JP2017505715A - 器具への触覚フィードバックの力生成駆動装置（ｇｅｎｅｒａｔｉｎｇ ｆｏｒｃｉｎｇ ｄｒｉｖｅ ｏｆ ｈａｐｔｉｃ ｆｅｅｄｂａｃｋ ｔｏ ｔｈｅ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ） - Google Patents

Abstract

本発明は、医療用シミュレータにおいて、細長器具を用いた操作によって触覚を提供するデバイスに関するものである。駆動装置において、器具運動の反作用は非接触で行われ、これにより、プログラムによって設定される触覚の精度を向上することができる。器具の前後方向移動デバイスおよび調節ブレーキ機構は、リニア電磁モーター１の形で一緒に実現され、器具の回転方向移動デバイスおよび調節ブレーキ機構は電磁モーター２の形で一緒に実現され、磁石を内蔵した細長器具９がリニア電磁モーター１内に配置されており、電磁モーター２のローターと相互作用する器具９の調節された前後運動を行う。

Description

本発明は、医療機器に関し、細長器具を用いた操作によって、触覚を提供するデバイスに関するものである。これは、主に、教育過程時の医療用シミュレータにおいて、カテーテルおよびその他の器具が、仮想環境との連係用（ｆｏｒ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ）の入口に挿通されるときに、医療インターベンション（ｍｅｄｉｃａｌ ｉｎｔｅｒｖｅｎｔｉｏｎ）のシミュレーションによって使用される。

入力デバイス用の力フィードバックの発明（露国特許第２４６１８６６号明細書、ＩＰＣ Ｇ０６Ｆ ３／０１、２００７г（特許文献１））が知られている。この発明は、入力デバイスおよび移動端末へのデータ入力による指への触覚フィードバックに関するものである。

前記入力デバイスは、前記入力デバイスのタッチ面のスイッチオンを確認するために、指接触の検出手段および指への触覚フィードバック提供手段を備える。前記触覚フィードバック提供手段は、形状記憶金属製の３つの細長部材を有する。各細長部材は、１つの変位手段と相互作用（協働）し、且つ、自己以外の細長部材とは別の方向に短くなるように配置されている。前記デバイスは、データ入力により指への触覚フィードバックを提供する。

実際の医療用器具においては、数十センチまでの変位が必要であるが、わずかな変位（前記部材の長さの３〜５％、形状記憶あり）しか与えないため、前記デバイスは、細長医療用器具（カテーテル等）には使用できない。

画像案内式ロボット補助型外科訓練の技術的解決に使用されるロボットデバイス（米国特許出願公開第２０１３／０２２４７１０号明細書、国際出願日：２０１１年９月１日（特許文献２））が知られている。前記自動デバイスは、熟練した外科医によって実行されたインターベンション過程を記録し、それを、そのスキルを学んでいる研修医に、触覚も含めて再演する。前記デバイスは、自由度４を有する。前記デバイスの並進運動は、歯車列により実行され、ティースバーは、前記器具の全長に沿って配置されている（特許文献２の図３および図６）。前記デバイスの回転は、２つの球面アーチにより実行される（特許文献２の図２および図３、位置３２８）。前記デバイスの短所は、製造の難しさにある。

力フィードバック生成デバイスの技術的解決のための細長部材用のアクチュエータ（米国特許出願公開第２００７／００６３９７１号明細書、国際出願日：２００６年９月１２日（特許文献３））は、技術的解決および得られた結果において、本発明と最も近く、先行技術とされた。前記アクチュエータは、調節ブレーキ機構（regulated braking mechanism）および器具運動センサーを備えた細長器具の前後方向および回転方向移動デバイスを有する。前後方向および回転方向移動デバイスは、ロールを備えた電磁アクチュエータの形で実現される。プロセッサは、運動センサーから器具の移動に関するデータを継続的に受信し、前記器具が移動する際に計算ブレーキ力を選択する。前記デバイスは、仮想環境との連係用入口にカテーテルまたはその他の器具が挿入される医療インターベンションのシミュレーションによって、臨場感を与えるために使用できる。力フィードバック生成デバイス用のアクチュエータのメインブレーキ要素は、ロールと器具との間の摩擦である。前記器具と接する前記ロールの表面が、ブレーキ機構の作用中にすり減ることによって、その設定値に従ってブレーキ力が変化するが、この変化は恒久的なもので、ひいては触覚の設定値の変化につながる。

