JP2021081223A - スマートガイドワイヤおよびガイドワイヤ操作システム - Google Patents
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Abstract
Description
本治療において、X線の長時間照射および造影剤の投与による患者の身体への負担が問題となっている。また、治療医師等のX線被曝も問題となっている。そのためにロボット治療の技術開発が活発に取り組まれている(特許文献1、特許文献2)。
生体内(血管内)に挿入するワイヤ先端部、ドライバー部(ドライバー側とも言う。)および両者を連結するワイヤ連結部からなるガイドワイヤとそのガイドワイヤを操作する生体外部のデータ処理装置等からなるスマートガイドワイヤにおいて、
ガイドワイヤのワイヤ先端部に磁石および歪みゲージを備え、ドライバー部(ドライバー側)にはトルクセンサ、トルカー回転量計測装置およびドライバーの回転角度検出センサ、回転速度検出センサを備え、
生体外部に磁気ベクトルセンサグリッドと磁気ベクトルセンサグリッドのデータを使ってワイヤ先端の位置と方位を計算する位置センサデータ処理装置と、
ワイヤ先端の接触圧と曲げ応力、およびドライバー部のトルクと回転量およびドライバーの回転方位と回転速度を計算する応力センサデータ処理装置と回転(回転角度、回転速度)センサデータ処理装置と、計算して求めた計測値を表示する表示装置からなるセンサ内蔵式のスマートガイドワイヤを開発することである。
新要素技術開発の第1課題は、ワイヤ先端のステンレスに着目し、それを着磁してステンレス磁石とし、そこから発する磁界を生体外部の磁気ベクトルセンサグリッドシステムで検知し、センサグリッドのデータを使ってワイヤ先端の位置と方位を計算する位置センサデータ処理装置と計算して求めた位置・方位値を表示する表示装置からなるスマートガイドワイヤを開発することである。
上記センサ内蔵式のスマートガイドワイヤとX線画像から求めた血管網マップと 血管網マップ上に治療患部位置を指定するマーキングシステムと任意の時刻におけるガイドワイヤ先端位置を治療医師に伝達えるシステムと次の時刻における、つまり所定の時間間隔後における次の目標位置へガイドワイヤ先端を誘導するのに必要なトルクとワイヤ押し込み量と回転角を計算して治療医師に伝達するシステムと、この操作を繰り返して治療医師が最終的にスマートガイドワイヤを治療患部位置まで誘導する治療をアシストするガイドワイヤ操作アシストシステムを開発することである。
上記ガイドワイヤ操作アシストシステムにおいて、ドライバーの操作を治療医師に代えてロボット操作システムにするガイドワイヤ操作ロボットシステムを開発することである。
新要素技術開発の第1の課題は、ワイヤの先端のステンレスに着目し、それを着磁してステンレス磁石とし、そこから発する磁界を外部の磁気ベクトルセンサグリッドシステムで検知し、センサグリッドのデータを使ってワイヤ先端の位置と方位を計算するセンサデータ処理装置と計算して求めた位置・方位値を表示する表示装置(位置・方位表示装置)からなるスマートガイドワイヤを開発した。
ここで、ワイヤの先端のステンレスは、コアワイヤ、スプリングコイルおよび補強コイルからなっている。
なお、Md点とは、30%の冷間加工を施した時に50%のマルテンサイト量が生じせしめる温度で、式(1)で示される。
Md30(℃)=413−462(%C+%N)−9.2(%Si)−8.1(%Mn)−13.7(%Cr)−9.5(%Ni)−6(%Cu)−18.5(%Mo) ・・・(1)
本発明者らは、ステンレス磁石の保磁力は100〜1000Oe程度であることを確認した。この値はフェライト磁石や希土類磁石の保磁力の4k〜40kOeと比べてかなり小さいが、磁石形状を細長い形状として、パーミアンス係数を5以上とすることで、50Oe程以下の通常の磁界環境を想定する限り、その磁界による減磁を回避できることに思い至った。なお、磁石の動作点はパーミアンス係数P=L/D(L:磁石の長さ、D:磁石の直径)で決定されるものである。
