JPH0577045B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、曲がりくねつた細い通路を通して移
動させることのできる可撓管に関するもので、特
に、その移動に伴つて可撓管を能動的に屈曲させ
るようにした、可撓管の能動屈曲装置に関するも
のである。

（従来の技術） 生体の胃、腸、気管などの内臓器官の検診や、
原子力プラント、ジエツトエンジン、ボイラ等、
外部から見ることのできない各種工業機器の内部
あるいは裏側の点検などを行うときには、通常、
曲がりくねつた細い通路に挿通することのできる
柔軟な内視鏡が用いられる。そのような内視鏡
は、一般に、光フアイバ束を用いたフアイバスコ
ープを、可撓性の管体からなる体幹内に挿通した
ものとされている。

ところで、特に医用の内視鏡の場合には、挿入
される大腸等が大きな移動性を有しているので、
その体幹を大腸等の屈曲形状に応じて能動的に屈
曲させることができるようにすることが望まれ
る。

そこで、従来の医用内視鏡は、その体幹の先端
部内周面に４本のワイヤを接続し、そのワイヤを
外部から選択的に引つ張ることにより、体幹の先
端部を任意の方向に屈曲させることができるよう
にされていた。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、そのように体幹の先端部のみを
能動的に屈曲させるようにしたものでは、他の部
分は腸壁等の反力によつて受動的に屈曲させなけ
ればならず、挿入操作に高度の熟練を要するばか
りでなく、患者に不快な圧迫感を与えるという問
題があつた。

体幹全体を能動的に屈曲させることができるよ
うにすればよいのであるが、従来のようなワイヤ
の引張による屈曲装置では、そのようにしようと
すると、多数のワイヤを互いに干渉することのな
いようにして体幹内に挿通しなければならないの
で、体幹を大径のものとすることが必要となる。
そのために、できるだけ小径とすることが求めら
れる内視鏡には、そのような能動屈曲装置は適用
することができなかつた。

本発明は、このような実情に鑑みてなされたも
のであつて、その目的は、軟性内視鏡の体幹等を
構成する可撓管を、小径のものでありながら、全
体を任意の形状に能動的に屈曲させることができ
るようにすることである。

（問題点を解決するための手段） この目的を達成するために、本発明では、可撓
管を屈曲させるアクチユエータとして、形状記憶
合金（Shape Memory Alloy、以下、SMAと略
称する）材を用いるようにしている。可撓管は、
両端にフランジを有する複数個の可撓性セグメン
トを直列に連結することによつて形成されてい
る。SMA材は、変態点以下の温度で伸長変形さ
せた状態で、各セグメントの両端のフランジ間に
複数本、円周方向に間隔を置いて張設されてい
る。各SMA材は、可撓管内に挿通されるリード
線を介して外部の制御装置に接続されている。そ
の制御装置は、先端セグメントのSMA材に指令
電流を加える屈曲角指令部と、その先端セグメン
トの屈曲角と可撓管の移動速度とに応じて、後続
するセグメントのSMA材に加える電流を制御す
るシフト指令部とを備えている。

（作用） このように構成することにより、可撓管を移動
させながら、先端セグメントのSMA材に指令電
流を加えると、SMA材は銅の約25〜50倍の電気
抵抗を有しているので、そのSMA材がジユール
発熱する。そして、その熱によつて、SMA材が
変態点以上の温度に達すると、そのSMA材は記
憶している元の形状に戻ろうとする。したがつ
て、変態点以下の温度で伸長させてフランジ間に
張設されたSMA材は、それ自体の熱によつて収
縮する。その結果、先端セグメントは、収縮する
SMA材側に向かつて指令された角度だけ屈曲す
る。

そして、その先端セグメントと可撓管の移動速
度とに応じて次のセグメントのSMA材に加える
電流を制御すれば、次のセグメントが先端セグメ
ントの位置していたところに達したとき、そのセ
グメントが先端セグメントと同様に屈曲する。こ
うして、先端セグメントの屈曲が、後続する各セ
グメントに順次伝播され、可撓管が曲がりくねり
ながら移動するようになる。

リード線は微細なものでよいので、多数本のリ
ード線であつても、十分に小径の可撓管の内部に
挿通することができる。

（実施例） 以下、図面を用いて本発明の実施例を説明す
る。

図中、第１〜３図は本発明による可撓管の能動
屈曲装置を大腸内視鏡に適用した実施例を示すも
ので、第１及び２図はその内視鏡の体幹の縦断面
図及び横断面図であり、第３図はその内視鏡のシ
ステムの説明図である。

