JP6120963B2 - 内視鏡システム - Google Patents
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Description
本発明は、軟性内視鏡のチャンネルを挿通するデバイスに無線給電する内視鏡システムに関する。
米国特許第7824407号明細書には、軟性内視鏡のチャンネルを挿通して体内に挿入されるデバイスとして、生体組織に高周波電流を印加して処置する高周波切開鉗子が開示されている。
また、米国特許第6949068号明細書には、複数の磁気発生素子を有するプローブをチャンネルに挿通し、軟性内視鏡の挿入部の形状を検出して表示する内視鏡形状検出装置が開示されている。
高周波切開鉗子及び内視鏡形状検出装置のプローブ等のデバイスには、動作に必要な電力を供給するためにケーブルが接続されている。しかし、このケーブルは術者の操作に支障をきたし操作性を低下させるおそれがあった。
なお、米国特許第6187002号明細書及び米国特許第6206875号明細書には、トロッカーの送電電極から、トロッカーに挿入された容量型コードレス手術器具の受電電極に、容量結合を介して電力を無線給電することが開示されている。
本発明の実施形態は、軟性内視鏡のチャンネルに挿入される、操作性のよいデバイスを具備する内視鏡システムを提供することを目的とする。
実施形態の内視鏡システムは、撮像部が配設された先端部を含む可撓性の挿入部と、前記挿入部の基端部側に配設された操作部と、前記挿入部を挿通する可撓性のチャンネルと、を有する軟性内視鏡と、前記操作部の挿入口から挿入され、可撓性の前記チャンネルを挿通するデバイスと、高周波電力を出力する電源と、を具備する内視鏡システムであって、前記軟性内視鏡が、第1送電電極及び第2送電電極を含み、前記電源から入力される前記高周波電力により前記チャンネルに印加される交流電界を発生する送電部を有し、前記デバイスが、電力により処置を行う処置部と、可撓性を有し、前記第1送電電極と容量結合する第1受電電極と、可撓性を有し、前記第2送電電極と容量結合する第2受電電極と、を含み、前記送電部とともに前記電源から入力される前記高周波電力の周波数と共振周波数が同じ共振回路を構成する、前記交流電界を受電する受電部と、を有し、前記受電部が受電した電力が、前記処置部に出力される。
更に、別の実施形態の内視鏡システムは、撮像部が配設された先端部を含む可撓性の挿入部と、前記挿入部の基端部側に配設された操作部と、前記挿入部を挿通する可撓性のチャンネルと、を有する軟性内視鏡と、前記操作部の挿入口から挿入され、可撓性の前記チャンネルを挿通するデバイスと、高周波電力を出力する電源と、を具備する内視鏡システムであって、前記軟性内視鏡が、互いに容量結合する第1送電電極及び第2送電電極を含み、前記電源から入力される前記高周波電力の周波数と共振周波数が同じ共振回路を構成する、前記高周波電力により前記チャンネルに印加される交流電界を発生する送電部を有し、前記デバイスが、電力により処置を行う処置部と、互いに容量結合する可撓性を有する第1受電電極及び可撓性を有する第2受電電極を含み、前記電源から入力される前記高周波電力の周波数と共振周波数が同じ共振回路を構成する、前記交流電界を受電する受電部と、を有し、前記受電部が受電した電力が、前記処置部に出力される。
本発明の実施形態によれば、軟性内視鏡のチャンネルに挿入される、操作性のよいデバイスを具備する内視鏡システムを提供できる。
<第1実施形態>
図1に示すように本実施形態の内視鏡システム1は、軟性内視鏡(以下、「内視鏡」という)10と、内視鏡10のチャンネル14に挿通されるデバイスである処置具20と、電源30とを具備する。
図1に示すように本実施形態の内視鏡システム1は、軟性内視鏡(以下、「内視鏡」という)10と、内視鏡10のチャンネル14に挿通されるデバイスである処置具20と、電源30とを具備する。
内視鏡10は、挿入部11と、挿入部11の基端部側に配設された操作部12と、操作部12から延設されたユニバーサルコード13と、を有する。挿入部11は、撮像部15(図2参照)が配設された先端部11Aと、先端部11Aの方向を変えるための湾曲部11Bと、可撓性の細長い軟性部11Cとを含む。操作部12は術者が把持し、先端部11Aの方向操作、送気送水操作、及び内視鏡画像撮影操作等を行う非可撓性部である。これに対して、挿入部11は、口腔又は肛門から消化管の内部等に挿入される可撓性部である。
内視鏡10のユニバーサルコード13と接続されたプロセッサ32は、内視鏡システム1の全体の制御を行うCPU等からなる制御部(不図示)を具備し、撮像部15が出力する撮像信号を処理し、モニタ33に内視鏡画像を表示する。プロセッサ32と接続された電源30は、処置具20に高周波電力を供給する。例えば、フットスイッチSW31は電源30の出力をON/OFF制御する。なお、ユニバーサルコード13から分岐した配線が電源30と直接接続されていてもよい。
内視鏡10は、操作部12の挿入口14Aから先端部11Aの開口14Bまで、挿入部11を挿通する樹脂チューブからなる可撓性のチャンネル14を有する。
処置具20は、処置部22が配設された先端部21Aと、細長い可撓性の挿入部21Bと、挿入部21Bの基端部側に配設された、術者が体外で操作する操作部21Cと、を有する。処置具20は、挿入口14Aから挿入されチャンネル14を挿通して開口14Bから、先端部21Aが突出する。
先端部21Aは、処置部22である、高周波電流が通電される一対のブレード(電極)22A、22B(図3参照)を有する。操作部21Cの操作に応じて鉗子の一対のブレード22A、22B(図3参照)に挟持された被処置部である生体組織(患部)LTは、高周波電流によるジュール熱で切除/止血される。
電源30は、例えば、周波数が100kHz以上100MHz以下の高周波電力を出力する。高周波電力の周波数は法令等で使用が認められている周波数から選択されることが好ましく、例えば13.56MHzである。高周波電力の振幅は特に制限はないが波形は正弦波が好ましい。