測定高さ(磁石からの距離)を最大150mmと想定すると、0.1mGという微小磁界を検知することが必要である。そこで、0.1mGという微小磁界を検知することができる高感度マイクロ3軸磁気センサグリッド、つまり磁気ベクトルセンサグリッド(センサグリッドという。)を開発した。このセンサグリッドで、任意の位置にある任意の方向に向いた磁石が発する磁界を検知し、そのセンサグリッドのデータを使ってワイヤ先端の位置と方位を計算することができる計算プログラムを作成した。
本知見をもとに、作成したSI素子の形状を図3に示す。典型的なサイズは、幅は0.2mmで、長さは2mmである。電極はワイヤ両端のワイヤ端子と外部接続用の電極端子2個である。外周部はパーマロイ薄膜で囲い磁気シールドする構造となっている。ただし、ガイドワイヤのサイズは多様であるので、取り付け可能なサイズならば上記数値に限定されるものではない。
またσx=1/2(σx1―σx2)、σy=1/2(σy1―σy2)を先端部の曲げ応力ベクトルσxy=(σx、σy)として求め、ワイヤ先端部の曲がり方向と曲がり強さ(すなわち曲げ角度)を求めることができるようになった。
さらに、任意の時刻において、治療医師にドライバーにかけるトルクおよびトルカーの回転量などの操作の仕方をアドバイスすることによって、あるいは自動操作を行うことによって治療医師をアシストし、X線照射時間を少なくすることを可能とする技術である。
ガイドワイヤのワイヤ先端部に磁石とワイヤ先端部にかかる応力を計測する歪みゲージとを備え、
ガイドワイヤのドライバー部にトルクセンサ、トルカー回転量計測装置、回転角度検出センサ、回転速度検出センサを備え、
生体外部に磁気ベクトルセンサグリッドと、磁気センサグリッドのデータを使ってワイヤ先端の位置と方位を計算する位置センサデータ処理装置と、
ワイヤ先端の接触圧と曲げ応力、およびドライバーのトルク、回転量、回転方位、回転速度を計算する応力センサデータ処理装置と回転センサデータ処理装置と、
計算して求めた計測値を表示する表示装置からなるスマートガイドワイヤである。
以下、詳細に説明する。
なお、Md点とは、30%の冷間加工を施した時に50%のマルテンサイト量が生じせしめる温度で、式(1)で示される。
Md30(℃)=413−462(%C+%N)−9.2(%Si)−8.1(%Mn)−13.7(%Cr)−9.5(%Ni)−6(%Cu)−18.5(%Mo) ・・・(1)
4個張り付けて、4個の磁気回路に連結している。磁気ベクトルセンサの検出感度は、0.01mG〜0.10mGとする。
このセンサグリッドで、任意の位置にある任意の方向に向いたステンレス磁石が発する磁界を検知し、そのセンサグリッドのデータを使ってワイヤ先端の位置と方位を計算することができる計算プログラムを作成し、それを位置センサデータ処理装置に内蔵した。この計測値を表示装置により表示する。
さらに、SI素子は、歪みと同時に外部磁界の影響を受けるので、磁歪ワイヤをパーマロイで環状に囲い磁気シールドすることにした。
SI素子1は、フレキシブル基板11上に形成されているレジスト層11Rの溝12内にアモルファスの磁歪ワイヤ13を配置し、磁歪ワイヤ13の両端には磁歪ワイヤ端子14をそれぞれ設ける。磁歪ワイヤ端子14から接続配線15を介して磁歪ワイヤ電極16(161、162)と接続されている。レジスト層11Rの周囲には磁歪ワイヤ13の磁気シールドするための環状のパーマロイ11Pが形成されている。
生体外部において電子回路から出力されたデータを応力センサデータ処理装置により処理して接触圧および曲げ応力を求めて表示装置により表示する。
トルクセンサ素子1Aは、フレキシブル基板11上に、溝12に配置されている磁歪ワイヤ13と磁歪ワイヤ13の一端の磁歪ワイヤ出力端子141および他端の磁歪ワイヤグランド端子142から構成されるSI素子10が4個(X1、X2、Y1、Y2)配置され、原点(O点)に設けられているグランド共通電極160と磁歪ワイヤグランド端子142の4個とが接合されている。4個の磁歪ワイヤ出力端子141は配線15を介して磁歪ワイヤ出力電極161と接続され、リード線(出力電極用)17により外部へ接続される。グランド共通電極160は配線16を介して磁歪ワイヤグランド電極162と接続され、リード線18(グランド電極用)により外部へと接続される。
