WO2024085021A1 - 変位検出装置および力覚検出装置 - Google Patents

変位検出装置および力覚検出装置 Download PDF

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WO2024085021A1
WO2024085021A1 PCT/JP2023/036739 JP2023036739W WO2024085021A1 WO 2024085021 A1 WO2024085021 A1 WO 2024085021A1 JP 2023036739 W JP2023036739 W JP 2023036739W WO 2024085021 A1 WO2024085021 A1 WO 2024085021A1
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WO
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treatment
detection device
force
light
end surface
Prior art date
Application number
PCT/JP2023/036739
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
忠雄 松永
修一 森實
賢 植木
相錫 李
篤 武中
Original Assignee
国立大学法人鳥取大学
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B1/00—Instruments for performing medical examinations of the interior of cavities or tubes of the body by visual or photographical inspection, e.g. endoscopes; Illuminating arrangements therefor
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B17/00—Surgical instruments, devices or methods, e.g. tourniquets
    • A61B17/28—Surgical forceps
    • A61B17/29—Forceps for use in minimally invasive surgery

Definitions

  • the present invention relates to a displacement detection device and a force detection device.
  • Patent Document 1 discloses medical forceps and the like as a minimally invasive surgery system.
  • this minimally invasive surgery system is not equipped with a force sensing mechanism, and there is room for improvement in order to perform highly accurate surgical procedures.
  • the present invention was made in consideration of the above problems, and aims to provide a displacement detection device and a force detection device that realize sensing with a simple, thin configuration that suppresses the effects of electromagnetic noise.
  • the first aspect of the present invention is a method for producing a cellular membrane comprising the steps of: a tension member to which tension is applied; a light guide member extending along the extending member and attached to the extending member, the light guide member having a first end surface perpendicular to the extending direction and having a function of guiding light; a reflecting member attached to the extending member, having a second end surface opposite to the first end surface, and having a function of reflecting the light emitted from the first end surface at the second end surface; a displacement calculation unit that optically calculates a change in the distance between the first end face and the second end face before and after the tension is applied by utilizing the interference of light.
  • the displacement (e.g., the amount of extension) of the extension member can be detected from the change in the distance between the first end face and the second end face.
  • light is introduced into the light-guiding member, the light is emitted from the first end face of the light-guiding member, and the light is reflected by the second end face of the reflecting member.
  • the change in the distance between the first end face and the second end face can be calculated by utilizing the principle of Fabry-Perot interferometer.
  • the light-guiding member and the reflecting member are attached to the extension member, and the calculated change in the distance between the first end face and the second end face corresponds to the displacement of the extension member.
  • the displacement of the extension member can be detected with a simple and thin configuration without requiring a complex sensor.
  • an optical detection principle is adopted, the influence of electromagnetic noise can be ignored compared to the use of an electrical sensor, and the device can function normally even in harsh environments such as high temperature or high-intensity radiation.
  • the extension member and the optical sensor can be manufactured using a conventional extension member manufacturing device, multiple displacement detection devices can be produced in a batch without requiring a complex manufacturing process such as assembling electromagnetic sensors individually.
  • the displacement detection device can be widely applied to various devices that require displacement detection. For example, it can be implemented in medical devices such as endoscopes, scalpels, and forceps, and other industrial devices that require displacement detection.
  • the displacement detected by the displacement detection device can be used to detect the tension applied to an extension member, and ultimately the force sense of a device that has a movable mechanism that utilizes that tension.
  • the light-guiding member and the reflecting member may be made of optical fiber.
  • optical fibers are relatively inexpensive, so the displacement detection device can be manufactured at low cost.
  • optical fibers can be made thin, with diameters of several hundred ⁇ m or less, making it easy to realize a small displacement detection device.
  • the first end face and the second end face may be formed from the cut surface formed by cutting a single optical fiber, so that the light-guiding member and the reflective member can be constructed at the same time.
  • the extension member may be a hollow strand,
  • the light-guiding member and the reflecting member may be disposed inside the elongated member.
  • the extension member is a twisted wire made by twisting together multiple stainless steel wires or tungsten wires, etc.
  • the elongated member may be tubular;
  • the light-guiding member and the reflecting member may be disposed inside the elongated member.
  • the extension member may be an extendable tube.
  • the light-guiding member and the reflecting member may be disposed adjacent to the extension member outside the extension member.
  • the above configuration makes it easy to attach the light-guiding member and the reflecting member, and can be realized with a simple configuration.
  • the distance may be greater than zero before the tension is applied.
  • the above configuration makes it possible to detect not only when the distance increases, but also when it decreases. Therefore, it is possible to detect both the amount of expansion and the amount of contraction as the displacement of the extension member. In other words, it is possible to realize displacement detection when the tension applied to the extension member is both positive (pulling) and negative (compressing).
  • the distance Before the tension is applied, the distance may be greater than or equal to 2 ⁇ m and less than or equal to 50 ⁇ m.
  • the above configuration allows the displacement of the extension member to be detected with high accuracy.
  • the lower limit of 2 ⁇ m is based on the wavelength detection range of the spectrometer and the irradiation spectrum of the light source, and the upper limit of 50 ⁇ m is based on the coherence length.
  • a second aspect of the present invention is a method for producing a composition
  • the displacement detection device a treatment section that is mechanically connected to the extension member and applies a treatment force to a target object that is correlated with a change in the distance; an operating unit that is mechanically connected to the treatment unit via the extension member and applies the tension to the extension member to operate the treatment unit; and a force sense calculation unit that calculates the treatment force as a force sense from the change in distance detected by the displacement detection device.
  • the above configuration makes it possible to detect the force sense when the treatment unit is operated by the operating unit, based on the displacement detected by the displacement detection device. For example, if the displacement and tension of the extension member are proportional to each other, and the tension of the extension member and the treatment force of the treatment unit are also proportional to each other, it can be determined that the greater the displacement of the extension member, the greater the treatment force of the treatment unit.
  • the force detection device can be widely implemented in medical devices such as endoscopes, scalpels, and forceps, and other devices that require force detection.
  • the treatment unit and the operation unit may be at least a part of a forceps device, an endoscope, or a catheter
  • the treatment force may include a force sense corresponding to a grip, a bending angle, or a rotation angle.
  • the above configuration makes it possible to realize force sensing corresponding to the gripping, bending angle, or rotation angle, which are important in medical devices such as forceps devices, endoscopes, or catheters.
  • sensing can be achieved in a displacement detection device and a force detection device with a simple configuration that suppresses the effects of electromagnetic noise.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a medical device including a displacement detection device and a force detection device according to an embodiment of the present invention
  • FIG. FIG. FIG. 4 is an enlarged schematic diagram of the displacement detection device and the force detection device of FIG. 3 .
  • FIG. 5 is a schematic configuration diagram showing a modified example of the configuration shown in FIG. 4 .
  • 1 is a graph showing an example of an optical spectrum of reflected light from an optical interferometer.
  • 13 is a graph showing the relationship between the amount of change in the distance between the first end surface and the second end surface and the treatment force of the treatment portion.
  • 13 is another graph showing the relationship between the amount of change in the distance between the first end surface and the second end surface and the treatment force of the treatment portion.
  • FIG. 13 is a perspective view showing an expandable tube as another example of the expansion member.
  • FIG. 5 is a schematic diagram showing another modified example of FIG. 4 .
  • FIG. 1 is a perspective view showing a medical device 1 as an example of a device that requires displacement detection and force detection.
  • the medical device 1 is equipped with a displacement detection device 2 and a force detection device 3 according to one embodiment of the present invention.
  • a displacement detection device 2 and a force detection device 3 according to one embodiment of the present invention.
  • the configuration of the medical device 1 will first be described, and then the configurations of the displacement detection device 2 and the force detection device 3 will be described.
  • the medical device 1 is equipped with a treatment section 10 located at one end in the longitudinal direction for performing medical treatment such as grasping biological tissue, an operation section 20 located at the other end for operating the treatment section 10, and a shaft section 30 connecting the treatment section 10 and the operation section 20.
