JP2011087882A - 多重導管の制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】先端に湾曲部を含む多重導管において，多重導管の案内経路を高精度に制御する．
【解決手段】 少なくとも２本以上の導管を有する多重導管であって，内側の導管は外側の導管に軸線方向摺動自在に挿入され，且つ，先端部が該外側の導管の先端側管端より突出自在されており，少なくとも１本の導管の先端部に湾曲部が形成され，内側の導管は外側の導管より小さい曲げ剛性を有し，前記湾曲部は，前記外側の導管内において内側の導管が弾性変形可能な弾性限度内となるように湾曲形成されている．
前記多重導管について，内側の導管を軸線方向に直動，および接線方向に回転する，あるいは外側の導管から押し出すことで，多重導管先端の曲げ方向を，外側の導管の軸線方向を中心とする，半球の法線方向に制御可能とすることを特徴とする制御システム．
【選択図】図２

Description

本発明は，多重導管，その駆動装置，及び制御システムに関わり，詳しくは流体を送り又は吸引するための案内路，或いは，長尺物を内部に通して案内するためのガイドとしての，多重導管，その駆動装置，及び制御システムに関する．

従来，この種の発明として，例えば，薬液等の注入を図るカテーテル（例えば，特許文献１）や，検査装置における光ファイバ（例えば，特許文献２）等，種々の被案内部材を案内する装置が医療分野や産業分野において知られている．

しかしながら，従来，可撓性の被案内部材を案内する装置は，案内すべき被案内部材の先を一方向に曲げる程度であり，障害物を回避して案内する等，３次元的な案内ができなかった．３次元的な案内を得るためには，ガイドチューブ等に複数のワイヤーを装備する等が必要で，案内装置の外形が太くなる傾向がある．

そこで，本発明者の一人は，先に，被案内部材を３次元的に案内でき，しかも外径を小さくすることのできる，多重導管，多重導管駆動装置，および多重導管駆動システムを他の発明者と共同で提案した（特許文献３・４）．

一方，このような導管を弾性などを有する案内対象中に案内するには，通常，導管の先端を斜めにカットする必要がある．このような導管では，案内中にカット面が圧力を受け針は変形を起こすため，正確に直線的な案内ができない．

この案内中における変形を利用することで，軌道制御，設計，変形シミュレーション等を行う方法について研究がなされている（非特許文献１・２）．これらの研究では，上記のカット面と案内対象との接地面を，導管を回転させることにより変更し，導管の進行方向を制御している．

特開平１０−２４０号広報 特開平１１−１１８４３７号広報 特開２００６−１６７２９８号広報 特開２００８−６７９３４号広報

Ｒｏｂｅｒｔ Ｊ．Ｗｅｂｓｔｅｒ ＩＩＩ，Ｊａｓｅｎｋａ Ｍｅｍｉｓｅｖｉｃ，ａｎｄ Ａｌｌｉｓｏｎ Ｍ．Ｏｋａｍｕｒａ："Ｄｅｓｉｇｎ Ｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎｓ ｆｏｒ Ｒｏｂｏｔｉｃ Ｎｅｅｄｌｅ Ｓｔｅｅｒｉｎｇ"，Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ ｔｈｅ ＩＥＥＥ Ｒｏｂｏｔｉｃ ａｎｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，２００５ Ｊ．Ａ．Ｅｎｇｈ，Ｇ．Ｐｏｎｄｎａｒ，Ｄ．Ｋｏｎｄｚｉｏｌｋａ，ａｎｄ Ｃ．Ｎ．Ｒｉｖｉｅｒｅ："Ｔｏｗａｒｄ Ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ Ｎｅｅｄｌｅ Ｓｔｅｅｒｉｎｇ ｉｎ Ｂｒａｉｎ Ｔｉｓｓｕｅ"，ｔｈｅ ２８ｔｈ Ａｎｎｕａｌ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ＩＥＥＥ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｉｎ Ｍｅｄｉｃｉｎｅ ａｎｄ Ｂｉｏｌｏｇｙ Ｓｏｃｉｅｔｙ，２００６

非特許文献１・２に示した方法では，導管は目標の座標に到達可能なものの，その案内される軌道は導管の剛性などに依存してしまう．これは，案内対象に障害物がある場合には，案内不可能になる可能性があるほか，案内対象を大きく破壊してしまうことが問題になることも考えられる．

非特許文献１・２に示した方法では，案内時の導管の回転半径が大きいために，障害物の回避が困難である．

このように，障害物の回避などを考えた場合，目標座標への到達だけでなく，精度よく導管の案内経路を制御しなければならないことが課題となっている．

上記課題を解決するため，本発明は，特許文献３・４で提案された多重導管の新規制御システムを提供する．

すなわち，制御対象となる多重導管は少なくとも２本以上の導管を有し，内側の導管は外側の導管に軸線方向摺動自在に挿入され，且つ，先端部が該外側の導管の先端側管端より突出自在されており，少なくとも１本の導管の先端部に湾曲部が形成され，内側の導管は外側の導管より小さい曲げ剛性を有し，前記湾曲部は，前記外側の導管内において内側の導管が弾性変形可能な弾性限度内となるように湾曲形成されている．

前記多重導管について，内側の導管を軸線方向に直動，および接線方向に回転する，あるいは外側の導管から押し出すことで，多重導管先端の姿勢を，外側の導管の軸線方向を中心とする，半球の法線方向に制御可能とする．

