JP2005111280A

JP2005111280A - 触覚センサ

Info

Publication number: JP2005111280A
Application number: JP2004360053A
Authority: JP
Inventors: Yoshito Horikawa; 義人堀川; Yuichi Ikeda; 裕一池田
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2004-12-13
Filing date: 2004-12-13
Publication date: 2005-04-28

Abstract

【課題】広範囲にわたり、超音波の周波数変化により生体組織の硬さ測定を測定する操作性が良い触覚センサを提供することを目的とする。
【解決手段】生体組織に触覚センサプローブ５０を接触させたときの超音波振動の共振特性の変化を検出してこれを生体組織の硬さの情報とするための複数の超音波振動子５３を有する触覚センサであって、前記超音波振動子５３は測定用接触部５２に沿って移動可能に前記触覚センサプローブ５０内へ配置され、前記測定用接触部５２を接触させた生体組織の複数位置における硬さを検出するものである。
【選択図】図４

Description

本発明は、生体などの物体に接触させてその接触部分における硬さを検知する触覚センサに関する。

この種の触覚センサの従来技術として、まず、特開平２−２９０５２９号公報（特許文献１）に開示された硬さセンサがある。この硬さセンサは物体に接触させる振動板上に圧電素子を設け、この圧電素子には発信回路と、物体に接触したときに生じる共振周波数の変化を検出する検出回路を接続してなり、検出回路からの出力により物体の硬さを計測するものである。

また、特公昭４０−２７２３６号公報（特許文献２）では、柔軟度測定装置が提案されている。この装置は、超音波発振器よりの電気エネルギーを、圧電素子を介して超音波振動エネルギーに変換し、この超音波振動エネルギーを金属針に与える一方、その金属針の先端の超音波振動に対する機械的負荷の変化を、前記圧電素子における音響インピーダンスの変化として取り出し、前記金属針の先端が当たる物体の柔軟度を測定しようとするものである。
特開平２−２９０５２９号公報特公昭４０−２７２３６号公報

これら従来例のものは、測定場所が、点または非常に狭い面であり、いずれの場合も広がりを持った面内においての硬さを知り得るものではない。
このような測定装置を用いて、広がりを持った面内においての硬さ情報を得ようとする場合は、圧電振動子を含むセンシング部分を手で動かす必要がある。しかし、その際に測定対象物体に対する押圧力量が大きく変動してしまう。また、押圧力量が大きく変化すれば、当然に押圧された部分の硬さも変化して同一条件としての情報が得にくくなる。

さらに言えば、特に対象物体が生体である場合、本来柔軟な組織が多く、シビアな測定、つまり均一な押圧で広範な面内における圧電素子の移動が実際上困難である。接触面積の小さいセンサ先端を、ある範囲に渡って均一な力量で移動させることはかなりの熟練を要する。しかも、慎重な操作と多大な時間を要する割に正確な測定結果を得難い。

本発明は、広範囲にわたり、超音波の周波数変化により生体組織の硬さ測定を測定する操作性が良い触覚センサを提供することを目的とする。

請求項１に係る発明は、超音波振動子を含む、生体組織に接触させる測定用接触部を有した触覚センサプローブと、前記測定用接触部を生体組織に接触させたときの前記超音波振動子の超音波振動の共振特性の変化を検出してこれを生体組織の硬さ情報とするための検出手段と、を有する触覚センサであって、
前記超音波振動子は、前記生体組織に接触させる前記測定用接触部の表面に沿って移動可能に前記触覚センサプローブに配置され、前記測定用接触部を接触させた生体組織の複数位置における硬さを検出することを特徴とする触覚センサである。
請求項２に係る発明は、超音波振動子を含む、生体組織に接触させる測定用接触部を有した触覚センサプローブと、前記測定用接触部を生体組織に接触させたときの前記超音波振動子の超音波振動の共振特性の変化を検出してこれを生体組織の硬さ情報とするための検出手段と、を有する触覚センサであって、
前記超音波振動子は、前記生体組織に接触させる前記測定用接触部の表面に沿って前記触覚センサプローブに配置される複数の超音波振動子であり、前記測定用接触部を接触させた生体組織の複数位置における硬さを検出することを特徴とする触覚センサである。
請求項３に係る発明は、超音波振動子を含む、生体組織に接触させる測定用接触部を有した触覚センサプローブと、前記測定用接触部を生体組織に接触させたときの超音波振動の共振特性の変化を検出してこれを生体組織の硬さの情報とするための検出手段と、を有する触覚センサであって、
前記触覚センサプローブは、回転する略円筒形のドラムと、前記ドラムの周側面に配置された測定用接触部と、前記測定用接触部に沿って前記ドラムに放射状に配置された複数の超音波振動子と、を具備したことを特徴とする触覚センサである。