第１，２図から明らかなように、可撓管である
体幹１は、複数個のセグメント２，２，…を直列
に連結したものとされている。各セグメント２
は、円筒状の外装３によつて覆われた中心骨格と
なるステンレス製のコイルスプリング４の両端
に、その軸線に直交するサイドフランジ５，５を
取り付けたもので、隣接するセグメント２，２の
フランジ５，５はジヨイント６によつて互いに結
合されている。各セグメント２には、両端のフラ
ンジ５，５間に更に一対の中間フランジ７，７が
設けられている。そして、このように連結された
複数個のセグメント２，２，…全体が、人工血管
と同様な材料からなる柔軟な外被８によつて覆わ
れている。

こうして、各セグメント２は、曲げ剛性は小さ
いが伸縮及びねじりに対する剛性は大きい可撓性
の管体として構成されている。

各セグメント２の中心のコイルスプリング４内
には、体幹１の全長を通してその一端から外部に
まで延びるフアイバスコープ９と往復一対の冷却
水管１０，１０とが挿通されている。また、コイ
ルスプリング４の外装３と外被８との間の空間に
は、６本のSMA材１１と多数のリード線を束ね
た一対のリード線束１２，１２とが配設されてい
る。

SMA材１１は、微細な線材を外径１mm程度の
コイルスプリング状に形成したもので、変態点以
上の温度で密着巻きの状態となる形状を記憶させ
てある。そして、変態点以下の温度で伸長変形さ
せた状態でセグメント２の両端のフランジ５，５
間に張設され、両端がそのフランジ５，５にそれ
ぞれ固定されている。したがつて、そのSMA材
１１は、変態点以上の温度にまで加熱すると収縮
する。

SMA材１１は、近接して配置された３本が１
組とされ、その２組がそれぞれ中央のコイルスプ
リング４の両側の互いに軸対称な位置に配設され
ている。この３本１組のSMA材１１は、その端
部が適宜互いに接続され、電気的に直列となるよ
うにされている。そして、このように電気的に直
列に接続されたSMA材１１の一端は、リード線
束１２中の独立したリード線に接続され、他端は
リード線束１２中のアース線に接続されている。

リード線束１２は、各セグメント２の屈曲の中
立面内に配置され、体幹１の運動性に影響を与え
ることのないようにされている。このリード線束
１２は、体幹１の全長を通して延び、その一端か
ら外部にまで延出して、各SMA材１１に独立し
て電流を加えることができるようにされている。

中間フランジ７には、これらSMA材１１及び
リード線束１２が挿通される貫通孔１３，１３，
…が設けられている。

第３図から明らかなように、大腸内視鏡は、上
述のように構成されたセグメント＃１，＃２，
…，＃ｎからなる体幹１を備えている。そして、
その体幹１が大腸１４内に挿入され、その先端か
らフアイバスコープ９によつて腸壁等を観察する
ものとされている。

体幹１の外部には、その体幹１を挿入移動させ
るサーボモータ１５と、体幹１の挿入及び屈曲を
制御する制御装置１６と、体幹１内の冷却水管１
０，１０を通して冷却水を循環させる水ポンプ１
７とが設けられている。

制御装置１６は、各セグメント＃１〜＃ｎの屈
曲角を制御する指令部としてのサーボユニツト１
８₁，１８₂，…，１８_oと、体幹１の移動速度を
制御するモータサーボユニツト１９とを備えてい
る。これらのサーボユニツト１８₁〜１８_o，１９
は、入出力装置２０によつて与えられるマイクロ
コンピユータ２１からの指令に基づいて作動され
るようになつている。

各セグメント＃１〜＃ｎの屈曲角を制御するサ
ーボユニツト１８₁〜１８_oは、対応するセグメン
ト＃１〜＃ｎのSMA材１１に、上述のそれぞれ
独立したリード線を介して電流を供給するもの
で、そのサーボユニツト１８₁〜１８_oには対応す
るSMA材１１の電気抵抗値がフイードバツクさ
れるようになつている。すなわち、そのサーボユ
ニツト１８₁〜１８_oは、第４図に示されているよ
うに、SMA材１１と一定抵抗値の３個の抵抗Ｒ
とをブリツジ回路に組み、SMA材１１の抵抗値
をフイードバツクして入力信号に加える回路によ
つて構成されている。そして、各サーボユニツト
１８₁〜１８_oは、対応するセグメント＃１〜＃ｎ
の２組のSMA材１１を同時に制御するものとさ
れている。

