JP2015521493A - 形状記憶アクチュエータを使った自動化非磁気医療モニタ - Google Patents

Abstract

磁気共鳴（MR）スキャナのボアの中または近くの医療装置において弁を用いるときは、MRスキャナによって生成される強い磁場に対する弁の感受性を最小限にするため、MR対応材料が用いられる。MR対応アクチュエータは、一定の電力信号の印加によって作動させられる形状記憶合金（SMA）ワイヤまたは部材（１２）を有する。一定の電力信号は制御回路（５０）によって供給され、測定された電流および電圧フィードバック信号から導出される電力フィードバック信号を使って生成される。ひとたびSMA部材が作動させられたら、電力信号は低減され、パルス幅変調され、SMA部材をアクティブ状態に維持し、それがひいては電力信号が打ち切られるまで弁を閉じた状態に維持する。

Description

本願は、形状記憶合金（SMA: shape memory alloy）コンポーネントを有する磁気共鳴（MR: magnetic resonance）対応患者モニタリング装置において格別の用途を見出すが、記載される技法は他の患者モニタリング装置、他の磁気装置システムまたは他のSMAアクティブ化技法においても用途を見出しうることは理解されるであろう。

血圧カフなどのような通常の患者モニタリング装置は、磁場の影響を受ける金属コンポーネント（たとえば鉄、ニッケル、コバルトなど）を有する。そのような金属を有する患者モニタリング装置は、MRスキャナが動作するときMRスキャナの大きな磁石によって影響されることがある。たとえば、強磁性コンポーネントを有する血圧カフ弁が影響されて、MRスキャンの間、弁が閉じた状態になり、患者の腕に対する止血帯として作用することがある。さらに、スキャン中、MRスキャナの外部に留まることが意図されているポンプなどのような患者に結合された周辺装置の強磁性コンポーネントがMRスキャナの磁石に引きつけられることがある。磁石への引力の強さ、周辺装置の大きさおよび重さなどによっては、周辺装置が領域内の他の設備、MRスキャナおよび／または患者に損傷を引き起こすことがある。

それらは「鉄性飛翔体（ferrous projectile）」として知られているが、高価な医療設備への損傷および患者の傷害を引き起こすことがある。実際のところ、どんな鉄性物質も患者の安全にとって有害となりうる。たとえば、製鉄所または他の同様の環境の従業員である患者は、目の中にミクロな金属くずを有することがあり、それがMRスキャン前に検出されないことがある。こうした鉄性飛翔体は、ひとたびMRスキャナの磁石が作動させられてはじめて検出され、患者に多大な苦痛をもたらす。上記の血圧カフの例では、MRスキャナ磁石によって生成される磁場は、カフにおいて空気弁を引いて閉じることがあり、これは患者の苦痛や、MRスキャン中に臨床担当者によって必要とされるまたは所望される生命徴候情報の不足につながりうる。

今日までのMR安全な患者モニタリング装置を作ろうとする試みは、形状記憶合金金属を考えてこなかった。所望される応答を達成するためにそのような合金を作動させるのに典型的に必要とされる遅いアクチュエーション期間のためである。患者生命徴候測定値が定期的かつ頻繁に所望される患者モニタリング装置の場合、遅いアクチュエーション時間は受け容れ可能ではない。

本願は、上述した問題およびその他を克服する、MR対応患者モニタリング装置において形状記憶合金コンポーネントの迅速な作動を容易にする新しい改善されたシステムおよび方法に関する。

ある側面によれば、磁気共鳴（MR）対応弁を作動させる弁アクチュエータが、作動されたときに弁プランジャーを押してMR対応弁内の弁座とかみ合わさせる形状記憶合金（SMA）部材を含む。弁アクチュエータはさらに、SMA部材を作動させてSMA部材をアクティブ状態に維持するようSMA部材に電力信号を提供する制御回路を含む。

