JP5028682B2 - 圧縮力計測装置 - Google Patents

Description

この発明は圧縮力計測装置に関し、特に、可撓性を有する線状体に作用する長手軸方向の圧縮力を計測する圧縮力計測装置に関する。

可撓性を有する線状体は、体内の管の中へ挿入される線状の医療器具として実用化されている。たとえば、血管、尿管、気管支、消化管あるいはリンパ管などの体内にある管に挿入されるガイドワイヤやカテーテル、また、動脈瘤を塞栓するための塞栓用コイルが先端に付いたワイヤなどが知られている。このような線状体は、体内の管の中へ挿入され、体外からの操作によって目的部位まで誘導される。

線状体が挿入される管は必ずしも直線状ではなく、部分的に屈曲や分岐をしている場合が多い。また、管の径は必ずしも一定ではなく、管自体が細くなっていたり、血管内に生じる血栓などの管内部にある障害物によって管の径が細くなっていたりする場合がある。しかし、従来の線状体では、線状体の進行方向前方の状況を検知する手段がなく、線状体の操作を操作者の勘に頼らざるを得ず、体外からの誘導操作には熟練が必要であった。そこで、線状体の進行方向前方における障害物の存在を検知するため、線状体の先端に圧力センサを設ける方法が考えられた（たとえば特許文献１参照）。
特開平１０−２６３０８９号公報

しかしながら、細い線状体の先端に圧力センサを設けることは困難である。たとえば脳血管に挿入するガイドワイヤの直径は０．３５ｍｍ程度であり、このような極細の線状体の先端に小型の圧力センサを設けることは困難である。また、圧力センサの信号を外部に取り出すための信号線を線状体中に挿通することは、さらに困難である。

また、線状体が挿入される管が屈曲している場合や、管の径が細くなっている場合には、線状体の挿入抵抗は、先端の抵抗だけでなく、管との摩擦の影響を受ける。したがって、線状体の先端に設けた圧力センサの検出結果と、操作者の挿入時の力覚とが必ずしも一致しない場合がある。したがって、線状体の先端に圧力センサを設けた場合においても、操作者が外部において指先で把持した線状体の挿入抵抗の力覚情報に基づいて、すなわち操作者の勘に頼って、線状体の操作を実施することになる。また、操作者の力覚は操作者しか知ることができないため、熟練操作者の手技を定量化して経験の少ない操作者へ伝授することは困難である。

それゆえに、この発明の主たる目的は、極細の線状体の挿入抵抗を計測することができ、熟練操作者の手技を定量化して経験の少ない操作者へ伝授することが可能な低価格の圧縮力計測装置を提供することである。

この発明に係る圧縮力計測装置は、可撓性を有する線状体に作用する長手軸方向の圧縮力を計測し、計測値を示す圧縮力信号を出力する計測手段と、圧縮力信号を音声信号に変換し、線状体の映像に同期して映像記録媒体の音声記録部に音声信号を記録するための信号変換手段とを備えたものである。計測手段は、線状体が貫通する貫通孔が形成された本体を含み、線状体に圧縮力が作用するとき、貫通孔の内部において線状体が所定の方向へ湾曲する。計測手段は、さらに、線状体の湾曲の度合いを検出するセンサと、センサの検出結果に基づいて圧縮力信号を生成する信号発生部とを含む。

また好ましくは、音声記録部から再生された音声信号に従って圧縮力の計測値を表示する表示手段が設けられる。

また好ましくは、音声記録部から再生された音声信号に従って、圧縮力の計測値に応じた音声を発生する音声発生手段が設けられる。

また好ましくは、信号変換手段は、圧縮力信号で搬送波を変調して音声信号を生成する変調器を含み、圧縮力計測装置は、さらに、音声記録部から再生された音声信号を復調して圧縮力信号を生成する復調器を備える。

