JPH11295167A - 触覚センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 圧力を光に変換することにより電磁的な障害
を受けることなく、小型で組み立ても容易となる触覚セ
ンサを提供する。 【解決手段】 医療用カテーテルチューブ１の先端部に
取り付けたダイアフラム支持板７のダイアフラム部７ｂ
の裏面の光反射面で光を反射させてセンサ用光ファイバ
３を介して検出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、特に人体に用いる
医療用カテーテルチューブや腹腔鏡等の長尺管体の先端
部に装着する触覚センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】医療用カテーテルチューブや腹腔鏡等
は、生体内に挿入するに際に、血管内壁や臓器等を強く
押して損傷を与えたりすることがないようにしなければ
ならない。そこで、これら医療用カテーテルチューブや
腹腔鏡等の先端部に取り付けて、ここに加わる圧力を検
出する触覚センサの研究開発が従来からなされている。
このような触覚センサとしては、 ・機械スイッチ方式 ・圧力抵抗変換方式 ・圧力電圧変換方式 ・圧力光変換方式 等が考えられる。

【０００３】機械スイッチ方式は、圧力をバネ等によっ
てスイッチの機械的なＯＮ／ＯＦＦ動作に変換し電気信
号として検出するものであり、最も扱い易く信頼性の高
いものである。

【０００４】圧力抵抗変換方式は、圧力によって生じた
弾性体の歪みを電気抵抗に変換して検出するものであ
り、歪みゲージや半導体圧力センサがその代表例であ
る。歪みゲージは、フィルム上に銅ニッケル合金等の抵
抗膜を形成し、このフィルムの変位を抵抗膜の抵抗の変
化として検出する力センサである。また、半導体圧力セ
ンサは、シリコンウエハに設けたダイアフラムに不純物
を拡散することにより拡散抵抗を形成し、このダイアフ
ラムの変位を拡散抵抗の抵抗変化として検出するもので
あり、一般には流体の圧力センサとして用いられること
が多いが、シリコンゴム等でパッケージングすることに
より荷重センサとして用いることもできる。この他に
は、シリコンゴムに導電性微粒子を分散させて、このシ
リコンゴムに力を加えたときの変位を抵抗変化として検
出する感圧導電性ゴムと称されるものもある。

【０００５】圧力電圧変換方式は、圧電効果を利用して
圧力を電気信号に変換するものである。圧電効果素子と
しては、ＰＺＴや高分子材料のポリフッ化ビニリデン
（ＰＶＤＦ）等、又はこれらを複合化させたものを用
い、これらが圧力を受けた時に生じる電圧を検出する。

【０００６】圧力光変換方式は、圧力を光の強度や位相
の変化等に変換するものであり、例えばスポンジやゴム
等を透明なガラス板の上に配置し、このスポンジやゴム
等が受ける圧力に応じて変化するガラスの反射率を検出
するようにしたものがある。また、発光ダイオードとフ
ォトトランジスタの間に圧力に応じて変位する遮蔽物を
置くことにより、フォトトランジスタの受光量を検出す
るようにした光遮断方式と称されるものもある。

【０００７】さらに、医療用カテーテルチューブや腹腔
鏡等に用いる圧力光変換方式の触覚センサとしては、圧
力によって変位するカンチレバー状等の部材に設けた反
射面に光ファイバからの光を照射させて、この反射光の
強度を同じ光ファイバを介して検出するようにしたもの
も既に提案されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところが、機械スイッ
チ方式や圧力抵抗変換方式では、触覚センサがある程度
大きくなるため、細い医療用カテーテルチューブや腹腔
鏡等の先端部に取り付けることが困難であるという問題
がある。また、圧力電圧変換方式は、圧力による電圧が
測定の際のチャージ流出により微分的に（圧力の変化
分）しか検出できないので、定常的な圧力情報を知るこ
とができないという問題がある。

