JP6995055B2 - 医用機器の制御ユニット - Google Patents

Description

本発明は、医用機器の制御ユニットに関し、より詳細には、自然な手の動きを、腹腔鏡ツールといった付属医療ツールへ伝えることによって、医用機器の位置および機能の正確かつ細かな制御を可能にする制御ユニットおよび統合ユーザインターフェースに関する。

最小侵襲手術においては、器官、空胴、管、および組織の観察または処置のため、内視鏡およびカテーテル等の医用機器が広く使われている。一般的に、このような機器は、遠位搭載器具（たとえば、外科用メス、把持具、またはカメラ／カメラレンズ）を体腔、血管、または組織内に送り込んで配置するように設計された長尺機器本体を具備する。

このような機器は、組織壁（たとえば、腹壁）に形成された微小切開部を通じて配置された送達口から送り込まれ、解剖学的に制約された空間で利用されるため、身体の外側（医用機器の近位端）に配置されたコントローラを用いることにより、身体の内側で当該医用機器または少なくともその一部が操向可能または操縦可能であるのが望ましい。このような操向により、オペレータは、身体内で機器をガイドするとともに、解剖学的に目印となる場所において遠位搭載器具を正確に配置することができる。

先行技術においては、内視鏡器具のさまざまインターフェースが記載されている（たとえば、特許文献１、特許文献２、および特許文献３参照）。

米国特許出願公開第２００８／０２５５４２０号明細書 米国特許出願公開第２０１２／００４１４５０号明細書 米国特許第７５７２２５３号明細書 米国特許第２４９８６９２号明細書 米国特許第４７５３２２３号明細書 米国特許第６１２６６４９号明細書 米国特許第５８７３８４２号明細書 米国特許第７４８１７９３号明細書 米国特許第６８１７９７４号明細書 米国特許第７６８２３０７号明細書 米国特許出願公開第２００９／０２５９１４１号明細書 国際公開第２０１５／０２９０４１号

ただし、付属手術ツールを外科医が容易かつ直感的に操縦および制御し得るインターフェースを有する制御ユニットが依然として求められている。

本発明の一態様によれば、医療器具の制御ユニットであって、（ａ）ユーザの手を乗せることができる湾曲上面を有し、医療器具に取り付け可能なハウジングと、（ｂ）ハウジングの端部に回転可能に取り付けられ、手の第一指間腔が係合可能であり、医療器具の第１の機能を制御するための第１のインターフェースと、（ｃ）第１のインターフェースに取り付けられ、一緒に回転可能であり、手が湾曲上面上に配置されたときに手の裏面に力を印加するための拘束要素と、（ｄ）第１のインターフェースに取り付けられ、手の１つまたは複数の指が係合可能であり、医療器具の少なくとも第２の機能を動作させるための第２のインターフェースと、を備えた、制御ユニットが提供される。

後述する本発明の好適な実施形態における別の特徴によれば、制御ユニットは、駆動ユニットをさらに備える。

上記好適な実施形態におけるさらに別の特徴によれば、駆動ユニットは、ハウジングから取り外し可能である。

上記好適な実施形態におけるさらに別の特徴によれば、駆動ユニットは、第１のインターフェースおよび第２のインターフェースが医療器具を別個に動作させ得るための少なくとも１つのモータおよび電源を具備する。

上記好適な実施形態におけるさらに別の特徴によれば、第２のインターフェースは、手の親指および人差し指によって同時に操作可能なレバーを具備する。

上記好適な実施形態におけるさらに別の特徴によれば、医療器具は、把持具を有する関節式の腹腔鏡であり、さらに、第１のインターフェースは、腹腔鏡の関節を制御する。

上記好適な実施形態におけるさらに別の特徴によれば、第２のインターフェースは、把持具を制御する。

上記好適な実施形態におけるさらに別の特徴によれば、第２のインターフェースは、把持具の開閉および回転を制御する。

上記好適な実施形態におけるさらに別の特徴によれば、制御ユニットは、第１のインターフェースおよび／または第２のインターフェースを作動／停止するユーザが関与可能なスイッチをさらに備える。

本発明の別の態様によれば、（ａ）制御ユニットであり、（ｉ）ユーザの手を乗せることができる湾曲上面を有するハウジングと、（ｉｉ）ハウジングの端部に回転可能に取り付けられ、手の第一指間腔が係合可能な第１のインターフェースと、（ｉｉｉ）第１のインターフェースに取り付けられ、一緒に回転可能であり、手が湾曲上面上に配置されたときに手の裏面に力を印加するための拘束要素と、（ｉｖ）第１のインターフェースに取り付けられ、手の１つまたは複数の指が係合可能な第２のインターフェースと、を具備する、制御ユニットと、（ｂ）ハウジングに取り付けられ、第１のインターフェースおよび第２のインターフェースによって操作可能な医療器具と、を備えた、医用機器が提供される。

上記好適な実施形態におけるさらに別の特徴によれば、医用機器は、駆動ユニットをさらに備える。

上記好適な実施形態におけるさらに別の特徴によれば、駆動ユニットは、ハウジングから取り外し可能である。

上記好適な実施形態におけるさらに別の特徴によれば、駆動ユニットは、少なくとも１つのモータおよび電源を具備する。

上記好適な実施形態におけるさらに別の特徴によれば、少なくとも１つのモータは、駆動ユニットがハウジングに取り付けられた場合に、医療器具の駆動インターフェースを係合させる。

