JP7223919B1 - 検査、治療又は診断中に被験者の身体に力を印加するための医療装置 - Google Patents

Abstract

医療装置は、力印加表面によって被験者の身体に力を印加するためのものである。材料構造体は、医療装置のユーザからの手動で入力される力を受けるための入力と、出力される力を伝達するために力印加面に結合された出力とを有する。材料構造体は、制限された既知の力が被験者の身体に加えられるように、力制限機能を含む力伝達機能を実施する。

Description

本発明は、例えば被験者の検査又は治療のために手動で操作され、被験者に力を印加するために使用される装置に関する。

医師は、反射について試験するか、または制御された力の印加を伴う他の身体検査試験を実施するとき、変動する力の振幅、印加角度、または、試験の転帰に影響を及ぼす可能性がある他のパラメータの変動を提供する責任がある。これらの変動は、比較することが困難な主観的結論につながる。

様々な刺激パラメータを制御するために、計装された刺激ツールまたはビデオ分析を含むソリューションが試験されている。臨床現実への移行が困難であり、実施コストがかかるため、これらは臨床的影響が限られていた。

検査または試験中に反復可能な力を提供するための、より信頼性が高く単純な方法が依然として必要とされている。

CN107 456 248は、ハンマーヘッドにばねベースの力吸収装置を備えた打撃ハンマー装置を開示している。

CN108 523 933は、ハンマーヘッドに油圧シリンダタイプの力吸収装置を備えた打撃ハンマー装置を開示している。

CN108 852 420は、打撃ハンマー力を制御するための電磁石装置を備えた打撃ハンマー装置を開示している。

CN108 852 419は、所望の範囲の打撃力を生成するための、ハンマーヘッド内に磁石およびばね構成を有する打撃ハンマー装置を開示している。

本発明は、請求項により規定される。

本発明の態様による実施例によれば、検査、治療または診断中に被験者の身体に力を印加するための医療装置が提供され、この装置は:

被験者の身体に接触するための接触領域を有する力印加表面;

前記医療装置のユーザからの手動で入力される力を受け取るための入力部と、出力される力を提供するために力印加表面に結合された出力部とを含む材料構造体を有し、前記材料構造体は、閾値を超える手動で入力された力の前記出力部への結合を制限することにより、力制限機能を実現する、前記入力部と前記出力部との間の力伝達機能を有する。

材料構造体は、各ユニットが座屈閾値を有する圧縮性ユニットのモジュール構造を画定するビームの配列を有する。

この装置は、ユーザ（例えば、医師）によって手動で変動する入力される力が印加されたとしても、既知の力が被験者の身体に加えられるように、力閾値挙動を実現する。この装置は、医師が、印加される力が（例えば、異なる被験者間で）一貫しているように、被験者検査などの手動の処置を実行することを可能にする。これにより、異なる検査（または治療または診断）の結果の解釈は、より一貫性のあるものとなる。

材料構造体は、例えば、手動で入力される力の角度に依存する入力と出力との間の力伝達機能を有する。例えば、力が不正確な角度で加えられる場合、低い力が結果として生じ得る。

材料構造体は、被験者の身体への力の印加領域に依存する、入力と出力との間の力伝達機能を有し得る。

材料構造体は、手動で入力される力の時間的動力学に依存する入力と出力との間の力伝達機能を有することができる。例えば、特定の速度で力を加えることが望ましい場合がある。

したがって、材料構造体は、正確な印加領域もしくは方向および/または手動で加えられる力の時間的特性に応じて力を伝達するように設計されることができる。

材料構造体は、ビームの配列を有する。個々のビームの設計およびビーム間の関係が材料の特性を決定する。ビームは、例えば、一緒に構造体のバルクを形成する繰り返し圧縮性ユニットを形成する。

装置は、接触領域における相互作用を測定するための1つまたは複数のセンサをさらに備えてもよい。これは、ユーザにフィードバックを提供するために使用され得る。

1つまたは複数のセンサは、例えば、伸張センサ、力センサおよび音響センサのうちの１つまたは複数を含む。

別の例は、応力の関数として色を変化させる応力センサである。

装置は、ハンドルおよび取り外し可能なツールヘッドを備えてもよく、材料構造体はハンドル内にあり、ツールヘッドは力印加表面を画定する。このようにして、材料構造体はハンドルの一部として使用されることができ、そしてハンドルは、1組の異なるツールに取り付けられることができる。

