JP2000042118A

JP2000042118A - カテ―テル等の細長い物体の触感的フィ―ドバック発生方法および装置

Info

Publication number: JP2000042118A
Application number: JP11101697A
Authority: JP
Inventors: Jeffrey Michael Wendlandt; ジェフリー・マイケル・ウェンドラント; Frederick Marshall Morgan; フレデリック・マーシャル・モルガン
Original assignee: Mitsubishi Electric Information Technology Corp; Mitsubishi Electric Research Laboratories Inc
Current assignee: Mitsubishi Electric Information Technology Corp; Mitsubishi Electric Research Laboratories Inc
Priority date: 1998-07-10
Filing date: 1999-04-08
Publication date: 2000-02-15
Also published as: EP0970661A3; EP0970661A2

Abstract

(57)【要約】【課題】装置に接続された一組のカテーテル等の細長
い物体を使用する使用者へ触感的フィードバックを与え
る外科シミュレーション装置を得る。【解決手段】この装置は、物体と、外科処置シミュレ
ーションプログラムを実行する作業端末とに接続された
アクチュエータ組立体を使用している。アクチュエータ
組立体の各アクチュエータは、対応する物体と機械的に
接続され、使用者による、軸方向の移動と軸周りの回転
を表す感知信号を発生するセンサーを有する。感知信号
は作業端末へ送られる。それに応答して、作業端末は、
物体へ加えられた軸方向の力とトルクを使用者への触感
的フィードバックとして計算し、計算された軸方向の力
とトルクを表す駆動信号をアクチュエータ組立体へ送
る。アクチュエータ内の機構は、対応する軸方向の力と
トルクをチューブとそれに接続された物体へ与えること
により、駆動信号に応答する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、シミュレータの使
用者へ触感的なあるいは感覚的なフィードバックを送る
シミュレータ装置の分野に関するものであり、とくに、
一組のカテーテルまたは同様な管状の物体の使用につい
て、医師を訓練するために用いられるシミュレータ装置
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】微小侵襲性（minimally invasive）外科
的手法の使用が増加する傾向にある。この手法は、医療
器具が患者の皮膚の比較的小さい穴を通して患者の体内
へ挿入され、身体の外部から操作される手法を意味す
る。バルーン血管形成術として知られている微小侵襲性
外科的手法の一例では、同心カテーテルが、患者の体内
へ挿入され、閉塞している心臓動脈または末梢血管など
の狭い血管内に誘導される。端部近傍に気球状の膨張室
を有するので「バルーンカテーテル」と呼ばれているカ
テーテルは、血管へ誘導される。気球状の室は膨張し
て、閉塞領域で血管を伸ばして、狭い流路が拡張され
る。

【０００３】現在行われている微小侵襲性手法の多く
は、比較的に新しいものなので、この手法を行うため医
師等の医療関係者を訓練する必要性が増大している。従
来、外科的手法の訓練は、動物、死体または患者を用い
て行われている。これらのすべての訓練方法には、いく
つかのケースで、効果が現れなかったり、望ましくない
ものになってしまうという欠陥がある。動物は訓練する
には都合がよいが、高価であり、倫理上の問題からこれ
らの使用が限定されてしまう。死体もまた高価である。
さらに、この手法は元来複雑であり、危険を伴うので、
経験の浅い医師が人間の患者に対してこの手法を実施す
るのは望ましくない。

【０００４】他の訓練方法は、シミュレータを使用する
ことである。シミュレータは、一組のセンサとアクチュ
エータが設けられ、訓練を受けている医師により使用さ
れる器具と相互に作用しあう。また、シミュレータはシ
ミュレートされている物理的環境のモデルから成るシミ
ュレーションプログラムを実行するコンピュータも有す
る。例えば、放射線医学診断のシミュレータは、カテー
テルと、カテーテルが挿入され操作される血管とを有し
ている。シミュレータは、医師により器具に加えられる
動きや力を感知して、シミュレートされた血管内のシミ
ュレートされたカテーテルの位置を追跡する。カテーテ
ルが血管の壁に突き合ったことを示すシミュレーション
がなされると、シミュレータは、実際の放射線医学診断
の処置中に医師が経験するであろう力を模擬し、その力
を器具に加えるように装置を作動させる。

【０００５】シミュレーションを基にした訓練から最大
限の利益が得られるように、医療処置シミュレータは高
度の現実性を有することが一般に望まれる。とくに、シ
ミュレータは、医療処置中に器具に作用する力とトルク
の多くの組み合わせを模擬することができることが望ま
しい。これらの力は、一般に「触感フィードバック」と
呼ばれている。現実的触感フィードバックを行うシミュ
レータによって、医師は処置に必要とされる正確な手法
で器具を操作するのに必要な技能をより伸ばすことがで
きる。