内視鏡システム1では、処置具20と電源30とは有線接続されていない。しかし、処置具20はチャンネル14に挿入されると、内視鏡10を介して電源30から処置に必要な電力を無線電力伝送により受電する。なお、無線電力伝送は、無線による電力供給と同じ意味である。
すなわち、図2及び図4に示すように、内視鏡10は、第1送電電極18A及び第2送電電極18Bを含み、電源30が出力する高周波電力を交流電界に変換する送電部19を有する。内視鏡10の第1送電電極18及び第2送電電極18Bは、チャンネル14の外周を覆うように敷設されている円筒状の導体からなる。第1送電電極18Aの長さと第2送電電極18Bの径及び長さが略同じ(例えば±20%)で、両者の間には絶縁のためのギャップ(空隙)がある。なお、チャンネル14は、可撓性のチューブ及び分岐管を含み、分岐管の一方は送気吸引管14Xと接続されている。
送電部19は、操作部12及び挿入部11の少なくともいずれかの内部であれば、チャンネル14の一部を置きかえる中空部を有する構成であってもよい。すなわち、本明細書においては、前記構成の中空部を形成する構成要素も、チャンネル14の一部とみなす。
また、電極としての機能上は、第1送電電極18A及び第2送電電極18Bの導体が中空部の内面に露出していてもよいが、チャンネル14は送気吸引等にも用いられるため、中空部の内面は絶縁体で封止されていることが好ましい。
一方、図3及び図4に示すように、処置具20は、第1受電電極28A及び第2受電電極28Bを含み、交流電界を受電する受電部29を有する。処置具20の第1受電電極28A及び第2受電電極28Bは、挿入部21Bの外周面に沿って敷設されている円筒状の導体からなる。第1受電電極28Aの長さと第2受電電極28Bとは、径及び長さが略同じで、両者の間には絶縁のためのギャップ(空隙)がある。
以下、第1送電電極18A及び第2送電電極18Bのそれぞれを送電電極18といい、第1受電電極28A及び第2受電電極28Bのそれぞれを受電電極28という。
なお、受電電極28が配設されている挿入部21Bの一部の領域は、最外周面に導体が露出しないように配設されており、かつ、チャンネル14内に挿通可能であれば、他の領域よりも外径φ(20)が大きくてもよい。
ここで、図5Aに示すように、処置具20が挿入口14Aからチャンネル14に挿入されても、開口14Bから処置部22が突出するまでは、処置具20の受電電極28は、内視鏡10の送電電極18が発生する交流電界を効率良くは受電できない。
これに対して、図5Bに示すように、開口14Bから処置部22が突出した状態では、言い換えれば、処置部22が動作する状態まで処置具20がチャンネル14に挿入された状態では、受電電極28A、28Bは、それぞれ送電電極18A、18Bの内部に挿入された状態となる。このため、内視鏡システム1では開口14Bから処置部22が突出した状態において、受電電極28は送電電極18と強く容量結合し、送電電極18が発生する交流電界を効率良く受電できる。
円筒状のチャンネルの外面に沿って敷設された送電電極18A、18B及び、円筒状の処置具の外面に沿って敷設された受電電極28A、28Bは、共に円筒状である。
このため、図6Aに示すように、第1送電電極18Aの内部に第1受電電極28Aが挿入された状態では、同心円状に対向配置された第1送電電極18Aと第1受電電極28Aとは、第1キャパシタC1を形成する。一方、図6Bに示すように、同心円状に対向配置された第2送電電極18Bと第2受電電極28Bとは、同様に第2キャパシタC2を形成する。
内視鏡システム1では、処置具20は、内視鏡10と導体による物理的接触(接続)がない。しかし、処置具20の受電部29は、内視鏡10の送電部19と容量的に結合する。
この結果、図7に示すように、内視鏡システム1では、内視鏡10の電源30が出力する高周波電力は、キャパシタC1、C2を介して、処置具20の処置部22に出力される。なお、電源30と第2送電電極18Bとを接続している配線は、接地接続されていてもよい。
容量的に結合した受電部29に送電部19からの電力が伝達され、処置具20に電力が供給される。
ここで、容量結合による無線伝送の効率は、送電電極18と受電電極28との容量結合の大きさ、すなわち送電電極18と受電電極28とにより構成されるキャパシタC1、C2の容量CA、CBに比例する。なお、キャパシタC1の容量CAとキャパシタC2の容量CBとは略同じである。
キャパシタの容量Cは、電極間の誘電率εと対向電極面積Aとに比例し、電極間距離gに反比例する。
すなわち、C=εA/g
図6A及び図6Bに示したように、チャンネル14の内径φ(14)は、処置具20の挿入部21Bが、挿通可能なように、挿入部21Bの外径φ(20)よりも大きい。例えばφ(14)=2.8mmであり、φ(20)=2.6mmである。チャンネル14の肉厚を0とみなすと、キャパシタC1、C2の電極間距離gは、互いに同軸で偏心がない場合、0.1mmと非常に短い。また、対向電極面積Aは、短い方の電極の長さLに比例する。
図6A及び図6Bに示したように、チャンネル14の内径φ(14)は、処置具20の挿入部21Bが、挿通可能なように、挿入部21Bの外径φ(20)よりも大きい。例えばφ(14)=2.8mmであり、φ(20)=2.6mmである。チャンネル14の肉厚を0とみなすと、キャパシタC1、C2の電極間距離gは、互いに同軸で偏心がない場合、0.1mmと非常に短い。また、対向電極面積Aは、短い方の電極の長さLに比例する。
このため、送電電極18及び受電電極28の長さは、1cm以上が好ましい。前記範囲以上であれば電力の送受電が可能である。一方、送電電極18及び受電電極28の最大長はチャンネル14の長さDで決定される。例えば、可撓性の内視鏡10のチャンネル長Dは、100cm以上230cm以下程度である。第1送電電極18Aと第2送電電極18Bとの間には所定長αのギャップ(空隙)がある。このため、第1送電電極18A及び第2送電電極18Bの最大長は、おおよそ(D−α)/2となる。受電電極28の最大長も、おおよそ(D−α)/2である。
