JP7014383B2

JP7014383B2 - 超音波プローブ移動装置

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Publication number: JP7014383B2
Application number: JP2017215174A
Authority: JP
Inventors: 浩康岩田; 雄貴内藤; 遼介津村
Original assignee: Waseda University
Current assignee: Waseda University
Priority date: 2017-11-08
Filing date: 2017-11-08
Publication date: 2022-02-01
Anticipated expiration: 2037-11-08
Also published as: JP2019084088A

Description

特許法第３０条第２項適用平成２９年５月９日一般社団法人日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス講演会２０１７講演論文集

本発明は、超音波プローブ移動装置に係り、更に詳しくは、検査対象の表面に超音波プローブを接触させた状態で、アクチュエータの動力を利用して超音波プローブを移動させる超音波プローブ移動装置に関する。

わが国の産科医療現場では、産科医不足が大きな問題となっており、その結果、産科医のみならず妊婦にも通院等の負担が生じている。そこで、本発明者らは、産科医療における産科医と妊婦の双方の負担軽減を目指し、医師の遠隔操作による経腹超音波検査を支援するロボットの開発を行ってきた。ここで、超音波検査に用いられる音波は周波数が非常に高く、体表面との間に空気層が存在するとエコー画像が途切れてしまうことから、超音波プローブを体表面に隙間なく接触させる必要がある。このため、超音波プローブの先端の接触面の一部が体表面に対して浮く片当たりにより、エコー画像の欠落が生じないように、超音波プローブを体表面に対してほぼ垂直となる垂直起立姿勢に維持し、その接触部の全域を体表面に接触させることが必要である。また、超音波プローブは、ある程度の力で体表面に接触させなければ、鮮明なエコー画像を得ることができないが、このときの接触力が過大になると身体的負担が生じるため、必要最低限の接触力を付与する必要がある。

ところで、特許文献１には、遠隔操作により、被検査者の体表面に沿って超音波プローブを走査させるための医療用ロボット装置が開示されている。

特開２０１４－１００３７７号公報

しかしながら、前記特許文献１の医療用ロボット装置にあっては、その構造上、妊婦の腹部等のように、大きな湾曲面となる体表面に沿って超音波プローブを移動させる場合に、前記垂直起立姿勢を維持できず、また、体表面の傾斜により、当該体表面に対する超音波プローブの接触力を一定にすることができない。

本発明は、このような課題に着目して案出されたものであり、その目的は、より少ないアクチュエータにより、検査対象の表面形状に追従しながら適正な状態で超音波プローブを移動させることができる超音波プローブ移動装置を提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明は、主として、検査対象の表面に超音波プローブを接触させた状態で、アクチュエータの動力を利用し、前記表面に沿って前記超音波プローブを移動させる超音波プローブ移動装置において、前記超音波プローブを保持する保持体を含むプローブ保持ユニットと、前記アクチュエータの駆動により、平面視における前記検査対象の縦横方向となる直交２軸方向に、前記プローブ保持ユニットをそれぞれスライド移動させるスライド機構とを備え、前記プローブ保持ユニットは、前記スライド機構による動力付与のみで、前記表面の形状に関わらず、前記超音波プローブを前記表面に接触させながら当該表面に対して一定の姿勢で移動可能にする表面形状追従機構を備える、という構成を採っている。

本発明によれば、前記表面形状追従機構により、プローブ保持ユニットを直交２軸方向にスライド移動させるアクチュエータのみの駆動力で、超音波プローブは、検査対象の表面の形状に沿って受動的に動作し、当該表面に接触しながら一定の姿勢で表面上を移動可能になる。従って、操作者の操作指令により超音波プローブ移動装置を動作させる際には、検査対象の表面の形状が平面でない複雑な湾曲面形状であっても、２軸方向の操作指令のみで良く、簡単な操作により、超音波プローブを適正状態で前記表面に沿って移動させることができる。特に、操作者が、検査場所から離れた遠隔地で操作する場合でも、検査対象の表面形状に関わらず、超音波プローブによる走査を簡単且つ適切に行うことができる。

また、前記接触力維持機構により、検査対象の表面形状に関わらず、当該表面に対する超音波プローブの接触力が、操作者の操作によらずに一定に維持され、安全性を考慮した必要最低限の接触力を常時維持することができる。