この制御装置１６は次のように働く。

すなわち、この内視鏡を用いるときには、医師
が、フアイバスコープ９からの映像を見ながら、
先端方向制御用操縦レバー２２及び挿入動作用操
縦レバー２３を操作する。手動で与えられるこれ
らの指令は、入出力装置２０からマイクロコンピ
ユータ２１に導かれ、そのマイクロコンピユータ
２１によつて処理された後、再び入出力装置２０
を通して各サーボユニツト１８₁〜１８_o，１９に
与えられる。先端方向制御用操縦レバー２２から
の指令はサーボユニツト１８₁に与えられ、その
サーボユニツト１８₁から先端セグメント＃１に
指令電流が送られて、先端セグメント＃１が指令
された方向及び角度で屈曲される。すなわち、こ
のサーボユニツト１８₁が屈曲角指令部となつて
いる。挿入動作用操縦レバー２３からの指令はモ
ータサーボユニツト１９に与えられ、その指令信
号に基づいてサーボモータ１５が駆動されて、体
幹１が指令速度で移動される。また、これらの指
令がマイクロコンピユータ２１によつてシフト指
令に翻訳され、サーボユニツト１８₂〜１８_oから
対応するセグメント＃２〜＃ｎに指令電流が送ら
れて、それら各セグメント＃２〜＃ｎが指令され
た方向及び角度で屈曲される。このシフト指令と
は、先端セグメント＃１の屈曲を、体幹１の移動
速度に同期して、後続するセグメント＃２〜＃ｎ
に順次伝播させるもので、それによつて体幹１
は、大腸１４の屈曲形状に沿つて屈曲しながら移
動することになる。すなわち、これらのサーボユ
ニツト１８₂〜１８_oがシフト指令部となつてい
る。

次に、第１，２図のように構成された体幹１の
作用について説明する。

各セグメント２のSMA材１１には、上述のよ
うにして制御された電流が加えられる。SMA材
１１は、約70℃の変態点以下の温度では比較的柔
軟で伸びやすい性質を有するが、変態点以上に加
熱されると、固くなつて記憶している形状に復元
する。したがつて、各SMA材１１に通電されて
いない状態では、セグメント２はコイルスプリン
グ４の弾性力によつて直線状に延びているが、い
ずれかのSMA材１１に通電すると、ジユール熱
によつてそのSMA材１１が変態点以上の温度に
達し、記憶形状に収縮する。その結果、そのセグ
メント２が、収縮するSMA材１１の側に屈曲す
る。SMA材１１は、相変態に伴つて電気抵抗値
が変化するが、上述のようにその抵抗値をフイー
ドバツクして入力電流を制御することにより、そ
の屈曲角は指令されたとおりの角度となる。

SMA材１１への通電を停止すると、そのSMA
材１１は、冷却水管１０を通して循環する冷却水
によつて冷却され、変態点以下の温度となつて収
縮力を失うので、セグメント２はコイルスプリン
グ４の弾性力により直線状に復元する。

この間において、SMA材１１は３本が１組と
され、それらが電気的に直列に接続されているの
で、次のような効果を得ることができる。

３本１組のSMA材１１の電気抵抗が極めて
大きくなる。したがつて、そのSMA材１１に
電流を送るリード線の抵抗が無視できるように
なり、そのリード線を細くすることができる。
また、セグメント２の屈曲角のモニタ値とし
て、SMA材１１の相変態に伴う電気抵抗値の
変化を利用する場合、全体の抵抗が大きくなつ
た分だけその変化量も大きくなり、正確な屈曲
角の計測が可能となる。

SMA材１１の表面積が大きくなるので、電
流遮断時の冷却が速やかに行われ、応答速度を
速くすることができる。

各SMA材１１が小径のものであつても、１
本の大径のものと同等の駆動力を得ることがで
きる。

こうして、各リード線は、絶縁外被を含めて直
径0.1mm程度の微細なものとすることが可能とな
り、各セグメント２ごとに独立したリード線を束
ねても、そのリード線束１２の径は極めて小さな
ものとなる。したがつて、体幹１の径は全体でも
10〜15mm程度に抑えることができ、大腸内視鏡と
して十分に満足し得るものを得ることができる。

この内視鏡は、SMA材１１が軸対称な位置に
配設されているだけであるので、その屈曲は１自
由度しか有していないが、大腸１４の２次元的な
配置からみて、十分実用に供することができる。
なお、操作性をよりよくすることが求められる場
合には、先端のセグメント１２には３組のSMA
材１１を120°間隔に配置して、２自由度の屈曲を
行わせるようにすることもできる。