  • a treatment section 10 located at one end in the longitudinal direction for performing medical treatment such as grasping biological tissue
  • an operation section 20 located at the other end for operating the treatment section 10
  • a shaft section 30 connecting the treatment section 10 and the operation section 20.
  • the side of the longitudinal direction of the medical device 1 where the treatment section 10 is located will be referred to as the tip side
  • the side where the operation section 20 is located will be referred to as the base side.
  • the medical device 1 in this embodiment is a medical forceps device used in laparoscopic surgery, and is equipped with a pair of gripping sections 11 in the treatment section 10.
  • operations in the operating section 20 are transmitted to the treatment section 10 via a wire member 50 (described below), thereby operating the treatment section 10.
  • the medical device 1 is configured to operate by wire drive.
  • the treatment section 10 is configured such that the pair of gripping sections 11 can be opened and closed by wire drive (arrows Z1 and Z2 in the figure). Furthermore, the medical device 1 has a joint section 40 between the treatment section 10 and the shaft section 30, and the entire treatment section 10 is configured such that it can rotate (arrow Z3 in the figure) and bend (arrows Z4 and Z5 in the figure) around the axis O1 relative to the shaft section 30 via the joint section 40 by wire drive. Therefore, the treatment section 10 is configured such that its posture can be changed relative to the shaft section 30 via the joint section 40.
  • FIG. 2 shows an enlarged view of the periphery of the treatment unit 10.
  • the joint unit 40 and the outer tube 31 of the shaft unit 30, which will be described later, are shown in a see-through state.
  • the treatment unit 10 has a pair of gripping units 11, a pivot pin 12 that rotatably supports the pair of gripping units 11, and a support unit 13 that supports the pivot pin 12.
  • the pair of gripping units 11 have a rotating unit 11a that rotates around the pivot pin 12, and gripping claws 11b that extend from the rotating unit 11a toward the tip side.
  • a pulley unit 11c around which the wire member 50 is wound is provided coaxially on the rotating unit 11a.
  • the support portion 13 has a hollow cylindrical main body portion 13a located at the base end and a pair of protrusions 13b protruding from the main body portion 13a toward the tip end.
  • the pivot pin 12 is supported between the pair of protrusions 13b.
  • the treatment section 10 is connected to a plurality of wire members 50.
  • the plurality of wire members 50 are inserted inside the shaft section 30.
  • the plurality of wire members 50 are, for example, twisted wires formed by twisting together a plurality of stainless steel wires or tungsten wires. However, as described below, the plurality of wire members 50 are not limited to twisted wires, and may be any form in which tension is applied.
  • the plurality of wire members 50 include a treatment wire (extension member) 51 that opens and closes the pair of gripping sections 11, and a posture changing wire 52 that changes the posture of the treatment section 10 by rotating and/or bending the entire treatment section 10 around the axis O1 relative to the shaft section 30.
  • the treatment wires 51 are provided in pairs corresponding to each of the pair of gripping parts 11. Each of the pair of treatment wires 51 penetrates the main body part 13a from the base end side to the tip end side, is wound around the pulley part 11c of the corresponding gripping part 11, turns 180 degrees, and penetrates the main body part 13a from the tip end side to the base end side. Therefore, inside the main body part 13a, a pair of first part 51a and second part 51b formed by the reciprocation of the treatment wire 51 are arranged. By pulling the treatment wire 51 towards the base end side, the pulley part 11c rotates around the pivot pin 12, which opens and closes the corresponding gripping claw 11b.
  • the position-changing wires 52 include four wires, each with a tip connected to the base end of the main body 13a.
  • the four position-changing wires 52 are arranged at equal angles (i.e., 90°) around the axis O1 of the shaft 30.
  • the treatment section 10 rotates around the axis O1 relative to the shaft 30 via the joint 40.
  • the treatment section 10 bends relative to the shaft section 30 via the joint section 40 in the direction in which the pulled position-changing wire 52 is located in a cross-sectional view perpendicular to the axial direction.
  • the treatment wire 51 and the position-changing wire 52 pass through the inside of the shaft section 30 and are connected to the operating section 20.
  • the shaft section 30 is configured as a double tube having an outer tube 31 and an inner tube 32 located radially inside the outer tube 31.
  • a pair of treatment wires 51 (four wires taking into account reciprocation) are arranged inside the inner tube 32.
  • Four position-changing wires 52 are arranged inside the outer tube 31 in the space between the outer tube 31 and the inner tube 32.
  • the inner tube 32 is made of a bendable flexible material and extends from the operation unit 20 to the treatment unit 10.
  • the outer tube 31 is made of a rigid material that is not easily bent and extends from the operation unit 20 to a position spaced apart on the proximal side of the treatment unit 10.
  • a joint section 40 is formed between the outer tube 31 and the treatment unit 10. The joint section 40 connects the outer tube 31 and the treatment unit 10, and has a bellows-shaped cover 41 made of a flexible material that covers the treatment wire 51, the position-changing wire 52, and the inner tube 32 from the outside.
  • the joint section 40 is therefore constructed from a cover 41 made of a flexible material, inside which the treatment wire 51, the position changing wire 52, and the inner tube 32, all of which are flexible, are located, making it easy to deform. Therefore, when one or more of the four position changing wires 52 are pulled towards the base end, the outer tube 31, made of a rigid material, does not deform, and the joint section 40 can be deformed. Therefore, the treatment section 10 can be bent relative to the shaft section 30 (outer tube 31) via the joint section 40.
  • Figure 3 is a perspective view of the treatment section 10 and its surroundings, with the support section 13 shown in perspective.
  • the pair of gripping portions 11 includes a first gripping portion 11A with the gripping claws 11b located on the upper side, and a second gripping portion 11B with the gripping claws 11b located on the lower side.
  • One of the pair of treatment wires 51 is a first treatment wire 51A wound around the pulley portion 11c of the first gripping portion 11A, and the other is a second treatment wire 51B wound around the pulley portion 11c of the second gripping portion 11B.
  • the first gripping portion 11A is closed when it rotates counterclockwise around the pivot pin 12 in FIG. 3. Therefore, when the first gripping portion 11A is closed, tension is generated in the first treatment wire 51A such that the second wire portion 51Ab located on the lower side in FIG. 3 is pulled toward the base end, and the first wire portion 51Aa located on the upper side in FIG. 3 is pulled toward the tip end.
  • the second gripping portion 11B is closed when it rotates clockwise in FIG. 3 around the pivot pin 12. Therefore, when the second gripping portion 11B is closed, tension is generated in the second treatment wire 51B such that the first wire portion 51Ba located on the upper side in FIG. 3 is pulled toward the base end, and the second wire portion 51Bb located on the lower side in FIG. 3 is pulled toward the tip end.
  • the correspondence is proportional. That is, the greater the tension applied to the treatment wire 51 by the operation section 20, the stronger the gripping force of the pair of gripping parts 11 can be. Furthermore, the correspondence between the tension applied to the treatment wire 51 and the gripping force of the pair of gripping parts 11 is maintained even if the degree of opening of the pair of gripping parts 11 is the same. That is, even if the pair of gripping parts 11 grip a hard object and the pair of gripping parts 11 do not close any further, the greater the tension applied to the treatment wire 51, the stronger the gripping force of the pair of gripping parts 11 can be.
  • FIG. 4 is a schematic diagram of the displacement detection device 2 and the force detection device 3, showing an enlarged view of part IV in FIG. 3.
  • one of the treatment wires 51 is shown in a transparent state, and the configuration related to the calculation unit 60 is also shown diagrammatically. Note that such a configuration related to the calculation unit 60 is provided for at least one of the treatment wires 51. For example, it may be provided for all (four in this embodiment) treatment wires 51, or it may be provided for only one of the treatment wires 51.
  • the medical device 1 has a displacement detection device 2 and a force detection device 3, the details of which will be described later.
  • the displacement detection device 2 and the force detection device 3 each include a calculation unit 60, which is composed of a well-known computer equipped with a storage unit such as a hard disk, an arithmetic processing unit (CPU), memory, and an input/output device, and software implemented on the computer.
