JP2015054027A - 液体噴射装置、医療機器 - Google Patents

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Abstract

【課題】液体噴射装置の噴射口の移動速度の変化によって、切除深さが安定しないこと。
【解決手段】駆動信号に従い、液体室内の圧力を変動させる変動部と、液体室から液体を噴射する噴射口を有する噴射管と、液体室に液体を供給する液体供給部と、変動部と液体供給部とを制御することによって、液体室内の圧力を調整する制御部とを備える。制御部は、駆動信号が第1の所定電圧から第2の所定電圧に達するまでの時間である立ち上がり時間を、噴射口の移動速度に応じて変更する。
【選択図】図5

Description

本発明は、液体の噴射に関する。
医療機器として用いられる液体噴射装置において、噴射口の加速度を測定し、その加速度に基づき液体噴射のモードを選択する手法が知られている(例えば特許文献1)。
特開2012−143374号公報
上記先行技術が有する課題は、噴射口の移動速度の変化によって、切除深さが安定しないことについて考慮されていない点である。
本発明は、上記課題の少なくとも1つを解決するためのものであり、以下の形態として実現できる。
本発明の一形態によれば、液体噴射装置が提供される。この液体噴射装置は、駆動信号に従い、液体室内の圧力を変動させる変動部と;前記液体室から液体を噴射する噴射口を有する噴射管と;前記液体室に液体を供給する液体供給部と;前記変動部と前記液体供給部とを制御することによって、前記液体室内の圧力を調整する制御部とを備え;前記制御部は、前記駆動信号が第1の所定電圧から第2の所定電圧に達するまでの時間を、前記噴射口の移動速度に応じて変更する。この形態によれば、立ち上がり時間(駆動信号が第1の所定電圧から第2の所定電圧に達するまでの時間)を移動速度に応じて変更するので、切除深さが安定する。立ち上がり時間は、切除深さに関係するパラメーターだからである。
上記形態の液体噴射装置において、前記制御部は、前記移動速度が第1の速度の場合は、前記立ち上がり時間を第1の時間に設定し、前記移動速度が前記第1の速度よりも速い第2の速度の場合は、前記立ち上がり時間を前記第1の時間よりも短い第2の時間に設定する。先の形態は、例えば、この形態のようにして実現できる。
上記形態の液体噴射装置において、前記制御部は、前記移動速度が前記第2の速度の場合、前記駆動信号の最大電圧を第1の電圧に設定し、前記移動速度が前記第2の速度よりも速い第3の速度の場合、前記駆動信号の最大電圧を前記第1の電圧よりも高い第2の電圧に設定する。この形態によれば、駆動信号の最大電圧を移動速度に応じて変更するので、切除深さが安定する。駆動信号の最大電圧は、切除深さに関係するパラメーターだからである。
上記形態の液体噴射装置において、前記制御部は、前記移動速度が前記第2の速度の場合、前記液体の流量を第1の流量に設定し、前記移動速度が前記第3の速度の場合、前記液体の流量を前記第1の流量よりも多い第2の流量に設定する。この形態によれば、駆動信号の最大電圧が第1の電圧の場合は第1の流量に設定し、駆動信号の最大電圧が第2の電圧の場合は第2の流量に設定するので、最大電圧に応じて流量を変更できる。
上記形態の液体噴射装置において、前記制御部は、前記移動速度が前記第3の速度よりも速い第4の速度の場合、前記立ち上がり時間を前記第2の時間よりも短い第3の時間に設定し、前記駆動信号の最大電圧を前記第2の電圧よりも高い第3の電圧に設定する。この形態によれば、移動速度が第4の速度にまで速くなった場合でも、切除深さを安定させやすくなる。
上記形態の液体噴射装置において、前記制御部は、前記移動速度が前記第4の速度の場合、前記液体の流量を第3の流量に設定する。この形態によれば、移動速度が第4の速度の場合に、第3の速度以下の場合とは異なる流量に設定できる。