【０００９】しかも、これらの方式は全て圧力を電気信
号に変換して検出するので、外部機器等からの電磁的な
障害を受け易く、信頼性の高い検出を行うことができな
いという問題もあった。また、圧力光変換方式の触覚セ
ンサであっても、ガラスの屈折率の変化を検出するもの
や光遮断方式のものは、医療用カテーテルチューブや腹
腔鏡等の先端部で光信号を電気信号に変換するので、同
様に電磁的障害を受け易くなる。さらに、これらの圧力
光変換方式の触覚センサは、ガラス板や発光ダイオード
とフォトトランジスタからなる検出部の部品がある程度
の大きさを要するので、細い医療用カテーテルチューブ
や腹腔鏡等の先端部に取り付けることが必ずしも容易で
はないという問題もある。

【００１０】これに対して、光ファイバを用いた圧力光
変換方式の触覚センサは、電磁的障害を受け難く、スペ
ース的にもある程度小型化することが可能になる。しか
し、従来のこの触覚センサは、医療用カテーテルチュー
ブや腹腔鏡等の先端部にカンチレバー状等の複雑な作動
部品を外付けして装着するものであるため、この先端部
がある程度大型化すると共に、組み立て作業が複雑にな
るという問題が生じていた。

【００１１】本発明は、かかる事情に鑑みてなされたも
のであり、長尺管体の先端部に簡単な構造のダイアフラ
ム支持板を取り付けて光ファイバを配置するだけで、電
磁的な障害を受けることなく、小型で組み立ても容易と
なる触覚センサを提供することを目的としている。

【００１２】

【課題を解決するための手段】請求項１の触覚センサの
発明は、少なくとも長尺管体の管の開口部を除いた先端
面を覆う板状であって、周縁部に板厚が特に薄いダイア
フラム部が形成されると共に、少なくともこのダイアフ
ラム部の裏面に光反射面が形成されたダイアフラム支持
板をこの長尺管体の先端部に固定し、かつ、先端がこの
ダイアフラム支持板におけるダイアフラム部の裏面に空
隙を介して対向する光ファイバを長尺管体の周側部に長
手方向に沿って配置したことを特徴とする。

【００１３】請求項１の発明によれば、長尺管体の先端
部に固定されたダイアフラム支持板がダイアフラム部の
表面側に前方からの圧力を受けると、板厚の薄いこのダ
イアフラム部が撓んで裏面の反射面が光ファイバの先端
との間の空隙内で変位する。すると、この光ファイバの
先端から光を放射することにより、反射面で反射する光
の反射角度や位相を変化させることができるので、この
反射光を光ファイバを介して入射し、その強度や位相の
変化を測定すれば、ダイアフラム部が受けた圧力を検出
することができる。従って、この発明の触覚センサによ
れば、圧力を光信号に変換するので電磁的な障害を受け
ることがなくなり、また、簡単な構造のダイアフラム支
持板を取り付けるだけなので、長尺管体の先端部のサイ
ズをほとんど変えることなく、組み立ても容易に行うこ
とができるようになる。

【００１４】なお、ダイアフラム部の裏面の反射面に光
を照射する光ファイバとこの反射光を入射する光ファイ
バは、同じものを共用してもよいし、それぞれ別のもの
を用いてもよい。

【００１５】請求項２の発明は、前記ダイアフラム支持
板と長尺管体の先端面との間に、このダイアフラム支持
板のダイアフラム部の裏面と光ファイバの先端との間の
空隙を形成するスペーサと、この光ファイバの先端部を
挿入しスペーサの空隙に向けて固定する孔が形成された
カバーとが配置されたことを特徴とする。

【００１６】請求項２の発明によれば、スペーサを挿入
することにより、ダイアフラム部の裏面と光ファイバの
先端との間に空隙を形成することができる。このため、
ダイアフラム支持板のダイアフラム部の裏面に空隙のた
めの凹部を形成しなくてもよくなり、特に微小部品に面
倒な加工を施す必要がなくなる。

