JP5171535B2 - 荷重検出装置および荷重検出方法 - Google Patents
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Description
また好ましくは、管は血管であり、中空チューブはカテーテルであり、線状体はカテーテル内に挿入される治療用ワイヤである。
また、この発明に係る荷重検出方法は、屈曲した管内に挿入された中空チューブ内に可撓性を有する線状体を挿入するときに線状体の先端に作用する荷重を検出する荷重検出方法であって、管、中空チューブ、または線状体の曲がり具合と中空チューブの入口に線状体を挿入する荷重とを検出し、その検出結果に基づいて、線状体の先端に作用する荷重を求めることを特徴とする。
図1は、この発明の実施の形態1による荷重検出方法を示す図である。図1において、屈曲した体内の管(図示せず)内に中空チューブ1が挿入されており、その中空チューブ1の入口から可撓性を有する線状体2を挿入しているものとする。この荷重検出方法では、中空チューブ1の入口に線状体2を挿入する荷重Fiを検出するとともに、中空チューブ1または線状体2の画像を撮影し、その画像から中空チューブ1または線状体2の曲がり具合(たとえばΔθ/ΔL)を検出し、検出した挿入荷重Fiおよび曲がり具合に基づいて、線状体2の先端の荷重Foを演算する。
−Ff=Fo・cosα−Fi・cosα …(1)
Fh=Fo・sinα+Fi・sinα …(2)
ここで、摩擦係数をμとすれば、Ff=μ・Fhとなる。また、角度αは、図2に示すΔθに相当するので、次式(3)に示すように曲率半径RとΔsから計算できる。
|R|/Δs=1/tanα …(3)
数式(1)〜(3)をまとめると、Fo,Fi,R,Δs,μの関係は次式(4)で表わされる。
(−μ/|R|)・Δs・(Fo+Fi)=Fo−Fi …(4)
今、線状体2の挿入端から点Pまでの距離をsとし、点Pにおいて線状体2に作用する荷重をF(s)とし、点Pからの微小距離をΔsとすると、Fi,Foはそれぞれ次式(5)(6)で表わされる。
Fi=F(s) …(5)
Fo=F(s+Δs) …(6)
ここで、数式(5)(6)を数式(4)に代入し、距離sの位置Pでの曲率半径をR(s)とすれば、次式(7)が得られる。
(−μ/|R(s)|)・Δs・{F(s+Δs)+F(s)}=F(s+Δs)−F(s) …(7)
さらに、Δsを0に近づけると、次式(8)の微分方程式が得られ、その微分方程式を解くと、点Pの微小距離dsにおけるFoとFiの関係を示す次式(9)が得られる。
dF(s)/ds=−(2μ/|R(s)|)・F(s) …(8)
Fo=Fi・exp(−2μ∫(1/|R(s)|)ds) …(9)
数式(9)を用いれば、摩擦個所が連続していても積分範囲を指定することでFoを求めることができる。中空チューブ1であるカテーテル内に線状体2を挿入する場合は、中空チューブ1の内径と線状体2の外径との差が小さいので、線状体2は中空チューブ1の内壁に連続的に接触していると考えることができ、都合がよい。
1/|R(s)|・ds=|θ(s,s+ds)| …(10)
Fo=Fi・exp(−2μ∫(|θ(s,s+ds)|/ds)ds) …(11)
この数式(11)において、∫(|θ(s,s+ds)|/ds)dsは、中空チューブ1の入口から先端までにおいて、線状体2または中空チューブ1に対して微小長さdsで区切った微小角度θ(s,s+ds)をその微小長さdsで割り、微小長さdsで積分するため、その結果は、線状体2または中空チューブ1の曲がり具合の総和θとなる。この数式(11)に基づき、中空チューブ1の入口から先端までにおいて、線状体2または中空チューブ1の曲がり具合の総和θと、線状体2の挿入荷重Fiから、線状体2の先端の荷重Foを求めることができる。摩擦係数μは、中空チューブ1と線状体2の組み合わせで異なる可能性があるので、組合せ毎に予め測定しておき、使用する中空チューブ1と線状体2に応じて、選択して使用すればよい。
Fo=(Fi−β(θ))・(exp(−2μθ)−C) …(12)