更に、前記受動回転機構と前記ガイド部材により、検査対象の表面形状に関わらず、表面に対する超音波プローブの垂直起立姿勢が、操作者の操作によらずに受動的に維持されるため、取得した超音波画像の部分的な欠落を低減し、適正な超音波画像の取得を支援することができる。

本実施形態に係る超音波プローブ移動装置の概略斜視図である。検査対象の表面上を超音波プローブが走査する状態を表す前記超音波プローブ移動装置の概略斜視図である。図２の概略正面図である。図２の概略側面図である。検査時における前記超音波プローブ移動装置の配置を説明するための概念図である。先端部を下方から見た概略拡大斜視図である。（Ａ）は、湾曲レールによるｙ軸回りの回転を説明するための概念図であり、（Ｂ）は、装置の姿勢を変えたときの（Ａ）と同様の概念図である。（Ａ）、（Ｂ）は、接触力維持機構を説明するための概念図であり、（Ｃ）は、装置の姿勢を変えたときの（Ａ）と同様の概念図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。

図１には、本実施形態に係る超音波プローブ移動装置の概略斜視図が示され、図２には検査対象の表面上を超音波プローブが走査する状態を表す前記超音波プローブ移動装置の概略斜視図が示されている。また、図３には、図２の概略正面図が示され、図４には、図２の概略側面図が示されている。

なお、以下の説明において、特に明記しない限り、位置又は方向を表す用語については、図１の姿勢を基準とする。すなわち、図１の直交３軸におけるｘ軸方向を「横方向」又は「左右方向」と称し、同ｙ軸方向を「縦方向」又は「前後方向」と称し、同ｚ軸方向を「高さ方向」又は「上下方向」と称する。

これらの図の超音波プローブ移動装置１０は、特に限定されるものではないが、本実施形態において、妊婦の経腹超音波検査時に使用される。この超音波プローブ移動装置１０は、医師等の操作者の遠隔操作により、図２～４に示されるように、検査対象となる被検査者の腹部表面（体表面Ｂ）に沿って超音波プローブＰを移動させるように動作する。また、超音波プローブ移動装置１０は、例えば、図５に模式的に示されるように、フレームやアーム等の支持体Ａによって支持され、被検査者Ｈの検査時の身体の向きに応じて、被検査Ｈに対する全体の傾斜角度θが検査前に予め調整されるようになっている。なお、図５は、被検査者Ｈの頭部側から身体を見た図になっている。つまり、この超音波プローブ移動装置１０は、被検査者Ｈの前後を分割する冠状面Ｋに平行となる姿勢で配置される。

前記超音波プローブ移動装置１０は、図１～図４に示されるように、超音波プローブＰ（図２等参照）が保持されるプローブ保持ユニット１１と、検査時の平面視における被検査者Ｈの縦横方向（頭尾方向と左右方向）となる直交２軸方向に、プローブ保持ユニット１１をそれぞれスライド移動させるスライド機構１２とにより構成される。

前記プローブ保持ユニット１１は、図１のｘ軸方向から見たとき、また、同ｙ軸方向から見たときに、それぞれｚ軸に対してほぼ対称となる形状となっている。このプローブ保持ユニット１１は、超音波プローブＰの取り付け部位を含む下部構造体１４と、下部構造体１４を揺動可能に支持する中間構造体１５と、中間構造体１５を上下方向にスライド移動可能に支持するとともに、スライド機構１２に取り付けられる上部構造体１６とにより構成される。

前記下部構造体１４は、超音波プローブＰの装着部位となる下端側の先端部１８と、先端部１８をｘ軸回りに揺動可能に支持する先端支持部１９と、先端支持部１９の上側に固定されるとともに、湾曲しながら左右方向（ｘ軸方向）に延びる円弧状の湾曲レール２０とを備えている。

前記先端部１８は、最下端側に位置するリング状のガイド部材２２と、ガイド部材２２の上側に一体的に取り付けられ、超音波プローブＰを着脱自在に保持する構造の保持体２３とからなる。