【０００６】既知のシミュレータは、オハイオ州、コロ
ンバスのベルテック社（Bertec Inc. of Columbus, Ohi
o）により製作されたアクチュエータを使用する。ベル
テックのアクチュエータは、カテーテルの軸周り回転と
軸方向移動を感知し、カテーテルと接触したボールを内
蔵するマウスのような機構を使用している。また、ベル
テックのシミュレータはカテーテルへ圧縮力を加えて、
カテーテルに作用し、かつカテーテル挿入処置中に医師
により感じられる摩擦力をシミュレートする。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ベルテックのシミュレ
ータは欠点を持っている。軸方向移動と軸周り回転を感
知するのに使用されるボールは、カテーテルと直接的に
接触し、カテーテルが操作されると、カテーテルの表面
を滑ることがある。このような滑りは、すべて、アクチ
ュエータにより送られる位置情報の正確さを低下させ
る。また、圧縮力だけで発生した触感的フィードバック
は、あまり現実的でない。使用者へ送り返された力は、
圧縮器からの滑りと静摩擦により発生するので、ベルテ
ックの装置は、可変抵抗器のように働く。実際のカテー
テル挿入中、カテーテルは、動きがあり、かつ弾性のあ
る組織に遭遇し、その組織は伸ばされると能動的にカテ
ーテルを押し返す。ベルテックの装置は、受動的装置で
あるので、このような能動的な力をシミュレートするこ
とができない。また、単純な圧縮では、異なる方向へ作
用する多数の力またはトルクの作用を現実的にシミュレ
ートすることができない。

【０００８】触感フィードバックに使用される他の既知
のアクチュエータおよびアクチュエータ装置は、ベルテ
ック装置に似た特徴を持っており、従って、同様な欠点
を有する。

【０００９】訓練の質を改善するため、医療訓練におい
て使用されるシミュレートされた医療処置を現実性のあ
るものに改善することが望ましい。特に、医師が医療処
置を患者に行う前に効果的に訓練することができるよう
に、現実的触感フィードバックを行うことができる高精
度なセンサとアクチュエータを有すアクチュエータ装置
を備えていることが望まれる。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、細長い
物体の使用者へ触感的フィードバックを与える方法と装
置が開示されている。物体の軸方向移動と軸周り回転の
位置が高精度でトレースされ、軸方向の力と軸周りのト
ルクが、物体の使用者への触感的フィードバックを発生
するように加えられる。

【００１１】開示された触感的フィードバック装置は、
センサとモータとを有するアクチュエータを備えてい
る。センサは、物体の軸方向の移動と軸周りの回転を示
す信号を発生する。モータは、駆動信号に応答して、独
立した軸方向の力と軸周りのトルクを物体へ加える。こ
の装置は、アクチュエータに接続されたプロセッサを有
する。プロセッサはセンサからの感知信号を使用して、
使用者への触感的フィードバックとして物体へ加えられ
る所望の軸方向の力と軸周りのトルクを計算し、次に、
モータが所望の軸力と軸トルクを物体へ加えるように、
モータへの駆動信号を発生する。このようにして、より
現実的な触感的フィードバックが達成される。

【００１２】本発明の他の面、特徴、および利点は、以
降の詳細な説明に開示されている。

【００１３】

【発明の実施の形態】従来技術で知られている心臓また
は末梢血管のカテーテル挿入装置が、図１に示されてい
る。図示されているように、装置は、インナーワイヤ１
０、管状のバルーンカテーテル１２、および管状の誘導
カテーテル１４を備えている。バルーンカテーテル１２
は、誘導カテーテル１４の対応する端部１８から伸長し
ている拡張バルーン１６を一端に有する。ワイヤ１０
は、バルーンカテーテル１２の端部２２から伸長してい
る先端２０を有する。

【００１４】第１のＹ字状アダプター２４は、誘導カテ
ーテル１４に固定されている。バルーンカテーテル１２
は、Ｙ字状アダプター２４の一方の脚部を通って伸長
し、配管２６は他方の脚部へ取り付けられている。配管
２６は、コントラストおよび他の溶液を誘導カテーテル
１４へ送る。コントラスト溶液は、カテーテル挿入処置
中に使用される画像装置上で、カテーテル挿入されてい
る血管の視認性を高め、医師がカテーテルを上手に誘導
するのを可能にするものである。コントラストおよび他
の溶液の注入（INJECTION）と灌流（FLUSHING）は、本
技術で知られているように、装置２８により制御され
る。

【００１５】接続部３０により、膨張器３２とそれに関
連した圧力計３４、さらに第２のＹ字状アダプター３６
の取り付けが可能である。ワイヤ１０の使用者側の端部
３８はＹ字状アダプター３６の一方の脚部から伸長し、
配管４０は他方の脚部から伸長している。配管４０は、
コントラストおよび他の溶液をバルーンカテーテル１２
へ送るために使用される注入と灌流の装置４２に接続さ
れている。