一組の実施例では、装置は、ハンドルと、ハンマーヘッドとを備える反射ハンマーを備え、接触領域はハンマーヘッドの先端からなる。したがって、この装置は、既知の反復可能な力が反射ハンマーによって印加されることを可能にする。

別のセットの例では、装置は、医師用手袋を備え、接触領域は、この手袋の指の端部における指パッドからなる。したがって、装置は、ユーザの指によって既知の反復可能な力が加印加されることを可能にする。

別のセットの例では、装置は、音響肺検査のためのタッピングパッドを備え、接触領域はタッピングパッドの表面からなる。

別のセットの例では、装置は、神経生理学的検査ツールを備え、接触領域は検査ツールの先端からなる。そして、材料構造体は、先端に印加される力を制御する。検査ツールは、一方の端部に鈍い先端部を備え、反対側の端部に鋭い先端部を備えたシャフトを有することができ、接触領域は先端部からなり、それぞれの材料構造体は、先端部の各々から奥まっている。そして、一対の先端部は、それぞれ独自の材料構造体を有する。

別の一組の実施例では、装置は、ユーザによって把持されるグリップ領域を有するツールを備え、材料構造体はグリップ領域とツールの残りの部分との間に設けられる。したがって、ツールに印加される把持力は、材料構造体によって調整される。

本発明のこれらおよび他の態様は、以下に記載される実施形態から明らかになり、これを参照して説明される。

本発明をより良く理解し、本発明をどのように実施することができるかをより明確に示すために、単なる例として、添付の図面を参照する。
反射ハンマーの形態の本発明による医療装置の第1の例。 医師用手袋の形態の本発明による医療装置の第2の例。 神経生理学的検査ツールの形態の本発明による医療装置の第3の例。 グリップを有する汎用ツールの形態の本発明による医療装置の第4の例。 単純な線形力制限装置の構造例。 材料構造体の設計および製造システム。 設計および製造方法を示す図。

本発明は、図面を参照して説明される。

詳細な説明および特定の例は、装置、システムおよび方法の例示的な実施形態を示しているが、例示のみを目的としたものであり、本発明の範囲を限定することを意図したものではないことを理解されたい。本発明の装置、システムおよび方法のこれらおよび他の特徴、態様および利点は、以下の説明、添付の特許請求の範囲、および添付の図面からより良く理解されるのであろう。図面は単に概略的なものであり、一定の縮尺で描かれていないことを理解されたい。また、同じ参照番号が、同じまたは類似の部分を示すために、図面全体にわたって使用されることを理解されたい。

本発明は、力印加表面によって被験者の身体に力を印加するための医療装置を提供する。材料構造体は、医療装置のユーザからの手動で入力される力を受けるための入力部と、出力される力を伝達するために力印加面に結合された出力部とを有する。材料構造体は、制限された既知の力が被験者の身体に加えられるように、力制限機能を含む力伝達機能を実施する。

図1は、検査、治療または診断中に被験者の身体に力を印加するための、本発明による医療装置の第1の例を示す。この例は、ハンドル10及びハンマーヘッド12を有する反射ハンマーである。ハンマーヘッド12は、ハンマーヘッドの先端14において被験者の身体（例えば膝）に接触するための接触領域を有する。接触領域は、力印加面によって形成され、人体または他の物体との接触を目的とした領域である。

先端部14とハンマーヘッドの後部との間には、材料構造体16が設けられている。材料構造体16は、ハンマーのユーザからの手動で入力される力を受けるための入力部（図1の右側）と、力印加面、すなわち先端部14に結合された出力部（図1の左側）とを有する。

材料構造体16は、閾値を超える手動入力される力の出力部への結合を制限することによって力制限機能を実現する、入力部と出力部との間の力伝達機能を有する。特に、材料構造体は、医療担当者の誤差を補正する変形範囲18を有する。

