WO2016157504A1

WO2016157504A1 - 医療用無線給電システムおよび無線給電方法

Info

Publication number: WO2016157504A1
Application number: PCT/JP2015/060506
Authority: WO
Inventors: 尚英鶴田; 亮松井; 松木　薫; 新二安永
Original assignee: オリンパス株式会社
Priority date: 2015-04-02
Filing date: 2015-04-02
Publication date: 2016-10-06

Abstract

医療用無線給電システムは、電源装置と接続された送電コイル（１１）と、送電コイルと電磁結合する中継コイル（３２）と、筒状の本体部とを有するトロッカ（３０）と、先端部にエンドエフェクタが設けられ、本体部に挿通される挿入部と、中継コイルと電磁結合する受電コイルとを有する医療機器（５０）とを備え、中継コイル（３２）および受電コイルの直径は、送電コイル（１１）の直径よりも小さい。

Description

医療用無線給電システムおよび無線給電方法

　本発明は、医療用無線給電システム、および同医療用無線給電システムを用いた無線給電方法に関する。

従来、トロッカと医療機器とを用いて、患者に対して侵襲を抑えつつ各種処置を行うことが知られている。
　処置具等の医療機器は、トロッカを介して患者の体内に挿入される。処置具が処置に電力を用いるものである場合、通常処置具はその電力供給源とケーブルで接続される。このケーブルは、術者が処置を行うときの操作性を低下させる。そこで、医療機器にワイヤレスで給電を行うことが検討されている。

無線で給電を行う技術として、特許文献１には、地面等に設置された１次コイルと、電気自動車等に搭載された２次コイルとで、磁界結合(電磁誘導)の作用を用いて無線で電力を供給する装置が開示されている。特許文献１には、地面から車までの空間距離(エアギャップ)を拡大すべく、１次コイルと２次コイルとの間に、送電側の電力供給フィールドを拡大するような中継コイル(共振コイル)を備えることが開示されている。

日本国特開２０１０－１７３５０３号公報

しかしながら、特許文献１の技術と、トロッカと医療機器とを備えた医療システムとでは、無線給電の周波数帯、伝送する電力の大きさ、許容される大きさ等が異なっているため、特許文献１の構成をそのまま適用することは難しい。
さらに、トロッカと医療機器との相対位置関係は、手技を行っている途中で刻々と変化する。無動作の物に対しての無線給電を想定した特許文献１の構成を用いることはこの点に鑑みても現実的ではない。

上記事情を踏まえ、本発明は、トロッカに挿通される医療機器に対して好適に無線給電を行うことができる医療用無線給電システムおよび無線給電方法を提供することを目的とする。

　本発明は、電源装置と接続された送電コイルと、前記送電コイルと電磁結合する中継コイルと、筒状の本体部とを有するトロッカと、先端部にエンドエフェクタが設けられ、前記本体部に挿通される挿入部と、前記中継コイルと電磁結合する受電コイルとを有する医療機器とを備え、前記中継コイルおよび前記受電コイルの直径は、前記送電コイルの直径よりも小さい医療用無線給電システムである。

　本発明の医療用無線給電システムおよび無線給電方法によれば、トロッカに挿通される医療機器に対して好適に無線給電を行うことができる。

本発明の一実施形態の医療用無線給電システムの全体構成を示す模式図である。同医療用無線給電システムの医療機器を示す図である。同医療用無線給電システムの送電コイルを示す平面図である。図３のＩ－Ｉ線における断面図である。同医療用無線給電システムの等価回路図である。同医療用無線給電システムの使用時における、トロッカと医療機器との位置関係を示す図である。同医療用無線給電システムの使用時の一過程を示す図である。本発明の変形例に係る医療用無線給電システムの使用時の一過程を示す図である。本発明の変形例に係る医療用無線給電システムの使用時の一過程を示す図である。同医療用給電システムを用いた無線給電方法の一工程を示す模式図である。

