WO2015033602A1 - 屈曲機構を有する挿入器具 - Google Patents

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WO2015033602A1
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inner tube
wire
contraction
contraction wire
tube
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拓生 小林
芳賀　洋一
忠雄 松永
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国立大学法人東北大学
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    • A61B1/0056—Constructional details of insertion parts, e.g. vertebral elements the insertion parts being asymmetric, e.g. for unilateral bending mechanisms

Definitions

  • the present invention relates to an insertion instrument having a bending mechanism.
  • an insertion instrument in which a wire made of a shape memory alloy is formed in a coil spring shape and a plurality of them are arranged around the inner tube has been developed (for example, see Patent Documents 6 to 8). ).
  • the wire since the wire is formed in a coil spring shape and has excellent stretchability, the coil spring disposed on the opposite side of the coil spring that contracts with respect to the inner tube extends when bent. Easy to bend.
  • the wire to be used becomes long, there is a problem that the material cost increases. Since the wire formed in the shape of a coil spring has elasticity, there was also a problem that the bending force was weak. There is also a problem that it is difficult to control the bending angle, and the wire may be heated too much in order to adjust the bending angle. Since the wire is formed in the shape of a coil spring, there is a problem that the occupied space is increased and the entire diameter is increased.
  • the present invention has been made paying attention to such problems, and can suppress the surface temperature at the time of bending, can reduce the material cost, has a strong bending force, and can easily control the bending angle.
  • An object of the present invention is to provide an insertion instrument having a bending mechanism that can prevent heating and can be reduced in diameter.
  • an insertion instrument having a bending mechanism according to the present invention is arranged along a length direction of a flexible inner tube and an outer side of the inner tube along the length of the inner tube. Then, a contraction wire made of a shape memory alloy provided to bend and shrink the inner tube, and the inner tube of the contraction wire to bend along the curvature of the inner tube together with the inner tube. And a restricting member provided in contact with the opposite side surface.
  • the insertion instrument having a bending mechanism according to the present invention can bend and bend the inner tube by energizing and heating a shrinkable wire made of shape memory alloy.
  • the restriction member provided in contact with the side surface opposite to the inner tube of the contraction wire bends along the curve of the inner tube together with the inner tube. Bend along. For this reason, compared with the case where a contraction wire is not bent, a bending angle can be enlarged with the same contraction amount.
  • the contraction wire is arranged in the length direction of the inner tube while being stretched as it is, not in the form of a coil spring.
  • the surface temperature can be suppressed. For this reason, safety when used in the body can be enhanced.
  • the amount of use of the shape memory alloy shrink wire can be shortened compared to the case of forming the coil spring shape, and the material cost can be reduced. Since the cost can be reduced, it can be used as a disposable.
  • the insertion instrument having the bending mechanism according to the present invention can easily determine the bending angle from the amount of contraction of the contracting wire, so that the bending angle can be easily controlled, and feedback control is also possible. For this reason, in order to adjust a bending angle, a contraction wire is not heated too much and it can prevent overheating. Although the contraction wire contracts due to energization heating, it does not expand and contract like a spring, so the bending force is strong. For this reason, a hard thing like an optical fiber can also be bent. Further, since the space occupied by the contraction wire is small, the diameter can be reduced.
  • the insertion instrument having a bending mechanism can be used by inserting a treatment instrument such as forceps, an observation means such as an optical fiber, and a CMOS image sensor into the inside of the inner tube.
  • a treatment instrument, an observation means, or the like may be arranged outside the inner tube and bendable together with the inner tube along the inner tube without putting anything inside the inner tube.
  • the limiting member may be in linear contact with the contraction wire along the length direction of the contraction wire, or may be in contact with a plurality of locations at a predetermined interval.
  • An insertion instrument having a bending mechanism includes an outer tube provided inside to accommodate the inner tube and the contraction wire, and the contraction wire is spaced from an inner surface of the outer tube. It is preferable to arrange them with a gap. In this case, since an air layer exists between the contraction wire and the outer tube, the heat of the contraction wire is not directly transmitted to the outer tube, and the surface temperature during bending can be suppressed. For this reason, it is easy to suppress the surface temperature to about 41 ° C. or less, and safety when used in the body can be ensured.
  • the contraction wire is composed of a plurality of pieces, each being equiangularly spaced with respect to the central axis of the inner tube and spaced from the outer surface of the inner tube.
  • the restricting member is preferably provided so as to be in contact with the side surface of each contraction wire opposite to the inner tube and to open the side of each contraction wire on the inner tube side.
  • this contraction wire is composed of a plurality of wires, it can be bent not only in one direction but also in a plurality of directions. In particular, when there are three or more contraction wires, they can be bent in any direction.
  • each contraction wire is arranged with a space between the inner tube and the restricting member is provided so as to open the side of each contraction wire on the inner tube side, The contraction wire on the side opposite to the contracted contraction wire is not bent together with the inner tube, and is projected toward the inner tube. Thereby, the resistance by the contraction wire against bending can be made as small as possible.
  • the limiting member may consist of one member that contacts all the contracting wires, or may be provided for each individual contracting wire.
  • An insertion instrument having a bending mechanism includes a pair of end links provided at both ends of a predetermined section along the length direction of the inner tube, and a plurality of the predetermined sections on the inner side of the predetermined section.
  • One or a plurality of intermediate links provided to divide the inner tube, and an outer tube provided to cover the inner tube, each contraction wire, and the restricting member, and each end link of the inner tube
  • Each contraction wire is fixed at a predetermined interval from the outer side surface
  • the restriction member is fixed to contact the side surface of each contraction wire opposite to the inner tube, and each contraction wire and the inner side surface of the outer tube are fixed.
  • the intermediate link is fixed to the inner surface of the outer tube so as to be spaced from each other, and the intermediate link holds each contraction wire at a predetermined distance from the outer surface of the inner tube.
  • the restriction member is held so as to be in contact with the side surface opposite to the inner tube, and is fixed to the inner surface of the outer tube so that a space is provided between each contraction wire and the inner surface of the outer tube. Is preferred. In this case, it is effective when the bending section becomes long.
  • the insertion instrument having a bending mechanism has a control unit that controls energization heating to each contraction wire, and the control unit energizes and heats one or more contraction wires among the contraction wires.