変形は弾性的であるため、装置は繰り返し再使用され得る。

本発明は、既存の反射ハンマー表面に付加されるモジュールとして適用されることができる。オプションとして、材料構造体16は、（ハンマー接触が不正確な角度で行われたときに生じる）せん断応力が導入されたときの変形閾値を有する。この閾値は、不正確な技術が使用されるときに迅速な座屈を引き起こすように、はるかに低くなるように設計され得る。これは、著しい力を被験者に伝達することなく、明らかな材料の座屈を誘発する。これにより、患者に垂直力伝達を適用する正確な技術が保証される。

材料構造体によって力が処理される方法は、以下に説明するように、材料構造体の設計プロセスの一部である。特に、予想される入力される力は、設計プロセスの初期制約の一部を形成し、これらは、（総合診療医が反射試験を実行するときに典型的に適用する）予想される力の印加の範囲および予想される印加角度のばらつきを含み得る。これらの初期条件は、実験室条件試験によって、または反射試験を行う総合診療医の自然なビデオから情報を抽出する方法によって、決定され得る。

材料構造体は、例えば、ビームのようなユニットのモジュール配置を含む。材料構造体は、例えば、所定の力閾値に達するまで変形せず、各ユニットが座屈閾値に達すると、いくつかのステップで変形する。加えられる力は、材料が変形してもほぼ一定のままである。（図1に概略的に示すような）4層ではなく20層の内部反復ユニットなど、各ユニットのより小さい長さスケールを使用すると、選択された最大値で加えられる力の滑らかさが増加する。それによって、初期設計条件の一部として定義される力のばらつきに基づいて、滑らかな力の印加を達成することができる。

接触領域を画定する先端は、（図1に示されるように）材料構造体に固定される別個の単純な材料から形成されてもよく、または材料構造体自体の表面であってもよい。したがって、接触領域または接触の形状は、材料構造体の設計によって制約される必要はない。

材料構造体の後部は、例えば、力がハンドル10（インパルス源）から材料構造体16に直接伝達されるように、反射ハンマーヘッドに堅固に固定される。材料構造体は、例えば調整可能なストラップを使用して、様々な異なるハンマーデザインに固定されるように設計されてもよい。

図2は、医師用手袋の形態の本発明による医療装置の第2の例を示す。4つの指20a-20dが示されており、各指は、手袋の指の端部において指パッド22a-22dによって画定された接触領域を有する。

これは、医師が予め設定された（閾値）力を超えたときを感じることを可能にする。力閾値、または力伝達機能の他の特性は、手袋の異なる指間で異なり得、医師が、力感度閾値の閾値を試験することを可能にする。これは、図2に概略的に示されている。例えば、各指パッドは、ユニットの正しい機能を保証するために、剛体の裏地を有する。

材料構造体は、力閾値に達するかまたは最大変形に達したときに、変形プロセスがユーザの皮膚に接触する表面のトポロジーを変化させるように、例えば、「バンプ」を形成するように、または指パッドの表面に対してタップを生成するように設計されてもよい。これを達成するために、材料の応答は、後面に加えられる力の特性を考慮して設計されることができる。これは、満たされている所望の力閾値の感触能力を向上させるために使用され得る。

図3は、鋭い端部30および鈍い/鈍った端部32を有する神経生理学的検査ツールの形態の本発明による医療装置の第3の例を示す。材料構造体は、鋭い端部30と把持されるツールの領域35との間の第1の部分34と、鈍い端部32と把持されるツールの領域35との間の第2の部分36とを含む。

材料構造体は、所定の位置に恒久的に固定されてもよく、または設計はモジュール式であってもよく、その結果、所望の力伝達機能を有するモジュールがグリップ領域35に取り付けられて、異なる患者感覚力閾値または他の力パラメータ変動の検査を可能にすることができる。

図4は、（神経生理学的検査ツールの例として示される）既存の修正されていないツール42の外側の周りに適用され得るモジュールとして形成された材料構造体40を有する一般的なツールの形態の本発明による医療装置の第4の例を示す。グリップ領域44に印加され、次いで材料を通る、所望の閾値を超えた圧力は、グリップの変形を引き起こす。このグリップ構造は、任意の既存の鋭い/鈍い試験ツール、または加えられる圧力が制限されるべき他のデバイスにも適用されることができる。

