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WO2017175373A1 - 軟性マニピュレータ - Google Patents

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WO2017175373A1
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flexible
central axis
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満彰 長谷川
亮治 兵頭
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Olympus Corp
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Olympus Corp
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    • A61B2090/061—Measuring instruments not otherwise provided for for measuring dimensions, e.g. length

Definitions

  • the present invention relates to a soft manipulator.
  • Patent Document 1 it is possible to reduce the path length difference by keeping the twisting pitch of the spiral lumen within a predetermined range, and to prevent the movable part from moving in an unintended direction.
  • the above-mentioned disadvantage is sought by a helical lumen having a predetermined twisting pitch for every bending length. In some cases, it is necessary to twist the lumen at a sufficiently short pitch. However, if the twist pitch is shortened, there is a disadvantage that the friction with the wire arranged inside becomes large and the controllability of the movable part is lowered.
  • the present invention has been made in view of the above-described circumstances, and is capable of suppressing the occurrence of path length differences among a plurality of driving force transmission members with respect to all the bending lengths of the insertion portion.
  • An object of the present invention is to provide a soft manipulator capable of reducing such friction and preventing a decrease in controllability of the movable part.
  • One embodiment of the present invention includes an elongated flexible tube-shaped insertion portion, a movable portion disposed at a distal end of the insertion portion, a driving portion disposed at a proximal end of the insertion portion, and power of the driving portion.
  • both ends of the path forming member disposed at the distal end and the base end of the insertion portion are provided to be relatively rotatable around the central axis of the insertion portion. It is a soft manipulator.
  • the driving force transmitting member through which the generated power passes through the path formed by the path formation member causes the distal end of the insertion unit. Is transmitted to the movable part, and the movable part is operated.
  • the elongated flexible insertion portion is bent, the shape of the path in the path forming member that penetrates the driving force transmission member is also changed along with the bending.
  • the curved shape of the insertion portion is determined by the counterpart to be inserted, for example, the shape of the body cavity to the target organ in the patient's body, the curved length is not constant.
  • two or more paths formed by the path forming member are twisted around the central axis of the insertion part by relatively rotating both ends of the path forming member around the central axis of the insertion part. It can be formed in a spiral shape, and the pitch of the spiral can be arbitrarily set according to the relative rotation angle.
  • the relative rotation angle at both ends of the path forming member can be adjusted to set the maximum pitch at which the path length difference is minimized.
  • route formation member may consist of the some tubular member which has the single inner hole which penetrates each said driving force transmission member. In this way, by rotating the both ends of the path forming member around the central axis of the insertion portion, a plurality of tubular members are spirally twisted around the central axis of the insertion portion. By the inner hole, a plurality of spiral paths having a desired pitch can be formed in the insertion portion.
  • route formation member may consist of a tubular member which has a some internal hole which penetrates the said some driving force transmission member.
  • route formation member may be fixed between the said movable part and the front-end
  • the drive portion and the base end of the path forming member can be rotated as a unit.
  • a spiral path twisted at a pitch can be formed in the insertion portion.
  • the fixing portion is operated to insert the driving portion and the driving portion. And a spiral path having a desired pitch can be maintained.
  • the present invention it is possible to suppress the occurrence of path length differences among a plurality of driving force transmission members for every bending length of the insertion portion, and to reduce the friction applied to the driving force transmission members to control the movable portion. The effect that the fall of can be prevented is produced.
  • a flexible manipulator 1 according to an embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
  • the flexible manipulator 1 according to the present embodiment is inserted into a patient's body cavity, for example, via a forceps channel of an endoscope that is inserted into the patient's body cavity.
  • a sheath (path forming member, tubular member) 8 is provided.
  • the insertion portion 2 is configured in a flexible tube shape that can bend the entire length in the length direction or a part thereof.
  • the drive unit 5 includes a pulley 9 that is connected to a motor (not shown) and spans the wire 6. In the example shown in FIG. 2, two wires 6 are provided in the insertion portion 2 in order to simplify the description.