前記ガイド部材２２は、後述するプローブ保持ユニット１１の作用により、球面のような湾曲面を有する体表面Ｂ（図２等参照）に、所定の接触力で先端部１８が押し当てられたときに、前記湾曲面に対する接平面Ｃ（図３，４参照）に沿って体表面Ｂに接触するようになっている。また、図６に示されるように、保持体２３に保持された超音波プローブＰの先端に位置する超音波ビームの送受信部分となる接触部Ｐ１が、ガイド部材２２の中央の中空部分２２Ａを通じて下側に表出するようになっている。なお、ガイド部材２２は、体表面Ｂに沿って超音波プローブＰを走査させる際に、当該体表面Ｂに接触しながら移動することから、外縁部分に丸みを持たせた形状とし、当該移動時の体表面Ｂ上での引っ掛かりを防止するようになっている。

なお、ガイド部材２２としては、図示した真円のリング状のものに限らず、体表面Ｂに接触する際の超音波プローブＰの位置決めとなる接平面Ｃを形成可能な部材、すなわち、体表面Ｂに接触する最低３点の相対位置関係が不変となる形状を有する部材を種々採用することができる。

前記保持体２３は、ガイド部材２２に対して超音波プローブＰを垂直方向に起立させる姿勢で超音波プローブＰを固定するようになっている。この際、超音波プローブＰは、その接触部Ｐ１が体表面Ｂに接触可能な高さ位置で保持体２３に固定される。本実施形態では、検査時において、体表面Ｂの弾性によりガイド部材２２を少し沈ませることを考慮し、超音波プローブＰは、その接触部Ｐ１がガイド部材２２の中空部分２２Ａよりもやや上方となる図６中奥行側に後退するように配置される。なお、逆に、超音波プローブＰを中空部分２２Ａから外側にやや突出させる配置も可能である。

前記先端支持部１９は、保持体２３の左右両側に取り付けられた回転ピン２５を介して、先端部１８全体をｘ軸回りとなるピッチ方向に回転可能に支持する。また、回転ピン２５には、先端部１８の揺動時に抵抗力を付与するための図示省略したばね等の付勢部材が設けられている。この付勢部材は、次のような付勢力を作用させるように設定される。すなわち、後述するように、超音波プローブＰが、接平面Ｃに対してほぼ垂直方向に起立する垂直起立姿勢のままで湾曲面となる体表面Ｂ上を移動する際に、体表面Ｂの傾斜に沿って超音波プローブＰが傾くときに、超音波プローブＰを含む先端部１８の自重によるピッチ方向の回転時のモーメントをキャンセル可能に設定される。

前記湾曲レール２０は、図７（Ａ）の概念図に示されるように、保持体２３に保持された状態の超音波プローブＰの接触部Ｐ１における中央点２７を中心とする円弧に沿う形状をなし、中間構造体１５に対してローラ２９（図１等参照）を介してスライド自在になっている。このスライドにより、中間構造体１５に対する湾曲レール２０の連結位置が変位することになり、当該変位によって保持体２３が揺動することになる。つまり、前記スライドにより、湾曲レール２０に一体的に繋がる超音波プローブＰの前記中央点２７を中心として、ｙ軸回りのロール方向に超音波プローブＰが回転可能になる。また、中間構造体１５と湾曲レール２０の間には、ばね等の付勢部材３１が、ワイヤ３２を介してプーリ３３に掛け回された状態で取り付けられている。この付勢部材３１は、次のような付勢力を作用させるように設定される。すなわち、超音波プローブＰが前記垂直起立姿勢のままで湾曲面をなす表面Ｂ上を移動する際に、体表面Ｂの傾斜に沿って超音波プローブＰが傾くときに、超音波プローブＰを含む下部構造体１４の自重によるロール方向の回転時のモーメントをキャンセル可能に設定される。

