JP2009162746A - 荷重検出装置および荷重検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】細い線状体の先端に作用する荷重を容易に検出することが可能な荷重検出装置および荷重検出方法を提供する。
【解決手段】この荷重検出方法では、屈曲した体内の管に挿入された中空チューブ１の入口に可撓性を有する線状体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。したがって、細い線状体２の先端荷重Ｆｏを容易に検出できる。
【選択図】図１

Description

この発明は荷重検出装置および荷重検出方法に関し、特に、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装置および荷重検出方法に関する。

従来より、血管、尿管、気管支、消化管あるいはリンパ管などの体内の管内に挿入する線状の医療器具として、カテーテルが実用化されている。カテーテルを用いた治療方法としては、たとえば、中空チューブであるカテーテルの先端を体外から血管内を介して脳動脈瘤の入口に誘導した後、可撓性を有する線状体である塞栓用コイルおよびデリバリーワイヤをカテーテル内に挿入し、塞栓用コイルを脳動脈瘤内に詰め込んで脳動脈瘤の破裂を防止する方法がある。しかし、塞栓用コイルおよびデリバリーワイヤによって過度の荷重が脳動脈瘤に作用すると、脳動脈瘤が損傷する恐れがある。

また、カテーテルの先端の荷重を検出する方法として、カテーテルの先端に圧力センサを設ける方法がある（たとえば、特許文献１参照）。
特開平１０−２６３０８９号公報

しかし、細い塞栓用コイルの先端に圧力センサを設け、圧力センサの信号を外部に取り出すための信号線を塞栓用コイル内に通すことは極めて困難である。

それゆえに、この発明の主たる目的は、細い線状体の先端に作用する荷重を容易に検出することが可能な荷重検出装置および荷重検出方法を提供することである。

この発明に係る荷重検出装置は、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装置であって、管、中空チューブ、または線状体の曲がり具合を検出する第１の検出手段と、中空チューブの入口に線状体を挿入する荷重を検出する第２の検出手段と、第１および第２の検出手段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演算手段とを備えることを特徴とする。

好ましくは、第１の検出手段は、管、中空チューブ、または線状体の画像に基づいて、管、中空チューブ、または線状体の曲がり具合を検出する。

また好ましくは、演算手段は、さらに線状体および中空チューブ間の摩擦係数に基づいて、線状体の先端に作用する荷重を求める。

また好ましくは、演算手段は、線状体の曲げ剛性が線状体の位置に応じて変化する場合は、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摩擦係数を補正する。

また好ましくは、摩擦係数は予め測定されている。
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。

また好ましくは、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。

また好ましくは、第１の検出手段は、塞栓用コイルの先端が脳動脈瘤に入ったときに治療用ワイヤの曲がり具合を検出し、演算部は、塞栓用コイルが脳動脈瘤に作用する荷重を求める。

また好ましくは、第１の検出手段は、血管の３次元画像に基づいて、血管の曲がり具合を検出する。

また好ましくは、第１の検出手段は、手術中にＸ線を用いて撮影される治療用ワイヤの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、治療用ワイヤの曲がり具合を検出する。

また好ましくは、中空チューブの入口に線状体を挿入する駆動手段を備え、第２の検出手段は、駆動手段の駆動力に基づいて、線状体を挿入する荷重を検出する。

また好ましくは、中空チューブの入口に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、線状体を介して駆動ローラに押圧される押さえローラと、駆動ローラを回転駆動させるモータとを備え、第２の検出手段は、モータの回転軸の歪を検出し、その検出結果に基づいて、線状体を挿入する荷重を検出する。

また好ましくは、第２の検出手段は、線状体を挿通させる貫通孔と、貫通孔の途中に設けられ、線状体に圧縮力が作用したときに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、内部空間における線状体の湾曲の度合いを検出する湾曲センサとを含み、湾曲センサによって検出された湾曲の度合いに基づいて、線状体を挿入する荷重を検出する。

また好ましくは、第２の検出手段は、線状体を挿通させるとともに、線状体に圧縮力が作用したときに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、貫通孔の途中に設けられ、線状体によって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、圧力センサの検出結果に基づいて、線状体を挿入する荷重を検出する。

また好ましくは、さらに、第２の検出手段によって検出された線状体を挿入する荷重と、演算手段によって求められた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。

また好ましくは、さらに、第２の検出手段によって検出された線状体を挿入する荷重と、演算手段によって求められた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。

また好ましくは、さらに、第２の検出手段によって検出された線状体を挿入する荷重と、演算手段によって求められた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、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。

