JP2008064507A - 可撓性線状体に作用する力の計測装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】管の中へ挿入される線状体を操作するときに、管内部における障害物の存在を管外部において検知できる、かつ種々の形状や材質を有する線状体に適用できる、装置および方法を提供する。
【解決手段】この計測装置では、管の中へ挿入される線状体１を操作し、線状体１が管内部における障害物に接触し線状体１に長手軸方向の力Ｐ１が作用するとき、線状体１が貫通孔３の内壁の湾曲形状に形成された部位を押圧する作用力Ｆ１をセンサ７で検出できる。そして、検出される作用力Ｆ１を、予め決定された作用力Ｆ１と線状体１に作用する力Ｐ１との相関関係に基づき、線状体１に作用する長手軸方向の力Ｐ１に変換する。これにより、線状体１に作用する力Ｐ１の増加から管内部における障害物の存在を検知することができる。さらに、同一の計測装置を種々の形状や材質を有する線状体１に適用できるので、経済的である。
【選択図】図３

Description

この発明は、力の計測装置および方法に関し、特に、可撓性を有する線状体に作用する力の計測装置および方法に関する。

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、消化管もしく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、または、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。これらの線状体を体内の管の中へ挿入し、体外からの操作によって目的部位まで誘導する。

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、管内部における障害物の存在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装置として、線状体の先端に圧力センサを設ける装置が提案されている（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、線状体の先端に圧力センサを設ける装置は、特に極細の線状体については実現性に困難を伴う。たとえば脳血管に挿入するガイドワイヤの場合、その直径は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に、線状体の中に配線を挿通するのは、さらなる困難を要する。

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、線状体を操作するときの抵抗は、管との摩擦の影響を受ける。よって、線状体の先端に設ける圧力センサの出力と、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る装置を用いる場合においても、操作者が外部において指先で把持した線状体に作用する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。その上、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経験の少ない操作者へ伝授するのは困難である。

さらに、異なる用途に適応するための種々の形状や材質を有する線状体を用意し、それぞれに圧力センサを設けることは、不経済であり、製造コストの増大を招く。

それゆえに、この発明の主たる目的は、管の中へ挿入される線状体を操作するときに、管内部における障害物の存在を管外部において検知できる、かつ種々の形状や材質を有する線状体に適用できる、装置および方法を提供することである。

この発明に係る計測装置は、可撓性を有する線状体に作用する長手軸方向の力を計測する計測装置であって、線状体が貫通する貫通孔が形成される本体を備える。貫通孔は、本体の内部において湾曲形状に形成された部分を含む。また、線状体に力が作用するとき、線状体が貫通孔の内壁の湾曲形状に形成された部分の所定部位を押圧する作用力を検出するセンサを備える。また、検出される作用力を、線状体に作用する力へ変換する、変換回路を備える。

この場合は、管の中へ挿入される線状体を操作し、線状体が管内部における障害物に接触し線状体に長手軸方向の力が作用するとき、線状体が貫通孔の内壁の湾曲形状に形成された部分の所定部位を押圧する作用力をセンサで検出できる。そして、検出される作用力を、予め決定された作用力と線状体に作用する力との相関関係に基づき、線状体に作用する長手軸方向の力に変換する。これにより、線状体に作用する力の増加から管内部における障害物の存在を検知することができる。このとき、線状体が挿入される管の外部における線状体の操作を行なう位置に計測装置を設け、線状体に作用する長手軸方向の力を計測するので、先端に圧力センサを設けることが困難な極細の線状体についても、線状体に作用する力を定量的に計測することができる。さらに、同一の計測装置を種々の形状や材質を有する線状体に適用できるので、これまで使用してきた線状体をそのまま使用することができ、経済的である。

好ましくは、上記力は、線状体に作用する長手軸方向の圧縮力である。そして、線状体に圧縮力が作用するとき、センサは、線状体が貫通孔の内壁の湾曲形状に形成された部分の外側（湾曲形状に形成された部分の外周側、または、貫通孔の延在方向を含む本体の断面において貫通孔の湾曲形状に形成された部分の内壁が、貫通孔から本体外側に向かう方向に凸形状となっている側）を押圧する、作用力を検出する。この場合は、線状体に長手軸方向の圧縮力が作用するとき、貫通孔の内部において線状体が湾曲しようとする力が、貫通孔の内壁の湾曲形状に形成された部分の外側（つまり所定部位）を押圧する作用力となる。この作用力をセンサで検出できる。そして、検出される作用力を、予め決定された作用力と線状体に作用する圧縮力との相関関係に基づき、線状体に作用する長手軸方向の圧縮力に変換する。これにより、線状体に作用する圧縮力の増加から管内部における障害物の存在を検知することができる。

線状体に長手軸方向の圧縮力が作用するとき、線状体が直線状態であれば、線状体は座屈するまで長手軸方向以外へ変形することはない。この発明の計測装置では、貫通孔が本体の内部において湾曲形状に形成された部分を含み、線状体が貫通孔を貫通すると湾曲形状となる。そのために、線状体に長手軸方向の微小な圧縮力が作用する場合においても、線状体は、貫通孔の内部において湾曲しようとする力によって、貫通孔の内壁の湾曲形状に形成された部分の外側を押圧する。したがって、貫通孔の内壁の湾曲形状に形成された部分の外側にセンサを配置することにより、線状体が貫通孔の内壁を押圧する作用力を確実に検出できる。検出される作用力を変換することにより、線状体に作用する長手軸方向の圧縮力を確実に計測することができる。