もう一つの側面によれば、磁気共鳴（MR）対応弁を作動させる方法が、作動されたときに弁プランジャーを押してMR対応弁内の弁座とかみ合わさせる形状記憶合金（SMA）部材に一定の電力信号を提供することを含む。本方法はさらに、弁が閉じられるときを検出するために少なくとも一つの弁パラメータをモニタリングし、弁が閉じられることを検出すると、電力消費を減らしつつSMA部材をアクティブ状態に維持するために、電力信号を調整することを含む。

もう一つの側面によれば、磁気共鳴（MR）対応弁を閉じる形状記憶合金（SMA）部材を作動させる制御回路がドライバを有しており、該ドライバは、SMA部材を作動させ、SMA部材に弁を閉じるよう弁プランジャーに接触して押下させるよう、一定の電力信号をSMA部材に提供する。本制御回路はさらに、測定されたフィードバック電流に測定された電圧電流を乗算して、一定の電力信号を維持するために使われるフィードバック電力信号を生成する乗算器を有する。本制御回路は、弁が閉じられるという指示に応答して、電力を節約し、かつSMA部材をアクティブ状態に維持するよう、電力信号を低下させてパルス幅変調するよう構成される。

本願の主題となる革新のさらなる利点は、以下の詳細な説明を読み、理解すれば当業者には理解されるであろう。

本革新は、さまざまなコンポーネントおよびコンポーネントの配列の形を取ることができ、またさまざまなステップおよびステップの配列の形を取ることができる。図面はさまざまな側面を例解するためであり、本発明を限定するものと解釈されるものではない。

本稿に記載されるさまざまな側面に基づく、患者のスキャンの間にMRスキャナのボア内において用いることのできるMR対応弁を開閉するよう制御される形状記憶合金（SMA）部材（たとえばばね）をもつ弁の断面図である。 本稿に記載されるさまざまな側面に基づく、閉じたポジションにある（たとえばSMAばねの作動後）弁の断面図である。 本稿に記載されるさまざまな側面に基づく、SMAばね（図１および図２）を作動させるとともに該SMAばねを電力サージおよび／または他の損傷を引き起こす事象から保護する制御回路を示す図である。 本稿に記載されるさまざまな側面に基づく、MRスキャナのボアの中または近くに位置されるポンプ、血圧カフまたは他の任意の装置において用いることのできるMR対応弁アセンブリー内のSMAばねを制御する方法を示す図である。

磁気共鳴撮像（MRI）では、強力な磁場が、MR安全でないある種の機器に干渉したり、損傷したり、早すぎる故障を引き起こしたり、引きつけたりすることがある。本稿に記載されるシステムおよび方法は、MR安全な形状記憶合金要素を選好して、電磁的に敏感なコンポーネントの必要性を緩和する。たとえば、上記の弁は、弁への損傷や患者もしくは臨床担当者またはMR機への危険の恐れなしに、MRスキャンの間、患者の近くに置くことができる。

通常の弁とは異なり、形状記憶材料を用いるMR安全な弁は、非磁性であり、MRスキャナのボアに引きつけられる危険を緩和する。その信頼性は、強い磁場によって影響されず、追加的な磁気遮蔽を必要としない。そのような磁気遮蔽は、コストおよび重量を上乗せすることがあり、弁コンポーネントがMR機の磁場のほうに引きつけられることからの患者、臨床担当者および設備へのリスクを増すものである。MR対応弁は、長いホースおよびケーブルの必要性も緩和する。MR安全な設備は、MR手順の間、MR機および患者のより近くにもってくることができるからである。さらに、記載されるMR安全な弁は、圧電材料に比して減少した電気ノイズ放出、重量および電力消費を提供する。ある側面によれば、形状記憶材料の作動を加速し、該材料を電力供給の変動によって引き起こされる損傷から保護する制御回路が設けられる。