  • a calculation unit 60 which is composed of a well-known computer equipped with a storage unit such as a hard disk, an arithmetic processing unit (CPU), memory, and an input/output device, and software implemented on the computer.
  • the calculation unit 60 has, as its functional configuration, a displacement calculation unit 61 that calculates the displacement (amount of expansion and contraction) of the treatment wire 51, and a force sense calculation unit 62 that calculates the treatment force in the treatment unit 10 as a force sense. These are realized by the cooperation of the above hardware and software. In addition, these may each be interpreted as a corresponding circuit.
  • the displacement detection device 2 is a device that detects the displacement of the treatment wire 51.
  • the displacement detection device 2 includes the treatment wire 51, a light guide member 70, a reflecting member 80, and a displacement calculation unit 61.
  • the treatment wire 51 is a hollow stranded wire, and the light-guiding member 70 and the reflecting member 80 are disposed inside the treatment wire 51. In other words, the light-guiding member 70 and the reflecting member 80 are covered by the treatment wire 51.
  • the arrangement of the light-guiding member 70 and the reflecting member 80 is not limited to the inside of the treatment wire 51.
  • the light-guiding member 70 and the reflecting member 80 may be disposed adjacent to each other outside the treatment wire 51 (see FIG. 5). In this case, the light-guiding member 70 and the reflecting member 80 may be adhered to the treatment wire 51 with an adhesive 90 and fixed to the treatment wire 51. This makes it easy to attach the light-guiding member 70 and the reflecting member 80, and can be achieved with a simple configuration.
  • the light-guiding member 70 extends along the treatment wire 51 and is attached (i.e., joined) to the treatment wire 51.
  • Various joining methods can be used to join the light-guiding member 70 to the treatment wire 51, such as locking, crimping, welding, or joining with an adhesive.
  • the light-guiding member 70 has a first end surface 71 perpendicular to the extension direction, and has the function of guiding light.
  • the first end surface 71 is a flat surface known as an optical flat, which has a flatness sufficient to achieve the optical interference described below.
  • the light-guiding member 70 is an optical fiber.
  • the diameter of the treatment wire 51 is 500 ⁇ m
  • the diameter of the light-guiding member 70 is 140 ⁇ m.
  • the core diameter of the light-guiding member 70 is 50 ⁇ m
  • the cladding diameter is 125 ⁇ m
  • the diameter of the polyimide coating material is 140 ⁇ m.
  • the light-guiding member 70 is not limited to an optical fiber, and may be any member that has the function of guiding light. It is preferable that the light-guiding member 70 has a small diameter of several hundred ⁇ m or less so that it can be mounted on a small medical device 1.
  • the reflecting member 80 extends along the treatment wire 51 and is attached (i.e., joined) to the treatment wire 51.
  • Various joining methods can be used to join the reflecting member 80 to the treatment wire 51, such as locking, crimping, welding, or joining with an adhesive.
  • the reflecting member 80 has a second end face 81 opposite the first end face 71, and has the function of reflecting light emitted from the first end face 71 at the second end face 81.
  • the second end face 81 is also a flat surface, known as an optical flat, that has a flatness sufficient to realize optical interference, which will be described later.
  • the first end face 71 and the second end face 81 are both flat surfaces with a high degree of flatness and are arranged parallel to each other.
  • the reflective member 80 is also an optical fiber, just like the light-guiding member 70.
  • the reflective member 80 is not limited to an optical fiber, and may be any member that has the function of reflecting light.
  • the reflective member 80 may be a reflector such as a glass plate or a mirror plate.
  • the light-guiding member 70 and the reflecting member 80 are arranged so as to leave a gap of distance d between the first end face 71 and the second end face 81 in the state (natural state) before tension is applied to the treatment wire 51. That is, in the natural state, the distance d is greater than zero.
  • the distance d is 2 ⁇ m or more and 50 ⁇ m or less.
  • the lower limit of 2 ⁇ m is a value based on the wavelength detection range of the spectroscope and the irradiation spectrum of the light source
  • the upper limit of 50 ⁇ m is a value based on the coherence length.
  • the distance d may be set to zero in the natural state as necessary.
  • the state before tension is applied refers to the state before the tension to be measured is applied, and includes not only a state where no tension is applied at all but also a state where tension not to be measured is applied in advance.
  • a light source 68 and a spectroscope 69 are connected to the base end of the light-guiding member 70 via a coupler 67.
  • the light source 68 supplies white light to the base end of the light-guiding member 70.
  • the light introduced from the light source 68 to the light-guiding member 70 is guided through the light-guiding member 70, emitted from the first end face 71, reflected by the second end face 81, and guided again through the light-guiding member 70 to reach the spectroscope 69.
  • the spectroscope 69 analyzes the light and creates an optical spectrum, for example, as shown in FIG. 6.
  • the displacement calculation unit 61 optically calculates the change in the distance d between the first end face 71 and the second end face 81 before and after the application of tension to the treatment wire 51 by using optical interference. This calculation is realized on the order of a few nm.
  • the treatment wire 51 expands and contracts due to tension, whereas the light-guiding member 70 does not expand or contract because it is an optical fiber made of glass. Therefore, the distance d increases or decreases in conjunction with the expansion and contraction of the treatment wire 51, so the amount of change (displacement) in the distance d corresponds to the displacement (amount of expansion and contraction) of the treatment wire 51.
  • the optical calculation of the distance d by the displacement calculation unit 61 will be specifically described.
  • the principle of the Fabry-Perot interferometer is utilized.
  • the Fabry-Perot interferometer utilizes the fact that interference fringes are observed at a specific wavelength according to the distance d by the light emitted from the first end face 71 and the light reflected by the second end face 81.
  • the distance d can be calculated from the specific wavelength as follows.
  • the distance d is calculated by utilizing the fact that an integer multiple of the wavelength of a peak in the spectrum of light reflected by the second end face 81 is equal to the optical path difference 2nd between the first end face 71 and the second end face 81. For example, as shown in an example of the spectrum of light reflected by the second end face 81 in FIG. 6, when the wavelengths of adjacent peaks are ⁇ 0 and ⁇ 1 , the following formulas (1) and (2) are established.
  • n Refractive index (considered to be approximately 1 in air)
  • m any integer
  • equation (3) is obtained. Therefore, the displacement calculation unit 61 calculates the distance d based on equation (3).
  • the change amount ⁇ d in the distance d is obtained as the difference. Since the change amount ⁇ d corresponds to the displacement of the treatment wire 51 as described above, the displacement of the treatment wire 51 can be detected by the displacement detection device 2.
  • the force detection device 3 is a device that detects the treatment force acting on the treatment section 10 during treatment as a force sensation.
  • the force detection device 3 includes a displacement detection device 2, the treatment section 10, an operation section 20, and a force sensation calculation section 62.
  • the force sense calculation unit 62 calculates the treatment force (gripping force in this embodiment) acting on the treatment section 10 during treatment based on the change amount ⁇ d as a force sense.
  • Figure 7 is a graph showing an example of the relationship between the change ⁇ d and the treatment force F when the grasping object is grasped by the grasping unit 11.
  • the vertical axis shows the change ⁇ d [nm]
  • the horizontal axis shows the treatment force F [N].
  • the change ⁇ d is calculated by the displacement detection device 2 of the above embodiment
  • the treatment force F is an experimental measurement of the gripping force by temporarily attaching a pressure sensor to the treatment unit 10.
  • the graph shows the relationship between the change ⁇ d and the treatment force F when the tension applied to the treatment wire 51 by the operation unit 20 is gradually increased.
  • the change amount ⁇ d and the treatment force F are roughly proportional. Therefore, it was confirmed that by detecting the change amount ⁇ d, it is possible to detect the treatment force F as a force sensation.
  • Figure 8 is a graph showing essentially the same content as Figure 7, but confirms the feasibility at a higher level, specifically the result of application to an actual minimally invasive surgical support robot, "da Vinci Xi.”