また好ましくは、音声記録部は、ステレオ音声信号のうちの左側音声信号を記録する第１の記録部と、右側音声信号を記録する第２の記録部とを有し、圧縮力信号から生成された音声信号は第１および第２の記録部のうちの一方の記録部に記録され、他方の記録部には線状体の操作中の音声が記録される。

また好ましくは、線状体に予め定められた圧縮力が与えられたときの基準圧縮力信号を生成し、基準圧縮力信号を基準音声信号に変換し、音声記録部から再生された音声信号を圧縮力信号に変換するときの校正信号として基準音声信号を音声記録部に記録する。

また好ましくは、線状体の映像はＸ線透視画像である。
また好ましくは、圧縮力計測装置は、線状体を体内に挿入する医療機器に組み込まれて使用される。

また好ましくは、医療機器は脳動脈瘤の塞栓手術を行なうものである。
また好ましくは、圧縮力計測装置は、線状体の操作を訓練するための訓練用シミュレータに取り付けられて使用される。

また好ましくは、訓練用シミュレータは脳動脈瘤の塞栓手術の訓練を行なうものである。

この発明に係る圧縮力計測装置では、可撓性を有する線状体に作用する長手軸方向の圧縮力を計測し、計測値を示す圧縮力信号を出力する計測手段と、圧縮力信号を音声信号に変換し、線状体の映像に同期して映像記録媒体の音声記録部に音声信号を記録するための信号変換手段とが設けられる。計測手段は、線状体が貫通する貫通孔が形成された本体を含み、線状体に圧縮力が作用するとき、貫通孔の内部において線状体が所定の方向へ湾曲し、さらに、線状体の湾曲の度合いを検出するセンサと、センサの検出結果に基づいて圧縮力信号を生成する信号発生部とを含む。したがって、線状体に作用する長手軸方向の圧縮力を計測するので、体外で計測することが可能であり、極細の線状体の挿入抵抗を検出することができる。また、線状体の先端に圧力センサを設けた場合に比べ、操作者の挿入時の力覚に近い検出結果を得ることができる。また、圧縮力信号を音声信号に変換し、線状体の映像に同期して記録するので、熟練操作者の手技を定量化して経験の少ない操作者へ伝授することができる。また、映像記録媒体の音声記録部に音声信号を記録するので、容易かつ低コストで記録することができる。

図１は、この発明の一実施の形態による線状体操作記録システムの構成を示すブロック図である。図１において、この線状体操作記録システムは、映像カメラ１、マイク２、圧縮力計測器３、変調器４、映像記録装置５、映像モニタ６、スピーカ７、復調器８、および圧縮力表示装置９を備える。

映像カメラ１は、体内の管に挿入されている線状体の先端部およびその周辺のＸ線透視画像を撮像する。映像カメラ１で生成された映像信号は、映像記録装置５の画像入力端子に与えられる。マイク２は、線状体を用いた手術中の音声を音声信号に変換する。マイク２で生成された音声信号は、映像記録装置５のステレオ音声入力端子対のうちの一方の端子（図１では左側音声入力端子）に与えられる。圧縮力計測器３は、線状体の長手軸方向の圧縮力を計測し、その計測値を示す圧縮力信号を出力する。

図２は圧縮力計測器３の要部の外観を示す図であり、図３は図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図であり、図４は図２のＩＶ−ＩＶ線断面図である。図２〜図４において、この圧縮力計測器３は本体１０を備え、本体１０には可撓性を有する線状体１１が挿通される貫通孔１２が形成されている。線状体１１の一方端が操作者の手で操作され、線状体１１の他方端が人体の管に挿入される。

貫通孔１２の両端の開口部の各々には、線状体１１を挿抜し易くするために、テーパ状の入出力ポート１３が形成されている。入出力ポート１３の奥の拘束部１４では、貫通孔１２の直径は線状体１１の直径よりもわずかに大きく、たとえば線状体１１の直径の１０５％〜１２０％である。したがって、線状体１１は、拘束部１４においては長手軸方向以外の方向に移動することはできない。