以上の構成によれば、先端支持部１９と回転ピン２５、及び、湾曲レール２０とその延出方向にスライド自在に支持する中間構造体１５は、体表面Ｂの形状に追従しながら、保持体２３をｘ軸，ｙ軸の２軸回りにそれぞれ受動的に回転可能にする受動回転機構を構成する。この受動回転機構において、保持体２３のｘ軸回りにおける回転は、その回転軸上の回転ピン２５により行われる一方、同ｙ軸回りにおける回転は、中央点２７を通る図７（Ａ）の紙面直交方向の回転軸上に存在しない湾曲レール２０のスライドによって行われる。このため、保持体２３に繋がる回転要素を回転ピン２５のみとして、保持体２３を２軸回りに回転させることができ、もう一方の回転方向に係る回転要素を保持体２３に直接設けることによる移動時の体表面Ｂ上での引っ掛かりを防止し、保持体２３のスムーズな受動動作が可能になる。

前記中間構造体１５は、図１等に示されるように、上部構造体１６に対してローラ３４を介して上下方向にスライド可能に取り付けられている。この中間構造体１５は、保持体２３に装着された超音波プローブＰを体表面Ｂに接触させながら移動する際に、当該体表面Ｂからの反力による上下方向の変位に追従して、上下方向に受動的にスライド自在となっている。従って、中間構造体１５及び上部構造体１６は、体表面Ｂの形状に追従しながら、保持体２３をｚ軸方向に受動的に並進可能にする受動並進機構を構成する。

以上により、プローブ保持ユニット１１は、スライド機構１２による動力付与のみで、体表面Ｂの形状に関わらず、超音波プローブＰを体表面Ｂに接触させながら、体表面Ｂに対して一定の姿勢で移動可能にする表面形状追従機構を備えていることになる。

前記上部構造体１６には、超音波プローブＰが体表面Ｂ上を移動する際に、当該体表面Ｂに対し、超音波プローブＰを常時一定の接触力で接触させる接触力維持機構を備えている。

この接触力維持機構は、図８（Ａ）に概念的に示されるように、中間構造体１５を上下方向にスライド可能に繋がる本体フレーム３５と、本体フレーム３５に取り付けられて回転可能に設けられた滑車３６と、滑車３６に掛け回されて中間構造体１５に一部領域が固定されたワイヤ３７と、滑車３７を隔てて中間構造体１５の反対側となるワイヤ３７の一部領域に固定されたカウンターウエイト３９と、本体フレーム３５とカウンターウエイト３９との間で接続され、一定の付勢力を付与する付勢部材４０とを備えている。

前記カウンターウエイト３９は、超音波プローブＰが体表面Ｂに接触する際に、当該体表面Ｂに作用する超音波プローブＰや下部構造体１４等の重力の影響、すなわち、当該重力による体表面Ｂへの押圧力をキャンセル可能な重さに設定され、当該重力とのバランスを取るようになっている。ここで、前述した受動並進機構により、体表面Ｂの凹凸や傾斜に応じて中間構造体１５が高さ方向（上下方向）に変位したときでも、滑車３７とワイヤ３７の動作により、図８（Ａ）、（Ｂ）に示されるように、カウンターウエイト３９が上下方向に変位しながら前記重力とのバランスを取るようになっている。

前記付勢部材４０としては、例えば、定荷重ばねが用いられ、カウンターウエイト３９の上下方向の変位に関わらず、カウンターウエイト３９を上向きに引っ張る方向の一定の付勢力Ｆを付与するようになっている。このため、滑車３６を隔てた反対側の中間構造体１５には、付勢力Ｆと同一の大きさの下向きの力が常時作用することになり、当該常時一定の力が、超音波プローブＰ及びガイド部材２２（図示省略）による体表面Ｂへの接触力Ｆとなる。

前記スライド機構１２は、図１等に示されるように、プローブ保持ユニット１１が取り付けられて、プローブ保持ユニット１１全体を横方向（左右方向）に移動可能にｘ軸方向に延びるレール状の第１の直動アクチュエータ４１と、第１の直動アクチュエータ４１が取り付けられて、第１の直動アクチュエータ４１とともにプローブ保持ユニット１１を縦方向（前後方向）に移動可能にｙ軸方向に延びるレール状の第２の直動アクチュエータ４２とからなる。

これら直動アクチュエータ４１，４２は、詳細な図示を省略するが、モータの駆動によるねじ軸の回転により、当該ねじ軸に係合する取付部分を延出方向に移動させる公知の送りねじ軸構造を有するものが用いられる。なお、スライド機構１２としては、アクチュエータの駆動により、プローブ保持ユニット１１を直交２軸方向に移動させることができる限り、種々の構造のものを採用することが可能である。これら直動アクチュエータ４１，４２は、図示しない前記操作者等による操作指令によって駆動される。