上記好適な実施形態におけるさらに別の特徴によれば、駆動ユニットは、ハウジングに取り付けられた場合に、第１のインターフェースおよび第２のインターフェースと電気的に連通する。

上記好適な実施形態におけるさらに別の特徴によれば、第２のインターフェースは、手の親指および人差し指によって同時に操作可能なレバーを具備する。

上記好適な実施形態におけるさらに別の特徴によれば、医療器具は、把持具を有する関節式の腹腔鏡であり、さらに、第１のインターフェースは、腹腔鏡の関節を制御する。

上記好適な実施形態におけるさらに別の特徴によれば、第２のインターフェースは、把持具を制御する。

上記好適な実施形態におけるさらに別の特徴によれば、第２のインターフェースは、把持具の開閉および回転を制御する。

上記好適な実施形態におけるさらに別の特徴によれば、医用機器は、第１のインターフェースおよび／または第２のインターフェースを作動／停止するユーザが関与可能なスイッチをさらに備える。

本発明は、医療器具の制御ユニットを提供することによって、現在知られている構成の欠点に首尾よく対処する。制御ユニットは、たとえば腹腔鏡の移動および作動をユーザが片手で同時に制御し得るユーザインターフェースを具備する。

別段の規定のない限り、本明細書で使用するすべての技術的および／または科学的用語は、本発明が関連する技術の当業者による通常の理解と同じ意味を有する。本発明の実施形態の実現または試験においては、本明細書の記載と類似または同等の方法および材料を使用可能ではあるものの、以下では、例示的な方法および／または材料を説明する。矛盾がある場合は、定義を含む特許明細書が優先するものとする。また、材料、方法、および実施例は一例に過ぎず、必ずしもこれらに限定されるものではない。

本明細書においては、添付の図面を参照することにより、本発明を一例として説明する。以下、図面を具体的に詳しく参照するが、図示の詳細は、一例であって、本発明の好適な実施形態の説明を目的としており、本発明の原理および概念的側面の最も有用で容易に理解可能と考えられる説明を与えるために提示したものである点が強調される。この点において、本発明の基礎的理解に要する以上の本発明の構造的詳細をより詳しく示そうとはせず、図面と併せた説明により、本発明の複数形態の実現方法が当業者には明らかとなる。

医療器具（図示の腹腔鏡）に取り付けられた本発明の制御ユニットの一実施形態であって、制御ユニットの全体図である。 医療器具（図示の腹腔鏡）に取り付けられた本発明の制御ユニットの一実施形態であって、制御ユニットと相互作用する外科医の手（手のひら側）の領域を示した図である。 医療器具（図示の腹腔鏡）に取り付けられた本発明の制御ユニットの一実施形態であって、駆動ユニットおよび（図中、駆動ユニットから取り外された）無菌カバーが取り外された制御ユニットを示した図である。 医療器具（図示の腹腔鏡）に取り付けられた本発明の制御ユニットの一実施形態であって、駆動ユニットおよび（図中、駆動ユニットに取り付けられた）無菌カバーが取り外された制御ユニットを示した図である。 本発明の制御ユニットの内部駆動機構を示した図である。 本発明の制御ユニットの内部駆動機構を示した図である。 医療器具のエフェクタエンドを回転させる制御ユニットの機構を示した図である。 医療器具のエフェクタエンドを回転させる制御ユニットの機構を示した図である。 医療器具のエフェクタエンドを回転させる制御ユニットの機構を示した図である。 把持具のエフェクタエンドを開閉させる制御ユニットの機構を示した図である。 把持具のエフェクタエンドを開閉させる制御ユニットの機構を示した図である。 把持具のエフェクタエンドを開閉させる制御ユニットの機構を示した図である。 把持具のエフェクタエンドを開閉させる制御ユニットの機構を示した図である。 把持具のエフェクタエンドを開閉させる制御ユニットの機構を示した図である。 医療器具のシャフトを関節駆動させる制御ユニットの機構を示した図である。 医療器具のシャフトを関節駆動させる制御ユニットの機構を示した図である。 医療器具のシャフトを関節駆動させる制御ユニットの機構を示した図である。 本発明の制御ユニットの取り外し可能な駆動ユニットを示した図である。 本発明の制御ユニットの取り外し可能な駆動ユニットを示した図である。 本発明の制御ユニットの取り外し可能な駆動ユニットを示した図である。 本発明の制御ユニットの取り外し可能な駆動ユニットを示した図である。 本発明の制御ユニットの駆動ユニット、医療器具、およびインターフェース間の機械的結合を示した図である。 本発明の制御ユニットの駆動ユニット、医療器具、およびインターフェース間の機械的結合を示した図である。 本制御ユニットの第一指間腔インターフェースの関節機構を示した図である。 本制御ユニットの第一指間腔インターフェースの関節機構を示した図である。 本制御ユニットの第一指間腔インターフェースの関節機構を示した図である。 本制御ユニットの第一指間腔インターフェースの関節機構を示した図である。 本制御ユニットの指インターフェースを示した図である。 本制御ユニットの指インターフェースを示した図である。 本制御ユニットの指インターフェースを示した図である。 本制御ユニットの指インターフェースを示した図である。 駆動ユニットの指作動可能機構を詳細に示した図である。 駆動ユニットの指作動可能機構を詳細に示した図である。 駆動ユニットの指作動可能機構を詳細に示した図である。 駆動ユニットの指作動可能機構を詳細に示した図である。 駆動ユニットの指作動可能機構を詳細に示した図である。 本発明の教示内容に従って構成されたプロトタイプを示した図である。 本発明の教示内容に従って構成されたプロトタイプを示した図である。 本発明の教示内容に従って構成されたプロトタイプを示した図である。