なお、送電電極18及び受電電極28の長さは、5cm以上100cm以下が、送受電効率及び自己インダクタンスの観点から特に好ましい。
なお、送電電極18と受電電極28との間に、フッ素樹脂などの誘電率εの高い絶縁材料を配設し容量Cを大きくしてもよい。
また、送電電極18と受電電極28との中心位置を偏心させる、又は、送電電極18が敷設されているチャンネルを中央側又は片側に押圧変形して電極間距離gを局部的に小さくする機構により、容量Cを大きくしてもよい。
なお、偏心していない状態で最も容量が大きくなるのは、送電電極18の全長にわたって受電電極28が挿入された状態である。このため、受電電極28の長さは送電電極18の長さより長いことが好ましく、更に、処置具20の開口14Bからの突出量dを考慮すると、2つの受電電極28の長さの合計は、(2つの送電電極18の長さの合計+ギャップα+突出量d)であることが特に好ましい。なお、突出量dは処置具により異なるが、例えば、1cm以上10cm以下である。
なお、送電電極18等の最短長は、回路の寄生容量と、送受電に関わる容量、すなわち、キャパシタC1の容量CAとキャパシタC2の容量CBとの合成容量と、が略同じになる長さである。送受電に関わる容量よりも回路の寄生容量が大きいと、給電電力の多くが処置部に到達しない。
また、送電部から受電部へ入力された電力を、処置部がより多く消費すると、伝送効率がより高くなる。このため、回路の各種抵抗成分に比べて、処置部の負荷、すなわち抵抗が大きいことが好ましい。
すなわち、図2では、送電電極18が、操作部12のチャンネル14に配設されている例を示しているが、軟性部11Cのチャンネル14に配設されていてもよいし、操作部12及び軟性部11Cのチャンネル14に配設されていてもよい。また、第1送電電極18Aが操作部12のチャンネル14に配設されていて、第2送電電極18Bが軟性部11Cのチャンネル14に配設されていてもよい。
また、図3に示した受電電極28は長さが短いが、例えば挿入部21Bの長さと略同じ長さの電極であってもよい。
送電電極18と受電電極28とは、処置部の動作時に強く容量結合する位置に配設されていればよい。なお、可撓性の軟性部11Cの内部に配置される、送電電極18及び受電電極28は可撓性を有している必要がある。
内視鏡システム1では、チャンネル14を活用することで、電極間距離gが短く、対向電極面積Aが広く、容量Cの大きなキャパシタC1、C2を構成できる。
内視鏡10のチャンネル14の長さDは100cm以上と非常に長いが、その大部分は可撓性の軟性部11Cの内部に配置されている。可撓性の長い挿入部11(チャンネル14)を有する軟性内視鏡10を具備する内視鏡システム1は、送電電極18及び受電電極28の長さを、挿入部11の長さに応じて長くできるため、無線電力伝送の効率が高い。
送電電極18及び受電電極28は長さ5cm以上とすることが容易であるが、可撓性の軟性部11Cの内部に配置される送電電極18及び受電電極28は可撓性を有している必要がある。
更に、キャパシタC1、C2は、同心円状の対向電極からなるため、チャンネル14の中で処置具20が長手方向を軸に回転しても、送電電極18と受電電極28とは安定に容量結合する。このため、術者は処置具20の回転を気にすることなく、挿入操作を行える。
すでに説明したように、送電電極18はチャンネル14の外周を覆うように敷設されている円筒状の金属からなる。例えば、可撓性チューブであるチャンネル14の外周面に、蒸着法又はめっき法により、銅等の金属膜を成膜することで、送電電極18を作製できる。
受電電極28も、送電電極18と同様に処置具20の挿入部21Bの外周面に金属膜を成膜することで、送電電極18を作製できる。なお、送電電極18及び受電電極28の表面は絶縁性及び信頼性を担保するために絶縁膜で覆われていることが好ましい。
金属膜からなる送電電極18及び受電電極28は、曲面への敷設が容易で、かつ、可撓性を有する。
ここで、チャンネル長Dの異なる複数の内視鏡であっても、同じ処置具20が使用できることが好ましい。このためには、送電電極18の配設位置は、開口14Bを基準に設定されていることが好ましい。すなわち、内視鏡の送電電極18の重心が開口14Bから所定の距離D1の位置に配設されていればよい。ここで、重心とは、送電又は受電に関わる電極全長の長手方向の中央位置を意味する。電極が長手方向に複数に分割されている場合、その全てを含んだ全長の中央位置である。この場合には、チャンネル長Dの長い内視鏡は、挿入口14Aから送電電極18までの距離D2が、チャンネル長Dの短い内視鏡よりも長くなる。
それぞれの送電電極18が開口14Bから所定の距離D1の位置に配設されている複数の内視鏡と、処置具20と、を具備する内視鏡システムでは、複数の内視鏡が処置具20に対して効率的に無線給電できる。
なお、1つの内視鏡と、それぞれが動作位置までチャンネル14に挿入された状態において、送電部19が発生した交流電界を最も効率良く受けられる位置に受電部29が配設されている複数の処置具とを具備する内視鏡システムが同様の効果を有することはいうまでもない。
図7の等価回路図に示すように、内視鏡システム1では、電源30及び送電部19を含む内視鏡側回路と、受電部29及び処置部22(22A、22B)を含み、電力を消費する負荷部である生体組織LTに電流を印加する処置具側回路とは、導体を介しての物理的接触がない。
しかし、受電部29は、送電部19近傍の空間に発生した非放射の交流電界と容量結合する。容量結合した受電部29を介して処置具20の処置部22に電力が供給される。
内視鏡システム1の処置具20は、電源30と接続された配線(ケーブル)がないため、取り扱いが容易で操作性がよい。更に、送電部19が内視鏡10の内部に配設されているため、発生する電磁界は内視鏡10の外部に漏洩しにくいため、周囲の機器等に対する漏洩電磁界の影響が小さい。また、被処置体である生体と送受電部との距離が担保されているため、発熱の影響が小さい。