上記形態の液体噴射装置において、前記制御部は、前記移動速度が前記第1の速度よりも遅い第1の所定速度の場合、及び前記第1の所定速度よりも遅い第2の所定速度の場合、前記立ち上がり時間と前記駆動信号の最大電圧と前記液体の流量とを、それぞれについての所定値に設定する。この形態によれば、移動速度が基準値以下の場合、立ち上がり時間と最大電圧と液体の流量とを所定値に設定できる。
本発明は、上記以外の種々の形態でも実現できる。例えば、液体噴射方法、手術方法、これらの方法を実現するためのプログラム、これらのプログラムを記憶した記憶媒体等の形態で実現できる。
液体噴射装置の構成図。 液体噴射機構の内部構造図。 噴射処理を示すフローチャート。 駆動波形の1周期分の波形を示すグラフ。 立ち上がり時間と噴射口の速度との関係を示すグラフ。 ピーク電圧と噴射口の速度との関係を示すグラフ。 流量の決定の手法を示すグラフ。 立ち上がり時間の変化による影響を調べた実験結果を示すテーブル。
図1は、液体噴射装置10の構成を示す。液体噴射装置10は、医療機関において利用される医療機器であり、患部に対して液体を噴射することによって、患部を切開または切除する機能を有する。
液体噴射装置10は、液体噴射機構20と、液体供給機構50と、吸引装置60と、制御部70と、液体容器80とを備えている。液体供給機構50及び液体容器80は、接続チューブ51によって互いに接続されている。液体供給機構50及び液体噴射機構20は、液体供給流路52によって互いに接続されている。接続チューブ51及び液体供給流路52は、樹脂によって形成されている。接続チューブ51及び液体供給流路52は、樹脂以外(例えば金属)の材料によって形成されてもよい。
液体容器80は、生理食塩水を貯留する。生理食塩水に代えて、純水や薬液であってもよい。液体供給機構50は、接続チューブ51を介して液体容器80から吸引した液体を、液体供給流路52を介して液体噴射機構20に供給する。
液体噴射機構20は、液体噴射装置10の使用者が手に持って操作する器具である。使用者は、噴射口58から間欠的に噴射される液体を患部に当てることによって、患部の切開または切除を行う。
制御部70は、信号ケーブル72を介して脈動発生部30に駆動信号を送信する。制御部70は、制御ケーブル71を介して液体供給機構50を制御することによって、脈動発生部30に供給される液体の流量を制御する。制御部70には、フットスイッチ75が接続されている。使用者がフットスイッチ75をオンにすると、制御部70は、液体供給機構50を制御して、脈動発生部30への液体の供給を実行させるとともに、脈動発生部30に駆動信号を送信して、脈動発生部30に供給された液体の圧力に脈動を発生させる。
吸引装置60は、噴射口58周辺の液体や切除物を吸引することに用いられる。吸引装置60及び液体噴射機構20は、吸引流路62によって互いに接続されている。吸引装置60は、スイッチがオンの間、吸引流路62の内部を常時、吸引する。吸引流路62は、液体噴射機構20内を貫通して、噴射管55の先端近傍において開口する。
吸引流路62は、液体噴射機構20内において噴射管55に覆い被さることによって、図1のA矢視図に示すように噴射管55の壁と吸引流路62の壁とが、略同心の円筒を形成する。噴射管55の外壁と吸引流路62の内壁との間には、吸引流路62の先端である吸引口64から吸引された吸引物が流れる流路が形成される。吸引物は、吸引流路62を介して吸引装置60に吸引される。なお、この吸引は、図2と共に後述する吸引調整機構によって調整される。
図2は、液体噴射機構20の内部構造を示す。液体噴射機構20は、脈動発生部30と、入口流路40と、出口流路41と、接続チューブ54と、加速度センサー69とを内蔵すると共に、吸引力調整機構65を備える。
脈動発生部30は、液体供給機構50から液体供給流路52を介して液体噴射機構20に供給された液体の圧力に脈動を発生させる。圧力の脈動が発生した液体は、噴射管55に供給される。噴射管55に供給された液体は、噴射口58から間欠的に噴射される。噴射管55は、ステンレスによって形成されている。噴射管55は、真鍮等の他の金属や強化プラスチックなど、所定以上の剛性を有する他の材料によって形成されてもよい。