図4の例は圧縮座屈を使用するが、例はせん断座屈を使用してもよい。この場合、材料構造体はツールの全長に沿った摩擦によって取り付けられることができ、グリップ領域とツールシャフトとの間のせん断力がユニットセル層の座屈を引き起こす。単純な神経学的検査ツールは、異なる力閾値グリップを適用することによって、いくつかの力閾値感度検査のために使用され得る。

材料構造体は、いわゆる機械的メタマテリアルの一例である。アルゴリズム的設計プロセスを用いて、調整可能でエキゾチックな機械的特性を有する機械的メタマテリアルを作成することができる。これらは、力が所定の経路で運ばれるように、様々な荷重条件下で構造体を弾性的に変形させる能力、および、印加される力の方向に応じて非常に異なる挙動（機械的に非相反的である）をする材料を生成する能力を含む。

既存のメタマテリアルは、選択された閾値を上回る任意の力が更なる力伝達ではなく材料の変形を引き起こすように特徴付けられている。これは、上記の実施例で使用される主な材料特性である。

例えば、論文"Mechanical Performance of Multidirectional Buckling-Based Negative Stiffness Metamaterials: An Analytical and Numerical Study" Materials (Basel) 2018 Jul; 11(7):1078 (doi: 10.3390/ma11071078)は、座屈点を有する内部湾曲ビームを用いて、力閾値変形挙動が達成される装置を開示している。ビームの座屈力閾値は、ビームの曲率、長さ、剛性および厚さ特性によって制御される。そして、複数の座屈ユニットを直列に配置して、構造体が底をつくまで初期閾値を超えて増加しない、インパクトの間に比較的一貫した力出力を達成することができる。

これらの効果は、材料の内部構造の制御によって達成される。材料全体にわたってストラット角度、厚さ、長さおよび剛性などの特性を個別に制御することにより、特殊な機械的特性を有する材料の作製が可能になる。

特定のターゲット特性を有するメタマテリアルは、大きいパラメトリック設計空間を探索し、さらにはメタマテリアル構造をゼロから設計するために使用されることができる、機械学習などの既存の設計プロセスを使用して、設計されることができる。加えて、試行錯誤パラメトリック探索法を使用して、いくつかの調整可能なパラメータを有する初期メタマテリアル反復ユニットの設計など、所与の制約のセット内で設計を最適化することができる。

ユニットは、立方体などのストラットから形成されてもよい。これらのユニットは、繰り返し式である。特定の曲げダイナミクスを有する立方体などの所与の反復ユニットについて、FEMモデル（または他のモデリング技法）を使用して、ユニットの調整可能なパラメータ（ストラットパラメータ、ユニットサイズなど）の様々な取り決め、および特定アプリケーションの物理的制約に対するバルクモジュールのパラメータ（ユニットの数および物理的配置）をシミュレートすることができる。

力印加シナリオは、このようにシミュレートされ、所望のパラメータに対して分析され得る。解空間は、モンテカルロまたは他のパラメトリック最適化プロセスを使用して効率的に探索され得る。

さまざまな可能な力伝達機能は、例えば、上で参照した論文"Mechanical Performance of Multidirectional Buckling-Based Negative Stiffness Metamaterials: An Analytical and Numerical Study"に示される。最大数の層が崩壊すると、力の印加を制御する材料の能力は停止する。しかし、かなり平坦な力応答が多数の層により達成できることが示される。力伝達機能の実際の達成可能な平坦度は、製造プロセスの能力によって決定される（完全に平坦な応答は、理論的には、無限の層でしか達成できない）。したがって、材料構造体によって実行される力緩衝の範囲は、装置のユーザ（例えば、総合診療医）によって典型的に適用される範囲内に入るように選択される。