本体２は、線状体１１に長手軸方向の圧縮力が作用するときに、貫通孔１２の内部における線状体１１の湾曲方向を規定する。すなわち、貫通孔１２は、２つの拘束部１４の間で曲がっており、線状体１１は一方の壁に沿って曲がりながら貫通孔１２を貫通している。また貫通孔１２は、２つの拘束部１４の間で、線状体１１が沿っていない壁側に広がって空間１５を形成している。したがって、空間１５では、紙面と平行方向への線状体１１の動作は貫通孔１２によって制限されない。

一方、入出力ポート１３および空間１５では、紙面と垂直方向の貫通孔１２の高さは線状体１１の直径よりもわずかに大きく、たとえば線状体１１の直径の１０５％〜１２０％であり、紙面と垂直方向への線状体１１の動作は貫通孔１２によって制限されている。すなわち、入出力ポート１３および空間１５では、線状体１１の長手軸方向に垂直な断面における貫通孔３の断面形状は、図４に示すように、長方形状である。このようにして、貫通孔１２の内部における線状体１１の湾曲方向を規定するとともに、線状体１１に長手軸方向の圧縮力が作用したときに線状体１１が湾曲する位置を定めている。

図３に示すように、線状体１１に長手軸方向の圧縮力Ｆが作用すると、貫通孔１２の内部の空間１５において所定の方向へ、すなわち空間１５において線状体１１が沿っていない壁側へ向かって、線状体１１が湾曲する。線状体１１の湾曲に伴い、湾曲の山の高さｈ、すなわち線状体１１が沿っていた壁面から線状体１１までの距離が増加する。本体１０には、湾曲の山の高さｈを検出するための光学式のラインセンサ１６が埋設されている。

ラインセンサ１６は、図５に示すように、線状体１１の湾曲の高さｈの方向に配列された複数の受光素子１６ａを有するアレイセンサである。貫通孔１２の空間１５を介してラインセンサ１６の反対側に光源器１７が本体１０に埋設されている。光源器１７は、空間１５を介してラインセンサ１６に照明光を出射する。

光源器１７から出射された照明光は、線状体１１のない領域ではラインセンサ１６に入射するが、線状体１１のある部分では線状体１１で遮られてラインセンサ１６に入射しない。換言すると、ラインセンサ１６に線状体１１の影ができる。照明光が入射した受光素子１６ａでは大きな光電流が発生し、線状体１１の影に位置する受光素子１６ａでは光電流はほとんど発生しない。したがって、各受光素子１６ａの光電流を検出することにより、線状体１１の空間１５内の位置すなわち線状体１１の湾曲の高さｈを求めることができる。

圧縮力計測器３には、さらに、記憶部１８および圧縮力信号発生部１９が設けられている。記憶部１８には、線状体１１の湾曲の高さｈと圧縮力との相関を示すテーブルが格納されている。圧縮力信号発生部１９は、各受光素子１６ａの光電流を検出することにより、線状体１１の湾曲の高さｈを求め、記憶部１８のテーブルを参照してその高さｈに対する圧縮力を求め、その圧縮力を示す圧縮力信号を生成する。

図１に戻って、圧縮力信号は変調器４に与えられる。変調器４は、圧縮力信号を音声信号に変換する。変調器４で生成された音声信号は、映像記録装置５のステレオ音声入力端子対のうちの他方の端子（図１では右側音声入力端子）に与えられる。すなわち、民生用の映像記録装置であるＶＨＳビデオデッキ、ＤＶＤレコーダ、ＨＤレコーダなどは、音声信号として２０Ｈｚから２０ｋＨｚ程度の周波数の信号を記録できる。また、パソコンもビデオキャプチャーボードなどを使用することにより、映像と音声を同期して記録することができる。