  • the minimally invasive surgical support robot, "da Vinci Xi” has a structure similar to the medical forceps device described in this embodiment.
  • the vertical axis indicates the amount of change ⁇ d [ ⁇ m]
  • the horizontal axis indicates the treatment force F [N].
  • the amount of change ⁇ d is calculated by the displacement detection device 2 of the above embodiment, and the treatment force F is experimentally measured by temporarily attaching a pressure sensor to the treatment unit 10 to measure the gripping force.
  • the graph shows the relationship between the amount of change ⁇ d and the treatment force F when the tension applied to the treatment wire 51 by the operation unit 20 is gradually increased.
  • the amount of change ⁇ d and the treatment force F are roughly proportional. Therefore, it was confirmed that the treatment force F can be detected as a force sensation by detecting the amount of change ⁇ d even in an actual device.
  • the displacement (elongation amount, etc.) of the treatment wire 51 can be detected from the change (change amount ⁇ d) in the distance d between the first end face 71 and the second end face 81.
  • change amount ⁇ d change in the distance d between the first end face 71 and the second end face 81.
  • light is introduced into the light-guiding member 70, the light is emitted from the first end face 71 of the light-guiding member 70, and the light is reflected by the second end face 81 of the reflecting member 80.
  • light interference occurs, so the change in the distance d between the first end face 71 and the second end face 81 can be calculated by utilizing the principle of Fabry-Perot interferometer.
  • the light-guiding member 70 and the reflecting member 80 are attached to the treatment wire 51, and the calculated change in the distance d between the first end face 71 and the second end face 81 corresponds to the displacement of the treatment wire 51.
  • the displacement of the treatment wire 51 can be detected with a simple and small (e.g., thin) configuration without requiring a complex sensor.
  • an optical detection principle is adopted, it is not affected by electromagnetic noise compared to the use of an electrical sensor, and can function normally even in harsh environments such as high temperature or high-intensity radiation.
  • the displacement detection device 2 can be manufactured using conventional elongated member manufacturing equipment, so multiple displacement detection devices 2 can be produced in bulk without the need for complex manufacturing processes such as assembling individual electromagnetic sensors.
  • the displacement detection device 2 can be manufactured at low cost because optical fiber is relatively inexpensive. Furthermore, optical fiber can be made thin, with a diameter of several hundred ⁇ m or less, making it easy to realize a small displacement detection device 2.
  • the first end face 71 and the second end face 81 may be formed by a cut surface formed by cutting a single optical fiber, thereby allowing the light-guiding member 70 and the reflecting member 80 to be constructed simultaneously.
  • the light-guiding member 70 and the reflecting member 80 are disposed inside the treatment wire 51, the light-guiding member 70 and the reflecting member 80 can be protected by the treatment wire 51.
  • the distance d is set to be greater than zero in the natural state, it is possible to detect not only when the distance d increases but also when it decreases. Therefore, it is possible to detect both the amount of extension and the amount of contraction as the displacement of the treatment wire 51. In other words, it is possible to realize displacement detection when the tension applied to the treatment wire 51 is both positive (pulling) and negative (compressing).
  • the displacement of the treatment wire 51 can be detected with high accuracy.
  • the force sense when the treatment unit 10 is operated by the operation unit 20 can be detected.
  • there is a proportional relationship between the displacement and tension of the treatment wire 51 and there is also a proportional relationship between the tension of the treatment wire 51 and the treatment force F of the treatment unit 10. Therefore, force sense detection can be realized in which the greater the displacement of the treatment wire 51, the greater the treatment force F of the treatment unit 10.
  • a treatment wire 51 was used as the extension member, but a position-changing wire 52 may also be used as the extension member. In this way, any thin, long member may be suitably used as the extension member.
  • the form of the extension member is not limited to a twisted wire.
  • the extension member may be a tubular, extendable tube 53 as shown in FIG. 9.
  • the stretchable tube 53 is cylindrical and has multiple slits 53a at both ends in the longitudinal direction.
  • the stretchable tube 53 has elasticity due to the multiple slits 53a, and a desired elastic coefficient can be obtained by adjusting the size and spacing of the multiple slits 53a.
  • the light-guiding member 70 and the reflecting member 80 are disposed inside the stretchable tube 53 and joined to the stretchable tube 53, and are configured such that the distance d between the first end surface 71 and the second end surface 81 increases and decreases in response to the expansion and contraction of the stretchable tube 53.
  • the light-guiding member 70 and the reflecting member 80 may be inserted and removed from the inside and outside of the stretchable tube 53 through the multiple slits 53a.
  • a filler 91 may be filled so as to cover the gap of distance d between the first end face 71 and the second end face 81.
  • the filler 91 can prevent water or dirt from entering and adhering between the first end face 71 and the second end face 81 when cleaning the medical device 1.
  • the filler 91 is a material that does not easily absorb visible light used in the optical detection principle described above, is sufficiently soft compared to the spring constant of the treatment wire 51, and has water resistance.
  • the filler 91 can be polydimethylsiloxane (PDMS).
  • the displacement detection device 2 may also be configured to detect the displacement of each of the multiple treatment wires 51.
  • the displacement of the treatment wire 51 can change due to various influences, such as the treatment force, environmental factors including temperature and humidity, and bending due to external forces. Therefore, by detecting the displacements of the multiple treatment wires 51 and taking the difference, it is possible to eliminate these influences and confirm only the influence due to the treatment force.
  • a forceps device has been described as an example of the medical device 1, but this is not limiting.
  • various configurations may be adopted as the treatment unit 10.
  • the displacement detection device 2 and the force detection device 3 may be applied to medical devices such as endoscopes and ablation catheters that enable the quantification of force corresponding to bending angles and rotation angles using the wire traction principle.
  • the application of the displacement detection device 2 and the force detection device 3 is not limited to medical devices, but may be any equipment that requires displacement detection or force detection, such as the brake wires of an automobile or a robot arm in a nuclear reactor.