また好ましくは、上記力は、線状体に作用する長手軸方向の引張力である。そして、線状体に引張力が作用するとき、センサは、線状体が貫通孔の内壁の湾曲形状に形成された部分の内側（湾曲形状に形成された部分の内周側、または、貫通孔の延在方向を含む本体の断面において貫通孔の湾曲形状に形成された部分の内壁が、本体外側から貫通孔に向かう方向に凸形状となっている側）を押圧する、作用力を検出する。この場合は、線状体に長手軸方向の引張力が作用するとき、貫通孔の内部において線状体が直線状に変形しようとする力が、貫通孔の内壁の湾曲形状に形成された部分の内側（つまり所定部位）を押圧する作用力となる。したがって、貫通孔の内壁の湾曲形状に形成された部分の内側にセンサを配置することにより、線状体が貫通孔の内壁を押圧する作用力を確実に検出できる。検出される作用力を変換することにより、線状体に作用する長手軸方向の引張力を確実に計測することができる。

また好ましくは、上記センサは、歪センサを含む。この場合は、歪センサの歪量を検知することにより、線状体が貫通孔の内壁を押圧する作用力を検出できる。検出される作用力を変換することにより、線状体に作用する長手軸方向の力を確実に計測することができる。

この発明に係る計測装置は、可撓性を有する線状体に作用する長手軸方向の力を計測する計測装置であって、線状体が貫通する貫通孔が形成される本体を備え、貫通孔は、本体の内部において湾曲形状に形成された部分を含む。また、線状体に長手軸方向の圧縮力が作用するとき、線状体が貫通孔の内壁の湾曲形状に形成された部分の外側を押圧する、作用力を検出するセンサを備える。また、線状体に長手軸方向の引張力が作用するとき、線状体が貫通孔の内壁の湾曲形状に形成された部分の内側を押圧する、他の作用力を検出する他のセンサを備える。また、センサにより検出される作用力を圧縮力へ変換し、他のセンサにより検出される他の作用力を引張力へ変換する、変換回路を備える。

この場合は、線状体に長手軸方向の圧縮力が作用するとき、貫通孔の内部において線状体が湾曲しようとする力が、貫通孔の内壁の湾曲形状に形成された部分の外側を押圧する作用力となる。よって、貫通孔の内壁の湾曲形状に形成された部分の外側にセンサを配置することにより、線状体が貫通孔の内壁を押圧する作用力を確実に検出できる。検出される作用力を変換することにより、線状体に作用する長手軸方向の圧縮力を確実に計測することができる。また、線状体に長手軸方向の引張力が作用するとき、貫通孔の内部において線状体が直線状に変形しようとする力が、貫通孔の内壁の湾曲形状に形成された部分の内側を押圧する他の作用力となる。よって、貫通孔の内壁の湾曲形状に形成された部分の内側に他のセンサを配置することにより、線状体が貫通孔の内壁を押圧する他の作用力を確実に検出できる。検出される他の作用力を変換することにより、線状体に作用する長手軸方向の引張力を確実に計測することができる。したがって、センサと他のセンサとを備えることにより、線状体に作用する長手軸方向の圧縮力と引張力とのいずれをも計測できる、計測装置を提供することができる。

好ましくは、上記センサと、上記他のセンサとの少なくともいずれか一方は、歪センサを含む。この場合は、歪センサの歪量を検知することにより、線状体が貫通孔の内壁を押圧する作用力を検出できる。検出される作用力を変換することにより、線状体に作用する長手軸方向の力を確実に計測することができる。

また好ましくは、歪センサは、弾性体によって保持される。この場合は、弾性体によって歪センサを保持することにより、線状体が貫通孔の内壁を押圧する作用力に対する歪センサの変形量を大きくして、歪センサの感度を向上させている。そして、線状体が貫通孔の内壁の所定部位を押圧するとき、弾性体の弾性変形によって生じる歪量を歪センサで検知することにより、線状体が貫通孔の内壁の所定部位を押圧する作用力を検出することができる。また、線状体に作用する長手軸方向の力が除かれると、弾性体が元の形状に戻ることにより、歪センサで検知する歪量も元へ戻る。したがって、線状体が貫通孔の内壁の所定部位を繰返し押圧する場合においても、作用力に応じた歪量を、歪センサで精度よく検知することができる。

また好ましくは、歪センサは、金属、半導体および光ファイバグレーティングのいずれかを利用して歪量を検知する歪ゲージである。この場合は、線状体が貫通孔の内壁の所定部位を押圧する作用力によって、金属もしくは半導体である歪ゲージが変形し電気抵抗が変化する。または、光ファイバグレーティングにおいて歪によりブラッグ反射波長が変化する。これを利用して歪量を検知し、作用力を検出できる。検出される作用力を変換することにより、線状体に作用する長手軸方向の力を確実に計測することができる。

好ましくは、上記線状体は、体内の管の中へ挿入される線状の医療器具である。この場合は、線状体に作用する長手軸方向の力の増加を計測することによって、線状体が管の内壁に接触することを検知することができる。したがって、体内の管に過大な荷重が作用することを防止することができる。

また好ましくは、上記計測装置は、変換回路の出力を表示する視覚化器具と、変換回路の出力の変化を音声に変換する聴覚化器具との、少なくともいずれか一方を備える。この場合は、操作者の力覚を定量化して表示でき、さらに記録することができるので、熟練操作者の手技を定量的に経験の少ない操作者へ伝授することができる。また、線状体に作用する力が予め定められたしきい値以上となるときに、操作者が確実に認識することができる。

また好ましくは、上記計測装置は、医療機器に組み込まれて使用される。たとえばＹコネクタに組み込まれて使用される場合は、Ｙコネクタの入力ポートから線状体を操作し、また他の入力ポートから薬剤を注入することができる。

また好ましくは、上記計測装置は、人体を模擬する訓練用シミュレータに取付けられて使用される。この場合は、熟練操作者の手技を定量化し、経験の少ない操作者へ定量的な手技の伝授をすることができる。したがって、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。

