JP4503412B2 - 触覚センサ及び触覚センサ装置 - Google Patents

Description

本発明は、触覚センサ及び触覚センサ装置に関し、特に内視鏡とともに使用されて、内視鏡の挿入等を容易にする触覚センサ及び触覚センサ装置に関するものである。

医用内視鏡は体内のさまざまな部分の診断・治療に用いられ、低侵襲医療にはかかせない医療器具である。しかし、ほとんどの場合、その適用される部分の内腔は細く、複雑であり、その操作は非常に難しい。例えば、近年、脳梗塞、脳動脈瘤などの治療前後の診断において、血管内視鏡が使われ始めているが、頭蓋内の血管は複雑に屈曲しており、また分岐が多いことから、操作の難易度は高い。

さらに、血管内で医療デバイスを操作するときは、常に血管壁を刺激する可能性があるので、以下のような問題も考慮しなければならない。
（１）血管は強い刺激を受けると、れん縮をおこし、内径が細くなる性質を持っており、これが起きると手術を中断しなければならなくなる。
（２）血管への応力が増加することによって、血管の内膜・中膜の増殖反応や内皮細胞の再生の遅延につながるおそれがある。
（３）血管と医療デバイス間の過度の摩擦により、血管内皮細胞や内膜のはがれがおこるかもしれない。細胞のはがれによって生じた破片は末端の組織での虚血や梗塞につながるおそれがある。

そのため、内視鏡と対象内壁との接触力を測定することは、安全で迅速な診断をするために不可欠である。また、正確な接触力が求まれば、生体組織の剛性を算出することができ、関節軟骨の変性などの診断にも応用できる。

そこで、これまでにも、内視鏡用の触覚センサとしてさまざまな研究がなされている。代表的なものにピエゾ抵抗効果を利用したもの、静電容量センサを利用したもの、レーザ光の反射量変化を利用したものがある。

具体的には、内視鏡等の細径長尺体の先端に、反射体を備え弾性変形可能な反射体取付用触覚体を付設し、反射体取付用触覚体が他の物体に接触したか、どの程度の強さで接触したか等を、反射体からの光により検出可能とする触覚センサは公知である（特許文献１参照。）。

内視鏡等の先端に荷重を受ける球体と、球体を受け持ちする弾性保持材と、光ファイバとを備え、先端が被接触物体に接触した際に、確実に検出可能な細径の触覚センサは公知である（特許文献２参照。）。

カテーテルなどの本体に装着され、本体の外周に配設されるリング状の触覚部と、触覚部と本体との間に配設され、触覚部の被検体との接触による変位によって歪みを生じ歪みによって電気抵抗が変化する感知部を設けたものは公知である（特許文献３参照。）。

一方、内視鏡の分野に限らなければ、ロボットハンド等に用いられる触覚センサとして、画像処理を用いたものが研究されている（特許文献４参照）。

特開平２００１−２１５１５８号公報 特開平２０００−１２１４６０号公報 特開平１１−１９０６７１号公報 特公平０６−００３４０４号公報

上記特許文献１記載のものでは、触覚センサの反射体からの光を検出するので、内視鏡で得ようとする本来の診断画像などは損なわれてしまう。特許文献２記載のものでは、球体が被接触物体に接触した際の球体に内視鏡の軸方向への移動を検出して、接触した力を検出するものであるから、１つの球体では軸心方向の圧縮外力しか求められず、軸心と直交する方向の外力や変形は、複数の触覚センサを配置しなくてはならず構成が複雑となる。

特許文献３記載のものでは、カテーテル本体の外周にリング状の触覚部及び複数の感知部を設ける構成であるから、構造が複雑となってしまう。特許文献４記載のものでは、センサ触覚部の形状の認識やセンサと対象の接触点の検出が必要であるが、同様の構成を内視鏡に転用しようとすると、診断画像は損なわれてしまう。