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Abstract

変位検出装置２は、張力が付加される処置ワイヤ５１と、処置ワイヤ５１に沿って延びるとともに処置ワイヤ５１に取り付けられ、延伸方向に垂直な第１端面７１を有し、光を誘導する機能を有する導光部材７０と、処置ワイヤ５１に取り付けられ、第１端面７１と対向する第２端面８１を有し、第１端面７１から出射された光を第２端面８１にて反射する機能を有する反射部材８０と、張力の付加前後における第１端面７１と第２端面８１との間の距離ｄの変化を光の干渉を利用して光学的に算出する変位算出部６１とを備える。

Description

変位検出装置および力覚検出装置
　本発明は、変位検出装置および力覚検出装置に関する。
　腹腔鏡下手術などで利用される医療装置において、その装置で触れる臓器の硬さ情報などの力覚情報を医師にフィードバックする機能が望まれている。特に、ロボットアームに設けた内視鏡、メス、または鉗子などを用いて外科医の操作により手術を行うロボット外科手術では、例えば生体内の組織等を把持する鉗子を、視覚情報に頼って操作することが強いられており、手応え等の感触すなわち力覚のセンシングが望まれている。
　特許文献１には、低侵襲手術システムとして医療用の鉗子等が開示されている。しかし、当該低侵襲手術システムには、力覚のセンシング機構が搭載されておらず、高精度の外科的処置を行うためには改善の余地がある。
特許第４３２４５１１号公報
　特許文献１の低侵襲手術システムを腹腔鏡手術または内視鏡手術等に高精度に使用するためには、他の電子機器からの電磁ノイズの影響を抑制する必要がある。従って、力覚のセンシングのために圧力センサや変位センサといった種々の電気式センサを単純に搭載すると、システムが拡大化、かつ複雑化するだけでなく、これらのセンサが電磁ノイズの影響を受けるおそれがある。よって、当該低侵襲手術システムまたは類似の他のセンシングを要する機器において、簡易かつ電磁ノイズの影響を抑制した構成によって各種センシングを実現する装置が求められる。
　本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、簡易で細径かつ電磁ノイズの影響を抑制した構成によってセンシングを実現する変位検出装置および力覚検出装置を提供することを課題とする。
　本発明の第１の態様は、
　張力が付加される延伸部材と、
　前記延伸部材に沿って延びるとともに前記延伸部材に取り付けられ、延伸方向に垂直な第１端面を有し、光を誘導する機能を有する導光部材と、
　前記延伸部材に取り付けられ、前記第１端面と対向する第２端面を有し、前記第１端面から出射された前記光を前記第２端面にて反射する機能を有する反射部材と、
　前記張力の付加前後における前記第１端面と前記第２端面との間の距離の変化を前記光の干渉を利用して光学的に算出する変位算出部と
　を備える、変位検出装置を提供する。
　上記構成によれば、第１端面と第２端面との間の距離の変化から延伸部材の変位（伸び量等）を検出できる。具体的には、導光部材に光を導入し、導光部材の第１端面から当該光を出射し、反射部材の第２端面で当該光を反射する。このとき、光の干渉が生じるため、ファブリ・ペロー干渉計の原理を利用することにより第１端面と第２端面との間の距離の変化を算出できる。導光部材と反射部材は延伸部材に取り付けられており、算出される第１端面と第２端面との間の距離の変化は延伸部材の変位に対応する。このようにして、複雑なセンサを要することなく簡易かつ細径の構成で延伸部材の変位を検出できる。また、光学的な検出原理を採用しているため、電気的なセンサを使用する場合に比べて電磁ノイズの影響を無視できるとともに高温または高強度放射線等の過酷な環境においても正常に機能させることができる。また、延伸部材と光学センサは、従来の延伸部材製造装置を利用して作製できるため、個別に電磁センサを組み付けるなどの複雑な製造工程を要せず、複数の変位検出装置を一括的に生産できる。なお、変位検出装置は、変位検出を要する様々な機器に広く適用できる。例えば、内視鏡、メス、または鉗子等の医療装置やその他の変位検出を要する産業機器に実装できる。応用として、変位検出装置によって検出した変位を利用して延伸部材にかかる張力を検出することもでき、ひいては当該張力を利用した可動機構を有する機器の力覚を検出することもできる。
　前記導光部材および前記反射部材は、光ファイバからなってもよい。
　上記構成によれば、光ファイバは比較的安価であるため、変位検出装置を低コストで製造できる。また、光ファイバは直径数百μｍ程度以下の細径とすることができ、小型の変位検出装置を容易に実現できる。実際の製造では、１本の光ファイバを切断して形成された切断面によって第１端面および第２端面を形成してもよく、これにより導光部材と反射部材を同時に構成できる。
　前記延伸部材は、中空の撚り線状であってもよく、
　前記導光部材および前記反射部材は、前記延伸部材の内部に配置されてもよい。
　上記構成によれば、導光部材および反射部材を延伸部材によって保護できる。例えば、延伸部材は、ステンレス鋼ワイヤまたはタングステンワイヤ等を複数本撚り合わせた撚り線である。
　前記延伸部材は、管状であってもよく、
　前記導光部材および前記反射部材は、前記延伸部材の内部に配置されてもよい。
　上記構成によれば、導光部材および反射部材を延伸部材によって保護できる。例えば、延伸部材は、延伸可能なチューブを用いてもよい。
　前記導光部材および前記反射部材は、前記延伸部材の外部において前記延伸部材に隣接して配置されていてもよい。
　上記構成によれば、導光部材および反射部材の取り付けが容易であり、簡易な構成で実現できる。
　前記張力の付加前において、前記距離はゼロより大きくてもよい。
　上記構成によれば、上記距離が広がる場合だけでなく縮まる場合も検出できる。従って、延伸部材の変位として伸び量および縮み量の両方を検出できる。即ち、延伸部材に付加される張力がプラス（引っ張り）とマイナス（圧縮）の両方の場合において、変位検出を実現できる。
　前記張力の付加前において、前記距離は２μｍ以上かつ５０μｍ以下であってもよい。
　上記構成によれば、延伸部材の変位を高精度に検出できる。下限値２μｍは分光器の波長検出範囲と光源の照射スペクトルに基づく値であり、上限値５０μｍは可干渉距離に基づく値である。
　本発明の第２の態様は、
　前記変位検出装置と、
　前記延伸部材と機械的に連結され、前記距離の変化と相関のある処置力を対象物に対して付加する処置部と、
　前記処置部と前記延伸部材を介して機械的に連結され、前記延伸部材に前記張力を付加して前記処置部を操作する操作部と、
　前記変位検出装置によって検出された前記距離の変化から前記処置力を力覚として算出する力覚算出部と
　を備える、力覚検出装置を提供する。
　上記構成によれば、変位検出装置によって検出した変位に基づいて、操作部で処置部を操作した際の力覚を検出できる。例えば、延伸部材の変位と張力が比例関係にあり、延伸部材の張力と処置部の処置力も比例関係にある場合、延伸部材の変位が大きいほど処置部の処置力が大きいと判断できる。なお、力覚検出装置は、内視鏡、メス、または鉗子等の医療装置やその他の力覚検出を要する機器に広く実装され得る。
　前記力覚検出装置は、前記処置部および前記操作部は、鉗子装置、内視鏡、またはカテーテルの少なくとも一部であってもよく、
　前記処置力は、把持、屈曲角度、または回転角度に対応した力覚を含んでもよい。
　上記構成によれば、鉗子装置、内視鏡、またはカテーテルなどの医療装置において重要となる把持、屈曲角度、または回転角度に対応した力覚のセンシングを実現できる。
　本発明によれば、変位検出装置および力覚検出装置において、簡易かつ電磁ノイズの影響を抑制した構成によってセンシングを実現できる。
本発明の一実施形態に係る変位検出装置および力覚検出装置を備える医療装置を示す斜視図。 処置部の周辺を示す斜視図。 処置部の一部を透過して示す斜視図。 図３のIＶ部を拡大して示す変位検出装置および力覚検出装置の概略構成図。 図４の変形例を示す概略構成図。 光干渉計からの反射光の光スペクトルの一例を示すグラフ。 第１端面と第２端面の距離の変化量と処置部の処置力の関係を示すグラフ。 第１端面と第２端面の距離の変化量と処置部の処置力の関係を示す他のグラフ。 延伸部材の他の例として延伸可能なチューブを示す斜視図。 図４の他の変形例を示す概略構成図。
