JP2020102514A - コイル構造体、三次元磁界発生装置、および、方位・位置測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 患者を搬入する搬入口を設け、内部に患者を収容することのできるコイル構造体、三次元磁界発生装置を提供する。【解決手段】 ｘ，ｙ，ｚ軸に沿う一様磁界を生成するコイル対１１，１２，１３と、ｘ，ｙ，ｚ軸に沿う傾斜磁界を生成するコイル対を備えたコイル構造体１に、ｘ軸と平行に人体を横臥させた状態で搬入可能な空間Ｓを設ける。空間Ｓは、ｘ軸に沿う一様磁界を生成するコイル対１１により囲まれる領域を貫くように配置し、傾斜磁界を生成するコイル対１４，１５，１６を、空間Ｓを介してｙ軸方向またはｚ軸方向に相対するように配置する。【選択図】図１

Description

本発明は、六軸のコイルからなる三次元磁界発生装置に関し、特に、患者を横臥させた状態で収容する空間を設けた三次元磁界発生装置に関する。

近年、医療現場において、内視鏡やカテーテル等の医療用デバイスを患者の生体内に挿入し、患部の映像やデバイスの向き（方位）や位置を確認しながら治療を行うことにより、大がかりな外科手術を回避し、患者の負担を和らげる治療方法が広く採用されている。

医療デバイスの先端部には、患部の映像を撮影するカメラとともに、デバイスの方位・位置を測定するためのセンサが搭載されている。センサとしては、磁界センサを好ましく採用できる。医療用デバイスに磁界センサを埋設し、患者の周りに磁界空間を形成し、磁界センサにより磁界を測定することで、デバイスの方位・位置を演算できる。

ここで、磁界センサによる測定精度は、磁界センサを高感度化し、測定範囲内での磁界強度の差を大きく設けるほど向上する。しかし、磁界センサを高感度化すると磁界センサは大型化し、測定範囲内の磁界強度の差を大きくするためには磁界発生源を近づけるか発生する磁界を強くする必要がある。磁界発生源を近づけると装置内部の空間が小さくなってしまい、磁界を強くすると電流増による発熱や強い磁界による周囲への影響が問題となる。方位・位置測定装置を実用化する場合には、医療用デバイスに搭載するセンサは小型であるほど望ましいため磁界センサの高感度化は難しく、また、装置内部の空間は患者を内包できる程度に大きく設ける必要がある。

この点、特許文献１では、磁界センサとしてＧＳＲセンサを採用し、所定の三次元磁界発生装置を用いて、三次元一様磁界および三次元傾斜磁界からなる三次元磁界空間を形成することにより、十分な測定精度を保ちつつ、センサを小型化でき、かつ、患者を内包できる磁界空間を形成可能な技術が記載されている。

特許６２５６９６２号公報

ところが、特許文献１の三次元磁界発生装置によれば、図６に示すように、三次元傾斜磁界を生成するコイル対１４，１５，１６のいずれかによってコイル構造体１の表面が塞がれ、患者を測定空間に搬入するための搬入口を確保することができないという問題があった。また、それぞれのコイルが大きく、装置の構造が複雑なため、コイルを頑丈に作って強度を持たせ、定盤の上で組み立てると言う一般的な方法では装置全体の重量が著しく大きくなり、膨大な組み立て作業手順により組み付け精度を維持することも困難となり、装置を組み上げることも困難である。

そこで、本発明の目的は、患者を搬入する搬入口を設け、内部に患者を収容することのできる簡単に組み立て可能なコイル構造体、三次元磁界発生装置、および方位・位置測定装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のコイル構造体は、
（１）互いに直行するｘｙｚ軸により規定される三次元空間内に設けられたコイル構造体であって、ｘｙｚ軸に沿う一様磁界を生成する一様磁界生成コイルと、ｘｙｚ軸に沿う傾斜磁界を生成する傾斜磁界生成コイルと、ｘ軸と平行に人体を横臥させた状態で搬入可能な空間と、を備え、該空間は、ｘ軸に沿う一様磁界を生成するコイルにより囲まれる領域を貫くように設けられ、傾斜磁界生成コイルは、該空間を介してｙ軸方向またはｚ軸方向に相対するように配置されることを特徴とする。