また、円筒形の受電電極28は円筒形の送電電極18と同軸であり、同サイズの対向電極の中で対向電極面積が最も大きいため、キャパシタの容量Cが大きい。更に、受電電極28及び送電電極18は、軟性内視鏡10の挿入部11の全長にわたって配設できるため、更に容量を大きくすることが容易である。
また、内視鏡10の内部に送電部19を配設することにより、送電部19と受電部29の相対位置関係が規定されるため、送電部19及び受電部29の間の強い容量結合状態、即ち電力伝送効率の高い状態を安定に維持できるため省エネルギー性にも優れている。
更に、図7に示すように、内視鏡システム1は、内視鏡10の送電部19、処置具20の受電部29を含む送受電回路にインダクタンス素子17を有していてもよい。送受電回路は、インダクタンス成分が加わることにより所定の共振周波数F1の直列共振回路を構成している。
そして、キャパシタC1の容量CA及びキャパシタC2の容量CBを含む回路容量Ctotalと、インダクタンス素子17を含む回路インダクタンスLtotalと、電源30が出力する高周波電力の周波数F0は以下の(式1)の関係になっている。
なお、インダクタンス素子17に替えて、処置具20の受電部29がインダクタンス素子を含んでいてもよいし、送電部19及び受電部29が、それぞれインダクタンス素子を含んでいてもよい。
ここで、共振回路のインダクタンス素子の端子間電圧とキャパシタの端子間電圧とは同電圧になり、インダクタンス素子のインダクタンスはキャパシタのキャパシタンスと特定の周波数でリアクタンスを相殺するように設定される。ここではより本質的なキャパシタの端子間電圧のみを議論すると、端子間電圧は容量に反比例する。よって、キャパシタの容量は大きい方が端子間電圧が小さく、絶縁破壊のリスクを低減できる。しかし、容量が大きすぎると、インダクタンス素子17がなくとも共振回路の自己インダクタンスで自己共振することがあり、制御性が悪くなる。インダクタンス素子を配設し制御性を良くするためには容量は小さい必要がある。このため、絶縁破壊のリスクと制御性とのトレードオフを考慮し容量は設定される。なお、詳説しないが、インダクタンス素子の端子間電圧は、インダクタンスに比例するため、キャパシタンス素子とは逆の振る舞いをする。
ここで、すでに説明したように、内視鏡システム1では、処置具20に出力する電力のON/OFF制御には、スイッチを用いる。図1では、スイッチをフットスイッチ31として例示したが、電源30、内視鏡10の操作部12、又は、処置具20の操作部21Cにスイッチが配設されていてもよい。
電源30と接続されたスイッチ又は電源30に配設されたスイッチは、電源30の出力をON/OFF制御する。操作部12又は操作部21Cに配設されたスイッチは、送電部19又は受電部29の内部回路で電力をON/OFF制御する。なお、送受電回路におけるON/OFF制御に替えて、送受電回路のQ値を増減し送受電効率を大きく変えることでON/OFF制御と同じ効果を得ることもできる。但し、電力量が大きい場合にはQ値減少制御は発熱等の問題が発生するおそれがある。
なお、スイッチは、ボタンスイッチ、タッチジェスチャー対応操作部、又は、音声認識による操作部等であっても良い。
以上の説明のように、内視鏡システム1では、電源30からの出力を開始又は停止するための送電開始停止手段であるスイッチが、電源30とは別体で配設されているか、又は、内視鏡10の操作部12、又は、処置具20に配設されている。
<第1実施形態の変形例>
次に第1実施形態の変形例1〜6の内視鏡システム1A〜1F等について説明する。内視鏡システム1A〜1F等は、すでに説明した内視鏡システム1と同じ構成を具備し、類似しているので、同じ機能の構成要素には同じ符号を付し説明は省略する。
次に第1実施形態の変形例1〜6の内視鏡システム1A〜1F等について説明する。内視鏡システム1A〜1F等は、すでに説明した内視鏡システム1と同じ構成を具備し、類似しているので、同じ機能の構成要素には同じ符号を付し説明は省略する。
内視鏡システム1A〜1F等は、いずれも、内視鏡システム1の効果を有し、更に、それぞれが内視鏡システム1よりも優れた効果を有する。
<変形例1> 共振制御
図8に示すように、内視鏡システム1Aでは、インダクタンス素子17Aがインダクタンス可変素子である。そして、制御部32Aが、共振回路の共振周波数F1が、電源30が出力する高周波電力の周波数F0と一致するように、インダクタンス素子17Aのインダクタンスを調整する。制御部32Aは、例えば、プロセッサ32、電源30又は内視鏡10に配設されている。
図8に示すように、内視鏡システム1Aでは、インダクタンス素子17Aがインダクタンス可変素子である。そして、制御部32Aが、共振回路の共振周波数F1が、電源30が出力する高周波電力の周波数F0と一致するように、インダクタンス素子17Aのインダクタンスを調整する。制御部32Aは、例えば、プロセッサ32、電源30又は内視鏡10に配設されている。
送電電極18と受電電極28との位置関係、又は処置状態等が変化すると、共振回路の共振周波数F1が変化する。しかし、内視鏡システム1Aでは、高周波電力の周波数F0と一致するように共振周波数F1が調整される。
このため、電源30から共振回路への電力入力が高効率である。
なお、送受電回路の共振周波数F1の変化に応じて、制御部32Aが電源30を制御して、高周波電力の周波数F0、又は高周波電力の出力値を変化させてもよい。
なお、以上の説明では、インダクタンス素子17Aを、送電部19Aの一部として説明したが、例えば、インダクタンス素子17A及び制御部32Aはプロセッサ32の一部でもよい。また、インダクタンス素子17A等が処置具20の操作部21Cに配設されていてもよい。すなわち、内視鏡システム1Aはいずれかの構成要素が、インダクタンス素子17A及び制御部32Aを含んでいればよい。
なお、電源30として、出力インピーダンスがゼロでない例えば50Ω電源を用いた場合には、送電部より処置部側のインピーダンスと電源の出力インピーダンスとを一致させることで反射を抑えるようにインピーダンスマッチング回路を送電部の前に配設し、電源30から共振回路への電力入力の効率を高くしてもよい。