数式(12)は、数式(11)を補正した式である。β(θ)はθによって、入力荷重Fiを補正する関数であり、Cは線状体2が真直ぐな場合(θ=0)における摩擦の影響を補正する一定値である。
Fo=Fi・exp(−2∫μ(EI(s),dEI(s)/ds,R(s))・|R(s)|ds) …(13)
この実施の形態1では、中空チューブ1または線状体2の曲がり具合θと中空チューブ1の入口に線状体2を挿入する荷重Fiとを検出し、その検出結果に基づいて、線状体2の先端に作用する荷重Foを求める。したがって、細い線状体2の先端に作用する荷重Foを容易に検出することができる。よって、線状体2の先端荷重Foの検出値に基づいて、医師である術者が線状体2を正確に操作することが可能となり、線状体2の先端で脳動脈瘤などを損傷するような医療事故の発生が防止される。また、先端に圧力センサを付ける必要がないので、従来の線状体2をそのまま使用することでき、低コストで検出することができる。
図5は、この発明の実施の形態2による荷重検出方法を示す図である。この実施の形態2は、実施の形態1の荷重検出方法を脳動脈瘤の塞栓治療に適用したものである。図5において、中空チューブ1としてカテーテル3が使用され、可撓性を有する線状体2として塞栓用コイル4およびデリバリーワイヤ5が使用されている。塞栓用コイル4の基端は、デリバリーワイヤ5の先端に結合されている。患者の脳動脈6の一部に脳動脈瘤7が発生している。カテーテル3の先端は、体外から患者の動脈に挿入され、脳動脈6を介して脳動脈瘤7の入口に誘導されている。カテーテル3の基端は、Yコネクタ8の出口8aに接続されている。ガイドワイヤ(図示せず)を用いてカテーテル3の先端を脳動脈瘤7の入口に誘導した後、Yコネクタ8の入口8bから塞栓用コイル4の先端を挿入する。塞栓用コイル4に続いてデリバリーワイヤ5をYコネクタ8の入口8bから挿入し、カテーテル3を介して塞栓用コイル4を脳動脈瘤7内に詰め込む。このとき実施の形態1で示した方法で、塞栓用コイル4の先端に作用している荷重Foを検出しながら、デリバリーワイヤ5を挿入する。手術中は、Yコネクタ8のもう1つの入口8cからカテーテル3内に生理食塩水を注入する。塞栓用コイル4を脳動脈瘤7内に収納した後、デリバリーワイヤ5を塞栓用コイル4から切り離し、カテーテル3とデリバリーワイヤ5を体外に抜き取って手術は終了する。
実施の形態2では、コイル塞栓中にデリバリーワイヤ5などの曲がり具合を求めたが、本実施の形態3では、治療前にデリバリーワイヤ5などの曲がり具合を求める。脳動脈瘤7のコイル塞栓治療では、治療前に脳動脈瘤7の大きさや、その存在を確認するために、X線CT(コンピュータ断層撮影装置)やMRI(核磁気共鳴装置)を用いて、図7に示すような3次元の血管画像を撮影する。
図9は、この発明の実施の形態4による荷重検出方法を示すブロック図である。この荷重検出方法では、線状体2の挿入途中で先端荷重Foを検出する。図9において、線状体2の人体への挿入は、医師がX線透視2次元画像24を観察しながら行なう。X線透視2次元画像24では、線状体2の3次元的な曲がり具合を見ることはできない。
図10は、この発明の実施の形態5による荷重検出装置に含まれる挿入荷重検出装置の構成を示すブロック図である。図10において、挿入荷重検出装置は、押さえローラ30、駆動ローラ31、モータ32、およびトルク制御回路33を含む。ローラ30,31の各々の外周部はゴムのような弾性体で形成されている。押さえローラ30は、回転自在に支持されるとともに、駆動ローラ31側に所定の圧力で押圧されている。したがって、押さえローラ30は、駆動ローラ31に従動する。
[実施の形態6]
図11は、この発明の実施の形態6による荷重検出装置に含まれる挿入荷重検出装置の構成を示すブロック図であって、図10と対比される図である。図11において、この挿入荷重検出装置が実施の形態5の挿入荷重検出装置と異なる点は、モータ32の回転軸と駆動ローラ31の回転軸との間にトルクセンサ34が設けられている点である。トルクセンサ34としては、歪みゲージや、磁歪式のトルクセンサが用いられる。トルクセンサ34は、モータ32の回転軸と駆動ローラ31の回転軸とを結合する軸の歪を検出し、その検出値を示す信号を挿入荷重Fiの代わりに図6の演算処理装置15に出力する。