【００１７】請求項３の発明は、前記ダイアフラム部が
表面側からリング状に溝を形成することにより中央に突
起部を設けたものであることを特徴とする。

【００１８】請求項３の発明によれば、ダイアフラム部
の中央の突起部が受けた圧力によって周囲の溝の底部が
撓んで裏面の反射面を変位させることができるようにな
る。

【００１９】請求項４の発明は、前記ダイアフラム支持
板の前方にＯリング状の受圧体を揺動可能に取り付けた
ことを特徴とする。

【００２０】請求項４の発明によれば、長尺管体の先端
部に取り付けたＯリング状の受圧体が前方からの圧力を
ダイアフラム支持板のダイアフラム部に伝えるので、こ
の先端部の広い範囲で受ける圧力を確実に検出すること
ができるようになる。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
図面を参照して説明する。

【００２２】図１〜図６は本発明の一実施形態を示すも
のであって、図１は医療用カテーテルチューブの先端部
に取り付ける触覚センサの組み立て斜視図、図２は医療
用カテーテルチューブの斜視図、図３は触覚センサを取
り付けた医療用カテーテルチューブの先端部の縦断面
図、図４は医療用カテーテルチューブの先端部にダイア
フラム支持板を取り付けた際の組み立て斜視図、図５は
触覚センサを取り付けた医療用カテーテルチューブの先
端部の斜視図、図６は受圧体が圧力を受けた場合の触覚
センサの動作を説明する部分拡大縦断面図である。

【００２３】本実施形態は、図２に示すような医療用カ
テーテルチューブ１の先端部に取り付ける触覚センサに
ついて説明する。医療用カテーテルチューブ１は、直径
が３ｍｍ程度のセグメント化ポリウレタン、シリコーン
ゴム又はポリ塩化ビニル等の柔軟な細長い合成樹脂に長
手方向に沿った貫通孔であるルーメン１ａが複数本形成
された長尺管体である。なお、ここでは、３本のルーメ
ン１ａが形成された医療用カテーテルチューブ１につい
て例示する。この場合、２本のルーメン１ａは、先端面
の開口部から鉗子を突出させて操作できるようにした
り、生理食塩水等の注入や吸引を行うために用い、残り
のやや小さいルーメン１ａは、撮像用光ファイバ２を通
して照明光を先端から放射させると共に戻り光を撮像す
るライトガイド／イメージガイドとして用いる。

【００２４】上記医療用カテーテルチューブ１は、図３
に示すように、周縁部の３箇所に（図３では１箇所のみ
を図示する）等間隔にセンサ用光ファイバ３が長手方向
に沿って１本ずつ配置されている。これらのセンサ用光
ファイバ３は、撮像用光ファイバ２よりは十分に細いマ
ルチモードの光ファイバであり、医療用カテーテルチュ
ーブ１に予め設けられた細いルーメンに沿って通した
り、外周側に形成した溝に埋め込んだりして配置し、先
端を医療用カテーテルチューブ１の先端面からわずかに
突出させておく。そして、これらのセンサ用光ファイバ
３は、医療用カテーテルチューブ１の基部側からの光が
先端から前方に放射されると共に、この先端から入射し
た光を医療用カテーテルチューブ１の基部側に送るよう
になっている。また、この医療用カテーテルチューブ１
は、先端部に肉厚が０．１ｍｍのステンレスパイプ４を
外嵌して固定する。このステンレスパイプ４は、触覚セ
ンサの取り付けを保持するものであり、医療用カテーテ
ルチューブ１の先端面よりも少し突出させて先端部にの
み外嵌する。