　以下、本発明に係る実施形態を添付図面に従って説明する。なお、以下の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物、あるいは、その用途を制限することを意図するものではない。また図面は模式的なものであり、各寸法の比率等は現実のものとは相違している。
　図１は、変位検出および力覚検出を要する装置の一例として医療装置１を示す斜視図である。医療装置１は、本発明の一実施形態に係る変位検出装置２および力覚検出装置３を備えている。以下では、まず医療装置１の構成について説明し、次いで変位検出装置２および力覚検出装置３の構成について説明する。
　図１に示されるように、医療装置１は、長手方向の一端部に位置しており生体組織の把持等の医療処置をするための処置部１０と、他端部に位置しており処置部１０を操作する操作部２０と、処置部１０と操作部２０とを連結するシャフト部３０とを備えている。以降の説明では、医療装置１の長手方向に関して、処置部１０が位置する方を先端側と称し、操作部２０が位置する方を基端側と称する。
　本実施形態における医療装置１は、腹腔鏡下手術で使用される医療用の鉗子装置であり、処置部１０に一対の把持部１１を備えている。医療装置１は、操作部２０における操作が後述するワイヤ部材５０を介して処置部１０に伝達され、これによって処置部１０が動作する。即ち、医療装置１は、ワイヤ駆動によって動作するように構成されている。
　具体的には、処置部１０は、ワイヤ駆動によって一対の把持部１１が開閉可能に構成されている（図中矢印Ｚ１，Ｚ２）。さらに、医療装置１は、処置部１０とシャフト部３０との間に関節部４０を備えており、ワイヤ駆動によって、処置部１０全体が、関節部４０を介して、シャフト部３０に対してこの軸心Ｏ１周りに回転可能（図中矢印Ｚ３）、且つ、屈曲可能（図中矢印Ｚ４，Ｚ５）に構成されている。従って、処置部１０は、関節部４０を介して、シャフト部３０に対して姿勢が変更可能に構成されている。
　図２は、処置部１０の周辺を拡大して示している。図２において、関節部４０と、後述するシャフト部３０の外筒３１とが透過した状態で示されている。図２に示されるように、処置部１０は、一対の把持部１１と、一対の把持部１１を回動可能に支持する枢支ピン１２と、枢支ピン１２を支持する支持部１３とを有している。一対の把持部１１は、枢支ピン１２周りに回動する回動部１１ａと、回動部１１ａから先端側に延びる把持爪１１ｂとを有している。回動部１１ａには、ワイヤ部材５０が巻き掛けられるプーリー部１１ｃが同軸上に設けられている。
　支持部１３は、基端側に位置する中空円柱状の本体部１３ａと、本体部１３ａから先端側に突出する一対の突出部１３ｂとを有している。一対の突出部１３ｂの間に枢支ピン１２が支持されている。
　処置部１０には、複数のワイヤ部材５０が接続されている。複数のワイヤ部材５０は、シャフト部３０の内側を挿通されている。複数のワイヤ部材５０は、例えばステンレス鋼ワイヤまたはタングステンワイヤ等を複数本撚り合わせた撚り線である。ただし、後述するように、複数のワイヤ部材５０は、撚り線に限定されず、張力が付加される任意の態様であり得る。複数のワイヤ部材５０は、一対の把持部１１を開閉させる処置ワイヤ（延伸部材）５１と、処置部１０全体をシャフト部３０に対して軸心Ｏ１廻りに回転させて、および／または屈曲させて、処置部１０の姿勢を変化させる姿勢変更ワイヤ５２とを含んでいる。
　処置ワイヤ５１は、一対の把持部１１それぞれに対応して一対に設けられている。一対の処置ワイヤ５１はそれぞれ、本体部１３ａを基端側から先端側に貫通しており、対応する把持部１１のプーリー部１１ｃに巻き掛けられて１８０°向きを変え、本体部１３ａを先端側から基端側に貫通している。従って、本体部１３ａの内側には、処置ワイヤ５１の往復により構成される第１部分５１ａおよび第２部分５１ｂが一対に配策されている。処置ワイヤ５１を基端側へ引っ張ることによりプーリー部１１ｃが枢支ピン１２周りを回動し、これによって、対応する把持爪１１ｂが開閉する。
　姿勢変更ワイヤ５２は、４本のワイヤを含み、それぞれの先端部が本体部１３ａの基端部に接続されている。４本の姿勢変更ワイヤ５２は、シャフト部３０の軸心Ｏ１廻りに等角度（すなわち９０°）ごとに設けられている。４本の姿勢変更ワイヤ５２を全て、シャフト部３０の軸心Ｏ１廻りに回転させることによって、処置部１０は、シャフト部３０に対して、関節部４０を介して、軸心Ｏ１周りに回転する。
　また、４本の姿勢変更ワイヤ５２の１つまたは複数を引っ張ることによって、処置部１０は、シャフト部３０に対して、関節部４０を介して、軸方向に垂直な断面視において引っ張られた姿勢変更ワイヤ５２が位置する方向に屈曲する。
　処置ワイヤ５１および姿勢変更ワイヤ５２は、シャフト部３０の内側を通って、操作部２０に接続されている。シャフト部３０は、外筒３１と、この径方向内側に位置する内筒３２とを有する二重管に構成されている。内筒３２の内側には、一対の処置ワイヤ５１（往復を考慮して４本のワイヤ）が配策されている。外筒３１の内側には、内筒３２との間の空間に、４本の姿勢変更ワイヤ５２が配策されている。
　内筒３２は、屈曲可能な可撓性材料により構成されており、操作部２０から処置部１０まで延びている。外筒３１は、屈曲しにくい剛性材料により構成されており、操作部２０から処置部１０に対して基端側に間隔を空けた位置まで延びている。外筒３１と処置部１０との間に関節部４０が構成されている。関節部４０は、外筒３１と処置部１０との間を接続しており、処置ワイヤ５１、姿勢変更ワイヤ５２および内筒３２を外周から覆う、可撓性材料からなる蛇腹状のカバー４１を有している。
　従って、関節部４０は、可撓性材料からなるカバー４１から構成され、この内側には、いずれも可撓性を有する処置ワイヤ５１、姿勢変更ワイヤ５２、および内筒３２が位置しているので、変形させやすい。よって、４本の姿勢変更ワイヤ５２の１つまたは複数を基端側へ引っ張ったときに、剛性材料からなる外筒３１は変形せず、関節部４０を変形させることができる。よって、シャフト部３０（外筒３１）に対して、処置部１０を、関節部４０を介して、屈曲させることができる。
　図３は、処置部１０の周辺の斜視図であり、支持部１３が透過して示されている。
　図３を併せて参照して、一対の把持部１１は、把持爪１１ｂが上側に位置する第１把持部１１Ａと、把持爪１１ｂが下側に位置する第２把持部１１Ｂとを含む。一対の処置ワイヤ５１の一方は、第１把持部１１Ａのプーリー部１１ｃに巻き掛けられた第１処置ワイヤ５１Ａであり、他方は第２把持部１１Ｂのプーリー部１１ｃに巻き掛けられた第２処置ワイヤ５１Ｂである。
　第１把持部１１Ａは、枢支ピン１２周りに図３において反時計回りに回動するときに閉じられる。従って、第１把持部１１Ａを閉じるとき、第１処置ワイヤ５１Ａでは、図３において下側に位置する第２ワイヤ部分５１Ａｂが基端側に引っ張られ、図３において上側に位置する第１ワイヤ部分５１Ａａが先端側に引っ張られるように張力が発生する。
　第２把持部１１Ｂは、枢支ピン１２周りに図３において時計回りに回動するときに閉じられる。従って、第２把持部１１Ｂを閉じるとき、第２処置ワイヤ５１Ｂでは、図３において上側に位置する第１ワイヤ部分５１Ｂａが基端側に引っ張られ、図３において下側に位置する第２ワイヤ部分５１Ｂｂが先端側に引っ張られるように張力が発生する。
　処置ワイヤ５１に付加される張力と一対の把持部１１の把持力（処置部１０の処置力）との間には対応関係がある。本実施形態では、当該対応関係は比例関係となっている。即ち、操作部２０によって処置ワイヤ５１に大きな張力を付加するほど一対の把持部１１の把持力を強めることができる。さらに言えば、処置ワイヤ５１に付加される張力と一対の把持部１１の把持力との対応関係は、一対の把持部１１の開き具合が同じであっても維持される。即ち、一対の把持部１１で硬い対象物を把持し、一対の把持部１１がそれ以上閉じない状態であっても処置ワイヤ５１に付加される張力を大きくするほど一対の把持部１１の把持力が強めることができる。