キャパシタンス素子、インダクタンス素子等を、2素子以上組み合わせて構成されるインピーダンスマッチング回路は、プロセッサ32の一部でもよいし、処置具20の操作部21Cに配設されていてもよい。
<変形例2> 電極構造
送受電部の電極の構造及び配置によって発生する交流電界の分布及び容量結合状態等は大きく異なる。しかし、送電部19で発生した交流電界と受電部29とが容量結合を生じる構成であれば、無線で電力伝送できる。
送受電部の電極の構造及び配置によって発生する交流電界の分布及び容量結合状態等は大きく異なる。しかし、送電部19で発生した交流電界と受電部29とが容量結合を生じる構成であれば、無線で電力伝送できる。
すなわち、内視鏡システム1では、送電部19の送電電極18及び受電部29の受電電極28として円筒状金属膜を例に説明したが、交流電界の発生/受電のための電極は、円筒状金属膜に限られるものではない。図9A〜図12に、送電電極18及び受電電極28の変形例の電極を示す。
なお、受電部29の受電電極28の構成は送電部19の送電電極18の構成と同じでもよいし、異なっていてもよい。
図9Aの電極8Aは、銅箔等を円筒状とした金属部材、又は銅管等からなる。図9Bの電極8Bは複数の円筒状金属部材を連結し電気的に接続している。それぞれの円筒状金属部材の可撓性が低くとも、電極8Bは可撓性を有する。図9Cの電極8Cは、メッシュ状の金属部材からなるため、可撓性を有する。図9Dの電極8Dは、長手方向にスリットが形成されているため、渦電流による損失低下が小さい。図9Eの電極8Eは、複数のスリットにより分割されているが、電気的には接続されている。電極8Eは、複数の細長い部材に分割されているため可撓性を有する。
図9Fの電極8Fは、スパイラル状である。なお、電極8Fでは隣り合う素線同士は非接触であるが、隣り合う素線同士が互いに接触し導通している、いわゆる密巻きコイルであることが、自己インダクタンス低減のため好ましい。図9Gの電極8Gは、スパイラル状で折り返し部を有する。図9Hの電極8Hは、長手方向の端部に折り返し部を有する。
ここで、処置具20の挿入部21Bには可撓性と機械的強度とを担保するために密巻きのスパイラルコイルが配設されている場合がある。受電電極28を、電極10Fと同じ構造の、処置具20の形状保持用のスパイラルコイルの一部を用いて構成することで、処置具20の小型化及び低コスト化が図られる。
すなわち、形状保持用のスパイラルコイルに通電用の導線を接続することで、受電電極28として用いることができる。なお、形状保持用のスパイラルコイルが、比較的電気抵抗の高いステンレス等からなる場合には、電気抵抗を低減するために、表面に低抵抗金属、例えば、銅又は銀等をめっき法等により形成することが好ましい。又は、ステンレスコイルの少なくとも一部を、受電電極28として用いるために、低抵抗金属からなるコイルに、置換してもよい。
また、図9Iに示す電極8Iは、電極8Bと構造は類似しているが、隣り合う円筒状金属部材が、それぞれ送電電極18A、又は送電電極18Bとして用いられる。すなわち、隣り合う円筒状金属部材は接続されていない。電極8Iでは、可撓性のチャンネル14が、大きく変形し、送電電極18Aと受電電極28Aとの一つ一つの電極間距離gA、送電電極18Bと受電電極28Bとの一つ一つの電極間距離gB、が変化しても、キャパシタC1の容量CAとキャパシタC1の容量CBとが大きく異なる状態にはならない。すなわち、キャパシタC1の容量CAの変化と、キャパシタC1の容量CBの変化と、が平均化される。このため、チャンネル14が、大きく変形しても送受電効率が大きく変化しにくい。
また、図10及び図11等に示すように、長手方向の同じ位置に2組のキャパシタC1、C2が形成されるように送電電極18及び受電電極28が配置されていてもよい。送電電極18と受電電極28とを長手方向に配設する場合に比べて、それぞれの電極長を1/2にしたり、電極長の最大長を2倍にしたりできるため、設計の自由度が高い。
図12に示す内視鏡システム1Bでは、送電電極18が、送電電極18N1〜18N10に10分割されている。送電電極18N1〜18N10は、それぞれのスイッチング素子(不図示)を介して電源30と接続されている。処置具20は、チャンネル14の内部で回転自在である。
内視鏡システム1Bでは、受電電極28と最も強く容量結合している送電電極18N1〜18N10が選択されてキャパシタC1、C2が形成される。なお、電極の分割数は、3以上10以下が好ましい。前記範囲内であれば所定の効果が得られる。
内視鏡システム1Bでは、電極が分割されていても処置具20の長手方向を軸中心とする回転に対する電力伝送効率の変化を抑制できる。
<変形例3> 共鳴構造
図13に示すように、内視鏡システム1Cでは、送電電極18A、18Bが近傍界として交流電界を発生するキャパシタC3を構成している。そして、受電電極28A、28Bが、キャパシタC4を構成しており、前記キャパシタC4はキャパシタC3が発生した交流電界と容量結合する。
図13に示すように、内視鏡システム1Cでは、送電電極18A、18Bが近傍界として交流電界を発生するキャパシタC3を構成している。そして、受電電極28A、28Bが、キャパシタC4を構成しており、前記キャパシタC4はキャパシタC3が発生した交流電界と容量結合する。
例えば、図14Aに示すように送電電極18A及び送電電極18B(受電電極28Aと送電電極18B)が、ダイポールアンテナ状に配置されている。
更に、内視鏡システム1Cでは、送電部19Cと受電部29Cとは、それぞれがインダクタンス素子17C、27Cを含み、独立した共振回路を構成している。そして、送電部19Cの共振周波数F1Cと、受電部の共振周波数F2Cと、高周波電力の周波数F0とは同じである。