本発明は、付属医療器具の操縦および操作に使用可能な制御ユニットである。制御ユニットは、腹腔鏡等といった付属医療器具の移動、位置、および機能の制御に使用可能なインターフェースを具備する。

本発明の原理および動作については、図面および付随する説明を参照することによって、より深く理解可能である。

本発明の少なくとも１つの実施形態を詳しく説明する前に、本発明は、その適用において、以下の説明または図面に記載の構成の詳細およびコンポーネントの配置に限定されないことが了解されるものとする。本発明は、他の実施形態も可能であるし、さまざまな方法で実現または実行することも可能である。また、本明細書で採用する表現および専門用語は、説明を目的としたものであり、何ら限定的に捉えられるべきではないことが了解されるものとする。

腹腔鏡手術において、外科医は、腹腔鏡等の医療器具の遠位端部（組織操縦端（たとえば、把持具）を含む）を体腔（たとえば、腹腔）内の処置組織に隣接して配置する必要がある。腹腔鏡を正しく配置するため、外科医は、操向可能部の偏向を制御するとともに組織操縦端を作動させつつ、腹腔鏡全体を空間的に配向させる必要がある。

外科医は通常、関心組織部位において、手術ツールのインターフェース（把持可能なハンドルおよびレバー）を用いて機器およびエフェクタエンドの配置、操縦、保持、および動作を行う。現在用いられている機器インターフェースでもこのような機能を提供可能であるが、機器全体およびそのエフェクタエンド（腹腔鏡シャフトの遠位端に搭載された器具）の操縦性および操作性間のトレードオフの制限を受ける可能性もあるし、急峻な学習曲線による制約によって、外科医側で最小侵襲処置術を完了するのに多大な時間および手間を要する可能性もある。

本発明者らが行った実験により、腹腔鏡等の医療器具の全機能を片手で制御できるようにするインターフェースは通常、移動の複雑さおよびインターフェースの数により、習得が困難であることが実証された。本発明者らは、習得が容易で外科医が最も必要とする機能を提供する片手制御ユニットの設計に着手した。以下に詳述する通り、本発明者らは、腹腔鏡等といった付属医療器具を外科医が片手で容易に操縦および操作可能な直感的インターフェースを有する、小型・軽量の電動制御ユニットを考案した。

したがって、本発明の一態様によれば、医療器具の制御ユニットが提供される。

本明細書において、表現「医療器具」は、内部または外部手順（たとえば、手術）に用いられる任意の器具を表す。医療器具としては、把持ツール、切断ツール等が取り付けられた腹腔鏡、カメラならびに／または送達／吸引チャネルもしくはカテーテル、カニューレ等が取り付けられた内視鏡が可能である。

本発明のユーザインターフェースは、操向可能（偏向可能）な遠位部、および、把持具またはカッター等の遠位搭載器具を備えた腹腔鏡との併用に特に適している。

最小侵襲手術においては、器官、空胴、管、および組織の観察または処置のため、腹腔鏡が広く使われている。一般的に、このような機器は、遠位搭載器具（たとえば、外科用メス、把持具、またはカメラ／カメラレンズ）を体腔、血管、または組織内に送り込んで配置するように設計された長尺機器本体を具備する。

このような機器は、組織壁（たとえば、腹壁）に形成された微小切開部を通じて配置された送達口から送り込まれ、解剖学的に制約された空間（たとえば、腹腔内）で利用されるため、身体の外側（医用機器の近位端）に配置されたコントローラを用いることにより、身体の内側で当該医用機器または少なくともその一部が操向可能または操縦可能であるのが望ましい。このような操向により、オペレータは、身体内で機器をガイドするとともに、解剖学的に目印となる場所において遠位搭載器具を正確に配置することができる。

当技術分野においては、操向可能機器の多くの例が知られている（たとえば、特許文献４、特許文献５、特許文献６、特許文献７、特許文献８、特許文献９、特許文献１０、および特許文献１１参照）。

操向可能部の偏向は通常、機器のシャフトに沿って操向可能部の遠位端まで延びた１つまたは複数の制御ワイヤによりもたらされる。

ワイヤを引っ張った場合に機器シャフトが曲がって、操向可能部が引っ張られたワイヤに対して偏向するように、各制御ワイヤの近位端は、制御ユニットに接続可能である。

機器のエフェクタエンド（遠位搭載器具）は、同じように制御ユニットに接続され、ユーザインターフェースにより作動される１つまたは複数の別のワイヤによって制御される。このため、操向可能腹腔鏡等の操向可能機器の制御ユニットは、組織アクセス部位に対する機器シャフトの配置（上下、左右、内外角度）、操向可能部の偏向、ならびに顎部の回転および把持具の開閉の場合の遠位搭載器具の作動、という３つの別個の機能を提供する。

本発明の制御ユニットは、ユーザの手のひらの一部を乗せるための湾曲上面を有するハウジングを具備する。ハウジングは、ユーザの制御行為を駆動ユニットに伝達する電子回路および駆動力を駆動ユニットから付属医療器具に伝達する駆動機構（ギア、レバー、シャフト、ワイヤ、ベルト等）を含む。