　図４は、図３のIＶ部を拡大して示す変位検出装置２および力覚検出装置３の概略構成図である。図４では、処置ワイヤ５１のうち１本が透過した状態で示されるとともに算出部６０に関連する構成についても模式的に示されている。なお、このような算出部６０に関連する構成は、少なくとも１本の処置ワイヤ５１に対して設けられる。例えば、全て（本実施形態では４本）の処置ワイヤ５１に対して設けられてもよいし、いずれかの処置ワイヤ５１のみに設けられてもよい。
　図４を併せて参照して、医療装置１は、詳細を後述する変位検出装置２および力覚検出装置３を有している。変位検出装置２および力覚検出装置３は算出部６０を含んでおり、算出部６０はハードディスク等の記憶部、演算処理部（ＣＰＵ）、メモリ、および入出力装置を備えた周知のコンピュータと、コンピュータに実装されたソフトウエアとにより構成されている。
　算出部６０は、機能的構成として、処置ワイヤ５１の変位（伸縮量）を算出する変位算出部６１と、処置部１０における処置力を力覚として算出する力覚算出部６２とを有している。これらは、上記ハードウェアおよびソフトウエアの協働により実現される。また、これらは、それぞれ対応する回路（circuitry）と読み替えられてもよい。
　変位検出装置２は、処置ワイヤ５１の変位を検出する装置である。変位検出装置２は、処置ワイヤ５１と、導光部材７０と、反射部材８０と、変位算出部６１とを備えている。
　処置ワイヤ５１は中空の撚り線状であり、導光部材７０および反射部材８０は処置ワイヤ５１の内部に配置されている。換言すれば、導光部材７０および反射部材８０は、処置ワイヤ５１によって被覆されている。ただし、導光部材７０および反射部材８０の配置は、処置ワイヤ５１の内部に限定されない。例えば、導光部材７０および反射部材８０は、処置ワイヤ５１の外部で隣接して配置されてもよい（図５参照）。この場合、導光部材７０および反射部材８０は処置ワイヤ５１に対して接着剤９０で接着され、処置ワイヤ５１に対して固定されてもよい。これにより、導光部材７０および反射部材８０の取り付けが容易となり、簡易な構成で実現できる。
　導光部材７０は、処置ワイヤ５１に沿って延びるとともに処置ワイヤ５１に取り付けられ（即ち接合され）ている。導光部材７０と処置ワイヤ５１の接合には、係止、カシメ、溶接、または接着剤による接合等、種々の接合方法を採用することができる。導光部材７０は、延伸方向に垂直な第１端面７１を有し、光を誘導する機能を有している。第１端面７１は、後述する光干渉を実現できるほどの平坦度を有するいわゆる光学フラットと称される平坦面である。
　本実施形態では、導光部材７０は、光ファイバである。例えば、処置ワイヤ５１の直径は５００μｍであり、導光部材７０の直径は１４０μｍである。詳細には、導光部材７０のコア径は５０μｍであり、クラッド径は１２５μｍであり、被覆材としてのポリイミドの直径が１４０μｍである。なお、導光部材７０は、光ファイバに限定されず、光を誘導する機能を有する任意の部材であり得る。導光部材７０は、小型の医療装置１に搭載できるように、直径数百μｍ以下の細径の形状を有することが好ましい。
　反射部材８０は、導光部材７０と同様に、処置ワイヤ５１に沿って延びるとともに処置ワイヤ５１に取り付けられ（即ち接合され）ている。反射部材８０と処置ワイヤ５１の接合にも、係止、カシメ、溶接、または接着剤による接合等、種々の接合方法を採用することができる。反射部材８０は、第１端面７１と対向する第２端面８１を有し、第１端面７１から出射された光を第２端面８１にて反射する機能を有している。第２端面８１もまた、後述する光干渉を実現できるほどの平坦度を有するいわゆる光学フラットと称される平坦面である。即ち、第１端面７１および第２端面８１は、ともに高精度の平坦度を有する平坦面で互いに平行に配置されている。
　本実施形態では、反射部材８０も導光部材７０と同じ光ファイバである。なお、反射部材８０は、光ファイバに限定されず、光を反射する機能を有する任意の部材であり得る。例えば、反射部材８０は、ガラス板または鏡板等の反射体であってもよい。
　導光部材７０および反射部材８０は、処置ワイヤ５１に張力が付加される前の状態（自然状態）において第１端面７１と第２端面８１との間に距離ｄの隙間を空けるように配置されている。即ち、自然状態において、距離ｄはゼロより大きい。好ましくは、自然状態において、距離ｄは２μｍ以上かつ５０μｍ以下である。ここで、下限値２μｍは分光器の波長検出範囲と光源の照射スペクトルに基づく値であり、上限値５０μｍは可干渉距離に基づく値である。ただし、距離ｄは、自然状態において必要に応じてゼロとされてもよい。なお、張力が付加される前の状態（自然状態）とは、測定対象となる張力が付加される前の状態のことをいい、完全に張力が働いていない状態だけでなく測定対象外の張力が事前に付加されている状態を含む。
　導光部材７０の基端部にはカプラー６７を介して光源６８および分光器６９が接続されている。光源６８は白色光を導光部材７０の基端部に供給する。光源６８から導光部材７０に導入された光は、導光部材７０内を誘導され、第１端面７１から出射され、第２端面８１にて反射され、再び導光部材７０内を誘導され、分光器６９に至る。分光器６９は、当該光を分析して、例えば図６に示すような光スペクトルを作成する。
　変位算出部６１は、処置ワイヤ５１に対する張力の付加前後における第１端面７１と第２端面８１との間の距離ｄの変化を光の干渉を利用して光学的に算出する。当該算出は数ｎｍのオーダーで実現される。処置ワイヤ５１は張力で伸縮するのに対し、導光部材７０はガラス製の光ファイバであるため伸縮しない。従って、処置ワイヤ５１の伸縮に連動して距離ｄが増減するため、距離ｄの変化量（変位）が処置ワイヤ５１の変位（伸縮量）に対応することとなる。
　変位算出部６１による距離ｄの光学的な算出について具体的に説明する。本実施形態では、ファブリ・ペロー干渉計の原理を利用する。ファブリ・ペロー干渉計は、第１端面７１から出射された光と第２端面８１で反射された光とによって距離ｄに応じた特定の波長において干渉縞が観測されることを利用したものである。ファブリ・ペロー干渉計によれば、当該特定の波長から以下のように距離ｄを算出できる。
　距離ｄは、第２端面８１で反射された光のスペクトルにおけるピークの波長の整数倍が第１端面７１および第２端面８１の間の光路差２ｎｄに等しくなることを利用して算出される。例えば、図６に第２端面８１で反射された光のスペクトルの一例を示すように、隣り合うピークの波長を、λ０およびλ１とすると、数式（１）および（２）が成立する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 ｎ：屈折率（空気中では略１とみなせる）
ｍ：任意の整数
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　数式（１）および（２）を整理すると、数式（３）が得られる。よって、変位算出部６１は、数式（３）に基づいて距離ｄを算出する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　処置ワイヤ５１に対する張力の付加前後で距離ｄを算出することにより、その差分として距離ｄの変化量Δｄが得られる。変化量Δｄは前述のように処置ワイヤ５１の変位に対応するため、変位検出装置２によって処置ワイヤ５１の変位を検出できる。
　力覚検出装置３は、処置時に処置部１０に作用する処置力を力覚として検出する装置である。力覚検出装置３は、変位検出装置２と、処置部１０と、操作部２０と、力覚算出部６２とを備えている。
　力覚算出部６２は、上記変化量Δｄに基づいて処置時に処置部１０に作用する処置力（本実施形態では把持力）を力覚として算出する。詳細には、力覚算出部６２は、処置ワイヤ５１の弾性係数Ｋと上記変化量Δｄとの積の値として処置ワイヤ５１にかかる張力Ｔを算出する（Ｔ＝Ｋ×Δｄ）。そして、張力Ｔと処置力Ｆが対応関係（本実施形態では比例関係）にあるため、力覚算出部６２は処置力Ｆを張力Ｔとその対応関係に基づいて算出する。
　図７は、把持部１１によって把持対象物を把持したときの上記変化量Δｄと処置力Ｆの関係の一例を示すグラフである。図７において、縦軸は変化量Δｄ［ｎｍ］を示し、横軸は処置力Ｆ［Ｎ］を示している。変化量Δｄは上記実施形態の変位検出装置２によって算出されたものであり、処置力Ｆは処置部１０に圧力センサを一時的に取り付けて把持力を実験的に測定したものである。グラフは、操作部２０によって処置ワイヤ５１に付加される張力を徐々に増加させた場合の変化量Δｄと処置力Ｆの関係を示している。