なお、送電電極18及び受電電極28は図14B〜図14Eに示すような形態でもよい。図14B〜図14Eは、図14Aに示したダイポールアンテナ状の電極を折り返した構造、又は、巻回した構造である。図14Eは長手方向に対にした2つの電極を二重螺旋状に巻回している構造を示している。二重螺旋状に巻回された電極は、逆方向に折り返したり巻回したりするよりも大きな容量が得られるため、伝送効率が高く、更に、長手方向に広範囲で電界が分布するために、処置具20の位置自由度が高く、操作性に優れている。
<変形例4> 遮蔽部材
すでに説明したように内視鏡システム1では、送電部19が内視鏡10の内部に配設されているため、発生する電磁界は内視鏡10の外部に漏洩しにくい。更に漏洩電磁界を防止するためには、図15に示すように、電磁界を遮蔽する遮蔽部材18Sを配設した内視鏡10Dを有する内視鏡システム1Dが好ましい。遮蔽部材18Sは、送電電極18の外周の少なくとも一部を覆うように配設されていればよいが、外周を完全に覆うように配設することが好ましい。
すでに説明したように内視鏡システム1では、送電部19が内視鏡10の内部に配設されているため、発生する電磁界は内視鏡10の外部に漏洩しにくい。更に漏洩電磁界を防止するためには、図15に示すように、電磁界を遮蔽する遮蔽部材18Sを配設した内視鏡10Dを有する内視鏡システム1Dが好ましい。遮蔽部材18Sは、送電電極18の外周の少なくとも一部を覆うように配設されていればよいが、外周を完全に覆うように配設することが好ましい。
遮蔽部材18Sとしては、導電性材料、例えば金、銀、銅、アルミ、若しくはステンレスなどの金属、ハイドープ半導体、又は、導電性樹脂等を用いる。なお、遮蔽部材として、パーマロイ等の軟磁性材料などを用いることで遮蔽だけでなく、磁力線の経路を制御する磁気ヨークとしての効果を得ることもできる。ここで、遮蔽部材18Sは、グラウンドに接続(接地接続)していても良い。
以上の説明のように、内視鏡システム1Dでは、チャンネル14が送電部19を覆う遮蔽部材18Sで覆われている。
<変形例5> 処置具
内視鏡システム1のデバイスとしては、受電部29が受電した電力により動作する負荷部を有する各種のバイポーラ処置具を用いることができる。すなわち例えば、高周波切開鉗子、高周波止血鉗子、ホットバイオプシー鉗子、高周波凝固処置具、プラズマ用交流発生処置具、発熱処置具、冷却処置具、振動処置具、又は放射処置具などを処置具20として用いることができる。
内視鏡システム1のデバイスとしては、受電部29が受電した電力により動作する負荷部を有する各種のバイポーラ処置具を用いることができる。すなわち例えば、高周波切開鉗子、高周波止血鉗子、ホットバイオプシー鉗子、高周波凝固処置具、プラズマ用交流発生処置具、発熱処置具、冷却処置具、振動処置具、又は放射処置具などを処置具20として用いることができる。
更に、デバイスは、高周波電力を生体組織LTに印加して処置を行う処置具に限られるものではなく、各種の電気駆動式の処置具であってもよい。例えば、超音波振動を利用して生体組織を切開したり凝固したりする超音波処置具、超音波振動を利用して生体組織を粉砕して吸引する超音波吸引処置具、ドリル等の回転力を利用して生体組織を粉砕する切除処置具や、鉗子先端を電動で動かす機能のあるアクチュエータ付き処置具等にも用いることができる。
また、チャンネル14に挿通されるが、開口14Bから先端部21Aが突出しないプローブ等のデバイスであっても、処置具20と同様に無線伝送された電力を負荷部に出力できる。すなわち、本発明においてデバイスとは、チャンネル14に挿通されるが、開口14Bから先端部21Aが突出しないプローブ等も含む。
例えば、内視鏡の挿入形状を検出する内視鏡形状検出装置の複数の磁気発生素子を有するプローブも、本発明のデバイスである。無線伝送により受電された電力は負荷部である磁気発生素子に出力される。
また、図16に示すように、内視鏡システム1Eの、先端部にLED素子22Eが配設された補助照明プローブ20Eも、開口14Bから先端部21Aが突出しない状態で使用される。受電した電力は負荷部であるLED素子22Eに出力される。なお、内視鏡システム1Eでは、電極合計長Lelec、すなわち送電電極18と受電電極28との重畳部分の長さの合計と、電極構造によっては存在するギャップαの合計との和は、50cm以上100cm以下であり、チャンネル14の長さDと略同じであるように描いた。
なお、図16に示すように、開口14Bから先端部21Aが突出しない補助照明プローブ20Eでも、動作位置までチャンネル14に挿入された状態、言い換えれば、電力供給が必要な挿入状態において、送電部19が発生した交流電界を最も効率良く受けられる位置に受電部29が配設される。
補助照明プローブ20Eを用いると、例えば特殊光観察機能を搭載していない内視鏡であっても、必要に応じて、補助照明プローブ20Eが発生する、患部に適した波長の特殊光を照射して、より効果的な観察ができる。
なお、必要な電力が異なる複数の処置具を具備する内視鏡システムでは、それぞれの処置具の負荷に応じて電源30の出力を適切に調整する必要があり、操作が煩雑である。このため、内視鏡システムは、負荷に応じた受電効率の処置具を有することが好ましい。
例えば、必要電力が1Wの処置具の受電効率は、必要電力が100Wの処置具の受電効率の1/100となるように、例えば対向電極面積が小さく設定されている。又は、必要電力が小さい処置具において、受電部の共振周波数を交流電界の周波数と、意図的にずらして設定することで、受電効率を低下させてもよい。
言い換えれば、複数の処置具を具備する内視鏡システムでは、処置に必要な電力が小さい処置具では、送電部19と受電部29との間の電力伝送効率を低下させている。
それぞれが負荷に応じて設定された受電効率の受電部を有する複数の処置具を具備する内視鏡システムは、処置具20に応じて電源30の出力を調整する必要がないため操作性が高い。
<変形例6>電力変換
内視鏡システム1等では受電部29が受電した高周波交流電力を、そのまま処置部22の処置に用いていた。すなわち、処置に用いる電力は、電源30が出力する高周波電力と同じ、例えば、13.56MHzの正弦波交流電力であった。