この発明に係る計測方法は、可撓性を有する線状体に作用する長手軸方向の力を計測する計測方法である。本体の内部において湾曲形状に形成された部分を含むように形成される貫通孔を貫通する線状体に、長手軸方向の力が作用するとき、線状体が貫通孔の内壁の所定部位を押圧する作用力をセンサによって検出する工程を備える。また、検出する工程において検出される作用力を、予め決定された作用力と線状体に作用する力との相関関係に基づき、線状体に作用する長手軸方向の力へ変換する工程を備える。

この場合は、管の中へ挿入される線状体を操作し、線状体が管内部における障害物に接触し線状体に長手軸方向の力が作用するとき、線状体が貫通孔の内壁の湾曲形状に形成された部分の所定部位を押圧する作用力をセンサで検出できる。そして、検出される作用力を、予め決定された作用力と線状体に作用する力との相関関係に基づき、線状体に作用する長手軸方向の力に変換する。これにより、線状体に作用する力の増加から管内部における障害物の存在を検知することができる。

好ましくは、検出する工程において、線状体に長手軸方向の圧縮力が作用するとき、線状体が貫通孔の内壁の湾曲形状に形成された部分の外側を押圧する作用力をセンサによって検出する。また、変換する工程において、作用力を、予め決定された作用力と圧縮力との相関関係に基づき、線状体に作用する圧縮力へ変換する。この場合は、線状体に長手軸方向の圧縮力が作用するとき、貫通孔の内部において線状体が湾曲しようとする力が貫通孔の内壁の湾曲形状に形成された部分の外側を押圧する作用力となる。この作用力をセンサで検出できる。そして、検出される作用力を、予め決定された作用力と線状体に作用する圧縮力との相関関係に基づき、線状体に作用する長手軸方向の圧縮力に変換する。これにより、線状体に作用する圧縮力の増加から管内部における障害物の存在を検知することができる。

また好ましくは、検出する工程において、線状体に長手軸方向の引張力が作用するとき、線状体が貫通孔の内壁の湾曲形状に形成された部分の内側を押圧する作用力をセンサによって検出する。また、変換する工程において、作用力を、予め決定された作用力と引張力との相関関係に基づき、線状体に作用する引張力へ変換する。この場合は、線状体に長手軸方向の引張力が作用するとき、貫通孔の内部において線状体が直線状に変形しようとする力が貫通孔の内壁の湾曲形状に形成された部分の内側を押圧する作用力となる。この作用力をセンサで検出できる。そして、検出される作用力を、予め決定された作用力と線状体に作用する引張力との相関関係に基づき、線状体に作用する長手軸方向の引張力に変換する。これにより、線状体に作用する引張力の増加から管内部における障害物の存在を検知することができる。

以上のように、この発明に係る計測装置では、管の中へ挿入される線状体を操作し、線状体が管内部における障害物に接触し線状体に長手軸方向の力が作用するとき、線状体が貫通孔の内壁の湾曲形状に形成された部分の所定部位を押圧する作用力をセンサで検出できる。そして、検出される作用力を、予め決定された作用力と線状体に作用する力との相関関係に基づき、線状体に作用する長手軸方向の力に変換する。これにより、線状体に作用する力の増加から管内部における障害物の存在を検知することができる。さらに、同一の計測装置を種々の形状や材質を有する線状体に適用できるので、これまで使用してきた線状体をそのまま使用することができ、経済的である。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない。

（実施の形態１）
図１は、この発明の実施の形態１の計測装置本体の外観を示す模式図である。図１において、可撓性を有する線状体に作用する長手軸方向の力を計測するこの計測装置は、計測装置本体２を備え、計測装置本体２には可撓性を有する線状体１が貫通する貫通孔３が形成される。計測装置本体２は、湾曲部４において湾曲している。

図２は、図１に示す計測装置本体の内部の構造を示す断面模式図である。図３は、線状体に長手軸方向の圧縮力が作用するときの、計測装置内部における線状体の状態を示す断面模式図である。図２において、貫通孔３は、線状体１が貫通する出入口を大きくして挿入性を向上させるために、出入口にテーパ状の入出力ポート５を形成する。計測装置本体２の内部において、貫通孔３の直径は線状体１の直径よりもわずかに大きい（たとえば線状体１の直径の１０５％〜１２０％）。よって線状体１は、計測装置本体２の内部において、長手軸方向以外への動作を拘束される。なお、入出力ポート５において、貫通孔３の紙面と垂直方向の高さは線状体１の直径よりもわずかに大きく（たとえば線状体１の直径の１０５％〜１２０％）、線状体１に対して紙面と垂直方向の動作を拘束している。すなわち、入出力ポート５において、線状体１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、長方形状である。

計測装置本体２は、線状体１に長手軸方向の圧縮力が作用するときに、貫通孔３の内壁において線状体１が押圧する部位を規定する。すなわち、貫通孔３は計測装置本体２の内部において、計測装置本体２の湾曲部４を頂点とした湾曲形状に形成された部分を含む。線状体１は貫通孔３の湾曲形状に形成された部分を曲がりながら貫通している。歪センサ７は、貫通孔３の内壁の湾曲形状に形成された部分の外側（湾曲形状に形成された部分の外周側）に、２つの弾性体８の間に配置される。歪センサ７は弾性体８によって、挟まれるように保持される。歪センサ７が弾性体８によって保持されるため、線状体１に長手軸方向の圧縮力が作用し、その後圧縮力が除かれると、弾性体８が元の形状に戻ることにより、歪センサ７で検知する歪量も元へ戻る。よって、線状体１が貫通孔３の内壁を繰返し押圧する場合においても、作用力に応じた歪量を、歪センサで精度よく検知することができる。なお、歪センサ７には、金属により作製され、電気抵抗の変化により歪量を検知できる歪ゲージを用いることができる。