露国特許第２４６１８６６号明細書 米国特許出願公開第２０１３／０２２４７１０号明細書 米国特許出願公開第２００７／００６３９７１号明細書

解決すべきエンジニアリングタスクは、プログラムにより設定される触覚の向上および駆動装置の強化である。

前記タスクを解決するために、本発明の細長器具への触覚フィードバックの力生成駆動装置は、調節ブレーキ機構と器具運動センサーとをそれぞれ備えた、細長器具の前後方向移動デバイスおよび回転方向移動デバイスを有し、
前記細長器具の前記前後方向移動デバイスおよび前記調節ブレーキ機構は、リニア電磁モーターの形で一緒に実現され、
前記細長器具の前記回転方向移動デバイスおよび前記調節ブレーキ機構は、電磁モーターの形で一緒に実現され、
磁石を内蔵した前記細長器具は、前記リニア電磁モーター内に配置されており、
前記前後方向移動の前記リニア電磁モーターと前記回転方向移動の前記電磁モーターとが、同軸に配置されており、
前記回転方向移動の前記電磁モーターのローターと相互作用する前記細長器具の調節された前後運動を行うことを特徴とする。

図１は、器具への触覚フィードバックの力生成駆動装置の全体図である。 図２は、その全長に沿って溝を備えた細長器具が、ガイドブッシュの歯部とかみ合っている、ローターガイドブッシュと細長器具のスプラインジョイントを表す図である。 図３は、相互作用表面が多面体の表面の形で実現されている、ローターのガイドブッシュへの細長器具のスプラインジョイントを表す図である。 図４は、触覚フィードバックの力駆動装置の適用変形例を表す図である。

器具への触覚フィードバックの力生成駆動装置は、リニア電磁モーター１の形で一緒に実現される器具の前後方向移動デバイスおよび調節ブレーキ機構と、電磁モーターの形で一緒に実現される回転方向移動デバイスおよび調節ブレーキ機構とを有する（図１）。リニア電磁モーター１および電磁モーター２は、同軸に配置され、ボルト３で接続されている。操作時に進行正弦波電磁場（ｔｒａｖｅｌｌｉｎｇ ｓｉｎｅ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ）を生じさせる定リードリニアモーターコイル（Ｃｏｎｓｔａｎｔ−ｌｅａｄ ｌｉｎｅａｒ ｍｏｔｏｒ ｃｏｉｌ）５は、リニア電磁モーター１の本体フレーム４の内側に配置されている。滑り軸受６は、リニア電磁モーター１の正面（ｆａｃｅ）に配置されている。リニアモーター制御装置７および器具運動センサー８は、リニア電磁モーター１の本体フレーム４に配置されている。電磁モーター２は、ステータ本体フレーム（ｓｔａｔｏｒ ｂｏｄｙ ｆｒａｍｅ）１０を有し、その内側にステータコイル１１が配置され、ローター磁石１３は、ローター本体フレーム１２に配置されている。回転軸受１４および回転軸受１４内で収縮しているガイドブッシュ１５は、ローター本体フレーム１２に剛結合され、電磁モーター２の正面（ｆａｃｅ）に配置されている。ステータ本体フレーム１０の内側に、器具９の回転運動センサー１６が配置されている。モーター制御装置１７は、電磁モーター２の本体フレームに配置されている。磁石１８を内蔵した細長器具９は、リニア電磁モーター１内に配置され、例えば、トルクの伝達および器具の前後方向移動を可能にするスプラインジョイントによって、電磁モーター２のローターと相互作用する。図２および３に、ローターガイドブッシュ１５と器具９のスプラインジョイントとの変形例を示す。図２に、ガイドブッシュ１５の歯部とかみ合う溝を全長に沿って備える細長器具９を示す。図３に、器具９と、ガイドブッシュ１５の内壁面とが、多面体の形で実現されている様子を示す。図４に、マイクロプロセッサに基づいて実行されるインターフェースユニット１９が、器具運動センサー８、器具の回転運動センサー１６、リニアモーター制御装置７、およびモーター制御装置１７に接続されている場合の駆動装置の具体的な実現例を示す。