（２）一様磁界生成コイルはヘルムホルツコイルから構成され、傾斜磁界生成コイルは位置の計算精度が良好となるよう、発生磁界の直線性に優れる平行４線コイルから構成される。

また、本発明の三次元磁界発生装置は、
（３）上記（１）または（２）に記載のコイル構造体を含み、コイル構造体を支持する支持柱を備えたことを特徴とする。各コイルは必要最小限の強度であり、組み付け時の強度、精度は支持柱によって保証する。

（４）このとき、上記（３）の三次元磁界発生装置は、通電前の状態において、コイル構造体は、外部からの磁界を相殺し、コイル構造体内部の磁界をゼロに維持することが好ましい。

また、本発明の方位・位置測定装置は、
（５）上記（３）または（４）に記載の三次元磁界発生装置と、一軸以上の磁界センサと、磁界センサの測定情報に基づいて磁界センサの方位および位置を演算する演算装置と、を備えたことを特徴とする。

本発明の三次元磁界発生装置によれば、コイル構造体のｘ軸に沿う一様磁界を生成するコイルにより囲まれる領域に検査対象物を収容する空間を設け、該空間を避けて傾斜磁界を生成するコイル対を配置したため、傾斜磁界用のコイル対がコイル構造体の表面に開口した搬入口から患者を搬入し、コイル構造体内、三次元磁界発生装置および方位・位置測定装置の内部に患者を収容することができるという優れた効果を有する。また、家屋を建設するように支持柱を立ててコイルを床や壁のパネルのように設置することで、それぞれのコイルに強度を持たせる必要がないため、装置全体の重量を小さくし、簡単に組み立てることができる。

（ａ）本発明の一実施形態を示すコイル構造体の斜視図、（ｂ）コイル構造体における検査対象物の収容位置を示す概略図である。 コイル構造体の（ａ）平面図、（ｂ）側面図、（ｃ）正面図である。 図１のコイル構造体を構成する、（ａ）ｘ軸、（ｃ）ｙ軸、（ｃ）ｚ軸方向に沿う一様磁界をそれぞれ生成するコイル対を示す概略図である。 図１のコイル構造体を構成する、（ａ）ｘ軸、（ｃ）ｙ軸、（ｃ）ｚ軸方向に沿う傾斜磁界をそれぞれ生成するコイル対を示す概略図である。 方位・位置測定装置の（ａ）側面図、（ｂ）正面図である。 従来のコイル構造体のうち、平行４線コイル対のみを表示した斜視図である。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に基づいて説明する。図１，２に示すように、コイル構造体１は、互いに直行するｘｙｚ軸により規定される三次元空間内に設けられ、ｘ，ｙ，ｚ軸方向に沿う一様磁界をそれぞれ生成するコイル対１１，１２，１３と、ｘ，ｙ，ｚ軸方向に沿う傾斜磁界をそれぞれ生成するコイル対１４，１５，１６を備える。このとき、一様磁界を生成するコイル対１１，１２，１３は、ヘルムホルツコイルであり、傾斜磁界を生成するコイル対１４，１５，１６は平行４線コイルであることが好ましい。

コイル構造体１は、人体等の検査対象物を横臥させた状態でｘ軸と平行（矢印の方向）に搬入可能な空間Ｓを備える。空間Ｓは、ｘ軸に沿う一様磁界を生成するコイル対１１により囲まれる領域Ａ（図３（ａ）参照）を貫くように形成されており、空間Ｓを間に挟み込むように、ｘ，ｙ，ｚ軸方向に沿う傾斜磁界をそれぞれ生成するコイル対１４，１５，１６が配置されている。また、コイル対１１を取り囲むようにして、ｙ軸に沿う一様磁界を生成するコイル対１２と、ｚ軸に沿う一様磁界を生成するコイル対１３が配置されている。

