JP2004357772A - アクチュエーター装置 - Google Patents

Abstract

【課題】各種医療分野、医療に関連する研究分野等で有用であって、必要な組織、部位にアクセスする場合に、ミクロン単位で調整可能なアクチュエーター装置を提供すること。
【解決手段】アクチュエーター装置は、ステッピングモータ１０と、このステッピングモータ１０の回転が伝達されるボルト部１１と、このボルト部１１の回転により昇降されるナット部１２と、このナット部１２の昇降をガイドするガイド部１３と、このガイド部１３とナット部１２間に設けられたリニアガイド機構１４から構成されているアクチュエーター１と、このアクチュエーター１の動作を制御する回転制御手段としての制御用ＰＣ部２及びモータ制御部３から構成されている。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、医療分野及びその関連分野に有用なアクチュエーター装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
人体等の診断、治療、処置、予防、研究等において、必要な組織、部位に、機器を用いてアクセスする場合に、他の組織を傷つけることなく行えることが望ましい。
従来、診断、治療等の対象となる組織、部位にアクセスする手段として、例えば、内視鏡、医療処置具等が組み込まれたカテーテルが知られている（例えば、特許文献１）。
【特許文献１】
実開平５−３３７３６号公報（図１）
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者が問題とする従来のカテーテル等の課題は、必要な組織、部位へのアクセスが最後は医師の手作業で行われている点である。
前記特許文献１のカテーテルにおいても、カテーテルの先端部２の移動方向を操作するワイヤー８は、操作部３０のツマミ２２を手動で回すことで、操作されている（特許文献１、図５参照）。
しかし、手作業での微妙な位置調整作業は、医師の長年の経験と勘が必要であった。また、僅かな手元の狂いにより、治療対象外の正常な組織、部位を傷つけるおそれもあった。
【０００４】
そこで、本願発明は、上記問題点に鑑み完成されたもので、各種医療分野、医療に関連する研究分野等で有用であって、必要な組織、部位にアクセスする場合に、ミクロン単位で調整可能なアクチュエーター装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本願発明は、ステッピングモータと、このステッピングモータの回転が伝達されるボルト部と、このボルト部の回転により昇降するナット部と、このナット部の昇降をガイドするガイド部と、このガイド部と前記ナット部間に設けられたリニアガイド機構を備えたアクチュエーターを用いる。
このアクチュエーターは、ステッピングモータを用いているので、微細な回転制御が可能となる、ステッピングモータの回転が伝達されるボルト部の回転をナット部の昇降動作に変換することで、高推進力を得ることができる、ナット部とガイド部の間隙がリニアガイド機構によって調整され、ナット部のガタを抑えることができる、アプリケーション構成が簡易であることで、小型化が可能となる等の特徴を備えている。
このような特徴を備えたアクチュエーターが回転制御手段によって制御されることで、前記連動部が動作され、従来の手作業による調整によっては達成不可能な、マイクロメートル（ミクロン）単位の連動部の微調整が可能で、かつ、高い推進力（高トルク）が発揮されるアクチュエーター装置を提供することができる。
【０００６】
具体的なアクチュエーター装置としては、前記連動部にカテーテルの操作用のワイヤが取付けられているカテーテル用のアクチュエーター（請求項２に記載の発明）、前記連動部に手術用のドリルが取付けられている手術用のアクチュエーター（請求項３に記載の発明）、前記連動部にリハビリ用の調整部が取付けられているリハビリ用のアクチュエーター（請求項４に記載の発明）、前記連動部にヘルニア治療用の切開ならびに摘出器具が取付けられているヘルニア治療用のアクチュエーター（請求項５に記載の発明）、前記運動部に血管壁や血管の内部検査用等のカテーテルや触覚センサーが取り付けられている血管検査用等のアクチュエーター装置（請求項６記載の発明）等がある。
なお、これらのアクチュエーター装置に限定されるものではなく、請求項１の発明の範囲内で、各種医療分野、医療に関連する研究分野等で利用できるアクチュエーター装置が含まれる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
上記各発明に対応する実施形態について、図面に基づき詳細に説明する。