また好ましくは、荷重検出装置は医療用訓練装置に組み込まれている。
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装置であって、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。

この発明に係る荷重検出装置および荷重検出方法では、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。したがって、線状体が細い場合でも、線状体の先端に作用する荷重を容易に検出することができる。

[実施の形態１]
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。

すなわち図２に示すように、中空チューブ１の内壁と線状体２が点Ｐの１箇所で接触している場合、線状体２を図中Ａ方向に移動させると、線状体２の垂直抗力Ｆｈによって、中空チューブ１の内壁と線状体２との間に摩擦力Ｆｆが発生する。この垂直抗力Ｆｈおよび摩擦力Ｆｆと、線状体２の入力荷重Ｆｉおよび出力荷重Ｆｏとは、図３に示すような関係にある。入力荷重Ｆｉおよび出力荷重Ｆｏは、点Ｐの前後の線状体２に作用する荷重である。点Ｐにおける線状体２および中空チューブ１間の角度をαとすると、これらの力Ｆｈ，Ｆｆ，Ｆｉ，Ｆｏのバランスから次式（１）（２）が成り立つ。
−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。

さらに、ｄｓが０に近いとき、ｔａｎ（ｄθ）をｄθに近似できるので、Ｒ（ｓ）,ｄｓ,ｄθは次式（１０）の関係となる。ここで、ｄθをθ（ｓ，ｓ+ｄｓ）と記述し、ｓからｓ＋ｄｓの間の角度を示すものとする。数式（１０）を数式（９）に挿入すると、次式（１１）が得られる。
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。

図４は、線状体２の挿入荷重ＦｉをＦｉ０，Ｆｉ１，Ｆｉ２（ただし、Ｆｉ０＜Ｆｉ１＜Ｆｉ２である）の３段階で変えた場合における中空チューブ１の曲がり具合の総和θ（ｒａｄ）と線状体２の先端荷重Ｆｏ（Ｎ）との関係を示す図である。ここでは、中空チューブ１として内径φ０．５６ｍｍのカテーテルを使用し、線状体２として外径φ０．２５ｍｍの脳動脈瘤塞栓用コイルを使用した。図４中の３本の曲線は次式（１２）を用いて計算した値を示し、各点は測定値である。
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。

図４から分かるように、計算値と測定値はほぼ一致した。挿入荷重Ｆｉを一定にした場合は、カテーテルの曲がり具合の総和θ（ｒａｄ）が増加すると先端荷重Ｆｏ（Ｎ）は減少した。また、カテーテルの曲がり具合の総和θ（ｒａｄ）を一定にした場合は、挿入荷重Ｆｉ（Ｎ）が増大すると先端荷重Ｆｏ（Ｎ）も増大した。

また、たとえば、デリバリーワイヤはコイル先端に近いところで細くなるなど、線状体２の曲げ剛性が線状体２の位置に対して均一ではなく変化する部分がある。そのような曲げ剛性が変化する位置では曲げ剛性の小さい側の方が大きく曲がろうとし、中空チューブ１に及ぼす垂直抗力Ｆｈが大きくなる。その場合には、線状体２の位置における曲げ剛性ＥＩおよび曲げ剛性ＥＩの変化によって、数式（１２）を次式（１３）のように補正する。この場合は、等価なμを補正すればよい。したがって、摩擦係数μを曲げ剛性ＥＩ（ｓ）、曲げ剛性変化ｄＥＩ（ｓ）／ｄｓ、およびＲ（ｓ）の関数とし、この関数を事前に実験で求めておく。
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。

[実施の形態２]
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。

このような脳動脈瘤７の塞栓治療は、Ｘ線撮影装置で人体を透視しながら行なわれる。カテーテル３は樹脂で形成されているのでＸ線透視画像に写らないが、塞栓用コイル４およびデリバリーワイヤ５は金属で形成されているのでＸ線透視画像に写る。Ｘ線透視画像は通常２次元画像であるが、脳動脈瘤７の塞栓治療では、脳動脈瘤７内の塞栓用コイル４の状態を観察するために、Ｘ線撮影装置は回転式となっており、回転しながら撮影した複数の２次元透視画像から、３次元画像を生成することが可能である。

