JPWO2021014890A1 - 接触力センサ及び接触力センサを備えた装置 - Google Patents
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Abstract
精度及び感度が高く、強度を確保できる接触力センサ及び接触力センサを備えた装置を提供する。半導体材料を加工することによって作製されるセンサ本体（２）を有し、前記センサ本体（２）は、リング状部（２１）と、前記リング状部（２１）の略中央に形成された中央部（２２）と、前記中央部（２２）から外側に向かって前記リング状部（２１）に連結されたスポーク部（２３）と、前記スポーク部（２３）の前面側及び背面側の相対向する位置に配設され、前記スポーク部（２３）の変位を電気信号に変換する応力電気変換素子（５）と、を具備している。
Description
本発明は、医療機器の分野において用いるのに適する接触力センサ及び接触力センサを備えた装置に関する。
従来、例えば、心房の不整脈の治療のためにアブレーションカテーテルが用いられている。このようなアブレーションカテーテルを用いるアブレーション治療にあたっては、心臓の内壁の異常な部位にアブレーションカテーテルの電極を接触させて、高周波電流を流し焼灼する。
このため、先端部に電極の接触力を感知する接触力センサが設けられたカテーテルが知られている（特許文献１及び特許文献２参照）。
このため、先端部に電極の接触力を感知する接触力センサが設けられたカテーテルが知られている（特許文献１及び特許文献２参照）。
しかしながら、特許文献１に示されたものは、センサ（歪みゲージ）を接着剤によってアーム上に取り付ける構成であり、センサの取り付け位置にばらつきが生じやすく、センサの出力を調整するのが困難となる問題が発生する。また、接着剤が介在した取り付け構成のため、センサの感度が低くなるという課題も生じる。
また、特許文献２に示されたものは、第１のセンサ構成体と第２のセンサ構成体とを、センサ及びリード線を挟むようにして半田付けによって接合する構成のため、第１のセンサ構成体と第２のセンサ構成体との位置がずれる虞がある。また、半田付けによる接合のため、強度的に十分ではないという課題が生じる。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、精度及び感度が高く、強度を確保できる接触力センサ及び接触力センサを備えた装置を提供することを目的とする。
本発明の実施形態は、接触力センサにおいて、半導体材料を加工することによって作製されるセンサ本体を有し、前記センサ本体は、リング状部と、前記リング状部の略中央に形成された中央部と、前記中央部から外側に向かって前記リング状部に連結されたスポーク部と、前記スポーク部の前面側及び背面側の相対向する位置に配設され、前記スポーク部の変位を電気信号に変換する応力電気変換素子と、を具備することを特徴とする。
かかる構成により、精度及び感度が高く、強度を確保することが可能となる。
また、接触力センサを備えた装置は、前記接触力センサが備えられていることを特徴とする。
かかる構成により、精度及び感度が高く、強度を確保することが可能となる。
また、接触力センサを備えた装置は、前記接触力センサが備えられていることを特徴とする。
接触力センサは、医療機器等の装置に好適に用いられるが、これに限るものではない。小型化を必要とする各種装置へ適用することができ、格別適用される装置が限定されるものではない。
本発明の実施形態によれば、精度及び感度が高く、強度を確保できる接触力センサ及び接触力センサを備えた装置を提供することができる。
以下、本発明の実施形態に係る接触力センサについて図１乃至図１０を参照して説明する。図１は、接触力センサを適用したカテーテルの概要を示す平面図及びカテーテルの先端部を説明するための断面図であり、図２は、接触力センサを示す斜視図であり、図３は、接触力センサを分解して示す斜視図である。図４は、接触力センサにおけるセンサ本体の前面側を示す平面図であり、図５は、同センサ本体の背面側を示す平面図である。図６は、図４中、Ａ−Ａ´線に沿う断面図、図７は、図４中、Ｂ−Ｂ´線に沿う断面図、図８は、図４中、Ｃ−Ｃ´線に沿う断面図である。また、図９は、接触力センサにおけるセンサ本体の結線関係を説明するための実体的な説明図であり、図１０は、応力電気変換素子の接続状態を示すブリッジ回路図である。なお、各図では、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。また、カテーテルの先端側を前面側、後端側を背面側と表現する場合がある。