脈動発生部30は、図2の下部に示されるように、第1ケース31、第2ケース32、第3ケース33、ボルト34、圧電素子35、補強板36、ダイアフラム37、パッキン38、入口流路40及び出口流路41を備える。第1ケース31及び第2ケース32は、互いに対向して接合されている。第1ケース31は筒状部材である。第1ケース31の一方の端部は、第3ケース33をボルト34で固定することによって密閉されている。第1ケース31の内部に形成される空間に、圧電素子35が配置されている。
圧電素子35は、積層型圧電素子である。圧電素子35の一端は、補強板36を介してダイアフラム37に固着している。圧電素子35の他端は、第3ケース33に固着している。ダイアフラム37は、金属薄膜によって作製されており、周縁部が第1ケース31に固着している。ダイアフラム37と第2ケース32との間には、液体室39が形成される。液体室39は、圧電素子35の駆動によって容積が変動する。
信号ケーブル72は、液体噴射機構20の後端部22から挿入される。2本の電極線74は、信号ケーブル72に収容されており、脈動発生部30内の圧電素子35に接続される。制御部70から送信された駆動信号は、信号ケーブル72内の電極線74を介して圧電素子35に送信される。圧電素子35は、駆動信号に基づいて伸縮する。
第2ケース32には、液体が流入する入口流路40が接続される。入口流路40は、U字状に曲げられ、液体噴射機構20の後端部22に向かって延びる。入口流路40には、液体供給流路52が接続されている。液体供給機構50から供給された液体は、液体供給流路52を介して液体室39に供給される。
圧電素子35が所定の周波数で伸縮すると、ダイアフラム37が振動する。ダイアフラム37が振動すると、液体室39の容積が変動し、液体室内の液体の圧力が脈動する。液体室39を通過した液体は、出口流路41から流出する。
出口流路41は、第2ケース32に接続される。出口流路41には、金属製の接続チューブ54を介して噴射管55が接続されている。出口流路41に流出した液体は、接続チューブ54、噴射管55を通って噴射口58から噴射する。
吸引力調整機構65は、吸引流路62が吸引口64から液体等を吸引する力を調整するためのものである。吸引力調整機構65は、操作部66と孔67とを備える。孔67は、吸引流路62と操作部66とを繋ぐ貫通孔である。使用者が液体噴射機構20を把持した手の指で孔67を開閉すると、その開閉度合いによって、孔67を介して吸引流路62内に流入する空気の量が調整され、ひいては吸引口64の吸引力が調整される。吸引力の調整は、吸引装置60による制御によっても実現できる。
液体噴射機構20は、加速度センサー69を備える。加速度センサー69は、ピエゾ抵抗型3軸加速度センサーである。この3軸は、図2に示されるXYZの各軸である。X軸は、孔67の貫通方向と平行であり、上向きが正の向きである。Z軸は、噴射管55の長軸方向と平行であり、液体が噴射される向きを負の向きとする。Y軸は、X軸およびZ軸を基準に、右手系によって定義される。
加速度センサー69は、図2に示されるように、先端部24付近に配置される。測定結果は、信号線(図示しない)及び信号ケーブル72を介して制御部70に入力される。
図3は、噴射処理を示すフローチャートである。噴射処理は、フットスイッチ75が踏まれている間、制御部70によって繰り返し実行される。初めに、噴射口58の速度Sを算出する(ステップS100)。ここで言う速度Sとは、XY平面における速度の絶対値のことである。つまり、Z軸方向の速度を無視した速度の絶対値である。速度Sは、加速度センサー69によって測定される3軸の加速度に基づき算出する。
速度Sは、患部の切除深さに影響するパラメーターとして算出される。患部の各局所領域に対して単位時間当たりに作用する切除能力は、噴射口58と患部との相対速度に影響されるからである。本実施形態においては、患部が患者の呼吸等に伴い移動している場合を考慮し、速度Sを患部と噴射口58との相対速度として取り扱っても良いが、患部は所定の移動量以下の状態を続けていると仮定し説明する。