  • the sheath 8 is formed in a tube shape having a single inner hole 7 through which the two wires 6 pass one by one.
  • the two sheaths 8 are arranged at a position equidistant in the radial direction with respect to the central axis of the insertion portion 2, and the distal ends of the sheaths 8 are distal ends that fix the movable portion 4 to the distal end of the insertion portion 2. It is fixed to the member 10.
  • the base end of each sheath 8 is fixed to a base end member 11 attached to the base end of the insertion portion 2 by a screw so as to be rotatable around the central axis of the insertion portion 2.
  • the distal end member 10 and the proximal end member 11 are provided with through holes 10a and 11a through which the wire 6 passes.
  • the drive unit 5 is fixed to the base end member 11.
  • the two wires 6 hung on the pulley 9 of the drive unit 5 pass through the through holes 11a of the base end member 11 and the separate sheaths 8, respectively, and pass through the through holes 10a of the distal end member 10. Connected to the movable part 4.
  • the proximal end side of the sheath 8 is longer than the distal end side of the sheath 8.
  • the two sheaths 8 are formed in a spiral shape twisted around the longitudinal axis of the insertion portion 2.
  • the shape of the endoscope inserted into the body cavity of the patient is inserted into the forceps channel, or the like.
  • the bending length of the insertion portion 2 that is detected in advance and is bent when the soft manipulator 1 is inserted into the forceps channel is estimated.
  • the drive unit 5 is rotated around the central axis of the insertion unit 2 by the calculated angle ⁇ with respect to the insertion unit 2.
  • the proximal end member 11 and the distal end member 10 are relatively rotated around the central axis of the insertion portion 2, so that the two sheaths 8 whose both ends are fixed to the proximal end member 11 and the distal end member 10 are inserted. It is twisted around the central axis of the part 2 and formed in a spiral shape.
  • the pitch of the spirally formed sheath 8 is set equal to the curved length. That is, it is formed by the length of the two sheaths 8 arranged in the curved portion of the insertion portion 2, that is, by the inner holes 7 of the two sheaths 8 by being twisted into a spiral having a pitch equal to the curved length.
  • the two path lengths can be made equal regardless of the magnitude of the curvature.
  • the occurrence of the path length difference due to the bending of the insertion portion 2 is prevented, so that the movable portion 4 can be prevented from moving in an unexpected direction.
  • the helical pitch of the sheath 8 may be set such that an integral multiple of the pitch is the curved length of the insertion portion 2.
  • the proximal end member 11 and the insertion portion 2 are coupled by screws, when the sheath 8 is twisted spirally, the proximal end When the member 11 is rotated, the proximal end member 11 can be moved to the distal end side in the longitudinal direction of the insertion portion 2 according to the pitch of the screw.
  • the length of the sheath 8 along the longitudinal direction of the insertion portion 2 is shortened by being twisted in a spiral shape, an increase in the tension applied to the sheath 8 can be prevented by moving the proximal end member 11 to the distal end side. it can.
  • a cam may be employed instead of the screw, or, as shown in FIG. 4, it may be fitted by a simple cylindrical surface so as to be movable in the longitudinal direction.
  • a fixing portion 12 for holding the position of the base end member 11 rotated around the central axis with respect to the insertion portion 2 at an arbitrary rotation angle position.
  • a chuck mechanism (not shown) that fixes the proximal end member 11 in the radial direction, a push screw that presses in the radial direction, as shown in FIG.
  • the two sheaths 8 for inserting the wires 6 one by one are illustrated as the path forming member, but instead, a plurality of inner holes 7 for inserting the wires 6 one by one are provided. It may have a multi-lumen tube that can be twisted around the central axis.
  • two sheaths 8 are illustrated, three or more sheaths 8 may be provided.
  • a plurality of spacing members for maintaining the plurality of sheaths 8 at the same radial position at each position of the insertion portion 2 may be arranged at intervals in the longitudinal direction of the insertion portion 2.