本実施形態の接触力センサは、アブレーションカテーテルに組み込まれ、アブレーション治療のために、心臓の内壁の異常な部位へのアブレーションカテーテルの電極の接触力を測定することにより、診療に応用するものを例示している。
図１に示すように、カテーテル１０はアブレーションカテーテルであり、制御ハンドル１１と、この制御ハンドル１１の一端側から導出されたシャフト１２を備えている。また、制御ハンドル１１には、偏向部材１３が設けられており、シャフト１２の先端部１２ａには、先端電極１４が設けられている。さらに、シャフト１２の先端部１２ａにおけるシャフト１２内には接触力センサ１が配設されている。
制御ハンドル１１に設けられた偏向部材１３は、シャフト１２の先端部１２ａを偏向移動操作するための部材であり、シャフト１２内に配設された図示しない操作ワイヤを引っ張ることによって、シャフト１２の先端部１２ａを二方向に偏向移動させるものである。
制御ハンドル１１の後部からは、高周波発生装置やコントローラに接続されるケーブル１５や流体源に接続される灌注チューブ１６が導出されている。高周波発生装置は、先端電極１４に接続されていて、先端電極１４に高周波エネルギーを供給するものである。また、コントローラは、電気的な出力信号や入力信号を制御し、先端電極１４への高周波通電の状態を制御したり、接触力センサ１からの出力信号を受信して接触力を測定したりする機能を有している。
シャフト１２は、長尺状であって管腔が形成されていて、適度の剛性と可撓性を有している。また、管腔内には、中空状のリード線挿通チューブ１７、１８が長手方向に沿って配設されている。シャフト１２の外径寸法は、８フレンチ以下であり、長さ寸法は、９００ｍｍ〜１１００ｍｍに形成されている。
また、先端電極１４は、砲弾型に形成されていて、シャフト１２の先端部１２ａに固定されている。先端電極１４は、背面側に円筒状の凹部１４ａを有している。この凹部１４ａには、接触力センサ１が連結される。さらに、先端電極１４の背面側には、電極リード線１４ｂが接続されている。この電極リード線１４ｂは、リード線挿通チューブ１８を挿通して高周波発生装置に接続される。つまり、先端電極１４は、高周波発生装置に電気的に接続され、先端電極１４には、高周波発生装置から高周波エネルギーが供給されるようになっている。
先端電極１４の外径寸法は、シャフト１２の外径寸法と略同等であることが好ましく、８フレンチ以下に形成されている。また、先端電極１４を構成する材料としては、例えば、白金、金、ステンレス、チタン合金などの熱伝導性が良好な金属材料を用いることができる。
なお、先端電極１４には、灌注チューブ１６から搬送される生理食塩水などの流体を外部に送出するための図示しない流路が形成されている。
なお、先端電極１４には、灌注チューブ１６から搬送される生理食塩水などの流体を外部に送出するための図示しない流路が形成されている。
このようなカテーテル１０において、先端電極１４が心臓の内壁の異常な部位に接触すると、この接触によって先端電極１４に加わる応力が接触力センサ１に伝えられて、接触力を測定することができる。
次に、図２及び図３を参照して接触力センサ１について詳細に説明する。
次に、図２及び図３を参照して接触力センサ１について詳細に説明する。
接触力センサ１は、半導体加工プロセスを用いるＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）技術によってシリコン半導体材料から作製されている。接触力センサ１は、センサ本体２と、保持体３と、接触力伝達体４とを備えている。
センサ本体２は、全体的には略短円筒状であり、リング状部２１と、リング状部２１の略中央に形成された中央部２２と、中央部２２から外側に向かってリング状部２１に連結されたスポーク部２３と、スポーク部２３に配設されて形成された応力電気変換素子５とを有している。