図１はアクチュエーター装置の基本構成図、図２は図１の同装置を構成するアクチュエーターのＡ−Ａ線の要部断面説明図、図３は同装置の構成ブロック図、図４は同装置によって実行されるプログラムの流れ図である。
これら各図及び後述する各図において、同一の構成は同一の符号を付して、重複した説明を省略する。
【０００８】
［アクチュエーター装置の基本構成］
図１に示したように、アクチュエーター装置は、アクチュエーター１と、このアクチュエーター１の動作を制御する回転制御手段としての制御用ＰＣ部２及びモータ制御部３から構成されている。
【０００９】
前記アクチュエーター１は、ステッピングモータ１０と、このステッピングモータ１０の回転が伝達されるボルト部１１と、このボルト部１１の回転により昇降されるナット部１２と、このナット部１２の昇降をガイドするガイド部１３と、このガイド部１３とナット部１２間に設けられたリニアガイド機構１４から構成されている。
【００１０】
前記ボルト部１１とナット部１２は、ボールねじが用いられ、ナット部１２の円滑な昇降が可能となっている。
前記リニアガイド機構１４は、図２に示したように、ガイド部１３とナット部１２間に必要不可欠なクリアランスにボールベアリング１２０を配置したもので、ナット部１２の昇降を妨げることなく、ナット部１２の昇降時のガタを防止する。
また、この前記リニアガイド機構１４を構成する前記ガイド部１３側には、溝１３０が形成され、図２に示したように、この溝１３０をナット部１２のボールベアリング１２０が摺動するため、前記ガイド部１３が前記ナット部１２の回転を拘束できる。その結果、前記ナット部１２がその回転を前記ガイド部１３により拘束させつつ昇降できるようになっている。
なお、符号「１５」は、連動部を構成する出力軸である。
【００１１】
前記ステッピングモータ１０に対する回転の制御は、前記制御用ＰＣ部２が各種指令信号を前記モータ制御部３に出力し、その信号に基づき前記モータ制御部３が前記モータ１０に動作信号を出力することにより行われる。
【００１２】
前記ステッピングモータ１０は、その一回転を５００分割することで、１ステップで２ミクロン、さらに分割して１ミクロン毎に、前記連動部１５を前進、後進させることができるものを用いる。
【００１３】
前記制御用ＰＣ部２は、図３に示したように、図示しないキーボート、マウス等の入力装置からの信号のインターフェースとなる動作量入力ユーザインターフェース２０と、プログラムを格納したメモリ手段及びそのプログラムを実行するＣＰＵ、演算結果を一時的に保存するレジスタ等から構成される動作量演算部２１と、前記アクチュエーター１の動作位置等をディスプレイ等に表示する動作位置表示部２２とからなる。
【００１４】
前記動作位置表示部２２によって表示される表示例を図４に示す。
この表示例では、ディスプレイの画面上、その上部に前記アクチュエーター１の出力端（連動部）１５の現在位置を表示する表示欄２２０が設けられている。ここで現在位置とは、前記出力端（連動部）１５の初期位置を起点とした場合の移動距離を示している。
また、左上部に前記アクチュエーター１の動作速度を表示する表示欄２２１、右上部に前記アクチュエーター１の出力端１５の動作量を表示する表示欄２２２が設けられている。
前記表示欄２２１には前記動作速度を調整するための矢印ボタン、前記表示欄２２２には前記動作量を調整するための矢印ボタンが表示される。よって、診断等の対象となる組織、部位に応じて、アクセスの速度、距離を調整し、例えば、ミクロン単位で前記連動部１５の前進、後退を制御できる。
【００１５】
また、前記アクチュエーター１の連動部１５の前進ボタン２２３、後退ボタン２２４、原点（起点）に戻すボタン２２５、緊急停止ボタン２２６が表示される。
【００１６】
前記モータ制御部３は、図３に示したように前記動作量演算部２１からの信号を解析する信号解析部３０、この信号解析部３０からの信号に基づき前記ステッピングモータ１０に動作電流信号を出力するステッピングモータ制御部３１、この制御部３１からの信号に基づき、前記動作量演算部２１に動作完了信号を出力する信号発信部３２からなる。
【００１７】
上記構成において、マウス等で表示欄２２１の矢印ボタンにより動作速度が調整され、また前記表示欄２２２の矢印ボタンにより動作量が調整され、前記各ボタン２２３〜２２６がクリックされると、その信号が前記インターフェース２０を介して前記動作量演算部２１に出力される。この演算部２１で動作命令信号が生成されるとともに、前記モータ制御部３の信号解析部３０に入力され、その解析信号がステッピングモータ制御部３１に送られる。そして、その制御部３１が前記モータ１０に動作信号を送り、モータ１０を回転させる。
