JP6434576B2 - カテーテル用の小型力センサ - Google Patents
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Description
thermal expansion)を光ファイバのCTEと整合させることにより、温度変化に実質的に影響を受けない力センサを開示している。(特許文献15)はまた、加えられる遠位端力による検出された撓みを機械的に増幅する力センサの構成も開示しており、それにより力センサの感度が向上する。
・温度センサから受け取った信号に基づいて温度感知モジュールから情報を受け取る命令、
・情報に基づいて撓み部の温度変化を確定する命令であって、温度変化が基準温度に対するものである、命令、および
・撓み部の温度変化に基づいて間隙寸法の変化を推測する命令。
ここで、αはCTEであり、ΔTは温度の局所変化であり、δは間隙153/空洞158の作動長であり、添字M、FOおよびRMは、それぞれ金属、光ファイバおよび反射部材を示す。量αM・ΔTM・LTOTは、金属構造部材の温度変化に起因するポッティング144の間の長さの変化であり、量αFO・ΔTFO・LFOおよびαRM・ΔTRM・LRMは、光ファイバ104および反射部材151の拡張部分のそれらのそれぞれの温度変化による長さの変化である。
ここで、ΔTは、基準温度に対する温度の変化である。式(3)のさまざまなαおよびLの値を知ることにより、ΔTを測定することによって、間隙寸法の熱的に誘起される変化Δδを能動的に補償することができる。
ここで、Ψ=(αM・LTOT−αFO・LFO−αRM・LRM)である。一実施形態では、Ψの値を、異なるΔTにおいてΔδを測定することによって較正することができる。Ψの値を、定数として近似するか、または較正データに対する曲線当てはめを行うことによって温度依存パラメータとして取得することができる。
単純化の仮定は、ΔTFOおよびΔTRMが、ΔTMによって左右されかつそれに等しいと仮定する。すなわち、ΔTM=ΔTFO=ΔTRM=ΔTである。
αM・LTOT−αFO・LFO−αRM・LRM=0 式(6)
式(6)の物理的実現は、さまざまなパラメータの適切な選択によって達成され、それにより、ある範囲の温度変化ΔTにわたって作動長δ定数が保持される。式(6)のパラメータの1つ以外のすべてに値を割り当てることにより、残りのパラメータの値を確立することができる。
別法として、たとえば、CTEαMおよびαFOが既知であり、長さLTOT、LFOおよびLRMに値が割り当てられる場合、反射部材の必要なCTEαRMを以下のように解くことができる。
図6Cを参照すると、本発明の実施形態における光ファイバ力感知アセンブリ98bが示されている。この実施形態では、光ファイバ104は、溝穴136の近位面139と実質的に同一平面に取り付けられ、反射部材151は、作動長δを考慮することを除き実質的に長さLTOT分延在するように配置されている。また図6Cの実施形態では、反射部材151は、構造部材102と同じ材料か、または少なくとも反射部材151とCTEが同じである材料から作製されている。一実施形態では、構造部材102はチタンから製造され、反射部材151は、(図示するように)ポッティング144によるかまたは溶接プロセスにより構造部材102に取り付けられるチタンロッドまたはワイヤを備えている。別の実施形態(図示せず)では、反射部材151は、構造部材102と一体的に形成される。
(1+αM・ΔTM)・LTOT−(1+αRM・ΔTRM)・LRM=δ 式(9)
ΔTM=ΔTRM=ΔTであると仮定し、温度の変化
式(12)は、長さLTOTまたはLRMとは無関係に適用される。
式(1)においてαM・ΔTM・LTOTとして表わされる熱の影響によるポッティング144の間の長さの変化は、ポッティング144の間の寸法LTOTに比例する。すなわち、LTOTの値が大きいほど、熱の変化による潜在的な誤差が大きくなる。したがって、LTOTの値を、光ファイバ力感知アセンブリ192aに対してアセンブリ180に対するより実質的に大きくすることができる。