  • the shape of the forceps channel of the endoscope inserted into the body cavity is measured to estimate the curved shape of the flexible manipulator 1, but instead of this, a CT image obtained at the time of surgery, etc. It may be estimated from the shape of the body cavity measured using.
  • a curved shape database of the insertion portion 2 for making the movable portion 4 of the flexible manipulator 1 reach the target portion in association with the target portion is prepared, and the curved shape is read by inputting the target portion. It may be.

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Abstract

　挿入部のあらゆる湾曲長さに対して、複数の駆動力伝達部材の経路長差の発生を抑制するとともに、駆動力伝達部材にかかる摩擦を低減して可動部の制御性の低下を防止することを目的として、本発明に係る軟性マニピュレータ（１）は、細長い軟性のチューブ状の挿入部（２）と、挿入部（２）の先端に配置された可動部（４）と、挿入部（２）の基端に配置された駆動部（５）と、駆動部（５）の動力を可動部（４）に伝達する２以上の細長い駆動力伝達部材と、挿入部（２）内に、各駆動力伝達部材を長手方向に貫通させる２以上の経路を挿入部（２）の中心軸に対して径方向外側に形成する軟性の経路形成部材（８）とを備え、挿入部（２）の先端および基端に配置されている経路形成部材（８）の両端が、挿入部（２）の中心軸回りに相対回転可能に設けられている。

Description

軟性マニピュレータ
　本発明は、軟性マニピュレータに関するものである。
　軟性の挿入部の内部において、可動部を駆動するための２本のワイヤをそれぞれ案内する２つのルーメンが挿入部の長手方向に沿って真っ直ぐに形成されている場合に、挿入部が湾曲すると、２本のワイヤの経路長に差が発生し、一方のワイヤが突っ張って他方が緩むと、可動部が意図しない方向に移動してしまう。この不都合を防止するために、挿入部の長手軸回りに螺旋状に捻られた複数のルーメンを有する軟性マニピュレータが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
　特許文献１によれば、螺旋状のルーメンの捻りのピッチを所定の範囲に収めることで、経路長差を軽減し、可動部が意図しない方向に移動してしまうことを抑制することができる。
ＷＯ２０１５／０９３６０２号公報
　軟性マニピュレータの挿入部の湾曲長さは、挿入経路に応じて変化するので、あらゆる湾曲長さに対して、予め定められた捻りのピッチを有する螺旋状のルーメンによって、上記不都合を解消しようとする場合には、十分に短いピッチでルーメンを捻っておく必要がある。しかしながら、捻りピッチを短くすると、内部に配置されているワイヤとの摩擦が大きくなって可動部の制御性が低下するという不都合がある。
　本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、挿入部のあらゆる湾曲長さに対して、複数の駆動力伝達部材の経路長差の発生を抑制できるとともに、駆動力伝達部材にかかる摩擦を低減して可動部の制御性の低下を防止することができる軟性マニピュレータを提供することを目的としている。