リング状部２１は、センサ本体２の外郭を形成する円筒状の部分である。このリング状部２１の内側であって、略中央にはリング状部２１より径の小さいリング状の中央部２２が形成されている。換言すれば、中央部２２には前背方向に開口２２ａが形成されている。
スポーク部２３は、中央部２２の外壁側からリング状部２１の内壁側に亘って半径方向に形成されている。また、スポーク部２３の中間部の両側、具体的には、前記半径方向と交差する周方向上の両側に膨出部２３ａが形成されるようになっている。スポーク部２３は、複数形成されていて、具体的には中央部２２を中心とする円周上に、それぞれ９０度の間隔を空けて放射状に４つ形成されている。
図４及び図５を併せて参照して示すように、応力電気変換素子５は、スポーク部２３の前面側及び背面側の両面に形成されている。説明上、応力電気変換素子５を実線で示しているが、実際には、応力電気変換素子５は、センサ本体２に一体的に内蔵されるように形成されている。応力電気変換素子５は、スポーク部２３の変位を電気信号に変換するものであり、ひずみが印加されるとその変位により電気抵抗が変化するひずみゲージの機能を有するピエゾ抵抗素子である。
このピエゾ抵抗素子（S1-a，S1-b）、（S2-a，S2-b）、（S3-a，S3-b）、（S4-a，S4-b）がスポーク部２３の一面側、具体的には前面側であって各スポーク部２３の中心側と外周側とに配置されている。つまり、ピエゾ抵抗素子（S1-a，S1-b）、（S2-a，S2-b）、（S3-a，S3-b）、（S4-a，S4-b）は、各スポーク部２３に一対ずつ配置されている。また、ピエゾ抵抗素子（S1-a，S1-b）、（S2-a，S2-b）、（S3-a，S3-b）、（S4-a，S4-b）が配置されたスポーク部２３の膨出部２３ａには、電極７が形成されるようになっている。この電極７が電源側と電気的に接続される。
さらに、前面側には、導電層である配線パターン６が形成されていて、内周側には、リング状の内側配線パターン６１が形成されており、外周側には、同様にリング状の外側配線パターン６２が形成されている。
また、スポーク部２３の他面側、具体的には背面側の構成は、基本的には前面側と同様である。各スポーク部２３の中心側と外周側に、前述した前面側と同様に、ピエゾ抵抗素子（S1-c，S1-d）、（S2-c，S2-d）、（S3-c，S3-d）、（S4-c，S4-d）が一対ずつ配置されている。また、スポーク部２３の膨出部２３ａには、電極７が形成されるようになっている。加えて、同様に配線パターン６が形成されている。
このような応力電気変換素子５は、スポーク部２３の前面側及び背面側の相対向する位置に配設されている。例えば、前面側のピエゾ抵抗素子（S1-a，S1-b）と背面側のピエゾ抵抗素子（S1-c，S1-d）とを代表例としてその配置関係を説明すると、ピエゾ抵抗素子（S1-a）と（S1-c）とが相対向する位置に配設され、ピエゾ抵抗素子（S1-b ）と（S1-d）とが相対向する位置に配設されるようになる。また、電極７も前面側及び背面側の相対向する位置に配設されている。
以上の配置関係において、図４に示すように、前面側のピエゾ抵抗素子（S1-a）とピエゾ抵抗素子（S1-b ）とは、配線パターン６を介して接続されており、ピエゾ抵抗素子（S1-a）とピエゾ抵抗素子（S1-b ）との間には電極７が接続されている。さらに、ピエゾ抵抗素子（S1-a）は、内側配線パターン６１に接続され、ピエゾ抵抗素子（S1-b）は、外側配線パターン６２に接続されている。
このようなピエゾ抵抗素子（S1-a，S1-b）、（S2-a，S2-b）、（S3-a，S3-b）、（S4-a，S4-b）の接続関係によれば、ピエゾ抵抗素子（S1-a，S1-b）、（S2-a，S2-b）、（S3-a，S3-b）、（S4-a，S4-b）は、内側配線パターン６１及び外側配線パターン６２に共通に接続されるので、リード線を少なくして配線を簡素化することが可能となる。また、図５に示すように、背面側のピエゾ抵抗素子（S1-c，S1-d）、（S2-c，S2-d）、（S3-c，S3-d）、（S4-c，S4-d）についても同様な接続関係となっている。
次に、図６乃至図８を参照して電極とリード線との接続構成について説明する。
次に、図６乃至図８を参照して電極とリード線との接続構成について説明する。