本発明によれば、広範囲にわたり、超音波の周波数変化により生体組織の硬さ測定を測定する操作性が良い触覚センサを提供することができる。

＜第１の実施形態＞
図１及び図２を参照して、本発明の第１の実施形態を説明する。

（目的）
この実施形態の目的は、主に短時間に広範囲な面に対して硬さの変化の情報を得ることと、人体に対して低侵襲な状態で体腔内に挿通でき、体腔内臓器に対して直接に接触させて硬さ変化の情報を得ようとするようにすることにある。

（構成）
図１は、触覚センサのシステムの概要を示す。本システムは、生体に接触させる触覚センサ用プローブ１及びプローブ制御部２を備える。プローブ１は生体に接触させる先端部３と、先端部３の向きを変えることを許容する弾性湾曲部４と、これに続く挿入管５と、この挿入管５の基端に設けた駆動部６と、操作時に必要な把持部７とを備え、さらに、プローブ１の把持部７にはプローブ制御部２との信号をやり取りするケーブル８が接続されている。プローブ１における先端部３の側面部分にはこれに納められる超音波振動子９を有するセンサ部１０が設けられている。超音波振動子９には信号線１１が接続されている。

プローブ１は直列に連結した先端部３、弾性湾曲部４及び挿入管５の部材の外径が略同径であり、これらの部分は図２で示すように、トラカール等の外套管１２を介して体腔内に挿入され得るものである。先端部３及び弾性湾曲部４は軸受け部１３を介して挿入管５に対して回動自在に固定されている。挿入管５は駆動部６のケース１４に固定されている。

ケース１４内には駆動力伝達軸１５を連結した回転駆動源１６が配設されている。駆動力伝達軸１５は挿入管５に挿通され、その駆動力伝達軸１５の先端は前記湾曲部４に固定されている。駆動力伝達軸１５内には前記信号線１１が配設されている。先端部３と弾性湾曲部４は駆動力伝達軸１５を介して回転駆動源１６により操作されて挿入管５を中心として回転する手段、つまり、前記センサ部１０が測定用接触部となって、これが接触する生体組織の表面で前記超音波振動子９が作用する領域を２次元的にならしめる駆動手段を構成する。

駆動部６内には駆動力伝達軸１５の回転情報を得るためのエンコーダ１７、信号線１１を通じてのセンサ部１０との電気信号を中継するスリップリング１８が設けられている。

一方、本システムにおいてのプローブ制御部２は大きく次のように分けられる。つまり、プローブ１の先端部３内に収められたセンサ部１０に超音波駆動信号を送るための超音波駆動ユニット２１と、センサ部１０にて検知される共振周波数を測定する周波数カウントユニット２２と、この周波数カウントユニット２２で測定された周波数変化、または、それに対応した生体組織部位の硬さの表示をする表示ユニット２３と、先端部３の走査を行うために回転駆動源１６を制御する走査制御ユニット２４とである。

（作用・効果）
このプローブ１を使用する場合、図２で示すように予め体腔壁２５に穿刺した外套管１２を通じて体腔内へプローブ１の先端部３を挿入し、弾性湾曲部４を屈曲させて挿入管５に対して先端部３を略直角な状態として、センサ部１０を体腔内の生体組織部位２６の表面に接触させる。

そして、駆動力伝達軸１５を通じて回転駆動源１６の回転力を先端部３と弾性湾曲部４に伝えると、その屈曲状態を保持しながら先端部３と弾性湾曲部４は挿入管５を中心として矢印で示す如く回転する。つまり、弾性湾曲部４の弾性により先端部３はそのセンサ部１０を生体組織部位２６の表面に常に接触させたまま移動させることにより、そのセンサ部１０は生体組織部位２６の表面を円環状に走査する。このとき、センサ部１０にて検知される共振周波数を周波数カウントユニット２２で測定する。周波数変化は一般に柔らかいもの程、空中での周波数に対する変化量が大きくなる特性がある。そこで、検出した周波数の変化によりそれに対応した生体組織部位の硬さを測定できる。

つまり、前記センサ部１０が測定用接触部となって、これが接触する生体組織の表面で前記超音波振動子９が作用する領域が２次元的にならしめるように駆動される。このことにより生体組織部位の広い範囲にわたって硬さ変化の情報が得られる。さらに、エンコーダ１７により硬さ情報と順次操作される位置の情報を関連づけることも可能であり、このようにすれば、広い範囲にわたっての各位置の硬さ情報を個別的に得ることができる。