  • the inner tube is configured to bend in a desired direction, and when there are a plurality of patterns of current heating methods for each shrink wire to bend in the desired direction at a predetermined angle, It is preferable that the heating is performed by selecting a pattern in which the average amount of displacement of the wire in the desired direction is the smallest. In this case, the bending angle can be increased with a smaller amount of displacement.
  • the restricting member has a coil spring shape, and the inner tube and each contraction wire are accommodated therein, and an inner surface is opposite to the inner tube of each contraction wire. It may be provided in contact with the side surface on the side. In this case, the limiting member easily bends along the curve of the inner tube together with the inner tube.
  • the surface temperature during bending can be suppressed, the material cost can be reduced, the bending force is strong, the bending angle can be easily controlled, overheating can be prevented, and the diameter can be reduced. Therefore, an insertion instrument having a bending mechanism can be provided.
  • FIG. 1 A longitudinal cross-sectional view of an insertion instrument having a bending mechanism according to an embodiment of the present invention, (b) transverse cross-sectional view at the position of one-dot chain line, (c) vertical cross-sectional view of one section at the time of bending (D) It is the cross-sectional view in the dashed-dotted line position of (c) at the time of bending, (e) It is a perspective view at the time of bending.
  • FIG. 1 A longitudinal cross-sectional view of an insertion instrument having a bending mechanism according to an embodiment of the present invention, (b) transverse cross-sectional view at the position of one-dot chain line, (c) vertical cross-sectional view of one section at the time of bending (D) It is the cross-sectional view in the dashed-dotted line position of (c) at the time of bending, (e) It is a perspective view at the time of bending.
  • FIG. 1 Regarding the insertion instrument shown in FIG. 1, (a
  • the insertion instrument 10 having a bending mechanism includes an inner tube 11, a contraction wire 12, a restricting member 13, an outer tube 14, a pair of end links 15, an intermediate link 16, and a control unit (not shown). ).
  • the inner tube 11 is made of a flexible elongated tube, and is arranged at the center of the insertion instrument 10.
  • the contraction wire 12 is made of a shape memory alloy whose length contracts when energized and heated, and is composed of a plurality of contraction wires. Each contraction wire 12 is arranged along the length direction of the inner tube 11 outside the inner tube 11 at equal angular intervals with respect to the central axis of the inner tube 11. Each contraction wire 12 is arranged with a space between the outer surface of the inner tube 11.
  • the limiting member 13 has a coil spring shape, and is provided so as to accommodate the inner tube 11 and the contraction wires 12 therein.
  • the restricting member 13 is provided such that the inner surface is in contact with the side surface of each contraction wire 12 opposite to the inner tube 11, and the side of each contraction wire 12 on the inner tube 11 side is open.
  • the restriction member 13 is in contact with each contraction wire 12 at a plurality of locations along the length direction of each contraction wire 12.
  • the outer tube 14 is provided so as to cover the inner tube 11, each contraction wire 12, and the limiting member 13.
  • the outer tube 14 is disposed with a space between the inner surface and each contraction wire 12.
  • the pair of end links 15 have a disk shape having the same outer diameter as the inner diameter of the outer tube 14, and are provided at both ends of the inner tube 11. Each end link 15 is fixed to the inner surface of the outer tube 14, and the inner tube 11 passes through the center. Each end link 15 fixes the inner tube 11. Each end link 15 fixes each contraction wire 12 so as to be spaced from the outer surface of the inner tube 11 by a predetermined distance and also from the inner surface of the outer tube 14. Further, each end link 15 fixes a restricting member 13 so as to be in contact with the side surface of each contraction wire 12 opposite to the inner tube 11. Note that the end link 15 does not necessarily have a disk shape as long as the above-described function is satisfied.
  • the intermediate link 16 has a disk shape having the same outer diameter as the inner diameter of the outer tube 14, and is composed of a plurality. Each intermediate link 16 is fixed to the inner surface of the outer tube 14 so as to divide the section between the end links 15 into a plurality of sections. Each intermediate link 16 has the inner tube 11 at the center and the contraction wires 12 and the restricting member 13 penetrated around the inner tube 11. Each intermediate link 16 holds each contraction wire 12 so as to be spaced from the outer surface of the inner tube 11 by a predetermined distance and also from the inner surface of the outer tube 14. Each intermediate link 16 holds the restricting member 13 so as to contact the side surface of each contraction wire 12 opposite to the inner tube 11. Note that the intermediate link 16 does not necessarily have a disk shape as long as the above-described function is satisfied.
  • the insertion instrument 10 can bend the inner tube 11 by energizing and heating one or a plurality of contraction wires 12 to contract.
  • the restricting member 13 and the outer tube 14 bend along the curve of the inner tube 11.
  • the contraction wires 12 are composed of three wires, which are arranged at intervals of 120 degrees with respect to the central axis of the inner tube 11.
  • the intermediate link 16 is composed of two.
  • the control unit is provided so that each contraction wire 12 can be energized and heated, and the current to be energized can be controlled.
  • the controller is configured to bend the inner tube 11 in a desired direction by energizing and heating one or more of the contracting wires 12.
  • the control unit calculates the average displacement amount of each contraction wire 12 that is energized and heated in the desired direction. It is configured to perform energization heating by selecting the smallest pattern.
  • the insertion instrument 10 is used by being attached to the tip of an endoscope, for example.
  • the insertion instrument 10 can bend and bend the inner tube 11 in a desired direction by energizing and heating one or more of the contraction wires 12 made of a shape memory alloy.
  • the restricting member 13 provided in contact with the side surface of the contracting wire 12 opposite to the inner tube 11 bends along the curve of the inner tube 11 together with the inner tube 11, so that the contracted contracting wire 12 is also the limiting member. 13 along the curve of the inner tube 11.
  • FIG. 2 shows the relationship between the contraction rate and the bending angle of the contraction wire 12 when the contracted contraction wire 12 is bent into an arc shape and when it is stretched into a string shape.
  • the length of the contraction wire 12 before contraction and the length of the object to be bent (for example, the inner tube 11) are L
  • the radius of the object to be bent is a
  • the case of FIG. 2B is expressed by the equation (2).
  • each contraction wire 12 is spaced from the inner tube 11 and the restriction member 13 is provided to open the side of each contraction wire 12 on the inner tube 11 side.