内視鏡システム1等では受電部29が受電した高周波交流電力を、そのまま処置部22の処置に用いていた。すなわち、処置に用いる電力は、電源30が出力する高周波電力と同じ、例えば、13.56MHzの正弦波交流電力であった。
これに対して図17に示すように、変形例6の内視鏡システム1Fの処置具20Fは、受電部29が受電した高周波電力を変換して処置部22に出力する電力変換部25を有する。電力変換部25は、受電部29が受電した電力を、処置部22の処置に適した仕様の電力に変換する。更に、図には示していないが、受電部29が受電した高周波電力を直接、処置部22に出力するか、電力変換部25に出力するかを切り替えるスイッチである出力切替部を有しても良い。
電力変換部25は、例えば正弦波の高周波交流電力を、昇圧したり、直流電力、パルス波形電力、減衰波形電力、又は矩形波電力等に振幅変調したり、周波数変調したりする。
以上の説明のように、内視鏡システム1Fの処置具20Fは、受電部29が受電した電力の波形等を、処置部が印加する電力の波形等に変換する電力変換部25を有する。更に、処置具20Fは、受電部29が受電した電力をそのまま、又は電力変換部25が変換した電力、のいずれかを、処置部22に印加するための出力切替部を有する
受電部29が受電した電力を、処置に適した電力に変換して処置部22に出力する内視鏡システム1Fは、より適切な処置ができる。
受電部29が受電した電力を、処置に適した電力に変換して処置部22に出力する内視鏡システム1Fは、より適切な処置ができる。
<第2実施形態>
次に第2実施形態の内視鏡システム1Gについて説明する。内視鏡システム1Gは、すでに説明した内視鏡システム1〜1Fと類似しているので、同じ機能の構成要素には同じ符号を付し説明は省略する。
次に第2実施形態の内視鏡システム1Gについて説明する。内視鏡システム1Gは、すでに説明した内視鏡システム1〜1Fと類似しているので、同じ機能の構成要素には同じ符号を付し説明は省略する。
図18に示すように、内視鏡システム1Gの処置具20Gは、受電した交流電力を直流電力に変換する電力変換部25Gと、電力変換部25Gが出力する電力を蓄える蓄電部40と、蓄電部40の蓄電状態を告知する告知部41と、蓄電部40が蓄えて出力する直流電力を処置部22の仕様に応じた電力に変換する駆動部42と、を具備する。
蓄電部40としては、リチウムイオン二次電池等のバッテリに限られるものではない。例えば、電気二重層コンデンサは、蓄電可能容量は二次電池よりも小さいが、急速充放電が可能なこと、充放電による劣化が少ないこと、から蓄電部40として特に好ましく用いることができる。また、蓄電部40が、二次電池と電気二重層コンデンサとから構成されていてもよい。
告知部41は、例えばLEDからなる表示部であり、蓄電部40の蓄電量(充電残量)を表示する。例えば、表示部は、蓄電量が十分で長時間の処置可能なときには、緑色に発光し、蓄電量がやや少ないときは黄色に発光し、蓄電量が少なく処置不可能なときには赤色に発光する。また、告知部41は処置により放電された蓄電部40が、受電された電力を蓄電することで処置可能な蓄電量になったときに、音、光、又は振動等により術者に告知してもよい。
内視鏡システム1Gは、内視鏡システム1等が有する効果を有し、更に、受電部29が電力を受電できない状態でも処置を行える。なお、1次電池を具備する内視鏡システムでも上記効果を得ることはできるが、電池交換の必要のない蓄電部40を有することが、より好ましい。
更に、処置部22が電力を用いる時間は短時間でかつ間欠的である。このため、処置具20Gは、受電部29が小電力しか受電できなくても、処置と処置との間に、蓄電部40を充電できる。
また、受電した電力を直接、処置に用いる処置具では処置に必要な電力量が大きいときには、送電部19が発生する電界強度を強くする必要がある。しかし、送電部19が発生できる電界強度、すなわち、処置部22に供給できる電力には限界がある。
処置具20Gは、蓄電部40が蓄えた電力を処置に用いるため、処置部22が必要な電力が、受電部29が受電する電力を超えていても問題はなく、かつ、強い電界発生が不要であるにも係わらず、大電力処置が可能である。すなわち、瞬間的に大電力が必要なときにも、送電部19が強い電界を発生する必要がない。このため、漏洩電界が周囲の機器等に悪影響を及ぼすおそれがない。
すなわち、内視鏡システム1Gは、電源30が出力する高周波電力が小さくてすむため、送電部19からの電界漏洩が少なく、発熱等の問題も発生しにくい。
もちろん、内視鏡システム1Gにおいても、処置に必要な電力が小さいときには、受電部29が受電した電力を、そのまま処置に用いても良い。
ここで、上述した実施形態及び変形例等を組み合わせた内視鏡システムは、それぞれの内視鏡システムの効果を併せ持つ。
例えば、一実施形態の内視鏡システムは、撮像部が配設された先端部を含む可撓性の挿入部と、前記挿入部の基端部側に配設された操作部と、前記挿入部を挿通する可撓性のチャンネルと、を有する軟性内視鏡と、高周波電力を出力する電源と、前記操作部の挿入口から挿入され前記チャンネルを挿通して前記先端部の開口から、電力を被処置部に通電する一対のブレードを含む処置部が突出する処置具と、を具備し、
前記軟性内視鏡が、前記電源から入力される前記高周波電流により交流電界を発生する、前記チャンネルの外周面に沿って敷設された、第1送電電極及び第2送電電極、を含む送電部を有し、
前記処置具が、電力により処置を行う処置部と、前記処置部が動作位置まで前記チャンネルに挿入された状態において、前記第1送電電極と同心円状に対向配置され第1キャパシタを構成する第1受電電極と、前記第2送電電極と同心円状に対向配置され、前記第1キャパシタと同じ長さで第2キャパシタを構成する第2受電電極と、を含み、前記送電部とともに前記電源から入力される前記高周波電力の周波数と同じ共振周波数の共振回路を構成する、前記交流電界を受電する受電部と、前記受電部が受電する電力を蓄え、前記受電部が受電する前記電力よりも大きい電力を前記処置部に出力する蓄電部と、前記蓄電部の蓄電状態を告知する告知部と、を有する。