　本発明の一態様は、細長い軟性のチューブ状の挿入部と、該挿入部の先端に配置された可動部と、前記挿入部の基端に配置された駆動部と、該駆動部の動力を前記可動部に伝達する２以上の細長い駆動力伝達部材と、前記挿入部内に、各前記駆動力伝達部材を長手方向に貫通させる２以上の経路を前記挿入部の中心軸に対して径方向外側に形成する軟性の経路形成部材とを備え、前記挿入部の先端および基端に配置されている前記経路形成部材の両端が、前記挿入部の前記中心軸回りに相対回転可能に設けられている軟性マニピュレータである。
　本態様によれば、挿入部の基端に配置された駆動部を作動させると、発生した動力が経路形成部材によって形成された経路内を貫通している駆動力伝達部材によって、挿入部の先端に配置されている可動部に伝達され、可動部が作動させられる。細長い軟性の挿入部を湾曲させると、その湾曲とともに駆動力伝達部材を貫通させる経路形成部材内の経路の形状も変化させられる。
　この場合において、挿入部の湾曲形状は、挿入される相手方、例えば、患者の体内の目的臓器までの体腔の形状等によって決定されるので、その湾曲長さは一定ではない。これに対し、本態様によれば、経路形成部材の両端を挿入部の中心軸回りに相対回転させることにより、経路形成部材によって形成された２以上の経路を挿入部の中心軸回りに捻って螺旋状に形成することができるとともに、その螺旋のピッチを相対回転角度によって任意に設定することができる。
　すなわち、挿入部の湾曲長さが変化しても、経路形成部材の両端の相対回転角度を調節して、経路長差が最も少なくなる最大のピッチに設定することができる。その結果、挿入部のあらゆる湾曲長さに対して、複数の駆動力伝達部材の経路長差の発生を抑制できるとともに、駆動力伝達部材にかかる摩擦を低減して可動部の制御性の低下を防止することができる。
　本態様においては、前記経路形成部材が、各前記駆動力伝達部材を貫通させる単一の内孔を有する複数の管状部材からなっていてもよい。
　このようにすることで、経路形成部材の両端を挿入部の中心軸回りに相対回転させることにより、複数の管状部材を挿入部の中心軸回りに螺旋状に捻れた形態として、各管状部材の内孔によって、所望のピッチの螺旋状の複数の経路を挿入部内に形成することができる。
　また、上記態様においては、前記経路形成部材が、複数の前記駆動力伝達部材を貫通させる複数の内孔を有する管状部材からなっていてもよい。
　このようにすることで、経路形成部材の両端を挿入部の中心軸回りに相対回転させることにより、管状部材を挿入部の中心軸回りに捻れた形態として、管状部材に設けられた複数の内孔によって、挿入部の中心軸回りに所望のピッチの螺旋状の経路を挿入部内に形成することができる。
　また、上記態様においては、前記経路形成部材の先端が、前記可動部と前記挿入部の先端との間に固定され、前記経路形成部材の基端が、前記駆動部に固定されていてもよい。
　このようにすることで、挿入部と駆動部とを挿入部の中心軸回りに相対的に回転させることにより、駆動部と経路形成部材の基端とを一体として回転させることができ、所望のピッチで捻れた螺旋状の経路を挿入部内に形成することができる。
　また、上記態様においては、前記挿入部と前記駆動部との前記中心軸回りの相対回転を任意の回転角度位置で固定可能な固定部を備えていてもよい。
　このようにすることで、固定部による固定を解除して経路形成部材の両端を挿入部の中心軸回りに所望の回転角度だけ相対回転させた後に、固定部を作動させて挿入部と駆動部とを固定することにより、所望のピッチの螺旋状の経路を保持することができる。
　本発明によれば、挿入部のあらゆる湾曲長さに対して、複数の駆動力伝達部材の経路長差の発生を抑制できるとともに、駆動力伝達部材にかかる摩擦を低減して可動部の制御性の低下を防止することができるという効果を奏する。
本発明の一実施形態に係る軟性マニピュレータを示す全体構成図である。 図１の軟性マニピュレータの縦断面図である。 図２の軟性マニピュレータのシースを捻った状態を示す縦断面図である。 図１の軟性マニピュレータの変形例を示す縦断面図である。
　本発明の一実施形態に係る軟性マニピュレータ１について、図面を参照して以下に説明する。