そして、図３に示すように、線状体１に長手軸方向の圧縮力Ｐ１が作用するとき、貫通孔３の直径は線状体１の直径よりもわずかに大きく、また線状体１は貫通孔３を曲がりながら貫通しているために、線状体１に長手軸方向の微小な圧縮力が作用する場合においても、線状体１は、貫通孔３の内部において湾曲しようとする。線状体１は、貫通孔３の内壁の湾曲形状に形成された部分の外側に接触した後に、当該内壁を押圧する。すなわち、線状体１に長手軸方向の圧縮力Ｐ１が作用するとき、貫通孔３の内部において線状体１が湾曲しようとする力が作用力Ｆ１となり、線状体１は貫通孔３と歪センサ７との間の弾性体８を押圧し、当該弾性体８に弾性変形を生じさせる。当該弾性体８の弾性変形によって歪が発生し、発生した歪量を歪センサ７が検知する。歪量を検知することにより、貫通孔３の内壁の湾曲形状に形成された部分の外側を線状体１が押圧する作用力Ｆ１を、確実に検出できる。検出される作用力Ｆ１を、予め決定された作用力Ｆ１と線状体１に作用する圧縮力Ｐ１との相関関係に基づき、線状体１に作用する長手軸方向の圧縮力Ｐ１に変換する。これにより、線状体１に作用する長手軸方向の圧縮力Ｐ１を確実に計測することができ、線状体１に作用する圧縮力Ｐ１の増加から、管内部における障害物の存在を検知することができる。なお、貫通孔が湾曲形状に形成された部分を含まず直線形状であると、線状体１が貫通孔を貫通するとき直線形状となり、線状体１は湾曲形状とならない。そして、線状体１に長手軸方向の圧縮力が作用しても、線状体１は座屈するまで長手軸方向以外へ変形することはない。そのため、座屈荷重未満の圧縮力を計測することができない。したがって、貫通孔３は湾曲形状に形成された部分を含む必要がある。

このとき、線状体１が挿入される管の外部にある線状体１の操作を行なう位置に計測装置本体２を設け、線状体１に作用する長手軸方向の圧縮力を計測するので、先端に圧力センサを設けることが困難な極細の線状体１についても、線状体１に作用する長手軸方向の圧縮力を定量的に計測することができる。なお、図３においては、貫通孔３と歪センサ７との間に弾性体８が配置され、線状体１に長手軸方向の圧縮力Ｐ１が作用するとき線状体１は弾性体８を押圧しているが、貫通孔３の内壁の線状体１が押圧する部位には、たとえば金属などの、作用力Ｆ１によってほとんど変形を生じない材料（たとえば弾性体８よりも硬質の材料）を配してもよい。また、貫通孔３の内壁に歪センサ７が直接露出し歪センサ７と線状体１とが接触する構成としてもよい。また貫通孔３から向かってその歪センサ７の後方側のみに弾性体を配置してもよい。

次に、計測装置の具体的な動作を示す。図４は、計測装置の全体構成を示す模式図である。図４において、この計測装置は、計測装置本体２のほかに、歪センサ７の出力を増幅する増幅回路１１を備える。また、歪センサ７が検知する歪量によって検出される、貫通孔３の内壁の湾曲形状に形成された部分の外側を線状体１が押圧する作用力を、線状体１に作用する長手軸方向の圧縮力へ変換する、変換回路１２を備える。

図５は、線状体に作用する圧縮力の計測方法を示す流れ図である。図５を参照しながら、線状体１を管の中に挿入し管外部から操作するとき、線状体１が管の内壁に接触することによって、線状体１に作用する圧縮力を計測する方法について説明する。まず工程（Ｓ１１）において、管の中に挿入される線状体１を、管へ挿入する方向に、管外部から操作する。次に工程（Ｓ１２）において、線状体１（たとえば線状体１の先端）が、管の内壁に接触する。次に工程（Ｓ１３）において、線状体１を管の中にさらに挿入するために管外部から線状体１を操作するとき、線状体１は管の内壁に接触しているので、線状体１の動作が拘束される。そのため線状体１の長手軸方向に圧縮力Ｐ１が作用する。次に工程（Ｓ１４）において、圧縮力Ｐ１の作用によって、湾曲形状に形成された部分を含む貫通孔３の内部において、線状体１が湾曲しようとする力が生じる。その力が貫通孔３の内壁の湾曲形状に形成された部分の外側を押圧する作用力Ｆ１となり、線状体１は、貫通孔３の内壁の湾曲形状に形成された部分の外側を押圧する。次に工程（Ｓ１５）において、貫通孔３の内壁の湾曲形状に形成された部分の外側を線状体１が押圧する作用力Ｆ１を、貫通孔３の内壁の湾曲形状に形成された部分の外側に配置された歪センサ７が検知する歪量によって、検出する。次に工程（Ｓ１６）において、予め決定された作用力Ｆ１と線状体１に作用する圧縮力Ｐ１との相関関係に基づき、作用力Ｆ１を線状体１に作用する長手軸方向の圧縮力Ｐ１へ変換する。次に工程（Ｓ１７）において、作用力Ｆ１からの変換によって得られる圧縮力Ｐ１を出力する。

線状体１の形状や、材質すなわちヤング率が異なると、同一の圧縮力が作用するときの線状体１の湾曲しようとする力が異なるため、線状体１が貫通孔の内壁を押圧する作用力が異なる。したがって、形状や材質の異なる複数の線状体１を使用する場合においては、使用する線状体１が貫通孔の内壁を押圧する作用力と線状体１に作用する長手軸方向の圧縮力との相関関係を予め計測し、これらの相関関係を変換回路１２に記憶しておく。そして計測装置は、図４に示す選択器１３をも備え、選択器１３によって、使用する線状体１に合わせてどの相関関係を使用するのか選択する。これにより、同一の計測装置を種々の形状や材質を有する線状体１に適用できるので、これまでに種々の異なる用途に使用していた線状体１をそのまま使用することができ、経済的である。