【００２５】上記ステンレスパイプ４を外嵌した医療用
カテーテルチューブ１の先端面には、図１に示すよう
に、カバー５とスペーサ６とダイアフラム支持板７とが
順に載置されて固定される。ダイアフラム支持板７は、
医療用カテーテルチューブ１の外径とほぼ同じ大きさの
円板であり、ある程度の弾性を有するプラスチック等か
らなる。このダイアフラム支持板７は、医療用カテーテ
ルチューブ１のルーメン１ａの開口部を覆う部分にそれ
ぞれ開口孔７ａが形成されて打ち抜き形状となってい
る。また、このダイアフラム支持板７の周縁部には、等
間隔で３箇所にダイアフラム部７ｂが形成されている。
ダイアフラム部７ｂは、ダイアフラム支持板７の表面側
から外径０．４ｍｍのリング状に溝を穿設することによ
り、この溝の底部の板厚を十分に薄くすると共に、この
溝の中央に突起部７ｃを形成したものである。従って、
このダイアフラム部７ｂは、突起部７ｃを表面側から押
圧することにより、板厚の薄い溝の底部を撓ませること
ができる。さらに、このダイアフラム支持板７における
ダイアフラム部７ｂの裏面には、金（Ａｕ）を蒸着させ
ることにより、厚さ０．５μｍの薄膜による光反射面を
形成している。

【００２６】スペーサ６は、ダイアフラム支持板７と同
じ大きさで板厚がやや薄い円板であり、剛性が十分に高
いプラスチック等からなる。そして、このダイアフラム
支持板７にも、ダイアフラム支持板７と同様に、ルーメ
ン１ａの開口部を覆う部分にそれぞれ開口孔６ａが形成
されて打ち抜き形状となっている。また、このスペーサ
６の周縁部には、ダイアフラム支持板７の３箇所のダイ
アフラム部７ｂに対応する位置に、それぞれ貫通孔６ｂ
が形成されている。貫通孔６ｂは、ダイアフラム部７ｂ
の溝の外径と同程度か少し大きいサイズのものでよい。

【００２７】カバー５も、上記ダイアフラム支持板７と
同じ大きさの円板であり、剛性が十分に高いプラスチッ
ク等からなる。そして、このカバー５にも、ダイアフラ
ム支持板７等と同様に、ルーメン１ａの開口部を覆う部
分にそれぞれ開口孔５ａが形成されて打ち抜き形状とな
っている。また、このカバー５の周縁部には、医療用カ
テーテルチューブ１の先端面から突出する３本のセンサ
用光ファイバ３の先端部をそれぞれ挿入するファイバ径
（１２５μｍ）とほぼ等しい穴が裏面側から形成される
と共に、この穴の奥にセンサ用光ファイバ３のコア径
（５０μｍ）とほぼ等しい貫通孔５ｂが形成されてい
る。

【００２８】上記カバー５とスペーサ６とダイアフラム
支持板７は、エキシマレーザによって円板に微細な孔や
溝加工を行うことにより製造される。ただし、この加工
方法は特に限定されない。ここで、ダイアフラム支持板
７の裏面側にスペーサ６を用いない場合には、例えばこ
のダイアフラム支持板７のダイアフラム部７ｂの裏面に
空隙のための凹部を形成する必要が生じる。そして、微
小なダイアフラム支持板７に表面側から溝を穿設すると
共に裏面側からもこのような凹部を形成して、これらの
間の板厚を一定の薄さにするには、高精度な加工が要求
される。しかしながら、本実施形態のようにスペーサ６
を用いる場合には、ダイアフラム支持板７に表面側から
溝を穿設するだけで足り、また、スペーサ６にも底のな
い貫通孔６ｂを形成するだけでよいので、微小部品の加
工を容易にすることができる。

【００２９】上記カバー５とスペーサ６とダイアフラム
支持板７は、図３及び図４に示すように、医療用カテー
テルチューブ１の先端面に積み重ねて固定される。ま
た、ダイアフラム支持板７上には、図５に示すように、
医療用カテーテルチューブ１とほぼ同じ外径を有するＯ
リング状の受圧体８がシリコーンゴムを用いて接着固定
される。受圧体８は、剛性が十分に高いプラスチック等
からなり、シリコーンゴム等によって接着することによ
り、ダイアフラム支持板７上でわずかに揺動可能とな
る。