トルクセンサは、トルクセンサ素子1Aと図6に示電子回路2Aとからなる。
ガイドワイヤ4は、ワイヤ先端部41、ドライバー部42およびワイヤ連結部からなる。ワイヤ先端部41には、最先端に先端(プラチナ)411、オーステナイト系ステンレスのコアワイヤ412、補強コイル413およびスプリングコイル414からなるステンレス磁石415を構成し、コアワイヤ412の外周部に接触圧および曲げ応力を検知するSI素子31からなる接触圧センサ416が配置されている。
ワイヤ先端部41の回転を41R、ハンドル42Hの回転を42HR、トルカー42Tの回転を42TRにて図示する。
1)ワイヤ先端部41のステンレス磁石315と外部の磁気ベクトルセンサグリッドおよび位置計算データ処理装置を組み合わせて、ガイド先端の位置と方位が求めることができるようになった。
2)ワイヤ先端部の4個の歪ゲージ(SI素子)によって、ワイヤ先端の接触圧力および先端部の曲がり応力、角度、曲がりの向きが測定できるようになった。
3)ドライバー部42のトルカー42Tに取り付けられたトルクセンサ426で、ワイヤの押し込み圧力およびトルカー回転量計測装置425(回転量計測センサ)で、トルカー42Tによるワイヤの送り長さが計測できるようになった。
4)ドライバー部42に取り付けられたトルクセンサ(421、426)、回転方位計(423)、回転速度計(424)によってガイド先端の方位と回転量の操作関係が定量的に把握することができるようになった。
スマートガイドワイヤと、X線画像から求めた血管網マップと、 血管網マップ上に治療患部位置を特定するマーキングシステムと、任意の時刻におけるガイドワイヤ先端位置を治療医師に伝達えるシステムと、次の時刻における、つまり所定の時間間隔後における次の目標位置へガイドワイヤ先端を誘導するのに必要なトルクとワイヤ押し込み量と回転角を計算して治療医師に伝達するシステムと、この操作を繰り返して治療医師が最終的にガイドワイヤを治療患部位置まで誘導する治療をアシストするガイドワイヤ操作アシストシステムである。
データベースを充実することで、より正確な誘導に必要なトルクとトルカー回転量を治療医師に伝えることができることになると期待される。
すなわち、上記のガイドワイヤ操作アシストシステムにおいて、ドライバーの操作を治療医師に代えてロボット操作システムにするガイドワイヤ操作ロボットシステムである。
ガイドワイヤ4のワイヤ先端部41には磁石415とSI素子316を配置し、ドライバー部42にはトルクセンサ(421、426)、トルカー回転量計測装置(425)、ドライバーの回転角度検出センサ(424)、回転速度検出センサ(425)を配置している。
生体外部に磁気ベクトルセンサグリッド、センサグリッドのデータを使ってワイヤ先端の位置と方位を計算する位置センサデータ処理装置が配置されている。
ワイヤ先端の接触圧と曲げ応力およびドライバー部のトルクと回転量およびドライバーの回転方位と回転速度を計算する応力と回転と回転方位センサデータ処理装置と計算して求めた計測値を表示する装置からなる。
そのセンサグリッドのデータを使ってワイヤ先端の位置と方位を計算する。
さらに、SI素子1は、歪みと同時に外部磁界の影響を受けるので、磁歪ワイヤ13をパーマロイ11Pで環状に囲い磁気シールドすることにした。パーマロイ11Pは、幅0.05mm、厚みは5μmの薄膜である。
SIセンサの電子回路2としては、図4に示すように、SI素子23(磁歪ワイヤ13)にパルス電流を通電するパルス発振器21と磁歪ワイヤ13に生じる歪み量に対応したインピーダンス変化をワイヤ電圧変化として取り出して、サンプルホールドするサンプルホールド回路26と、ホールド電圧を増幅して出力する増幅回路27とからなっている。励磁周波数は200MHzとした。