次に、本発明の計測装置を実用化する例として、体内の管の中へ挿入される線状の医療器具である線状体に作用する長手軸方向の圧縮力を計測する計測装置が、他の医療機器に組み込まれて使用される例を示す。図６は、計測装置本体２がＹコネクタ１４に組み込まれて使用される例を示す模式図である。図６において、Ｙコネクタ１４は、入力ポート１５と他の入力ポート１６と出力ポート１７とを備える。計測装置本体２は、Ｙコネクタ１４の内部の、入力ポート１５と出力ポート１７とを連通する通路に組み込まれている。線状体１は、たとえば、血管や尿管などの体内の管に挿入されるガイドワイヤやカテーテル、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の、線状の医療器具であり、入力ポート１５側からの操作によって体内の目的部位まで誘導される。

これにより、体内の管の中へ挿入される線状の医療器具に作用する長手軸方向の圧縮力の増加を計測することによって、圧縮力の反力として、医療器具が体内の管に作用する荷重を計測することができる。すなわち、医療器具が管の内壁に接触することを検知することができる。したがって、体内の管に過大な荷重が作用することを防止することができる。また、本発明の計測装置がＹコネクタ１４に組み込まれているので、Ｙコネクタ１４の入力ポート１５から線状の医療器具を操作し、また他の入力ポート１６から薬剤を注入することができる。たとえば、カテーテルとガイドワイヤとの摩擦を低減するための生理食塩水を他の入力ポート１６から注入することができる。またたとえば、血管の中に挿入したカテーテルを人体外部から目的部位まで誘導した後に、他の入力ポート１６から血管造影剤を注入して、血管造影剤を体内の目的部位に注入することができる。

次に、本発明の計測装置によって得られる圧縮力を出力する方法について説明する。いくつかの方法があるが、代表的な方法としては、歪センサ７によって検知される歪量から検出した作用力を変換回路で変換した、変換回路の出力である圧縮力を、数値やメータ表示またはグラフ表示する視覚化器具や、圧縮力の変化を音声に変換する聴覚化器具が挙げられる。計測装置は、視覚化器具と聴覚化器具とのいずれか一方を備えることができ、また併用して備えることもできる。

図７は、計測装置の出力方法の例を示す模式図である。図７において、歪センサ７によって検知される歪量から検出した作用力を線状体１に作用する圧縮力に変換した数値を表示する視覚化器具１８、時間履歴を伴って圧縮力をグラフ状に表示する視覚化器具１９が例示されている。また、図７において、変換回路の出力が予め決定されてある所定のしきい値以上の場合、すなわち線状体１に作用する圧縮力が所定のしきい値以上の場合に、音響効果を変化させる、すなわち警告音を発する、聴覚化器具としての比較器２０およびスピーカ２１が例示されている。線状体１に作用する圧縮力が所定のしきい値以上となることは、ランプ点灯などの視覚効果の変化によっても示すことができる。また、スピーカとランプを併用してもよい。さらに、複数のしきい値を予め決定しておき、各しきい値に対応して、スピーカの音やランプの色を変更することもできる。しきい値の前後で視覚効果または音響効果を急激に変更すると、操作者の注意を確実に喚起することができるので効果的である。たとえば、しきい値の前後でランプの発光色を変更する、または警告音の音色（断続音と連続音、低音と高音など）を変更する、などの対応が考えられる。図７において、計測装置本体２と、視覚化器具１８と視覚化器具１９と比較器２０とは、ケーブルで接続されているが、赤外線や他の電磁波を用いた無線通信などの他の信号転送手段を使用することもできる。

これにより、操作者が外部において指先で把持した線状体１の挿入抵抗の力覚情報を定量化して表示することができる。さらに、データとして記録、たとえば紙に記されるグラフや数値などの印刷物として、またはハードディスクやメモリなどに電子的データとして記録することができる。したがって熟練操作者の手技を定量的に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１に作用する圧縮力が予め定められたしきい値以上となるときに、警告音やランプの点灯によって操作者が確実に認識することができる。したがって、管に過大な荷重が作用することを防止することができる。

次に、本発明の計測装置を、治療や検査などの実際の医療行為において使用する例を説明する。図８は、計測装置を人体の管の中へ挿入される線状の医療器具に使用する例を示す模式図である。図８において、計測装置本体２にカテーテル２３が接続され、カテーテル２３の中には、計測装置本体２の貫通孔３を貫通するガイドワイヤ２２がある。またカテーテル２３は、人体２５の管の中に挿入されている。ガイドワイヤ２２を把持する術者２４が、ガイドワイヤ２２を体内へ進めるためにガイドワイヤ２２に長手軸方向に力を加えるとき、人体２５の管に挿入抵抗があると、ガイドワイヤ２２には長手軸方向に圧縮力が作用する。そしてその圧縮力が、視覚化器具１８によって表示される。

図９は、人体を模擬する訓練用シミュレータに計測装置を取付けて使用する例を示す模式図である。図９において、シミュレータ２６は、線状の医療器具が挿入される人体の管の透視画像と同等の、模擬透視画像２７を表示する。訓練している術者２４は、模擬透視画像２７を見ながらガイドワイヤ２２を操作する。シミュレータ２６は、挿入されたガイドワイヤ２２に対して、挿入抵抗を変化させる。操作時の抵抗力、すなわち計測装置によって計測されるガイドワイヤ２２に作用する圧縮力は、視覚化器具１８に表示されるとともに、ケーブル２８を通してシミュレータ２６にも伝えられ、シミュレータ２６内部でのガイドワイヤ２２の挿入抵抗変更に寄与している。図９において、計測装置本体２とシミュレータ２６は分離されているが、計測装置本体２がシミュレータ２６と一体に組み込まれてもよい。また、視覚化器具１８を備える代わりに、シミュレータ２６の模擬透視画像２７に、ガイドワイヤ２２に作用する圧縮力を表示しても良い。