図5は、単純な線形力制限構造の構造例を示す。上部に示される基本的なデザインの構成要素50は、ストラット52から形成される立方体（または直方体）である。このユニット構造が繰り返されて、下の2番目の画像に示される、層状のより大きな材料構造体54が形成される。キューブは、下の画像によって示されるように、力が加えられ、一旦力閾値に達すると、層ごとに変形する。

立方体の高さは、例えば0.1～10mmである。この範囲の上端の値は、製造の費用効率が高いが、結果として平坦な力応答曲線が少なくなる。
ストラットの寸法は、使用される材料およびその特性に依存する。それはまた、立方体のサイズの関数として変化する。各立方体の高さが崩壊するのに十分な能力を可能にするために、ストラットの幅は、好ましくは、立方体の高さの25%未満でなければならない（2つのそのようなストラットの幅が全立方体高さの50%を占め、50%の崩壊可能な空間を残す）

図5はまた、センサ56が構造体に一体化され得ることを示す。

例えば、ひずみセンサは、接触領域における圧力状態に高度に応答する構造体の領域内の任意のストラットまたは複数のストラットに取り付けられてもよい。これは、例えば、曲げが生じるストラットの中央部分の上にあってもよい。

実用性のために、材料構造体は、塵の侵入などを防ぐために外膜にコーティングされてもよい。この膜の機構も材料設計プロセスに含まれる場合、センサを取り付けることができる適切でアクセス可能な基板を形成することもできる。

3Dプリントを含む新しい製造技術は、機械的メタマテリアルを含む複雑な内部構造を有する材料の迅速かつ安価な製造を可能にする。この空間における1つの重要な発展は、ホログラフィックプリントであり、これは、3D構造全体のプリントを同時に可能にし、プリント時間を劇的に短縮する。

次に、図6を参照して、材料構造体の設計および製造システムについて説明する。

材料構造体60は、機械的刺激伝達のためのものであり、それは、所望の一貫した力印加特性64を有する機械的刺激を伝達するために、制御されていない入力される力の特性を変換するように、調整された内部構造特性62を有する。

上記の例のいくつかで論じたように、力印加特性は、以下を含むことができる:

(i)或る閾値を超える力の振幅を制限する力伝達機能。

(ii)力の印加角度に対する伝達される力の依存性。例えば、不正確な印加角度が使用される場合、構造体は、低い力閾値で変形し得、反射応答の成功を防止する。

(iii)力の印加領域に対する伝達される力の依存性。ほとんどの場合、この領域は、材料構造体の接触領域のサイズによって定義される。力印加の押圧機能は好ましくは制御され、これは患者の組織に制御されたストレッチ効果を生じさせるために重要である。接触面積が力の印加面積よりも大きい例もあり得、材料構造体上に異なる方法で印加される圧力は、接触面積よりも小さい力の印加面積を生じさせる。例えば、力印加の軸の周りの立方体（または他の形状）の内側への崩壊は、面積を変化させ得、材料構造体の1つの領域を、その周りの崩壊領域よりも強くする。

(iv)力印加の時間的動態に対する伝達される力の依存性。これは、力が加えられている生体組織に制御された効果を生じさせるために使用され得る。例えば、反射ハンマーを用いたタップ中に組織が最大ストレッチ状態にある時間は、反射応答をもたらすための重要な要因であり得る。

(v)制御された刺激伝達にとって望ましい他の制約。

材料構造体は、典型的には、上述の反復ユニットまたは非反復ユニットを含む複雑な内部構造を有する。最も単純な実施形態では、反復ユニットのみが使用される。これらのユニットは、材料構造体60の創発的な力印加特性64をもたらす内部構造特性62を形成する、定義された構造特性および構造配置を有する。これらの特性は、例えば、立方体形状のコーナーを接続するビームから構成される繰り返し立方体ユニットの特性を含むことができ、 個々のビームが、以下の特性を有する：
ビーム長;
ビーム曲率;
ビーム厚さ;
ビーム材質/剛性。

材料構造体は、材料構造体内又は材料構造体上の接触領域に対して離れた位置に配置されたセンサ66を含むことができる。これらのセンサ66は、材料構造体による接触領域における力に関連する物理的パラメータ（「測定された物理的パラメータ」）を測定する。

