４を参照すると、一実施形態では、機器カートリッジ４１０は、機器カートリッジ４１０の背面から同心チューブマニピュレータの内腔へのユーザアクセスを含み得る。移動ロッド４９０は、ユーザアクセスを提供し得る。この移動ロッド４９０は、同心チューブマニピュレータの最も内側のチューブとともに移動し得る。同心チューブマニピュレータの最も内側のチューブの遠位先端は、外科医が術野で見る機器の先端を含み得る。送達可能なツール４６または器具が、このロッド４９０を通してマニピュレータの先端に送り出され、可動ロッド４９０に固定されると、この機器はマニピュレータの先端とともに移動し得る。可動ロッド４９０は、レーザーファイバまたは電気外科用プローブ等の送り出し可能な機器を軸方向に保持するためのコレット機構または同様の機構を備えていてもよい。これにより、機器カートリッジ４１０内部に、あらかじめ組み立てられて提供される必要のない既存のプローブまたは装置を使用することが可能になる。また、これらの機器が再度加工されることが可能であれば、再利用の可能性を可能にし、処置のための病院の経費を節約が可能になる。
【0094】
非環状同心チューブマニピュレータ先端部
図３３Ａおよび３３Ｂを参照すると、一実施形態では、同心チューブアセンブリ２４の最も内側のチューブの先端部１９４が示される。いくつかのツール構成では、先端部１９４を非環状断面に形成することが有用である。同心チューブマニピュレータは、異なる形状に温度設定されることができる材料であるニチノールを含み得る。この非環状形状は、非環状断面を有するツール４６に有用であり得る。これらのツール４６は、依然としてチューブ内を並進することが可能であり得るが、マニピュレータ先端部１９４に対して回転することは妨げられる。これは、ツール４６が比較的高いねじり剛性を提供し得ることを意味し、このことは、多くの外科的状況で有用であり得る。このことは、たとえば、電気外科プローブをより硬く、より頑丈にしたり、または把持具または引き込み具をより頑丈にすることを可能にし、たわむことなく組織により大きな力を加えることが可能になり、より有用な引き込み具を可能にする。
図３３Ａおよび３３Ｂを参照すると、一実施形態では、同心チューブアセンブリ２４の最も内側のチューブの先端部１９４が示される。いくつかのツール構成では、先端部１９４を非環状断面に形成することが有用である。同心チューブマニピュレータは、異なる形状に温度設定されることができる材料であるニチノールを含み得る。この非環状形状は、非環状断面を有するツール４６に有用であり得る。これらのツール４６は、依然としてチューブ内を並進することが可能であり得るが、マニピュレータ先端部１９４に対して回転することは妨げられる。これは、ツール４６が比較的高いねじり剛性を提供し得ることを意味し、このことは、多くの外科的状況で有用であり得る。このことは、たとえば、電気外科プローブをより硬く、より頑丈にしたり、または把持具または引き込み具をより頑丈にすることを可能にし、たわむことなく組織により大きな力を加えることが可能になり、より有用な引き込み具を可能にする。
【0095】
このように、新規かつ有用な本発明の低侵襲手術を行うためのシステムの特定の実施形態を説明してきたが、そのような言及は、以下の特許請求の範囲または本仮出願の優先権を主張する今後の出願に提供される追加の特許請求の範囲に記載されている場合を除き、本発明の範囲を限定するものとして解釈されることは意図されていない。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19A】
【図19B】
【図20A】
【図20B】
【図21】
【図22】
【図23A】
【図23B】
【図24】
【図25】
【図26】
【図27A】
【図27B】
【図28】
【図29】
【図30】
【図31】
【図32】
【図33A】
【図33B】
【図34】
【国際調査報告】