　本発明の一実施形態について、図１から図９を参照して説明する。図１は、本実施形態の医療用無線給電システム（以下、単に「無線給電システム」と称することがある。）１の全体構成を示す模式図である。無線給電システム１は、送電コイル１１を有する送電部１０と、中継コイル３２を有し、患者Ｐに取りつけられるトロッカ（挿入補助部）３０と、受電コイルを有し、トロッカ３０を介して患者Ｐの体内に挿入される医療機器５０とを備えている。

送電部１０は、導体を含む素線が平面状に巻かれた送電コイル１１と、送電コイル１１に接続された電源装置１２とを備える。送電コイル１１は、患者Ｐが横たわる処置台１５の上に設置され、患者Ｐは図示しない絶縁部材等を介装した状態で送電コイル１１の上に横たわる。処置台１５は、少なくとも患者Ｐが横たわる部分が樹脂等の絶縁体で形成されていればよく、公知のものを用いることができる。患者Ｐが横たわる部分は、平板状でなく、例えば格子状に形成された、空間を有するものであると、大きなループ電流が流れにくく、好ましい。

トロッカ３０は、筒状に形成された硬質の本体部３１と、本体部３１に設けられた中継コイル３２とを備えている。本体部３１の構成は、公知のトロッカと同様であってよい。導体を含む素線が平面状に巻かれた中継コイル３２は、本体部３１の基端部に設けられた円盤状のフランジ部３３に配置され、本体部３１の軸線と略垂直になっている。トロッカ３０は、一般的なトロッカ同様、本体部３１が腹壁を貫通して腹腔内へのアクセスポートとなるように患者Ｐに取りつけられる。

　図２は、医療機器５０を示す図である。医療機器５０は、患者Ｐの体内に少なくとも一部分が挿入される硬質の挿入部５１と、挿入部５１の先端部に設けられた処置部（エンドエフェクタ）５２と、挿入部５１の基端側に設けられた操作部５３と、挿入部５１に取り付けられた受電コイル５４とを備えている。

挿入部５１は、金属や樹脂等で長尺の筒状に形成されている。挿入部５１と処置部５２との境界部は、屈曲あるいは湾曲可能に構成されていてもよい。本実施形態の処置部５２は、開閉可能な鉗子となっており、その基本構造は公知である。処置部５２で組織を把持した状態で処置部５２に高周波電流を供給すると、組織の焼灼や凝固、止血等を行うことができる。処置部５２を開閉駆動するための駆動部材（不図示）は、金属等の導体で棒状または線状に形成されている。駆動部材の先端部は、処置部５２に接続されている。駆動部材は、挿入部５１内を通って操作部５３まで延びており、操作部５３を操作することで、処置部５２の開閉および処置部５２への通電のオンオフを行うことができる。通電のオンオフのために、駆動部材とは別のトリガー等を設けてもよい。
　導体を含む素線が平面状に巻かれた受電コイル５４は、挿入部５１の基端部に設けられた円盤部５５に配置され、挿入部５１の軸線と略垂直になっている。

送電コイル１１、中継コイル３２、および受電コイル５４は、いずれも導体を含む素線が所定の平面上に渦巻き状に巻かれた平面コイルである点で共通している。送電コイル１１の直径は、中継コイル３２および受電コイル５４よりも大きく、例えば４０センチメートルである。中継コイル３２および受電コイル５４の直径は、送電コイル１１よりも小さければよく、中継コイル３２および受電コイル５４の直径の大小関係にも特に制限はない。本実施形態では、中継コイル３２と受電コイル５４の直径は同一である。また、患者Ｐにはトロッカ３０及び医療機器５０とは別のトロッカ及び医療機器が設置されることが想定されるため、トロッカ３０および医療機器５０の扱いやすさ等を考慮すると、例えば１５センチメートルである。