人体の管に挿入される線状体１１は、人の管を傷つけないように、ゆっくりと動かされるので、線状体１１に作用する圧縮力信号のほとんどは、直流成分であり、周波数の分解能は１００Ｈｚ程度あれば十分である。したがって、圧縮力信号を音声信号として記録する場合は、図６に示すように、たとえば１０ｋＨｚ程度の搬送波を圧縮力信号で振幅変調して音声信号を生成すればよい。搬送波の周波数が圧縮力信号の周波数分解能より十分に高いので、圧縮力信号を劣化させることなく記録および再生することができる。なお、振幅変調方式以外の変調方式、たとえば周波数変調方式や位相変調方式で変調してもよい。

映像記録装置５は、記録時には、映像カメラ１からの映像信号と、マイク２からの音声信号と、変調器４からの音声信号とを映像記録媒体（たとえば、ビデオテープ、ＤＶＤ、ハードディスク）に記録する。映像信号は映像記録媒体の映像トラックに記録され、マイク２からの音声信号は映像記録媒体のステレオ音声トラックのうちのたとえば左側音声トラックに記録され、変調器４からの音声信号は映像記録媒体のたとえば右側音声トラックに記録される。これらの音声信号は、映像信号に同期して記録される。

また、映像記録装置５は、再生時には、映像記録媒体に記録された映像信号と音声信号を再生する。再生された映像信号は、画像出力端子を介して映像モニタ６に与えられる。再生されたマイク２の出力音声信号は、たとえば左側音声出力端子を介してスピーカ７に与えられる。再生された変調器４の出力音声信号は、たとえば右側音声出力端子を介して復調器８に与えられる。

映像モニタ６は、映像記録装置５からの映像信号に従って、手術中に撮影されたＸ線透視画像を表示する。スピーカ７は、再生されたマイク２の出力音声信号を音声に変換する。復調器８は、再生された変調器４の出力音声信号を復調して圧縮力信号を生成する。圧縮力表示装置９は、復調器８で生成された圧縮力信号に従って、映像モニタ６で表示されるＸ線透視画像に同期して圧縮力の計測値をレベルメータ、グラフなどで表示する。

次に、この線状体操作記録システムの使用方法について簡単に説明する。線状体１１の操作の熟練者である医師が線状体１１を用いて手術を行なう際、線状体１１の先端部およびその周辺のＸ線透視画像を映像カメラ１で撮影し、手術時の音声をマイク２で捕え、線状体１１に作用する圧縮力を圧縮力計測器３で計測する。映像カメラ１の出力映像信号と、マイク２の出力音声信号と、変調器４の出力音声信号とは、映像記録装置５によって映像記録媒体に記録される。

手術の終了後、映像記録媒体に記録された映像信号と音声信号を再生し、線状体１１の先端部などのＸ線透視画像を映像モニタ６に表示し、スピーカ７で手術中の音声を再生し、線状体１１の圧縮力を圧縮力表示装置９に表示する。手術を行なった熟練した医師は、それらを用いて経験の浅い医師に手技を教える。

この実施の形態では、線状体１１に作用する長手軸方向の圧縮力を計測するので、体外で計測することが可能であり、極細の線状体の挿入抵抗を検出することができる。また、線状体１１の先端に圧力センサを設けた場合に比べ、操作者の挿入時の力覚に近い検出結果を得ることができる。また、圧縮力信号を音声信号に変換し、線状体１１の映像に同期して記録するので、熟練操作者の手技を定量化して経験の少ない操作者へ伝授することができる。

また、マイク２からの音声信号を映像記録媒体のたとえば左側音声トラックに記録し、圧縮力信号を音声信号に変換して映像記録媒体のたとえば右側音声トラックに記録するので、容易かつ低コストで記録することができる。

なお、この実施の形態では、圧縮力表示装置９によって圧縮力の計測値を視覚化して表示したが、圧縮力の計測値をたとえばスピーカによって聴覚化してもよい。たとえば、圧縮力のレベルに応じて音声を大きくしたり、高くするとよい。