  • the contraction wire 12 opposite to the contraction wire 12 contracted with respect to the inner tube 11 at the time of bending does not bend together with the inner tube 11, and the inner tube 11 is not bent. It will be overhanging. Thereby, the resistance by the contraction wire 12 against bending can be made as small as possible.
  • each contraction wire 12 When there are a plurality of energization heating methods for each contraction wire 12 for the control unit to bend at a predetermined angle in a desired direction in the insertion instrument 10, each of the contraction wires 12 that are energized and heated in the desired direction. Since it is configured to perform energization heating by selecting a pattern with the smallest average displacement, the bending angle can be increased with a smaller displacement.
  • FIG. 3A shows the relationship between the distance from the center of the inner tube 11 to the contraction wire 12 and the bending angle when one contraction wire 12 is contracted by a certain amount. As shown in FIG. 3A, the relationship between the distance and the bending angle is inversely proportional.
  • the contraction wire 12 can be regarded as contracted by the same amount as the component in the direction from the center of the inner tube 11 toward the action point, of the contraction amounts of the two contraction wires 12. At this time, the components in the direction from the action point toward each contraction wire 12 out of the contraction amounts of the two contraction wires 12 cancel each other, so that no displacement occurs in that direction. For this reason, when the distance between each contraction wire 12 and the center of the inner tube 11 is determined from FIG.
  • the same contraction amount (displacement) can be obtained by bringing the action point closer to the center of the inner tube 11. Amount), the bending angle can be increased. It is effective to arrange each contraction wire 12 as close as possible to the inner tube 11 in order to bring the action point closer to the center of the inner tube 11, but as shown in FIGS. 1 (c) to 1 (e). It should be noted that the effect of the outer contracting wire 12 projecting toward the inner tube 11 at the time of bending is contrary to the effect.
  • the insertion instrument 10 is arranged along the length direction of the inner tube 11 in a state where each contraction wire 12 is not stretched as a coil spring but is stretched as it is, the amount of heat generated at the time of bending can be minimized.
  • the surface temperature can be suppressed.
  • the heat of the contraction wire 12 is not directly transmitted to the outer tube 14, and the surface temperature during bending can be suppressed. For this reason, safety when used in the body can be enhanced.
  • the insertion instrument 10 can reduce the amount of the shape memory alloy shrink wire 12 used compared to when it is formed in a coil spring shape, and can reduce the material cost. Since the cost can be reduced, it can be used as a disposable. Disposal eliminates the need for cleaning and sterilization after use, can reduce medical costs, and can be used in relatively small hospitals such as private hospitals. In addition, the insertion tool 10 can be bent with less energy and a calorific value because the length of the contraction wire 12 is shorter than a conventional one using a shape memory alloy wire that is straightly stretched.
  • the insertion instrument 10 can easily determine the bending angle from the contraction amount of the contraction wire 12, the bending angle can be easily controlled and feedback control can also be performed. For this reason, in order to adjust a bending angle, the contraction wire 12 is not heated too much, and overheating can be prevented. Although the contraction wire 12 contracts by energization heating, it does not expand and contract like a spring, so that the bending force is strong. For this reason, a hard thing like an optical fiber can also be bent. Moreover, since the space occupied by the shrink wire 12 is small, the diameter can be reduced. Since the limiting member 13 has a coil spring shape, it is easy to bend along the curve of the inner tube 11 together with the inner tube 11. Thus, since the insertion instrument 10 is thin and flexible, it can be inserted even in a narrow and complicated place. Therefore, by using a small optical imager in combination, the inside of the body and the like can be observed precisely and freely.
  • the bending angle was measured when each of the contraction wires 12 (SMA wires 1 to 3) was individually energized and heated, and the results are shown in FIG.
  • the insertion instrument 10 has a bending length of 35 mm, an outer diameter of 1.7 mm, and two intermediate links 16.
  • the contracting wire 12 to be contracted is energized and heated to bend, and the bending angle at that time is measured using a camera.
  • FIG. 4 it was confirmed that any of the contraction wires 12 (SMA wires 1 to 3) have substantially the same bending angle according to the energized current.
  • the supply current was 280 mA
  • the bending angle was about 59 degrees (the radius of curvature was 34 mm), and it was confirmed that it was sufficiently practical.
  • the insertion instrument 10 may be configured such that one contraction wire 12 is folded back and can be bent only in one direction.
  • FIG. 5 shows the relationship between the bending angle and the surface temperature when the number of the contraction wires 12 is one.
  • the used insertion instrument 10 has a bending length of 35 mm, an outer diameter of 4.1 mm, an inner tube 11 having an inner diameter of 0.50 mm, and two intermediate links 16.
  • the insertion instrument 10 is placed in a thermostatic chamber (38 ° C., humidity 95%), and the surface temperature when the one contraction wire 12 is bent by applying heat to the contraction wire 12 is measured, so that the surface temperature becomes constant.
  • the bending angle is measured using a camera.
  • the curvature radius was 23 mm or more, the bending angle was 86 degrees or less, the surface temperature was 41 ° C. or less, and it was confirmed that safety when used in the body can be ensured. From this, it can be said that the insertion instrument 10 can be bent to a bending angle of 86 degrees even when used in the body, and is sufficiently practical.
  • the current flowing through the contraction wire 12 is 210 mA or less.
  • the limiting member 13 may be provided for each contraction wire 12 instead of one coil spring in contact with all the contraction wires 12. Even in this case, it is possible to obtain the effect that the outer contracting wire 12 projects toward the inner tube 11 at the time of bending, and the resistance of the contracting wire 12 against bending is as small as possible.
  • the insertion instrument 10 can be used by inserting a treatment instrument such as forceps or an observation means such as an optical fiber or a CMOS image sensor into the inner tube 11.
  • a treatment instrument such as forceps or an observation means such as an optical fiber or a CMOS image sensor
  • the treatment instrument 21, the observation means 22, and the like are placed outside the inner tube 11 and bendable along with the inner tube 11 along the inner tube 11 without putting anything inside the inner tube 11. It can also be arranged.