センサ本体２には、一面側（前面側）から他面側（背面側）へ向かって貫通孔２４が形成されている。貫通孔２４は、応力電気変換素子５に電気的に接続されるリード線９が通る孔であり、前面側及び背面側に配設される相対向する電極７間に形成されている。
したがって、貫通孔２４は、平面的には図４及び図５に示すように、各ピエゾ抵抗素子（S1-a，S1-b）及び（S1-c，S1-d）、（S2-a，S2-b）及び（S2-c，S2-d）、（S3-a，S3-b）及び（S3-c，S3-d）、（S4-a，S4-b）及び（S4-c，S4-d）の両側、詳しくは半径方向と交差する周方向上の両側に位置して形成されている。また、電源ラインに接続するための貫通孔２４ａが半径方向に対向して形成されている。具体的には、ピエゾ抵抗素子の両側に形成される貫通孔２４が８つ、電源ラインに接続するための貫通孔２４ａが２つ、合計１０個の貫通孔２４、２４ａが形成されている。
貫通孔２４の径寸法は、φ４０μｍ〜φ６０μｍ程度が好ましく、本実施形態ではφ５０μｍに形成されている。
貫通孔２４の径寸法は、φ４０μｍ〜φ６０μｍ程度が好ましく、本実施形態ではφ５０μｍに形成されている。
センサ本体２の前面側及び背面側の表面には、導電層として配線パターン６が拡散により形成されている。この導電層は、応力電気変換素子５と電気的に接続されている。
また、貫通孔２４の内壁には絶縁層８が形成されていて、その内壁が絶縁層８によって被覆されている。したがって、貫通孔２４内は絶縁性が確保された状態となっている。この絶縁層８は、センサ本体２の前面側及び背面側にも延出して形成されている。センサ本体２の前面側及び背面側の絶縁層８にあっては、配線パターン６とリード線９とを電極７を介して電気的に接続するため、導電層として配線パターン６の一部が露出するように配線パターン６を被覆している。なお、絶縁層８は、例えば、二酸化ケイ素の材料から形成されており、厚さ寸法は１μｍ〜２μｍである。
また、貫通孔２４の前面側及び背面側の周囲であって、絶縁層８の上には電極層７ａがスパッタリング法等の薄膜形成技術によって成膜されている。電極層７ａは、一部が露出した部位の配線パターン６に接続され、貫通孔２４の内壁側へ僅かに延出して形成されている。電極層７ａを形成する材料には、例えば、チタン/銅（Ｔｉ／Ｃｕ）、アルミニウム・シリコン合金(Ａｌ・Ｓｉ)及びがチタン／タングステン(Ｔｉ／Ｗ）などが用いられている。三層構造の電極層の場合、チタン/銅/金（Ｔｉ／Ｃｕ/Ａｕ）などがある。
電極７は、リード線９を応力電気変換素子５に電気的に接続するものであり、本実施形態の電極７は、半田めっきのろう材によって構成されている。ろう材としては、例えば、低融点金属の錫（Ｓｎ）（融点２３１．１℃）が用いられている。また、下地めっきには、ニッケル（Ｎｉ）が用いられている。なお、ろう材としては、低融点金属のインジウム（Ｉｎ）（融点１５６．６℃）及び一般的な半田材料を用いることができる。
リード線９は、導体芯線が銅銀合金（Ｃｕ−Ａｇ）線から形成された絶縁被覆電線であり、屈曲強度、引張強度が大であり、一般的な導体芯線が銅（Ｃｕ）の場合に比較して強度を大幅に改善できるものである。特に銀含有量を３%から１５%にすると強度が大幅に向上することが知られている。リード線９は、フッ素樹脂であるパーフルオロアルコキシアルカン（ＰＦＡ）樹脂の絶縁被覆９１を有しており、この絶縁被覆９１が剥離され除去された裸の導体芯線部９２がセンサ本体２の貫通孔２４を通るように導入されていて、先端部は折曲されることなく直線状となっている。
このリード線９の導体芯線部９２は、電極層７ａに直接的に接触することを妨げるものではないが、電極層７ａに直接的に接触することなく、電極７としてのろう材を介して接合されており、このろう材が電極層７ａに接合され、配線パターン６、応力電気変換素子５へと接続されている。また、電極７は、貫通孔２４の内部の一部分に入り込んで侵入部７ｂを形成している。このようなリード線９は、センサ本体２の背面側へ導出されており、末端部が制御ハンドル１１に接続されている。なお、リード線３の導体芯線部９２の径寸法は、φ１５μｍ〜φ３０μｍ程度のものを用いるのが好ましく、本実施形態ではφ２５μｍのものを用いている。したがって、貫通孔２４を通過している導体芯線部９２の外周と、貫通孔２４の内壁との間には、１０μｍ程度の間隙が形成されるようになる。