[実施の形態7]
図12は、この発明の実施の形態7による挿入荷重検出装置の要部の外観を示す図であり、図13は図12のXIII−XIII線断面図であり、図14は図12のXIV−XIV線断面図である。図12〜図14において、この挿入荷重検出装置は本体部40を備え、本体部40には線状体2が挿通される貫通孔41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の他方端は、人体の管内に挿入された中空チューブ1内に挿入される。
[実施の形態8]
図16は、この発明の実施の形態8による挿入荷重検出装置の要部を示す断面図であって、図13と対比される図である。図16において、この挿入荷重検出装置は本体部50を備え、本体部50には線状体2が挿通される貫通孔51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の他方端は、人体の管内に挿入された中空チューブ1内に挿入される。
[実施の形態9]
図17は、この発明の実施の形態9による医療機器の構成を示すブロック図である。図17において、カテーテル3の先端は人体55の足の付け根の動脈に挿入され、たとえば脳動脈瘤4の入口に誘導されている。カテーテル3の基端はYコネクタ8の出口8aに接続されている。Yコネクタ8の一方の入口8bには、挿入荷重検出装置56が取り付けられ、他方の入口8cからカテーテル3内に生理食塩水が注入される。
図18は、この発明の実施の形態9による医療訓練機器の構成を示すブロック図であって、図17と対比される図である。図18において、この医療訓練機器では、人体55の代わりにシミュレータ62が使用される。シミュレータ62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モニタ63に表示する。線状体2は、たとえば、先端が脳動脈瘤7の入口に配置されたカテーテル3内に挿入される塞栓用コイル4およびデリバリーワイヤ5である。シミュレータ62は、挿入された線状体2に対して、挿入抵抗を変化させる。操作時の抵抗力、すなわち線状体2の挿入荷重Fiは、ケーブル64を介してシミュレータ62にも伝えられる。シミュレータ62は、挿入荷重Fiに応じて線状体2の挿入抵抗を変化させる。
ーブル、58 操作装置、59 表示器、60 スピーカ、61 切換スイッチ、62 シミュレータ、63 モニタ。
Claims (19)
- 屈曲した管内に挿入された中空チューブ内に可撓性を有する線状体を挿入するときに前記線状体の先端に作用する荷重を検出する荷重検出装置であって、
前記管、前記中空チューブ、または前記線状体の曲がり具合を検出する第1の検出手段と、
前記中空チューブの入口に前記線状体を挿入する荷重を検出する第2の検出手段と、
前記第1および第2の検出手段の検出結果に基づいて、前記線状体の先端に作用する荷重を求める演算手段とを備えることを特徴とする、荷重検出装置。 - 前記第1の検出手段は、前記管、前記中空チューブ、または前記線状体の画像に基づいて、前記管、前記中空チューブ、または前記線状体の曲がり具合を検出することを特徴とする、請求項1に記載の荷重検出装置。
- 前記演算手段は、さらに前記線状体および前記中空チューブ間の摩擦係数に基づいて、前記線状体の先端に作用する荷重を求めることを特徴とする、請求項1または請求項2に記載の荷重検出装置。
- 前記演算手段は、前記線状体の曲げ剛性が前記線状体の位置に応じて変化する場合は、前記線状体の位置に対する曲げ剛性の変化度合いに基づいて前記摩擦係数を補正することを特徴とする、請求項3に記載の荷重検出装置。
- 前記摩擦係数は予め測定されていることを特徴とする、請求項3または請求項4に記載の荷重検出装置。
- 前記管は血管であり、
前記中空チューブはカテーテルであり、
前記線状体は前記カテーテル内に挿入される治療用ワイヤであることを特徴とする、請求項1から請求項5までのいずれかに記載の荷重検出装置。 - 前記治療用ワイヤは、デリバリーワイヤと、該デリバリーワイヤの先端部に設けられ、脳動脈瘤内に詰め込むための塞栓用コイルとを含むことを特徴とする、請求項6に記載の荷重検出装置。