電子回路は、外科医の手／指の動きを駆動ユニットのモータ／アクチュエータへのコマンドに（マイクロコントローラによって）実時間で変換する。そして、モータ／アクチュエータは、駆動機構を通じて付属医療器具の機能を駆動する。

制御ユニットは、ハウジングの端部（本明細書においては「前端」とも称する）に回転可能に取り付けられた第１のインターフェースをさらに具備する。第１のインターフェースには、手の第一指間腔（親指と人差し指との間の手のひら側の割れ目）が係合可能であり、医療器具の第１の機能を制御するように設計されている。

制御ユニットは任意選択で、一緒に回転するように第１のインターフェースに取り付けられた拘束要素をさらに具備する。拘束要素は、ハウジングの湾曲上面上に手が配置されたとき手の裏面に力を印加するように設計されている。

制御ユニットは、第１のインターフェースに取り付けられた第２のインターフェースをさらに具備する。第２のインターフェースは、手の１つまたは複数の指（たとえば、親指および人差し指）が係合可能であり、医療器具の少なくとも第２の機能を動作させるように設計されている。

本制御ユニットのユーザインターフェースは、以下のように付属医療器具の片手制御を提供する。

（ｉ）医用機器のシャフトは、手および腕の動き（主として、手首および肘関節の屈伸ならびに肩関節の回転）により、たとえば組織アクセス部位に対して内外、上下、および左右に移動可能である。
（ｉｉ）シャフトの操向可能部は、第１のインターフェースの傾斜（左右回転）（主として、手首関節の回転）により、偏向可能である。
（ｉｉｉ）遠位搭載組織操縦端は、（主として、指節間関節および中手指関節周りの）指の動きにより、作動（開閉および回転）可能である。

本制御ユニットは、操向可能腹腔鏡等の医療器具の配置および操作に用いられる場合に、
（ｉ）より高度かつ自然な操縦性：身体および四肢の極端な操縦の必要なく、手間を抑えて腹腔鏡を操作可能、
（ｉｉ）３つの機能の同時制御：腹腔鏡の空間的配置、シャフト操向、およびエフェクタエンド作動、
（ｉｉｉ）片手操作：手のひら／手の甲、第一指間腔、および指という３つのインターフェース領域を用いてすべての移動を片手で制御、
（ｉｖ）習得が容易な本能的操作コントローラを伴うコンパクトな直感的インターフェース、ならびに
（ｖ）任意の付属する、あるいは統合される医療器具の制御に使用可能、
という複数の利点をもたらす。

ここで図面を参照すると、図１Ａは、本明細書において制御ユニット１０と称する本制御ユニットを示している。

図１Ａは、手のひら部分（図１Ｂに示す）を乗せるように設計された湾曲上面３３１を備えたハウジング３３０を有する制御ユニット１０を示している。また、ハウジング３３０の底面に配置された結合器３２０によってハウジング３３０に取り付けられた医療器具３０を示している。医療器具３０は、電気プラグ３１８から提供される伝熱機能を含み得る。

ハウジング３３０（および、後述のインターフェース１００および１５０）は、機械加工、３Ｄ印刷、および／または鋳造／成形作製手法を用いることにより、ポリマーおよび／または合金から作製可能である。ハウジング３３０としては、１０～４０ｍｍの幅、１０～４０ｍｍの奥行き、およびおよそ６０～１００ｍｍの高さが可能である。湾曲上部３３１は、１０～６０ｍｍの曲率半径を有し得る。

第１のインターフェース１５０（本明細書においては、インターフェース１５０とも称する）は、ハウジング３３０の前端に回転可能に取り付けられ、左右に傾斜可能である。インターフェース１５０は、手の第一指間腔（図１Ｂに示す）が係合することにより、手首関節の左右への回転によって、第１のインターフェースが６０～１２０°の円弧で傾斜するように設計されている。手の甲拘束要素２００は、第１のインターフェース１５０に取り付けられて一緒に回転するとともに、ハウジング３３０の湾曲上面３３１に対して手のひら部を拘束するように設計されている。

インターフェース１５０が一方へ傾斜することにより、医療器具３０（腹腔鏡シャフト３１０を把持具３０２とともに示す）の関節３０８が対応して偏向する。制御ユニット１０は、関節３０８の偏向の程度が第１のインターフェース１５０の傾斜の程度に直接対応し得るように設計することも可能であるし、傾斜の程度に対して偏向の程度を増減するように設計することも可能である。

制御ユニット１０は、ユーザの親指および人差し指の部分（図１Ｂに示す）が係合可能な第２のインターフェース１００（本明細書においては、インターフェース１００とも称する）をさらに具備する。インターフェース１００は、インターフェース１５０に取り付けられて一緒に回転する。インターフェース１００は、親指および人差し指の開閉によって把持具３０２等の組織エフェクタエンドが開閉するように作動させ得る。

制御ユニット１０は、医用機器３０のシャフト３１０の長さにわたって延びた制御ワイヤに取り付け可能な駆動機構を具備する。駆動機構がワイヤを作動させると、シャフトの偏向ならびに把持具の開閉および回転が作動する。