また、センサ本体２の背面側から導出されたリード線９は、その導出部分を例えば、エポキシ樹脂等の接着剤で固着するようにしてもよい。
また、センサ本体２の背面側から導出されたリード線９は、その導出部分を例えば、エポキシ樹脂等の接着剤で固着するようにしてもよい。
さらに、センサ本体２の外表面及び前記接着剤によって固着された部分の外表面は、防水性、絶縁性及び柔軟性を確保するために可撓性を有する絶縁材料によって絶縁被覆するのが好ましい。この場合、パリレン（登録商標）やシリコーンのコーティング材を好適に用いることができる。なお、絶縁被覆の厚さ寸法は２μｍ〜３μｍとなる。
医療機器であるカテーテル等に用いられる機器では、これらが生体内に露出する危険性が高い場合、使用する材料について生体適合性を考慮した材料で構成することが求められている。少なくともセンサ本体２の外表面をパリレン（登録商標）でコーティングすることにより、また、リード線９は、フッ素樹脂で絶縁被覆９１されており、加えて、センサ本体２はシリコン材料が用いられている。これらの材料は生体適合性を有することが確認されており、安全性を確保することができる。
以上のような構成によれば、貫通孔２４の内壁には絶縁層８が形成されているので、絶縁被覆９１が剥離された裸の導体芯線部９２について絶縁性を確保して貫通孔２４を通すことができる。したがって、貫通孔２４の大きさが極めて小径であるという制限がある中で、絶縁被覆９１が剥離されて除去されているので、その分、導体芯線の径が大きな太いリード線９を用いることができる。つまり、貫通孔２４の孔径に近い芯線の太いリード線９を用いることが可能となり、引張強度を大きくして信頼性を向上することができる。
リード線９の導体芯線部９２を太くできるので、導体芯線部９２を貫通孔２４に挿入して通した後、電極７としての半田めっきのろう材を溶融することにより、リード線９を電極層７ａに接合することができ、接合工程が容易となる。
また、電極７は、貫通孔２４の内部に入り込んで侵入部７ｂを形成しているので、リード線９の接続状態が確実となり、リード線９の接続外れを防止できる。
また、電極７は、貫通孔２４の内部に入り込んで侵入部７ｂを形成しているので、リード線９の接続状態が確実となり、リード線９の接続外れを防止できる。
さらに、リード線９における導体芯線部９２の先端部は折曲されることなく直線状になっていて、半田めっきによって電極７が形成されるので、センサ本体２の一面側への突出量を少なくすることができる。また、半田めっきによるろう材の量を少なくすることができ、センサ本体２のスポーク部２３にかかる応力を軽減することができる。
再び、図２及び図３を参照して接触力センサ１について説明する。
再び、図２及び図３を参照して接触力センサ１について説明する。
前述のセンサ本体２は、ベース部材としての保持体３に接着やウエハ接合などにより取り付けられ、また、センサ本体２の前面側には接触力伝達体４が接着やウエハ接合などにより取り付けられて設けられている。
保持体３は、センサ本体２を保持するものであり、中央部が空洞状の略円筒状であり、センサ本体２の外径寸法と略同じ外径寸法で形成されている。また、前面側には一対の爪状部３１が形成されていて、保持体３にセンサ本体２を結合した場合にセンサ本体２を支持するようになっている。
接触力伝達体４は、中央部には前背方向に挿通孔４ａが形成されていて、小径部４１及び大径部４２からなる２段状の部材である。この小径部４１がセンサ本体２の中央部２２の開口２２ａに嵌合し、大径部４２の背面側が中央部２２に載置されるように配置されてセンサ本体２に結合される。
また、センサ本体２の外径寸法はφ２．２ｍｍ、厚さ寸法は０．２０ｍｍ、保持体３の外径寸法はφ２．２ｍｍ、厚さ寸法は０．３５ｍｍ、接触力伝達体４の外径寸法はφ１．３ｍｍ、厚さ寸法は０．３５ｍｍ、挿通孔４ａの寸法はφ０．４ｍｍに形成されている。なお、センサ本体２、保持体３及び接触力伝達体４の前記各寸法の±２０％の範囲で形成するのが望ましい。
次に、図９及び図１０を参照して応力電気変換素子（ピエゾ抵抗素子）５の電気的な接続状態について説明する。図９は結線関係を説明するための実体的かつ模式的な説明図であり、センサ本体２の前面側及び背面側、リード線９の接続状態を示している。なお、センサ本体２における背面側のピエゾ抵抗素子や配線パターン６は、前面側から背面側を透視的に見た状態を示している。