一方、前記ステッピングモータ制御部３１は、前記動作信号を前記信号発信部３２にも送出されており、この信号に基づき信号発信部３２は、前記動作量演算部２１に動作完了信号を送る。その結果、前記動作位置表示部２２がディスプレイ上の前記表示欄２２０に現在位置を表示する。
【００１８】
次に、前記プログラムのフローチャートにつき、図５及び図６に基き説明する。
前記制御用ＰＣ２がオンされ、プログラムが起動されると、まずステップ１で、モータ制御部３と制御用ＰＣ２間の通信テストが行われる。
次のステップ２において、この通信テストが良好か否かがで判断され、良好でなければ、ステップ３に進みディスプレイ等に警告が表示され、ステップ４に進むが、良好であればそのままステップ４に進み処理が終了したか否かが判断される。
このステップ４において、Ｎｏと判断されれば、ステップ５において、モータ制御処理に進み、一方、Ｙｅｓと判断されれば、このメインルーチンを終了する。
【００１９】
次に、前記モータ制御処理のサブルーチン（図６）につき説明する。
上述のように、このモータ制御処理は、メインルーチンが終了するまで、繰り返し行われるもので、ステップ１００でアクチュエーターの動作方向（前後）、距離、速度が入力されると、ステップ１０１に進み、回転方向、角度、速度が計算される。
次に、ステップ１０２に進み、モータの動作ステップ数が計算され、ステップ１０３に進み、前記モータ制御部３へ動作命令信号を出力させ、ステップ１０４に進む。
【００２０】
このステップ１０４では、動作完了信号を受信したか否かが判断され、Ｎｏであれば、その動作完了信号を受信するまで、その処理を繰り返す。
一方、前記ステップ１０４において、動作完了信号が受信されたと判断された場合には、ステップ１０５に進み、動作距離から出力軸１５の位置を計算し、ステップ１０６に進み、ディスプレイ上に前記現在位置で出力軸１５の位置を表示させる処理を行った後、このモータ制御処理を終了する。
その後、前記ステップ４に戻る。
【００２１】
以上のアクチュエーター装置によれば、ディスプレイの操作画面上において、アクチュエーター１の動作量をミクロン単位で調整することができ、また現在位置もミクロン単位で把握できる。よって、従来の手作業による調整によっては達成不可能な微細な調整が可能になる。しかも、アクチュエーター装置の連動部が、高い推進力（高トルク）により、目標とする部位、組織に確実に到達することで、治療対象外の正常な組織、部位を保護することができる。
【００２２】
［カテーテルに応用するアクチュエーター装置］
このアクチュエーター装置は、図７に示したように、前記基本構成の制御用ＰＣ部に対して、入力装置としてジョイスティック４を接続し、前記モータ制御部３に第１のアクチュエーター１Ａと、第２のアクチュエーター１Ｂを接続し、各出力軸１５，１５にそれぞれワイヤ５、５の一端を取付ける。
これらのワイヤ５，５の他端は、カテーテル６に通されてカテーテル６の先端に固定されている。
また、カテーテル６に通された治療器具７をカテーテル６の先端に臨ませることができるようになっている。
この治療器具７は、例えば先端にレンズを取付けた内視鏡等、薬を塗布するブラシ、バルーン等である。
【００２３】
上記構成に対応させた構成ブロック図は、図８のように前記ジョイスティック４からの信号は、制御用ＰＣ部２の信号解析部２３に出力される。
また、ステッピングモータ制御部として、第１のアクチュエーター１Ａに対応させるステッピングモータ制御部３１Ａと、第２のアクチュエーター１Ｂに対応させたステッピングモータ制御部３１Ｂを設けている。
【００２４】
また、フローチャート図においては、図９に示したメインルーチンのように、ステップ１においてジョイスティック４が接続されているか否かの判断が行われ、ステップ２において警告表示が行われて、ステップ３に進むが、接続されていれば、そのままステップ３に進み、このステップ３以下において、前述の図５に示したステップ１以下の処理と同様の処理が行われる。
また、図１０に示したモータ制御処理に移行した場合には、ステップ１００において前記ジョイスティック４で動作方向が入力されるとステップ１０１に進み、レバーを倒した方向と時間により動作速度を計算し、ステップ１０２に進む。
このステップ１０２において、前記第１のアクチュエーター１Ａと第２のアクチュエーター１Ｂの各モータについて回転方向、角度、速度が計算され、ステップ１０３に進み、各モータの動作ステップ数が計算され、ステップ１０４に進む。
このステップ１０４以下においては、前述の図６に示したステップ１０３以下の処理と同様の処理が行われる。
【００２５】
より、詳細な具体的使用例を示せば、以下の通りである。
準備として、前記カテーテル６にカメラ、治療処置に応じた各種器具を取り付ける。