このようにして、記載される例は、形状記憶アクチュエータ（たとえばSMAばねまたはワイヤ）を使って空気弁を閉じることを容易にする。形状記憶要素は、弁ばねに抗して作用するよう使われる。駆動回路は迅速、安全かつ反復可能に、形状記憶アクチュエータに動作させる。記載される刷新は、過大な磁場からの設備への損傷の危険なしに、弁をMR環境で動作させることを可能にする。本刷新はまた、設備がボア中に引き寄せられる危険をなくし、MR環境における患者モニタリングおよびMR環境中での空気電力スイッチング（pneumatic power switching）を含め任意の形の電気機械的スイッチングへの応用をもつ。

図１は、本稿に記載されるさまざまな側面に基づく、患者のスキャンの間にMRスキャナのボア内において用いることのできるMR対応弁を開閉するよう制御される形状記憶合金（SMA）部材（たとえばばね）１２をもつ弁１０の断面図である。たとえば、弁は、MRスキャンの間、患者の血圧をモニタリングする血圧カフにおいて用いられてもよい。他の実施形態では、弁は他の空気または流体の弁またはプランジャー（たとえば点滴静注調整器など）において用いられる。圧電セラミックまたは他のMR対応解決策に対する形状記憶材料の利点は、より低いコストおよびより複雑でない駆動回路を含む。記載される弁および／またはポンプは、追加的な磁気遮蔽を使うことなく高磁場において機能できる。そのような弁および／またはポンプは、MRI環境における血圧、呼気および麻酔用ガスの非侵襲的なモニタリングを可能にする。そのような弁および／またはポンプは、MR対応の電気スイッチおよび弁を作り出すために使用されてもよい。図１の弁アセンブリー１０は、たとえばMR環境における使用のための患者モニタおよび／または周辺装置において、通常の磁気モーターおよびソレノイド・コンポーネントの代わりに非磁性材料を使いつつ、性能を改善する。

ある実施形態では、SMA部材またはばね１２はニチノール（たとえばニッケルチタン）ワイヤ、ストリップ、バンドなどであり、固定具１６を介して弁本体１４に結合されている。ただし、温度に対して抵抗の変化を示すいかなる好適なSMAが用いられてもよい。固定具は機械的、化学的または他のいかなる好適な型の固定具であってもよい。ニチノール・ワイヤの抵抗は、該ワイヤが熱せられると変化し、ワイヤは収縮する。SMAばねはプランジャー１８の上にかぶさる。プランジャー１８は、ワイヤの収縮を介して押下されると、弁を閉じる。ある実施形態では、SMAばね１２とプランジャー１８の上面との間に超過圧力ばね（over-pressure spring）（図示せず）が設けられる。

断面においてプランジャー軸のそれぞれの側の複数の点として示されている弁ばね２０は、SMAばねがアクティブ化されるまで弁を開いた状態に維持するよう、プランジャーを上方に付勢する。弁１０が空気弁である場合は、弁ばね２０は任意的であってもよい。アクティブ化されるとき、SMAばねはプランジャーを下方に強制し、弁を閉じ、プランジャー先端２２を弁座２４に押しつけることによって空気（または他の気体または液体）の流れを止める。弁が開いているか閉じているかを決定するために、センサー２６（たとえば位置センサー、圧力センサーまたは他の任意の好適なセンサー）も含められる。ひとたびセンサーが、弁が閉じていることを制御回路５０に対して示すと、制御回路によってSMAばねに供給される電力が、一定の電力レベル（たとえば3Wまたは他の何らかの好適な電力レベル）からパルス幅変調された電力レベル（たとえば約0Wと3Wなどの間の電力レベルをもつパルス）に切り替わって、電力消費を低減し、ばねへの損傷を防ぐ。もう一つの実施形態では、一定の電力レベルが、弁および／または弁が用いられている装置の動作の継続期間にわたって維持される。