駆動機構は、手動で駆動すること（たとえば、レバーを介したインターフェース１００および１５０への直接接続）も可能であるし、ハウジング３３０に取り外し可能に取り付けられた駆動ユニット５００によって駆動することも可能である。駆動ユニット５００は、モータ／アクチュエータおよび電源（バッテリ）を具備しており、周りに無菌カバー６００を取り付けることによって再利用可能である。ハウジング３３０、インターフェース１００および１５０、ならびに付属医療器具３０は、使い捨て可能である。

カバー６００（図１Ｃ）は、ＰＣ、ＡＢＳ、ＰＣ／ＡＢＳ、および／または熱硬化性フォトポリマー等の無菌弾性材料から作製される。カバー６００は、殺菌の後、駆動ユニット５００が当該カバー６００の外面に接触しないように、注意深く駆動ユニット５００に取り付けられる。カバーされた駆動ユニット５００はその後、制御ユニット１０のハウジング３３０に結合され、スナップ、ボタン、フック等の解放可能なコネクタによって、カバー６００がハウジング３３０に固定される。カバー６００は、駆動ユニット５００の露出部分を環境から隔離するため、汚染の恐れなく手術室で安全に使用可能である。

制御ユニット１０を分解する場合、ユーザは、コネクタを解放して、カバー６００および駆動ユニット５００をハウジング３３０から取り外せるようにするだけである。そして、駆動ユニット５００をカバー６００から取り外し、別の手順において別の無菌カバーとともに再利用可能である。

図１Ｃは、ハウジング３３０、インターフェース１００および１５０、ならびに取り外された駆動ユニット５００および無菌カバー６００を示している。

駆動ユニット５００は、モータパック、主に電気回路で構成された制御ユニット、バッテリパック、ならびにユーザ制御およびフィードバック用の任意選択の画面、スピーカ、およびボタンを具備し得る。モータパックのシャフトは、ハウジング５３０から突き出た駆動端部５０５、５０６、５０７と係合する。

図１Ｄは、ハウジング３３０と駆動ユニット５００との間の機械的インターフェースを示している。ハウジング３３０の後面には、ハウジング３３０の駆動機構の一部を成すソケット３０５、３０６、３０７を示している。駆動ユニット５００のハウジング５３０から突き出た駆動シャフト端５０５、５０６、５０７は、駆動ユニット５００がハウジング３３０に結合された場合に、駆動機構のソケット３０５、３０６、３０７と係合する。

指インターフェース機構の可撓性駆動シャフトのシャフト１１０は、駆動ユニット５００のソケット５１０と係合する。シャフト１１０は、指インターフェース１００に接続され、指インターフェース１００における動き（すなわち、開閉および回転）を駆動ユニット５００の制御ユニットのセンサに伝達して、モータパックを動作させる。駆動ユニット５００がハウジング３３０に接続されている場合は、電気接点１１５および駆動ユニット５００の電気接点５１５がモードボタン３１２（図１Ｃに示す）からの信号を駆動ユニット５００に送信する。

図２Ａは、ハウジング３３０の穴３５０内の駆動機構を示している。インターフェース１００は、チューブ９２およびナット９０を介してインターフェース１５０の前端に接続されている。可撓性シャフト１０１は、その前端がインターフェース１００に接続され、チューブ９２およびチューブ３６４を通って駆動機構の後側に延びている。シャフトヘッド１１０は、可撓性シャフト１０１に接続されている。ケーブル３６１、３６２およびプーリ３６０がシャフト３６４とともに回転することにより、付属医用機器のシャフトの操向可能部が偏向する。

拘束要素２００は、枢動コネクタ２０５を介してインターフェース１５０の前部に接続されている。インターフェース１５０は、回転面１５１を介してハウジング３３０に接続されている。電気モードボタン３１２は、配線１１４により接点１１５に接続された状態でインターフェース１５０の底部に配置されている。

図２Ｂは、操向可能シャフトを関節駆動させるとともに把持具を作動させる駆動機構を示している。

ハウジング３３０の頂部では、中空シャフト３６４がプーリ３６０およびギア３６８に固定され、ケーブル３６１がプーリ３６５および３６７上で取り回されている。結合器３２０は、ハウジング３３０を医療器具３０のシャフト３１０に接続する（図示せず）。ギア３４０～３４２は、駆動ユニット５００の１つのモータソケットから顎部回転機構に回転を伝達する。一方、ウォームギア３８０は、別のモータソケットから顎部開閉機構に回転運動を伝達する。駆動ユニット５００がハウジング３３０に結合された場合は、レバー３２９が無菌カバー６００を固定する。

図３Ａ～図３Ｃは、顎部回転機構を詳細に示している。六角ナット３３４がシャフト３０３に固定されている。六角ナット３３４は、ハウジング３５０の底端に設置されたギア３３５の開口３２３を通じて上下に自由摺動し、ギア３３５の回転によって六角ナット３３４が回転する。

ギア３３５がウォームギア３３３により回転され、ウォームギア３３３がスパーギア３３１、３３２、３３３により回転される。スパーギア３３３およびウォームギア３３５は、同じシャフトに固定され、一緒に回転する。図３Ｃに示すように、シャフト３０３が回転すると顎部が回転する。