以上の構成の超音波プローブ移動装置１０では、外部からの操作指令によるスライド機構１２の駆動により、超音波プローブＰが縦横方向に任意に移動する。この際、前記接触力維持機構により、超音波プローブＰは、常に一定の接触力で体表面Ｂに接触しながら移動する。また、体表面Ｂの凹凸や傾斜に追従して、中間構造体１５が上部構造体１６に対して受動的に上下動し、超音波プローブＰが体表面Ｂに常に接触した状態で移動する。そして、超音波プローブＰが体表面Ｂに接触したときの反力により、ガイド部材２２がその全面を体表面Ｂに接触させようとして、接平面Ｃ（図３，４等参照）に沿った姿勢になるように、体表面Ｂの形状に追従して、超音波プローブＰを保持する保持部２３を含む先端部１８全体が前述の２軸回りに受動的に回転する。これによって、ガイド部材２２に対して垂直姿勢に保持された超音波プローブＰは、体表面Ｂの形状に関わらず、接平面Ｃに対して前記垂直起立姿勢のまま体表面Ｂ上を移動することになる。これにより、体表面Ｂに接触する際の超音波プローブＰの姿勢が、理想とする前記垂直起立姿勢に維持されるため、体表面Ｂに対する超音波プローブＰの傾きによる片当たりが抑制され、エコー画像の部分的な欠落の防止に寄与できる。

次に、超音波プローブ移動装置１０の設置について説明する。

例えば、被検査者Ｈが仰向けに寝ながら超音波検査を行う場合、つまり、被検査者Ｈの前後を分割する冠状面が、被検査者Ｈの配置面となるベッドにほぼ水平になるような場合、超音波プローブ移動装置１０は、スライド機構１２が水平面に平行となる図１の水平姿勢で設置される。このとき、スライド機構１２は、前記水平面上の直交２軸方向に配置されることになる。

一方、図５に示されるように、被検査者Ｈが左右どちらかに傾いた横向きの姿勢で寝ながら超音波検査を行う場合、超音波プローブ移動装置１０は、前記配置面となるベッドＳの表面に対する前記冠状面Ｋの傾斜に合せた傾斜姿勢で設置される。この傾斜姿勢では、スライド機構１２が、冠状面Ｋの平行面上における直交２軸方向に配置されることになる。なお、例えば、図５の場合、被検査者Ｈの左右方向に沿って第１の直動アクチュエータが配置され、同頭尾方向（同図中紙面直交方向）に沿って第２の直動アクチュエータが配置される。

また、図７に示されるように、冠状面Ｋの傾斜状態に応じて、湾曲レール２０にワイヤ３２を固定する取付位置Ｄが変更される。すなわち、同図（Ａ）に示されるように、前記水平姿勢のときは、ワイヤ３２の取付位置Ｄが湾曲レール２０の延出方向のほぼ中央に固定される。一方、同図（Ｂ）に示されるように、前記傾斜姿勢のときは、水平姿勢の場合よりも、ワイヤ３２を伸ばして、傾斜角度θに対応して、湾曲レール２０の前記中央から外れた取付位置Ｄに固定される。

なお、前記傾斜姿勢のときにおいても、図８（Ｃ）に示されるように、超音波プローブＰ及びガイド部材２２（図示省略）の体表面Ｂに対する接触力Ｆは、接触力維持機構の付勢部材４０と超音波プローブＰの姿勢関係が相対的に変わらないため、付勢部材４０による一定の付勢力が作用し、超音波プローブ移動装置１０の設置姿勢に関わらず、常に一定の前記接触力Ｆを体表面Ｂに作用させることができる。

また、前記実施形態では、超音波プローブ移動装置１０を妊婦の経腹超音波検査に使用される場合を図示説明したが、本発明はこれに限らず、他の検診を含む超音波プローブＰの走査用として使用することも可能である。ここで、移動時に維持される超音波プローブＰの姿勢は、前記垂直起立姿勢に限らず、保持体２３による超音波プローブＰの保持状態を変えることで、所望とする一定の姿勢での維持が可能となる。