図３は、送電コイル１１を示す平面図である。送電コイル１１の素線１１ａは、中心まで巻かれておらず、外縁から一定の範囲のみに巻かれている。これにより、送電コイル１１は、全体的な形状としては、中央部に空間を有する略ドーナツ状に形成されている。素線１１ａが巻かれる一定範囲である素線巻き領域Ｒ１は、適宜設定できる。例えば、外縁から半径ｒの２０％以上６０％以下の長さの範囲とすることができ、３０％以上４５％以下の長さの範囲が好ましい。

図４は、図３のＩ－Ｉ線における断面図である。素線１１ａの長手方向に直交する断面形状は、図４に示すように平面方向に長辺が延びる長方形である。断面形状は長方形に限られず、円形、正方形等適宜設定できるが、四角形であると、この素線により構成されるコイルの高いＱ値を実現する観点で好ましい。また、素線１１ａを渦巻き状に巻く際の素線間の距離（ピッチ）Ｐｔは、少なくとも５ミリメートル以上であり、かつ素線１１ａの断面形状における内接円の直径以上とされている。すなわち、ピッチＰｔの最短寸法は、断面形状が円形の場合は直径、正方形の場合は一辺の長さ、長方形の場合は、短辺の長さとなる。素線の周回数は、上述した素線巻き領域Ｒ１、ピッチＰｔ、および後述の共振の条件を満たす限りにおいて、適宜設定されてよい。
一般に、素線の周回数を大きくするとコイルの自己インダクタンスは大きくなる。よって、コイルの寄生容量との関係において、使用する伝送周波数帯で寄生容量程度の容量で共振してしまわないように注意が必要である。

中継コイル３２および受電コイル５４は、送電コイル１１と直径が異なるが、素線巻き領域Ｒ１およびピッチＰｔについては、送電コイル１１と同様の条件を満たすように設定されている。
送電コイル１１、中継コイル３２、および受電コイル５４を形成する素線の材料としては、例えば銅等の良導体が好ましい。また、表皮効果を考慮して、中空のパイプ状の素線や、樹脂等のコアの外面に導体の箔を配置した構成の素線等が用いられてもよい。

図５に、無線給電システム１の等価回路図を示す。送電部１０、トロッカ３０、および医療機器５０には、それぞれ共振コンデンサ１３が組み込まれている。
送電部１０は、電源装置１２と共振コンデンサ１３との間に入力側のインピーダンス整合を目的とした整合器１４を有し、電源装置１２、整合器１４、共振コンデンサ１３、および送電コイル１１で閉回路を構成する。
トロッカ３０では、共振コンデンサ１３と中継コイル３２とが直列接続されて閉回路を構成する。
医療機器５０では、共振コンデンサ１３と負荷としての処置部５２との間に受電側の整合器５７が接続されており、受電コイル５４、共振コンデンサ１３、整合器５７、処置部５２と接続されて回路が終端される。
無線給電システム１における共振周波数は適宜設定されてよいが、例えば１００ｋＨｚ～１００ＭＨｚとすることができる。
三つの共振コンデンサ１３は、それぞれ接続されたコイルに合わせて選択または調整可能なため、値は同一でなくてもよい。

　上記のように構成された本実施形態の無線給電システム１の使用時の動作について説明する。
　準備作業として、処置台１５に送電コイル１１を設置し、絶縁物を介装させた状態で患者Ｐを送電コイル１１上に横たわらせる。絶縁物はマットレス等でもよい。
　次に、患者Ｐの腹壁を切開して腹腔に通じる開口を形成する。トロッカ３０の本体部３１を先端側から開口に挿入し、トロッカ３０を腹壁に留置する。送電コイル１１を電源装置１２と接続する。送電コイル１１と電源装置１２との接続は、トロッカ３０の留置の前後いずれに行われてもよい。

　電源装置１２から送電された高周波電力は、送電コイル１１に伝わり、送電コイル１１周囲の近傍に送電磁界を形成する。送電磁界は、送電磁界と磁界結合する中継コイル３２によって拡大される。中継コイルにより拡大された送電磁界は、中継コイルと磁界結合する受電コイル５４により受電され、負荷で使用され得る。