図４Ａ～図４Ｅは、医用機器３０の把持具３０２の顎部の開閉を作動させる機構を詳細に示している。六角クランプ３９０が上部３８４と下部３８５との間に六角ナット３３４を保持する。部分３８４および３８５間のクランプエリアにおいてはナット３３４が丸く、六角クランプ３９０に対して回転可能である一方、クランプ３９０がナット３３４を前後に移動可能である。部分３８４は、ギア３８２に固定されたネジ３８３を受け入れる雌ネジを有しており、ギア３８２の回転によってネジ３８３が回転する。部分３８４および３８５は、平坦面（表面３８７と同一）を有する。ハウジング３３０の部分３５０は、クランプ３９０の平坦面に一致する内部平坦面３５３（図３Ｂに示す）を有する。クランプ３９０のハウジング３５０および３８７のこれら摺動平坦面３５３により、クランプ３９０は回転不可能である。このため、ネジ３８４が回転した場合は、回転方向に従ってクランプ３９０が前後に移動する。クランプ３９０は、前後に移動した場合、シャフト３０３（図４Ｅ）を移動させるため、顎部が開閉移動する。

図５Ａおよび図５Ｂは、シャフト３１０の領域３０８（図１Ａ）を関節駆動させるプーリ機構を詳細に示している。

ギア３６９は、シャフト３６４に固定されたギア３６８を回転させる。また、プーリ３６０は、ギア３６８が回転した場合にシャフト３６４が当該プーリ３６０とともに回転するように、シャフト３６４に固定されている。プーリ３６０にはケーブル３６１、３６２が接続されているため、プーリ３６０が一方向に回転すると、一方のケーブルが引っ張られるとともに他方のケーブルが解放され、要素３０８が偏向する（図５Ｂ）。

図５Ｃは、関節プーリ３６０から取り回しプーリ３６３、３６７およびプーリ３７２を通ってシャフト３１０の開口３２６に入るケーブル３６１および３６２の取り回しを示している。

図６Ａ～図６Ｄは、制御ユニット１０の駆動ユニット５００を詳細に示している。図６Ａは、駆動シャフト端５０５、５０６、５０７および回転センサヘッド５０８が駆動ユニット５００のハウジング５３０から突き出ていることを示した駆動ユニット５００の正面図である。回転センサヘッド５０８は、インターフェース１５０に設置されたギアヘッド３０８と係合して、インターフェース１５０の回転（傾斜角）を測定する。センサ５９０のソケット５９１は、インターフェース１００との係合によって、指の動きの測定を可能にする。駆動ユニット５００のタッチスクリーン５６０（ハウジング５３０の側部に設置されている）により、ユーザは、駆動ユニット５００の動作モードおよびバッテリ状態に関する情報を取得するとともに、ユーザが入力した駆動設定（速度等）を確認することができる。

図６Ｂは、オン／オフスイッチ５６１を備えた駆動ユニット５００の後側を示している。図６Ｃおよび図６Ｄは、駆動ユニット５００の内部コンポーネントの正面図および背面図である。駆動ユニットのハウジング５３０の底部には、バッテリパック５５２が設置されている。バッテリパック５５２は、たとえばバッテリパックハウジング５５０中で２層に配置された４つのＣＲ１２３型バッテリを含み得る。バッテリパック５５２の上には、モータ５２５、５２６、５２７（ＤＣ、ブラシレス、またはステップ型）が設置され、モータ駆動回路（ＰＣＢ）５２２に接続されている。モータユニットの上方には、制御ユニット５７０が設置され、（インターフェースおよびモータからの）センサ信号を受信および処理してモータコマンド信号を生成する電気回路を含むＰＣＢ５３２および５３３間には、センサユニット５９０が設置されている。ＰＣＢ５３２および５３３は、タッチスクリーンおよび無線通信コンポーネントも含む。ＰＣＢ５１７は、インターフェースの接点１１５と係合する２つの円弧状接点を含む。

図７Ａおよび図７Ｂは、制御ユニット１０、医療器具３０、および駆動ユニット５００間のインターフェースを示している。明瞭化のため、医療器具３０の一部、手術ツールのハウジング３３０、ならびにインターフェース１５０およびハウジング５３０の一部をこれらの図から削除している。インターフェース１００は、可撓性シャフト１０１を介して、指の開閉動作を機械的に伝達し、インターフェース１５０は、第一指間腔作動の回転（左右傾斜）移動である。ギア２２０は、インターフェース１５０に固定されたギア２２１に結合されているため、インターフェース１５０の回転によってギア２２１が回転する。ギア２２０は、シャフト２２２に固定されてギア２２２とともに回転する。シャフト２２２の遠位端に設置されたソケット３０８の係合により、回転センサ５１８のセンサヘッド５０８がシャフト２２２とともに回転可能である。

ユーザが（第一指間腔の動きにより）インターフェース１５０を傾斜させると、スケーリングされた回転運動が回転センサ５１８に伝わる。回転センサ５１８からの信号が駆動ユニット５００の制御ユニットにより処理されて、モータが動作する。

図８Ａ～図８Ｃは、インターフェース１５０の傾斜測定機構をより詳細に示している。保持面２５２の内部を介して、インターフェース１５０に固定されたギア２２１にギア２２０が結合されている。ユーザの手の第一指間腔によってインターフェース１５０が傾斜すると、ギア２２１が回転して（ハウジング３３０に回転可能に接続された）ギア２２０に回転が伝わり、シャフト２２２が回転する（図８Ａおよび図８Ｂに示す）。また、インターフェース１５０は、ハウジング５３０中に設置された制御ユニット５７０にインターフェース１００の移動を伝達する可撓性シャフト１０１の中心チューブ２５３を具備する。

