JP2014000117A - 医療用マニピュレータ及び、それを備えた医療用画像システム - Google Patents

Abstract

【課題】 非常事態発生時にマニュピュレータを保護することが可能なフェイルセーフ機構を備える医療用マニピュレータを提供することを目的とする。
【解決手段】 医療用マニピュレータが、支持部と、前記支持部に支持されるとともに、交流電圧の印加によって振動波が励起される振動体と、前記振動波を受けて前記振動体に対して相対移動する移動体と、前記振動体と前記移動体との間に圧力を印加する加圧手段と、を備える駆動部と、前記駆動部に支持されるマニピュレータ部と、非常時であることを検知する非常検知手段と、前記非常検知手段から送信された非常検知信号に基づいて、前記マニピュレータ部と前記支持部との静止時トルクを遮断する遮断手段と、を備えていることを特徴とする。
【選択図】 図２

Description

本発明は、振動型アクチュエータを駆動源として備える医療用装置に関し、より詳細には、振動型アクチュエータを駆動源として備える医療用マニピュレータを保護するフェイルセーフ機構に関する。

近年、マニピュレータ等の医療用ロボティクス装置に関して、盛んに研究がなされている。磁気共鳴画像（ＭＲＩ：Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ Ｉｍａｇｉｎｇ）装置を用いたバイオプシーシステムはその代表例で、ＭＲ画像を見ながらマニピュレータの位置を制御し、採取位置を高精度にした生検を行うものである。ＭＲＩは、被験者の測定部位に静磁場および特定の高周波磁場を与え、これによって被験者の内部で発生する核磁気共鳴現象を応用して画像化するものである。

ところで、ＭＲＩは、強磁場を用いるため、マニピュレータの動力源として一般的な電磁モータを利用することはできない。このため、超音波モータに代表される振動型アクチュエータを上記動力源として用いるシステムが種々提案されている。例えば特許文献１では、機能的ＭＲＩと呼ばれる方法を用いて強磁場環境下で被験者に視覚刺激を与える方法を開示している。

また、非特許文献１では、ＭＲＩを利用した穿刺手術法と穿刺装置システムが開示されている。

特開２０１１−２４５２０２号公報

ＭＲ画像誘導機能を有する小型穿刺マニピュレータシステム．日本コンピュータ外科学会誌９（２）：９１−１０１，２００７

振動型アクチュエータは、ローレンツ力を駆動力として利用する電磁モータに対して、低速高トルク動作という特徴から、減速機を必要としないダイレクトドライブ駆動が可能である。従って、振動型アクチュエータは、バッククラッシュを抑制した、高精度、高速応答の制御を実現できる特長を備え、医療用マニピュレータへの応用が期待されている。しかしながら、医療用マニピュレータに振動型アクチュエータを動力源として適用するにあたっては、次のような課題があった。

ローレンツ力を駆動力として利用する電磁モータは、ロータとステータは非接触な構造を取る。かかる電磁モータは、その構造上、コギングトルクや減速器起因の摩擦トルクを除いて、非通電時にはトルクを発生しない。これに対して、振動型アクチュエータは振動体であるステータと移動体であるロータ間の摩擦力によって、振動体から移動体に対して動力が伝達される性質上、非通電時にも振動体と移動体間にトルクを有することが特徴である。従って、振動型アクチュエータを動力源として備える医療用マニピュレータにおいては、例えば、医療用マニピュレータの稼働中に、医療用マニピュレータへの外部供給電力が絶たれたような非常時を想定すると、被験者と接触状態にあるマニピュレータが、被験者に接触した状態に留まってしまう可能性がある。この場合、被検者の動きによりマニピュレータを破損してしまうという問題があった。

また、医療用マニピュレータが利用される機会として、特許文献１のような、医療用画像撮影装置と組合せた医療用画像システムがある。係る医療用画像システムの本来の動作時においては、被験者の部位とマニピュレータとの位置関係を、定量的に把握しながらマニピュレータの操作量を制御することが可能となり、より精度の高い遠隔操作を実現できるメリットがある。一方で、係る医療用画像システムは、操作系、画像観測系、監視系等の複合的な制御の前提に立って動作しているとも言える。従って、係る医療用画像システムへの電源供給が断たれるなどの非常時を想定すると、医療用画像システムの制御性の低下が、操作系、画像観測系、監視系で同時に生ずることを意味する。従って、医療用画像撮影装置と組合せて使用するケースが想定される医療用マニピュレータにおいては、そのようなケースに対して、より確実にマニュピュレータを保護するためのフェイルセーフ機構が求められている。

本発明は、支持部と、前記支持部に支持されるとともに、交流電圧の印加によって振動波が励起される振動体と、前記振動波を受けて前記振動体に対して相対移動する移動体と、前記振動体と前記移動体との間に圧力を印加する加圧手段と、を備える駆動部と、前記駆動部に支持されるマニピュレータ部と、非常時であることを検知する非常検知手段と、前記非常検知手段から送信された非常検知信号に基づいて、前記マニピュレータ部と前記支持部との静止時トルクを遮断する遮断手段と、を備えていることを特徴とする。

以上説明したように、本願発明によれば、振動型アクチュエータを備えた医療用マニピュレータにおいて、停電等の非常時に、医療用マニピュレータが備える支持部とマニピュレータ部間がロックされることを防止するフェイルセーフ機構を備えた医療用マニピュレータを提供することが可能となる。

さらには、本願発明によれば、振動型アクチュエータを備えた医療用マニピュレータにおいて、停電等の非常時に、振動型アクチュエータの振動体（ステータ側）と移動体（ロータ側）の静止時トルクによる影響を防止するフェイルセーフ機構を備えた医療用マニピュレータを提供することが可能となる。

さらには、本願発明によれば、振動体（ステータ側）と移動体（ロータ側）の静止時トルク自体を遮断するフェイルセーフ機構を備えた医療装置の駆動源に適用される振動型アクチュエータを提供することが可能となる。