これにより、熟練操作者の手技を定量化し、経験の少ない操作者へ定量的な手技の伝授をすることができる。したがって、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。

（実施の形態２）
図１０は、この発明の実施の形態２の計測装置本体の内部の構造を示す断面模式図である。図１１は、線状体に引張力が作用するときの、計測装置内部における線状体の状態を示す断面模式図である。実施の形態２の計測装置と、上述した実施の形態１の計測装置とは、基本的に同様の構成を備えている。しかし、実施の形態２では、歪センサが図１０および図１１に示すような構成となっている点で実施の形態１とは異なっている。

具体的には、図１０において、歪センサ２９は、貫通孔３の内壁の湾曲形状に形成された部分の内側に、２つの弾性体３０の間に配置される。図１１に示すように、線状体１に長手軸方向の引張力Ｐ２が作用するとき、貫通孔３の直径は線状体１の直径よりもわずかに大きく、また線状体１は貫通孔３を曲がりながら貫通しているために、線状体１は貫通孔３の内部において直線状に変形しようとする。線状体１は、貫通孔３の内壁の湾曲形状に形成された部分の内側に接触した後に、当該内壁を押圧する。すなわち、線状体１に長手軸方向の引張力Ｐ２が作用するとき、貫通孔３の内部において線状体１が直線状に変形しようとする力が作用力Ｆ２となり、線状体１は貫通孔３と歪センサ２９との間の弾性体３０を押圧し、当該弾性体３０に弾性変形を生じさせる。当該弾性体３０の弾性変形によって歪が発生し、発生した歪量を歪センサ２９が検知する。歪量を検知することにより、貫通孔３の内壁の湾曲形状に形成された部分の内側を線状体１が押圧する作用力Ｆ２を、確実に検出できる。検出される作用力Ｆ２を、予め決定された作用力Ｆ２と線状体１に作用する引張力Ｐ２との相関関係に基づき、線状体１に作用する長手軸方向の引張力Ｐ２に変換する。これにより、線状体１に作用する長手軸方向の引張力Ｐ２を確実に計測することができ、線状体１に作用する引張力Ｐ２の増加から、管内部における障害物の存在を検知することができる。

次に、実施の形態２の計測装置の動作について説明する。図１２は、線状体に作用する引張力の計測方法を示す流れ図である。図１２を参照しながら、線状体１を管の中に挿入し管外部から操作するとき、線状体１が管の内壁に接触することによって、線状体１に作用する引張力を計測する方法について説明する。まず工程（Ｓ２１）において、管の中に挿入されている線状体１を、管から抜出す方向に、管外部から操作する。次に工程（Ｓ２２）において、線状体１が、たとえば管の径が細くなっている箇所において、管の内壁に接触する。次に工程（Ｓ２３）において、線状体１をさらに管から抜出すために管外部から線状体１を操作するとき、線状体１は管の内壁に接触しているので、線状体１の動作が拘束される。そのため線状体１の長手軸方向に引張力Ｐ２が作用する。次に工程（Ｓ２４）において、引張力Ｐ２の作用によって、湾曲形状に形成された部分を含む貫通孔３の内部において、線状体１が直線状に変形しようとする力が生じる。その力が貫通孔３の内壁の湾曲形状に形成された部分の内側を押圧する作用力Ｆ２となり、線状体１は、貫通孔３の内壁の湾曲形状に形成された部分の内側を押圧する。次に工程（Ｓ２５）において、貫通孔３の内壁の湾曲形状に形成された部分の内側を線状体１が押圧する作用力Ｆ２を、貫通孔３の内壁の湾曲形状に形成された部分の内側に配置された歪センサ２９が検知する歪量によって、検出する。次に工程（Ｓ２６）において、予め決定された作用力Ｆ２と線状体１に作用する引張力Ｐ２との相関関係に基づき、作用力Ｆ２を線状体１に作用する長手軸方向の引張力Ｐ２へ変換する。次に工程（Ｓ２７）において、作用力Ｆ２からの変換によって得られる引張力Ｐ２を出力する。

貫通孔３が計測装置本体２の内部において、計測装置本体２の湾曲部４を頂点とした湾曲形状に形成された部分を含むことにより、線状体１は貫通孔３の湾曲形状に形成された部分を曲がりながら貫通する。そして、線状体１に長手軸方向の引張力Ｐ２が作用するとき、貫通孔３の内部において線状体１が直線状に変形しようとする力が、貫通孔３の内壁の湾曲形状に形成された部分の内側を押圧する作用力Ｆ２となる。貫通孔３の内壁の湾曲形状に形成された部分の内側に歪センサ２９を配置することにより、線状体１が貫通孔３の内壁を押圧する作用力Ｆ２を確実に検出することができる。したがって、引張力Ｐ２を計測する計測装置は、計測装置本体２の内部において湾曲形状に形成された部分を含む貫通孔３が形成される計測装置本体２を備える必要がある。貫通孔３が直線状に形成されていれば、線状体１に長手軸方向の引張力Ｐ２が作用しても、線状体１が直線状に変形しようとする力が貫通孔３の内壁を押圧することがなく、上記作用力Ｆ２を検出できないためである。なお、歪センサ２９が配置される部分には、実施の形態１と同様に、より硬質の材料を配してもよく、歪センサ２９と線状体１とが接触する構成としてもよい。

（実施の形態３）
図１３は、この発明の実施の形態３の計測装置本体の内部の構造を示す断面模式図である。実施の形態３の計測装置と、上述した実施の形態１の計測装置とは、基本的に同様の構成を備えている。しかし、実施の形態３では、歪センサが図１３に示すような構成となっている点で実施の形態１とは異なっている。

