JP5572155B2 - 温度補償歪み感知カテーテル - Google Patents
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Description
与された特許文献1に記載されている。前記特許文献は、関節継ぎ手によって連結された一連の剛直な連結子を備えた手術を行うためのロボットシステムを記載している。関節継ぎ手には複数のブラッググレーティングが配置されており、そのため、各継ぎ手の屈曲角度は、例えば、干渉計を用いて、ブラッググレーティングによって反射された光の波長の変化を測定することにより、光学的に判定され得る。
大きさおよび方向)を分解するための装置および方法を開示している。レオは、カテーテルの外形を増大することなく、かつ電磁干渉にほぼ影響されない、カテーテルにおける光ファイバー歪み要素の使用を開示している。
前記間隙は、その間隙を形成する構造の弾性歪みの影響だけではなく、基準状態に対する
構造の熱収縮および熱膨張の影響も受ける。
2007/0060847号は、複数の光ファイバー歪みセンサーの代表的な温度を測定し、基準または較正状態に対して温度変化の効果を補償する補正を適用するための方法を記載している。レオはまた、光ファイバー歪みセンサーと灌注流ストリームとの間の熱抵抗の低減のために、光ファイバー歪みセンサーが取り付けられる金属流動導管の使用を開示している。
構造的に、本発明の一実施形態は、医学的処置中に患者内に導入されるのに適合され、かつエンドエフェクタを有する可撓性長尺状本体を備え、前記エンドエフェクタは歪み感知アセンブリを備え、前記歪み感知アセンブリは、変形体と、前記変形体と作動可能に接続された複数の光ファイバー歪みセンサーと、前記複数のファイバー歪センサーの温度を判定するための、前記複数の光ファイバー歪みセンサーに近接した複数の温度センサーとを備える。一実施形態において、前記変形体は液晶ポリマー材料から製造されている。前記複数の温度センサーは、前記複数の光ファイバー歪みセンサーと同数またはそれよりも多い個数だけあり得る。一実施形態において、前記複数の温度センサーの各々は、前記複数の光ファイバー歪みセンサーのうちの対応する1つに対して、前記複数の光ファイバー歪みセンサーの他のものよりも、実質的により接近して配置される。
む断熱材(thermal insulator)が配置され得る。前記スリーブは、前記変形体の屈曲また
は軸線方向の圧縮を実質的に制限することなく、外圧増大による半径方向の圧縮に抵抗するらせんコイルのような構造部材を備え得る。前記光ファイバー歪みセンサーは、例えばファイバブラッググレーティングセンサーまたはファブリーペローセンサーであり得る。前記温度センサーは熱電対であり得る。
と、複数のファイバー歪センサーの温度を判定するための、複数の光ファイバー歪みセンサーに近接した温度センサーとを備える。前記変形体の一部をスリーブが包囲してもよく、前記複数の光ファイバー歪みセンサーおよび温度センサーは、そのスリーブによって包囲された変形体の部分に作動可能に接続されている。一実施形態において、前記スリーブおよび変形体は、それらのスリーブと変形体との間に、環状間隙を形成する。前記スリーブは、変形体の屈曲または軸線方向の圧縮を実質的に制限することなく、外圧増大による半径方向の圧縮に抵抗する構造部材を備え得る。前記環状間隙内には、固体材料を含む絶縁体が配置され得る。前記エンドエフェクタは、前記変形体の遠位端に作動可能に接続されたアブレーションヘッドをさらに備え得る。前記アブレーションヘッドはベース面を有し、そのベース面は、該ベース面と前記変形体との間に軸線方向の間隙を形成するように前記変形体から離間されている。前記変形体は、灌注流の収容のために軸線方向間隙で終了する灌注通路をさらに備え得る。前記灌注流はアブレーションヘッドのベース面を冷却する。
行われ、従って、アブレーション操作52の間に歪み感知アセンブリ20によって経験される実際の力は、ゼロであった。