【００１６】図１の実施形態において、ワイヤ１０の端
部２０と３８は、僅かに屈曲している。使用者側の端部
３８において、この屈曲部分により、医師がワイヤ１０
の軸周りにワイヤ１０を回転できる。（このことを「軸
周り回転」とも呼ぶ）。内部側、即ち誘導端部２０にお
いて、屈曲部により、カテーテル挿入されている血管へ
の通路における曲がり部や分岐部でワイヤ１０が操作さ
れることが可能である。

【００１７】心臓動脈のバルーンによる血管形成処置に
おいて、誘導カテーテル１４は、その端部が手術される
心臓動脈口に近い大動脈弓に位置するように、最初に大
腿部の動脈へ挿入される。誘導カテーテル１４は、予め
挿入された誘導ワイヤ（図示せず）に沿って滑らすこと
によりこの位置に到達する。この誘導ワイヤは、誘導カ
テーテル１４が所定の位置に置かれた後取り外される。
次に、バルーンカテーテル１２とワイヤ１０は、一緒に
誘導カテーテル１４内を通りその端部まで押し込まれ
る。次に、ワイヤ１０は膨張される範囲まで動脈内で操
作され、バルーン１６はワイヤ１０に沿って所望の位置
へ押し込まれる。この位置において、バルーン１６は動
脈の所望の拡張を達成するに必要なだけ膨張される。

【００１８】図２は、カテーテル挿入処置をシミュレー
トする外科シミュレーション装置を示す。図１の装置の
ようなカテーテル装置が使用されている。コントラスト
制御装置２８、４２および膨張器３２、３４は、シミュ
レーション装置がこれらの構成要素の有無にかかわらず
使用でき、図２に示されていない。図３と４に関して以
降に説明されていることを除いて、ワイヤ１０’および
カテーテル１２’、１４’は、図１に示されたワイヤ１
０およびカテーテル１２、１４と同等なものである。

【００１９】ワイヤ１０’およびカテーテル１２’、１
４’は、アクチュエータ組立体５０へ入り込んでおり、
アクチュエータ組立体５０は以降に述べる二つの異なる
アクチュエータ５０−１と５０−２のいずれかであって
もよい。アクチュエータ組立体５０は、電気的駆動信号
５２を電気的駆動増幅回路５４から受信し、電気的感知
信号５６を回路５４へ送る。次に、回路５４は、バス５
８を経てディスプレイ６２を有する作業端末６０または
同様なコンピュータへ接続される。

【００２０】アクチュエータ組立体５０は、シミュレー
タの使用者により行われたワイヤ１０’とカテーテル１
２’、１４’の軸方向移動と軸周り回転を感知するセン
サを内蔵している。回転と移動の位置情報は、感知信号
５６によりバス５８を経て作業端末６０へ送られる。ま
た、アクチュエータ組立体５０は、作業端末６０により
バス５８を経て駆動回路５４へ送られたデータに従って
発生した駆動信号５２に応答して、軸方向の力と軸周り
のトルクをワイヤ１０’とカテーテル１２’、１４’へ
加える。

【００２１】駆動増幅回路５４は、ディジタルインタフ
ェースバス５８のコマンドおよびデータと、駆動信号５
２および感知信号５６のアナログ値との間を変換するた
め、ディジタル−アナログ変換器、アナログ−ディジタ
ル変換器、およびそれに関連した回路を備えている。

【００２２】作業端末６０は、患者の解剖部の関係部分
とカテーテル挿入処置をシミュレートするシミュレーシ
ョンプログラムを実行する。このプログラムには、シミ
ュレートされた血管に沿って、ワイヤ１０’とカテーテ
ル１２’、１４’のシミュレートされて伸びていく移動
経路を示すディスプレイ６２上の画像表示がある。作業
端末６０は、感知信号５６からのデータを使用して、使
用者によるワイヤ１０’とカテーテル１２’、１４’の
操作を感知する。作業端末６０は、駆動信号５２により
アクチュエータ組立体５０を制御して、能動的な触感と
触覚の感覚を使用者へ与え、カテーテル挿入処置を現実
的にシミュレートする。

【００２３】さらに詳細に説明すると、シミュレーショ
ンは、誘導カテーテル１４’がシミュレータへほぼ完全
に挿入されて開始する。これは、大動脈弓の上部にある
実際のカテーテル１４の上述した位置に相当する。ディ
スプレイ６２は、大動脈領域のシミュレートされた誘導
カテーテルの画像を示す。次に、使用者は、バルーンカ
テーテル１２’とワイヤ１０’を誘導カテーテルへ押し
込み、それらがカテーテルの遠端に達すると、それらを
シミュレートした物体がディスプレイに現れる。この位
置からワイヤ１０’とバルーンカテーテル１２’は個別
に操作され、そのシミュレートされた物体は、それに従
ってディスプレイ６２上を移動する。