このように、これまで、さまざまな方式の触覚センサが提案されているものの、脳血管においては、その狭さゆえに実用に耐えられる触覚センサは作られていない。また、これらのセンサは、触覚情報を体外に取り出すために、配線等を追加しなければならず、既存のものに取り付けるためには多大な労力・スペースが必要になる。さらに、これらのセンサによって得られる触覚情報は、センサ1個につき、圧縮力のみの1次元であり、デバイスの曲げ方向の力を考慮に入れたものは少ない。

本発明は上記従来の技術の問題を解決することを目的とするものであり、既存のさまざまな内視鏡の先端に容易に取り付けることができ、しかも内視鏡で得られる画像に影響を及ぼすことなく、内視鏡の先端に被接触体と接触した際の接触圧力を検出する簡単な構成の触覚センサを実現することを課題とする。

本発明は上記課題を解決するために、内視鏡の先端に装着する装着部と、該装着部からのびる弾性体と、該弾性体の先端に取り付けられた透明窓とから成り、内視鏡の先端に装着して使用される触覚センサであって、前記透明窓は、可視領域外の波長の光をカットするカットパターンを含むものであることを特徴とする触覚センサを提供する。

前記可視領域外の波長の光は、近赤外線であることを請求項１記載触覚センサ。

前記弾性体にアクチュエータを組み合わせて成ることを特徴とする請求項１又は２記載の触覚センサ。

本発明は上記課題を解決するために、触覚センサ、撮像手段及びパソコンから成り、前記触覚センサを内視鏡の先端に装着して使用される触覚センサ装置であって、前記触覚センサは、前記内視鏡の先端に装着する装着部と、該装着部からのびる弾性体と、該弾性体の先端に取り付けられた透明窓とから成り、前記透明窓は、可視領域外の波長をカットするカットパターンを含むものであり、 前記撮像手段は、該透明窓部が物体に接触した際の前記カットパターンの前記透明窓内における位置及び大きさの変化を撮影するものであり、前記パソコンは、前記カットパターンの前記透明窓内における位置及び大きさの変化によって、前記透明窓が前記物体から受ける触覚力を算出するものであることを特徴とする触覚センサ装置を提供する。

本発明は上述のように構成されるので、次に記載する効果を奏する。
（１）触覚力を画像処理によって検出するため、従来の電気信号変換型のセンサと比較して、はるかに電磁ノイズの障害を受けにくい触覚センサを得ることができる。さらに、配線のためのスペースを必要とせず、3次元の力を測定することができるので、省スペースが必要なさまざまな既製の内視鏡の先端に容易に取り付けることができる。

（２）本発明に係る触覚センサにおいて、カットパターンとして、IRカットパターンを利用する場合は、可視光を透過するため、従来の診断に用いられる可視光による画像を損なわない。さらに、近赤外光は、体内のおもな光吸収物質であるヘモグロビン及び水による吸収が少なく、生体組織に対して比較的高い透過特性を示すので、パターンを血管内で認識する場合に外乱の影響を受けにくいと考えられる。

本発明に係る触覚センサ及び触覚センサ装置の実施の形態を実施例に基づいて図面を参照して、以下に説明する。

図1及び図２は、本発明に係る触覚センサ及び触覚センサ装置の実施例１を示す。図１は、本発明の触覚センサを内視鏡の先端に装着した図を示し、図２は、本発明に係る触覚センサ装置を示す。発明に係る触覚センサ装置は、触覚センサ、撮像手段（ビームスプリッタ及びＩＲカメラ）、及びパソコンから成る。

図１に示すように、触覚センサ１４は、IR（近赤外線）をカットするパターン４が取り付けられた透明窓部１、弾性体部２、及び筒状のアタッチメント部３とから一体的に構成されている。この触覚センサ１４は、アッタチメント部３を内視鏡７の先端に嵌合して取り付けられる。

弾性体部２は、本実施例ではコイルバネを利用し、その基端（図１中の右端）をアタッチメント部３に取り付け、その先端に透明窓部１が取り付けられている。弾性体部２はこのような構成であるから、内視鏡７の軸方向及び軸方向に直交する方向へ弾性に抗して可動である。