センサは、フィードバックがユーザに提供されることを可能にする。

これらのセンサは、伸張センサ、圧力センサ、音響センサまたは他のデジタルセンサなどの、デジタルセンサであってもよい。それらは、アナログセンサ、例えば、応力に応じて色を変化させる材料であり得る。それによって、視覚的フィードバックが、構造的変形を通してユーザに与えられ得る。

設計アルゴリズム70が、力印加特性が材料構造体によって達成されるように、内部構造特性を設計するために使用される。設計アルゴリズムは、ユーザが設計空間を制限する制約を入力することができるように、ユーザインタフェイス72を含むことができる。これらの入力は、人間の設計者によって入力され、材料構造体の外形および寸法、ならびに許容可能な力印加特性または許容可能な力の範囲など、設計プロセスの初期制約を定義することができる。

所望の力印加特性は、力が所定の条件下で所定の応答力値に達するがそれを超えないような、実装シナリオに関連する所定の条件下での所望の挙動を含むことができる。

定義される条件の例は、1m/sで移動する制約なしの100g質量と、動きが直交する圧縮表面（ヒト組織の性質を伴う）との間で材料構造体が圧縮されるべきであるということである。これは、反射ハンマーのインパクトに類似し得る例示的なシナリオである。動きが非直交である場合、例えば、垂直から10度を超える角度で生じる場合、入力される力がこの角度を超えて印加されるときの、新しい最大力閾値、したがって材料挙動が定義され得る。

センサの数、測定される物理的パラメータおよびセンサの位置のような、センサ関連の制約も存在する。

他の制限条件、例えば、材料構造体全体の重量、制限された材料オプション又は他の特性が、実用性のために定義されてもよい。

シミュレーションアルゴリズム74は、内部構造特性の可能な組み合わせによって材料構造体をシミュレートし、物理的相互作用に対する得られた材料の応答（「応答データ」）を生成する。シミュレートされた物理的力の性質は、初期制約によって定義される。

メインのアルゴリズム76は、初期制約において定義された所望の力印加特性に対するシミュレートされた材料構造体の性能の品質を評価する。これにより、各々のシミュレートされた材料構造体（内部構造特性の組み合わせによって定義される）には、例えば0と1との間の数であってもよい性能スコアが与えられる。

それぞれの可能な設計のスコアリングが完了すると、パラメータ選択アルゴリズム78は、シミュレートされ製造されるべき内部構造特性の組み合わせを選択する。製造はステップ79で行われる。

センサの位置におけるシミュレートされた測定される物理的パラメータと接触領域における接触力との間の対応を定義する予測される伝達関数を計算するために、センサシミュレーションアルゴリズム80がオプションとして含まれる。センサ伝達関数は、センサ伝達関数データベース82に記憶される。

センサ較正アルゴリズム84は、センサによって収集された測定された物理的パラメータから、接触領域における実際の物理的パラメータ（例えば、主な実施形態において加えられる力）を決定する。したがって、センサは製作された構造体の使用中に使用され、シミュレーションプロセスは、測定されたセンサ信号が実際の印加された力特性に変換されることを可能にする。

図7に設計方法を示す。

ステップ90において、ユーザは、ユーザインタフェイスを介して初期制約を入力する。

設計アルゴリズムは、その内部構造特性に関して材料構造体のための適切な設計を作成し、それによって、ステップ92において、パラメータ選択アルゴリズムは、初期内部構造特性のセットをランダムに選択する。

ステップ94において、シミュレーションアルゴリズムは、標準的なFEMモデリングソフトウェアを使用することによって、選択された内部構造特性を有する材料構造体をシミュレートする。初期制約から導出され、材料構造体の実装シナリオを反映するシミュレートされた力にユニットがさらされる材料構造体のモデルが作成される。

モデル内の関心領域についてモデル化された力を抽出することによって、応答データがソフトウェアから生成される。主な実施形態では、これらのレポーターの位置および属性が、初期制約において定義されている所望の力印加特性の位置を反映する。例えば、これらは、三次元で力を測定する接触領域上の点、またはセンサが配置され得る（ユーザ定義）点であり得る。