またσx=1/2(σx1―σx2)、σy=1/2(σy1―σy2)を先端部の曲げ応力ベクトルσxy=(σx、σy)として求め、ワイヤ先端部の曲がり方向と曲がり強さ(すなわち曲げ角度)を求めることができる。
ワイヤ先端部の4個のSI素子416によって、ワイヤ先端の接触圧および先端部の曲がり応力、角度、曲がりの向きが測定できた。
ドライバー部42のトルカー42Tに取り付けられたトルクセンサ426で、ワイヤの押し込み圧力およびトルカー回転量計測装置425で、トルカーによるワイヤの送り長さが計測できた。
ドライバー部42に取り付けられたトルクセンサ(421)、電子コンパス423と3軸加速度センサ424とからなる回転方位計および回転方位計の時間変化から計算で回転速度を求める回転速度計によってガイド先端の方位と回転量の操作関係が定量的に把握することができた。
以上、センサ内蔵式のガイドワイヤによって、今まで治療医師の経験と勘に頼っていたガイドワイヤ挿入治療が、手元のドライバーによるガイドワイヤの先端部の移動の定量的関係が把握できるようになり、治療医師は両者の数値関係を見ながら治療ができるようになり、治療が早くより正確に行えるようになると期待される。
上記実施例1に記載したセンサ内蔵式ガイドワイヤとガイドワイヤ操作アシストシステムプログラムからなるものである。
ガイドワイヤ操作アシストシステムプログラムは、ある時刻t(i)におけるガイドワイヤの先端位置に至るまでに時刻t(0)からt(i)までに計測した、血管マップの経路情報とワイヤの先端位置の方位・位置と移動量およびドライバー側のトルク値、ハンドル回転量、トルカーのトルクと回転量とワイヤの送り長さの計測値を総合したデータベース、と 、次の時刻t(i+1)に誘導すべき先端位置までの方位と位置の微小変化量を計算して治療医師に伝えるプログラムと、
X線画像から得た血管の状態から、つまり血管の直径、閉塞度合い、曲がり、距離を考慮して、上記データベースをもとに誘導に必要なドライバーの回転量とトルクおよびトルカーのトルクおよびトルカー回転量を試算して、治療医師に伝えるプログラムと
および治療医師はそのデータを参考に経験値と比較しながら治療を行い、これを繰り返して治療実績をデータベース化したプログラムとからなる。
データベースを充実することで、より正確な誘導に必要なトルクとトルカー回転量を治療医師に伝えることができるようになると期待される。
上記実施例2をベースに、そのガイドワイヤ操作を自動化、つまりロボット操作にしたものである。
ロボット操作は、ガイドワイヤ操作アシストシステムプログラムで得たある任意の時刻t(i)から次の時刻t(i+1)に誘導すべき先端位置までの方位と位置の微小変化量を治療医師に伝え、それを参考に誘導すべき先端位置までの方位と位置の微小移動量を決定し、その値を入力装置で入力して、その入力値が実現できるように、自動的に必要なドライバーの回転量とトルクおよびトルカーのトルクおよびトルカー回転量所定のトルクとトルカー回転量を計算して、ドライバーをコンピュータで操作するロボット操作システムである。
11:フレキシブル基板(基板)、11R:レジスト層、11P:パーマロイ、12:溝、13:磁歪ワイヤ、14:磁歪ワイヤ端子、15:配線、16(161、162):磁歪ワイヤ電極
1A:トルクセンサ素子
10:SI素子(X1、X2、Y1、Y2)、11:フレキシブル基板、12:溝、13:磁歪ワイヤ、141:磁歪ワイヤ出力端子、142:磁歪ワイヤグランド端子、15:配線、160:グランド共通電極、161:出力電極、162:グランド電極、17:リード線(出力電極用)、18:リード線(グランド電極用)
2:電子回路
21:パルス発振器、22:電子スイッチ、23:SI素子、24:高速電子スイッチ、25:コンデンサ、26:サンプルホールド回路、27:増幅器
2A:電子回路
21:パルス発振器、22(22A、22B、22C、22D):電子スイッチ、23(23A、23B、23C、23D):SI素子、24(24A、24B、24C、24D):高速電子スイッチ、25(25A、25B、25C、25D):コンデンサ、26(26A、26B、26C、26D):サンプルホールド回路、27(27A、27B、27C、27D):増幅器、28(28A、28B、28C、28D):電子スイッチ
