JP4963067B2 - 圧縮力計測装置 - Google Patents

Description

この発明は圧縮力計測装置に関し、特に、可撓性を有する線状体に作用する長手軸方向の圧縮力を計測する圧縮力計測装置に関する。

可撓性を有する線状体は、体内の管の中へ挿入される線状の医療器具として実用化されている。たとえば、血管、尿管、気管支、消化管あるいはリンパ管などの体内にある管に挿入されるガイドワイヤやカテーテル、また、動脈瘤を塞栓するための塞栓用コイルが先端に付いたワイヤなどが知られている。このような線状体は、体内の管の中へ挿入され、体外からの操作によって目的部位まで誘導される。

線状体が挿入される管は必ずしも直線状ではなく、部分的に屈曲や分岐をしている場合が多い。また、管の径は必ずしも一定ではなく、管自体が細くなっていたり、血管内に生じる血栓などの管内部にある障害物によって管の径が細くなっていたりする場合がある。しかし、従来の線状体では、線状体の進行方向前方の状況を検知する手段がなく、線状体の操作を操作者の勘に頼らざるを得ず、体外からの誘導操作には熟練が必要であった。そこで、線状体の進行方向前方における障害物の存在を検知するため、線状体の先端に圧力センサを設ける方法が考えられた（たとえば特許文献１参照）。
特開平１０−２６３０８９号公報

しかしながら、細い線状体の先端に圧力センサを設けることは困難である。たとえば脳血管に挿入するガイドワイヤの直径は０．３５ｍｍ程度であり、このような極細の線状体の先端に小型の圧力センサを設けることは困難である。また、圧力センサの信号を外部に取り出すための信号線を線状体中に挿通することは、さらに困難である。

また、線状体が挿入される管が屈曲している場合や、管の径が細くなっている場合には、線状体の挿入抵抗は、先端の抵抗だけでなく、管との摩擦の影響を受ける。したがって、線状体の先端に設けた圧力センサの検出結果と、操作者の挿入時の力覚とが必ずしも一致しない場合がある。したがって、線状体の先端に圧力センサを設けた場合においても、操作者が外部において指先で把持した線状体の挿入抵抗の力覚情報に基づいて、すなわち操作者の勘に頼って、線状体の操作を実施することになる。また、操作者の力覚は操作者しか知ることができないため、熟練操作者の手技を定量化して経験の少ない操作者へ伝授することは困難である。

それゆえに、この発明の主たる目的は、極細の線状体の挿入抵抗を計測することができ、熟練操作者の手技を定量化して経験の少ない操作者へ伝授することが可能な高精度の圧縮力計測装置を提供することである。

この発明に係る圧縮力計測装置は、可撓性を有する線状体に作用する長手軸方向の圧縮力に応じた信号を出力するセンサを含む本体と、本体に組み込まれ、センサの出力信号を圧縮力に変換するための情報を記憶する記憶素子と、センサの出力信号と記憶素子に記憶された情報とに基づいて圧縮力を求める演算手段とを備えたものである。本体には線状体が貫通する貫通孔が形成され、線状体に圧縮力が作用するとき、貫通孔の内部において線状体が所定の方向へ湾曲し、センサは、線状体の湾曲の度合いを検出し、検出結果を示す信号を圧縮力に応じた信号として出力する。

また好ましくは、記憶素子は半導体メモリである。
また好ましくは、情報は、記憶素子の外部から電気信号を用いて書き込まれる。

また好ましくは、記憶素子は、さらに、本体の製品情報および使用情報のうちの少なくともいずれか一方を記憶する。

また好ましくは、圧縮力計測装置は、線状体を体内に挿入する医療機器に組み込まれて使用される。

また好ましくは、圧縮力計測装置は、線状体の操作を訓練するための訓練用シミュレータに取り付けられて使用される。

この発明に係る圧縮力計測装置では、可撓性を有する線状体に作用する長手軸方向の圧縮力に応じた信号を出力するセンサを含む本体と、本体に組み込まれ、センサの出力信号を圧縮力に変換するための情報を記憶する記憶素子と、センサの出力信号と記憶素子に記憶された情報とに基づいて圧縮力を求める演算手段とが設けられる。本体には線状体が貫通する貫通孔が形成され、線状体に圧縮力が作用するとき、貫通孔の内部において線状体が所定の方向へ湾曲し、センサは、線状体の湾曲の度合いを検出し、検出結果を示す信号を圧縮力に応じた信号として出力する。したがって、線状体に作用する長手軸方向の圧縮力を計測するので、体外で計測することが可能であり、極細の線状体の挿入抵抗を検出することができる。また、線状体の先端に圧力センサを設けた場合に比べ、操作者の挿入時の力覚に近い検出結果を得ることができ、熟練操作者の手技を定量化して経験の少ない操作者へ伝授することができる。また、センサの出力信号を圧縮力に変換するための情報を記憶する記憶素子を設けたので、本体の機械精度が低い場合でも圧縮力を高精度で計測することができる。