  • the insertion instrument 10 can be formed thin and soft, for example, it is inserted into a forceps hole at the tip of an existing large intestine endoscope to perform observation or treatment in the small intestine, or the intestinal contents as a small intestine endoscope. Can be used to drain or to observe and treat. Thereby, while reducing the pain and burden to a patient, the medical cost by minimally invasive medical treatment can be reduced.
  • an optical fiber can be used, it can be used for laser ablation treatment or diagnosis using a spectroscope. Furthermore, it can be used not only in the medical field but also in industrial fields such as in-pipe inspection and building maintenance, and disaster relief.

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Abstract

【課題】屈曲時の表面温度を抑制可能で、材料費を低減することができ、屈曲させる力が強く、屈曲角度の制御が容易で過加熱を防止することができ、細径化が可能な、屈曲機構を有する挿入器具を提供する。 【解決手段】形状記憶合金製の収縮ワイヤ１２が、可撓性の内側チューブ１１の外側に、内側チューブ１１の長さ方向に沿って配置されている。収縮ワイヤ１２は、通電加熱すると長さが収縮して内側チューブ１１を湾曲させるよう設けられている。制限部材１３が、内側チューブ１１と共に内側チューブ１１の湾曲に沿って曲がるよう、収縮ワイヤ１２の内側チューブ１１とは反対側の側面に接して設けられている。外側チューブ１４が、内部に内側チューブ１１と収縮ワイヤ１２と制限部材１３とを収納するよう設けられている。外側チューブ１４は、内側面と収縮ワイヤ１２との間に間隔をあけて配置されている。

Description

屈曲機構を有する挿入器具
　本発明は、屈曲機構を有する挿入器具に関する。
　従来、内視鏡などに使用される屈曲機構を有する挿入器具として、挿入器具の中心軸に配置されたインナーチューブの周囲に、そのインナーチューブに沿って形状記憶合金製のワイヤを複数配置し、所定のワイヤを収縮させることにより、所望の方向に屈曲させるものがある（例えば、特許文献１乃至５、非特許文献１参照）。しかし、これらの挿入器具では、各ワイヤが個別の配線チューブの内部に配線されていたり、インナーチューブに接触するよう配置されていたりするため、屈曲させたとき、インナーチューブに対して収縮するワイヤとは反対側に配置されたワイヤが、配線チューブやインナーチューブと共に曲がって張った状態になる。このため、その屈曲の外側のワイヤが、屈曲に対する抵抗になってしまい、屈曲させにくいという問題があった。
　そこで、より屈曲させやすくするために、形状記憶合金製のワイヤをコイルばね状に形成し、それらをインナーチューブの周囲に複数配置した挿入器具が開発されている（例えば、特許文献６乃至８参照）。これらの挿入器具では、ワイヤがコイルばね状に形成されて伸縮性に優れているため、屈曲させたとき、インナーチューブに対して収縮するコイルばねとは反対側に配置されたコイルばねが伸びて、屈曲させやすくなっている。
特開平５－１８４５２８号公報 特開２０１１－１４２９５１号公報 特表２０１０－５２２０２９号公報 特開２０１０－３８１２３号公報 特開２０１２－５２４２３号公報 特許第３４７７５７０号公報 特許第４０９６３２５号公報 特開２０００－２６２４６４号公報
Hironobu Takizawa, Hiroshi Tosaka, Ryo Ohta, Shinji Kaneko, and Yasuhiro Ueda, "DEVELOPMENT OF A MICROFINE ACTIVE BENDING CATHETER EQUIPPED WITH MIF TACTILE SENSORS", Micro Electro Mechanical Systems, 1999. MEMS '99. Twelfth IEEE International Conference on, 21-21 Jan. 1999, IEEE, p.412 - 417
　特許文献６乃至８に記載の挿入器具は、形状記憶合金製のワイヤをコイルばね状に形成しているため、真っ直ぐ伸ばしたワイヤと比べて、収縮率が大きく、屈曲角度を大きくすることができる。しかし、使用するワイヤが長くなるため、収縮させたときの発熱量が大きくなってしまい、表面温度が高くなるという課題があった。なお、体内での使用を考慮した場合、安全のため表面温度を約４１℃以下に抑制する必要がある。
　また、使用するワイヤが長くなるため、材料費が嵩むという課題があった。コイルばね状に形成されたワイヤが伸縮性を有するため、屈曲させる力が弱いという課題もあった。屈曲角度の制御が難しく、屈曲角度を調整するためにワイヤを加熱しすぎてしまうことがあるという課題もあった。ワイヤをコイルばね状に形成するため、その占有スペースが大きくなり、全体の径が太くなるという課題もあった。
　本発明は、このような課題に着目してなされたもので、屈曲時の表面温度を抑制可能で、材料費を低減することができ、屈曲させる力が強く、屈曲角度の制御が容易で過加熱を防止することができ、細径化が可能な、屈曲機構を有する挿入器具を提供することを目的とする。