【００３０】上記構成の触覚センサによれば、各センサ
用光ファイバ３の先端から前方に放射された光は、ダイ
アフラム支持板７のダイアフラム部７ｂの裏面の光反射
面でまっすぐに反射されてそのまま同じセンサ用光ファ
イバ３に入射し医療用カテーテルチューブ１の基部に送
られる。医療用カテーテルチューブ１の基部では、これ
らのセンサ用光ファイバ３が図示しないマルチモードカ
プラによって分岐され、一方が放射光の光源に接続され
ると共に、他方が受光部に接続されるので、この光反射
面での反射光の強度を測定することができる。ここで、
医療用カテーテルチューブ１の先端部の受圧体８に前方
から圧力が加わると、この受圧体８がダイアフラム支持
板７上でわずかに傾斜して、図６に示すように、ダイア
フラム支持板７における突起部７ｃを押圧しダイアフラ
ム部７ｂを撓ませる。すると、ダイアフラム部７ｂの裏
面の光反射面がスペーサ６の貫通孔６ｂ内に入り込んで
センサ用光ファイバ３の先端側に接近するので、これら
の間の距離が短くなって再びこのセンサ用光ファイバ３
に入射する反射光の強度が増加する。また、ダイアフラ
ム部７ｂや貫通孔６ｂ等の構成によっては、このダイア
フラム部７ｂの裏面の光反射面が撓んで傾斜することに
より反射角度が変化して、反射光が再びセンサ用光ファ
イバ３の先端から入射する際の損失が多くなり強度が減
少する場合もある。従って、基部側でこの反射光の強度
の増減を測定すれば、これによって医療用カテーテルチ
ューブ１の先端部に加わった圧力を検出することができ
る。即ち、本実施形態の場合、医療用カテーテルチュー
ブ１の先端部に加わった１０ｍＮの荷重が検出可能であ
った。また、３箇所のダイアフラム部７ｂのいずれの部
分に圧力が加わったのかということも検出できる。

【００３１】このため、本実施形態の触覚センサは、医
療用カテーテルチューブ１の先端に加わった圧力を光信
号に変換してセンサ用光ファイバ３を通して基部側に送
るので、電磁的な障害を受けることがなくなる。また、
医療用カテーテルチューブ１の先端面に円板状のスペー
サ６やダイアフラム支持板７等とＯリング状の受圧体８
を集積して取り付けるだけなので、この先端部が大型化
するようなこともなく、触覚センサの組み立ても容易に
行うことができるようになる。

【００３２】なお、上記実施形態では、ダイアフラム支
持板７におけるダイアフラム部７ｂの裏面の光反射面に
金蒸着膜を用いたが、アルミニウムやその他の金属薄膜
を蒸着やスパッタリング等の方法で形成したり、金属箔
を張り付けたものを用いることもできる。

【００３３】また、上記実施形態では、医療用カテーテ
ルチューブ１の先端面にカバー５とスペーサ６とダイア
フラム支持板７を重ねて固定したが、カバー５は、柔軟
な材質の医療用カテーテルチューブ１との間の台座にな
ってセンサ用光ファイバ３の先端部を固定するためのも
のに過ぎないので省略可能である。しかも、スペーサ６
は、ダイアフラム支持板７の裏面とセンサ用光ファイバ
３の先端との間に空隙を形成するためのものであり、ダ
イアフラム支持板７と一体化することができる。即ち、
上記のように加工が面倒になるおそれはあるが、ダイア
フラム支持板７におけるダイアフラム部７ｂの裏面に、
スペーサ６の貫通孔６ｂと同様の凹部を形成すればよ
い。さらに、Ｏリング状の受圧体８は、他の形状でもよ
く、ダイアフラム支持板７のダイアフラム部７ｂで直接
圧力を受けるようにすることも可能である。

【００３４】さらに、上記実施形態では、ダイアフラム
支持板７の周縁部の３箇所にダイアフラム部７ｂを設け
る場合について説明したが、本発明はこの数については
制限しない。