本発明の医療用マニピュレータにおける第１の態様の接続形態を示すブロック図 本発明の医療用マニピュレータにおける第２の態様の接続形態を示すブロック図 本発明の医療用マニピュレータを医療用穿刺装置（Ａ）、医療用バイオプシー装置（Ｂ）に適用した形態を示す図 本発明の医療用マニピュレータと駆動装置との接続関係を示すブロック図 本発明の医療用マニピュレータの外部装置との接続関係を示すブロック図 本発明の第２の態様における、実施形態を示す概略断面図 本発明における医療用マニピュレータと、被験者との位置関係または医療用画像撮影装置との接続形態を説明する図 従来の医療用マニピュレータの接続形態を示すブロック図 本発明に適用可能な振動型アクチュエータの構成例を示す概略断面図 本発明の第１の態様に適用可能なメカニカルクラッチ（Ａ）と、バイオプシー装置への適用例（Ｂ）、（Ｃ）

まず、図９を用いて、本発明の医療用マニピュレータに適用可能な、振動型アクチュエータについて説明する。図９は、円環型超音波モータ１０の概略構成を示す断面模式図である。図９においては、後述する本発明の第１の態様および第２の態様の特徴の一つである遮断手段５、および、本発明の第２の態様の特徴の一つである圧力制御手段７は、簡単の為に省略してある。

圧電素子３１は、円環状の振動子３２に、円環状に張り付けられている。圧電素子３１は、印加された電気信号によって振動を励起する。かかる圧電素子３１に印加する電気信号としては、少なくとも交流電圧が含まれる。振動子３２は圧電素子３１が励起した振動をたわみ振動として増幅する。移動体２と振動子３２との間には加圧手段３による圧力が印加されており、振動子３２の振動が摩擦力によって移動体２に伝えられ、移動体２は回転運動をする。移動体２とトルク伝達部材３５は加圧手段３によって連結されており、移動体２の回転は出力軸３６の回転となる。出力軸３６は、軸受３７によって筺体３８に対し回転自在となるように構成されている。一方、振動子３２は、連結部３９によって筐体３８に対し固定されている。なお、本発明においては、振動子３２、圧電素子３１とからなる構造を、まとめて振動体１と称する。

なお、本発明の医療用マニピュレータに適用可能な振動型アクチュエータは、振動体１と移動体２とをそれぞれ回転軸３６を中心として円環状に配置されている円環型が、図９に示されているが、本発明は円環型に限定されない。例えば、直線状に振動体１と移動体２とがそれぞれ配置された直線型、二重管を構成する内管と外管とに、振動体１と移動体２のいずれか一方と他方とが、それぞれ配置された管型等の形態を、本発明は含む。

なお、加圧手段３は、回転軸３６の軸方向に圧力を加えるが、回転方向には変形しない構成とされ、皿バネ等を用いることが可能である。加圧手段３の軸方向圧力により、振動型アクチュエータは、静止時トルクを有しており、これがローレンツ力を駆動力とする電磁モータと大きく異なる特徴である。また、電磁モータと比べ低速大トルク動作が可能であるという長所を有し、これを生かして減速機を排したダイレクトドライブ機構を採用しやすいという特徴がある。本発明においても、振動型アクチュエータをダイレクトドライブ動作させることを好ましい形態としている。

次に、図８を用いて、従来のマニピュレータの構成例とその問題点を説明する。図８（Ａ）は、図８（Ｂ）または図８（Ｃ）に示す駆動部４を備えたマニピュレータの接続関係を示すである。

図８（Ａ）が示す従来のマニピュレータは、本発明の特徴である遮断手段５と非常検知手段６、および、圧力制御手段７を備えていない。従って、駆動部４、即ち振動型アクチュエータの駆動状態に関わらず、振動体１と移動体２との間は、常に、加圧手段３によって加圧され摩擦力が生じている状態にある。さらには、支持部８−駆動部４−マニピュレータ部９に至る径路上には、支持部８−駆動部４−マニピュレータ部９の連結状態を機械的に分離する遮断機構が無い。従って、支持部８とマニピュレータ部９との間には、静止時トルクが、駆動部４の駆動状態に関わらず発生している。停電等に起因する非常時に、被験者に対してマニピュレータ部９の先端が固定される可能性がある。

次に、図１、図９を用いて本発明の第１の態様を説明する。図１（Ａ）〜（Ｄ）の各図は、破線囲み領域内に、本発明の第１の態様である振動型アクチュエータを備えた医療用マニピュレータが備える要素間の接続関係を示している。また図１（Ｆ）、（Ｇ）は、図１（Ａ）〜（Ｄ）に記載した駆動部が備える要素間の接続関係を示している。さらに、図９は、本発明の第１の態様に適用可能な、圧電素子を用いた円環型超音波モータの概略構成を示す断面模式図である。

本発明の第１の態様の医療用マニピュレータは、図１（Ａ）〜（Ｄ）に示すように、支持部８と、駆動部４と、マニピュレータ部９と、非常検知手段６と、遮断手段５とを備える。さらに、駆動部４は、図１（Ｆ）、（Ｇ）に示すように、振動体１と、移動体２と、加圧手段３とを備えている。

図１（Ａ）〜（Ｄ）に示すように、支持部８と駆動部４とマニピュレータ部は、この順に配置される。

また、図１（Ｆ）、（Ｇ）に示すように、支持部８は、駆動部４が備える振動体１または移動体２のいずれか一方と固定された部位を備え、マニピュレータ部９は、駆動部４が備える振動体１または移動体２のいずれか他方と固定された部位を備える。また、振動体１と移動体２とは、加圧手段３によって、互いに接触し、摩擦力が生じる状態となっている。以上の接続形態とすることにより、本発明の医療用マニピュレータは、駆動部４の駆動動作に伴い、振動体１と移動体２との相対移動を、支持部８とマニピュレータ部９との相対移動に変換して、マニピュレート動作を実現するものである。このような接続形態とすることで、マニピュレータ部９と被験者との相対距離を制御することが可能となっている。