　上記目的を達成するために、本発明に係る屈曲機構を有する挿入器具は、可撓性の内側チューブと、前記内側チューブの外側に、前記内側チューブの長さ方向に沿って配置され、通電加熱すると長さが収縮して前記内側チューブを湾曲させるよう設けられた形状記憶合金製の収縮ワイヤと、前記内側チューブと共に前記内側チューブの湾曲に沿って曲がるよう、前記収縮ワイヤの前記内側チューブとは反対側の側面に接して設けられた制限部材とを、有することを特徴とする。
　本発明に係る屈曲機構を有する挿入器具は、形状記憶合金製の収縮ワイヤを通電加熱することにより、内側チューブを湾曲させて屈曲することができる。このとき、収縮ワイヤの内側チューブとは反対側の側面に接して設けられた制限部材が、内側チューブと共に内側チューブの湾曲に沿って曲がるため、収縮した収縮ワイヤも制限部材と共に内側チューブの湾曲に沿って曲げられる。このため、収縮ワイヤが曲げられない場合と比べて、同じ収縮量で屈曲角度を大きくすることができる。
　本発明に係る屈曲機構を有する挿入器具は、収縮ワイヤを、コイルばね状でなく、そのまま伸ばした状態で内側チューブの長さ方向に沿って配置しているため、屈曲時の発熱量をできるだけ小さくすることができ、表面温度を抑制することができる。このため、体内で使用したときの安全性を高めることができる。また、形状記憶合金製の収縮ワイヤの使用量を、コイルばね状に形成したときと比べて短くすることができ、材料費を低減することができる。コストを低減できるため、使い捨てとして使用することが可能になる。
　本発明に係る屈曲機構を有する挿入器具は、収縮ワイヤの収縮量から屈曲角度を容易に求めることができるため、屈曲角度の制御が容易であり、フィードバック制御も可能である。このため、屈曲角度を調整するために収縮ワイヤを加熱しすぎることがなく、過加熱を防止することができる。収縮ワイヤが通電加熱で収縮はするが、バネのように伸縮しないため、屈曲させる力が強い。このため、光ファイバーのような硬いものも屈曲させることができる。また、収縮ワイヤの占有スペースが小さいため、細径化を図ることができる。
　本発明に係る屈曲機構を有する挿入器具は、内側チューブの内部に、鉗子などの処置具や光ファイバー、ＣＭＯＳイメージセンサーなどの観察手段等を挿入して使用することができる。また、内側チューブの内部に何も入れず、内側チューブの外部に、内側チューブに沿って内側チューブと共に湾曲可能に、処置具や観察手段などを配置してもよい。制限部材は、収縮ワイヤの長さ方向に沿って、収縮ワイヤと線状に接していてもよく、所定の間隔の複数箇所で接していてもよい。
　本発明に係る屈曲機構を有する挿入器具は、内部に前記内側チューブと前記収縮ワイヤとを収納するよう設けられた外側チューブを有し、前記収縮ワイヤは前記外側チューブの内側面との間に間隔をあけて配置されていることが好ましい。この場合、収縮ワイヤと外側チューブとの間に空気の層が存在するため、収縮ワイヤの熱が外側チューブに直接伝わらず、屈曲時の表面温度を抑制することができる。このため、表面温度を約４１℃以下に抑制するのが容易であり、体内で使用するときの安全性を確保することができる。
　本発明に係る屈曲機構を有する挿入器具で、前記収縮ワイヤは複数から成り、それぞれ前記内側チューブの中心軸に対して等角度間隔で、前記内側チューブの外側面との間に間隔をあけて配置されており、前記制限部材は、各収縮ワイヤの前記内側チューブとは反対側の側面に接すると共に、各収縮ワイヤの前記内側チューブ側の側方を開放するよう設けられていることが好ましい。
　この収縮ワイヤが複数から成る場合、一方向だけでなく複数の方向に屈曲させることができる。特に、収縮ワイヤが３本以上のとき、任意の方向に屈曲させることができる。また、各収縮ワイヤが内側チューブとの間に間隔をあけて配置され、制限部材が各収縮ワイヤの内側チューブ側の側方を開放するよう設けられているため、屈曲時に、内側チューブに対して収縮した収縮ワイヤとは反対側の収縮ワイヤが、内側チューブと共に湾曲せず、内側チューブに向かって張り出した状態になる。これにより、屈曲に対するその収縮ワイヤによる抵抗をできるだけ小さくすることができる。制限部材は、全ての収縮ワイヤに接する１つの部材から成っていてもよく、個々の収縮ワイヤ毎に設けられていてもよい。
　本発明に係る屈曲機構を有する挿入器具は、前記内側チューブの長さ方向に沿った所定区間の両端に設けられた１対の端部リンクと、前記所定区間の内側に、前記所定区間を複数に分割するよう設けられた１または複数の中間リンクと、前記内側チューブと各収縮ワイヤと前記制限部材とを覆うよう設けられた外側チューブとを有し、各端部リンクは、前記内側チューブの外側面から所定の間隔をあけて各収縮ワイヤを固定し、各収縮ワイヤの前記内側チューブとは反対側の側面に接するよう前記制限部材を固定し、各収縮ワイヤと前記外側チューブの内側面との間に間隔をあけるよう、前記外側チューブの内側面に固定され、前記中間リンクは、前記内側チューブの外側面から所定の間隔をあけて各収縮ワイヤを保持し、各収縮ワイヤの前記内側チューブとは反対側の側面に接するよう前記制限部材を保持し、各収縮ワイヤと前記外側チューブの内側面との間に間隔をあけるよう、前記外側チューブの内側面に固定されていることが好ましい。この場合、屈曲区間が長くなったときに効果的である。
　本発明に係る屈曲機構を有する挿入器具は、各収縮ワイヤへの通電加熱を制御する制御部を有し、前記制御部は、各収縮ワイヤのうち１または複数の収縮ワイヤに通電加熱することにより、前記内側チューブを所望の方向に湾曲させるよう構成されており、前記所望の方向に所定の角度で曲げるための各収縮ワイヤへの通電加熱方法が複数パターン存在するとき、通電加熱された各収縮ワイヤの前記所望の方向への変位量の平均が最も小さくなるパターンを選択して通電加熱を行うよう構成されていることが好ましい。この場合、より少ない変位量で、屈曲角度を大きくすることができる。