また、線状体１１に所定の圧縮力を与えて基準圧縮力信号を生成し、その基準圧縮力信号を基準音声信号に変換し、映像記録媒体の音声トラックから再生された音声信号を圧縮力信号に変換するときの校正信号として基準音声信号を音声トラックに記録してもよい。これにより、より正確な計測値を得ることができる。

また図７は、この線状体操作記録システムを脳動脈瘤の塞栓手術に適用した例を示す図である。この場合の線状体１１はカテーテル２０を脳動脈瘤に誘導するデリバリーワイヤである。線状体１１の先端には、塞栓用の白金コイル２１が設けられている。圧縮力計測器３は、医療器具のＹコネクタ２２内に組み込まれている。Ｙコネクタ２２の出力ポートはカテーテル２０に接続され、Ｙコネクタ２２の２つの入力ポートの一方は生理食塩水や薬剤を注入するための液体注入器２３に接続され、他方の入力ポートから線状体１１が挿入される。

線状体１１の先端は、術者２４の手元操作により、患者２５の血管内を進行し、脳動脈瘤まで誘導される。術者２４は、白金コイル２１を操作して脳動脈瘤の塞栓手術を行なう。線状体１１の先端が血管内を進行して行く様子や塞栓手術の様子のＸ線透視画像は、Ｘ線透視装置２６内に設けられた映像カメラ１で撮影され、映像モニタ６に表示されるとともに、映像記録装置５内の映像記録媒体の映像トラックに録画される。また、手術中の音声は、マイク２で捕えられて映像記録媒体の左側音声トラックに録音される。また、Ｙコネクタ２２内の圧縮力計測器３で生成された圧縮力信号は、変調器４で音声信号に変換されて映像記録媒体の右側音声トラックに録音される。

この適用例では、手術中の操作を記録することができ、たとえばベテランの医師の手術を記録することで、手技の分析が可能となり、若手医師の早期育成に役立てることができる。

また図８は、この線状体操作記録システムを、人体を模擬する訓練用シミュレータ３０に適用した例を示す図である。図８において、訓練用シミュレータ３０は、線状体１１が挿入されている人体の管のＸ線透視画像と同等の模擬透視画像を映像モニタ６に表示する。この場合の線状体１１は、カテーテル３１を脳動脈瘤に誘導するガイドワイヤである。訓練用シミュレータ３０は、挿入された線状体１１に対して、挿入抵抗を変化させる。操作時の抵抗力、すなわち圧縮力計測器３によって計測される圧縮力は、シミュレータ３０に設けられた圧縮力表示装置９に表示されるとともに、ケーブル３２を介してシミュレータ３０にも伝えられる。シミュレータ３０は、圧縮力の計測値に応じて線状体１１の挿入抵抗を変化させる。

訓練している術者３３は、映像モニタ６に表示された模擬透視画像と、圧縮力表示装置９にたとえば数字で表示された圧縮力を見ながら線状体１１を操作する。操作中の模擬透視画像と圧縮力は映像記録装置５内の映像記録媒体に記録される。この記録は、術者３３の訓練や評価に利用される。また、映像記録媒体には、熟練者がシミュレータ３０において線状体１１を操作したときの模擬透視画像と圧縮力と熟練者の解説とが記録される。経験の浅い術者は、熟練者の操作記録を再生して熟練者の手技を学ぶことができる。この適用例では、熟練操作者の手技を定量化し、経験の少ない操作者へ伝授することができ、経験の少ない操作者の手技を早期に向上させることができる。

なお、図８では、圧縮力計測器３とシミュレータ３０が分離されているが、圧縮力計測器３をシミュレータ３０内に組み込んでもよい。また、圧縮力表示装置９を除去し、映像モニタ６が模擬透視画像と圧縮力を表示するようにしてもよい。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明の一実施の形態による線状体操作記録システムの構成を示すブロック図である。 図１に示した圧縮力計測器の本体の外観を示す図である。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。 図２のＩＶ−ＩＶ線断面図である。 図１に示した圧縮力計測器の構成を示すブロック図である。 図１に示した変調器の動作を説明するための図である。 図１〜図６に示した線状体操作記録システムの適用例を示す図である。 図１〜図６に示した線状体操作記録システムの他の適用例を示す図である。