次に、本発明の医療用マニピュレータの第１の態様の特徴と効果について図１を用いて説明する。本発明の第１の態様は、図１（Ａ）〜（Ｄ）の各図に示すように、支持部８から駆動部４を介してマニピュレータ部９に至る径路のいずれかに、遮断手段５を備える。遮断手段５は、非常検知手段６から送信された非常検知信号２０に基づいて、連結状態から、遮断状態に切替ることが可能な手段である。第１の態様において、非常検知手段６と遮断手段５とを備えることにより、振動体１と移動体２との間に摩擦力が生じている、すなわち加圧されている状態においても、非常検知手段６から送られた非常検知信号に基づいて、瞬時に、遮断手段５が、支持部８とマニピュレータ部９との間の接続状態を解除することが可能となる。

前述の「接続」は、機械的に連結している状態を種々選択可能であることを意味しており、他の構造部材を介す事を含む。他の構造部材としては、後述する、本発明の第１の態様の特徴の１つである遮断手段５を含む。遮断手段５としては、非常検知手段６からの非常検知信号２０の通知により遮断動作が実行されれば、空圧シリンダを含むガス圧シリンダ、油圧シリンダを含む液圧シリンダ、電磁式クラッチ、メカニカルクラッチ、エアクラッチ等の、様々なデバイスを使用することが可能である。

非常検知信号２０は、遮断手段５のデバイスに応じて、圧縮空気、圧縮窒素、油、水、エチレングリコール等の非圧縮性流体、電気信号、機械的伝達等を適宜選択することが可能である。遮断手段５が、電磁クラッチを構成要素として備える場合には、電気信号、圧縮空気の流量または圧力をパラメータとする空圧信号を非常検知信号とすることができる。

遮断手段５をメカニカルクラッチで構成する場合には、図１０（Ａ）に示すワンウェイクラッチ５６を適用可能である。ワンウェイクラッチ５６は、外輪５０、内輪５１、内輪アーム５４、輪留め５５、ポケット５２、カウンターウェイト６１、可動ウェイト６２、支点６４、不図示のスプリングになる。不図示のスプリングは、カウンターウェイト６１内に配設された収納空間のうち支点６４に近い内壁に一端が連結され、他端が可動ウェイトに連結されている。ポケット５２は、回転方向において、ポケット５２の内部の長さ、ポケット５２の開口部の長さ、輪留め５５の長さがこの順で短くなっている。即ち、ポケット５２は、所定の条件の元で、ポケット５２内に輪留め５５を留めて、内輪５１と外輪５０を連結する、カム面を規定している。

このように接続されたワンウェイクラッチ５６は、内輪５１の左方向７０の回転加速度が所定の加速度を超えた場合に以下のような機構によって、内輪５１と外輪５０との連結が解除される。
・内輪５１の左方向７０の回転が増大する。
・可動ウェイト６２に掛かる慣性力が、スプリングの弾性力に打ち勝って、可動ウェイトが支点６４から遠ざかる方向に移動する。
・カウンターウェイト６１と可動ウェイト６２とを合算したウェイトの、支点６４に対する回転モーメントＭ１が増大する。
・輪留め５５の支点６４に対する回転モーメントＭ２より、カウンターウェイト６１と可動ウェイト６２の合算したウェイトの、支点６４に対する回転モーメントＭ１が大となる。
・カウンターウェイト６１が遠心力により外輪５０方向に移動する。
・輪留め５５が、外輪５０の内周面に配設されたポケット５２から内輪５１方向に外れる。
・内輪５１と外輪５０の連結が解除される。

以上の各「・」の説明は、ワンウェイクラッチ５６の作動機構を判りやすく説明する為に分けて記述したものであって、時間的な経過を必ずしも示すものではない、実際には各「・」の作動はほぼ同時に起こる。

内輪５１と外輪５０の連結が解除される加速度条件ω_２（ｒａｄ／ｓ^２）は、スプリングの弾性定数、長さ、カウンターウェイト６１、可動ウェイト６２、輪留め５５の質量、アーム５４、輪留め５５―支点６４−カウンターウェイト６１―収納空間の回転方向の長さの比率によって適宜変更が可能である。即ち、遮断手段５が、図１０（Ａ）に示すワンウェイクラッチ５６の場合には、＜アーム５４、輪留め５６、ポケット５２、カウンターウェイト６１、可動ウェイト６２、支点６４、不図示のスプリング、収納空間＞、により構成された手段が、非常検知手段６であり、非常検知信号２０は、回転モーメントの差分ΔＭ（＝Ｍ２−Ｍ１）と捉えられる。

従って、図１０（Ａ）に記載のワンウェイクラッチ５６は、図１（Ｂ）の遮断手段５であるとともに、非常検知信号２０を遮断手段５に出力する非常検知手段６を兼ね備えていると捉えられる。

なお、内輪５１が右回転５９方向に回転した場合には、可動ウェイト６２は、支点６４側に留まるので、カウンターウェイト６１の支点６４に対する回転モーメントの増大は抑制され、輪留め５５の支点６４に対する回転モーメントを超えないので、輪留め５５は、外輪５０に押し付けられポケット５２に留まり続ける。結果として、内輪５１と外輪５０は、連結した状態を維持する。