図８Ｄは、（インターフェース１５０とともに回転する）ギア２２１を通じてインターフェース１５０の回転を制御ユニット５７０の回転センサ５１８に伝達する機構を示したインターフェース１５０の切り欠き図である。ユーザがインターフェース１５０を傾斜させると、スケーリングされた回転運動が回転センサ５１８に伝わる。回転センサ５１８からの信号が制御ユニットにより処理され、駆動ユニット５００のモータが動作する。

図９Ａ～図９Ｄは、制御ユニット１０の指インターフェース１００を示している。図９Ａおよび図９Ｂは、インターフェース１００をインターフェース１５０に接続するシャフト９０およびナット９２を示している。インターフェース１００をインターフェース１５０と同時に使用するため、ユーザは、手の第一指間腔をインターフェース１５０上に置き、親指および人差し指をレバー１６１上に置く。レバー１６１内の親指および人差し指の固定のため、任意選択の外部翼部１６２が用いられるようになっていてもよい。レバー１６１と翼部１６２との角度は、ヒンジ１６４によって調整可能である。

ツール３０２の顎部を閉じるため、ユーザはレバー１６１を閉じるが、このレバー１６１の解放によって、バネ９１は、レバー１６１を開放して顎部３０２を開くことができる。シャフト９０周りのハウジング１６３の回転によって、顎部３０２が回転する。

図９Ｃおよび図９Ｄは、インターフェース１００の内部機構を示している。内側レバー１６１は、ヒンジ１６５周りに回転するブラケット１６６に固定されている。ブラケット１６６の端部の長尺孔１６７に、中心シャフト１０１のピン１６９が配置されている。内側レバー１６１によるブラケット１６６の回転によって、（ピン１６７により）シャフト１０１が直線運動する。ユーザがレバー１６１を閉じる力を印加すると、シャフト９０の遠位部とシャフト１０の遠位端１８１との間のシャフト１０１の直線部１０９上に設置されたバネ９１が伸びる。この閉じる力が解放されると、バネ９１が直線状に収縮し、シャフト１０１が元の位置に戻る。

図１０Ａ～図１０Ｅは、インターフェース１００により動作する可撓性シャフト１０１と駆動ユニット５００の制御ユニット５９２の運動センサとの間の接続を示している。可撓性シャフト１０１の端部には、磁石４７０が固定されている（図１０Ａおよび図１０Ｂ）。また、コネクタ５１８および磁気センサ４７１（図１０Ｅ）がシャフト４６９の主面に平行に配置されている（図１０Ｄおよび図１０Ｅ）。磁石４７０の直線運動を測定するセンサ４７１は、モータを介して顎部の開閉移動および位置を制御するのに用いられる駆動ユニット５００の制御ユニットによりサンプリングされる。

本明細書において、用語「およそ」は、±１０％を表す。

本発明の別の目的、利点、および新規特徴については、以下の実施例を検討することによって当業者に明らかとなろうが、これらは何ら限定的なものではない。

ここで以下の実施例を参照するが、これらは上記説明と併せて、非限定的に本発明を示すものである。

手動物体拾い上げパターンに基づくインターフェース設計
過去に出願された特許出願（特許文献１２）において、本出願人は、インターフェースハウジングに対して３軸でユーザの手のひらの配向を測定可能なユーザインターフェースを有する電動の関節式手術ツールを開示した。配向測定結果は、電気信号に変換され、医用機器シャフトの関節駆動およびそのエフェクタエンドの動作を作動させるコマンド信号へと処理されるようになっていた。

前述のユーザインターフェースに関する多くの研究の後、本発明者らは、国際公開第２０１５／０２９０４１号のインターフェースが付属医用機器の制御においては高効率であるものの、このインターフェースを習得するのに要する学習期間が不慣れなユーザには比較的長くなることに気付いた。

外科装置のインターフェースの習得に要する時間を実質的に短縮するため、本発明者らは、表面からの物体の拾い上げを課されたユーザを研究して、そのような行動に用いられる移動のパターンを読み解こうとした。鉛筆がテーブル表面に載置され、当該研究の各被験者は、手を鉛筆の上に置き、音声信号が聞こえたら可能な限り素早く鉛筆を拾い上げるように指示された。１５人の被験者の全員が、図１１Ａに示す鉛筆を拾い上げるパターンを示した。

鉛筆を拾い上げるため、被験者らは、テーブル表面に平行な配向となるように手のひらを回転させた（左の画像）ため、親指と人差し指で鉛筆を素早く固定することができた（右の画像）。

この研究の結果、医用機器の制御を習得するのに要する時間を短縮するため、機器のユーザインターフェースは、ユーザインターフェースに取り付けられた医療器具のシャフトに対してユーザの手の面が垂直となり、手のひらがインターフェースハウジングに対してローリングもピッチングもしないように、ユーザの手を配向させる必要があることが示された。

この研究から学んだ教訓は、インターフェースハウジングに対してユーザの手のひらが動かないように拘束しつつ第一指間腔および指の動きを測定するユーザインターフェースの開発に利用された。

プロトタイプ医用機器（図１１Ｂおよび図１１Ｃ）が開発され、インターフェースコントローラ（上述の第１および第２のインターフェース）によりテーブル表面から物体を拾い上げるように指示されたユーザ群に対して試験が行われた。