続いて、算出した速度Sに基づき、駆動信号の波形(以下「駆動波形」という)の立ち上がり時間を決定する(ステップS200)。図4は、駆動波形の1周期分の波形を示すグラフである。縦軸は電圧、横軸は時間を示す。
本実施形態の駆動波形は、サインカーブの組み合わせとして記述される。電圧が0からピーク値に至るまでは、次式によって記述される。
V(T)=Vp{1-cos(πT/Tr)}/2(但し0≦T≦Tr)
Vは電圧、Vpは電圧のピーク値(ピーク電圧)、Tは時間、Trは立ち上がり時間である。Vpは、Vmin≦Vp≦Vmaxの範囲に設定される可変値である。Trは、Tmin≦Tr≦Tmaxの範囲に設定される可変値である。Vmax、Tminはそれぞれ、圧電素子35などの負荷が大きくなり過ぎないこと等を条件にして予め定められた値である。Vmin、Tmaxはそれぞれ、液体が間欠的に噴射されること等を条件にして予め定められた値である。尚、ピーク電圧とは、液体を噴射する際に用いられる駆動波形の1周期における最大電圧を示すものである。
電圧がピーク電圧から0に至るまでは、次式によって記述される。
V(T)=Vp[1+cos{π(T-Tr)/(Tc-Tr)}]/2(但しTr≦T≦Tc)
Tcは、駆動波形の1周期分の時間であり、本実施形態では固定値である。上記2つの式から明らかなように、立ち上がり時間Trは、駆動波形の1周期における所定の電圧値から電圧のピークに達するまでの時間である。
駆動信号の電圧が上昇すると、液体室39の容積が収縮するように圧電素子35が変形する。立ち上がり時間Trが短くなると、液体室39の収縮が短時間で実行される。この結果、液体が勢いよく噴射されるので、切除能力が高くなり、切除深さが深くなる。
図5は、本実施形態における立ち上がり時間Trと、速度Sとの関係を示すグラフである。図5に示されるように、S≦Saの場合、立ち上がり時間Trは、Tmaxに固定される。Sa≦S≦Sbの場合、立ち上がり時間Trは、速度Sの上昇に伴い、線形に減少する。S≧Sb以上の場合、立ち上がり時間Trは、Tminに固定される。ステップS200では、この関係に従って、立ち上がり時間Trを決定する。
続いて、立ち上がり時間Trを下限値(Tmin)に決定したかを判定する(ステップS300)。立ち上がり時間Trを下限値以外に決定した場合(ステップS300、NO)、ピーク電圧Vpおよび供給流量を最小値(Vmin)に決定する(ステップS400)。
一方、立ち上がり時間Trを下限値に決定した場合(ステップS300、YES)、駆動信号のピーク電圧Vpを速度Sに基づき決定する(ステップS500)。
図6は、本実施形態におけるピーク電圧Vpと、速度Sとの関係を示すグラフである。図6に示されるように、S≦Sbの場合、ピーク電圧VpはVminに固定される。このような関係を実現するため、先述したように、立ち上がり時間Trが下限値でない場合、ピーク電圧VpをVminに固定する。
Sb≦S≦Scの場合、速度Sの上昇に伴い、ピーク電圧Vpは線形に上昇する。S≧Scの場合、ピーク電圧Vpは、Vmaxに固定される。ステップS500を実行する場合は、S≧Sbであるので、この速度領域におけるピーク電圧Vpとの関係に従って、ピーク電圧Vpを決定する。
なお、立ち上がり時間Trとピーク電圧Vpとが上記のように決定されるため、駆動波形のピークは、図4に示されるようにL字型の軌跡を描く。
続いて、供給流量をピーク電圧Vpに基づき決定する(ステップS600)。図7は、流量の決定の手法を示すグラフである。縦軸はピーク電圧Vpおよび供給流量を示し、横軸は時間を示す。供給流量の変化率は、ピーク電圧の変化率に一致させてもよい。但し、ピーク電圧が変化した際には、供給流量を一時的に大きくする。
例えば、ピーク電圧がVp1、供給流量がF1の状態からピーク電圧が2×Vp1になった場合、供給流量を一時的に3×F1にし、その後、徐々に2×F1に収束させる。或いは、ピーク電圧がVp1、供給流量がF1の状態からピーク電圧が0.5×Vp1になった場合、供給流量を一時的に0.75×F1にし、その後、徐々に0.5×F1に収束させる。