また、振動型アクチュエータの特徴においても、駆動部４の通常のマニピュレート動作加速度ω_０（ｒａｄ／ｓ^２）は、非常時の手動の操作によるマニピュレータ部９の加速度ω_１（ｒａｄ／ｓ^２）に対して、充分低い加速度域で動作させることが可能である。通常のマニピュレート動作加速度ω_０の上限加速度をω_０ｍａｘ（ｒａｄ／ｓ^２）とすると、非常時の手動の操作によるマニピュレータ部９と駆動４との連結解除の加速度条件ω_２（ｒａｄ／ｓ^２）は、ω_０≦ω_０ｍａｘ＜＜ω_２≦ω_１を満たすように設定する事により、医療用マニピュレータとしての正逆両方向のマニピュレート動作と、非常時の遮断部５の連結を被験者から遠ざける方向のみ解除する動作とを両立させることが可能である。

従って、図１（Ｂ）に示す第１の態様は、図１０（Ａ）に図示したワンウェイクラッチ５６を使用した場合には、図１０（Ｂ）に示すように、内輪５１の内周部をマニピュレータ部９の外周部に、外輪５０の外周部を駆動部４の内周部に、それぞれ固定することにより実施することが可能である。この構成によれば、マニピュレータ部９に対して、図１（Ｂ）に示すように、被験者から遠ざける方向に向かう強度成分を有する、所定の外力７１を印加した際に、図１０（Ｂ）のマニピュレータ部９は、連結解除の加速度条件ω_２（ｒａｄ／ｓ^２）より大の条件で７０方向に回転し、内輪５１と外輪５０との連結が解除され、以ってマニピュレータ部９と駆動部４との連結が解除される。

また、図１の各図に示した本発明の第一の態様の遮断手段５は、図１０（Ａ）に記載したワンウェイクラッチ５６に、不図示の電磁石をさらに設けて電磁クラッチ機構を備えた変形例も含む。

次に、図３および図７（Ａ）、（Ｂ）を用いて、支持部８ について説明する。図７（Ａ）、（Ｂ）は、本発明における医療用マニピュレータと、被験者との位置関係、および、寝台との接続関係を示す図である。

支持部８の被験者４０に対する位置決めは、被験者表面または被験者に固定された装具、衣服に対して静置さる冶具、寝台等の外部装置の構成の一部等、に対して規定される。図７（Ａ）、（Ｂ）においては、寝台４１に対して支持部８が固定されている。

支持部８は、駆動部４とマニピュレータ部４の質量や動作に対して安定して、それらを支持可能となるように、軽量かつ剛性を備えた構造である事が望ましい。また、支持部８に対する駆動部４の位置決め自由度の観点から、支持部８は、回転、直線、曲線等の位置、方向を調整する自由度を備えた調整機構を備えていることが望ましい。図７（Ａ）、（Ｂ）においては、高さ方向位置調整、水平方向位置調整、方位角調整、仰角調整を可能とする調整機構を備えている。さらに、前述の調整機構は、所定の駆動源を備えることにより遠隔操作により位置決めを行える調整機構とすることも可能である。

次に、図４を用いて、本発明の医療用マニピュレータを制御する駆動装置１２と、本発明の医療用マニピュレータとの接続形態の例を説明する。図４は、図１、図２の点線の囲み領域内に記載した医療用マニピュレータ３０の駆動部４に、駆動装置１２を接続している医療用マニピュレータ制御システムである。マニピュレータ部９は、駆動部４の一端に固定され、駆動部４の他端は、支持部８と固定されている。このような接続関係とすることにより、支持部８に対して、マニピュレータ部９を相対的に位置制御可能としている。さらに、本発明の医療用マニピュレータは、位置情報検知手段１３、受信部２３を備えることにより、駆動部４に対するマニピュレータ部９の位置情報信号１４を駆動装置１２に送信することが可能となり、より正確な位置制御を可能とする形態としてこれを含む。図４では、位置情報検知手段１３から送信された位置情報信号１４を受信する受信部２３を、駆動装置１２が備える形態を示している。さらに、図４では、受信部２３が受信した位置情報信号１４に基づいて、駆動装置１２が駆動部４に対してマニピュレータ部駆動信号２２を送信することを示している。

次に、図３を用いて、本発明の医療用マニピュレータに、付加機能を付与した例を説明する。図３は、図４に記載の医療用マニピュレータを、医療用穿刺装置（Ａ）、医療用バイオプシー装置（Ｂ）に適用した形態を示す図である。図３（Ａ）では、被験者の体内に穿刺する穿刺手段１５が、マニピュレータ部９に対して相対移動が可能となるように接続されている医療装置である。穿刺手段１５の一端は、穿刺手段駆動部１６に固定され、穿刺手段駆動部１６は、マニピュレータ部９に固定されている。このような接続関係とすることにより、マニピュレータ部９に対して、穿刺手段１５を相対的に位置制御を可能としているとともに、支持部８に対して、穿刺手段１５を相対的に位置制御可能としている。図３（Ｂ）には、図３（Ａ）の穿刺手段１５と、穿刺手段駆動部１６の代わりに、被験者の体組織を採取可能な採取手段１７と、採取手段駆動部１８を、それぞれ配置したバイオプシー装置を示している。以上の様に、本発明の医療用マニピュレータのマニピュレータ部に、施術支援冶具、検査冶具、センサ等の任意の手段を接続して、より一層の高機能化やフェイルセーフ機構の向上をはかる形態とすることが可能である。

図３では不図示であるが、穿刺手段駆動部１６、採取手段駆動部１８は、駆動回路と接続されている。付加機能の為の駆動回路は、図４に記載のように、駆動装置１２に統合されることが好ましい。前述の統合により、マニピュレータ部９の位置制御と、付加機能の操作を一元的に行うことが可能となる。図４においては、採取手段駆動部１８に対して、駆動装置１２から、採取手段駆動信号１９を送信することを示している。