また、プローブ１はトラカール等の外套管１２を介して挿入可能であるので、被検者に対する侵襲が少なく、それでいて体腔内では挿入管５に対して先端部３を屈曲させた上でその先端部３を回転できるので、その外套管１２の外径に比しても広い範囲で効率よく硬さ測定ができる。さらに、体腔内に挿入することで、目的部位にセンサ部１０をより直接的に当てることが可能となった。

加えて、弾性湾曲部４によりセンサ部１０が常に適当な圧力にて付勢されており、また接触圧力が安定し、硬さ測定の精度を高めることができる。

＜第２の実施形態＞
図３を参照して、本発明の第２の実施形態を説明する。

（目的）
この実施形態の目的は主に簡単な構成により短時間で、しかも、比較的精度よく広範囲な面に対して硬さ変化の情報が得られ、また、安価なシステムを提供できるようにすることにある。

（構成）
この実施形態のプローブ３０はハウジング３１を備える。ハウジング３１の前面開口部には例えばシリコンゴム等の弾性のある膜体３２が張設されている。ハウジング３１の内部には超音波振動子３３と振動伝搬体３４からユニット化されたセンサユニット部３６が設けられている。振動伝搬体３４は先端部３７がその先端に僅かな丸みのある円錐形に形成されている。ハウジング３１の内部にはボールネジ３８が前記膜体３２の表面と平行に配置され、ハウジング３１の片側にはボールネジ３８を駆動するステッピングモータ３９が設けられている。ステッピングモータ３９によるボールネジ３８の回転情報はエンコーダ４０により得られるようになっている。

ユニット化されたセンサユニット部３６はボールネジ３８に支持され、ボールネジ３８の回転によって図面上の水平方向、つまり膜体３２の表面に沿った方向に移動が可能である。つまり、生体組織の表面で前記超音波振動子が作用する領域が２次元的にならしめる駆動手段を構成している。センサユニット部３６の振動伝搬体３４の先端部３７はこの移動中において膜体３２の内面に滑らかに接するように設けられている。超音波振動子３３についての信号の送受はコイル状に巻かれている伸縮性信号ケーブル４１によって行われる。

この信号ケーブル４１はステッピングモータ３９への駆動信号ケーブル４２と共に前述したようなプローブ制御部に導かれている。プローブ制御部にはセンサユニット部３６に超音波駆動信号を送るための超音波駆動ユニットと、センサユニット部３６にて検知される共振周波数を測定する周波数カウントユニットと、この周波数カウントユニットで測定された周波数変化を表示する表示ユニットと、センサユニット部３６の走査を行うために回転駆動源としてのステッピングモータ３９を制御する走査制御ユニット等が設けられている。また、エンコーダ４０によって得たボールネジ３８の回転情報もそのプローブ制御部に伝送されるようになっている。

（作用・効果）
この実施形態のプローブ３０を使用する場合、図３で示すように、予め生体組織部位４４の表面に膜体３２を当てる。そして、プローブ制御部に指令を与えてステッピングモータ３９を駆動し、ボールネジ３８を回転してセンサユニット部３６を膜体３２に沿って移動させる。センサユニット部３６における振動伝搬体３４の先端部３７は膜体３２の内面に滑らかに接するように移動し、膜体３２を介して生体組織部位４４の表面に押し当たり直線的に移動して２次元的な走査を行う。これにより広い範囲にわたっての硬さ変化の情報が得られる。さらに、エンコーダ４０により、硬さ情報と位置情報を関連づけることも可能であり、このようにすれば、広い範囲にわたっての各位置の硬さ情報を個別的に得ることができる。

この実施形態によれば、単一の超音波振動子を機械的に走査しながら硬さ情報を得る方法をとっているので、超音波振動子の固体差の補正をする必要がない。したがって、周波数変化を測定する場合の精度がよい。

また、配線も少なく構造が簡単なため、安価なプローブが実現できる。さらに、プローブ制御部内の回路も簡略化されるので、システムとしても安価なものとなる。

加えて、水平走査幅に合わせて成形されているハウジングに対して膜体が張ってあるので、被検物に対して本プローブを当てる事で、走査範囲内を均一に押圧することが可能であり、被検物を測定する精度が向上する。

なお、この実施形態のプローブは体腔内に導入して使用するように比較的小型に構成して体腔内の生体組織の硬さの測定にも使用することが可能である。

＜第３の実施形態＞
図４を参照して、本発明の第３の実施形態を説明する。

（目的）
この実施形態の目的は主に簡単な構成により短時間で、しかも比較的精度よく広範囲な面の硬さ変化の情報が得られるシステムを提供し、また、安価でかつ故障のしにくいプローブを提供できるようにすることにある。