第５〜７図は本発明による可撓管の能動屈曲装
置を心臓カテーテルに適用した実施例を示すもの
で、第５図はその体幹の一部を示す破断斜視図で
あり、第６及び７図はその体幹の骨格を形成する
合成樹脂チユーブのそれぞれ異なる実施例を示す
斜視図である。

第５図から明らかなように、体幹３０は、シリ
コンゴムあるいはナイロン等の弾力性を有する合
成樹脂材からなるチユーブ３１の両端にフランジ
３２，３２を取り付けた複数個のセグメント３３
を、ジヨイント３４を介して直列に連結すること
によつて構成されている。そのチユーブ３１は、
第６図に示されているように、中心に血圧測定や
採血等を行うための作業孔３５を有するもので、
その周壁には、２本ずつ３組のSMA材挿通孔３
６及び３本のリード線挿通孔３７がそれぞれ120°
の間隔を置いて設けられている。また、フランジ
３２には、チユーブ３１の中心作業孔３５、
SMA材挿通孔３６、及びリード線挿通孔３７に
対応する中心孔３８、SMA材係止孔３９、及び
リード線挿通孔４０がそれぞれ設けられている。

SMA材４１は、変態点以下の温度で伸長変形
させたワイヤ状のもので、一方のフランジ３２側
において屈曲されるとともに、そのSMA材係止
孔３９に固定され、チユーブ３１内に近接して配
置された１組のSMA材挿通孔３６に挿通されて
いる。そして、そのSMA材４１の両端は、他方
のフランジ３２のSMA材係止孔３９に固定され
るとともに、リード線挿通孔３７，４０に挿通さ
れるリード線束４２中の独立したリード線及びア
ース線にそれぞれ接続されている。こうして、
SMA材４１は、近接して位置する２本が１組と
され、それらが力学的には並列で、電気的には直
列となるようにされている。

各リード線は、第１〜４図の実施例と同様の外
部制御装置に接続されている。

次に、このような体幹３０を有する心臓カテー
テルの作用について説明する。

心臓カテーテルは、血管中に挿入して心臓や大
動脈等の各部に到達させ、その血行状態等を調べ
るもので、その挿入操作は、例えばＸ線の透視下
で、血管等の屈曲に合わせて体幹３０を屈曲させ
ながら挿入していくということによつて行われ
る。

体幹３０の屈曲は、第１〜３図の実施例と同様
に、各セグメント３３のSMA材４１に加える電
流を制御することによつて行われる。例えば１組
のSMA材４１に電流を加えると、そのSMA材４
１がジユール熱によつて変態点以上に昇温し、そ
のSMA材４１が収縮する。したがつて、セグメ
ント３３は収縮するSMA材４１側に屈曲する。
また、２組のSMA材４１，４１に電流を加える
と、セグメント３３はそのSMA材４１，４１の
中間に向かつて屈曲する。こうして、体幹３０を
任意の方向に屈曲させることができるようにな
る。

このような心臓カテーテルは、一般に体温がほ
ぼ一定であるので、その使用温度環境がほぼ一定
に保たれる。そして、通電を停止したときの
SMA材４１の冷却は、体熱によつて十分に行わ
れる。したがつて、第１〜３図の実施例のような
冷却水管は省くことができる。

また、SMA材４１を上述のようにワイヤ状の
ものとすることによつて、その収容スペースも極
めて小さくてよくなる。その結果、体幹３０の直
径は３〜５mm程度とすることができ、心臓カテー
テルとして適したものとなる。

心臓カテーテルの場合には、上述のように体幹
３０全体が２自由度の屈曲を行い得るものとする
ことが望ましいが、比較的屈曲の少ない血管等に
挿入されるカテーテルの場合には、先端セグメン
ト３３のみをそのように２自由度で屈曲させるこ
とができるものとし、後続するセグメント３３は
１自由度でのみ屈曲させるようにすることもでき
る。その場合には、後続するセグメント３３の合
成樹脂チユーブ３１を、第７図に示されているよ
うに、SMA材挿通孔３６及びリード線挿通孔３
７がそれぞれ軸対称な位置に設けられているもの
とすればよい。このように２組のSMA材挿通孔
３６が軸対称に配置されるものとすれば、その挿
通孔３６を多くして、例えば図のように４本１組
のものとすることもでき、それらに挿通される
SMA材４１によつてより強い屈曲力を作用させ
ることができるようになる。