【００２４】図３は、図２のシミュレーション装置に使
用されるアクチュエータ組立体５０−１の第１の実施形
態を示す。三つのアクチュエータ７０がハウジング内の
ベース７２に配置されている。アクチュエータ７０は箱
として示されているが、これは、概略を表現したにすぎ
ず、アクチュエータ７０の詳細は、以降の図５〜９に示
されている。ベース７２の一端において、ワイヤ１０’
およびカテーテル１２’、１４’が、スリーブまたはグ
ロメットを通ってベースへ入っている。一組の強靱な同
心チューブ７６、７８および８０が、作動軸８１に沿っ
てアクチュエータ７０を通り望遠鏡のような形式で配置
されている。図４に示されているように、ワイヤ１
０’、カテーテル１２’、１４’は、それぞれに対応し
た継ぎ手（coupler）８２、８４、８６によって、それ
ぞれに対応したチューブ７６、７８、８０に接続されて
いる。継ぎ手８２、８４および８６は、テープ片また
は、対応するチューブのそれぞれと各カテーテルとの間
を機械的に確実に接合するより複雑な自動化された機械
的装置である。

【００２５】内側のチューブ７６と７８は、アクチュエ
ータ７０の対応する一つのアクチュエータと係合するた
め、それらの各隣接した外側のチューブからさらに伸長
している。内側のチューブ７６と７８のそれぞれが対応
する外側のチューブ７８または８０から伸長している量
は、他のチューブの移動を干渉することなく、各チュー
ブが引っ込んだ位置（図３の右へ向かって）と伸長した
位置（図３の左へ向かって）の間を自由に移動すること
ができるように選択される。この引っ込んだ位置は、患
者へ挿入された時の、対応する実際のワイヤ１０、カテ
ーテル１２、１４の最初の位置に相当する。伸長した位
置は、実際のワイヤ１０、カテーテル１２、１４が、カ
テーテル挿入された血管の近くへ押し込まれた後の、対
応する実際のワイヤ１０、カテーテル１２、１４の最後
の位置に相当する。

【００２６】アクチュエータ７０は、各アクチュエータ
が移動の間中、対応するチューブ７６、７８、８０と係
合し、かつ、他のチューブの移動の障害にならないよう
に、配置されている。各アクチュエータ７０は、以降に
さらに詳細に説明するセンサにより、対応するチューブ
７６、７８、８０の軸方向移動と軸回転を感知する。セ
ンサは、感知信号５６により軸方向移動と軸回転の表示
を行う。各アクチュエータ７０は、駆動信号５８の対応
する信号に応答して、軸方向の力と軸周りのトルクを対
応するチューブ７６、７８、８０へ発生するモータを備
えている。アクチュエータ７０は、以降にさらに詳細に
説明されている。

【００２７】図５は、アクチュエータ７０の一つの実施
形態を示す。支持脚台９０がベース９２から伸長してい
る。一組の支持脚台９０は、作動軸８１に沿って脚台９
０の開口を通って配置された軸部分９６と９８により、
送り台組立体９４を支持している。また、移動送り制御
輪１０２と回転制御輪１０４が、軸部分９６と９８にも
支持されている。送り台組立体９４と回転制御輪１０４
は、どちらも軸９８へ固定されており、従って、回転輪
１０４の回転により、送り台組立体９４は作動軸８１周
りを回転する。移動制御輪１０２と送り台組立体９４と
の間の接続は、図６に関して以降にさらに詳細に説明さ
れている。

【００２８】支持脚台９０の他の組は、駆動軸１０６と
１０８を作動軸８１と平行に支持している。各駆動軸１
０６、１０８は、支持脚台９０の対応する組の開口を通
って伸長している。駆動輪１１０、１１２は、それぞ
れ、駆動軸１０６、１０８に取り付けられている。駆動
輪１１０は移動制御輪１０２と係合し、駆動輪１１２は
回転制御輪１０４と係合している。

【００２９】モータ／センサ組立体１１４、１１６は、
それぞれ、駆動軸１０６と１０８へ機械的に接続されて
いる。組立体１１４、１１６内のモータは、駆動信号５
２に応答して、対応する駆動軸１０６、１０８へトルク
を加える。これらのモータは、好ましくは直流（ＤＣ）
トルクモータである。各組立体１１４、１１６内のセン
サは対応する相互に配置されたモータの回転位置を検出
する。センサは、従来の回転位置エンコーダの他の適当
な装置でもよい。センサは、各輪１０２、１０４の感知
された位置を示す感知信号５６を発生する。例えば、信
号５６は、それぞれ、一連のパルスであり、対応するモ
ータの回転量を示す。

【００３０】組立体１１６内のセンサにより発生した信
号５６は、アクチュエータ７０内に配置されたチューブ
の回転位置を示す。組立体１１４内のセンサにより発生
した信号５６は、後述のように、送り台組立体９４内の
ギヤの形状のために、回転と移動の両方の情報を表す。
従って、チューブの移動位置を得るためには、純粋な回
転を示す、組立体１１４からの信号５６が、回転と移動
の両方を示す組立体１１６からの信号から減算される。