図３に、三次元一様磁界を生成するコイル対を一次元毎に分解して示す。コイル対１１は、ｙ軸方向に相対して配置される一対のコイル１１ａ，１１ｂから構成され、コイル対１２は、ｘ軸方向に相対して配置される一対のコイル１２ａ，１２ｂから構成され、コイル対１３は、ｚ軸方向に相対して配置される一対のコイル１３ａ，１３ｂから構成されている。

図４に、三次元傾斜磁界を生成するコイル対を一次元毎に分解して示す。コイル対１４は、ｚ軸方向に空間Ｓを介して相対して配置される一対のコイル１４ａ，１４ｂから構成され、コイル対１５は、ｚ軸方向に空間Ｓを介して相対して配置される一対のコイル１５ａ，１５ｂから構成され、コイル対１６は、ｘ軸方向に空間Ｓを介して相対して配置される一対のコイル１６ａ，１６ｂから構成されている。

コイル１１ａ，ｂ〜１６ａ，ｂは、略矩形枠状に形成され、枠体内部には複数本の導線（図示無し）が挿通されている。また、挿通された複数本の導線はコネクタを介して接続され、枠体内部を周回してコイルを形成している。本発明のコイル構造体を製造する際には、一のコイル枠を分割し、分割したコイル枠を他のコイル枠に挿通し、内部の導線をコネクタ部分で再接続することで、所望の構成にコイル構造体を組み立てることが可能である。

図３，４に、コイル対１１〜１６を分解した状態を示す。コイル構造体１のサイズは、一辺が０．５ｍ〜３ｍであり、図３，４中の矢印の向きに電流を流すことにより、コイル対１１〜１３は一様磁界、コイル対１４〜１６は傾斜磁界を生成する。このとき、一様磁界は、コイル構造体１の中心部を原点として±２．５ｃｍ〜±１５ｃｍの範囲に形成される。また、このときの傾斜磁界の傾斜度は、約０．０５ｍＧ／μｍ〜１ｍＧ／μｍである。図３（ａ）は、ｘ軸方向に沿う一様磁界を生成するコイル対１１の正面図と斜視図、図３（ｂ）は、ｙ軸方向に沿う一様磁界を生成するコイル対１２の側面図と斜視図、図３（ｃ）は、ｚ軸方向に沿う一様磁界を生成するコイル対１３の平面図である。また、図４（ａ）は、ｘ軸方向に沿う傾斜磁界を生成するコイル対１４の平面図と斜視図、図４（ｂ）は、ｙ軸方向に沿う一様磁界を生成するコイル対１５の平面図と斜視図、図４（ｃ）は、ｚ軸方向に沿う一様磁界を生成するコイル対１６の側面図と斜視図である。

続いて、上述のコイル構造体１を含んで構成した三次元磁界発生装置２および方位・位置測定装置３について説明する。図５に示すように、本発明の三次元磁界発生装置２は、コイル構造体１と、コイル構造体１を支持する支持柱２１から構成されている。また、方位・位置測定装置３は、三次元磁界発生装置２と、カテーテル等の医療デバイス３３に搭載される磁界センサ３１と、磁界センサ３１の三次元空間内における方位・位置を演算する演算装置３２から構成されている。

磁界センサ３１は、医療デバイス３３とともに人体Ｐの内部を移動し、磁界分布強度を測定する。また、磁界センサ３１は、測定した磁界分布強度をデジタル変換して磁界分布強度データを生成し、外部の演算装置３２に転送する。磁界分布強度データを受信した演算装置３２では、所定の演算を実施し、磁界センサ３１の三次元空間内における方位・位置を演算する。なお、磁界センサ３１としては、一軸の磁界センサであるＧＳＲセンサを好ましく採用できる。ＧＳＲセンサは、三次元空間内における磁界分布強度を１ｍＧ以下の分解能で測定可能な高精度の磁界センサである。