（構成）
この実施形態のプローブ５０はハウジング５１を備える。ハウジング５１の前面開口部には例えばシリコンゴム等の弾性のある膜体５２が張設されている。ハウジング５１の内部には超音波振動子５３と振動伝搬体５４からユニット化された同一構成のセンサユニット部５６が複数個、並べて固定的に配設されている。センサユニット部５６の振動伝搬体５４は先端部５７がその先端に僅かな丸みのある円錐形に形成されている。複数個のセンサユニット部５６は振動伝搬体５４の先端部５７が膜体５２の内表面に当たるように一列で、かつ互いに平行で密接する状態で隣接して配置されている。つまり、生体組織の表面で前記超音波振動子５３が作用する領域が２次元的にならしめる駆動手段を構成している。

超音波振動子５３への信号の供給はケーブル部５８を介して前述したようなプローブ制御部に導かれている。プローブ制御部には各センサユニット部５６に超音波駆動信号を送るための超音波駆動ユニットと、各センサユニット部５６にて検知される共振周波数をそれぞれ測定する周波数カウントユニットと、この周波数カウントユニットで測定された周波数変化を表示する表示ユニット等が設けられている。

なお、超音波駆動ユニットは超音波振動子５３の数だけ内蔵するか、もしくは駆動信号切り替え回路を用いて駆動ユニットの数を超音波振動子５３の数より減らしてもよい。

（作用・効果）
この実施形態のプローブ５０を使用する場合、その膜体５２を生体組織部位の表面に当てる。そして、プローブ制御部に指令を与えて各センサユニット部５６の超音波振動子５３を駆動し、各センサユニット部５６にて検知される共振周波数を測定する。この共振周波数の違いから硬さ変化の情報が得られる。各センサユニット部５６がライン状に２次元的に配置されており、このため、広い範囲にわたっての硬さ変化の情報が得られる。

広い範囲にわたって各センサユニット部５６に対応した各位置の硬さ情報をそれぞれ個別的に得ることができる。

複数のセンサユニット部５６の超音波振動子５３がほぼ同時に駆動できるので、非常に短時間に測定が行える。したがって、被検者に対する時間的制約が少なくて済む。

ハウジング５１及び膜体５２がある程度の面積を持っているので、均一な押圧が得られ、硬さの測定精度が向上する。
プローブ５０自身が機械的に動く要素を持っていないため、一旦、組立てると故障しにくい。

＜第４の実施形態＞
図５及び図６を参照して、本発明の第４の実施形態を説明する。

（目的）
この実施形態の目的は短時間で、しかも比較的精度よく広範囲な面に対して硬さ変化の情報が得られるシステムを提供することにある。

（構成）
この実施形態のプローブ６０はハンドル６１を備えた本体６２に対して回転自在なドラム６３を備える。ドラム６３にはスリップリング６４を有する。ドラム６３はその円筒状のハウジング６５の一部に同じく例えばシリコンゴム等の弾性のある円筒状の膜体６６を張り、この中に複数のセンサユニット部６７を放射状に配置したものである。センサユニット部６７は第３の実施形態と同様、超音波振動子６８と振動伝搬体６９からユニット化された同一構成のものであり、その振動伝搬体６９の先端部７０を外側に向けて膜体６６の内面に当てるようにする。複数のセンサユニット部６７をドラム６３に組み込むことにより生体組織の表面で前記超音波振動子６８が作用する領域が２次元的にならしめる駆動手段を構成している。複数のセンサユニット部６７はドラム６３の回転中心を中心とする放射状に等間隔で配置されているが、センサユニット部６７の数を増やし、これらを密に配置するため、その中心側基部の隣接側部７１を細く狭めて密に突き合わせている。

超音波振動子６８に接続されたケーブル部７２はドラム６３の円筒中心に向かって束ねられ、図５で示すスリップリング６４に接続され、ハンドル６１内に挿通されたケーブル部７２と電気的に接続されている。ケーブル部７２はハンドル６１の端面から導出され、前述したプローブ制御部に接続される。

プローブ制御部には各センサユニット部６７に超音波駆動信号を送るための超音波駆動ユニットと、各センサユニット部６７にて検知される共振周波数を測定する周波数カウントユニットと、この周波数カウントユニットで測定された周波数変化を表示する表示ユニット等が設けられている。