【００３１】図５のアクチュエータ７０の動作中は、チ
ューブ７６、７８、８０の一つは、作動軸８１に沿って
アクチュエータ７０を貫通して配置されている。使用者
は、このチューブを押し込み、引っ張りおよび回転す
る。チューブの引っ張りおよび押す動きは、輪１０２を
回転させ、チューブの回転は、輪１０２と１０４の両方
を回転させる。輪１０２と１０４の回転は、組立体１１
４と１１６内のエンコーダにより検出され、エンコーダ
により発生した信号５６の値は、それに対応して変化す
る。図２の作業端末６０は、回路５４により位置の情報
を受け取る。実行されているシミュレーション制御プロ
グラムに従って、作業端末６０は、駆動信号５２に、チ
ューブへ加えられる所望の力とトルクに対応する値を持
たせる。これらの信号は、組立体１１４と１１６内のモ
ータを駆動する。モータは、所望の力とトルクを軸１０
６と１０８、輪１１０と１１２、および輪１０２と１０
４により加える。

【００３２】図６乃至９は、送り台組立体９４の詳細を
示す。図６は、送り台組立体９４の正面斜視図であり、
図７は、輪１４０と１２２がチューブ７６と係合してい
る送り台組立体９４の正面斜視図であり、図８は、クラ
ンプ解除位置にある送り台組立体９４の背面斜視図であ
り、図９は、クランプ位置にある送り台組立体９４の背
面斜視図である。

【００３３】略コの字状（three sided)の送り台本体１
２０は、次の構成要素すなわち、軸の部分９６と９８、
駆動ピンチ輪１２２、支柱１２６により支持されたクラ
ンプ部材１２４、相互に係合された輪またはギヤ１２
８、１３０、輪１２８と同じ軸に取り付けられたマイタ
輪またはギヤ１３２、および輪１３０と同じ軸に取り付
けられたカラー１３４を支持する。マイタ輪１３２は、
駆動ピンチ輪１２２と同じ軸１３８に取り付けられた別
のマイタ輪またはギヤ１３６と係合している。アイドル
ピンチ輪１４０は、クランプ部材１２４に取り付けられ
ている。

【００３４】軸８１周りの軸部分９８の回転が、送り台
９４を軸８１の周りに回転させるように、送り台本体１
２０は、軸部分９８に固定されている。輪１３０が、軸
８１周りの本体１２０の回転から独立して、軸８１の周
りを回転できるように、輪１３０と保持カラー１３４
は、本体１２０に取り付けられている。輪１２８とマイ
タ輪１３２もまた、本体１２０に対し自由に回転するよ
うに取り付けられている。従って、輪１３０は、軸８１
周りの本体１２０の回転に対して独立して、輪１２８に
よりマイタ輪１３２へ回転を加える。

【００３５】アクチュエータ７０の使用準備状態にある
とき、クランプ部材１２４を、図８に示されたクランプ
解除位置へ移動する。チューブ７６、７８、８０は、作
動軸８１に沿って軸部分９６と９８へ挿入される。次
に、ピンチ輪１２２と１４０を、図７に示されているよ
うにチューブと係合するように、クランプ部材１２４は
図９のクランプ位置へ移動させる。図に示されていない
が、支柱１２６には好適には、クランプ部材１２４を本
体１２０へクランプするのを助けるためにねじが形成さ
れている。望ましくは、一組のスプリングが各支柱に設
けられており、スプリングは本体１２０とクランプ部材
１２４の間に一つ、クランプ部材１２４と支柱１２６へ
ねじ込まれた保持ナットとの間に一つ配置されている。
クランプ部材１２４は、保持ナットを調節することによ
り、クランプ位置とクランプ解除位置との間を移動す
る。

【００３６】アクチュエータ７０の操作中に、使用者が
チューブを回転させると、送り台組立体９４が軸８１の
周りを回転する。この回転は二つの働きをする。この回
転は、図５の軸９８、輪１０４と１１２、および軸１０
８を経て、組立体１１６内のエンコーダへ伝えられる。
この回転はまた、次の機構により組立体１１４内のエン
コーダへも伝えられる。すなわち、送り台９４が回転す
ると、輪１２８は軸８１の周りを回転する。しかし、純
粋な回転に関しては、輪１２８は、輪１２０に対し少し
も回転しない。従って、輪１３０は、回転していない輪
１２８により回転させられる。輪１３０の回転は、図５
の軸９６、輪１０２と１１０、および軸１０６により組
立体１１４内のエンコーダへ伝えられる。

【００３７】使用者がチューブを軸方向へ移動すること
により、ピンチ輪１２２が回転し、次に、マイタ輪１３
６と１３２が回転する。この回転は、軸９６と共に、図
５の輪１２８と１３０、輪１０２と１１０、および軸１
０６を経て、組立体１１４へ伝えられる。

【００３８】組立体１１４と１１６内のモータにより、
軸方向の力と軸周りのトルクがチューブへ加えられて、
触感的フィードバックは使用者へ伝えられる。モータの
トルクがチューブへ伝えられる機械的経路は、使用者に
より起こされた動きがエンコーダへ伝えられる上述の経
路とは逆の経路である。