　本実施形態に係る軟性マニピュレータ１は、図１および図２に示されるように、例えば、患者の体腔内に挿入される内視鏡の鉗子チャネルを介して患者の体腔内に挿入される挿入部２と、該挿入部２の先端に配置された関節および把持鉗子等の処置部３を有する可動部４と、挿入部２の基端に配置され、可動部４を作動させる駆動部５と、該駆動部５により発生した駆動力を可動部４に伝達するワイヤ（駆動力伝達部材）６と、該ワイヤ６を挿入部２の基端から先端まで貫通させる経路を形成する内孔７を有するシース（経路形成部材、管状部材）８とを備えている。
　挿入部２は、長さ方向の全長または一部を湾曲させることができる軟性のチューブ状に構成されている。
　駆動部５は、図示しないモータに接続され、ワイヤ６を掛け渡すプーリ９を備えている。
　図２に示す例では、説明を簡単にするために挿入部２内に２本のワイヤ６が備えられている。
　モータからの回転力によってプーリ９が回転させられることにより、プーリ９の一側のワイヤ６の張力を増大させ、他側のワイヤ６の張力を減少させる。２本のワイヤ６の張力差を駆動力として、挿入部２の先端に配置されている可動部４に伝達し、可動部４の関節を揺動させることができるようになっている。
　シース８は、図２に示されるように、２本のワイヤ６を１本ずつ貫通させる単一の内孔７を有するチューブ状に形成されている。
　２本のシース８は、挿入部２の中心軸に対して径方向に等距離離れた位置に配置されており、各シース８の先端は、挿入部２の先端に可動部４を固定する先端部材１０に固定されている。また、各シース８の基端は、挿入部２の基端にネジによって挿入部２の中心軸回りに回転可能に取り付けられた基端部材１１に固定されている。先端部材１０および基端部材１１には、ワイヤ６を貫通させる貫通孔１０ａ，１１ａが設けられている。
　また、基端部材１１には駆動部５が固定されている。
　駆動部５のプーリ９に掛け渡された２本のワイヤ６は、それぞれ基端部材１１の貫通孔１１ａを貫通して別々のシース８内を貫通し、先端部材１０の貫通孔１０ａを貫通して可動部４に接続されている。
　したがって、挿入部２に対して駆動部５および基端部材１１を挿入部２の長手軸回りに回転させると、シース８の基端側が、シース８の先端側に対して、挿入部２の長手軸回りに相対回転させられる結果、図３に示されるように、２本のシース８が挿入部２の長手軸回りに捻れた螺旋状に形成されるようになっている。
　このように構成された本実施形態に係る軟性マニピュレータ１の作用について以下に説明する。
　本実施形態に係る軟性マニピュレータ１を用いて、患者の体腔内の処置を行うには、患者の体腔内に挿入した内視鏡の形状を、鉗子チャネル内に光ファイバセンサを挿入する等して予め検出し、軟性マニピュレータ１が鉗子チャネル内に挿入された場合に湾曲させられることとなる挿入部２の湾曲長さを推定する。
　そして、推定された湾曲長さＬ１と、挿入部２の全長Ｌ２とから、回転角度θを以下の式（１）により算出する。
　θ＝３６０°×Ｌ２／Ｌ１　　　　　（１）
　そして、挿入部２に対して駆動部５を挿入部２の中心軸回りに、算出された角度θだけ回転させる。これにより、基端部材１１と先端部材１０とが挿入部２の中心軸回りに相対回転させられるので、両端が基端部材１１および先端部材１０に固定されている２本のシース８が、挿入部２の中心軸回りに捻られて螺旋状に形成される。
　この場合に、式（１）により算出された角度θだけ回転させているので、螺旋状に形成されるシース８のピッチは、湾曲長さに等しく設定される。すなわち、湾曲長さに等しいピッチの螺旋状に捻られることにより、挿入部２の湾曲部分に配される２本のシース８の長さ、つまり、２本のシース８の内孔７によって形成されている２つの経路長を湾曲の大小にかかわらず等しくすることができる。
　これにより、挿入部２の湾曲による経路長差の発生を防止することができ、シース８内を貫通しているワイヤ６における、挿入部２の湾曲に起因する張力差の発生を防止することができる。
　このように、本実施形態に係る軟性マニピュレータ１によれば、挿入部２の湾曲による経路長差の発生を防止するので、可動部４が予期しない方向に動いてしまうことを防止することができるという利点がある。