以下の項目は、出願時の特許請求の範囲に記載の要素である。
(項目1)
カテーテルの遠位チップで使用される力センサであって、
長手方向軸を画定し、
前記長手方向軸に沿って互いに隣接している第1セグメントおよび第2セグメントであって、前記第1セグメントおよび第2セグメントがそれらの間に第1溝穴を画定し、前記第1溝穴に第1撓み部が架け渡されている、第1セグメントおよび第2セグメントと、
前記長手方向軸に沿って前記第2セグメントに隣接する第3セグメントであって、前記第2セグメントおよび前記第3セグメントがそれらの間に第2溝穴を画定し、前記第2溝穴に第2撓み部が架け渡されている、第3セグメントと、
を備える構造部材と、
前記構造部材に作動的に結合された複数の光ファイバであって、前記複数の光ファイバの各々が遠位端を有し、前記遠位端が対応する反射部材に近接してそれらの間にそれぞれの間隙を画定し、前記反射部材が前記構造部材の第3セグメントから延在し、前記それぞれの間隙の各々が前記第2溝穴に近接して配置され、前記複数の光ファイバの各々が、前記それぞれの間隙を横切ってかつ前記対応する反射部材の上に光を放出するように向けられている、複数の光ファイバと、
を具備し、
前記構造部材が、前記カテーテルの遠位チップに及ぼされる力に応答して、前記それぞれの間隙のうちの少なくとも1つの寸法の変化をもたらすように構成されている、力センサ。
(項目2)
前記複数の光ファイバの遠位端が、前記対応する反射部材から反射する光の少なくとも一部を収集するように適合されている、項目1に記載の力センサ。
(項目3)
前記構造部材が中空チューブである、項目1に記載の力センサ。
(項目4)
前記中空チューブが、長手方向軸に対して直交する平面において円形断面を有している、項目3に記載の力センサ。
(項目5)
前記複数の光ファイバが、少なくとも3個からなる、項目1に記載の力センサ。
(項目6)
前記第1撓み部が、長手方向軸に対して平行な第1曲げ軸に中心を置き、前記第2撓み部が、長手方向軸に対して平行な第2曲げ軸に中心を置き、前記第1曲げ軸、第2曲げ軸および長手方向軸が実質的に同一平面である、項目1に記載の力センサ。
(項目7)
前記それぞれの間隙の各々がファブリー−ペロー共振器である、項目1に記載の力センサ。
(項目8)
少なくとも2つの温度センサをさらに具備し、前記温度センサの各々が、前記構造部材の温度を検出するように構成され、前記少なくとも2つの温度センサのうちの第1温度センサが、前記第1撓み部と前記第2セグメントとの接触面に実質的に中心が置かれ、前記少なくとも2つの温度センサのうちの第2温度センサが、前記第2撓み部と前記第2セグメントとの接触面に実質的に中心が置かれている、項目1に記載の力センサ。
(項目9)
各撓み部に温度センサが備えられている、項目1に記載の力センサ。
(項目10)
温度変化によってもたらされる前記それぞれの間隙の寸法の変化を受動的に補償する手段をさらに具備する、項目1に記載の力センサ。
(項目11)
前記対応する反射部材が、前記光ファイバとは熱膨張係数が異なる材料を含む、項目1に記載の力センサ。
(項目12)
前記対応する反射部材の材料が、金属ドープ光ファイバおよびサファイアファイバのうちの一方である、項目11に記載の力センサ。
(項目13)
前記複数の光ファイバが、前記第1セグメントに取り付けられ、前記第2セグメントを通過する、項目1に記載の力センサ。
(項目14)
前記光ファイバのうちの少なくとも1つが、前記対応する反射部材に接続され、前記間隙が、前記光ファイバと前記対応する反射部材との間に画定される空洞によって画定されている、項目1に記載の力センサ。
(項目15)
カテーテルの遠位チップで使用される力センサであって、
構造部材と、
複数の反射部材であって、各々が前記構造部材に取り付けられかつそこから延在し、各々が反射面を含む、複数の反射部材と、