具体的には、図１３において、歪センサ７が、貫通孔３の内壁の湾曲形状に形成された部分の外側に、２つの弾性体８の間に配置される。また歪センサ２９が、貫通孔３の内壁の湾曲形状に形成された部分の内側に、２つの弾性体３０の間に配置される。すなわち、歪センサ７と歪センサ２９とは、貫通孔３において湾曲形状に形成された部分に、貫通孔３を介して対向するように配置される。

そして、線状体１に長手軸方向の圧縮力が作用するとき、線状体１は貫通孔３と歪センサ７との間の弾性体８を押圧し、当該弾性体８に弾性変形を生じさせる。当該弾性体８の弾性変形によって歪が発生し、発生した歪量を歪センサ７が検知することにより、貫通孔３の内壁の湾曲形状に形成された部分の外側を線状体１が押圧する作用力を検出できる。また、線状体１に長手軸方向の引張力が作用するとき、線状体１は貫通孔３と歪センサ２９との間の弾性体３０を押圧し、当該弾性体３０に弾性変形を生じさせる。当該弾性体３０の弾性変形によって歪が発生し、発生した歪量を歪センサ２９が検知することにより、貫通孔３の内壁の湾曲形状に形成された部分の内側を線状体１が押圧する作用力を検出できる。

線状体１に長手軸方向の圧縮力が作用するとき、貫通孔３の内部において線状体１が湾曲しようとする力が、貫通孔３の内壁の湾曲形状に形成された部分の外側を押圧する作用力となる。よって、貫通孔３の内壁の湾曲形状に形成された部分の外側に歪センサ７を配置することにより、線状体１が貫通孔３の内壁を押圧する作用力を確実に検出できる。検出された作用力を変換することにより、線状体１に作用する長手軸方向の圧縮力を確実に計測することができる。また、線状体１に長手軸方向の引張力が作用するとき、貫通孔３の内部において線状体１が直線状に変形しようとする力が、貫通孔３の内壁の湾曲形状に形成された部分の内側を押圧する作用力となる。よって、貫通孔３の内壁の湾曲形状に形成された部分の内側に歪センサ２９を配置することにより、線状体１が貫通孔３の内壁を押圧する作用力を確実に検出できる。検出された作用力を変換することにより、線状体１に作用する長手軸方向の引張力を確実に計測することができる。したがって、歪センサ７と歪センサ２９とを備えることにより、線状体１に作用する長手軸方向の圧縮力と引張力のいずれをも計測できる、計測装置を提供することができる。なお、歪センサ７、２９が配置される部分には、実施の形態１および２と同様に、より硬質の材料を配してもよく、歪センサ７、２９と線状体１とが接触する構成としてもよい。

（実施の形態４）
図１４は、この発明の実施の形態４の計測装置本体の内部の構造を示す断面模式図である。実施の形態４の計測装置と、上述した実施の形態１の計測装置とは、基本的に同様の構成を備えている。しかし、実施の形態４では、歪センサが図１４に示すような配置となっている点で実施の形態１とは異なっている。

具体的には、図１４において、弾性体８は貫通孔３の内壁の湾曲形状に形成された部分の外側に配置される。弾性体８には凹部が形成される。歪センサ７は、凹部の内部において弾性体８に保持され、貫通孔３の内壁の湾曲形状に形成された部分の外側に、貫通孔３と略直交する方向に、歪センサ７の一端が貫通孔３へ連結するように、配置される。そして、線状体１に長手軸方向の圧縮力Ｐ１が作用するとき、線状体１は歪センサ７を収縮させる向きに押圧する。これにより歪が発生し、発生した歪量を歪センサ７が検知する。歪量を検知することにより、貫通孔３の内壁の湾曲形状に形成された部分の外側を線状体１が押圧する作用力を検出し、予め決定された作用力と線状体１に作用する圧縮力との相関関係に基づき、線状体１に作用する長手軸方向の圧縮力に変換する。これにより、線状体１に作用する長手軸方向の圧縮力を確実に計測することができ、線状体１に作用する圧縮力の増加から、管内部における障害物の存在を検知することができる。なお、この歪センサの構成を実施の形態２および３に適用してもよい。

これまでの説明においては、線状体に力が作用するとき、線状体が貫通孔の内壁の所定部位を押圧する作用力を歪センサを利用して検出する例を説明したが、歪センサには、半導体により作製され、電気抵抗の変化により歪量を検知できる歪ゲージを用いることもできる。また、光ファイバーグレーティングを利用して歪量を検知する歪ゲージを用いることもでき、この場合は、線状体が貫通孔の内壁の所定部位を押圧する作用力によって発生する歪によりブラッグ反射波長が変化することから、歪量を検知し、作用力を検出することができる。さらに、線状体が貫通孔の内壁の所定部位を押圧する作用力を検出できればよいのであるから、歪センサ以外のセンサを用いることもできる。たとえば、バネの伸縮により作用力を検出してもよく、静電容量センサ、感圧導電ゴムまたは音叉式力センサなどを用いて作用力を検出してもよい。

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。

この発明の計測装置および方法は、体内の管の中へ挿入される線状の医療器具などの、可撓性を有する線状体に作用する力の計測装置および方法に、特に有利に適用され得る。

この発明の実施の形態１の計測装置本体の外観を示す模式図である。 図１に示す計測装置本体の内部の構造を示す断面模式図である。 線状体に圧縮力が作用するときの、計測装置内部における線状体の状態を示す断面模式図である。 計測装置の全体構成を示す模式図である。 線状体に作用する圧縮力の計測方法を示す流れ図である。 計測装置本体がＹコネクタに組み込まれて使用される例を示す模式図である。 計測装置の出力方法の例を示す模式図である。 計測装置を人体の管の中へ挿入される線状の医療器具に使用する例を示す模式図である。 人体を模擬する訓練用シミュレータに計測装置を取付けて使用する例を示す模式図である。 この発明の実施の形態２の計測装置本体の内部の構造を示す断面模式図である。 線状体に引張力が作用するときの、計測装置内部における線状体の状態を示す断面模式図である。 線状体に作用する引張力の計測方法を示す流れ図である。 この発明の実施の形態３の計測装置本体の内部の構造を示す断面模式図である。 この発明の実施の形態４の計測装置本体の内部の構造を示す断面模式図である。