なお、超音波駆動ユニットは超音波振動子６８の数だけ内蔵するか、もしくは駆動信号切り替え回路を用いて駆動ユニットの数をセンサユニット部６７の数より減らしてもよい。

（作用・効果）
この実施形態のプローブ６０を使用する場合、そのドラム６３を生体組織部位の表面に当てて転がす。そして、各センサユニット部６７の超音波振動子６８を駆動し、各センサユニット部６７にて検知される共振周波数を測定する。この共振周波数の違いから硬さ変化の情報が得られる。各センサユニット部６７が回転するドラム６３に放射状に配されており、生体組織部位の表面に当てて転がすことによって広い範囲にわたっての硬さ変化の情報が得られる。また、広い範囲にわたって各センサユニット部６７に対応した各位置での硬さ情報をそれぞれ得ることができる。

さらに、ハンドル６１を持って、ドラム６３を転がすことによって単一のセンサユニット部６７を点接触させることなく、常にハウジング６５を含めた広い面で対象物を押さえながら硬さ測定が２次元的に測定することが可能となり、しかも、ドラム６３を転動させるので、押付け圧がバラつきにくく、精度よく硬さ変化の情報が得られる。

＜変形例＞
前述した第３、第４の実施形態においてセンサユニット部は一列に並べて配置したが、センサユニット部を複数列に配置してもよい。このようにすれば、測定部位に対して、一度に多くのセンサユニット部を対向可能となるため、広い範囲をより短時間に測定を行なうことができる。

次に、図７及び図８を参照して、触覚センサシステムの他の例を説明する。

（構成）
図７は、この例に係る触覚センサシステムの概略的な構成を示しており、これには内視鏡８１内を通じて体腔内に導入される触覚センサプローブ８２とプローブ制御部８３とを備えている。

触覚センサプローブ８２は長尺で可撓性の挿入部８４を備えてなり、その挿入部８４の先端部８５には図８で示すようなセンサユニット部が組み込まれている。つまり、先端部８５には円筒状の超音波振動子８６が挿入部８４の長軸に対して同軸的に配置した状態で設けられ、さらに超音波振動子８６は先端カバー８７によって密着した状態で同軸的に覆われている。先端カバー８７の外周側面は例えば管腔状の臓器に接触させる接触部８８を形成している。円筒状の超音波振動子８６は図８（ｂ）で示すようにその中心軸に対して径方向ｘの振動を行うように分極されている。そして、自励発振によって超音波振動子８６と接触部８８が一体となって共振周波数による径方向ｘの向きの振動を行うようになっている。

超音波振動子８６の電極には信号線８９が接続されている。この信号線８９は挿入部８４の内部を通じてその手元側に導かれた後、信号ケーブル９１を通じてプローブ制御部８３に接続される。また、触覚センサプローブ８２の手元部には発振動作を操作する動作スイッチ９２が設けられている。術者はその動作スイッチ９２を任意に操作することができるようになっている。

前記プローブ制御部８３には超音波振動子８６を共振周波数で振動させるための信号を発振する発振回路９３が設けられている。発振回路９３には周波数検出回路９４と電圧検出回路９５が接続されており、共振周波数の変化や機械的インピーダンスの変化をモニターするモニター手段を構成している。

（作用）
この触覚センサシステムを使用して管腔状臓器の硬さを測定し、病変部の位置を同定しようとする場合には次のように行われる。まず、予め体腔内に挿入した内視鏡８１のチャンネルを通じて触覚センサプローブ８２を誘導し、内視鏡８１の観察下で、触覚センサプローブ８２の先端部８５を患者９７の管腔状臓器９８内に挿入する。図８（ａ）はその状態の様子を示している。

そして、先端部８５の接触部８８を管腔状臓器９８の内面に接触させながらその臓器９８内を移動させる。ここで、術者が動作スイッチ９２を操作して発振回路９３を動作させると、超音波振動子８６と接触部８８が発振回路９３からの信号によって一体的に共振周波数による振動を行う。接触部８８の臓器９８への接触によって臓器９８の硬さに応じて機械的インピーダンスが変化し、接触部８８の共振周波数は変化するが、発振回路９３が自励発振を行うために共振周波数の変化に追随した発振を行うことができる。この際の共振周波数の変化は、周波数検出回路９４によってモニターされ、また、電圧変化は、電圧検出回路９５によってモニターされる。これらの少なくとも一方の情報によって臓器９８の硬さの変化情報として得ることができる。例えば、臓器９８の粘膜下に局在する病変部９９の位置を硬さの変化情報によって同定することができる。

（効果）
この実施形態の触覚センサプローブ８２によれば、触覚センサプローブ８２の挿入方向に対して垂直方向の硬さ特性を周波数や電圧の変化として測定するため、管腔状臓器９８の粘膜下の例えば腫瘍等の病変部９９の存在の判断のために、優れた操作性を発揮することができる。