複数の光ファイバであって、各々が前記複数の反射部材のうちの対応する1つと対にされ、各々が、前記複数の反射部材のうちの前記対応する1つの反射面に放射線を照射し、かつ、前記対応する反射部材の近位端から反射する光の少なくとも一部を収集するように向けられかつ適合され、各対になった光ファイバおよび反射部材がそれらの間に対応する間隙を画定する、複数の光ファイバと、
を具備し、
前記複数の反射部材が、前記複数の光ファイバの熱膨張係数とは熱膨張係数が異なる材料を含み、前記反射部材の熱膨張係数が、温度変化によってもたらされる、各対になった光ファイバと反射部材との間の対応する間隙の変化を受動的に補償するように選択されている、力センサ。
(項目16)
前記反射部材の熱膨張係数が、前記構造部材の熱膨張係数と異なる、項目15に記載の力センサ。
(項目17)
前記複数の光ファイバが、前記構造部材に取り付けられている、項目15に記載の力センサ。
(項目18)
前記構造部材が、長手方向軸を画定し、長手方向軸に沿って直列配置で連続して互いに隣接している複数のセグメントを備え、前記セグメントに、前記セグメントのうちの隣接するものの間に位置する撓み部が架け渡され、前記複数のセグメントが、複数の溝穴を画定し、前記複数の溝穴の各々が、前記複数のセグメントのうちの隣接するものの間に位置し、かつ、前記複数の溝穴の各々に、前記複数の撓み部のうちの対応する1つが架け渡されている、項目15に記載の力センサ。
(項目19)
前記対になった光ファイバおよび前記反射部材によって画定される対応する間隙が、前記複数の溝穴のうちの1つの中に位置している、項目18に記載の力センサ。
(項目20)
前記対になった光ファイバおよび前記反射部材によって画定される複数の対応する間隙が、前記複数の溝穴のうちの共通する1つの中に位置している、項目18に記載の力センサ。
(項目21)
前記構造部材が外面を有し、前記撓み部の各々が、前記構造部材の外面の一部を画定している、項目18に記載の力センサ。
(項目22)
前記複数の光ファイバの各々が、前記対応する反射部材の近位端の上に光を放出するように適合されている、項目15に記載の力センサ。
(項目23)
前記光ファイバのうちの少なくとも1つが、前記それぞれの反射部材と接続されており、前記間隙が、前記光ファイバとそれぞれの反射部材との間に画定された空洞によって画定されている、項目15に記載の力センサ。
(項目24)
前記複数の反射部材の近位端が、すべて前記複数の溝穴のうちの1つに近接し、前記複数の溝穴のうちの1つが前記複数の溝穴のうちの最も遠位の溝穴である、項目15に記載の力センサ。
(項目25)
前記複数の反射部材の近位端が、すべて前記複数の溝穴のうちの1つに近接し、前記複数の溝穴のうちの1つが前記複数の溝穴のうちの最も近位の溝穴である、項目15に記載の力センサ。
(項目26)
前記複数の反射部材および前記構造部材が、熱膨張係数が同じである、項目25に記載の力センサ。
(項目27)
前記複数の光ファイバが、前記複数のセグメントのうちの最も近位のセグメントに取り付けられ、かつ、前記対になった光ファイバおよび前記反射部材の対応する間隙が前記複数の溝穴のうちの最も近位の溝穴に近接するように延在している、項目15に記載の力センサ。
(項目28)
カテーテルの遠位チップで使用される力センサであって、
構造部材と、
複数の反射部材であって、各々が前記構造部材に取り付けられかつそこから延在し、各々が反射面を含む、複数の反射部材と、
複数の光ファイバであって、各々が前記複数の反射部材のうちの対応する1つと対にされ、各々が、前記複数の反射部材のうちの対応する1つの反射面に放射線を照射し、かつ、前記対応する反射部材の近位端から反射する光の少なくとも一部を収集するように向けられかつ適合され、各対になった光ファイバおよび反射部材がそれらの間に寸法を有する対応する間隙を画定する、複数の光ファイバと、
前記対応する間隙の寸法の各々に対する熱的に誘起される変化を補償する手段と、
を具備する力センサ。