このとき、三次元磁界発生装置２は、通電開始前には外部からの磁界を相殺し、コイル構造体内部の磁界をゼロに維持するように構成されている。地磁気、鉄製の機械装置、鉄筋の建物などから生ずる外部磁界をゼロに維持することにより、ｘｙｚ座標系におけるＧＳＲセンサが測定した方向ベクトルの座標位置を精度よく測定することができる。

支持柱２１は、コイル対１１〜１６に沿うように設けられてコイル構造体１を支持している。コイル構造体１の構造は複雑であるため、コイル対１１〜１６自体を補強すると、コイル対１１〜１６の重量が上がり、組み立て作業が困難になる。支持柱２１をもちいることにより、コイル対１１〜１６自体を補強することなく、コイル対１１〜１６を所望の配置に支持することができる。

以上のように構成されたコイル構造体１、三次元磁界発生装置２、および、方位・位置測定装置３によれば、コイル構造体１を構成する全てのコイル対１１〜１６は、空間Ｓに侵入しないため、人体等の検査対象物を横たえた状態でコイル構造体１の内部に向けてｘ軸と平行に搬入することで、各種の測定や試験を実施することが可能である。また、支持柱２１を用いてコイル構造体１を支持することとしたため、各コイル対１１〜１６の重量を抑制でき、運搬や組み立て作業を省力化できる。

その他、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、各部の構成を任意に変更して実施することも可能である。例えば、ｘ，ｙ軸に沿う一様磁界／傾斜磁界を生成するコイルを各々ｙ，ｘ軸に沿う一様磁界／傾斜磁界を生成するコイルとして用いることも可能である。

１ コイル構造体
２ 三次元磁界発生装置
３ 方位・位置測定装置
１１ ｘ軸に沿う一様磁界を生成するコイル対
１２ ｙ軸に沿う一様磁界を生成するコイル対
１３ ｚ軸に沿う一様磁界を生成するコイル対
１４ ｘ軸に沿う傾斜磁界を生成するコイル対
１５ ｙ軸に沿う傾斜磁界を生成するコイル対
１６ ｚ軸に沿う傾斜磁界を生成するコイル対
１７ 空間
２１ 支持柱
３１ 磁界センサ
３２ 演算装置
３３ 医療デバイス
Ｓ 空間
Ｐ 人体

Claims (5)

1. 互いに直行するｘｙｚ軸により規定される三次元空間内に設けられたコイル構造体であって、
   ｘｙｚ軸に沿う一様磁界を生成する一様磁界生成コイルと、ｘｙｚ軸に沿う傾斜磁界を生成する傾斜磁界生成コイルと、ｘ軸と平行に人体を横臥させた状態で搬入可能な空間と、を備え、
   前記空間は、ｘ軸に沿う一様磁界を生成するコイルにより囲まれる領域を貫くように設けられ、
   前記傾斜磁界生成コイルは、前記空間を介してｙ軸方向またはｚ軸方向に相対するように配置されることを特徴とするコイル構造体。
2. 前記一様磁界生成コイルはヘルムホルツコイルから構成され、前記傾斜磁界生成コイルは平行４線コイルから構成される請求項１に記載のコイル構造体。
3. 請求項１または２に記載のコイル構造体を含み、
   前記コイル構造体を支持する支持柱を備えたことを特徴とする三次元磁界発生装置。
4. 通電前の状態において、前記コイル構造体は、外部からの磁界を相殺し、コイル構造体内部の磁界をゼロに維持する請求項３に記載の三次元磁界発生装置。
5. 請求項３または４に記載の三次元磁界発生装置と、前記三次元空間に配置された磁界センサと、前記磁界センサの測定情報に基づいて磁界センサの方位および位置を演算する演算装置と、を備えたことを特徴とする方位・位置測定装置。

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