そして、弾性体部２の先端に取り付けられた透明窓部１は、被接触部に当接して被接触部からの力を受けると、内視鏡７に対して内視鏡７の軸方向及び軸方向に直交する方向へ可動であり、被接触部からの力がなくなると元に戻る。

触覚センサ装置において、撮像手段は、ビームスプリッタ８’とIRカメラ１０とから構成される。IRカメラ１０は、従来の診断に用いられるCCDカメラ１３と分岐されて設けられる。具体的には図２に示すように、内視鏡７の光路中にビームスプリッタ８’を設け、このビームスプリッタ８’で分岐された光路中にIRカメラ１０を設置する。

このような構成とすることにより、従来の診断に用いられるCCDカメラ１３で得られる通常の可視光による内視鏡画像と同時に、IRカメラ１０によって、ＩＲ（近赤外線）による画像が取得できる。即ち、透明窓部１に装着したパターン４で可視光領域外の波長の光である近赤外線をカットしたパターン画像が取得できる。

光源９は、従来用いられているものと同じでもよい。また、IRカットパターン４の画像を効果的に取り込むために、IRカメラ１０の前にはIRパスフィルターを挿入し、光源９の内部に取り付けられていた熱線カットフィルターを取り外してもよい。

内視鏡7の長軸方向をz軸、接触力がない場合の透明窓部1の位置を原点とした場合、先端部に働く接触力は、z軸方向の力Fzが圧縮力、x軸、y軸方向の力Fx、 Fyが曲げ力となる。

これらの接触力と先端部の変形の関係を線形であると仮定すると、パターン4の重心位置が( x、 y、 z )にあるときの接触力は、
Fx = kx・x、 Fy = ky・y、Fz = kz・z ・・・・・（a）
と表される。
ただし、kx、 ky、 kz は定数である。

内視鏡7から画像処理システムに取り込まれる画像の倍率Mは、

Ｍ／Ｍｏ＝（ａ−ｆ）／（ａ−ｆ−ｚ） ・・・・・（b）

とあらわされる。ただし、無負荷の状態での内視鏡7の対物レンズ主点から透明窓までの距離、倍率をそれぞれa、Mｏ、内視鏡７の対物レンズの前側焦点距離をfとする。
(a)、(b)式より、

Ｆz＝ｋz（１−Ｍｏ／Ｍ）（ａ−ｆ） ・・・・・(c)
となる。

一方、内視鏡7を通して得られた画像により、透明窓1上のパターン４の位置、面積の情報を得ることができる。そのため、先端部に曲げ力Fx、 Fyが働いた場合、パターン4の重心位置を測定すると、(a)式より、Fx、 Fyを算出することができる。また、先端部に圧縮力が働いた場合、透明窓１上のパターン４の面積Sの変化を測定すると、

Ｍｏ／Ｍ＝（Ｓｏ／Ｓ）^１／２ ・・・・・(d)

であるので、(c)式より、Fzを算出することができる。ただし、Soは無負荷の状態で測定される面積である。

この画像は、IRカメラ１０からパソコン１１に取込まれ、画像処理が施される。また、その結果はパソコン１１に接続されたモニター１２によって、リアルタイムで表示される。

（実験例）
以上の構成で、実際に試作品で実験した結果を以下に記す。今回試作した触覚センサ１４においては、透明窓部には1mm角のIRカットフィルターをφ2.5mmの透明ガラス板に貼り付けたものを用いた。また、弾性体部３としては、線径φ0.18mm×中心径3.32mm×高さ6.5mm、バネ定数0.062N/mmの圧縮ばねを用いた。光源９としてはハロゲン光源を用いた。

さらに、アタッチメント部３としては光通信に用いられる内径φ2.5mmの割スリーブを用い、３つの部分はお互いに接着した。それを内視鏡である工業用ファイバースコープの先端に取り付け、内視鏡を通してIRカットフィルター４の画像の変化をIRビデオスコープで取り込んだ。