前記軟性内視鏡が、前記電源から入力される前記高周波電流により交流電界を発生する、前記チャンネルの外周面に沿って敷設された、第1送電電極及び第2送電電極、を含む送電部を有し、
前記処置具が、電力により処置を行う処置部と、前記処置部が動作位置まで前記チャンネルに挿入された状態において、前記第1送電電極と同心円状に対向配置され第1キャパシタを構成する第1受電電極と、前記第2送電電極と同心円状に対向配置され、前記第1キャパシタと同じ長さで第2キャパシタを構成する第2受電電極と、を含み、前記送電部とともに前記電源から入力される前記高周波電力の周波数と同じ共振周波数の共振回路を構成する、前記交流電界を受電する受電部と、前記受電部が受電する電力を蓄え、前記受電部が受電する前記電力よりも大きい電力を前記処置部に出力する蓄電部と、前記蓄電部の蓄電状態を告知する告知部と、を有する。
本発明は上述した実施形態等に限定されるものではなく、本発明の要旨を変えない範囲において、種々の変更、改変、組み合わせ等ができる。
本出願は、2013年6月28日に日本国に出願された特願2013−136760号を優先権主張の基礎として出願するものであり、上記の開示内容は、本願明細書、請求の範囲、図面に引用されたものとする。
Claims (14)
- 撮像部が配設された先端部を含む可撓性の挿入部と、前記挿入部の基端部側に配設された操作部と、前記挿入部を挿通する可撓性のチャンネルと、を有する軟性内視鏡と、
前記操作部の挿入口から挿入され、可撓性の前記チャンネルを挿通するデバイスと、
高周波電力を出力する電源と、を具備する内視鏡システムであって、
前記軟性内視鏡が、第1送電電極及び第2送電電極を含み、前記電源から入力される前記高周波電力により前記チャンネルに印加される交流電界を発生する送電部を有し、
前記デバイスが、電力により処置を行う処置部と、可撓性を有し、前記第1送電電極と容量結合する第1受電電極と、可撓性を有し、前記第2送電電極と容量結合する第2受電電極と、を含み、前記送電部とともに前記電源から入力される前記高周波電力の周波数と共振周波数が同じ共振回路を構成する、前記交流電界を受電する受電部と、を有し、前記受電部が受電した電力が、前記処置部に出力されることを特徴とする内視鏡システム。 - 前記デバイスの前記処置部が動作位置まで前記チャンネルに挿入された状態において、前記第1送電電極と容量結合する位置に前記第1受電電極が配設されており、前記第2送電電極と容量結合する位置に前記第2受電電極が配設されていることを特徴とする請求項1に記載の内視鏡システム。
- 前記第1送電電極及び前記第2送電電極が、前記チャンネルの円筒状の外面に沿って敷設された導体からなり、
前記第1受電電極及び前記第2受電電極が、前記デバイスの円筒状の外面に沿って敷設された導体からなることを特徴とする請求項1に記載の内視鏡システム。 - 前記デバイスの前記処置部が動作位置まで前記チャンネルに挿入された状態において、前記第1送電電極と前記第1受電電極とが同心円状に対向配置され、前記第2送電電極と前記第2受電電極とが同心円状に対向配置されることを特徴とする請求項1に記載の内視鏡システム。
- 撮像部が配設された先端部を含む可撓性の挿入部と、前記挿入部の基端部側に配設された操作部と、前記挿入部を挿通する可撓性のチャンネルと、を有する軟性内視鏡と、
前記操作部の挿入口から挿入され、可撓性の前記チャンネルを挿通するデバイスと、
高周波電力を出力する電源と、を具備する内視鏡システムであって、
前記軟性内視鏡が、互いに容量結合する第1送電電極及び第2送電電極を含み、前記電源から入力される前記高周波電力の周波数と共振周波数が同じ共振回路を構成する、前記高周波電力により前記チャンネルに印加される交流電界を発生する送電部を有し、
前記デバイスが、電力により処置を行う処置部と、互いに容量結合する可撓性を有する第1受電電極及び可撓性を有する第2受電電極を含み、前記電源から入力される前記高周波電力の周波数と共振周波数が同じ共振回路を構成する、前記交流電界を受電する受電部と、を有し、前記受電部が受電した電力が、前記処置部に出力されることを特徴とする内視鏡システム。 - 前記デバイスの前記処置部が動作位置まで前記チャンネルに挿入された状態において、互いに容量結合した前記第1及び第2送電電極と、容量結合する位置に、互いに容量結合した前記第1及び第2受電電極が配設されることを特徴とする請求項5に記載の内視鏡システム。
- 前記受電電極は、前記デバイスの形状保持用のスパイラルコイルの一部からなることを特徴とする請求項1又は請求項5に記載の内視鏡システム。
- 前記デバイスの前記処置部が、動作位置まで前記チャンネルに挿入された状態において、互いに容量結合した前記第1及び第2送電電極と、互いに容量結合した前記第1及び第2受電電極とが同心円状に対向配置されることを特徴とする請求項5に記載の内視鏡システム。
- 前記デバイスが、被処置部に電力を通電する一対のブレードを含む前記処置部を有する処置具であることを特徴とする請求項1又は請求項5に記載の内視鏡システム。
- 前記共振回路が、インダクタンス可変素子を含み、
前記共振周波数が、前記高周波電力の周波数になるように前記インダクタンス可変素子のインダクタンスを調整する制御部を具備することを特徴とする請求項1又は請求項5に記載の内視鏡システム。 - 前記デバイスが、前記受電部が受電する電力を処置に用いる電力に変換する電力変換部を有することを特徴とする請求項1又は請求項5に記載の内視鏡システム。
- 前記デバイスが、前記受電部が受電する電力を蓄え、蓄えた電力を前記処置部に出力する蓄電部を有することを特徴とする請求項1又は請求項5に記載の内視鏡システム。
- 前記デバイスが、前記蓄電部の蓄電状態を告知する告知部を有することを特徴とする請求項12に記載の内視鏡システム。
- 前記受電部が受電する電力よりも、前記蓄電部が出力する電力が大きいことを特徴とする請求項12に記載の内視鏡システム。
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