図４に、駆動装置の具体的な実現例を示す。器具への触覚フィードバックの力生成駆動装置は、以下の通りである。モーター１、２がオフの時、細長器具９は、自由に移動および回転でき、その移動および回転の追跡のみが、対応するセンサー８、１６によって行われる。触覚フィードバックの生成は、器具運動を抑制する所定の力を生じさせることにより行われる。器具位置データは、仮想器具の位置が駆動装置内の器具位置に同期する模擬仮想環境において、使用できる。ＥＣＭ（図示しない）からの所定のブレーキ信号２０は、例えば、インターフェースユニット１９に送られ、制御信号２１および２２は、インターフェースユニット１９からモーター制御装置７および１７に、それぞれ送られる。インターフェースユニット１９からモーター制御装置７へ信号２１が設定されると、モーター制御装置７は、リニアモーターコイル５に必要な電圧を設定するための対応する信号を生成する。リニアモーターコイル５内に発生する磁場は、器具９内の磁石１８と相互作用し、オペレーターによって行われる器具運動を抑制（制動）する力を生じさせる。制動力は、リニアモーター制御装置７からリニアモーターコイル５へ設定される電圧によって調節される。電磁モーター２における器具９の回転による制動力も同様に生成される。制御信号２２は、インターフェースユニット１９からモーター制御装置１７へ設定され、モーター制御装置１７は、ステータコイル１１に対応する電圧を設定する。ステータコイル１１内に発生する磁場は、ローター１２の磁石１３と相互作用する。結果として得られたステータコイル１１の磁場は、回転軸受１４を介してローター１２およびガイドブッシュ１５を回し、それに伴って器具９に対する回転力を生じさせる。前記回転力は、オペレーターによる、さらなる器具運動を抑制して、器具９に触覚を創出する。器具回転制動力の値は、ステータコイル１１に設定される電圧を変える事によって、モーター制御装置１７により調節される。リニアモーターコイル５はソレノイドのため、その中で均一な磁場が生じ、器具への効果は全般的に等しく、滑り軸受６にかかる負荷は軽い。駆動装置における摩擦力は、器具９の自由運動によって一定であり、これは電磁場による制動によって維持される。被験駆動装置において、器具運動の反作用は非接触で行われ、これにより、プログラムによって設定される触覚の精度を向上できる。

器具への触覚フィードバックの力生成駆動装置は、プロトタイプでは不可能であった器具の直線運動を、その回転と共に可能にする。前記駆動装置は、医療用シミュレータにおけるデバイス使用の技術的機会を大幅に拡大する自由度２を有する。

Claims (1)

1. 調節ブレーキ機構と器具運動センサーとをそれぞれ備えた、細長器具の前後方向移動デバイスおよび回転方向移動デバイスを有し、
   前記細長器具の前記前後方向移動デバイスおよび前記調節ブレーキ機構は、リニア電磁モーターの形で一緒に実現され、
   前記細長器具の前記回転方向移動デバイスおよび前記調節ブレーキ機構は、電磁モーターの形で一緒に実現され、
   磁石を内蔵した前記細長器具は、前記リニア電磁モーター内に配置されており、
   前記前後方向移動の前記リニア電磁モーターと前記回転方向移動の前記電磁モーターとが、同軸に配置されており、
   前記回転方向移動の前記電磁モーターのローターと相互作用する前記細長器具の調節された前後運動を行うことを特徴とする、細長器具への触覚フィードバックの力生成駆動装置。

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