符号の説明

１ 映像カメラ、２ マイク、３ 圧縮力計測器、４ 変調器、５ 映像記録装置、６ 映像モニタ、７ スピーカ、８ 復調器、９ 圧縮力表示装置、１０ 本体、１１ 線状体、１２ 貫通孔、１３ 入出力ポート、１４ 拘束部、１５ 空間、１６ ラインセンサ、１６ａ 受光素子、１７ 光源器、１８ 記憶部、１９ 圧縮力信号発生部、２０，３１ カテーテル、２１ 白金コイル、２２ Ｙコネクタ、２３ 液体注入器、２４，３３ 術者、２５ 患者、２６ Ｘ線透視装置、３０ 訓練用シミュレータ、３２ ケーブル。

Claims (11)

1. 可撓性を有する線状体に作用する長手軸方向の圧縮力を計測し、計測値を示す圧縮力信号を出力する計測手段と、
   前記圧縮力信号を音声信号に変換し、前記線状体の映像に同期して映像記録媒体の音声記録部に前記音声信号を記録するための信号変換手段とを備え、
   前記計測手段は、
   前記線状体が貫通する貫通孔が形成された本体を含み、
   前記線状体に前記圧縮力が作用するとき、前記貫通孔の内部において前記線状体が所定の方向へ湾曲し、
   さらに、前記線状体の湾曲の度合いを検出するセンサと、
   前記センサの検出結果に基づいて前記圧縮力信号を生成する信号発生部とを含む、圧縮力計測装置。
2. 前記音声記録部から再生された音声信号に従って前記圧縮力の計測値を表示する表示手段を備えた、請求項１に記載の圧縮力計測装置。
3. 前記音声記録部から再生された音声信号に従って、前記圧縮力の計測値に応じた音声を発生する音声発生手段を備えた、請求項１または請求項２に記載の圧縮力計測装置。
4. 前記信号変換手段は、前記圧縮力信号で搬送波を変調して前記音声信号を生成する変調器を含み、
   前記圧縮力計測装置は、さらに、前記音声記録部から再生された前記音声信号を復調して前記圧縮力信号を生成する復調器を備える、請求項１から請求項３までのいずれかに記載の圧縮力計測装置。
5. 前記音声記録部は、ステレオ音声信号のうちの左側音声信号を記録する第１の記録部と、右側音声信号を記録する第２の記録部とを有し、
   前記圧縮力信号から生成された前記音声信号は前記第１および第２の記録部のうちの一方の記録部に記録され、他方の記録部には前記線状体の操作中の音声が記録される、請求項１から請求項４までのいずれかに記載の圧縮力計測装置。
6. 前記線状体に予め定められた圧縮力が与えられたときの基準圧縮力信号を生成し、前記基準圧縮力信号を基準音声信号に変換し、前記音声記録部から再生された音声信号を前記圧縮力信号に変換するときの校正信号として前記基準音声信号を前記音声記録部に記録する、請求項１から請求項５までのいずれかに記載の圧縮力計測装置。
7. 前記線状体の映像はＸ線透視画像である、請求項１から請求項６までのいずれかに記載の圧縮力計測装置。
8. 前記圧縮力計測装置は、前記線状体を体内に挿入する医療機器に組み込まれて使用される、請求項１から請求項７までのいずれかに記載の圧縮力計測装置。
9. 前記医療機器は脳動脈瘤の塞栓手術を行なうものである、請求項８に記載の圧縮力計測装置。
10. 前記圧縮力計測装置は、前記線状体の操作を訓練するための訓練用シミュレータに取り付けられて使用される、請求項１から請求項７までのいずれかに記載の圧縮力計測装置。
11. 前記訓練用シミュレータは脳動脈瘤の塞栓手術の訓練を行なうものである、請求項１０に記載の圧縮力計測装置。

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