前面側のピエゾ抵抗素子（S1-a，S1-b）と背面側のピエゾ抵抗素子（S1-c，S1-d）とを代表例として説明する。図９に示すように前面側のピエゾ抵抗素子（S1-a）及び（S1-b）の中間に接続された電極７１ａ（図示上、右側）に接続されたリード線９は、背面側の電極７２ａ（図示上、右側）に接続されて導出されている。また、前面側の電極７１ｂ（図示上、左側）に接続されたリード線９は、背面側の電極７２ｂ（図示上、左側）に接続されて導出されている。そして、このリード線９間の電圧を出力電圧Ｖ１として検出する。なお、電極７１ｂ及び電極７２ａは、ピエゾ抵抗素子とは電気的に接続されない絶縁された電極となっている。なお、ピエゾ抵抗素子（S2-a，S2-b）、（S3-a，S3-b）、（S4-a，S4-b）、（S2-c，S2-d）、（S3-c，S3-d）、（S4-c，S4-d）についても同様な接続関係となっている。
また、前面側には電源ラインに接続するための電極７３ａ、７３ｂが形成され、背面側には、同様に電源ラインに接続するための電極７４ａ、７４ｂが形成されている。電極７３ａに接続されたリード線９は、背面側の電極７４ａに接続されて導出されている。前面側の電極７３ｂに接続されたリード線９は、背面側の電極７４ｂに接続されて導出されている。そして、このリード線９間には電源Ｅが接続されるようになっている。なお、電極７３ａ、７４ａは外側配線パターン６２に接続されており、電極７３ｂ、７４ｂは内側配線パターン６１に接続されている。
図１０に示すように、ピエゾ抵抗素子（S1-a，S1-b）及び（S1-c，S1-d）の４つの素子でブリッジ回路（フルブリッジ回路）を構成して出力電圧Ｖ１を検出する。同様に、ピエゾ抵抗素子（S2-a，S2-b）及び（S2-c，S2-d）の４つの素子でフルブリッジ回路を構成して出力電圧Ｖ２を検出し、ピエゾ抵抗素子（S3-a，S3-b）及び（S3-c，S3-d）の４つの素子でフルブリッジ回路を構成して出力電圧Ｖ３を検出し、ピエゾ抵抗素子（S4-a，S4-b）及び（S4-c，S4-d）の４つの素子でフルブリッジ回路を構成して出力電圧Ｖ４を検出する。これら４つフルブリッジ回路が並列に接続されている。出力電圧は、ピエゾ抵抗素子にひずみが印加されることに伴い出力され、出力電圧はコントローラへ送信されて演算処理されるようになっている。
以上のように１つのスポーク部２３の前面側及び背面側の両面における相対向する位置にそれぞれ２つ形成された合計４つの応力電気変換素子５によりフルブリッジ回路が構成されるようになる。
続いて、上記カテーテル１０を用いたアブレーション治療の方法について説明する。アブレーション治療では、予めマッピングにより心臓の異常な部位を特定しておき、その後、心臓の内壁組織の異常な部位を焼灼して凝固壊死させる。
カテーテル１０による異常な部位の焼灼にあたっては、カテーテル１０を主に足の付け根にある大腿静脈又は大腿動脈から挿通して、カテーテル１０の先端をレントゲン撮影で透視しながら心臓内まで到達させる。そして、制御ハンドル１１を操作して心臓の内壁組織の異常な部位にカテーテル１０の先端電極１４を接触させて、先端電極１４と患者の背中に位置する対極板との間に例えば、１３．５６ＭＨｚの高周波電流を高周波発生装置から流し異常な部位を焼灼する。
この場合、カテーテル１０には、接触力センサ１が設けられているので、心臓の内壁組織に接触する先端電極１４の接触力（応力）を検出することができる。具体的には、接触力センサ１に形成された応力電気変換素子（ピエゾ抵抗素子）５は、微小なひずみに反応し、ひずみが印可されることにより電気抵抗が変化する。
先端電極１４に接触力が加わると、その接触力は接触力伝達体４、スポーク部２３を介して直接的に応力電気変換素子（ピエゾ抵抗素子）５に伝達される。そして、応力電気変換素子（ピエゾ抵抗素子）５は、三次元的に圧縮／伸張のひずみを感知する。
例えば、スポーク部２３にある方向から応力が加わった場合、ピエゾ抵抗素子が圧縮される場合は抵抗値が減少し、ピエゾ抵抗素子が伸張される場合は抵抗値が増大する。
したがって、図１０に示すブリッジ回路による出力電圧Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３及びＶ４による三次元的な差動出力をコントローラで検出して接触力を測定することができる。このように接触力を測定することにより、アブレーション治療の診療に応用することができる。