センサに圧縮力、曲げ力をそれぞれ加えて画像の変化を測定した結果、圧縮力とパターンの面積、曲げ力とパターンの重心位置の変化には相関関係がみられた。R2値は、圧縮力と面積の平方根の逆数の間には、行き及び戻りでそれぞれ0.951、0.985、曲げ力と重心位置ｘの間には行き及び戻りそれぞれ0.986、0.970、曲げ力と重心位置ｙの間には、行き及び戻りそれぞれ0.984、0.946と高い相関性を示した。

なお、内視鏡の光源、作動距離、透明窓部の背景、透明窓部と内視鏡間の媒質による影響は、画像処理で補正することができた。

以上のようにして、触覚センサ１４は、さまざまな内視鏡７の先端に容易に取り付けられて、圧縮力だけでなく曲げ力も検出できる。

図３は、本発明に係る触覚センサの実施例２を示すに図である。この実施例２の触覚センサは、弾性体部２をアクチュエータ１６と組み合わせた構成を特徴とする。このアクチュエータ１６は、予め設定した力で、長軸方向（Ｚ方向）又は円周方向（Ｘ軸あるいはＹ軸方向）に圧縮、伸展、又は曲げ可能なアクチュエータである。

このような構成として、アクチュエータ１６への入力値(押し込み力あるいは曲げ力)に対する出力値（弾性体部２の変位量）を測定することにより、内視鏡先端に接触させる相手物体表面の剛性を測定できる構成にしてもよい。

なお、上記実施例１、２では、パソコン１１によって、撮影画像を取り込んで画像処理をして触覚力を算出したが、画像処理ソフトを用いてリアルタイムで触覚力を算出してもよいことはいうまでもない。

以上、本発明に係る触覚センサ及び触覚センサ装置を実施するための最良の形態を実施例に基づいて説明したが、本発明はこのような実施例に限定されることなく、特許請求の範囲記載の技術的事項の範囲内で、いろいろな実施例があることは言うまでもない。

産業上の利用の可能性として本発明は、従来の技術に記したような医療分野への応用を目的に開発されたものであるが、原理的に工業用内視鏡の分野にも応用が可能である。

本発明に係る触覚センサの実施例１を説明する図である。 本発明に係る触覚センサ装置の実施例１を説明する図である。 本発明に係る触覚センサの実施例３を説明する図である。

符号の説明

１ 透明窓部
２ 弾性体部
３ アタッチメント部
４ IRカットフィルター
５ イメージガイド
６ ライトガイド
７ 内視鏡
８、８’ビームスプリッタ
９ 光源
１０ IRカメラ
１１ パソコン
１２ 可視領域モニター
１３ CCDカメラ
１４ 触覚センサ
１５ ＩＲ画像およびデータ出力モニター
１６ アクチュエータ

Claims (4)

1. 内視鏡の先端に装着する装着部と、該装着部からのびる弾性体と、該弾性体の先端に取り付けられた透明窓とから成り、内視鏡の先端に装着して使用される触覚センサであって、
   前記透明窓は、可視領域外の波長の光をカットするカットパターンを含むものであることを特徴とする触覚センサ。
2. 前記可視領域外の波長の光は、近赤外線であることを特徴とする請求項１記載の触覚センサ。
3. 前記弾性体にアクチュエータを組み合わせて成ることを特徴とする請求項１又は２記載の触覚センサ。
4. 触覚センサ、撮像手段及びパソコンから成り、前記触覚センサを内視鏡の先端に装着して使用される触覚センサ装置であって、
   前記触覚センサは、前記内視鏡の先端に装着する装着部と、該装着部からのびる弾性体と、該弾性体の先端に取り付けられた透明窓とから成り、
   前記透明窓は、可視領域外の波長をカットするカットパターンを含むものであり、
   前記撮像手段は、該透明窓部が物体に接触した際の前記カットパターンの前記透明窓内における位置及び大きさの変化を撮影するものであり、
   前記パソコンは、前記カットパターンの前記透明窓内における位置及び大きさの変化によって、前記透明窓が前記物体から受ける触覚力を算出するものであることを特徴とする触覚センサ装置。