上記課題解決手段による作用は次の通りである．第１に，最小で導管先端の曲率半径１２ｍｍを可能とし，障害物回避と目標座標への到達の双方を精度よく両立できる．

第２に，内側の導管のみを回転し，最外側の導管は直動するだけであるので，案内対象を大きく破壊することを防ぐことができる．

上述したように本発明の制御システムは，特許文献３・４で提案された多重導管の案内経路を高精度に制御することが可能である．

本発明に係る多重導管の実施形態を示す側面図である． 本発明に係る多重導管の制御システムの第２実施形態を示す側面図である．

まず，本発明に関する多重導管の制御システムの第１実施形態について説明する．

図１に示す多重導管１は，内側の導管２と外側の導管３を備えている．内側の導管２は，外側の導管３に軸線方向摺動自在に挿入され，且つ，先端部が外側の導管３の先端側管端より突出自在とされている．

外側の導管３は真直状をしており，内側の導管２は尖端部に湾曲部２ａが形成されている．図示例において，内側の導管２は外側の導管３より小さい曲げ剛性を有している．湾曲部２ａは，外側の導管３内において内側の導管２が弾性的に変形可能なように湾曲形成されている．

このような二重導管を，弾性をもつ案内対象に案内する際，外側の導管３が変形すれば，多重導管１の先端位置は目標とする案内経路からずれることになる．それに対して，超音波スキャナを用いて導管先端の目標とする案内経路からのずれを計測する．そして内側の導管２を直動，回転して，そのずれを補正するように，外側の導管３の姿勢を変化させる．

この操作を繰り返すことで，案内対象の物理的な特性によらず，計画された案内経路に沿って，多重導管１を導くことが可能となる．

次に，本発明に関する多重導管の制御システムの第２実施形態について説明する．

上記，第１実施形態に加えて，図２に示すように，力覚センサ４を内側の導管２の先端に取り付ける．図２において，内側の導管２には，力覚センサ固定点２ｂと，外側の導管固定点２ｃの２つの固定点がある．

外側の導管３が変形した場合，外側の導管固定点２ｃにおいて，内側の導管２のたわみは０であるが，内側の導管２のたわみ各は外側の導管３の変形の影響を受けてある値をとる．つまり，内側の導管２は両端支持の状態で，外側の導管３においてモーメントを負荷された状態となる，このモーメントによって，力覚センサ４にもたわみ角が生じ，ｙ軸方向に変動する．

以上のように，外側の導管３の変形は力覚センサ４に伝播するので，力覚センサ４の圧力を測定することで，多重導管１の目標とする案内経路からのずれを測定できる．そして内側の導管２を直動，回転して，そのずれを補正するように，外側の導管３の姿勢を変化させる．

この操作を繰り返すことで，案内対象の物理的な特性によらず，計画された案内経路に沿って，多重導管１を導くことが可能となる．

次に，本発明に関する多重導管の制御システムの第３実施形態について説明する．

上記，第１実施形態に加えて，磁気センサ５を内側の導管２の先端に取り付ける．

磁気センサ５を用いて導管先端の目標とする案内経路からのずれを計測する．そして内側の導管２を直動，回転して，そのずれを補正するように，外側の導管３の姿勢を変化させる．

この操作を繰り返すことで，案内対象の物理的な特性によらず，計画された案内経路に沿って，多重導管１を導くことが可能となる．

上記，第１から第３実施形態において，２本の導管を例示したが，３本以上の導管を備えることができ，また，２以上の導管に湾曲部を形成することができる．

これによって，より自由度の高い案内経路を計画し，本発明の制御システムを用いることで，精度よくその案内経路を実現可能である．

このような多重導管の目標とする案内経路の計算は，特開２００６−１６７２９８号広報によって既知の方法を採用することができる．

本発明は，様々な医療分野に適用できる他，例えば，工業分野においては，タービン内の羽根，飛行機の翼の内部，設備の配管内部，設備装置の内部探査に使用されるファイバースコープ，ＣＣＤカメラ等において，またバイオ・農業分野においては，細胞や果実の目的の位置への物質の注入あるいはセンサの導入などにおいても広く応用され得る．

本発明は，上記の実施形態に限定されるものではなく，本発明の範囲内において種々の様態を採用することが可能である．

Claims (4)

1. 少なくとも２本以上の導管を有する多重導管であって，内側の導管は外側の導管に軸線方向摺動自在に挿入され，且つ，先端部が該外側の導管の先端側管端より突出自在されており，少なくとも１本の導管の先端部に湾曲部が形成され，内側の導管は外側の導管より小さい曲げ剛性を有し，前記湾曲部は，前記外側の導管内において内側の導管が弾性変形可能な弾性限度内となるように湾曲形成されている．
   前記多重導管について，内側の導管を軸線方向に直動，および接線方向に回転する，あるいは外側の導管から押し出すことで，多重導管先端の曲げ方向を，外側の導管の軸線方向を中心とする，半球の法線方向に制御可能とすることを特徴とする制御システム．
2. 前記多重導管の制御システムについて，超音波スキャナを多重導管先端位置の計測に使用することを特徴とする制御システム．
3. 前記多重導管の制御システムについて，力覚センサを多重導管先端位置の計測に使用することを特徴とする制御システム．
4. 前記多重導管の制御システムについて，磁気センサを多重導管先端位置の計測に使用することを特徴とする制御システム．

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