脳動脈瘤７の塞栓治療においては、血管壁が薄くて脆い脳動脈瘤７の中に、脳動脈瘤７が破裂しないように塞栓用コイル４を詰める必要があるので、塞栓用コイル４が脳動脈瘤７に作用する力Ｆｏを測定することが望まれている。本実施の形態２では、Ｘ線透視画像からカテーテル３内における塞栓用コイル４およびデリバリーワイヤ５の曲がり具合θを積算し、デリバリーワイヤ５を挿入する荷重Ｆｉを計測して、塞栓用コイル４が脳動脈瘤７に作用する力Ｆｏを推定する。

図６は、この実施の形態２の荷重検出方法を実施するための荷重検出装置の構成を示すブロック図である。図６において、この荷重検出装置は、Ｘ線撮影装置１０、画像合成装置１１、曲がり具合検出装置１２、挿入荷重検出装置１３、記憶装置１４、演算処理装置１５、および表示装置１６を備える。

Ｘ線撮影装置１０は、患者の周囲を回転しながら複数の２次元透視画像を撮影する。画像合成装置１１は、Ｘ線撮影装置１０によって撮影された２次元画像からから３次元画像を生成する。曲がり具合検出装置１２は、画像合成装置１１によって生成された３次元画像に基づき、塞栓用コイル４およびデリバリーワイヤ５の曲がり具合θを検出する。挿入荷重検出装置１３は、デリバリーワイヤ５を挿入する荷重Ｆｉを検出する。記憶装置１４には、予め測定された塞栓用コイル４およびデリバリーワイヤ５とカテーテル３との摩擦係数μが記憶されている。

演算処理装置１５は、曲がり具合検出装置１２で検出された塞栓用コイル４およびデリバリーワイヤ５の曲がり具合θと、挿入荷重検出装置１３によって検出されたデリバリーワイヤ５の挿入荷重Ｆｉと、記憶装置１４に記憶された摩擦係数μとに基づいて、塞栓用コイル４が脳動脈瘤４に作用する先端荷重Ｆｏを演算する。この演算方法は、実施の形態１で説明した通りである。表示装置１６は、先端荷重Ｆｏを表示する。医者は、表示装置１６に表示された先端荷重Ｆｏを見ながら塞栓治療を行なう。

[実施の形態３]
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。

治療において、カテーテル３は、大腿部の付け根の動脈から挿入され、大動脈２０から頚動脈２１（または椎骨動脈２２）および脳動脈６を経由して脳動脈瘤７まで送られる。カテーテル３は、血管に沿って屈曲するため、その中を通過する塞栓用コイル４およびデリバリーワイヤ５の屈曲もほぼ血管の屈曲と等しくなる。したがって、脳動脈瘤７までの血管経路の曲がり具合を用いることで、実施の形態２と同様に塞栓用コイル４が脳動脈瘤７に作用する力を推測することができる。

すなわち、図７に示すような３次元血管画像を取得した後、医師が脳動脈瘤７の位置（カテーテル先端位置Ｐｏ）と画像上で見えているカテーテル３の通過する最下部（たとえば、大動脈２０）の位置（カテーテル挿入位置Ｐｉ）とを指定する。足の付け根の動脈から大動脈２０までは脳動脈６に比べて血管径が広く、ほとんど真直ぐであり、患者毎に大きな差がないため、先端荷重Ｆｏの推定においては、この範囲の摩擦は、ゼロとするか、一定とすれば十分である。次に、図８に示すように、医師が選択した脳動脈瘤７と大動脈２０の間の血管２３を抽出する。この血管２３の経路において、血管２３の中心線２３ａを求め、たとえば所定の間隔ｗで中心線２３ａの曲がり具合θｉを求め、θｉを積算する（Σθｉ）ことで、塞栓用コイル４が脳動脈瘤７に作用する力Ｆｏを推定することができる。

なお、本実施の形態３では、血管２３の経路を抽出した後に、血管２３の中心線２３ａを求めたが、血管全体の中心線を先に画像処理で求め、その中心線の経路から、カテーテル３の通る血管経路を求めてもよい。

[実施の形態４]
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。

しかしながら、Ｘ線透視２次元画像２４と手術前に撮影した３次元血管画像２５と組み合わせることで、線状体２の３次元の曲がり具合を推定することができる。線状体２は血管２３内に挿入され、しかも挿入口から目的地（脳動脈瘤４）までの経路２６が分かっているので、Ｘ線透視２次元画像２４と３次元血管画像２５をマッチングすることで、３次元血管画像２５における線状体２の位置が分かる。したがって、血管２３の３次元の曲がり具合を用いることで、線状体２の３次元の曲がり具合θが分かる。よって、人体への線状体２の挿入中においても、線状体２の先端の荷重Ｆｏを推定することができる。