図６に、トロッカ３０と医療機器５０との位置関係について示す。医療機器５０は、トロッカ３０に挿入して腹腔内に導入されるが、給電が必要になるのは処置部５２で処置を行うときであるため、少なくとも図６（ａ）に示すように、トロッカ３０から挿入した医療機器５０の処置部５２が突出した状態で中継コイル３２と受電コイル５４との磁界結合が十分な強度で可能となるように設定される。処置中、医療機器５０は、トロッカ３０に対して挿入部５１の長手方向に進退され、図６（ｂ）に示すように、挿入部５１が最もトロッカ３０から突出された状態においても中継コイル３２と受電コイル５４との磁界結合が十分な強度で可能となるように設定される。図６（ａ）に示す状態と、図６（ｂ）に示す状態との挿入部５１の突出長の差が、医療機器５０においてエネルギ処置が可能な実質的ストロークとなる。実質的ストロークの値は、トロッカ３０および医療機器５０の各部の寸法により変化するが、例えば２０センチメートルとすることができる。

　術者は、トロッカ３０から突出した処置部５２を用いて、所望の処置を行う。必要に応じて操作部５３を操作すると、送電コイル１１から送られた電力が中継コイル３２を介して受電コイル５４に供給され、処置部５２に伝達される。これにより、処置部５２でエネルギを用いた処置を行うことができる。

毎回の処置で、医療機器５０は、トロッカ３０に対して、挿入部５１の長手方向に進退されたり、挿入部５１の軸線まわりに回転されたりして、送電コイル１１に対して位置が変わり得る。しかし、中継コイル３２は硬質の本体部３１に対して固定され、受電コイル５４は硬質の挿入部５１に対して固定されているため、中継コイル３２と受電コイル５４とは、医療機器５０の操作に関係なく略平行な状態に保持される。
さらに、図７に示すようにトロッカ３０および医療機器５０が腹壁Ａｗに対して傾いても、中継コイル３２と受電コイル５４とが略平行な状態が保持されるため、コイル同士の結合が大きく変化せず、処置部５２に対して良好な伝送効率で給電を行うことができる。

以上説明したように、本実施形態の医療用無線給電システム１は、送電コイル１１、中継コイル３２、および受電コイル５４の３つのコイルを備えることにより、患者Ｐの体を間に挟んでも、医療機器５０に好適に無線給電を行うことができる。