(項目29)
前記補償する手段が受動手段である、項目28に記載の力センサ。
(項目30)
カテーテル用の力センサを製造する方法であって、
反射部材を有する構造部材を提供するステップと、
光ファイバの遠位端を前記反射部材と反対側に配置するステップであって、前記光ファイバおよび前記反射部材がそれらの間に距離を画定し、前記距離が、所定値の範囲内にあり、かつ、前記構造部材に及ぼされる力に応答する、ステップと、
を含み、
前記反射部材が、前記構造部材および前記反射部材に対する温度変化によってもたらされる前記光ファイバと前記反射部材との間の前記距離の変化を補償する熱膨張係数を有する、方法。
(項目31)
前記提供するステップで提供される反射部材が、前記構造部材に取り付けられる、項目30に記載の方法。
(項目32)
近位部分、遠位部分および中間部分を有する可撓性の長尺状のカテーテルアセンブリと、
前記カテーテルアセンブリの遠位部分に作動的に結合されたエンドエフェクタと、
前記カテーテルアセンブリの遠位部分に作動的に結合された光ファイバ力感知アセンブリであって、前記エンドエフェクタに及ぼされる接触力に応答する変位寸法を画定する構造部材を備える光ファイバ力感知アセンブリと、
前記変位寸法に対する熱的に誘起される変化を受動的に補償する手段と、
を具備するカテーテルシステム。
(項目33)
電源と、電磁波源と、データ収集デバイスと、前記長尺状のカテーテルアセンブリに作動的に結合された制御システムのうちの少なくとも1つをさらに具備する、項目32に記載のカテーテルシステム。
(項目34)
光ファイバ力感知アセンブリにおける熱的に誘起される誤差を能動的に補償する方法であって、
互いの間に隔離部を画定する第1セグメントおよび第2セグメントを備える構造部材を提供するステップであって、前記隔離部に可撓性部材が架け渡され、前記第2セグメントが反射部材を含む、ステップと、
遠位端を有する光ファイバを前記第1セグメントに取り付けるステップであって、前記遠位端が、前記遠位端と前記反射部材との間に間隙を画定するように向けられ、前記間隙が、前記遠位端から前記反射部材まで画定された間隙寸法を有する、ステップと、
前記可撓性部材に温度センサを備えるステップと、
を含む方法。
(項目35)
前記提供するステップで提供される可撓性部材と前記取り付けるステップで取り付けられる光ファイバとが、直径方向に対向する、項目34に記載の方法。
(項目36)
マイクロプロセッサに作動的に接続される温度感知モジュールを提供するステップであって、前記温度感知モジュールが前記温度センサから信号を受け取るように適合され、前記マイクロプロセッサがコンピュータ可読記憶デバイスに作動的に接続される、ステップと、
前記コンピュータ可読記憶デバイスを、前記マイクロプロセッサに対する命令を含むように構成するステップであって、前記命令が、
前記温度センサから受け取った信号に基づいて前記温度感知モジュールから情報を受け取る命令と、
前記情報に基づいて前記撓み部の温度変化を確定する命令であって、前記温度変化が基準温度に対するものである、命令と、
前記撓み部の温度変化に基づいて前記間隙寸法の変化を推測する命令と、
を含む、ステップと、
をさらに含む、項目34に記載の方法。
(項目37)
前記間隙寸法の変化を推測する命令が、公式Δδ=α・δ・ΔTに基づき、ここで、Δδが前記間隙寸法の変化であり、αが前記撓み部の熱膨張係数であり、δが前記基準温度における間隙寸法であり、ΔTが前記温度変化である、項目36に記載の方法。
(項目38)
前記間隙寸法の変化を推測する命令が、公式Δδ=Ψ・ΔTに基づき、ここで、Δδが前記間隙寸法の変化であり、Ψが較正された関数であり、ΔTが前記温度変化である、項目36に記載の方法。
(項目39)
Ψが定数である、項目38に記載の方法。
Claims (24)
- カテーテルの遠位チップで使用される力センサであって、
構造部材と、
複数の反射部材であって、各々が前記構造部材に取り付けられかつそこから延在し、各々が反射面を含む、複数の反射部材と、