その他、本発明における装置各部の構成は図示構成例に限定されるものではなく、実質的に同様の作用を奏する限りにおいて、種々の変更が可能である。

１０超音波プローブ移動装置
１１プローブ保持ユニット（表面形状追従機構）
１２スライド機構
１４下部構造体（受動回転機構）
１５中間構造体（受動回転機構、受動並進機構）
１６上部構造体（受動並進機構）
１９先端支持部（受動回転機構）
２０湾曲レール（受動回転機構）
２２ガイド部材
２３保持体
２５回転ピン（受動回転機構）
３１付勢部材
３５本体フレーム（接触力維持機構）
３６滑車（接触力維持機構）
３７ワイヤ（接触力維持機構）
３９カウンターウエイト（接触力維持機構）
４０付勢部材（接触力維持機構）
Ｂ体表面（表面）
Ｃ接平面
Ｈ被検査者（検査対象）
Ｐ超音波プローブ

Claims

検査対象の表面に超音波プローブを接触させた状態で、アクチュエータの動力を利用し、前記表面に沿って前記超音波プローブを移動させる超音波プローブ移動装置において、
前記超音波プローブを保持する保持体を含むプローブ保持ユニットと、前記アクチュエータの駆動により、平面視における前記検査対象の縦横方向となる直交２軸方向に、前記プローブ保持ユニットをそれぞれスライド移動させるスライド機構とを備え、
前記プローブ保持ユニットは、前記スライド機構による動力付与のみで、前記表面の形状に関わらず、前記超音波プローブを前記表面に接触させながら当該表面に対して一定の姿勢で移動可能にする表面形状追従機構を備え、
前記表面形状追従機構は、前記表面の形状に追従しながら、前記保持体を前記２軸回りにそれぞれ受動的に回転可能にする受動回転機構を含み、
前記受動回転機構は、前記保持体に一体化された円弧状の湾曲レールと、当該湾曲レールをその延出方向にスライド自在に支持する中間構造体とを備え、当該スライドによる前記保持体の揺動により、前記超音波プローブの先端中央を回転中心として、前記２軸のうちの１軸回りに前記超音波プローブを回転可能にすることを特徴とする超音波プローブ移動装置。
前記プローブ保持ユニットは、重力による前記表面への押圧力をキャンセルして、前記超音波プローブを一定の接触力で前記表面に接触させる接触力維持機構を備えることを特徴とする請求項１記載の超音波プローブ移動装置。
検査対象の表面に超音波プローブを接触させた状態で、アクチュエータの動力を利用し、前記表面に沿って前記超音波プローブを移動させる超音波プローブ移動装置において、
前記超音波プローブを保持する保持体を含むプローブ保持ユニットと、前記アクチュエータの駆動により、平面視における前記検査対象の縦横方向となる直交２軸方向に、前記プローブ保持ユニットをそれぞれスライド移動させるスライド機構とを備え、
前記プローブ保持ユニットは、前記スライド機構による動力付与のみで、前記表面の形状に関わらず、前記超音波プローブを前記表面に接触させながら当該表面に対して一定の姿勢で移動可能にする表面形状追従機構を備え、
前記表面形状追従機構は、前記表面の形状に追従しながら、前記保持体を前記２軸回りにそれぞれ受動的に回転可能にする受動回転機構を含み、

前記受動回転機構には、前記超音波プローブが傾斜する際に生じるモーメントをキャンセルするように、前記保持体の回転方向に付勢力を付与する付勢部材が設けられていることを特徴とする超音波プローブ移動装置。
前記表面形状追従機構は、前記表面の形状に追従しながら、前記保持体を前記２軸に直交する１軸方向に受動的に並進可能にする受動並進機構を含むことを特徴とする請求項１又は２記載の超音波プローブ移動装置。
前記プローブ保持ユニットには、湾曲面を有する前記表面に当接したときに、当該表面に対する接平面を形成するガイド部材が前記保持体と一体的に設けられ、当該ガイド部材と前記受動回転機構により、前記表面に対する前記超音波プローブを垂直起立姿勢に維持することを特徴とする請求項１記載の超音波プローブ移動装置。