　本発明に係る屈曲機構を有する挿入器具で、前記制限部材はコイルばね状を成し、内部に前記内側チューブと各収縮ワイヤとを収納し、内側面が各収縮ワイヤの前記内側チューブとは反対側の側面に接するよう設けられていてもよい。この場合、制限部材が内側チューブと共に内側チューブの湾曲に沿って曲がりやすい。
　本発明によれば、屈曲時の表面温度を抑制可能で、材料費を低減することができ、屈曲させる力が強く、屈曲角度の制御が容易で過加熱を防止することができ、細径化が可能な、屈曲機構を有する挿入器具を提供することができる。
本発明の実施の形態の屈曲機構を有する挿入器具の（ａ）縦断面図、（ｂ）（ａ）の一点鎖線位置での横断面図、（ｃ）屈曲時の１つの区間の縦断面図、（ｄ）屈曲時の（ｃ）の一点鎖線位置での横断面図、（ｅ）屈曲時の斜視図である。 図１に示す挿入器具に関し、（ａ）屈曲時に収縮ワイヤが弦状に張ったときの状態を示す模式側面図、（ｂ）屈曲時に収縮ワイヤが円弧状に曲げられたときの状態を示す模式側面図、（ｃ）（ａ）および（ｂ）のときの収縮ワイヤの収縮率と屈曲角度との関係を示すグラフである。 図１に示す挿入器具の、（ａ）１本の収縮ワイヤを一定量収縮させたときの、内側チューブの中心からその収縮ワイヤまでの距離と屈曲角度との関係を示すグラフ、（ｂ）２本の収縮ワイヤを同じ量だけ収縮させたときの状態を示す概略斜視図である。 図１に示す挿入器具の、各収縮ワイヤ（ＳＭＡ　ｗｉｒｅ１～３）に個別に通電加熱したときの屈曲角度を示すグラフである。 本発明の実施の形態の屈曲機構を有する挿入器具の、収縮ワイヤが１本だけから成る変形例の、屈曲角度と表面温度との関係を示すグラフである。 本発明の実施の形態の屈曲機構を有する挿入器具の、制限部材が個々の収縮ワイヤ毎に設けられた変形例を示す（ａ）横断面図、（ｂ）屈曲時の斜視図である。 本発明の実施の形態の屈曲機構を有する挿入器具の、内側チューブの外部に処置具や観察手段などを配置した使用状態を示す縦断面図である。
　以下、図面に基づき、本発明の実施の形態について説明する。
　図１乃至図７は、本発明の実施の形態の屈曲機構を有する挿入器具を示している。
　図１に示すように、屈曲機構を有する挿入器具１０は、内側チューブ１１と収縮ワイヤ１２と制限部材１３と外側チューブ１４と１対の端部リンク１５と中間リンク１６と制御部（図示せず）とを有している。
　内側チューブ１１は、可撓性の細長いチューブから成り、挿入器具１０の中心に配置されている。収縮ワイヤ１２は、通電加熱すると長さが収縮する形状記憶合金製で、複数から成っている。各収縮ワイヤ１２は、それぞれ内側チューブ１１の中心軸に対して等角度間隔で、内側チューブ１１の外側に、内側チューブ１１の長さ方向に沿って配置されている。各収縮ワイヤ１２は、内側チューブ１１の外側面との間に間隔をあけて配置されている。
　制限部材１３は、コイルばね状を成し、内部に内側チューブ１１と各収縮ワイヤ１２とを収納するよう設けられている。制限部材１３は、内側面が各収縮ワイヤ１２の内側チューブ１１とは反対側の側面に接するよう設けられ、各収縮ワイヤ１２の内側チューブ１１側の側方を開放している。制限部材１３は、各収縮ワイヤ１２の長さ方向に沿って、各収縮ワイヤ１２と複数箇所で接している。外側チューブ１４は、内側チューブ１１と各収縮ワイヤ１２と制限部材１３とを覆うよう設けられている。外側チューブ１４は、内側面と各収縮ワイヤ１２との間に間隔をあけて配置されている。
　１対の端部リンク１５は、外側チューブ１４の内径と同じ外径を有する円盤状を成し、内側チューブ１１の両端に設けられている。各端部リンク１５は、外側チューブ１４の内側面に固定されており、中心に内側チューブ１１が貫通されている。各端部リンク１５は、内側チューブ１１を固定している。各端部リンク１５は、内側チューブ１１の外側面から所定の間隔をあけると共に、外側チューブ１４の内側面との間にも間隔をあけるよう各収縮ワイヤ１２を固定している。また、各端部リンク１５は、各収縮ワイヤ１２の内側チューブ１１とは反対側の側面に接するよう制限部材１３を固定している。なお、端部リンク１５は、前述の機能を満たせば、必ずしも円盤状でなくともよい。
　中間リンク１６は、外側チューブ１４の内径と同じ外径を有する円盤状を成し、複数から成っている。各中間リンク１６は、各端部リンク１５の間の区間を複数に分割するよう、外側チューブ１４の内側面に固定されている。各中間リンク１６は、中心に内側チューブ１１が、その周囲に各収縮ワイヤ１２および制限部材１３が貫通されている。各中間リンク１６は、内側チューブ１１の外側面から所定の間隔をあけると共に、外側チューブ１４の内側面との間にも間隔をあけるよう、各収縮ワイヤ１２を保持している。各中間リンク１６は、各収縮ワイヤ１２の内側チューブ１１とは反対側の側面に接するよう制限部材１３を保持している。なお、中間リンク１６は、前述の機能を満たせば、必ずしも円盤状でなくともよい。
　挿入器具１０は、１または複数の収縮ワイヤ１２に通電加熱して収縮させることにより、内側チューブ１１を湾曲可能になっている。また、内側チューブ１１と共に、制限部材１３および外側チューブ１４も内側チューブ１１の湾曲に沿って曲がるようになっている。なお、図１に示す具体的な一例では、収縮ワイヤ１２は３本から成り、それぞれ内側チューブ１１の中心軸に対して１２０度間隔で配置されている。また、中間リンク１６は２つから成っている。
　制御部は、各収縮ワイヤ１２に通電して加熱可能、かつ、その通電する電流を制御可能に設けられている。制御部は、各収縮ワイヤ１２のうち１または複数の収縮ワイヤ１２に通電加熱することにより、内側チューブ１１を所望の方向に湾曲させるよう構成されている。制御部は、所望の方向に所定の角度で曲げるための各収縮ワイヤ１２への通電加熱方法が複数パターン存在するとき、通電加熱された各収縮ワイヤ１２の所望の方向への変位量の平均が最も小さくなるパターンを選択して通電加熱を行うよう構成されている。
　次に、作用について説明する。