[実施の形態５]
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。

デリバリーワイヤ５などの線状体２は、ローラ３０，３１の間を介して中空チューブ１内に挿入される。駆動ローラ３１は、モータ３２によって回転駆動される。トルク制御回路３３は、トルク指令値に従って駆動電流をモータ３２に供給するとともに、駆動電流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。

トルク制御回路３３からモータ３２に駆動電流が供給されると、モータ３２によってローラ３０，３１が低速で回転駆動され、線状体２が中空チューブ１内に挿入される。図６の演算処理装置１５は、トルク制御回路３３からの信号に基づいて線状体２の挿入荷重Ｆｉを演算し、その挿入荷重Ｆｉを用いて先端荷重Ｆｏを求める。

この実施の形態５では、線状体２の挿入荷重Ｆｉを容易に検出することができる。
[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。

モータ３２に駆動電流が供給されると、モータ３２によってローラ３０，３１が低速で回転駆動され、線状体２が中空チューブ１内に挿入される。図６の演算処理装置１５は、トルクセンサ３４からの信号に基づいて線状体２の挿入荷重Ｆｉを演算し、その挿入荷重Ｆｉを用いて先端荷重Ｆｏを求める。

この実施の形態６でも、線状体２の挿入荷重Ｆｉを容易に検出することができる。
[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。

貫通孔４１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４２が形成されている。入出力ポート４２の奥の拘束部４３では、貫通孔４１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４３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。

本体部４０は、線状体２に長手軸方向の挿入荷重Ｆｉが作用するときに、貫通孔４１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４１は、２つの拘束部４３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４１を貫通している。また貫通孔４１は、２つの拘束部４３の間で、線状体２が沿っていない壁側に広がって空間４４を形成している。したがって、空間４４では、紙面と平行方向への線状体２の動作は貫通孔４１によって制限されない。

一方、入出力ポート４２および空間４４では、紙面と垂直方向の貫通孔４１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４１によって制限されている。すなわち、入出力ポート４２および空間４４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１４に示すように、長方形状である。このようにして、貫通孔４１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に長手軸方向の挿入荷重Ｆｉ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１３に示すように、線状体２に長手軸方向の挿入荷重Ｆｉが作用すると、貫通孔４１の内部の空間４４において所定の方向へ、すなわち空間４４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。本体部４０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４５が埋設されている。

ラインセンサ４５は、図１５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４５ａを有するアレイセンサである。貫通孔４１の空間４４を介してラインセンサ４５の反対側に光源器４６が本体１０に埋設されている。光源器４６は、空間４４を介してラインセンサ４５に照明光を出射する。

光源器４６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４５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４５に入射しない。換言すると、ラインセンサ４５に線状体２の影ができる。照明光が入射した受光素子４５ａ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４５ａ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４５ａの光電流を検出することにより、線状体２の空間４４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。

挿入荷重検出装置には、さらに、記憶部４７および信号発生部４８が設けられている。記憶部４７には、線状体２の湾曲の高さｈと挿入荷重Ｆｉとの相関を示すテーブルが格納されている。信号発生部４８は、各受光素子４５ａ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、記憶部４７のテーブルを参照してその高さｈに対する挿入荷重Ｆｉを求め、その挿入荷重Ｆｉを示す信号φＦｉを図６の演算処理装置１５に出力する。図６の演算処理装置１５は、信号発生部４８からの信号φＦｉに基づいて先端荷重Ｆｏを求める。

この実施の形態７でも、線状体２の挿入荷重Ｆｉを容易に検出することができる。
[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。

貫通孔５１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５２が形成されている。貫通孔５１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。貫通孔５１は、長さ方向の中央部で円弧状に曲げられており、線状体２は曲がりながら貫通孔５１を貫通している。貫通孔５１の中央部の円弧をなす部分の外周側（図１６では上側）に、弾性部材５３が埋設されており、弾性部材５３内には歪センサ５４が設けられている。

線状体２は曲げられて貫通孔５１に挿入されているので、線状体２に挿入荷重Ｆｉが作用すると、円弧状に湾曲された中央部が、さらに曲がろうとし、弾性部材５３を介して歪センサ５４に圧力を加える。したがって、歪センサ５４の出力信号から、線状体２の挿入荷重Ｆｉを検出することができる。図６の演算処理装置１５は、歪センサ５４から挿入荷重Ｆｉを求め、その挿入荷重Ｆｉに基づいて先端荷重Ｆｏを求める。