以上のように本実施形態の構成によれば、精度及び感度が高く、強度を確保できる接触力センサを実現することができる。
以上のように本実施形態の構成によれば、精度及び感度が高く、強度を確保できる接触力センサを実現することができる。
なお、接触力伝達体４には、挿通孔４ａが形成されているが、この挿通孔４ａの内壁には温度センサや圧力センサ等の物理量センサを配置して設けるようにしてもよい。これにより、接触力に加えて温度や圧力等の物理量を検知することができる。さらに、挿通孔４ａには、灌注チューブ１６から搬送される流体を送出するための流路部材を挿通させるようにしてもよい。したがって、接触力伝達体４に形成された挿通孔４ａの活用は格別限定されるものではなく、適宜有効に機能させることができる。
さらに、例えば、上記実施形態における接触力伝達体は設けることが好ましいが、必ずしも必要ではない。センサ本体で直接的に接触力を感知するようにしてもよい。
また、上記接触力センサは、医療機器としてのアブレーションカテーテルやガイディングカテーテル等の装置に好適に用いられるが、これに限るものではない。医療機器の分野にのみならず接触力センサを備え、小型化を必要とする各種装置への適用を妨げるものではない。格別適用される装置が限定されるものではない。
本発明は、上記実施形態の構成に限定されることなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。また、上記実施形態は、一例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
１・・・・接触力センサ
２・・・・センサ本体
２１・・・リング状部
２２・・・中央部
２２ａ・・開口
２３・・・スポーク部
２３ａ・・膨出部
２４・・・貫通孔
３・・・・保持体
４・・・・接触力伝達体
４ａ・・・挿通孔
５・・・・応力電気変換素子（ピエゾ抵抗素子）
６・・・・配線パターン
６１・・・内側配線パターン
６２・・・外側配線パターン
７・・・・電極
７ａ・・・電極層
７ｂ・・・侵入部
８・・・・絶縁層
９・・・・リード線
９１・・・絶縁被覆
９２・・・導体芯線部
１０・・・カテーテル
１１・・・制御ハンドル
１２・・・シャフト
１３・・・偏向部材
１４・・・先端電極
Ｓ1-ａ〜Ｓ４-ｄ・・・ピエゾ抵抗素子
２・・・・センサ本体
２１・・・リング状部
２２・・・中央部
２２ａ・・開口
２３・・・スポーク部
２３ａ・・膨出部
２４・・・貫通孔
３・・・・保持体
４・・・・接触力伝達体
４ａ・・・挿通孔
５・・・・応力電気変換素子（ピエゾ抵抗素子）
６・・・・配線パターン
６１・・・内側配線パターン
６２・・・外側配線パターン
７・・・・電極
７ａ・・・電極層
７ｂ・・・侵入部
８・・・・絶縁層
９・・・・リード線
９１・・・絶縁被覆
９２・・・導体芯線部
１０・・・カテーテル
１１・・・制御ハンドル
１２・・・シャフト
１３・・・偏向部材
１４・・・先端電極
Ｓ1-ａ〜Ｓ４-ｄ・・・ピエゾ抵抗素子
本発明の実施形態は、接触力センサにおいて、半導体材料を加工することによって作製されるセンサ本体を有し、前記センサ本体は、リング状部と、前記リング状部の略中央に形成された中央部と、前記中央部から外側に向かって前記リング状部に連結されたスポーク部と、前記スポーク部の前面側及び背面側の相対向する位置に一体的に内蔵するように形成され、前記スポーク部の変位を電気信号に変換する応力電気変換素子と、を具備することを特徴とする。
かかる構成により、精度及び感度が高く、強度を確保することが可能となる。
また、接触力センサを備えた装置は、前記接触力センサが備えられていることを特徴とする。
かかる構成により、精度及び感度が高く、強度を確保することが可能となる。
また、接触力センサを備えた装置は、前記接触力センサが備えられていることを特徴とする。
Claims (24)
- 半導体材料を加工することによって作製されるセンサ本体を有し、