次に、図５を用いて、本発明の医療用マニピュレータが備える非常検知手段と、外部装置との接続例について説明する。図５では、外部装置２７として、ＭＲＩ装置を適用した場合について、本発明の駆動装置１２と外部装置２７の接続関係を示している。駆動装置１２は、非常検知手段６を備え、非常検知手段６は、外部装置２７が備えている非常信号送信部２９と接続されている。非常信号送信部２９は、外部装置２７が、振動、漏電等の非常状態、および、操作者や被験者等の人間による手動の指示を検知した場合に、非常検知手段６に対して非常信号２８を送信するものである。さらに、外部装置２７は、送信部２４を備え、駆動装置１２が備える目標位置受信部２５に対して、外部装置２７が記憶している目標位置情報に基づき、目標位置信号２６を送信する形態とすることも可能である。このように形態とすることにより、駆動装置１２は、マニピュレータ部９の到達すべき目標位置に対して、マニピュレータ部９の位置情報を比較して、通常のマニピュレータ部駆動信号２２を送信し、必要に応じて、非常検知信号２０を送信する機能を備えることが可能である。前述の非常信号２８が、外部装置２７から送信される非常状態には、医療用マニピュレータが備える各部（駆動部４，支持部８，マニピュレータ部９）、寝台４１、寝台基礎４２の不正位置、振動等の異常状態を含む。

次に、図７を用いて、本発明の医療用マニピュレータと、被験者または医療用画像撮影装置との接続形態を説明する。図７（Ａ）、（Ｂ）は、寝台基礎４２と寝台４１とからなる可動寝台に、本発明の医療用マニピュレータを接続した医療用画像システムを、水平面内のうち、寝台４１の短手方向側と長手方向側とから見た概略配置図である。図７の各図においては、不図示であるが、ベルト、緩衝材等の位置決め部材によって、被験者４０は寝台に拘束されて配置することが可能となっている。従って、支持部８を、寝台に対して固定することにより、実質的に、支持部８は、被験者４０に対する位置決めがなされていると、捉える事が可能である。次に、図７（Ｃ）、（Ｄ）は、図７（Ａ）、（Ｂ）に図示した可動寝台を備えた医療用画像撮影装置に、本発明の医療用マニピュレータを適用した、概略配置図である。

本発明の医療用マニピュレータは、医療用画像撮影装置の画像取得に支障をきたさないようにするために、ワークディスタンスやサイズ等を規定される。図７（Ｃ）、（Ｄ）においては、本発明の医療用マニピュレータは、ＭＲＩ撮影装置４３の筒状計測部４４内に収まるように、寝台４１に接続されている。

次に、図１、図２、図６を用いて、本発明の第２の態様を説明する。図２の各図は、図１（Ｅ）に対応する、複数の形態を示す図面であり、この形態を本発明の第２の態様と称する。第２の態様においては、図１（Ｅ）および図２の各図が示すように、振動体１と移動体２との間に働く加圧力に対して、直接的に遮断するように遮断手段５を配置している。

図２（Ａ）は、加圧手段３と、遮断手段５とが、並列的に配置された構成である。また、図２（Ｂ）および図２（Ｃ）は、加圧手段３と遮断手段５とが、それぞれの作用を兼ね備えた一体的なデバイスからなる場合を示しており、その具体例は、図６（Ｂ）に概略断面図として示している。図２（Ｄ）は、加圧手段３と、遮断手段５とが、直列的に配置された構成である。図２（Ｄ）の構成では、加圧手段３に直列的に接続された圧力制御手段７が、加圧力を制御することと捉えることが可能である。図２（Ｄ）に示す態様の具体例は、図６（Ａ）に概略断面図として示している。図６（Ａ）および図６（Ｂ）の動作については、実施例にて詳述する。

図２各図が示すような配置とすることにより、第２の態様は、非常時に振動型アクチュエータの静止時トルク自体を遮断する構造となっていることが特徴である。第２の特徴においては、遮断手段を振動型アクチュエータのデバイス構造に内蔵することが可能である為、省部品点数化、小型化、軽量化において、特に有利である。また、駆動部４以外の位置に遮断手段５を備える形態においては、遮断手段５の部分が持つ機械精度が医療用マニピュレータの位置制御精度に影響を及ぼす。然しながら、第２の態様においては、バッククラッシュ等の影響を本質的に持たないので、通常動作時の医療用マニピュレータの位置制御精度を損なわずに、マニュピュレータの保護性を高めることが可能となる。

本発明の第１および第２のいずれの態様においても、加圧手段３と遮断手段５のうち、少なくともいずれか一方が、所定の期間選択されて加圧動作または遮断動作することを含む。遮断手段５が常時動作し、加圧手段３が所定の期間選択されて動作する形態が、ノーマリーオフ（常時圧解除）型の加圧機構を構成するので好ましい形態である。

加圧手段３は、弾性部材等の可逆的な変形部材、空圧シリンダを含むガス圧シリンダ、油圧シリンダを含む液圧シリンダ、電磁式クラッチ、メカニカルクラッチ等の、様々なデバイスを使用することが可能である。前述のノーマリーオフ型の加圧機構を構成する点においては、ガス圧シリンダ、液圧シリンダ、電磁式クラッチの遠隔制御手段との親和性の高いデバイスを適用することが好ましい。

本発明の医療用マニピュレータによれば、振動型アクチュエータを備えているので、減速機不要のメリットとして高精度のダイレクトドライブが可能である特長を維持した上で、非常時においてもマニュピュレータを保護できるフェイルセーフ機構を備えた医療装置を提供することが可能となる。

さらには、外部装置から出力された非常検知信号に対応した動作するフェイルセーフ機構を備えているので、外部装置が持つ位置情報を利用した停止システムとすることが可能となり、より一層のマニュピュレータの保護を確保することが可能となる。

外部装置としては、ＭＲＩ撮影装置、放射線画像撮影装置、超音波画像撮影装置等の医療用画像撮影装置に適用が可能である。

また、本発明の医療用マニピュレータの利用機会としては、生体検査（バイオプシー）、手術の補助、機能的ＭＲＩ解析による大脳皮質の高次機能検査、リハビリテーション等の様々な態様があげられる。