【００３５】さらに、上記実施形態では、各ダイアフラ
ム部７ｂごとに１本のセンサ用光ファイバ３を配置した
が、照射光用と反射光用の２本以上のセンサ用光ファイ
バ３を配置することもでき、この場合にはマルチモード
カプラが不要となる。また、上記実施形態では、この反
射光を強度変調方式によって検出したが、位相変調方式
によって検出することもでき、この場合にはシングルモ
ードのセンサ用光ファイバ３を１本用いるだけで検出可
能となる。ただし、位相変調方式の検出には、複雑な干
渉光学系の測定装置が必要となる。

【００３６】さらに、上記実施形態では、医療用カテー
テルチューブ１の先端に用いる触覚センサについて説明
したが、本発明はこれに限らず、任意の柔軟な長尺管体
の先端に用いる触覚センサに実施可能である。また、腹
腔鏡のように剛性を有する長尺管体の先端に用いる触覚
センサに同様に実施可能である。

【００３７】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
の触覚センサによれば、長尺管体の先端部に簡単な構造
のダイアフラム支持板を固定して光ファイバを配置する
だけで、この長尺管体の先端部が前方から受ける圧力を
検出することができるようになる。そして、圧力を光信
号に変換するので、電磁的な障害を受けることがなくな
る。また、長尺管体の先端部にダイアフラム支持板を取
り付けるだけなので、この先端部が大型化するようなお
それも生じず、組み立ても容易に行うことができるよう
になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態を示すものであって、医療
用カテーテルチューブの先端部に取り付ける触覚センサ
の組み立て斜視図である。

【図２】本発明の一実施形態を示すものであって、医療
用カテーテルチューブの斜視図である。

【図３】本発明の一実施形態を示すものであって、触覚
センサを取り付けた医療用カテーテルチューブの先端部
の縦断面図である。

【図４】本発明の一実施形態を示すものであって、医療
用カテーテルチューブの先端部にダイアフラム支持板を
取り付けた際の組み立て斜視図である。

【図５】本発明の一実施形態を示すものであって、触覚
センサを取り付けた医療用カテーテルチューブの先端部
の斜視図である。

【図６】本発明の一実施形態を示すものであって、受圧
体が圧力を受けた場合の触覚センサの動作を説明する部
分拡大縦断面図である。

【符号の説明】

１ 医療用カテーテルチューブ １ａ ルーメン ３ センサ用光ファイバ ６ スペーサ ７ ダイアフラム支持板 ７ａ 開口孔 ７ｂ ダイアフラム部 ７ｃ 突起部 ８ 受圧体

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくとも長尺管体の管の開口部を除い
   た先端面を覆う板状であって、周縁部に板厚が特に薄い
   ダイアフラム部が形成されると共に、少なくともこのダ
   イアフラム部の裏面に光反射面が形成されたダイアフラ
   ム支持板をこの長尺管体の先端部に固定し、かつ、先端
   がこのダイアフラム支持板におけるダイアフラム部の裏
   面に空隙を介して対向する光ファイバを長尺管体の周側
   部に長手方向に沿って配置したことを特徴とする触覚セ
   ンサ。
2. 【請求項２】 前記ダイアフラム支持板と長尺管体の先
   端面との間に、このダイアフラム支持板のダイアフラム
   部の裏面と光ファイバの先端との間の空隙を形成するス
   ペーサと、この光ファイバの先端部を挿入しスペーサの
   空隙に向けて固定する孔が形成されたカバーとが配置さ
   れたことを特徴とする請求項１に記載の触覚センサ。
3. 【請求項３】 前記ダイアフラム部が表面側からリング
   状に溝を形成することにより中央に突起部を設けたもの
   であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の
   触覚センサ。
4. 【請求項４】 前記ダイアフラム支持板の前方にＯリン
   グ状の受圧体を揺動可能に取り付けたことを特徴とする
   請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の触覚センサ。