複数の光ファイバであって、各々が前記複数の反射部材のうちの対応する1つと対にされ、各々が、前記複数の反射部材のうちの前記対応する1つの反射面に放射線を照射し、かつ、前記対応する反射部材の近位端から反射する光の少なくとも一部を収集するように向けられかつ適合され、各対になった光ファイバおよび反射部材がそれらの間に対応する間隙を画定する、複数の光ファイバと、
を具備し、
前記複数の反射部材が、前記複数の光ファイバの熱膨張係数とは熱膨張係数が異なる材料を含み、前記反射部材の熱膨張係数が、温度変化によってもたらされる、各対になった光ファイバと反射部材との間の対応する間隙の変化を受動的に補償するように選択されている、力センサ。 - 前記反射部材の熱膨張係数が、前記構造部材の熱膨張係数と異なる、請求項1に記載の力センサ。
- 前記複数の光ファイバが、前記構造部材に取り付けられている、請求項1又は2に記載の力センサ。
- 前記構造部材が、長手方向軸を画定し、長手方向軸に沿って直列配置で連続して互いに隣接している複数のセグメントを備え、前記セグメントに、前記セグメントのうちの隣接するものの間に位置する撓み部が架け渡され、前記複数のセグメントが、複数の溝穴を画定し、前記複数の溝穴の各々が、前記複数のセグメントのうちの隣接するものの間に位置し、かつ、前記複数の溝穴の各々に、前記複数の撓み部のうちの対応する1つが架け渡されている、請求項1から3のいずれか一項に記載の力センサ。
- 前記対になった光ファイバおよび前記反射部材によって画定される対応する間隙が、前記複数の溝穴のうちの1つの中に位置している、請求項4に記載の力センサ。
- 前記対になった光ファイバおよび前記反射部材によって画定される複数の対応する間隙が、前記複数の溝穴のうちの共通する1つの中に位置している、請求項4に記載の力センサ。
- 前記構造部材が外面を有し、前記撓み部の各々が、前記構造部材の外面の一部を画定している、請求項4から6のいずれか一項に記載の力センサ。
- 前記複数の反射部材の近位端が、すべて前記複数の溝穴のうちの1つに近接し、前記複数の溝穴のうちの1つが前記複数の溝穴のうちの最も遠位の溝穴である、請求項4から7のいずれか一項に記載の力センサ。
- 前記複数の反射部材の近位端が、すべて前記複数の溝穴のうちの1つに近接し、前記複数の溝穴のうちの1つが前記複数の溝穴のうちの最も近位の溝穴である、請求項4から7のいずれか一項に記載の力センサ。
- 前記複数の反射部材および前記構造部材が、熱膨張係数が同じである、請求項9に記載の力センサ。
- 前記複数の光ファイバが、前記複数のセグメントのうちの最も近位のセグメントに取り付けられ、かつ、前記対になった光ファイバおよび前記反射部材の対応する間隙が前記複数の溝穴のうちの最も近位の溝穴に近接するように延在している、請求項4から7のいずれか一項に記載の力センサ。
- 前記複数の光ファイバの各々が、前記対応する反射部材の近位端の上に光を放出するように適合されている、請求項1から11のいずれか一項に記載の力センサ。
- 前記光ファイバのうちの少なくとも1つが、前記それぞれの反射部材と接続されており、前記間隙が、前記光ファイバとそれぞれの反射部材との間に画定された空洞によって画定されている、請求項1から12のいずれか一項に記載の力センサ。
- カテーテルの遠位チップで使用される力センサであって、
構造部材と、
複数の反射部材であって、各々が前記構造部材に取り付けられかつそこから延在し、各々が反射面を含む、複数の反射部材と、
複数の光ファイバであって、各々が前記複数の反射部材のうちの対応する1つと対にされ、各々が、前記複数の反射部材のうちの対応する1つの反射面に放射線を照射し、かつ、前記対応する反射部材の近位端から反射する光の少なくとも一部を収集するように向けられかつ適合され、各対になった光ファイバおよび反射部材がそれらの間に寸法を有する対応する間隙を画定する、複数の光ファイバと、