また、３つのコイルの素線巻き領域Ｒ１が、外縁から一定範囲に限られているため、素線を中心まで一様に巻きつけたコイルよりも磁界が遠方に強く広がる。本実施形態とは異なる、素線を中心まで一様に巻きつけたコイルの場合、磁界はコイル直径程度以遠で、急激に磁界強度が弱まる。一般に、電力の無線伝送において伝送距離を延ばす場合は、中継コイルおよび受電コイルの径を大きくして磁界の広がりを大きくするのが定石である。本実施形態の無線給電システムでは、各コイルの素線巻き領域Ｒ１を上述のように設定することにより、コイルＱ値を低下させず、同時にコイル間の結合を強くすることができる。その結果、中継コイル３２および受電コイル５４の直径を送電コイル１１より小さくしても、処置に必要な電力を、患者Ｐの体を送電コイルと中継コイルの間に挟むような、送電コイル直径に及ぶ或いはそれを超える長い距離の無線給電を好適に行うことができる。
なお、高周波を扱う上で系のインピーダンスは５０Ωであると都合が良い。医療機器５０の取り回しの面から受電コイル直径を代表的なサイズとして１５センチメートルとすると、素線巻き領域Ｒ１を上述のように定めて中継コイルの直径を代表サイズ１５センチメートルとすることで、他のサイズでは享受できないインピーダンス上のメリットが出る。すなわち、中継コイルに前記代表サイズを用いると、典型的な中継コイルと受電コイルの間の距離およそ１５センチメートルにおいて、負荷側のインピーダンスが５０Ωとなり、インピーダンスマッチングが不要となる。医療機器５０側の受電回路の小型化は考慮要素の中で大きな割合を占め、重要であり、その部分に効果が大きい。
さらに、電力の伝送効率を一定以上に確保したいと考えた場合、中継コイルと受電コイルの直径が著しく大きく異なることは好ましくない。送電コイルの直径を４０センチメートル及び受電コイルの直径を１５センチメートルと定めると、中継コイルの直径がおよそ３０センチメートルのときが最も中継コイルと受電コイルの磁気的結合が強く、効率よく電力伝送を行える。中継コイルはそれ以上に大きいと結合が弱くなり、またそれより小さくても結合は弱くなる。即ち中継コイルの大きい側の代表値は３０センチメートル程度である。また、小さい側の代表値を議論する為に、中継コイル及び受電コイル間の伝送効率８０％以上を実現することを考える。実現可能なコイルＱ値を３５０とした場合、コイル同士の結合は０．０２５以上であることが好ましい。よって、各コイルの素線巻き領域Ｒ１を上述のように設定することにより、この結合定数を０．０２５以上確保することができるのが直径およそ１４センチメートルである。よって、小さい側の代表値をおよそ１５センチメートルであると述べた。素線巻き領域Ｒ１を上述のように設定しない場合、電力伝送にとって好適に、かつコイルＱ値を高くしたまま結合を大きく取ることは難しい。

さらに、３つのコイルの素線巻き領域Ｒ１が、外縁から一定範囲に限られているため、コイルが発生する磁界の強度が距離による影響を受けにくい。その結果、トロッカ３０に対して医療機器５０が比較的大きなストロークで進退されても、安定した給電を行うことができる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において構成要素の組み合わせを変えたり、各構成要素に種々の変更を加えたり、削除したりすることが可能である。

例えば、中継コイルや受電コイルを、移動可能にトロッカや医療機器に取り付けてもよい。
図８に示す変形例では、中継コイル３２が移動可能に本体部３１に取り付けられている。図８（ａ）に示すように、トロッカ３０および医療機器５０が概ね垂直に位置するときには中継コイル３２は動かない。図８（ｂ）に示すように、トロッカ３０および医療機器５０が傾けられたときに、中継コイル３２は、受電コイル５４の送電コイル設置面（ここでは以下、水平方向）に対する傾き角度θ１のおよそ２分の１の角度θ２だけ水平方向に対して傾くように、本体部３１に対して移動する。このようにすると、送電コイル（不図示）に対して中継コイル３２が大きく傾くことが抑制され、３つのコイル間における角度変化が緩やかになる。その結果、コイル間の磁界結合の低下を抑制し、伝送効率の低下を抑えることができる。
上述したような中継コイルの角度調節は、受電コイルおよび中継コイルの傾きを検出するセンサ等の検出器、および中継コイルを駆動するモータ等の駆動機構を用いることにより実現可能である。これら検出器および駆動機構は、無線給電により供給された電力の一部を用いて動作されてもよい。あるいは、図８（ｃ）に示すように、電力を使用せず、中継コイル３２の四方と患者Ｐの腹壁Ａｗとをゴム等の弾性部材３５で接続する機構を用いることによっても実現可能である。

図８の変形例においては、受電コイル５４が移動可能であってもよい。両方のコイルを移動可能とすれば、中継コイルおよび受電コイルが常に送電コイルと平行となるように移動させることが可能である。