（実施例１）
本実施例は、図６（Ａ）に示す遮断手段として圧力制御手段を備えた振動型アクチュエータを用いて、図２（Ｄ）に示す本発明の第２の態様の医療用マニピュレータを構成し、さらに、図４に示すバイオプシー装置を構成した例である。

まず、本実施例のバイオプシー装置の構成について説明する。

図４は、本実施例における医療用マニピュレータを、バイオプシー装置に適用した構成を模式的に示した図である。駆動装置１２は、駆動部４を制御する不図示の制御回路を備えている。本実施例のバイオプシー装置は、さらに、マニピュレータ部９に接続された位置検出器１３を備えている。位置検出器１３は、駆動装置１２と電気的に接続されて、マニピュレータ部９の位置情報に基づいて、駆動部４をフィードバック制御可能な配置となっている。マニピュレータ部９は、採取手段駆動部１８を介して、採取手段１７と接続されて、バイオプシー装置として構成される。

図６（Ａ）には、本実施例に適用した振動型アクチュエータと、圧力制御手段、非常検知手段６との接続関係を模式的に示した。本図を用いて各部の関係ならびに動作を説明する。本実施例の振動型アクチュエータは、回転軸３６と連結した移動体２が、軸受３７を介して筺体３８に対して回転自在な状態で接続されている。さらに、振動体１は、空圧シリンダ１４０を介して筺体３８に接続され、回転軸方向に可動となっている。

空圧シリンダ１４０は、樹脂性の中空の管を介して電磁弁１４１に接続され、電磁弁１４１からの圧縮空気の供給レベル（これ以降「空圧レベル」）により、移動体２と振動体１間の加圧力を遠隔制御されるようになっている。電磁弁１４１には、空圧制御用の電磁弁１４１を使用した。図２（Ｄ）を用いて図６（Ａ）の接続関係を言い換えると、電磁弁１４１を備えた圧力制御手段７が、空圧シリンダ１４０を備えた加圧手段３を、空圧レベルをパラメータとする圧力制御信号２１によって制御可能となるように接続されている。

電磁弁１４１の制御用ソレノイドがＯＦＦ（非通電）時には圧縮空気が大気中に放出されるため、シリンダ１４０による振動型アクチュエータの加圧力はなく、圧解除状態となる。これを本実施例では、電磁弁が圧力制御信号２１をロー出力とする、と定義する。

次に、本実施例の電磁弁１４１について図６（Ａ）を用いて説明する。
電磁弁１４１は、非常検知手段６から非常検知信号を受信する。

非常検知手段６には、不図示の外部装置または、操作者や被験者等の手動の指令が入力可能な手段が接続されている。また、電磁弁１４１は、供給電源が接続される他、医療用空気供給システムなどの圧縮空気供給源から供給される圧縮空気の入力を備え、この圧縮空気の圧力レベルによっても動作状態が変化する。具体的には、予め設定された閾値により、シリンダ１４０が加圧力を発生させるのに十分な圧縮空気が得られないと判断された場合には、ソレノイドＯＦＦ時と同じ状態となる。

非常検知手段６は、非常時であることを検知すると、圧力制御手段７に対して負論理の非常検知信号を出力する。負論理とすることで、電磁弁１４１のソレノイドに対して非常検知信号がインタロック信号として作用するため、非常時には電磁弁１４１の電源が遮断されるフェイルセーフ機構を構築できる。

本実施例の電磁弁１４１は、非常検知手段６から出力された非常検知信号２０と、圧縮空気供給源から出力された空圧信号と、供給電源から出力される電源電圧信号異なる３つの入力を備えると見なせる。また、別途シリンダへの出力弁および前述の大気への放出弁も備える。斯様な議論により、本実施例における電磁弁１４１は、前述の３つの入力のいずれか一つでもローレベルであれば、圧力制御信号２１をロー出力とする動作をするものと見なせる。よって、加圧手段３と圧力制御手段７とから構成される本実施例の加圧機構は、ノーマリーオフ型（常時圧解除）であると捉えられる。

以上説明した通り、本実施例の医療用マニピュレータへの電源供給、圧縮空気供給のいずれかが断たれた場合、非常検知信号２０を検知したいずれの場合にも、圧力制御手段７としての電磁弁１４１は、圧力制御信号２１をロー出力とする。

この結果、振動体１と移動体２との間は、圧解除状態となり、振動体１と移動体２とは回転自在状態となる
なお、本実施例に使用した、電磁弁１４１および、空圧シリンダ１４０は、他の圧力制御手段７および、加圧手段３に置換可能である。たとえば、空圧シリンダ１４０は、乾燥窒素ガス等を媒体とする他のガス圧制御にすることが可能である。本実施例の形態は、圧力制御信号２１の媒体を「圧縮空気の圧力または流量」とした好適な形態である。圧力制御信号２１は、「電気信号」または、非圧縮性液体を用いる事で「液体圧力または流量」とすることも本発明は含む。しかしながら、圧力制御信号２１として圧縮空気を媒体とした場合には、液圧シリンダを用いた液圧制御の場合に対して、加圧手段３の近傍に配置する部材を非磁性材料化した構成をとりやすい点で、外部装置との両立性が高い利点を備える。さらには、制御後の媒体（空気）を還流せずに、雰囲気中に放出することが可能でありシステムの小型化や、媒体の劣化を気にしなくて良いという利点を備える。