【００３９】図１０は、概略的に図示されている３つの
アクチュエータ１５０、１５２、１５４を使用したアク
チュエータ組立体５０−２の第２の実施形態を示す。ア
クチュエータ７０のように、アクチュエータ１５０、１
５２、１５４は、軸方向移動と軸周り回転について、双
方を感知して、軸方向移動と軸周り回転の双方の動きを
起こす。アクチュエータ１５０、１５２、１５４は、構
造が相互にほぼ似ている。各アクチュエータは、正方形
の断面を有する、異なる大きさの剛性のあるチューブと
係合している。図１０に示されたチューブ１５６と１５
８は、カテーテル１２’とワイヤ１０’へ取り付けら
れ、アクチュエータ１５４内のチューブ（図１０に示さ
れていない）は、カテーテル１４’へ取り付けられてい
る。各アクチュエータ１５０、１５２、１５４は、対応
するチューブと係合するようになっているので、後述の
ように、それらの内部構造は僅かに異なる。

【００４０】図１１は、最外側のカテーテル１４’と共
に使用されるアクチュエータ１５４を示す。アクチュエ
ータ１５４は、リニアアクチュエータ１６０とロータリ
アクチュエータ１６２を有する。リニアアクチュエータ
１６０は、ほぼＴ字状の送り台１６１と、チューブ１６
６を把持するがそのチューブ１６６をその長手方向軸周
りに回転できる回転軸受１６４とを有する。チューブ１
６６は最外側のカテーテル１４’に取り付けられてい
る。リニアアクチュエータ１６０は、レール１６８に沿
って滑り、駆動プーリ１７２とアイドルプーリ１７４と
の間に伸長しているケーブル環(loop)またはケーブルベ
ルト１７０に取り付けられている。駆動プーリ１７２
は、モータ１７６により回転し、その回転位置は、位置
エンコーダまたはセンサにより感知される。リニアアク
チュエータ１６０がレール１６８に沿って移動すると、
チューブ１６６は回転位置は拘束されずに、その軸に沿
って移動する。

【００４１】ロータリアクチュエータ１６２は、チュー
ブ１６６が貫通している正方形の開口を有するリニア軸
受１８４を備えている。リニア軸受１８４は、チューブ
１６６の回転位置を追跡して、制御するが、チューブは
その長手軸方向に移動することができる。ロータリアク
チュエータ１６２は、ケーブル環またはベルト１８８、
駆動プーリ１９０、およびモータ１９２により駆動され
るプーリ１８６にも取り付けられている。回転位置エン
コーダ１９４は、駆動プーリ１９０の回転位置を感知す
る。ロータリアクチュエータ１６２が回転すると、チュ
ーブ１６６もその長手軸周りに回転するが、その移動位
置は拘束されない。ここに示した実施形態において、チ
ューブ１６６は、その正方形の断面のためにロータリア
クチュエータ１６２と共に回転するように拘束される。
他の実施形態として、アクチュエータ１５０、１５２、
および１５４内のチューブは、三角形、六角形、スプラ
インなどの回転を拘束する他の断面形状を有してもよ
い。

【００４２】図１０のアクチュエータ１５０、１５２
は、軸受１６２、１６４がそれより細いチューブ１５
６、１５８を収容するように製作されていることを除い
て、アクチュエータ１５４と本質的に同じである。ま
た、チューブ１５８は、その中で独立して回転するよう
に、チューブ１６６より十分に細く、同様に、チューブ
１５６はチューブ１５８内で回転することを付け加えて
おく。ベルト１７０、１８８は、好適に、プーリ１７
２、１７４、１８６、および１９０のリム(rim)の溝に
乗っているスチール製のケーブルまたはベルトである。
あるいは、プーリはスプロケット状の輪であってもよ
く、ベルト１７０、１８８は、チェーン、またはスプロ
ケット状プーリの歯と係合する、表面が波打った他の構
造であってもよい。

【００４３】以上、カテーテルなどの細長い物体の使用
者に触感フィードバックを与えるのに有用なアクチュエ
ータ装置を説明した。上述の方法と操作の修正と変形
は、ここに開示された発明性の概念から逸脱することな
く、可能であることは本技術の専門家には明らかであろ
う。特に、本装置は、心臓または末梢血管のカテーテル
挿入以外の医療処置、例えば、介入放射線医学、泌尿器
科学、および他のカテーテルのような処置に使用するこ
とができる。従って、本発明は、添付した請求の範囲の
範囲と主旨だけに限定されるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】一組の同心カテーテルを備え、心臓または末
梢血管のカテーテル挿入用の従来装置の概略図である。