形状記憶合金（SMA、スマートメタル、メモリーメタル、記憶合金、筋肉ワイヤ、スマートアロイとしても知られる）は、もとの低温加工された形状を覚えていて、加熱によって変形前の形に戻る合金である。熱は外部源によってまたは当該材料を通じて電流を流すことによって加えられることができる。形状記憶合金は、銅亜鉛アルミニウムニッケル、銅アルミニウムニッケル、ベリリウム銅、銅青銅およびニッケルチタンを含むがこれに限られない。形状記憶合金要素のアクティブ化は、当該要素の温度に依存し、要素材料の状態変化を伴う。要素の抵抗率は要素の状態変化とともに変化する。

図２は、本稿に記載されるさまざまな側面に基づく、閉じたポジションにある（たとえばSMAばねの作動後）弁１０の断面図である。弁はSMAばね１２を含み、SMAばね１２は固定具１６を介して弁本体１４に結合されている。作動されたSMAは、弁を閉じた状態に維持するためにプランジャー１８を下方に付勢する。SMAばねがアクティブ化されていないときは、弁を開いた状態に維持するために弁ばね２０がプランジャーを上方に付勢する。アクティブ化されると、SMAばねがプランジャーを下方に強制し、弁を閉じ、プランジャー先端２２を弁座２４に押しつけることによって空気（または他の気体または液体）の流れを止める。弁が開いているか閉じているかを判定するためにセンサー２６も含められる。

図３は、本稿に記載されるさまざまな側面に基づく、SMAばね（図１および図２）を作動させるとともに該SMAばねを電力サージおよび／または他の損傷を引き起こす事象から保護する制御回路５０を示している。この回路は、負荷電流をモニタリングする増幅器５２を有するハイ側電流モニタと、負荷電圧フィードバック点５４と、負荷電流と負荷電圧を乗算する乗算器５６と、電流および電圧を負荷R2（たとえばSMAワイヤ１２）に送達する通過要素５８と、誤差増幅器６０および通過要素駆動器R1とを有する。

本回路はまた、図のような抵抗器R3およびR4を有する電圧分割器をも有する。乗算器５６は負荷（たとえばニチノール・ワイヤ）に送達される電流（I）および電圧（V）を評価して、誤差増幅器６０入力電圧を制御するフィードバック信号を与える。電圧分割器は電圧フィードバック信号を生成し、一方、R1を流れる電流は電流フィードバック信号を与える。これらのフィードバック信号は乗算され（５６）、誤差増幅器６０に与えられて、負荷に一定の電力が送達されることを許容する。電圧または電流の一方を制御するだけの通常のSMA作動アプローチとは対照的に、記載される回路５０は電流および電圧の両方を制御し、乗算器５６を介して、一定の電力レベルを与えるよう電力を制御する。ひとたびSMAばねが収縮し、プランジャーが弁を閉じるよう押下されると、前記一定の電力レベルが維持されるか、あるいは低減されて、電力を節約するためにパルス幅変調が適用される。回路応答は、たとえアクティブ化状態保持時間の間に電力を節約するために制御入力がパルス幅変調されるときでも制御を許容するようチューニングされる。記載される回路は、加えられる電力のフィードバックを与える、加えられる電流かける加えられる電圧のフィードバックを使って、SMAばねにエネルギーを与える。この特徴は、すべてのアクティブ化および遷移状態において最大のアクティブ化電力を加えることによって、一貫したかつ高速のアクティブ化を許容する。

SMAばね１２が加熱されるとき、抵抗が増して、ばねにかかる電圧が増し、ばねを流れる電流が減少する。この場合、乗算器は一定の電力をSMAばねに加えるが、SMAばねへの損傷を避けるために受け容れ可能な限界内でである。ある実施形態では、乗算器は、所定の時間期間にわたって約1Vの制御入力において約3Wの電力を提供し、次いで、供給される電力制御信号が0Vと1Vの間でパルス幅変調されて、電力消費を管理しつつ、ばねを加熱され収縮された状態に維持する。もう一つの実施形態では、乗算器は、所望される時間期間にわたって約1Vの制御信号において約3Wの電力を提供し、その後、弁は開くことを許される。いずれにせよ、負荷を通じる電力は、SMAばねの焼けおよび／または過剰な収縮を避けるために制限される。