ここで、非常検知信号２０がＡｃｔｉｖｅ（ローレベル）となる条件について、具体例を挙げて説明する。一つ目は、外部装置から非常信号を受信した場合である。例えば、マニピュレータがＭＲＩと協調動作するＭＲガイド手術システムにおいて、ＭＲＩ側で非常事態であると判断した場合に、両者間の通信によってマニピュレータ側へ非常事態である旨を報知すれば、マニピュレータ側はそれに従って振動型アクチュエータを圧解除状態に移行することができる。二つ目は、非常検知手段６として加速度センサを備え、所定以上の揺れを検知した場合である。閾値を適切に設定することで地震であると判断した場合、振動型アクチュエータを圧解除状態へ移行させ、患者１３に対して適切な処置を行うと共にマニュピュレータを保護することができる。三つ目は、停電や事故により装置に供給される電源が遮断された場合である。この場合は、電磁弁１４１の制御信号を兼ねる非常検知信号が負論理であって自動的に圧解除状態へ移行するため、マニュピュレータを保護することができる。四つ目は、医師や操作者、被験者等からの手動の指示があった場合である。非常検知手段１６として緊急用スイッチを設ければ、システム故障等何らかの原因によって非常事態であると人間が判断した場合に、手動で本医療用装置を圧解除状態に移行することができる。以上四つの場合について説明したが、本発明の態様としては、これに限るものではない。圧力センサを備えて例えば水没などによって設置場所の圧力が異常を示した場合に圧解除するように構成しても良く、非常事態だと合理的に判定し得る状況を検出できる構成であれば良く、また、それらの論理和によって複数の非常事態に対処できるよう構成することがより一層望ましい。

また、本発明の電磁弁１４１は、入力された空圧レベルに対して出力の空圧レベルを制御する電磁弁であるが、本発明に適用可能な遮断手段は、これに限らない。例えば、別途、不図示の圧力センサを電磁弁１４１の入力側に設け、前述の圧力センサの出力を非常検知手段６に入力させるように接続する形態とすることも、本発明は含む。

（実施例２）
本実施例は、図６（Ｂ）に示す遮断手段を備えた振動型アクチュエータを用いて、図２（Ｂ）に示す本発明の第２の態様の医療用マニピュレータを構成し、さらに、図４に示すバイオプシー装置を構成した例である。

図６（Ｂ）は、本実施例に適用した振動型アクチュエータと、加圧機構の概略構成を示した模式図である。

実施例２において、実施例１に記載した振動体１と移動体２に対する加圧機構を変更した。

本実施例は、振動型アクチュエータおよび非常検知手段６の構成は実施例１と同一とし、実施例１と同様にして、本発明の第２の態様の一例である。

本実施例に適用した図６（Ｂ）に記載の振動型アクチュエータの各符号と、図２（Ｂ）中に記載した医療用マニピュレータの各符号との対応関係を以下に示す。

本実施例においては、図２（Ｂ）中に記載した加圧手段３は、加圧板３３、電磁石１４２、移動体側弾性体６３、回転軸３６、軸受４７とで構成されている。さらには、図２（Ｂ）中に記載した遮断手段４は、スイッチ１４３、筺体側弾性体５３、加圧板３３、回転軸３６とで構成されている。図２（Ｂ）中に記載した非常検知手段６は、スイッチ１４３に対応する。さらに、図２（Ｂ）中に記載した圧解除信号３４は、スイッチ１４３の閉じた動作に伴い電磁石１４２に流れる直流電流（圧解除信号）３４である。

次に、本実施例の静電型アクチュエータを制御する加圧機構の動作について説明する。

振動体１は、筺体３８の一端に固定されている。移動体２は、移動体側弾性体６３と回転軸３６と可動軸受４６、固定軸受４７、加圧板３３、筺体側弾性体５４とを介して筺体３８の他端に固定されている。筺体側弾性体５３は、電磁石１４２がＯＦＦ（非通電）のときは弾性変形しておらず金属製の加圧板３３が電磁石１４２と離間し、電磁石１４２がＯＮ（通電）すると金属製の加圧板３３が電磁石１４２と接触するように、長さと弾性定数が設定されている。移動体側弾性体６３は、電磁石１４２がＯＦＦのとき弾性変形しておらず移動体２と振動体１が離間し、電磁石１４２がＯＮすると移動体２と振動体１が接触しかつ所定の加圧状態となるように、長さと弾性定数が設定されている。なお、本実施例では可動軸受４６を用いて振動体１と移動体２の加圧離間を可能たらしめる構成としたが、同様の機能を実現できるものであれば、何らこれに限定されるものでない。

このような接続関係を満たした加圧手段３と遮断手段５を備えることにより、実施例１と同様にして、本実施例の振動型アクチュエータは、ノーマリーオフ型（常時圧解除）の加圧機構を実現している。

本実施例は、本発明の第２の実施形態の一例である医療用マニピュレータを実現し、実施例１と同様の機能を有するフェイルセーフ機構を備える。

本実施例においては、筺体側弾性体５３をリバーススプリングとして配置した形態を示したが、本発明はこの形態に限定されない。例えば、図６（Ｂ）に示す振動型アクチュエータから、筺体側弾性体５３を削除した形態も本発明の第二の態様となる。この場合も、電磁石１４２のオフ時において振動体１と移動体２の離間距離は規定されないものの、両者間の加圧力は完全になくなり、移動体２は振動体１に対して回転自在となる。

（実施例３）
本実施例は、図１０（Ａ）に示すワンウェイクラッチ５６を用いて、図１（Ｂ）に示す本発明の第１の態様の医療用マニピュレータを構成し、さらに、図１０（Ｂ）、（Ｃ）に示すバイオプシー装置を構成した例である。

図１０（Ｃ）に示す本実施例のバイオプシー装置は、図３（Ｂ）に示したバイオプシー装置の変形例である。図３（Ｂ）に示したバイオプシー装置のマニピュレータ部９と駆動４との間に、図１（Ｂ）の遮断部５として、図１０（Ａ）に示したワンウェイクラッチ５６を接続した形態を示している。図１０（Ｂ）は、図１０（Ｃ）に記載したバイオプシー装置の駆動部４―遮断部５−マニピュレータ部９の接続部を断面Ｐ−Ｐ‘で観察した概略断面図である。