図９及び図１０を参照して、触覚センサシステムの例を説明する。

（構成）
図９は、この例に係る触覚センサシステムの概略的な構成を示しており、これには、トラカール外套管１０１を通じて体腔内に導入される触覚センサプローブ１０２とプローブ制御部１０３とを備えている。これとは別に、トラカール外套管１０４を通じて体腔内に導入される硬性鏡１０５が用意されている。

触覚センサプローブ１０２は長尺の硬性の挿入部１０６を備えてなり、その挿入部１０６の先端部１０７には図１０で示すようなセンサユニット部が組み込まれている。つまり、先端部１０７には円筒状の超音波振動子１０８が挿入部１０６の長軸に対して同軸的に配置した状態で設けられている。超音波振動子１０８は先端部１０７の中心軸方向Ｘに振動するように分極されている。さらに超音波振動子１０８はその先端に触覚用接触部を兼ねた振動角度変換素子１０９を有している。振動角度変換素子１０９では超音波振動子１０８より受けた振動を内部で反射させ、中心軸方向Ｘと特定の角度を持つ斜め前方へその振動方向を変換する。振動角度変換素子１０９の先端部分は、カバー１１１の孔１１２から突出し、その最先端部分は僅かに丸みが付けられた接触部１１３を形成している。

超音波振動子１０８の電極には信号線１１４が接続されている。この信号線１１４は挿入部１０６の内部を通じてその手元側に導かれた後、信号ケーブル１１５を通じてプローブ制御部１０３に接続される。また、触覚センサプローブ１０２の手元部には発振動作を操作する動作スイッチ１１６が設けられている。術者はその動作スイッチ１１６を任意に操作することができるようになっている。

前記プローブ制御部１０３には超音波振動子１０８を共振周波数で振動させるための信号を発振する発振回路９３が設けられている。この発振回路９３には周波数検出回路９４と電圧検出回路９５が接続されており、共振周波数の変化や機械的インピーダンスの変化をモニターする手段を構成している。

（作用）
この触覚センサシステムを使用して腹腔内臓器の硬さを測定し、病変部の位置を同定しようとする場合には次のようになる。トラカール外套管１０１を通じて触覚センサプローブ１０２を腹腔内に挿入し、硬性鏡１０５の観察下で、斜めに突き出した振動角度変換素子１０９の先端にある接触部１１３を臓器１２１の表面に接触させながらその臓器１２１の表面上を移動させる。この際、術者が動作スイッチ１１６を操作することにより発振回路９３を動作させる。接触部１１３のある振動角度変換素子１０９と超音波振動子１０８は発振回路９３からの信号によって一体的に共振周波数による振動を行う。接触部１１３の先端部は触覚センサプローブ１０２の軸に対して斜め前方に突出して振動している。このため、触覚センサプローブ１０２の斜め前方にある臓器１２１へのアプローチが容易にできる。自励発振によって超音波振動子１０８と振動角度変換素子１０９は一体となって共振周波数による振動を行う。また、図１０で示すように接触部１１３ではその接触表面に垂直なｘ方向の縦振動が行われる。そして、この接触部１１３の、臓器１２１への接触によって臓器１２１の硬さに応じて機械的インピーダンスが変化し、接触部１１３の共振周波数は変化するが、発振回路９３が自励発振を行うために共振周波数の変化に追随した発振を行う。共振周波数の変化は周波数変化検出回路９４によってモニターされ、また電圧変化は電圧検出回路９５によってモニターされ、これらの少なくとも一方のものを臓器１２１の硬さの変化情報として得ることができる。硬さの変化によって例えば、臓器１２１の内部に局在する病変部１２２の位置を同定することができる。

（効果）
触覚センサプローブ１０２の斜め前方の臓器１２１に対して硬さ測定ができるために、それの操作性を向上させることができる。

図１１及び図１２を参照して、触覚センサプローブの例を説明する。

（構成）
この例における触覚センサプローブ１３１はその体腔内挿入部１３２の先端部近傍の上下両側面部分にそれぞれ薄い膜状のエネルギ閉込め型振動子１３３が配置されている。このエネルギ閉込め型振動子１３３の数は一つでも複数個でもよいし、また、エネルギ閉込め型振動子１３３を１つの管状のものとして形成してもよいものである。

エネルギ閉込め型振動子１３３は、膜厚方向に振動するが、触覚センサプローブ１３１の軸に対して垂直方向に振動するように取り付けられており、外部に対しては接触部１３４となるポリウレタン、シリコンなどの樹脂膜によって外部に対して気密的に覆われている。