このように、ピーク電圧が変化した場合に、一時的に供給流量を大きくすることによって、供給流量が不足して液体の噴射が正常に実行できなくなることを回避する。
最後に、決定されたパラメーター(立ち上がり時間Tr、ピーク電圧Vp、供給流量)に基づき制御を実行する(ステップS700)。この結果、噴射口58の速度に応じて、噴射口58から間欠的に液体が噴射される。
図8は、立ち上がり時間と、噴射される液体の最大圧と、切除深さの変化との関係を調べた実験結果を示すテーブルである。切除深さは、立ち上がり時間が0.375ミリ秒の場合を基準とした。切除深さの測定は、立ち上がり時間以外は同じ条件下で実施した。この実験は、噴射口58を移動させずに実施した。
図8に示されるように、立ち上がり時間が短くなるに連れて、液体の最大圧が上昇し、切除深さが深くなる。一方で、速度Sが大きくなると、患部の各局所領域に作用する切除能力は低下する。よって、速度Sが大きくなる場合に、立ち上がり時間を短くすることによって、切除深さを安定させることができる。
さらに本実施形態によれば、速度SがSb以下の場合、ピーク電圧Vpが一定であるため、排除体積が変化しないので、供給流量を変動させる必要がなく、制御が容易になる。
実施形態における圧電素子35及びダイアフラム37は、特許請求の範囲における変動部の一例である。図5及び図6に示されたS1〜S4は第1〜第4の速度、T1〜T3は第1〜第3の時間、V1〜V3は第1〜第3の電圧、S1’及びS2’は第1及び第2の所定時間、T1’は所定値の一例である。
本発明は、本明細書の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現できる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、先述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、先述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことができる。その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除できる。例えば、以下のものが例示される。
立ち上がり時間およびピーク電圧は、関数を用いて決定してもよいし、予めマップ化し、このマップに速度Sを代入して決定してもよい。マップ制御によれば、処理負荷が軽減される。
立ち上がり時間を変動させる速度領域と、ピーク電圧を変動させる速度領域とが重複してもよい。
駆動波形は、サインカーブの組み合わせでもなくてもよく、例えば、ステップ的に増減させてもよい。
立ち上がり時間と噴射口の速度との関係は、曲線的に規定してもよいし、ステップ的に規定してもよい。
立ち上がり時間の定義は、駆動信号が0からピークに達するまでの時間でなくてもよく、例えば、0よりもやや大きい値から、ピークよりもやや小さい値に達するまでの時間であってもよい。
駆動信号の電圧が下降する場合に液体室の体積が収縮する構成であれば、立ち上がり時間は、或る電圧値から、その電圧値よりも小さい値に達するまでの時間として定義してもよい。
噴射口の速度は、例えば、噴射口の先端に設置した加速度センサーによって算出してもよい。この場合、算出結果がより正確になると考えられる。
或いは、画像処理を用いて、噴射口の速度を算出してもよい。例えば、噴射口の先端にマーカーを設置し、カメラでマーカーの移動を捉えることによって、噴射口の速度を算出してもよい。
ロボットが液体噴射装置を操作する場合、噴射口の速度は、ロボットが把握できるので、算出する必要はなく、その把握される値を用いてもよい。
患部の移動速度を加味して、噴射口の移動速度を算出してもよい。患部の移動速度の測定は、呼吸や脈拍による動きを予測したり測定したりすることによって実現してもよい。
また、液体噴射機構から噴射される液体が、噴射対象の単位面積あたりに同じエネルギーが付与されるように、噴射口の速度に応じて液体室内の液体に与えるエネルギーを調整してもよい。