ステップ96において、メインアルゴリズムは、応答データを初期制約において定義された所望の力印加特性と比較することによって、材料構造体スコアを計算する。一致の強度は、異なるターゲットパラメータの数の関数として計算され得る。

ステップ98において、パラメータ選択アルゴリズムは、シミュレーションのための内部構造特性の新しいセットを選択する。

これらの選択は、既に実行された全てのシミュレーションの材料構造体スコアに基づく。新しいセットの計算は、最小の計算労力のための最適設計の効率的な発見を可能にするために、パラメトリック空間探索アルゴリズムによって実行される。一例は、モンテカルロ法である。この方法は、材料構造体スコアの増分変化が予め設定されたレベル未満に減少するまで、ステップ94から繰り返すことができる。

次いで、ステップ100において、最も高い材料構造体スコアを持つ内部構造特性の組み合わせが、製造のために選択される。

センサシミュレーションアルゴリズムは、ステップ95において、例えば、接触領域における関心のある力に合致するようにセンサの位置における測定可能な力に適用されなければならない乗算係数を決定することによって、センサ伝達関数を決定する。より複雑な伝達関数もまた、必要に応じて数学的に決定され得る。

センサ伝達関数は、センサ関数データベースに記憶される。次いで、ステップ102において、3D印刷などの製造方法によって、物理的空間内に設計が作成される。

センサ伝達関数は、ステップ104において、製造された装置の使用/試験中に適用される。この使用中、センサは測定された物理的パラメータを収集し、センサ較正アルゴリズムは、材料構造体の実施形態に対応するセンサ伝達関数を使用してセンサを較正する。

初期制約は、ユーザインターフェースを介した入力として上述されている。さらに、GP相互作用からの自動化された初期制約抽出があってもよい。例えば、システムはGP手術から収集されるビデオまたは他のデータを使用することができ、医師および患者の物理的相互作用が測定されて、力印加パラメータおよび変動性が決定される。

このデータは、GPツール上に配置された適切な力センサから決定されることができる。これらの計算は、全ての医師に対してまとめて、又は医師毎に個人的に、実行されることができる。これらの測定値は、次いで、初期制約として設計アルゴリズムに入力され得る。

初期制約は、いくつかの実施形態では、センサの位置データを含まなくてもよい。これらはアルゴリズム的に計算されることができ、応答データは、材料構造体表面にわたって多くのデータ点を含む。接触領域に加えられる力に対して最大の相関値を有するデータ点がセンサのための位置として選択され得、したがって、自動センサ位置検出を提供する。

要約すると、本発明は、刺激印加が予め設定された限界を超えないことを保証する機械的材料構造体を使用する装置を提供する。過剰な力は、臨界刺激パラメータに影響を及ぼさないように消散され得る（例えば、弾性的に消散されるか、または力印加領域から離れる方向に向けられる）。

加えて、刺激の主要な力パラメータは、材料構造体設計内に配置されたセンシング構造によって測定されてもよい。材料構造体の設計は、特定の力印加パラメータが力印加の領域から離れた位置からモニタされ得るように構築され得る。

材料構造体は、機械的刺激を所望の一貫した特性で伝達するために、制御されていない入力される力の特性を変換するように調整された内部構造特性を有する、機械的刺激伝達のための体積を有する。設計アルゴリズムは、材料構造体のバルク特性が反射ハンマー、手袋、神経学的試験ツールまたは他のGP-患者相互作用シナリオなどの適用シナリオのための一組の所望の特性を達成することを確実にする。

本発明は、力を所定のレベルに制限することが望ましい任意の用途に使用されることができる。これは、加えられた力が例えば、人為的なエラーを介して、著しい変動を受けるアプリケーションにおいて重要である。診断ツールへのシステムの適用は、医師によって加えられる力の変動にもかかわらず、医師が確実に正確な大きさの力を印加することを可能にする。それによって、印加された刺激に対する患者の応答についてのより客観的な結論を引き出すことができる。