サー76に近接して配置された温度センサー80も備え得る。温度センサー80は、信号ケーブル84によってシグナルコンディショナ82と作動可能に接続され得る。シグナルコンディショナ82は、マイクロプロセッサー68と作動可能に接続され得る。
1つの光ファイバー歪みセンサー76のみが示されているが、複数の光ファイバー歪みセンサーおよび温度センサー(図示せず)を、例えば並行処理経路または多重化配置などによって用いてもよい。
入来する帰還部分78を、マイクロプロセッサー68によって処理するために、デジタル信号に処理および/または変換する。受信器66は市販の様々な受信装置から選択され得る。例えば、ファブリ−ペロー光ファイバー歪みセンサーに適当な受信器は、カナダのケベック州ケベックのFISOテクノロジーズ(FISO Technologies)製のFPI−HR信号
処理モジュールである。ファイバブラッググレーティング歪みセンサーに適当な受信器は、米国ジョージア州アトランタのミクロン オプティクス(Micron Optics)製のモデルS
M125光学感知インタローゲータ(Optical Sensing Interrogator)である。
品名で販売されている)のような熱可塑性エラストマーからなってもよい。絶縁材料184は、環状間隙183内において変形体110のまわりに巻かれたポリイミドマイラーシート材料を含み得る。
てもよい。
00049号および同第2007/0060847号に開示されているような、液晶ポリマー(LCP)またはポリエーテルエーテルケトン(PEEK)のようなポリマー材料を含み得る。前記特許文献は双方とも、本願の譲受人に譲渡されており、それらの開示は、そこに含まれ得る特別な定義を除いて、参照することにより本願に援用される。チャネル156は、センサー152,154の感知部分の正確な配置を支援する。光ファイバー歪みセンサー152は、ファイバブラッググレーティング(FBG)センサーまたはファブリーペローセンサーを備え得る。
寸法的に、様々なパラメーターについての代表的な限定されない範囲は、約2.3〜mmの全径102と、約0.4〜から0.8〜mmの直径の灌注通路140と、200〜から300〜マイクロメートルのオーダーの代表壁厚150とを有する。
部分124を軸線方向Zに通る熱伝導、およびアブレーションヘッド116と光ファイバー歪みセンサー152との間の熱的結合を低減する。首部分124の壁厚150はまた、力ベクトルFに応じて、温度補償歪み感知アセンブリ100の所望の感度(変位)に調整され得る。首部分124の縮小された首半径126はまた、既存の設計に比べて、増大した環状間隙の厚み132を提供し、それにより操作環境106と光ファイバー歪みセンサー152との間の熱的分離を強化する。
灌注流体145によって満たされる軸線方向間隙146は、アブレーションヘッド116のベース面148を能動的に冷却し、ベース面148と変形体110との間の軸線方向の熱伝導を軽減し得る。
ーションヘッド116の温度、並びに操作環境106と外スリーブ130との間の温度および対流結合よりも安定している傾向にあることである。
流体145が首部分124の温度を支配する構成について、首部分124の温度プロフィルは、所与の軸線方向位置(例えば160)における変形体110の温度において実質的な変化を脱線的に有することなく、ほぼ一定であるか、または少なくとも軸座標Zに関して実質的に直線であり得る。そのような状態において、特に光ファイバー歪みセンサー152および温度センサー154が、感知部分が同一の軸線方向位置160に中心を有するように配置される場合には、単一の温度センサー154は、温度補償を行うのに十分であり得る。
ΔL/L=C・(λt−λr)=ε+α・ΔT 方程式(1)
として表され、
前記式中、ΔT=Tt−Tr 方程式(2)
であり、CはFBG反射波長と歪みと間の線形性の係数であり、εはFBG部分に課され
た弾性歪みであり、αはFBG部分に対する熱膨張の等価係数であり、ΔTは時間tにおけるFBG部分の温度Ttと基準温度Trとの間の差である。見掛け歪みΔL/Lは、光ファイバーセンサーの温度および熱挙動についての知識がなければ、比率ΔL/Lは弾性歪みの結果であるように見えるので、そう呼ばれる。