本実施例では、図１０（Ｃ）において、被験者からマニピュレータ部９を遠ざける方向７１に、マニピュレータ部９に外力を加えた場合に、図１０（Ｂ）中に示すマニピュレータ部９は、採取手段１７ごと左回転７０方向に回転する。この左回転７０が、所定の加速度を超えると、図１０（Ａ）に示すワンウェイクラッチ５６は、＜アーム５４、輪留め５６、ポケット５２、カウンターウェイト６１、可動ウェイト６２、支点６４、可動ウェイト６２を収納する収納空間、可動ウェイト６２とアーム５４を接続する不図示のスプリング＞により構成される、カム機構により、内輪５１と外輪５０との連結が解除される。この結果、内輪５１に固定されたマニピュレータ部９と、外輪５０に固定された駆動部４とは、連結が解除される機構を備えている。

以上説明したように、実施例１，２、３に記載したいずれの医療用マニピュレータにおいても、非常時に、支持部８とマニピュレータ部９との間の接続が解除され、医療用マニピュレータが破損する可能性を低減される。

１ 振動体
２ 回転体
３ 加圧手段
４ 駆動部
５ 遮断手段
６ 非常検知手段
７ 圧力制御手段
８ 支持部
９ マニピュレータ部
２０ 非常検知信号
２１ 圧力制御信号
３０ 医療用マニピュレータ
３４ 圧解除信号

Claims (20)

1. 支持部と、
   前記支持部に支持されるとともに、交流電圧の印加によって振動波が励起される振動体と、前記振動波を受けて前記振動体に対して相対移動する移動体と、前記振動体と前記移動体との間に圧力を印加する加圧手段と、を備える駆動部と、
   前記駆動部に支持されるマニピュレータ部と、
   非常時であることを検知する非常検知手段と、
   前記非常検知手段から送信された非常検知信号に基づいて、前記マニピュレータ部と前記支持部との静止時トルクを遮断する遮断手段と、を備えていることを特徴とする医療用マニピュレータ。
2. 前記遮断手段は、前記支持部、前記駆動部、前記マニピュレータ部のいずれかの間に接続されている、電磁式クラッチまたはメカニカルクラッチであることを特徴とする請求項１記載の医療用マニピュレータ。
3. 前記メカニカルクラッチは、マニピュレータ部または、駆動部に被験者から遠ざける方向に向かう方向の強度成分を有する、所定の外力を印加した際に、遮断状態となるワンウェイクラッチであることを特徴とする請求項２に記載の医療用マニピュレータ。
4. 前記メカニカルクラッチは、外部入力部を持ち、前記外部入力部への入力が所定のレベルを上回ったときに遮断状態となるエアクラッチ、油圧クラッチまたはブレーキ装置であることを特徴とする請求項２記載の医療用マニピュレータ。
5. 前記遮断手段は、前記加圧手段に接続されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の医療用マニピュレータ。
6. 前記遮断手段が、前記圧力を制御する圧力制御手段であることを特徴とする請求項５に記載の医療用マニピュレータ。
7. 前記加圧手段は、ガス圧シリンダまたは液圧シリンダを備えることを特徴とする請求項５に記載の医療用マニピュレータ。
8. 前記加圧手段は、電磁石と、弾性体とを備える電磁式クラッチであることを特徴とする請求項５に記載の医療用マニピュレータ。
9. 前記圧力制御手段は、ガス圧制御手段または、液圧制御手段を備えることを特徴とする請求項６に記載の医療用マニピュレータ。
10. 前記非常検知手段は、外部装置から送信された非常信号を受信した場合に前記非常検知信号をアクティブとすることを特徴とする請求項７に記載の医療用マニピュレータ。
11. 前記遮断手段は、前記複数の非常検知手段のそれぞれと接続され、前記複数の非常検知手段の各々から送信された前記非常検知信号の複数の受信に対して、論理和で動作する請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の医療用マニピュレータ。
12. 前記非常検知手段は、非常時にローレベルとなる非常検知信号を、前記遮断手段に送信する手段であることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の医療用マニピュレータ。
13. 前記非常検知手段は、所定以上の振動を検知した場合に前記非常検知信号を送信することを特徴とする請求項１２に記載の医療用マニピュレータ。
14. 前記非常検知手段は、人間による手動の指示があった場合に前記非常検知信号を送信することを特徴とする請求項１２に記載の医療用マニピュレータ。
15. 前記圧力制御手段の出力する圧力制御信号は、前記圧力制御手段が、非常検知信号を受信した場合に、
    ローレベルとなることを特徴とする請求項６に記載された医療用マニピュレータ。
16. 前記圧力制御手段は、複数の非常検知手段と接続され、
    前記圧力制御手段は、前記複数の非常検知手段のうちのすくなくとも１つから非常検知信号を受信した場合に、
    前記加圧手段に対して圧力制御信号をローレベル出力とすることを特徴とする請求項１５に記載された医療用マニピュレータ。
17. 請求項１乃至１６のいずれか１項に記載された医療用マニピュレータと、
    前記マニピュレータ部と接続され、被験者の内部に穿刺する穿刺手段と、
    を備えていることを特徴とする医療用穿刺装置。
18. 請求項１乃至１６のいずれか１項に記載された医療用マニピュレータと、
    前記マニピュレータ部と接続され、被験者の体組織を採取する採取手段と、
    を備えていることを特徴とするバイオプシー装置。
19. 請求項１乃至１６のいずれか１項に記載された医療用マニピュレータと、
    前記医療用マニピュレータを駆動する駆動装置と、
    所定の目標位置の位置情報を送信する送信部を備える医療用画像撮影装置と、を備えた医療用画像システムにおいて、
    前記駆動装置は、前記目標位置の位置情報を受信する目標位置受信部を備えていることを特徴とする医療用画像システム。
20. 前記医療用画像撮影装置が、ＭＲＩ撮影装置、放射線画像撮影装置、超音波画像撮影装置のいずれかを含むことを特徴とする請求項１９に記載の医療用画像システム。
    

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