　図９に示す変形例は、中継コイル３２を本体部３１に固定しない例である。中継コイル３２は、絶縁性の足場６０等を介して、腹壁Ａｗと直接接触しないように配置される。

図９の変形例では、トロッカ３０が傾いても送電コイルと中継コイル３２とが略平行な状態が保持されるため、伝送効率の低下を抑えることができる。中継コイル３２は、略ドーナツ状であるため、中継コイル３２を通すように本体部３１を配置することも容易であり、トロッカ３０の設置後に中継コイル３２を後から設置することが可能で、トロッカ固定がしやすくなり、術式の手順も制限を受けにくい。また、伝送効率を考慮して中継コイル３２の直径を大きくしても、処置時の操作性に与える影響が比較的少ないという利点もある。
この変形例において、受電コイル５４を挿入部５１に対して移動可能にし、中継コイル３２と常に平行な状態を保持するように構成してもよい。

また、本発明の医療用無線給電システムは、送電コイルの患者に対する配置位置を所定の状態とすることにより、さらに伝送効率を向上させることができる。
例えば、図１０に示すように、設置した送電コイル１１の上に、足を開いた仰臥位で患者Ｐを横たわらせ、患者Ｐの股の間から送電コイル１１の一部が視認可能な状態に送電コイル１１と患者Ｐとの位置関係を設定する。

本発明の医療用無線給電システムを用いて、上述の工程を含むように無線給電方法を実行すると、送電コイル１１の上に存在する患者Ｐの体組織量を減少させることにより、中継コイルへの伝送効率を向上させることができる。すなわち、人体のわずかな導電率によって生じる過電流損による伝送効率低下を防ぐことができる。
視認可能とする送電コイルの割合は、例えば全体の２０％以上あればよい。また、送電コイルを視認可能に配置する位置は、股の間に限らず、脇の部分等であってもよい。

さらに、本発明の医療用無線給電システムにおける医療機器が備えるエンドエフェクタは、上述した処置部には限定されず、電力が供給されて所定の機能を発揮するものであればよい。例えば、通電して使用する高周波ナイフや、撮像素子や光学系、照明機構等を備えた観察手段であってもよい。

　本発明は、医療用無線給電システムに適用することができる。

　１　医療用無線給電システム
　１１　送電コイル
１１ａ　素線
　１２　電源装置
３０　トロッカ
３１　本体部
３２　中継コイル
５０　医療機器
５１　挿入部
５２　処置部（エンドエフェクタ）
５４　受電コイル
Ｐ　患者
Ｐｔ　ピッチ
ｒ　半径
Ｒ１　素線巻き領域

Claims

　電源装置と接続された送電コイルと、
　前記送電コイルと電磁結合する中継コイルと、筒状の本体部とを有するトロッカと、
先端部にエンドエフェクタが設けられ、前記本体部に挿通される挿入部と、前記中継コイルと電磁結合する受電コイルとを有する医療機器と、
　を備え、
前記中継コイルおよび前記受電コイルの直径は、前記送電コイルの直径よりも小さい、
医療用無線給電システム。
　前記送電コイル、前記中継コイル、および前記受電コイルは、いずれも素線が平面上に巻かれた平面コイルであり、前記素線が巻かれた素線巻き領域が、外縁から半径の６０％の長さの範囲に設定されている、請求項１に記載の医療用無線給電システム。
　前記送電コイル、前記中継コイル、および前記受電コイルは、前記素線巻き領域における前記素線間のピッチが、少なくとも５ミリメートル以上で、かつ前記素線の長手方向に直交する導体部断面形状に内接する円の直径以上に設定されている、請求項１または２に記載の医療用無線給電システム。
　前記医療機器が前記トロッカに挿入された状態において、前記受電コイルと前記中継コイルとが、平行状態に保持される、請求項１に記載の医療用無線給電システム。
　前記本体部および前記挿入部が硬質に構成され、前記中継コイルは前記本体部に固定され、前記受電コイルは前記挿入部に固定されている、請求項４に記載の医療用無線給電システム。
　請求項１に記載の医療用無線給電システムを用いた無線給電方法であって、
　前記送電コイルを設置し、
　前記送電コイル上に患者を横たわらせ、
前記送電コイルの一部が視認可能となるように、前記患者と前記送電コイルとの位置関係を設定する、
無線給電方法。