この実施の形態８でも、線状体２の挿入荷重Ｆｉを容易に検出することができる。
[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。

挿入荷重検出装置５６としては、たとえば実施の形態７,８で示したものが使用される。挿入荷重検出装置５６とＹコネクタ８を一体的に形成してもよい。線状体２は、挿入荷重検出装置５６およびＹコネクタ８を介してカテーテル３内に挿入される。線状体２の曲がり具合は、たとえば実施の形態３，４で示した方法で求められる。

挿入荷重検出装置５６の出力信号は、ケーブル５７を介して操作装置５８に与えられる。操作装置５８には、表示器５９、スピーカ６０、および切換スイッチ６１が接続されている。操作装置５８は、挿入荷重検出装置５６の出力信号、線状体２の曲がり具合などから線状体２の先端荷重Ｆｏを求める。

表示器５９は、先端荷重Ｆｏまたは挿入荷重Ｆｉを数字などで視覚的に表示する。スピーカ６０は、先端荷重Ｆｏまたは挿入荷重Ｆｉを音程、音量などで聴覚的に知らせる。切換スイッチ６１は、表示器５９およびスピーカ６０に、先端荷重Ｆｏおよび挿入荷重Ｆｉのうちのいずれを表示または報知させるかを切換えるものである。医師は、表示器５９の表示を見て、あるいはスピーカ６０からの音を聞いて、先端荷重Ｆｏまたは挿入荷重Ｆｉを知ることができ、それに基づいて線状体２を操作する。

[実施の形態１０]
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。

訓練している術者は、モニタ６３に表示された模擬透視画像と、表示器５９に表示された挿入荷重Ｆｉまたは先端荷重Ｆｏとを見ながら、さらに、挿入荷重Ｆｉまたは先端荷重Ｆｏを示すスピーカ６０の音を聞きながら線状体２を操作する。操作中の模擬透視画像、挿入荷重Ｆｉ、および先端荷重Ｆｏは映像記録装置（図示せず）内の映像記録媒体に記録される。この記録は、術者の訓練や評価に利用される。また、映像記録媒体には、熟練者がシュミレータ６２において線状体２を操作したときの模擬透視画像、挿入荷重Ｆｉ、先端荷重Ｆｏ、および熟練者の解説が記録される。経験の浅い術者は、熟練者の操作記録を再生して熟練者の手技を学ぶことができる。

この実施の形態１０では、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ことができ、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。

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に示した中空チューブと線状体の接触点を示す図である。 図２に示した接触点に作用する力のバランスを示す図である。 図１〜図３で説明した荷重検出方法で求めた先端荷重と実測値とを示す図である。 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。 図５に示した荷重検出方法を実施する荷重検出装置の構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態３による荷重検出方法を示す図である。 図７に示した３次元血管画像から先端荷重を求める方法を示す図である。 この発明の実施の形態４による荷重検出方法を示す図である。 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図である。 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図である。 この発明の実施の形態７による荷重検出装置に含まれる挿入荷重検出装置の本体部を示す図である。 図１２のＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線断面図である。 図１２のＸＩＶ−ＸＩＶ線断面図である。 図１２に示した挿入荷重検出装置の全体構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態８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図である。 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。 この発明の実施の形態１０による医療訓練機器の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１ 中空チューブ、２ 線状体、３ カテーテル、４ 塞栓用コイル、５ デリバリーワイヤ、６ 脳動脈、７ 脳動脈瘤、８ Ｙコネクタ、１０ Ｘ線撮影装置、１１ 画像合成装置、１２ 曲がり具合検出装置、１３,５６ 挿入荷重検出装置、１４ 記憶装置、１５ 演算処理装置、１６ 表示装置、２０ 大動脈、２１ 頚動脈、２２ 椎骨動脈、２３ 血管、２４ Ｘ線透視２次元画像、２５ ３次元血管画像、２６ 経路、２７ ３次元画像、３０ 押さえローラ、３１ 駆動ローラ、３２ モータ、３３ トルク制御回路、３４ トルクセンサ、４０,５０ 本体部、４１,５１ 貫通孔、４２,５２ 入出力ポート、４３ 拘束部、４４ 空間、４５ ラインセンサ、４６ 光源器、４７ 記憶部、４８ 信号発生部、５３ 弾性部材、５４ 歪センサ、５５ 人体、５７,６４ ケ
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)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。
7. 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。
8. 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。
9. 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。
10. 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。
11. 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。
12. 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。
13. 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。
14. 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。
15. 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。
16. 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。
17. 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。
18. 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。
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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