ε=ΔL/L−α・ΔT=C・(λt−λr)−α・ΔT 方程式(3)
複数のFBG部分については、方程式(3)は、
εi=(ΔL/L)i−αi・ΔTi=C・(λt−λr)−αi・ΔTi 方程式(4)
によって表され得る。前記式中、添字iは、複数のFBG部分のうちの1つを示す。
ΔL/L(i,t)=時間tにおけるFBG部分iの見掛け歪みであり、
ΔT(i,t)=時間tにおけるFBG部分iの温度の変化であり、
αi=FBG部分iの熱膨張の等価係数であり、
λ(i,r)=時間rにおいてFBG部分iによって反射される波長(基準波長)であり、
λ(i,t)=時間tにおいてFBG部分iによって反射される波長であり、
T(i,r)=時間rにおけるFBG部分iの温度(基準温度)であり、
T(i,t)=時間tにおけるFBG部分iの温度である。
ET=変形体110の等価張力(equivalent tension)/圧縮ヤング係数であり、
EF=変形体110の等価曲げヤング係数(equivalent flexural Young modulus)であ
り、
Ix=X軸に関する慣性モーメントであり、
Iy=Y軸に関する慣性モーメントであり、
N(z,t)=時間tにおけるZ軸の方向の垂直力であり、
M(x,t)=時間tにおけるX軸に関する曲げモーメントであり、
M(y,t)=時間tにおけるY軸に関する曲げモーメントである。
ルの形態をとる。例えば、デジタル記憶装置69は、そのような情報が格納される、送信/受信線路74に関連付けられたメモリーチップ、またはバーコード、または歪みセンサーアセンブリ20の本体上または包装材上に位置するRFIDタグを備えてもよい。これに代わって、個々の変形体に特有のデータは、取り外し可能な記憶装置(例えばCD、ROMまたは不揮発性RAM)の品目から、または製造業者のウェブサイトからの安全なダウンロードによって、コンソール67にアップロードされてもよい。
前記式中、F(t)は力のベクトル[F(x,t)、F(y,t)、F(z,t)](例えば図5の力ベクトルFに対応する)であり、ε(t)は個々の光ファイバー歪みセンサー152によって測定された歪みのベクトル[ε1,t,ε2,t,ε3,t]であり、ε0は個々の光ファイバー歪みセンサー152によってゼロ作用力で測定された歪みのベクトル[ε0 1,ε0 2,ε0 3]であり、Kは変形体が一連の既知の力を受けたときに算出される行列である。
または、
であり、これは試験中の特定の歪み感知アセンブリに対して約80gmの弾性力に変わる。
度の温浴中に、先端が外力に接触したり、さもなければ外力を受けたりすることなく、浸漬することによりもたらされた。次いで、約31℃の灌注流体が、蠕動ポンプによって、低流量(約2立方センチメートル)で、歪み感知アセンブリ180を通って揚送された。前記蠕動ポンプは振動流を生成し、その振動流は、十分に遅い(十分に長い期間)場合には、歪み感知アセンブリ180の光ファイバー歪みセンサー152の振動冷却を引き起こし得る。前記流れが歪み感知アセンブリ180を通って増大および減少するに従って、較正のためのデータが集められ、相関が引き出され得る。
Claims (21)
- 医学的処置に使用するためのカテーテルであって、該カテーテルは、
医学的処置の間に患者内に導入されるように適合され、かつエンドエフェクタを有する可撓性長尺状本体を備え、前記エンドエフェクタは歪み感知アセンブリを備え、前記歪み感知アセンブリは、
変形体と、
前記変形体と作動可能に接続された複数の光ファイバー歪みセンサーと、
前記複数のファイバー歪センサーの温度を判定するための、前記複数の光ファイバー歪みセンサーに近接した複数の温度センサーとを備え、前記複数の温度センサーは、前記複数の光ファイバー歪みセンサーと同数またはそれよりも多い個数だけあり、前記複数の温度センサーの各々は、前記複数の光ファイバー歪みセンサーのうちの対応する1つに対して、前記複数の光ファイバー歪みセンサーの他のものよりも、より接近して配置されている、カテーテル。 - 前記変形体の一部分を包囲するスリーブをさらに備え、前記複数の光ファイバー歪みセンサーおよび前記複数の温度センサーは前記変形体の前記部分に作動可能に接続されており、前記スリーブおよび前記変形体は、それらのスリーブと変形体と間に、環状間隙を形成する、請求項1に記載のカテーテル。