3:接触圧センサ素子
31:SI素子、311:磁歪ワイヤ、32:コアワイヤ、33:レジンコート
4:ガイドワイヤ
41:ワイヤ先端部、411:先端(プラチナ)、412:コアワイヤ、413:補強コイル、414:スプリングコイル、415:ステンレス磁石、416:接触圧センサ(SI素子)、41R:ワイヤ先端部の回転、42:ドライバー部、42H:ハンドル、42T:トルカー、421:トルクセンサ、422:MCU(マイクロコンピュータユニット)、423:電子コンパス、424:3軸加速度センサ、425:回転量計測センサ(回転量計測装置)、426:トルクセンサ、42HR:ハンドルの回転、42TR:トルカーの回転
Claims (6)
- ガイドワイヤのワイヤ先端部に磁石を備え、
生体外部に磁気ベクトルセンサグリッドと、
前記磁気ベクトルセンサグリッドのデータを使ってワイヤ先端の位置と方位を計算する位置センサデータ処理装置と、
計算して求めた位置と方位の計測値を表示する表示装置とからなることを特徴とするスマートガイドワイヤ。 - ガイドワイヤのワイヤ先端部に磁石と前記ワイヤ先端部にかかる応力を計測する歪みゲージとを備え、
生体外部に磁気ベクトルセンサグリッドと、
前記磁気ベクトルセンサグリッドのデータを使ってワイヤ先端の位置と方位を計算する位置センサデータ処理装置と、
前記ワイヤ先端の接触圧と曲げ応力を計算する応力センサデータ処理装置と、
計算して求めた計測値を表示する表示装置とからなることを特徴とするスマートガイドワイヤ。 - ガイドワイヤのワイヤ先端部に磁石と前記ワイヤ先端部にかかる応力を計測する歪みゲージとを備え、
前記ガイドワイヤのドライバー部にハンドルおよびトルカーにかかる応力および回転量を計測するトルクセンサおよびトルカー回転量計測装置を備え、
生体外部に磁気ベクトルセンサグリッドと、
前記磁気ベクトルセンサグリッドのデータを使ってワイヤ先端の位置と方位を計算する位置センサデータ処理装置と、
前記ワイヤ先端の接触圧と曲げ応力およびドライバー部の前記応力と前記回転量を計算する応力センサデータ処理装置と回転センサデータ処理装置と、
計算して求めた計測値を表示する表示装置からなることを特徴とするスマートガイドワイヤ。 - ガイドワイヤのワイヤ先端部に磁石と前記ワイヤ先端部にかかる応力を計測する歪みゲージとを備え、
前記ガイドワイヤのドライバー部にハンドルおよびトルカーにかかる応力および回転量を計測するトルクセンサおよびトルカー回転量計測装置を備え、
前記ガイドワイヤのドライバー部のハンドル部に回転角度検出センサおよび回転速度検出センサを備え、
生体外部に磁気ベクトルセンサグリッドと、前記磁気センサグリッドのデータを使ってワイヤ先端の位置と方位を計算する位置センサデータ処理装置と、
ワイヤ先端の接触圧と曲げ応力、およびドライバーのトルク、回転量、回転方位、回転速度を計算する応力センサデータ処理装置と回転センサデータ処理装置と、
計算して求めた計測値を表示する表示装置からなることを特徴とするスマートガイドワイヤ。 - 請求項4に記載のスマートガイドワイヤと、
X線画像から求めた血管網マップと、
血管網マップ上に治療患部位置を特定するマーキングシステムと、
任意の時刻におけるガイドワイヤ先端位置を治療医師に伝達するシステムと、
次の時刻における、つまり所定の時間間隔後における次の目標位置へガイドワイヤ先端を誘導するのに必要なトルクとワイヤ押し込み量と回転角を計算して治療医師に伝達するシステムと、
この操作を繰り返して治療医師が最終的にガイドワイヤを治療患部位置まで誘導する治療をアシストすることを特徴とするガイドワイヤ操作アシストシステム。 - 請求項5に記載のガイドワイヤ操作アシストシステムにおいて、
ドライバーの操作を治療医師に代えてロボット操作システムにすることを特徴とするガイドワイヤ操作ロボットシステム。
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