（発明の効果） 以上の説明から明らかなように、本発明によれ
ば、SMA材をアクチユエータとして用い、その
SMA材に電流を加えてジユール発熱させ、記憶
形状に収縮させることにより、可撓管を屈曲させ
るようにしているので、そのアクチユエータ自体
を小径のものとすることができるとともに、各
SMA材は、それぞれ微細なリード線を介して外
部の制御装置に接続すればよく、そのリード線を
可撓管に挿通するようにしても、可撓管を大径の
ものとする必要はなくなる。したがつて、可撓管
を小径のものとしながら、その可撓管を構成する
多数のセグメントをそれぞれ能動的に屈曲させる
ことができるようになる。

そして、先端セグメントを指令した角度に屈曲
させるとともに、その屈曲角を、可撓管の移動速
度に同期して後続するセグメントに順次伝播させ
るようにしているので、その可撓管は曲がりくね
りながら移動するようになる。したがつて、複雑
な通路であつてもその可撓管はスムーズに挿通さ
れるようになり、特に医用の内視鏡に適用した場
合、患者に不快感を与えることが軽減されるよう
になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による可撓管の能動屈曲装置
を適用した大腸内視鏡の体幹の一実施例を示す縦
断面図、第２図は、その体幹の横断面図、第３図
は、その大腸内視鏡のシステム図、第４図は、そ
の内視鏡の制御装置の一部の回路図、第５図は、
本発明による可撓管の能動屈曲装置を適用した心
臓カテーテルの体幹の一実施例を示す要部の切り
欠き斜視図、第６図は、その体幹を構成する合成
樹脂チユーブを示す斜視図、第７図は、その合成
樹脂チユーブの異なる例を示す斜視図である。 １……体幹（可撓管）、２……セグメント、５
……フランジ、６……ジヨイント、９……フアイ
バスコープ、１０……冷却水管、１１……形状記
憶合金材、１２……リード線束、１４……大腸
（通路）、１６……制御装置、１８₁〜１８_o……サ
ーボユニツト（指令部）、３０……体幹（可撓
管）、３２……フランジ、３３……セグメント、
３４……ジヨイント、４１……形状記憶合金材、
４２……リード線束。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 曲がりくねつた通路に沿つて移動される可撓
   管を、両端にフランジが設けられ、直列に連結さ
   れる複数個の可撓性円筒状セグメントによつて構
   成し、 各セグメントの両端のフランジ間に、変態点以
   下の温度で伸長変形させた複数本の形状記憶合金
   材を、円周方向に間隔を置いて張設するととも
   に、 各形状記憶合金材に、前記可撓管の内部を通し
   て外部に導かれる独立したリード線をそれぞれ接
   続し、 そのリード線の外端を、先端セグメントの形状
   記憶合金材に指令屈曲角に応じた電流を加える屈
   曲角指令部と、その屈曲角と前記可撓管の移動速
   度とに応じて後続する各セグメントの形状記憶合
   金材に加える電流を制御するシフト指令部とを備
   えた制御装置に接続してなる、 可撓管の能動屈曲装置。 ２ 前記形状記憶合金材がコイルスプリング状の
   ものとされている、 特許請求の範囲第１項記載の可撓管の能動屈曲
   装置。 ３ 前記形状記憶合金材がワイヤ状のものとされ
   ている、 特許請求の範囲第１項記載の可撓管の能動屈曲
   装置。 ４ 前記フランジ間に張設される形状記憶合金材
   が、互いに近接して配設される複数本ずつの複数
   組とされ、 各組をなす複数本の形状記憶合金材が電気的に
   直列に接続されている、 特許請求の範囲第１項記載の可撓管の能動屈曲
   装置。 ５ 前記形状記憶合金材が、各セグメントの軸対
   称な２位置に配設されている、 特許請求の範囲第１項記載の可撓管の能動屈曲
   装置。 ６ 前記形状記憶合金材が、各セグメントの円周
   方向に120°の間隔を置いた３位置に配設されてい
   る、 特許請求の範囲第１項記載の可撓管の能動屈曲
   装置。 ７ 前記可撓管内に、前記形状記憶合金材を冷却
   させる冷却水管が設けられている、 特許請求の範囲第１項記載の可撓管の能動屈曲
   装置。 ８ 前記制御装置が、各形状記憶合金材の電気抵
   抗値をフイードバツクしてその形状記憶合金材に
   加える電流を制御する抵抗値フイードバツク系を
   備えている、 特許請求の範囲第１項記載の可撓管の能動屈曲
   装置。