符号の説明

１ 線状体、２ 計測装置本体、３ 貫通孔、４ 湾曲部、５ 入出力ポート、７ 歪センサ、８ 弾性体、１１ 増幅回路、１２ 変換回路、１３ 選択器、１４ Ｙコネクタ、１５ 入力ポート、１６ 他の入力ポート、１７ 出力ポート、１８ 視覚化器具、１９ 視覚化器具、２０ 比較器、２１ スピーカ、２２ ガイドワイヤ、２３ カテーテル、２４ 術者、２５ 人体、２６ シミュレータ、２７ 模擬透視画像、２８ ケーブル、２９ 歪センサ、３０ 弾性体。

Claims (15)

1. 可撓性を有する線状体に作用する長手軸方向の力を計測する計測装置であって、
   前記線状体が貫通する貫通孔が形成される本体と、
   前記線状体に前記力が作用するとき、前記線状体が前記貫通孔の内壁の所定部位を押圧する作用力を検出するセンサと、
   検出される前記作用力を、前記線状体に作用する前記力へ変換する、変換回路とを備え、
   前記貫通孔は、前記本体の内部において湾曲形状に形成された部分を含む、計測装置。
2. 前記力は、前記線状体に作用する長手軸方向の圧縮力であって、
   前記線状体に前記圧縮力が作用するとき、前記センサは、前記線状体が前記貫通孔の前記内壁の前記湾曲形状に形成された部分の外側を押圧する、前記作用力を検出する、請求項１に記載の計測装置。
3. 前記力は、前記線状体に作用する長手軸方向の引張力であって、
   前記線状体に前記引張力が作用するとき、前記センサは、前記線状体が前記貫通孔の前記内壁の前記湾曲形状に形成された部分の内側を押圧する、前記作用力を検出する、請求項１に記載の計測装置。
4. 可撓性を有する線状体に作用する長手軸方向の力を計測する計測装置であって、
   前記線状体が貫通する貫通孔が形成される本体を備え、
   前記貫通孔は、前記本体の内部において湾曲形状に形成された部分を含み、さらに、
   前記線状体に長手軸方向の圧縮力が作用するとき、前記線状体が前記貫通孔の内壁の前記湾曲形状に形成された部分の外側を押圧する、作用力を検出するセンサと、
   前記線状体に長手軸方向の引張力が作用するとき、前記線状体が前記貫通孔の前記内壁の前記湾曲形状に形成された部分の内側を押圧する、他の作用力を検出する他のセンサと、
   前記センサにより検出される前記作用力を前記圧縮力へ変換し、前記他のセンサにより検出される前記他の作用力を前記引張力へ変換する、変換回路とを備えることを特徴とする、計測装置。
5. 前記センサは、歪センサを含む、請求項１から請求項３のいずれかに記載の計測装置。
6. 前記センサと、前記他のセンサとの少なくともいずれか一方は、歪センサを含む、請求項４に記載の計測装置。
7. 前記歪センサは、弾性体によって保持される、請求項５または請求項６に記載の計測装置。
8. 前記歪センサは、金属、半導体および光ファイバグレーティングのいずれかを利用して歪量を検知する歪ゲージである、請求項５から請求項７のいずれかに記載の計測装置。
9. 前記線状体は、体内の管の中へ挿入される線状の医療器具である、請求項１から請求項８のいずれかに記載の計測装置。
10. 前記変換回路の出力を表示する視覚化器具と、
    前記出力の変化を音声に変換する聴覚化器具との、少なくともいずれか一方を備える、請求項１から請求項９のいずれかに記載の計測装置。
11. 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１０のいずれかに記載の計測装置。
12. 人体を模擬する訓練用シミュレータに取付けられて使用される、請求項１から請求項１１のいずれかに記載の計測装置。
13. 可撓性を有する線状体に作用する長手軸方向の力を計測する計測方法であって、
    本体の内部において湾曲形状に形成された部分を含むように形成される貫通孔を貫通する前記線状体に、前記力が作用するとき、前記線状体が前記貫通孔の内壁の所定部位を押圧する作用力をセンサによって検出する工程と、
    前記検出する工程において検出される前記作用力を、予め決定された前記作用力と前記力との相関関係に基づき、前記線状体に作用する前記力へ変換する工程とを備えることを特徴とする、計測方法。
14. 前記検出する工程において、前記線状体に長手軸方向の圧縮力が作用するとき、前記線状体が前記貫通孔の前記内壁の前記湾曲形状に形成された部分の外側を押圧する前記作用力を前記センサによって検出し、
    前記変換する工程において、前記作用力を、予め決定された前記作用力と前記圧縮力との相関関係に基づき、前記線状体に作用する前記圧縮力へ変換する、請求項１３に記載の計測方法。
15. 前記検出する工程において、前記線状体に長手軸方向の引張力が作用するとき、前記線状体が前記貫通孔の前記内壁の前記湾曲形状に形成された部分の内側を押圧する前記作用力を前記センサによって検出し、
    前記変換する工程において、前記作用力を、予め決定された前記作用力と前記引張力との相関関係に基づき、前記線状体に作用する前記引張力へ変換する、請求項１３に記載の計測方法。

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