前記対応する間隙の寸法の各々に対する熱的に誘起される変化を受動的に補償する手段と、
を具備する力センサ。 - カテーテル用の力センサを製造する方法であって、
反射部材を有する構造部材を提供するステップと、
光ファイバの遠位端を前記反射部材と反対側に配置するステップであって、前記光ファイバおよび前記反射部材がそれらの間に距離を画定し、前記距離が、所定値の範囲内にあり、かつ、前記構造部材に及ぼされる力に応答する、ステップと、
を含み、
前記反射部材が、前記構造部材および前記反射部材に対する温度変化によってもたらされる前記光ファイバと前記反射部材との間の前記距離の変化を受動的に補償する熱膨張係数を有する、方法。 - 前記提供するステップで提供される反射部材が、前記構造部材に取り付けられる、請求項15に記載の方法。
- 近位部分、遠位部分および中間部分を有する可撓性の長尺状のカテーテルアセンブリと、
前記カテーテルアセンブリの遠位部分に作動的に結合されたエンドエフェクタと、
前記カテーテルアセンブリの遠位部分に作動的に結合された光ファイバ力感知アセンブリであって、前記エンドエフェクタに及ぼされる接触力に応答する変位寸法を画定する構造部材を備える光ファイバ力感知アセンブリと、
前記変位寸法に対する熱的に誘起される変化を受動的に補償する手段と、
を具備するカテーテルシステム。 - 電源と、電磁波源と、データ収集デバイスと、前記長尺状のカテーテルアセンブリに作動的に結合された制御システムのうちの少なくとも1つをさらに具備する、請求項17に記載のカテーテルシステム。
- 光ファイバ力感知アセンブリにおける熱的に誘起される誤差を補償する方法であって、
互いの間に隔離部を画定する第1セグメントおよび第2セグメントを備える構造部材を提供するステップであって、前記隔離部に可撓性部材が架け渡され、前記第2セグメントが反射部材を含む、ステップと、
遠位端を有する光ファイバを前記第1セグメントに取り付けるステップであって、前記遠位端が、前記遠位端と前記反射部材との間に間隙を画定するように向けられ、前記間隙が、前記遠位端から前記反射部材まで画定された間隙寸法を有する、ステップと、
前記可撓性部材に温度センサを備えるステップと、
前記温度センサの値と、基準温度における前記間隙寸法の値と、を利用して、前記光ファイバ力感知アセンブリにおける熱的に誘起される誤差を補償するステップと、
を含む方法。 - 前記提供するステップで提供される可撓性部材と前記取り付けるステップで取り付けられる光ファイバとが、直径方向に対向する、請求項19に記載の方法。
- マイクロプロセッサに作動的に接続される温度感知モジュールを提供するステップであって、前記温度感知モジュールが前記温度センサから信号を受け取るように適合され、前記マイクロプロセッサがコンピュータ可読記憶デバイスに作動的に接続される、ステップと、
前記コンピュータ可読記憶デバイスを、前記マイクロプロセッサに対する命令を含むように構成するステップであって、前記命令が、
前記温度センサから受け取った信号に基づいて前記温度感知モジュールから情報を受け取る命令と、
前記情報に基づいて前記撓み部の温度変化を確定する命令であって、前記温度変化が前記基準温度に対するものである、命令と、
前記撓み部の温度変化に基づいて前記間隙寸法の変化を推測する命令と、
を含む、ステップと、
をさらに含む、請求項19又は20に記載の方法。 - 前記間隙寸法の変化を推測する命令が、公式Δδ=α・δ・ΔTに基づき、ここで、Δδが前記間隙寸法の変化であり、αが前記撓み部の熱膨張係数であり、δが前記基準温度における間隙寸法であり、ΔTが前記温度変化である、請求項21に記載の方法。
- 前記間隙寸法の変化を推測する命令が、公式Δδ=Ψ・ΔTに基づき、ここで、Δδが前記間隙寸法の変化であり、Ψが較正された関数であり、ΔTが前記温度変化である、請求項21に記載の方法。
- Ψが定数である、請求項23に記載の方法。
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