図４は、本稿に記載されるさまざまな側面に基づく、MRスキャナのボアの中または近くに位置されるポンプ、血圧カフまたは他の任意の装置において用いることのできるMR対応弁アセンブリー内のSMAばねを制御する方法を示している。１００では、一定の電力レベルがSMAばねに供給される。一例では、電力レベルは約2〜5Wの範囲内である。もう一つの例では、電力レベルは約3Wである。１０２では、一つまたは複数の弁パラメータがモニタリングされる。たとえば、弁内または弁が用いられている血圧カフ内の圧力がモニタリングされることができる。もう一つの例では、弁が開放状態または閉鎖状態のいずれにあるかを判定するのを容易にするよう、プランジャー位置がモニタリングされる。

１０４では、トリガー・イベントが検出される。たとえば、ひとたび圧力が所定の圧力閾値を超えたと判定されたら、弁は閉じていると判定される。もう一つの例では、プランジャーの位置が閉じたバルブを示すという判定が、トリガー・イベントとして使われる。１０６では、トリガー・イベントの検出に際して、SMAばねを作動させるためにSMAばねに供給される一定の電力が、低減され、パルス幅変調され（たとえば約0Wと3Wの間の電力レベルまたは他の何らかの好適な低減した電力レベルをもつパルス）、SMAばねをそのアクティブ状態に維持しながら、電力消費を制御する。ある実施形態では、トリガー・イベントの検出と供給される電力の調整との間で、所定の時間期間（たとえばミリ秒、秒などのオーダー）がカウントダウンされる。１０８では、所定の動作時間期間の満了に際して、SMAばねへの電力が停止される。たとえば、所定の動作時間期間は、患者の血圧測定を可能にするために、約40秒であってもよい。いずれにせよ、動作時間期間は、弁が用いられる装置において弁がその機能を実行するために閉じたままである近似的な時間の長さを表わす。

本革新について、いくつかの実施形態に言及しつつ述べてきた。上記の詳細な説明を読み、理解すれば、他の者にも修正や変更が思いつくであろう。本革新は、付属の請求項またはその等価物の範囲にはいる限りにおいてそのようなすべての修正および変更を含むものとして解釈されることが意図されている。

Claims (20)