前記センサ本体は、リング状部と、前記リング状部の略中央に形成された中央部と、前記中央部から外側に向かって前記リング状部に連結されたスポーク部と、前記スポーク部の前面側及び背面側の相対向する位置に配設され、前記スポーク部の変位を電気信号に変換する応力電気変換素子と、を具備することを特徴とする接触力センサ。 - 前記スポーク部の前面側及び背面側には、それぞれ２つの応力電気変換素子が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の接触力センサ。
- 前記応力電気変換素子は、前記スポーク部の中心側と外周側に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の接触力センサ。
- 前記スポーク部に配設された応力電気変換素子の両側の周方向上には、電極が形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の接触力センサ。
- 前記スポーク部は、複数形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の接触力センサ。
- 前記センサ本体には、複数の応力電気変換素子を共通に接続する配線パターンが形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の接触力センサ。
- 前記センサ本体の中央部には開口が形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の接触力センサ。
- 前記センサ本体を保持する保持体を備えていることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の接触力センサ。
- 前記センサ本体には、接触力伝達体が設けられていることを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の接触力センサ。
- 前記接触力伝達体には、挿通孔が形成されていることを特徴とする請求項９に記載の接触力センサ。
- 前記挿通孔には、物理量センサが配置されていることを特徴とする請求項１０に記載の接触力センサ。
- 前記応力電気変換素子は、ブリッジ接続されてブリッジ回路が構成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項１１のいずれか一項に記載の接触力センサ。
- 前記センサ本体は、一面側から他面側へ向かって形成され前記応力電気変換素子に電気的に接続されるリード線が通る貫通孔を有し、前記貫通孔の内壁には絶縁層が形成されていること特徴とする請求項１乃至請求項１２のいずれか一項に記載の接触力センサ。
- 前記貫通孔には、前記応力電気変換素子に電気的に接続されるリード線における絶縁被覆が除去された導体芯線部が通っていることを特徴とする請求項１３に記載の接触力センサ。
- 前記応力電気変換素子に電気的に接続されるリード線は、ろう材により構成された電極によって接続されていることを特徴とする請求項１３又は請求項１４に記載の接触力センサ。
- 前記電極は、低融点金属であることを特徴とする請求項１５に記載の接触力センサ。
- 前記電極は、貫通孔の内部に入り込んで侵入部が形成されていることを特徴とする請求項１５又は請求項１６に記載の接触力センサ。
- 前記貫通孔を通る導体芯線部の先端部は、直線状であることを特徴とする請求項１４乃至請求項１７のいずれか一項に記載の接触力センサ。
- 前記リード線における導体芯線は、銅銀合金線から形成されていることを特徴とする請求項１４乃至請求項１８のいずれか一項に記載の接触力センサ。
- 前記貫通孔の周囲及び前記貫通孔の内壁側へ延出して電極層が形成されていることを特徴とする請求項１３乃至請求項１９のいずれか一項に記載の接触力センサ。
- 前記センサ本体の外表面は、絶縁被覆されていることを特徴とする請求項１乃至請求項２０のいずれか一項に記載の接触力センサ。
- 前記絶縁被覆は、可撓性を有していることを特徴とする請求項２１に記載の接触力センサ。
- 前記絶縁被覆には、生体適合性を有する材料が用いられていることを特徴とする請求項２１又は請求項２２に記載の接触力センサ。
- 請求項１乃至請求項２３のいずれか一項に記載された接触力センサが備えられていることを特徴とする接触力センサを備えた装置。
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