実施形態においては、液体噴射機構20を使用者が手に持って操作する器具として説明したが、腹腔鏡などの内視鏡に用いられる液体噴射機構として生体内に挿入され操作する器具であってもよい。
加速度センサーのタイプは、静電容量型でも熱検知型でもよい。また、加速度に限らず、速度を間接的もしくは直接的に検出できるセンサーでもよい。
液体噴射装置は、医療機器以外に利用されてもよい。
例えば、液体噴射装置は、噴射した液体によって汚れを除去する洗浄装置に利用されてもよい。
液体噴射装置は、噴射した液体によって線などを描く描画装置に利用されてもよい。
10…液体噴射装置
20…液体噴射機構
22…後端部
24…先端部
30…脈動発生部
31…第1ケース
32…第2ケース
33…第3ケース
34…ボルト
35…圧電素子
36…補強板
37…ダイアフラム
38…パッキン
39…液体室
40…入口流路
41…出口流路
50…液体供給機構
51…接続チューブ
52…液体供給流路
54…接続チューブ
55…噴射管
58…噴射口
60…吸引装置
62…吸引流路
64…吸引口
65…吸引力調整機構
66…操作部
67…孔
69…加速度センサー
70…制御部
71…制御ケーブル
72…信号ケーブル
74…電極線
75…フットスイッチ
80…液体容器

Claims (8)

  1. 駆動信号に従い、液体室内の圧力を変動させる変動部と、
    液体室から液体を噴射する噴射口を有する噴射管と、
    前記液体室に液体を供給する液体供給部と、
    前記変動部と前記液体供給部とを制御することによって、前記液体室内の圧力を調整する制御部とを備え、
    前記制御部は、前記駆動信号が第1の所定電圧から第2の所定電圧に達するまでの時間を、前記噴射口の移動速度に応じて変更する
    液体噴射装置。
  2. 請求項1に記載の液体噴射装置であって、
    前記制御部は、前記移動速度が第1の速度の場合は、前記駆動信号が第1の所定電圧から第2の所定電圧に達するまでの時間である立ち上がり時間を第1の時間に設定し、前記移動速度が前記第1の速度よりも速い第2の速度の場合は、前記立ち上がり時間を前記第1の時間よりも短い第2の時間に設定する
    液体噴射装置。
  3. 請求項2に記載の液体噴射装置であって、
    前記制御部は、前記移動速度が前記第2の速度の場合、前記駆動信号の最大電圧を第1の電圧に設定し、前記移動速度が前記第2の速度よりも速い第3の速度の場合、前記駆動信号の最大電圧を前記第1の電圧よりも高い第2の電圧に設定する
    液体噴射装置。
  4. 請求項3に記載の液体噴射装置であって、
    前記制御部は、前記移動速度が前記第2の速度の場合、前記液体の流量を第1の流量に設定し、前記移動速度が前記第3の速度の場合、前記液体の流量を前記第1の流量よりも多い第2の流量に設定する
    液体噴射装置。
  5. 請求項4に記載の液体噴射装置であって、
    前記制御部は、前記移動速度が前記第3の速度よりも速い第4の速度の場合、前記立ち上がり時間を前記第2の時間よりも短い第3の時間に設定し、前記駆動信号の最大電圧を前記第2の電圧よりも高い第3の電圧に設定する
    液体噴射装置。
  6. 請求項5に記載の液体噴射装置であって、
    前記制御部は、前記移動速度が前記第4の速度の場合、前記液体の流量を第3の流量に設定する
    液体噴射装置。
  7. 請求項2から請求項6までの何れか一項に記載の液体噴射装置であって、
    前記制御部は、前記移動速度が前記第1の速度よりも遅い第1の所定速度の場合、及び前記第1の所定速度よりも遅い第2の所定速度の場合、前記立ち上がり時間と前記駆動信号の最大電圧と前記液体の流量とを、それぞれについての所定値に設定する
    液体噴射装置。
  8. 請求項1から請求項7までの何れか一項に記載の液体噴射装置を用いた医療機器。
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