1. 磁気共鳴（MR）対応弁を作動させる弁アクチュエータであって：
   作動されたときに弁プランジャーを押して前記MR対応弁内の弁座とかみ合わさせる形状記憶合金（SMA）部材と；
   前記SMA部材を作動させて前記SMA部材をアクティブ状態に維持するよう前記SMA部材に電力信号を提供する制御回路とを含む、
   弁アクチュエータ。
2. 前記SMA部材が、作動されたときに収縮して前記プランジャーを下方に付勢するニチノール・ワイヤである、請求項１記載の弁アクチュエータ。
3. 前記制御回路は、前記ニチノール・ワイヤを作動させるよう前記ニチノール・ワイヤに一定の電力を供給する、請求項２記載の弁アクチュエータ。
4. 前記プランジャーが閉鎖位置にあるときを検出し、前記制御回路に対して前記弁が閉じていることを指示するセンサーをさらに有する、請求項３記載の弁アクチュエータ。
5. 前記センサーは、前記プランジャーが閉鎖位置または開放位置にあることを検出する位置センサーである、請求項４記載の弁アクチュエータ。
6. 前記センサーは、前記弁内の圧力が所定の圧力閾値を超えるときに前記弁が閉鎖状態にあることを判別する圧力センサーである、請求項４記載の弁アクチュエータ。
7. 前記制御回路は、前記弁が閉じているという指示に応答して前記電力信号を低減し、パルス幅変調する、請求項４記載の弁アクチュエータ。
8. 前記制御回路が、電流フィードバック信号および電圧フィードバック信号を測定し、前記電流フィードバック信号と前記電圧フィードバック信号を乗算して電力フィードバック信号を生成する乗算器を含んでおり、前記電力フィードバック信号が、作動中、前記SMA部材に一定の電力信号を提供するために用いられる、請求項１ないし７のうちいずれか一項記載の弁アクチュエータ。
9. 前記SMA部材が：
   銅亜鉛アルミニウムニッケル；
   銅アルミニウムニッケル；
   ベリリウム銅；
   銅青銅；および
   ニッケルチタン、
   のうちの少なくとも一つを含む、請求項１ないし８のうちいずれか一項記載の弁アクチュエータ。
10. 前記プランジャーを前記SMA部材に対するよう上方に付勢する弁ばねをさらに有する、請求項１ないし９のうちいずれか一項記載の弁アクチュエータ。
11. MR対応血圧モニタリング・システムにおいて用いられる、請求項１ないし１０のうちいずれか一項記載の弁アクチュエータ。
12. 磁気共鳴（MR）対応弁を作動させる方法であって：
    作動されたときに弁プランジャーを押して前記MR対応弁内の弁座とかみ合わさせる形状記憶合金（SMA）部材に一定の電力信号を提供する段階と；
    前記弁が閉じられるときを検出するために少なくとも一つの弁パラメータをモニタリングする段階と；
    前記弁が閉じられることを検出すると、電力消費を減らしつつ前記SMA部材をアクティブ状態に維持するために、前記電力信号を調整する段階とを含む、
    方法。
13. 前記SMA部材が、作動されたときに収縮して前記プランジャーを下方に付勢するニチノール・ワイヤである、請求項１２記載の方法。
14. 前記少なくとも一つのモニタリングされるパラメータがプランジャー位置である、請求項１２または１３記載の方法。
15. 前記少なくとも一つのモニタリングされるパラメータが前記弁内の位置であり、前記モニタリングされる圧力が所定の圧力閾値を超えたことを検出する際に前記弁が閉じられることを判別する段階をさらに含む、請求項１２ないし１４のうちいずれか一項記載の方法。
16. 前記電力信号を調整する前記段階が、前記電力信号を低減し、パルス幅変調することを含む、請求項１２ないし１５のうちいずれか一項記載の方法。
17. 一定の電力信号を提供する前記段階が：
    電流フィードバック信号および電圧フィードバック信号を測定し；
    前記電流フィードバック信号に前記電圧フィードバック信号を乗算して電力フィードバック信号を生成し；
    前記電力フィードバック信号を、作動中、前記SMA部材に対して前記一定の電力信号を生成することを含む、
    請求項１２ないし１６のうちいずれか一項記載の方法。
18. 前記SMA部材が：
    銅亜鉛アルミニウムニッケル；
    銅アルミニウムニッケル；
    ベリリウム銅；
    銅青銅；および
    ニッケルチタン、
    のうちの少なくとも一つを含む、請求項１２ないし１７のうちいずれか一項記載の方法。
19. 磁気共鳴（MR）対応弁を閉じる形状記憶合金（SMA）部材を作動させる制御回路であって：
    前記SMA部材を作動させ、前記SMA部材に前記弁を閉じるよう弁プランジャーに接触して押下させるよう、一定の電力信号を前記SMA部材に与えるドライバと；
    測定されたフィードバック電流に測定された電圧電流を乗算して、前記一定の電力信号を維持するために使われるフィードバック電力信号を生成する乗算器とを有しており、
    当該制御回路は、前記弁が閉じられるという指示に応答して、電力を節約し、かつ前記SMA部材をアクティブ状態に維持するよう、前記電力信号を低下させてパルス幅変調するよう構成されている、
    制御回路。
20. 前記SMA部材が、前記弁を閉じ、前記電力信号が打ち切られるまで前記弁を閉じた状態に維持するよう、作動されたときに弁プランジャーを下方に付勢するニチノール・ワイヤである、請求項１９記載の制御回路。

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