この試験により、インターフェースハウジングに対する手のひらの動きをなくすことによって、機器シャフトの関節駆動およびエフェクタエンドの動作の完全な制御を実現するのに要する時間が大幅に短縮されることが示された。興味深いことに、この新しいインターフェースを使用した後では、ユーザは、特許文献１２（国際公開第２０１５／０２９０４１号）に記載されているようなより複雑なインターフェースの動作に素早く適応した。

当然のことながら、本発明の特定の特徴は、明瞭化のため、個々の実施形態の背景において説明したが、１つの実施形態において組み合わせて提供可能である。逆に、本発明の種々特徴は、簡潔化のため、１つの実施形態の背景において説明したが、別個の提供、任意適当な副組み合わせでの提供も可能である。

以上、具体的な実施形態と併せて本発明を説明したが、当業者には当然のことながら、多くの変更、改良、および変形が明らかである。したがって、添付の特許請求の範囲の主旨および広い範囲に含まれるこのようなすべての変更、改良、および変形が包含されるものとする。本明細書に記載のすべての刊行物、特許、および特許出願は、各個別の刊行物、特許、または特許出願の具体的かつ個別の援用指示と同じ程度まで、そのすべての内容を本明細書に援用する。また、本願における如何なる参考文献の引用または識別も、このような参考文献が本発明の先行技術として利用可能であることを認めるものとして解釈されないものとする。

Claims (17)

1. 医療器具の制御ユニットであって、
   （ａ）手のひらが係合可能なパームレストを形成する湾曲上面を有し、前記医療器具に取り付け可能なハウジングであって、前記パームレストが前記ハウジングに対して不動である、ハウジングと、
   （ｂ）前記ハウジングの端部に回転可能に取り付けられ、前記手の第一指間腔が係合可能であり、前記医療器具の第１の機能を制御するための第１のインターフェースと、
   （ｃ）前記第１のインターフェースに取り付けられ、一緒に回転可能であり、前記手が前記湾曲上面上に配置されたときに力を前記手の裏面に印加するための拘束要素と、
   （ｄ）前記第１のインターフェースに取り付けられ、前記手の１つまたは複数の指が係合可能であり、前記医療器具の少なくとも第２の機能を動作させるための第２のインターフェースと、
   を備えた、制御ユニット。
2. 駆動ユニットをさらに備えた、請求項１に記載の制御ユニット。
3. 前記駆動ユニットが、前記ハウジングから取り外し可能である、請求項２に記載の制御ユニット。
4. 前記駆動ユニットが、前記第１のインターフェースおよび前記第２のインターフェースが前記医療器具を別個に動作させ得るための少なくとも１つのモータおよび電源を具備する、請求項３に記載の制御ユニット。
5. 前記第２のインターフェースが、前記手の親指および人差し指によって同時に操作可能なレバーを具備する、請求項１に記載の制御ユニット。
6. 前記医療器具が、把持具を有する関節式腹腔鏡であり、さらに、前記第１のインターフェースが、前記関節式腹腔鏡の関節を制御する、請求項１に記載の制御ユニット。
7. 前記第２のインターフェースが、前記把持具を制御する、請求項６に記載の制御ユニット。
8. 前記第２のインターフェースが、前記把持具の開閉および回転を制御する、請求項６に記載の制御ユニット。
9. （ａ）制御ユニットであり、
   （ｉ）手のひらが係合可能なパームレストを形成する湾曲上面を有するハウジングであって、前記パームレストが前記ハウジングに対して不動である、ハウジングと、
   （ｉｉ）前記ハウジングの端部に回転可能に取り付けられ、前記手の第一指間腔が係合可能な第１のインターフェースと、
   （ｉｉｉ）前記第１のインターフェースに取り付けられ、一緒に回転可能であり、前記手が前記湾曲上面上に配置されたときに前記手の裏面に力を印加するための拘束要素と、
   （ｉｖ）前記第１のインターフェースに取り付けられ、前記手の１つまたは複数の指が係合可能な第２のインターフェースと、
   を具備する、制御ユニットと、
   （ｂ）前記ハウジングに取り付けられ、前記第１のインターフェースおよび前記第２のインターフェースによって操作可能な医療器具と、
   を備えた、医用機器。
10. 駆動ユニットをさらに備えた、請求項９に記載の医用機器。
11. 前記駆動ユニットが、前記ハウジングから取り外し可能である、請求項１０に記載の医用機器。
12. 前記駆動ユニットが、少なくとも１つのモータおよび電源を具備する、請求項１１に記載の医用機器。
13. 前記駆動ユニットが前記ハウジングに取り付けられた場合に、前記少なくとも１つのモータの駆動軸が、前記医療器具の駆動機構と係合する、請求項１２に記載の医用機器。
14. 前記第２のインターフェースが、前記手の親指および人差し指によって同時に操作可能なレバーを具備する、請求項９に記載の医用機器。
15. 前記医療器具が、把持具を有する関節式腹腔鏡であり、さらに、前記第１のインターフェースが、前記関節式腹腔鏡の関節を制御する、請求項９に記載の医用機器。
16. 前記第２のインターフェースが、前記把持具を制御する、請求項１５に記載の医用機器。
17. 前記第２のインターフェースが、前記把持具の開閉および回転を制御する、請求項１５に記載の医用機器。
    

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