- 前記第1の検出手段は、前記塞栓用コイルの先端が脳動脈瘤に入ったときに前記治療用ワイヤの曲がり具合を検出し、
前記演算部は、前記塞栓用コイルが前記脳動脈瘤に作用する荷重を求めることを特徴とする、請求項7に記載の荷重検出装置。 - 前記第1の検出手段は、前記血管の3次元画像に基づいて、前記血管の曲がり具合を検出することを特徴とする、請求項6から請求項8までのいずれかに記載の荷重検出装置。
- 前記第1の検出手段は、手術中にX線を用いて撮影される前記治療用ワイヤの2次元画像と、予め撮影された血管の3次元画像とを重ね合わせて、前記治療用ワイヤの曲がり具合を検出することを特徴とする、請求項6から請求項8までのいずれかに記載の荷重検出装置。
- 前記中空チューブの入口に前記線状体を挿入する駆動手段を備え、
前記第2の検出手段は、前記駆動手段の駆動力に基づいて、前記線状体を挿入する荷重を検出することを特徴とする、請求項1から請求項10までのいずれかに記載の荷重検出装置。 - 前記中空チューブの入口に前記線状体を挿入するための駆動ローラと、
回転自在に支持され、前記線状体を介して前記駆動ローラに押圧される押さえローラと、
前記駆動ローラを回転駆動させるモータとを備え、
前記第2の検出手段は、前記モータの回転軸の歪を検出し、その検出結果に基づいて、前記線状体を挿入する荷重を検出することを特徴とする、請求項1から請求項10までのいずれかに記載の荷重検出装置。 - 前記第2の検出手段は、
前記線状体を挿通させる貫通孔と、前記貫通孔の途中に設けられ、前記線状体に圧縮力が作用したときに前記線状体が所定の方向へ湾曲し得るように形成された内部空間とを有する本体部と、
前記内部空間における前記線状体の湾曲の度合いを検出する湾曲センサとを含み、
前記湾曲センサによって検出された前記湾曲の度合いに基づいて、前記線状体を挿入する荷重を検出することを特徴とする、請求項1から請求項10までのいずれかに記載の荷重検出装置。 - 前記第2の検出手段は、
前記線状体を挿通させるとともに、前記線状体に圧縮力が作用したときに前記線状体が所定の方向へ圧力を加えるように曲げられて形成された貫通孔を有する本体部と、
前記貫通孔の途中に設けられ、前記線状体によって前記所定の方向に加えられた圧力を検出する圧力センサとを含み、
前記圧力センサの検出結果に基づいて、前記線状体を挿入する荷重を検出することを特徴とする、請求項1から請求項10までのいずれかに記載の荷重検出装置。 - さらに、前記第2の検出手段によって検出された前記線状体を挿入する荷重と、前記演算手段によって求められた前記線状体の先端に作用する荷重とのうちの少なくとも一方の荷重を視覚的に表示する表示手段を備える、請求項1から請求項14までのいずれかに記載の荷重検出装置。
- さらに、前記第2の検出手段によって検出された前記線状体を挿入する荷重と、前記演算手段によって求められた前記線状体の先端に作用する荷重とのうちの少なくとも一方の荷重を示す音響を発生する音響発生手段を備える、請求項1から請求項15までのいずれかに記載の荷重検出装置。
- さらに、前記第2の検出手段によって検出された前記線状体を挿入する荷重と、前記演算手段によって求められた前記線状体の先端に作用する荷重とのうちの少なくとも一方の荷重を、前記線状体の先端部のX線透視画像とともに映像記録媒体に記録する記録手段を備える、請求項1から請求項16までのいずれかに記載の荷重検出装置。
- 前記荷重検出装置は医療用訓練装置に組み込まれていることを特徴とする、請求項1から請求項17までのいずれかに記載の荷重検出装置。
- 屈曲した管内に挿入された中空チューブ内に可撓性を有する線状体を挿入するときに前記線状体の先端に作用する荷重を検出する荷重検出方法であって、
前記管、前記中空チューブ、または前記線状体の曲がり具合と前記中空チューブの入口に前記線状体を挿入する荷重とを検出し、その検出結果に基づいて、前記線状体の先端に作用する荷重を求めることを特徴とする、荷重検出方法。
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