図１は、この発明の一実施の形態による圧縮力計測装置の本体１の外観を示す図であり、図２は図１のＩＩ−ＩＩ線断面図であり、図３は図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。図１〜図３において、この圧縮力計測装置の本体１には、可撓性を有する線状体２が挿通される貫通孔３が形成されている。線状体２の一方端が操作者の手で操作され、線状体２の他方端が人体の管に挿入される。

貫通孔３の両端の開口部の各々には、線状体２を挿抜し易くするために、テーパ状の入出力ポート４が形成されている。入出力ポート４の奥の拘束部５では、貫通孔３の直径は線状体２の直径よりもわずかに大きく、たとえば線状体２の直径の１０５％〜１２０％である。したがって、線状体２は、拘束部５においては長手軸方向以外の方向に移動することはできない。

本体１は、線状体２に長手軸方向の圧縮力が作用するときに、貫通孔３の内部における線状体２の湾曲方向を規定する。すなわち、貫通孔３は、２つの拘束部５の間で曲がっており、線状体２は一方の壁に沿って曲がりながら貫通孔３を貫通している。また貫通孔３は、２つの拘束部５の間で、線状体２が沿っていない壁側に広がって空間６を形成している。したがって、空間６では、紙面と平行方向への線状体２の動作は貫通孔３によって制限されない。

一方、入出力ポート４および空間６では、紙面と垂直方向の貫通孔３の高さは線状体２の直径よりもわずかに大きく、たとえば線状体２の直径の１０５％〜１２０％であり、紙面と垂直方向への線状体２の動作は貫通孔３によって制限されている。すなわち、入出力ポート４および空間６では、線状体２の長手軸方向に垂直な断面における貫通孔３の断面形状は、図３に示すように、長方形状である。このようにして、貫通孔３の内部における線状体２の湾曲方向を規定するとともに、線状体２に長手軸方向の圧縮力が作用したときに線状体２が湾曲する位置を定めている。

図２に示すように、線状体２に長手軸方向の圧縮力Ｆが作用すると、貫通孔３の内部の空間６において所定の方向へ、すなわち空間６において線状体２が沿っていない壁側へ向かって、線状体２が湾曲する。線状体２の湾曲に伴い、湾曲の山の高さｈ、すなわち線状体２が沿っていた壁面から線状体２までの距離が増加する。本体１には、湾曲の山の高さｈを検出するための光学式のラインセンサ７が埋設されている。

ラインセンサ７は、図４に示すように、線状体２の湾曲の高さｈの方向に配列された複数の受光素子７ａを有するアレイセンサである。貫通孔３の空間６を介してラインセンサ７の反対側に光源器８が本体１に埋設されている。光源器８は、空間６を介してラインセンサ７に照明光を出射する。

光源器８から出射された照明光は、線状体２のない領域ではラインセンサ７に入射するが、線状体２のある部分では線状体２で遮られてラインセンサ７に入射しない。換言すると、ラインセンサ７に線状体２の影ができる。照明光が入射した受光素子７ａでは大きな光電流が発生し、線状体２の影に位置する受光素子７ａでは光電流はほとんど発生しない。したがって、各受光素子７ａの光電流を検出することにより、線状体２の空間６内の位置すなわち線状体２の湾曲の高さｈを求めることができる。

ただし、線状体２の湾曲の高さｈの検出精度は、貫通孔３の幾何構造の機械的精度や、ラインセンサ７の取り付け精度の影響を受けてしまう。線状体２の湾曲の高さｈの検出精度を高めるためには、貫通孔３の幾何構造の機械的精度や、ラインセンサ７の取り付け精度を高めればよいが、それにも限界があるし、製造コストや組立コストが高くなる。

そこで本実施の形態では、本体１毎に、線状体２に与えられる圧縮力Ｆと線状体２の湾曲の高さｈとの関係を予め調べておき、線状体２の湾曲の高さｈを線状体２に与えられた圧縮力Ｆに変換するための変換表を作成する。また図４に示すように、本体１にフラッシュメモリのような半導体メモリ９を組み込み、その半導体メモリ９にその本体１用の変換表を格納する。半導体メモリ９への変換表の格納（書込み）は、半導体メモリ９を本体２に組み込む前に行なってもよいし、半導体メモリ９を本体２に組み込んだ後に行なってもよい。半導体メモリ９への変換表の格納は、半導体メモリ９の外部から電気信号を用いて行なうことができる。半導体メモリ９としては、シリアル通信でアクセスできるものが、配線数が少なくて済み、好適である。