　挿入器具１０は、例えば、内視鏡の先端に取り付けて使用される。挿入器具１０は、形状記憶合金製の収縮ワイヤ１２のうち、１または複数の収縮ワイヤ１２を通電加熱することにより、内側チューブ１１を所望の方向に湾曲させて屈曲することができる。このとき、収縮ワイヤ１２の内側チューブ１１とは反対側の側面に接して設けられた制限部材１３が、内側チューブ１１と共に内側チューブ１１の湾曲に沿って曲がるため、収縮した収縮ワイヤ１２も制限部材１３と共に内側チューブ１１の湾曲に沿って曲げられる。
　収縮した収縮ワイヤ１２が円弧状に曲げられた場合と、弦状に張った場合とについて、収縮ワイヤ１２の収縮率と屈曲角度との関係を調べ、図２に示す。図２（ａ）および（ｂ）に示すように、収縮前の収縮ワイヤ１２の長さおよび屈曲させる対象物（例えば、内側チューブ１１）の長さをＬ、屈曲させる対象物の半径をａ、収縮した収縮ワイヤ１２の長さをｌ、収縮時の屈曲角度をθとすると、収縮ワイヤ１２の収縮率ｘ＝（Ｌ－ｌ）／Ｌは、図２（ａ）のときが（１）式で、図２（ｂ）のときが（２）式で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　この式から、Ｌ＝３５ｍｍ、ａ＝１．０ｍｍのときの収縮率ｘと屈曲角度θとの関係を求め、図２（ｃ）に示す。図２（ｃ）に示すように、収縮ワイヤ１２が曲げられない場合（図２（ａ）の弦状の場合に対応）と比べて、収縮した収縮ワイヤ１２が内側チューブ１１の湾曲に沿って曲げられる挿入器具１０の場合（図２（ｂ）の円弧状の場合に対応）には、同じ収縮量で屈曲角度を大きくすることができる。
　挿入器具１０は、各収縮ワイヤ１２が内側チューブ１１との間に間隔をあけて配置され、制限部材１３が各収縮ワイヤ１２の内側チューブ１１側の側方を開放するよう設けられているため、図１（ｃ）～（ｅ）に示すように、屈曲時に、内側チューブ１１に対して収縮した収縮ワイヤ１２とは反対側の収縮ワイヤ１２が、内側チューブ１１と共に湾曲せず、内側チューブ１１に向かって張り出した状態になる。これにより、屈曲に対するその収縮ワイヤ１２による抵抗をできるだけ小さくすることができる。
　挿入器具１０で、制御部が、所望の方向に所定の角度で曲げるための各収縮ワイヤ１２への通電加熱方法が複数パターン存在するとき、通電加熱された各収縮ワイヤ１２の所望の方向への変位量の平均が最も小さくなるパターンを選択して通電加熱を行うよう構成されているため、より少ない変位量で、屈曲角度を大きくすることができる。ここで、図３（ａ）に、１本の収縮ワイヤ１２を一定量収縮させたときの、内側チューブ１１の中心からその収縮ワイヤ１２までの距離と屈曲角度との関係を示す。図３（ａ）に示すように、その距離と屈曲角度との関係は、反比例となる。
　そこで、例えば、図３（ｂ）に示すように、収縮ワイヤ１２が３本のとき、２本の収縮ワイヤ１２を同じ量だけ収縮させると、その２本の収縮ワイヤ１２の中間位置（作用点）で、その２本の収縮ワイヤ１２の収縮量のうち内側チューブ１１の中心から作用点に向く方向の成分と同じ量で、収縮ワイヤ１２が収縮したものとみなすことができる。なお、このとき、２本の収縮ワイヤ１２の収縮量のうち作用点から各収縮ワイヤ１２に向く方向の成分は、互いに打ち消し合うため、その方向には変位は発生しない。このため、図３（ａ）から、各収縮ワイヤ１２と内側チューブ１１の中心との距離が定められている場合には、作用点を内側チューブ１１の中心に近づけることにより、同じ収縮量（変位量）でも屈曲角度を大きくすることができる。なお、作用点を内側チューブ１１の中心に近づけるため、各収縮ワイヤ１２を内側チューブ１１に可能な限り近づけて配置することも効果的であるが、図１（ｃ）～（ｅ）に示すような屈曲時に外側の収縮ワイヤ１２が内側チューブ１１に向かって張り出す効果と相反することに留意する必要がある。
　挿入器具１０は、各収縮ワイヤ１２を、コイルばね状でなく、そのまま伸ばした状態で内側チューブ１１の長さ方向に沿って配置しているため、屈曲時の発熱量をできるだけ小さくすることができ、表面温度を抑制することができる。また、収縮ワイヤ１２と外側チューブ１４との間に空気の層が存在するため、収縮ワイヤ１２の熱が外側チューブ１４に直接伝わらず、屈曲時の表面温度を抑制することができる。このため、体内で使用したときの安全性を高めることができる。
　挿入器具１０は、形状記憶合金製の収縮ワイヤ１２の使用量を、コイルばね状に形成したときと比べて短くすることができ、材料費を低減することができる。コストを低減できるため、使い捨てとして使用することが可能になる。使い捨てにすることにより、使用後の洗浄や滅菌作業が不要となり、医療費を削減することができ、個人病院などの比較的小規模な病院でも利用することができる。また、挿入器具１０は、真っ直ぐに伸ばした形状記憶合金製のワイヤを使用する従来のものと比べて、収縮ワイヤ１２の使用長が短いため、少ないエネルギーおよび発熱量で屈曲させることができる。
　また、挿入器具１０は、収縮ワイヤ１２の収縮量から屈曲角度を容易に求めることができるため、屈曲角度の制御が容易であり、フィードバック制御も可能である。このため、屈曲角度を調整するために収縮ワイヤ１２を加熱しすぎることがなく、過加熱を防止することができる。収縮ワイヤ１２が通電加熱で収縮はするが、バネのように伸縮しないため、屈曲させる力が強い。このため、光ファイバーのような硬いものも屈曲させることができる。また、収縮ワイヤ１２の占有スペースが小さいため、細径化を図ることができる。制限部材１３がコイルばね状であるため、内側チューブ１１と共に内側チューブ１１の湾曲に沿って曲がりやすい。このように、挿入器具１０は、細径で柔軟であるため、狭く複雑な形状をした場所でも挿入することができる。このため、小型の光学イメージャを併用することにより、体内などを精密かつ自在に観察することができる。
　図１に示す挿入器具１０について、各収縮ワイヤ１２（ＳＭＡ　ｗｉｒｅ１～３）を個別に通電加熱したときの屈曲角度の測定を行い、その結果を図４に示す。挿入器具１０は、屈曲する長さが３５ｍｍ、外径が１．７ｍｍ、中間リンク１６が２つである。測定では、収縮させる収縮ワイヤ１２に通電加熱して屈曲させ、そのときの屈曲角度をカメラを用いて測定している。図４に示すように、いずれの収縮ワイヤ１２（ＳＭＡ　ｗｉｒｅ１～３）でも、通電した電流に応じてほぼ同じ屈曲角度を成すことが確認された。供給電流が２８０ｍＡのとき、屈曲角度は約５９度（曲率半径は３４ｍｍ）であり、十分に実用可能であることが確認された。