　なお、シース８の螺旋形状のピッチは、該ピッチの整数倍が挿入部２の湾曲長さとなるように設定してもよい。これにより、上記と同様の効果を奏することができる。しかしながら、ピッチを湾曲長さに等しくすることにより、シース８の内孔７の内面とワイヤ６との摩擦を最小限に抑えることができて、可動部４の制御性の低下を防止することができるという利点がある。
　また、本実施形態によれば、図２および図３に示されるように、基端部材１１と挿入部２とをネジにより結合しているので、シース８を螺旋状に捻る際に、基端部材１１を回転させるとネジのピッチに応じて基端部材１１を挿入部２の長手方向に先端側に移動させることができる。螺旋状に捻られることにより挿入部２の長手方向に沿うシース８の長さは短くなるが、基端部材１１を先端側に移動させることで、シース８にかかる張力の増大を防止することができる。
　また、ネジに代えてカムを採用してもよいし、図４に示されるように、長手方向に移動可能となるように単純な円柱面によって嵌合させてもよい。また、この場合に、挿入部２に対してその中心軸回りに回転させた基端部材１１の位置を、任意の回転角度位置に保持するための固定部１２を備えていることが好ましい。
　固定部１２としては、基端部材１１を径方向に挟んで固定するチャック機構（図示略）や、図４に示されるように、径方向に押圧する押しネジ等を採用すればよい。
　また、本実施形態においては、経路形成部材として、ワイヤ６を１本ずつ挿入する２本のシース８を例示したが、これに代えて、ワイヤ６を１本ずつ挿入する複数の内孔７を有し、中心軸回りに捻ることができるマルチルーメンチューブを採用してもよい。
　また、２本のシース８を例示したが、３以上のシース８を備えていてもよい。また、複数のシース８を挿入部２の各位置において同等の径方向位置に維持するための間隔保持部材を挿入部２の長手方向に間隔をあけて複数配置することにしてもよい。
　また、本実施形態においては、体腔内に挿入した内視鏡の鉗子チャネルの形状を測定して、軟性マニピュレータ１の湾曲形状を推定したが、これに代えて、手術に際して取得されたＣＴ画像等を用いて測定された体腔の形状から推定してもよい。あるいは、処置の目的部位と対応づけて当該目的部位に軟性マニピュレータ１の可動部４を到達させるための挿入部２の湾曲形状のデータベースを作成しておき、目的部位の入力によって湾曲形状を読み出すことにしてもよい。
　また、体内への挿入前に、挿入部２に対して駆動部５を予め回転させておく例を示したが、体内に挿入してから駆動部５を回転させることにしてもよい。
　１　軟性マニピュレータ
　２　挿入部
　４　可動部
　５　駆動部
　６　ワイヤ（駆動力伝達部材）
　７　内孔
　８　シース（経路形成部材、管状部材）
　１２　固定部

Claims (5)

  1. 　細長い軟性のチューブ状の挿入部と、
    　該挿入部の先端に配置された可動部と、
    　前記挿入部の基端に配置された駆動部と、
    　該駆動部の動力を前記可動部に伝達する２以上の細長い駆動力伝達部材と、
    　前記挿入部内に、各前記駆動力伝達部材を長手方向に貫通させる２以上の経路を前記挿入部の中心軸に対して径方向外側に形成する軟性の経路形成部材とを備え、
    　前記挿入部の先端および基端に配置されている前記経路形成部材の両端が、前記挿入部の前記中心軸回りに相対回転可能に設けられている軟性マニピュレータ。
  2. 　前記経路形成部材が、各前記駆動力伝達部材を貫通させる単一の内孔を有する複数の管状部材からなる請求項１に記載の軟性マニピュレータ。
  3. 　前記経路形成部材が、複数の前記駆動力伝達部材を貫通させる複数の内孔を有する管状部材からなる請求項１に記載の軟性マニピュレータ。
  4. 　前記経路形成部材の先端が、前記可動部と前記挿入部の先端との間に固定され、
    　前記経路形成部材の基端が、前記駆動部に固定されている請求項１から請求項３のいずれかに記載の軟性マニピュレータ。
  5. 　前記挿入部と前記駆動部との前記中心軸回りの相対回転を任意の回転角度位置で固定可能な固定部を備える請求項４に記載の軟性マニピュレータ。
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