【図２】本発明によるアクチュエータ組立体を使用し
ているカテーテル挿入シミュレーション装置の構成図で
ある。

【図３】本発明の実施の形態１に係り、模式的に描い
たアクチュエータを含む図２の装置におけるアクチュエ
ータ組立体の斜視図である。

【図４】図３のアクチュエータ組立体のカテーテルと
対応するチューブとの間の継ぎ手を示す図である。

【図５】図３のアクチュエータ組立体のアクチュエー
タの斜視図である。

【図６】図５のアクチュエータの送り台組立体の正面
斜視図である。

【図７】図３のアクチュエータ組立体からのチューブ
を保持する、図６の送り台組立体の背面斜視図である。

【図８】固定解除された位置にあるクランプ部材を示
す、図６の送り台組立体の背面斜視図である。

【図９】固定された位置にあるクランプ部材を示す、
図８の送り台組立体の背面斜視図である。

【図１０】本発明の実施の形態２に係り、模式的に描
いたアクチュエータを含む図２の装置におけるアクチュ
エータ組立体の斜視図である。

【図１１】図１０のアクチュエータ組立体のアクチュ
エータの斜視図である。

【符号の説明】

１０’ ワイヤ（物体）、１２’、１４’ カテーテル
（物体）、５０、５０−１、５０−２アクチュエータ
組立体、５２駆動信号、５６感知信号、６２ディ
スプレイ（表示装置）、７０、１５０、１５２，１５４
アクチュエータ、７２ベース、７６、７８、１５
６、１５８チューブ、８１作動軸、１６４回転軸
受、１８４リニア軸受。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 597067574 201 ＢＲＯＡＤＷＡＹ，ＣＡＭＢＲＩＤＧＥ，ＭＡＳＳＡＣＨＵＳＥＴＴＳ 02139，Ｕ．Ｓ．Ａ. (72)発明者ジェフリー・マイケル・ウェンドラントアメリカ合衆国、マサチューセッツ州、ケンブリッジ、ショーンシー・ストリート 20、ナンバー・ツー (72)発明者フレデリック・マーシャル・モルガンアメリカ合衆国、マサチューセッツ州、クインシー、バトラー・ロード 157