変換表は、図５に示すように、計測範囲をカバーする複数点の圧縮力Ｆ１，Ｆ２，…と、それらに対応する線状体２の湾曲の高さｈ１，ｈ２，…とで構成される。たとえば、圧縮力Ｆ１，Ｆ２，…は偶数アドレスに順次書き込まれ、高さｈ１，ｈ２，…は奇数アドレスに順次書き込まれる。圧縮力Ｆ１，Ｆ２，…の間の圧縮力Ｆおよび高さｈ１，ｈ２，…の間の高さｈは、線形補間される。半導体メモリ９の残りのアドレスには、当該本体２の製品番号、シリアル番号、製造年月日、製造部などの製品情報や、使用日時などの使用情報を記録する。

本体１のラインセンサ７および半導体メモリ９は、たとえばコネクタ（図示せず）を介して制御ボックス１０内の圧縮力信号発生部１１に接続される。圧縮力信号発生部１１は、たとえばマイクロコンピュータで構成される。圧縮力信号発生部１１は、各受光素子７ａの光電流を検出することにより、線状体２の湾曲の高さｈを求め、半導体メモリ９に格納された変換表を参照してその高さｈに対する圧縮力を求め、その圧縮力を示す圧縮力信号を圧縮力表示装置１２に出力する。圧縮力表示装置１２は、圧縮力信号に従って、圧縮力の計測値をレベルメータ、グラフなどで表示する。

次に、この圧縮力計測装置の使用方法について簡単に説明する。熟練した医師が線状体２を用いて手術を行なう際、医師は、線状体２の先端部およびその周辺のＸ線透視画像を映像モニタ（図示せず）で観察し、かつ圧縮力表示装置１２で表示される圧縮力を見ながら、線状体２を指先で操作する。このとき、線状体２の圧縮力を定量的に精度よく検知できるので、体内の管を線状体２で傷付けるのを回避することができる。また、熟練した医師は、圧縮力を用いて経験の浅い医師に手技を定量的に伝授する。

この実施の形態では、線状体２に作用する長手軸方向の圧縮力を計測するので、体外で計測することが可能であり、極細の線状体の挿入抵抗を検出することができる。また、線状体２の先端に圧力センサを設けた場合に比べ、操作者の挿入時の力覚に近い検出結果を得ることができる。また、熟練操作者の手技を定量化して経験の少ない操作者へ伝授することができる。

また、線状体２の湾曲の高さｈを線状体２に与えられた圧縮力Ｆに変換するための変換表を半導体メモリ９に格納したので、本体１の機械精度が低い場合でも圧縮力を高精度で計測することができる。したがって、本体１の機械精度を高める必要がないので、本体１の製造コストの低減化を図ることができる。なお、本体１が医療器具に使用され、衛生上の問題で使い捨てされる場合は、本体１を交換すると変換表も一緒に交換され、使い勝手がよい。

なお、この実施の形態では、圧縮力表示装置１２によって圧縮力の計測値を視覚化して表示したが、圧縮力の計測値をたとえばスピーカによって聴覚化してもよい。たとえば、圧縮力のレベルに応じて音声を大きくしたり、高くするとよい。

また図６は、この実施の形態の変更例を示すブロック図である。図６において、この変更例では、制御ボックス１０内に半導体メモリ１３が設けられる。この半導体メモリ１３には、基準となる本体２において線状体２の湾曲の高さｈを線状体２に与えられた圧縮力Ｆに変換するための基準変換表が格納される。一方、本体２の半導体メモリ９には、基準となる本体２における線状体２の湾曲の高さｈに対する当該本体２における高さｈのずれ量Δｈが記憶される。圧縮信号発生部１１は、ラインセンサ７を用いて検出した高さｈをずれ量Δｈを用いて補正し、補正後の高さｈに対する圧縮力Ｆを半導体メモリ１３内の変換表を参照して求める。この変更例でも、圧縮力を精度よく計測することができる。

また図７は、この線状体操作記録システムを脳動脈瘤の塞栓手術に適用した例を示す図である。この場合の線状体２はカテーテル２０を脳動脈瘤に誘導するデリバリーワイヤである。線状体２の先端には、塞栓用の白金コイル２１が設けられている。圧縮力計測装置の本体１は、医療器具のＹコネクタ２２内に組み込まれている。Ｙコネクタ２２の出力ポートはカテーテル２０に接続され、Ｙコネクタ２２の２つの入力ポートの一方は生理食塩水や薬剤を注入するための液体注入器２３に接続され、他方の入力ポートから線状体２が挿入される。