このエネルギ閉込め型振動子１３３は図１２に示すように構成されている。すなわち、セラミック等の圧電素子材の円弧状薄板１３５の両面に電極１３６を形成してなり、円弧状薄板１３５はその膜厚方向に分極されている。また、この超音波振動子１３３と接触部１３４は一体となって共振周波数による自励発振が行われ、触覚センサプローブ１３１の径方向ｘへ振動する。エネルギ閉込め型振動子１３３は例えば半導体製造技術を利用して形成できる。

エネルギ閉込め型振動子１３３の電極１３６には信号線１３７が接続されている。この信号線１３７は前述したようなプローブ制御部に接続される。また、触覚センサプローブ１３１の手元部には発振動作を操作する動作スイッチ（図示し内。）が設けられている。術者はその動作スイッチを任意に操作することができるようになっている。

前記プローブ制御部には、エネルギ閉込め型振動子１３３を共振周波数で振動させるための信号を発振する発振回路が設けられている。この発振回路には周波数検出回路と電圧検出回路が接続されており、共振周波数の変化や機械的インピーダンスの変化をモニターする手段を構成している。

（作用）
この触覚センサプローブ１３１は、経内視鏡的に管腔状臓器内に挿入し、その接触部１３４を臓器の内面に接触させながらその臓器内を移動させる。この際、術者が動作スイッチを操作することにより発振回路を動作させる。超音波振動子１３３と接触部１３４は発振回路からの信号によって一体的に共振周波数による振動を行う。接触部１３４の臓器への接触によってその臓器の硬さに応じて機械的インピーダンスが変化し、接触部１３４の共振周波数は変化するが、発振回路が自励発振を行うために共振周波数の変化に追随した発振を行うことができる。共振周波数の変化は周波数検出回路によってモニターされ、また、電圧変化は、電圧検出回路によってモニターされ、これらの少なくとも一方のものを臓器の硬さの変化情報として得ることができる。これから、例えば臓器の粘膜下に局在する病変部の位置を同定することができる。

（効果）
この実施形態の触覚センサプローブ１３１によれば、その挿入方向に対して垂直方向の硬さ特性を周波数や電圧の変化として測定するため、管腔状臓器の粘膜下の例えば腫瘍等の病変部の存在を判断でき、優れた操作性を発揮することができる。

［付記］
１．少なくとも１つ以上の超音波振動子を含み、生体組織に接触させる測定用接触部を有した触覚センサプローブと、前記測定用接触部を生体組織に接触させたときの超音波振動子の共振特性の変化を検出しこれを生体組織の硬さの情報とするための検出手段と、前記測定用接触部が接触する生体組織の表面で前記超音波振動子が作用する領域が２次元的にならしめる駆動手段を具備したことを特徴とする触覚センサ。本発明によれば、広範囲にわたり、超音波の周波数変化により生体組織の硬さ測定を行うものにおいて、短時間で、しかも、精度よく広範囲にわたる硬さの変化の情報が得られる。
２．前記駆動手段が、複数の超音波振動子を備え、同時に駆動するものであることを特徴とする付記第１項に記載の触覚センサ。
３．前記駆動手段が、複数の超音波振動子を備え、これらの超音波振動子を電気的に切り替えて駆動するものであることを特徴とする付記第１項に記載の触覚センサ。
４．前記駆動手段が、１つの超音波振動子を機械的に走査するものであることを特徴とする付記第１項に記載の触覚センサ。
５．前記駆動手段が、複数の超音波振動子を機械的に走査するものであることを特徴とする付記第１項に記載の触覚センサ。
６．複数の超音波振動子を備え、これらの超音波振動子が直線状に配されていることを特徴とする付記第１項に記載の触覚センサ。
７．複数の超音波振動子を備え、これらの超音波振動子が円環状に配されていることを特徴とする付記第１項に記載の触覚センサ。
８．複数の超音波振動子を備え、これらの超音波振動子がマトリクス状に配置されていることを特徴とする付記第１項に記載の触覚センサ。
９．前記駆動手段が、体腔内に挿通可能なプローブの挿入部に弾性湾曲部を設け、この弾性湾曲部の先端側に設けられた超音波振動子を含む測定用接触部を湾曲させた状態で挿入部の中心軸回りに回動させるものであることを特徴とする付記第１項に記載の触覚センサ。
１０．少なくとも１つ以上の超音波振動子を含み、生体組織に接触させる測定用接触部を有した触覚センサプローブと、前記測定用接触部を生体組織に接触させたときの超音波振動子の共振特性の変化を検出しこれを生体組織の硬さの情報とするための検出回路とを備えた触覚センサにおいて、
測定部における超音波振動の振動方向が触覚センサプローブの中心軸と平行ではないことを特徴とする触覚センサ。
１１．上記超音波振動子が円筒形状であり、その径方向に分極していることを特徴とする付記第１０項に記載の触覚センサ。
１２．上記超音波振動子と測定部との間に振動方向変換部材が配置されていることを特徴とする付記第１０項に記載の触覚センサ。
１３．上記超音波振動子がエネルギ閉込み型振動子であることを特徴とする付記第１０項に記載の触覚センサ。
１４．上記エネルギ閉込め型振動子がプローブの側面に取り付けられていることを特徴とする付記第１３項に記載の触覚センサ。