　なお、挿入器具１０は、１本の収縮ワイヤ１２が折り返して配置されており、１方向にのみ屈曲可能であってもよい。この収縮ワイヤ１２が１本のときの屈曲角度と表面温度との関係を調べ、図５に示す。使用した挿入器具１０は、屈曲する長さが３５ｍｍ、外径が４．１ｍｍ、内側チューブ１１の内径が０．５０ｍｍ、中間リンク１６が２つである。測定では、まず、恒温槽（３８℃、湿度９５％）内に挿入器具１０を置き、１つの収縮ワイヤ１２に通電加熱して屈曲させたときの表面温度を測定し、表面温度が一定になったときの屈曲角度をカメラを用いて測定している。
　図５に示すように、曲率半径２３ｍｍ以上、屈曲角度８６度以下で、表面温度は４１℃以下となり、体内で使用したときの安全性を確保することができることが確認された。このことから、この挿入器具１０は、体内で使用するときでも、屈曲角度８６度まで屈曲させることができ、十分に実用的であるといえる。なお、曲率半径２３ｍｍ以上、屈曲角度８６度以下にするためには、収縮ワイヤ１２に流す電流は、２１０ｍＡ以下となる。
　また、図６に示すように、挿入器具１０で、制限部材１３は、全ての収縮ワイヤ１２に接する１つのコイルばねの代わりに、個々の収縮ワイヤ１２毎に設けられていてもよい。この場合であっても、屈曲時に外側の収縮ワイヤ１２が内側チューブ１１に向かって張り出して、屈曲に対するその収縮ワイヤ１２による抵抗をできるだけ小さくする効果を得ることができる。
　挿入器具１０は、内側チューブ１１の内部に、鉗子などの処置具や光ファイバー、ＣＭＯＳイメージセンサーなどの観察手段等を挿入して使用することができる。また、図７に示すように、内側チューブ１１の内部に何も入れず、内側チューブ１１の外部に、内側チューブ１１に沿って内側チューブ１１と共に湾曲可能に、処置具２１や観察手段２２などを配置することもできる。
　挿入器具１０は、細く柔らかく形成することができるため、例えば、既存の大腸内視鏡の先端の鉗子孔に挿入されて、小腸内の観察や処置を行ったり、小腸内視鏡として腸内容物を排出したり観察や処置を行ったりするのに使用することができる。これにより、患者への苦痛や負担を少なくするとともに、低侵襲医療による医療費の低減を図ることができる。また、光ファイバーを使用することができるため、レーザーアブレーション治療や分光器を用いた診断などに利用することができる。さらに、医療分野に限らず、配管内検査やビルメンテナンスなどの工業分野や、災害救助などにも使用することができる。
　１１　内側チューブ
　１２　収縮ワイヤ
　１３　制限部材
　１４　外側チューブ
　１５　端部リンク
　１６　中間リンク
 

Claims (6)

  1. 　可撓性の内側チューブと、
    　前記内側チューブの外側に、前記内側チューブの長さ方向に沿って配置され、通電加熱すると長さが収縮して前記内側チューブを湾曲させるよう設けられた形状記憶合金製の収縮ワイヤと、
    　前記内側チューブと共に前記内側チューブの湾曲に沿って曲がるよう、前記収縮ワイヤの前記内側チューブとは反対側の側面に接して設けられた制限部材とを、
    　有することを特徴とする屈曲機構を有する挿入器具。
  2. 　内部に前記内側チューブと前記収縮ワイヤとを収納するよう設けられた外側チューブを有し、
    　前記収縮ワイヤは前記外側チューブの内側面との間に間隔をあけて配置されていることを
    　特徴とする請求項１記載の屈曲機構を有する挿入器具。
  3. 　前記収縮ワイヤは複数から成り、それぞれ前記内側チューブの中心軸に対して等角度間隔で、前記内側チューブの外側面との間に間隔をあけて配置されており、
    　前記制限部材は、各収縮ワイヤの前記内側チューブとは反対側の側面に接すると共に、各収縮ワイヤの前記内側チューブ側の側方を開放するよう設けられていることを
    　特徴とする請求項１または２記載の屈曲機構を有する挿入器具。
  4. 　前記内側チューブの長さ方向に沿った所定区間の両端に設けられた１対の端部リンクと、
    　前記所定区間の内側に、前記所定区間を複数に分割するよう設けられた１または複数の中間リンクと、
    　前記内側チューブと各収縮ワイヤと前記制限部材とを覆うよう設けられた外側チューブとを有し、
    　各端部リンクは、前記内側チューブの外側面から所定の間隔をあけて各収縮ワイヤを固定し、各収縮ワイヤの前記内側チューブとは反対側の側面に接するよう前記制限部材を固定し、各収縮ワイヤと前記外側チューブの内側面との間に間隔をあけるよう、前記外側チューブの内側面に固定され、
    　前記中間リンクは、前記内側チューブの外側面から所定の間隔をあけて各収縮ワイヤを保持し、各収縮ワイヤの前記内側チューブとは反対側の側面に接するよう前記制限部材を保持し、各収縮ワイヤと前記外側チューブの内側面との間に間隔をあけるよう、前記外側チューブの内側面に固定されていることを
    　特徴とする請求項３記載の屈曲機構を有する挿入器具。
  5. 　各収縮ワイヤへの通電加熱を制御する制御部を有し、
    　前記制御部は、各収縮ワイヤのうち１または複数の収縮ワイヤに通電加熱することにより、前記内側チューブを所望の方向に湾曲させるよう構成されており、前記所望の方向に所定の角度で曲げるための各収縮ワイヤへの通電加熱方法が複数パターン存在するとき、通電加熱された各収縮ワイヤの前記所望の方向への変位量の平均が最も小さくなるパターンを選択して通電加熱を行うよう構成されていることを
    　特徴とする請求項３または４記載の屈曲機構を有する挿入器具。
  6. 　前記制限部材はコイルばね状を成し、内部に前記内側チューブと各収縮ワイヤとを収納し、内側面が各収縮ワイヤの前記内側チューブとは反対側の側面に接するよう設けられていることを特徴とする請求項３乃至５のいずれか１項に記載の屈曲機構を有する挿入器具。
     
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