線状体２の先端は、術者２４の手元操作により、患者２５の血管内を進行し、脳動脈瘤まで誘導される。術者２４は、白金コイル２１を操作して脳動脈瘤の塞栓手術を行なう。線状体２の先端が血管内を進行して行く様子や塞栓手術の様子のＸ線透視画像は、Ｘ線透視装置２６で撮影され、映像モニタ（図示せず）に表示される。また、Ｙコネクタ２２内の本体２のラインセンサ７および半導体メモリ９は、ケーブル２７を介して制御ボックス１０に接続される。制御ボックス１０内の圧縮力信号発生部１１で生成された圧縮力信号は、圧縮力表示装置１２によって視覚化される。

この適用例では、手術中における線状体２の圧縮力を高精度で計測することができ、線状体２で血管を傷付けることなく、脳動脈瘤の塞栓手術を行なうことができる。また、たとえばベテランの医師の手技を定量的に把握することができ、若手医師の早期育成に役立てることができる。

また図８は、この圧縮力計測装置を、人体を模擬する訓練用シミュレータ３０に適用した例を示す図である。図８において、訓練用シミュレータ３０は、線状体２が挿入されている人体の管のＸ線透視画像と同等の模擬透視画像を映像モニタ３１に表示する。この場合の線状体２は、カテーテル３２を脳動脈瘤に誘導するガイドワイヤである。訓練用シミュレータ３０は、挿入された線状体２に対して、挿入抵抗を変化させる。本体１はケーブル３３を介してシュミレータ３０内の制御ボックス１０に接続される。操作時の抵抗力、すなわち圧縮力計測装置によって計測される圧縮力は、シュミレータ３０に設けられた圧縮力表示装置１２に表示されるとともに、シミュレータ３０にも与えられる。シミュレータ３０は、圧縮力の計測値に応じて線状体２の挿入抵抗を変化させる。

訓練している術者３４は、映像モニタ３１に表示された模擬透視画像と、圧縮力表示装置１２にたとえば数字で表示された圧縮力を見ながら線状体２を操作する。これにより、術者３４の訓練や評価が行なわれる。この適用例では、圧縮力を定量化し、経験の少ない操作者の手技を早期に向上させることができる。

なお、図８では、圧縮力計測装置の本体１とシミュレータ３０が分離されているが、本体１をシミュレータ３０内に組み込んでもよい。また、圧縮力表示装置１２を除去し、映像モニタ３１が模擬透視画像と圧縮力を表示するようにしてもよい。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明の一実施の形態による圧縮力計測装置の本体の外観を示す図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線断面図である。 図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。 図１に示した本体を含む圧縮力計測装置の構成を示すブロック図である。 図４に示した半導体メモリに格納される変換表を示す図である。 この実施の形態の変更例を示すブロック図である。 図１〜図６に示した圧縮力計測装置の適用例を示す図である。 図１〜図６に示した圧縮力計測装置の他の適用例を示す図である。

符号の説明

１ 本体、２ 線状体、３ 貫通孔、４ 入出力ポート、５ 拘束部、６ 空間、７ ラインセンサ、７ａ 受光素子、８ 光源器、９，１３ 半導体メモリ、１０ 制御ボックス、１１ 圧縮力信号発生部、１２ 圧縮力表示装置、２０，３２ カテーテル、２１ 白金コイル、２２ Ｙコネクタ、２３ 液体注入器、２４，３４ 術者、２５ 患者、２６ Ｘ線透視装置、２７，３３ ケーブル、３０ 訓練用シュミレータ、３１ 映像モニタ。

Claims (6)

1. 可撓性を有する線状体に作用する長手軸方向の圧縮力に応じた信号を出力するセンサを含む本体と、
   前記本体に組み込まれ、前記センサの出力信号を前記圧縮力に変換するための情報を記憶する記憶素子と、
   前記センサの出力信号と前記記憶素子に記憶された情報とに基づいて前記圧縮力を求める演算手段とを備え、
   前記本体には前記線状体が貫通する貫通孔が形成され、
   前記線状体に前記圧縮力が作用するとき、前記貫通孔の内部において前記線状体が所定の方向へ湾曲し、
   前記センサは、前記線状体の湾曲の度合いを検出し、検出結果を示す信号を前記圧縮力に応じた信号として出力する、圧縮力計測装置。
2. 前記記憶素子は半導体メモリである、請求項１に記載の圧縮力計測装置。
3. 前記情報は、前記記憶素子の外部から電気信号を用いて書き込まれる、請求項１または請求項２に記載の圧縮力計測装置。
4. 前記記憶素子は、さらに、前記本体の製品情報および使用情報のうちの少なくともいずれか一方を記憶する、請求項１から請求項３までのいずれかに記載の圧縮力計測装置。
5. 前記圧縮力計測装置は、前記線状体を体内に挿入する医療機器に組み込まれて使用される、請求項１から請求項４までのいずれかに記載の圧縮力計測装置。
6. 前記圧縮力計測装置は、前記線状体の操作を訓練するための訓練用シミュレータに取り付けられて使用される、請求項１から請求項４までのいずれかに記載の圧縮力計測装置。

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