- 前記環状間隙内に配置された固体材料をさらに備える請求項2に記載のカテーテル。
- 前記スリーブは、前記変形体の屈曲または軸線方向の圧縮を実質的に制限することなく、外圧増大による半径方向の圧縮に抵抗する構造部材を備える、請求項2に記載のカテーテル。
- 前記構造部材がらせんコイルを備える、請求項4に記載のカテーテル。
- 前記光ファイバー歪みセンサーはファイバブラッググレーティングセンサーである、請求項1に記載のカテーテル。
- 前記温度センサーは熱電対である、請求項1に記載のカテーテル。
- 前記変形体は液晶ポリマー材料を含む、請求項1に記載のカテーテル。
- 前記変形体の遠位端に作動可能に接続されたアブレーションヘッドをさらに備え、前記アブレーションヘッドはベース面を有し、前記ベース面は、前記ベース面と前記変形体との間に軸線方向の間隙を形成するように、前記変形体から離間されており、前記変形体は、灌注流を収容するための、前記軸線方向間隙で終了する灌注通路を備え、前記灌注流は前記アブレーションヘッドの前記ベース面を冷却する、請求項1に記載のカテーテル。
- 変形体と、
前記変形体と作動可能に接続された複数の光ファイバー歪みセンサーと、
前記複数のファイバー歪センサーの温度を判定するための、前記複数の光ファイバー歪みセンサーに近接した複数の温度センサーであって、前記複数の温度センサーは、前記複数の光ファイバー歪みセンサーと同数またはそれよりも多い個数だけあり、前記複数の温度センサーの各々は、前記複数の光ファイバー歪みセンサーのうちの対応する1つに対して、前記複数の光ファイバー歪みセンサーの他のものよりも、より接近して配置されている複数の温度センサーと、
前記変形体の一部分を包囲するスリーブであって、前記複数の光ファイバー歪みセンサーおよび前記温度センサーは、前記スリーブによって包囲された前記変形体の前記部分に作動可能に接続されており、前記スリーブおよび前記変形体は、前記スリーブと前記変形体との間に環状間隙を形成し、前記スリーブは、前記変形体の屈曲または軸線方向の圧縮を実質的に制限することなく、外圧増大による半径方向の圧縮に抵抗する構造部材を備える、スリーブと、
前記環状間隙内に配置された固体材料を含む断熱材とを備える、カテーテル用エンドエフェクタ。 - 前記変形体の遠位端に作動可能に接続されたアブレーションヘッドをさらに備え、前記アブレーションヘッドはベース面を有し、前記ベース面は、前記ベース面と前記変形体との間に軸線方向の間隙を形成するように、前記変形体から離間されており、前記変形体は、灌注流を収容するための、前記軸線方向間隙で終了する灌注通路をさらに備え、前記灌注流は前記アブレーションヘッドの前記ベース面を冷却する、請求項10に記載のエンドエフェクタ。
- カテーテルのエンドエフェクタ用の歪み感知アセンブリであって、前記歪み感知アセンブリは、複数の光ファイバー歪みセンサーと、前記複数の光ファイバー歪みセンサーに近接した複数の温度センサーとを備え、前記複数の温度センサーは、前記複数の光ファイバー歪みセンサーと同数またはそれよりも多い個数だけあり、前記複数の温度センサーの各々は、前記複数の光ファイバー歪みセンサーのうちの対応する1つに対して、前記複数の光ファイバー歪みセンサーの他のものよりも、より接近して配置されている、歪み感知アセンブリと、
前記複数の光ファイバー歪みセンサーに電磁放射を伝達するための、前記複数の光ファイバー歪みセンサーと作動可能に接続された電磁波源と、
前記電磁放射の帰還部分を受信するための、前記複数の光ファイバー歪みセンサーと作動可能に接続された少なくとも1つの受信器であって、前記帰還部分は前記複数の光ファイバー歪みセンサーによって返される、受信器と、
前記複数の光ファイバー歪みセンサーに近接した温度を測定するための、複数の温度センサーと作動可能に接続された少なくとも1つのシグナルコンディショナと、