まず、手作業でカテーテル６を人体の血管等に挿入し、その先端部を患部付近まで送り出す。カテーテル６の先端が患部に近づいたら、前記カメラからの画面により、前記アクチュエーター装置を操作する。
即ち、前記ジョイスティック４の操作により、カテーテル６の先端を患部に停止させ、カテーテル６の先端に取り付けた治療機器により、薬剤の投与、検査、血栓や腫瘍の吸い取り、切開などを行う。
【００２６】
以上のアクチュエーター装置によれば、上述の基本構成の作用効果に加え、カメラによる目視に加え、カテーテル６の先端の位置を正確に把握できる。
また前記カテーテル６の先端に血管壁の検査用センサを取付けて、センサを移動させる血管の検査に利用してもよい。
【００２７】
なお、前記第１のアクチュエーター１Ａと、第２のアクチュエーター１Ｂは、図示しない治具等によりクランプするようにしてもよいし、医師等が把持するようにしもよい。また、前記ワイヤ５の本数は２本に限定されるものではなく、また前記ワイヤの本数に応じてアクチュエーターを用意すればよい。
【００２８】
［リハビリに応用するアクチュエーター装置］
このアクチュエーター装置は、従来、骨折した患者のリハビリ時には、関節の可動範囲を１日当り数ミリ毎に広げて動かすようなリハビリが行われており、このような手法が患者に苦痛を与えていることに鑑みなされたものである。
即ち、図１１に示したように、前記基本構成のアクチュエーター１の出力軸１５側又はモータ１０側と人体の所定部位間に、所定の調整部１０Ａ、１５Ａを設ける。これらの調整部は、例えばパッド等で患者の違和感を緩和するものであればどのようなものでも良い。
なお、骨折した個所の関節を引っ張る場合には、例えば人体に掛けるリング状の調整部を用いればよい。
【００２９】
このリハビリに応用するアクチュエーター装置では、図１２の構成ブロック図のように制御用ＰＣ部２にタイマ２４とステッピングモータ制御部３１を組み込んでいる。
このタイマ２４は、前記アクチュエーター１の動作時間を設定するもので、医師等が入力してもよいし、患者自体が入力してもよい。
【００３０】
上記構成に対応させて、図１３に示したプログラムの流れ図では、ステップ１０において一日当りのアクチュエーター１の動作量が、動作量入力部４Ａとしてのキーボード等から入力される。
ここでも、医師等が入力してもよいし、患者自体が入力してもよい。
次に、ステップ２０に進み、一日当りの動作量に変更があるか否かが判断され、変更があればステップ３０、ステップ４０で順次、動作時間間隔が計算され設定され、タイマが設定されてステップ５０に進む。一方、前記ステップ２０において変更がなければ、そのままステップ５０に進む。
このステップ５０では、前記設定時間が経過したか否かが判断され、
時間が経過していなければ、上記ステップ１０以降の処理が繰り返され、一方、時間が経過していれば、ステップ６０に進み前記モータ１０への動作信号が出力される。これによって、前記ステップ１０で入力された動作量だけアクチュエーター１が動作する。
その後、ステップ７０に進み動作距離がディスプレイ上等で表示され、ステップ８０に進み、処理が終了したか否かが判断され、否であればステップ１０以降の処理が繰り返され、一方、時間が経過していれば、この処理を終了する。
【００３１】
以上のアクチュエーター装置によれば、骨折した患者のリハビリ時に、骨折した個所の関節にアクチュエーター１を配置し、微小な動作単位毎に動作させることで、患者の苦痛を緩和させることができる。
また上述のように、患者自身が動作量、動作時間を設定できるので、患者の挑戦する意欲を引き出すことができる。
【００３２】
［手術に応用するアクチュエーター装置］
このアクチュエーター装置は、図１４に示したように上述の図７に示した構成と略同一であり、両者が相違する点は、一本のアクチュエーター１を用いている点、前記出力軸１５にドリル７を取付けている点である。
また、図１５に示したように、このアクチュエーター装置の構成ブロックは、上述の図３及び図８に示した構成と略同一であるので、詳細な説明は省略する。
さらに、図１６、図１７に示したように、このアクチュエーター装置のプログラム流れ図も、上述の図９及び図１０に示した流れ図と略同一であるので、詳細な説明は省略する。
【００３３】
この手術に応用するアクチュエーター装置は、次のような効果を奏する。
従来、実験動物の手術は、術者の手によって行われてきており、それらの動物はマウスやラット等、体が小さなものが多く、豊富な経験が必要であったが、このアクチュエーター装置によって、術者の経験に左右されずに、手術できる。
【００３４】
詳細な具体的使用例を示せば、以下の通りである。
準備として、前記出力端１５に手術用ドリル７を取り付ける。
実験用動物は、超音波診断装置等で観察しつつ、手術の状況をモニターする。