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】使用者による細長い物体の軸方向の移動
と軸周りの回転に応答して触感的フィードバックを発生
する装置であって、前記物体へ機械的に接続されたアクチュエータにして、
前記物体の軸方向の移動と軸周りの回転を表す感知信号
を発生するように動作するセンサを有し、かつ、前記ア
クチュエータに加えられた駆動信号に応答して、軸方向
の力と軸周りのトルクを前記物体に加えるように動作す
るモータを有する前記アクチュエータと、前記アクチュエータに接続されたプロセッサにして、前
記感知信号に応答して、使用者への触感的フィードバッ
クとして前記物体に加えられる所望の軸方向の力と軸周
りのトルクを計算するように動作し、また、所望の軸方
向の力と軸周りのトルクが前記アクチュエータにより物
体に加えられるように駆動信号を発生するように動作す
る前記プロセッサとを備えたことを特徴とする触感的フ
ィードバック発生装置。
【請求項２】請求項１に記載の触感的フィードバック
発生装置において、前記アクチュエータが、支持台と、前記支持台上に設けられ、前記物体の軸方向の移動と軸
周りの回転が可能になるよう前記物体を保持するように
構成された送り機構にして、前記送り機構の回転可能な
入力構成要素に加えられたトルクに応答して、前記物体
に相互に独立した軸方向の力と軸周りのトルクを加える
ように前記物体を保持したとき動作する前記送り機構
と、前記送り機構の回転可能な前記入力構成要素へ機械的に
接続されたモータにして、前記プロセッサにより発生さ
れた駆動信号を受信し、前記受信された駆動信号に従っ
てモータによりトルクが前記入力構成要素へ加えられる
ように、送り機構の入力構成要素へ接続された前記モー
タとを備えたことを特徴とする触感的フィードバック発
生装置。
【請求項３】請求項１に記載の触感的フィードバック
発生装置において、前記アクチュエータが、前記物体が伸長している中心の穴を取り囲んでいる内側
部分を有し、前記物体の長手方向軸周りの前記物体の回
転を制御し、他方で、前記長手方向軸に沿った前記物体
の移動を可能にするように、前記内側部分が前記物体と
協働的に構成されているリニア軸受と、前記物体が伸長している中心の穴を取り囲んでいる内側
部分を有し、前記長手方向軸に沿った前記物体の移動を
制御し、他方で、前記物体が前記長手方向軸の周りを回
転するように、内側部分が協働的に前記物体と構成され
ている回転軸受と、前記プロセッサにより発生された駆動信号を受信し、受
信された駆動信号に従って、前記長手方向軸周りの前記
物体の回転と前記長手方向軸に沿った前記物体の移動を
制御するように、前記リニア軸受と前記回転軸受へそれ
ぞれ接続されている二つのモータとを備えたことを特徴
とする触感的フィードバック発生装置。
【請求項４】請求項１に記載の触感的フィードバック
発生装置において、前記物体がカテーテルまたはワイヤであり、前記プロセッサは、前記所望の軸方向の力と軸周りのト
ルクを計算して、心臓または末梢の血管のカテーテル挿
入をシミュレートするシミュレーションプログラムを実
行するように動作し、計算された前記軸方向の力と軸周
りのトルクが、実際のカテーテル挿入中の触感的フィー
ドバックとして使用者により感受される軸方向の力と軸
周りのトルクの値であり、前記触感的フィードバック発生装置はさらに、前記プロ
セッサに接続された表示装置を含んでおり、前記表示装
置は、シミュレートされた血管に沿った、前記カテーテ
ルまたはワイヤのシミュレートされた延びの移動を描い
た前記プロセッサにより発生された画像を表示するよう
に動作することを特徴とする触感的フィードバック発生
装置。
【請求項５】使用者による、一組の伸長した同心の管
状物体の軸方向の移動と軸周りの回転に応答して、触感
的フィードバックを発生する装置において、複数のアクチュエータにして、各アクチュエータが前記
物体の対応する一つに機械的に接続され、前記接続され
た物体の軸方向の移動と軸周りの回転を表す感知信号を
発生するように動作するセンサを有し、前記アクチュエ
ータへ送られた駆動信号に応答して、軸方向の移動と軸
周りのトルクを前記接続された物体へ加えるように動作
する前記複数のアクチュエータと、アクチュエータに接続されたプロセッサにして、感知信
号に応答して、使用者への触感フィードバックとして前
記各物体へ加えられるべき所望の軸方向の力と所望の軸
周りのトルクを計算するように動作し、また、前記所望
の軸方向の力と所望の軸周りのトルクが、前記アクチュ
エータにより前記物体へ加えられるように、駆動信号を
発生するように動作する前記プロセッサとを備えたこと
を特徴とする触感的フィードバック発生装置。
【請求項６】請求項５に記載の触感的フィードバック
発生装置において、（１）前記アクチュエータがアクチュエータ組立体の一
部であり、ベースの延長方向へ伸長している作動軸上に、一組の同
心物体の一端を支持するように、一端が構成された長い
ベースと、前記作動軸に沿って入れ子式にして配置された、一組の
延長された同心状の剛体のチューブにして、前記剛体の
チューブが、前記同心状の物体の対応する一つに接続さ
れるように構成されており、各チューブは、チューブが
接続される前記物体の引き込みに対応する引っ込んだ位
置を有し、また、チューブが接続される前記物体の所望
の最大伸長に対応する伸長した位置も有し、前記引っ込
んだ位置にある各チューブが、前記伸長した位置にある
隣接した外側のチューブからさらに伸長している、前記
一組のチューブとを含んでおり、（２）前記アクチュエータが、前記アクチュエータ組立
体のベース上に作動軸に沿って間隔を置いた関係に配置
されており、第１アクチュエータが、前記ベースの一端に近い最外側
のチューブと係合し、他のアクチュエータはそれぞれ隣接した外側のチューブ
の伸長した位置を越えて作動軸に沿った対応する位置
で、次の内側のチューブの一つと順次係合し、各アクチュエータが、アクチュエータへ加えられた作動
信号に応答して、対応するチューブを作動軸に沿って移
動させ、対応するチューブを作動軸の周りに回転させる
ように動作することを特徴とする触感的フィードバック
発生装置。
【請求項７】請求項５に記載の触感的フィードバック
発生装置において、前記物体がカテーテルであることを
特徴とする前記装置。
【請求項８】請求項５に記載の触感的フィードバック
発生装置において、前記物体がカテーテルとワイヤであ
ることを特徴とする触感的フィードバック発生装置。
【請求項９】伸長された物体の、使用者への触感的フ
ィードバックを発生する触感的フィードバック発生方法
において、使用者による物体の軸方向の移動と軸周りの回転の各大
きさを表す感知信号を発生し、前記感知信号に応答して、前記物体に加えられるべき所
望の軸方向の力と軸周りのトルクを、前記使用者への触
感的フィードバックとして計算し、前記物体に加えられる前記所望の軸方向の力と軸周りの
トルクを表す駆動信号を発生し、前記駆動信号に従って、軸方向の力と軸周りのトルクを
前記物体に加えるステップを備えたことを特徴とする触
感的フィードバック発生方法。
【請求項１０】請求項９に記載の触感的フィードバッ
ク発生方法において、前記物体がカテーテルまたはワイ
ヤであり、前記所望の軸方向の力と軸周りのトルクを計算するステ
ップが、心臓または末梢の血管のカテーテル挿入をシミ
ュレートするシミュレーションプログラムを実行するこ
と含んでおり、前記計算された軸方向の力と軸周りのトルクが、実際の
カテーテル挿入中の触感的フィードバックとして使用者
により感受される軸方向の力と軸周りのトルクの値であ
ることを特徴とする触感的フィードバック発生方法。
【請求項１１】請求項１０に記載の触感的フィードバ
ック発生方法において、さらに、シミュレートされた血
管に沿った、前記カテーテルまたはワイヤのシミュレー
トされた延びの移動を描いた画像をディスプレイに表示
するステップを含んでいることを特徴とする触感的フィ
ードバック発生方法。