（付記第１０〜１４の従来例と問題点）
超音波振動するプローブを生体組織に接触させ、プローブの共振周波数の変化を検知することによって生体組織の硬さを測定する触覚センサが提案されている。このような触覚センサは、皮膚の弾性度を測定したり、内視鏡下に使用することによって、体腔内の粘膜下に局在する腫瘍の位置を同定するために用いられている。
しかしながら、従来の触覚センサでは、測定部と一体となった軸方向に振動する超音波振動子がプローブの先端部の軸上に配置されているため、プローブの軸方向に測定物を接触させる必要があった。このため、プローブの側方や、斜め前方に存在する生体組織の触覚を測定することが困難であり、操作性が非常に悪いという問題があった。
付記第１０〜１４は触覚センサのプローブの挿入方向にかかわらず、さまざまな方向に位置する生体組織の触覚が測定することのできる操作性の良い触覚センサを提供するものである。この構成のものによれば、測定部における超音波振動の振動方向がプローブの中心軸と平行ではないために、プローブ軸の斜め前方や、側面にある生体組織に対して測定部における超音波振動が生体表面に対して垂直方向に入力しやすく、操作性の良い触覚センサとすることができる。

第１の実施形態に係る触覚センサのシステムの概要を示す説明図。同じく、その触覚センサ用プローブの使用状態の説明図。第２の実施形態に係る触覚センサ用プローブの説明図。第３の実施形態に係る触覚センサ用プローブの説明図。第４の実施形態に係る触覚センサ用プローブの斜視図。同じく、その触覚センサ用プローブの横断面図。触覚センサのシステムの概要を示す説明図。同じく、その触覚センサ用プローブの説明図。他の触覚センサのシステムの概要を示す説明図。同じく、その触覚センサ用プローブの説明図。さらに他の触覚センサの説明図。同じく、そのエネルギ閉込め型振動子の斜視図。

符号の説明

１…触覚センサ用プローブ、２…プローブ制御部、３…先端部、４…弾性湾曲部、５…挿入管、６…駆動部、９…超音波振動子、１０…センサ部、１１…信号線、１４…ケース、１５…駆動力伝達軸、１６…回転駆動源、１７…エンコーダ、１８…スリップリング、２１…超音波駆動ユニット、２２…周波数カウントユニット、２４…走査制御ユニット。

Claims

超音波振動子を含む、生体組織に接触させる測定用接触部を有した触覚センサプローブと、
前記測定用接触部を生体組織に接触させたときの前記超音波振動子の超音波振動の共振特性の変化を検出してこれを生体組織の硬さ情報とするための検出手段と、
を有する触覚センサであって、
前記超音波振動子は、前記生体組織に接触させる前記測定用接触部の表面に沿って移動可能に前記触覚センサプローブに配置され、前記測定用接触部を接触させた生体組織の複数位置における硬さを検出することを特徴とする触覚センサ。
超音波振動子を含む、生体組織に接触させる測定用接触部を有した触覚センサプローブと、
前記測定用接触部を生体組織に接触させたときの前記超音波振動子の超音波振動の共振特性の変化を検出してこれを生体組織の硬さ情報とするための検出手段と、
を有する触覚センサであって、
前記超音波振動子は、前記生体組織に接触させる前記測定用接触部の表面に沿って前記触覚センサプローブに配置される複数の超音波振動子であり、前記測定用接触部を接触させた生体組織の複数位置における硬さを検出することを特徴とする触覚センサ。
超音波振動子を含む、生体組織に接触させる測定用接触部を有した触覚センサプローブと、
前記測定用接触部を生体組織に接触させたときの超音波振動の共振特性の変化を検出してこれを生体組織の硬さの情報とするための検出手段と、
を有する触覚センサであって、
前記触覚センサプローブは、回転する略円筒形のドラムと、
前記ドラムの周側面に配置された測定用接触部と、
前記測定用接触部に沿って前記ドラムに放射状に配置された複数の超音波振動子と、
を具備したことを特徴とする触覚センサ。