前記受信器および前記シグナルコンディショナと作動可能に接続されたマイクロプロセッサーと、
前記マイクロプロセッサーと作動可能に接続されたデジタル記憶装置とを備え、前記デジタル記憶装置はマイクロプロセッサーによって実行するための命令を含んでおり、前記命令は、
複数の見掛け歪みを、前記複数の光ファイバーセンサーの各々に対して1つずつ、判定することと、前記複数の見掛け歪みは、前記電磁放射の帰還部分から推定されることと、
複数の熱バイアス成分を、前記複数の見掛け歪みの各々に対して1つずつ、判定することと、前記複数の熱バイアス成分は、前記複数の光ファイバー歪みセンサーに近接した前記温度から推定されることと、
前記複数の光ファイバーセンサーの各々の前記見掛け歪みおよび前記熱バイアス成分に基づいて、前記複数の光ファイバーセンサーの各々に対して弾性歪みを推定することとを含む、歪み感知システム。 - 前記複数の光ファイバーセンサーの各々はファイバブラッググレーティングである、請求項12に記載の歪み感知システム。
- 前記電磁波源はレーザーである、請求項12に記載の歪み感知システム。
- 前記複数の温度センサーの各々は熱電対である、請求項12に記載の歪み感知システム。
- カテーテルの先端に作用する力を判定する方法であって、
複数の光ファイバー歪みセンサーと、前記複数の光ファイバー歪みセンサーに近接した複数の温度センサーとを備える歪み感知アセンブリを提供する工程と、
複数の温度測定値を、前記複数の温度センサーから各々1つずつ、得る工程と、
複数の光ファイバー歪みセンサー温度を、前記光ファイバー歪みセンサーの各々について1つずつ、推定する工程であって、前記複数の温度は前記複数の温度測定値から推定される、工程と、
複数の見掛け歪み測定値を、前記複数の光ファイバー歪みセンサーの各々について1つずつ、得る工程と、
複数の熱バイアス成分を、前記複数の光ファイバー歪みセンサーから各々1つずつ、推定する工程であって、前記複数の熱バイアス成分は、前記複数の光ファイバー歪みセンサー温度から推定される、工程と、
複数の弾性歪みを、前記複数の見掛け歪み測定値および前記複数の熱バイアス成分から、前記複数の光ファイバー歪みセンサーのそれぞれについて1つずつ、推定する工程と、
前記複数の弾性歪みから、前記カテーテルの前記先端に作用された前記力の大きさおよび方向を判定する工程とを有する、方法。 - 前記複数の熱バイアス成分を推測する前記工程は非明示的に行なわれる、請求項16に記載の方法。
- 前記歪み感知アセンブリを提供する工程において提供される前記光ファイバー歪みセンサーはファイバブラッググレーティングを備える、請求項16に記載の方法。
- 前記歪み感知アセンブリを提供する工程において提供される前記複数の光ファイバー歪みセンサーは、3つの光ファイバー歪みセンサーを備える、請求項16に記載の方法。
- カテーテルの先端に作用する力を判定する方法であって、
3つの光ファイバー歪みセンサーと、前記3つの光ファイバー歪みセンサーに近接した複数の温度センサーとを備える歪み感知アセンブリを提供する工程と、
複数の温度測定値を、前記複数の温度センサーから各々1つずつ、得る工程と、
3つの光ファイバー歪みセンサー温度を、前記3つの光ファイバー歪みセンサーの各々について1つずつ、推定する工程であって、前記複数の温度は前記複数の温度測定値から推定される、工程と、
3つの見掛け歪み測定値を、前記3つの光ファイバー歪みセンサーの各々について1つずつ、得る工程と、
前記3つの光ファイバー歪みセンサー温度および前記3つの見掛け歪み測定値から、3つの光ファイバー歪みセンサーの各々に対して1つずつの弾性歪みで、3つの弾性歪みを判定するための工程と、
前記3つの弾性歪みから前記カテーテルの前記先端に作用された前記力の大きさおよび方向を判定する工程とを有する、方法。 - 前記歪み感知アセンブリを提供する工程において提供される前記光ファイバー歪みセンサーはファイバブラッググレーティングを備える、請求項20に記載の方法。
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