（印加される力の合理的な範囲内における）力の入力の変動性を排除することに加えて、刺激角度の変動性もまた、力印加の異なる角度の下での材料の異なる挙動によって、上記で説明されたように排除され得る。離れたセンサの配置は、配置されるセンサのためのより大きな領域を提供し、加えられた力によるセンシング構造の干渉を防止する。

本発明は、既存のツールが、それらのツールに追加され得るモジュールを提供することによって、使用されることを可能にする。したがって、医師は、追加の機能性を有する馴染みのあるフォームファクタを使用することができる。

開示された実施形態に対する変形例は、図面、開示、および添付の特許請求の範囲の検討から、特許請求された発明を実施する際に当業者によって理解され、実施されることができる。請求項において、単語「有する」は、他の要素又はステップを排除するものではなく、不定冠詞「a」又は「an」は、複数性を排除するものではない。

特定の手段が相互に異なる従属請求項に記載されているという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが有利に使用されることができないことを示すものではない。

「に適応する」という用語が請求項又は明細書に用いられる場合、「に適応する」という用語は、「ように構成される」と言う用語と同様であることを意味する。

請求項におけるいかなる参照符号も、範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。

Claims (14)

1. 検査、治療または診断の間に被験者の身体に力を印加するための医療装置であって、
   前記被験者の前記身体に接触するための接触領域を備える力印加表面、
   各ユニットが座屈閾値を持つ圧縮性ユニットのモジュール構造を画定するビームの配列を有する材料構造体、
   を有し、
   前記材料構造体は、前記医療装置のユーザから手動で入力される力を受け取るための入力部と、出力される力を伝達するために前記力印加表面に結合される出力部とを有し、
   前記材料構造体は、閾値を超える手動で入力される力の前記出力部への結合を制限することにより、力制限機能を実現する前記入力部と前記出力部との間の力伝達機能を有する、医療装置。
2. 前記材料構造体が、前記手動で入力される力の角度に依存する、前記入力部と前記出力部との間の力伝達機能を有する、請求項１に記載の医療装置。
3. 前記材料構造体が、前記被験者の前記身体への力の印加領域に依存する、前記入力部と前記出力部との間の力伝達機能を有する、請求項１または２に記載の医療装置。
4. 前記材料構造体が、前記手動で入力される力の時間的動力学に依存する、前記入力部と前記出力部との間の力伝達機能を有する、請求項１から３のいずれか一項に記載の医療装置。
5. 前記接触領域におけるインタラクションを測定するための１つまたは複数のセンサをさらに有する、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の医療装置。
6. 前記１つまたは複数のセンサが、伸張センサ、力センサおよび音響センサのうちの１つまたは複数を有する、請求項５に記載の医療装置。
7. 前記１つまたは複数のセンサが、応力の関数として色が変化する応力センサを有する、請求項５または６に記載の医療装置。
8. ハンドルおよび取り外し可能なツールヘッドを有し、前記材料構造体が前記ハンドル内にあり、前記ツールヘッドが前記力印加表面を画定する、請求項１から７のいずれか一項に記載の医療装置。
9. ハンドルおよびハンマーヘッドを備える反射ハンマーを有し、前記接触領域が前記ハンマーヘッドの先端からなる、請求項１から８のいずれか一項に記載の医療装置。
10. 医師用手袋を有し、前記接触領域は、当該手袋の指の端部における指パッドからなる、請求項１から８のいずれか一項に記載の医療装置。
11. 肺音響検査のためのタッピングパッドを有し、前記接触領域は前記タッピングパッドの表面からなる、請求項１から１０のいずれか一項に記載の医療装置。
12. 神経生理学的検査ツールを有し、前記接触領域は前記検査ツールの先端からなる、請求項１から８のいずれか一項に記載の医療装置。
13. 一方の端部に鈍い先端部を備え、反対側の端部に鋭い先端部を備えたシャフトを有し、前記接触領域は前記先端部からなり、それぞれの材料構造体は、先端部の各々から奥まっている、請求項１２に記載の医療装置。
14. グリップ領域を備えるツールを有し、前記ツールは前記ユーザによって把持され、前記材料構造体は前記グリップ領域とツールの残りの部分との間に設けられる、請求項１から８のいずれか一項に記載の医療装置。

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