術者は超音波診断装置等からの情報を見ながら、前記ジョイスティック４等を操作し、対象外の組織等を傷つけないように手術する。
【００３５】
［ヘルニア処置に応用するアクチュエーター装置］
ヒトの手術時にセンサーやカテーテル、微小カメラ、切開ならびに摘出器具を取り付けたアクチュエータを微小血管やヘルニア炎、さらには血管壁、内臓等の炎症、疾患部に到達させモニターを見ながら適切な処置が可能となる。
【００３６】
本発明にかかるアクチュエーター装置は、ナノメータ（１０^−９）オーダーの微小距離におけるｐｕｓｈ−ｐｕｌｌの動作を可能とするもので、上述の医療機器等に限定されることなく、その他、注射器、穿孔器、小型カメラ等を取付けることもでき、マイクロオペレーションの可能性を高めることができる。
また、アクチュエーター装置は、万年筆程度のサイズにすることもでき、移動型から固定型まで広く応用することができる。
【００３７】
【発明の効果】
本願発明によれば、ミリオン単位で調整可能、かつ、高推進力のアクチュエーターが、回転制御手段によって制御されることで、前記連動部が動作され、従来の手作業による調整によっては達成不可能な、マイクロメートル（ミクロン）単位の連動部の微調整ができる。
よって、カテーテル用のアクチュエーター、手術用のアクチュエーター、リハビリ用のアクチュエーター、ヘルニア治療用のアクチュエーター、血管検査用等のアクチュエーターのほか、本発明の範囲内で、各種医療分野、医療に関連する研究分野等で利用できるアクチュエーター装置に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態にかかるアクチュエーター装置の構成概略図、
【図２】同装置の要部構成概略図、
【図３】同装置の構成ブロック図、
【図４】同装置の要部構成概略図、
【図５】同装置のプログラム流れ図、
【図６】同装置のプログラム流れ図、
【図７】別例アクチュエーター装置の構成概略図、
【図８】同装置の構成ブロック図、
【図９】同装置のプログラム流れ図、
【図１０】同装置のプログラム流れ図、
【図１１】別例アクチュエーター装置の構成概略図、
【図１２】同装置の構成ブロック図、
【図１３】同装置のプログラム流れ図、
【図１４】別例アクチュエーター装置の構成概略図、
【図１５】同装置の構成ブロック図、
【図１６】同装置のプログラム流れ図、
【図１７】同装置のプログラム流れ図である。
【符号の説明】
１ １Ａ １Ｂ アクチュエーター ２ 制御用ＰＣ部
３ モータ制御部 １０ ステッピングモータ
４ ジョイスティック ５ ワイヤ
６ カテーテル ７ ドリル
１１ ボルト部 １２ ナット部
１３ ガイド部 １４ リニアガイド機構
１２０ ボールベアリング １５ 連動部
１０Ａ １５Ａ 調整部
２０ 動作量入力ユーザインターフェース
２１ 動作量演算部 ２２ 動作位置表示部
２２０ ２２１ ２２２ 表示欄
２２３ ２２４ 前進ボタン ２２５ 原点に戻しボタン
２２６ 緊急停止ボタン ３０ 信号解析部
３１ ステッピングモータ制御部
３２ 信号発信部

Claims (6)

1. ステッピングモータと、このステッピングモータの回転が伝達されるボルト部と、このボルト部の回転により昇降するナット部と、このナット部の昇降をガイドするガイド部と、このガイド部と前記ナット部間に設けられたリニアガイド機構を備えたアクチュエーターを用い、
   前記ステッピングモータ側に、その回転を制御する回転制御手段を接続し、一方、前記ナット部に、その昇降に連動する連動部を接続したことを特徴とするアクチュエーター装置。
2. 前記連動部には、カテーテルの操作用のワイヤが取付けられていることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエーター装置。
3. 前記連動部には、手術用のドリルが取付けられていることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエーター装置。
4. 前記連動部には、リハビリ用の調整部が取付けられていることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエーター装置。
5. 前記連動部には、ヘルニア治療用の切開ならびに摘出器具が取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエーター装置。
6. 前記連動部には、血管壁や血管の内部検査、血管性疾患ならびに微小血管炎の治療用にカテーテルや触覚センサーが取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエーター装置。

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