　図７に示されるように、変化量Δｄと処置力Ｆは概ね比例関係にある。従って、変化量Δｄを検出することにより、処置力Ｆを力覚として検出可能であることが確認できた。
　図８は、図７と実質的に同じ内容を示すグラフであるが、より高いレベルでの実現性を確認したものであり、具体的には低侵襲手術支援ロボット「da Vinci Xi」の実機への適用結果である。低侵襲手術支援ロボット「da Vinci Xi」は、本実施形態において説明する医療用の鉗子装置と同様の構造を有している。図８において、縦軸は変化量Δｄ［μｍ］を示し、横軸は処置力Ｆ［Ｎ］を示している。変化量Δｄは上記実施形態の変位検出装置２によって算出されたものであり、処置力Ｆは処置部１０に圧力センサを一時的に取り付けて把持力を実験的に測定したものである。グラフは、操作部２０によって処置ワイヤ５１に付加される張力を徐々に増加させた場合の変化量Δｄと処置力Ｆの関係を示している。
　図８に示されるように、変化量Δｄと処置力Ｆは概ね比例関係にある。従って、実機においても、変化量Δｄを検出することにより、処置力Ｆを力覚として検出可能であることが確認できた。
　以上説明した実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
　第１端面７１と第２端面８１との間の距離ｄの変化（変化量Δｄ）から処置ワイヤ５１の変位（伸び量等）を検出できる。具体的には、導光部材７０に光を導入し、導光部材７０の第１端面７１から当該光を出射し、反射部材８０の第２端面８１で当該光を反射する。このとき、光の干渉が生じるため、ファブリ・ペロー干渉計の原理を利用することにより第１端面７１と第２端面８１との間の距離ｄの変化を算出できる。導光部材７０と反射部材８０は処置ワイヤ５１に取り付けられており、算出される第１端面７１と第２端面８１との間の距離ｄの変化は処置ワイヤ５１の変位に対応する。このようにして、複雑なセンサを要することなく簡易かつ小型（例えば細径）の構成で処置ワイヤ５１の変位を検出できる。また、光学的な検出原理を採用しているため、電気的なセンサを使用する場合に比べて電磁ノイズの影響を受け無くするとともに高温または高強度放射線等の過酷な環境においても正常に機能させることができる。また、変位検出装置２は、従来の延伸部材製造装置を利用して作製できるため、個別に電磁センサを組み付けるなどの複雑な製造工程を要せず、複数の変位検出装置２を一括的に生産できる。
　また、導光部材７０と反射部材８０を光ファイバで構成すると、光ファイバは比較的安価であるため、変位検出装置２を低コストで製造できる。また、光ファイバは直径数百μｍ程度以下の細径とすることができ、小型の変位検出装置２を容易に実現できる。実際の製造では、１本の光ファイバを切断して形成された切断面によって第１端面７１および第２端面８１を形成してもよく、これにより導光部材７０と反射部材８０を同時に構成できる。
　また、導光部材７０および反射部材８０を処置ワイヤ５１の内部に配置しているため、導光部材７０および反射部材８０を処置ワイヤ５１によって保護できる。
　また、自然状態において距離ｄをゼロより大きくしておくと、距離ｄが広がる場合だけでなく縮まる場合も検出できる。従って、処置ワイヤ５１の変位として伸び量および縮み量の両方を検出できる。即ち、処置ワイヤ５１に付加される張力がプラス（引っ張り）とマイナス（圧縮）の両方の場合において、変位検出を実現できる。
　また、自然状態において距離ｄを２μｍ以上かつ５０μｍ以下と設定することにより、処置ワイヤ５１の変位を高精度に検出できる。
　また、変位検出装置２によって検出した変位に基づいて、操作部２０で処置部１０を操作した際の力覚を検出できる。上記実施形態では、処置ワイヤ５１の変位と処置部１０の処置力には相関関係がある。具体的には、処置ワイヤ５１の変位と張力は比例関係にあり、処置ワイヤ５１の張力と処置部１０の処置力Ｆも比例関係にある。そのため、処置ワイヤ５１の変位が大きいほど処置部１０の処置力Ｆが比例して大きいといった力覚検出を実現できる。
　本発明は、上記実施形態に記載された構成に限定されるものではなく、種々の変更が可能である。
　上記実施形態では、延伸部材として処置ワイヤ５１を採用した例を説明したが、延伸部材として姿勢変更ワイヤ５２を採用してもよい。このように、延伸部材としては、細径長尺な任意の部材を好適に採用し得る。
　また、延伸部材の態様は、撚り線状に限定されない。例えば、延伸部材は、図９に示す管状の延伸可能なチューブ５３であってもよい。
　図９に示されるように、延伸可能なチューブ５３は、長手方向両端部において複数のスリット５３ａを有する円筒状である。延伸可能なチューブ５３は、複数のスリット５３ａに起因した伸縮性を有し、複数のスリット５３ａの大きさや配置間隔を調整することによって所望の弾性係数を得ることができる。導光部材７０および反射部材８０は、延伸可能なチューブ５３の内部に配置されるとともに延伸可能なチューブ５３に対して接合され、延伸可能なチューブ５３の伸縮に対して第１端面７１と第２端面８１との間の距離ｄが増減するように構成されている。また、導光部材７０および反射部材８０は、複数のスリット５３ａを通じて延伸可能なチューブ５３の内外に出し入れされてもよい。
　図１０に示されるように、第１端面７１と第２端面８１との間の距離ｄの隙間の部分を被覆するように充填剤９１が充填されてもよい。充填剤９１によって、医療装置１の洗浄時において、第１端面７１と第２端面８１との間に水や汚れが侵入して固着するのを防ぐことができる。充填剤９１は、上記光学的な検出原理で用いられる可視光を吸収し難く、処置ワイヤ５１のばね定数に比して十分に軟らかく、かつ耐通水性を有する材料である。例えば、充填剤９１は、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）などであり得る。
　また、変位検出装置２は、複数の処置ワイヤ５１のそれぞれに対して変位を検出するようにしてもよい。処置ワイヤ５１の変位は、処置力だけでなく、温度や湿度を含む環境要因や外力による屈曲などの様々な影響により変化し得る。そのため、複数の処置ワイヤ５１の変位を検出して差分をとることにより、これらの影響を排除し、処置力による影響のみを確認することができる。
　また、上記実施形態では、医療装置１として鉗子装置を例にとって説明したが、これに限らない。例えば、処置部１０として様々な態様を採用してもよい。具体的には、内視鏡やアブレーションカテーテル等、ワイヤ牽引原理を用いた屈曲角度や回転角度に対応した力覚の定量化を可能にする医療装置に対しても変位検出装置２および力覚検出装置３を適用し得る。さらに言えば、変位検出装置２および力覚検出装置３の適用対象は、医療装置に限定されず、自動車のブレーキワイヤまたは原子炉におけるロボットアーム等の変位検出または力覚検出を要する任意の機器であり得る。
　１　　　医療装置
　２　　　変位検出装置
　３　　　力覚検出装置
　１０　　処置部
　１１　　把持部
　１３　　支持部
　２０　　操作部
　３０　　シャフト部
　３１　　外筒
　３２　　内筒
　４０　　関節部
　５０　　ワイヤ部材
　５１　　処置ワイヤ（延伸部材）
　５２　　姿勢変更ワイヤ
　５３　　延伸可能なチューブ（延伸部材）
　６０　　算出部
　６１　　変位算出部
　６２　　力覚算出部
　６７　　カプラー
　６８　　光源
　６９　　分光器
　７０　　導光部材
　７１　　第１端面
　８０　　反射部材
　８１　　第２端面
　９０　　接着剤
　９１　　充填剤

Claims (9)

  1. 　張力が付加される延伸部材と、
    　前記延伸部材に沿って延びるとともに前記延伸部材に取り付けられ、延伸方向に垂直な第１端面を有し、光を誘導する機能を有する導光部材と、
    　前記延伸部材に取り付けられ、前記第１端面と対向する第２端面を有し、前記第１端面から出射された前記光を前記第２端面にて反射する機能を有する反射部材と、
    　前記張力の付加前後における前記第１端面と前記第２端面との間の距離の変化を前記光の干渉を利用して光学的に算出する変位算出部と
    　を備える、変位検出装置。
  2. 　前記導光部材および前記反射部材は、光ファイバからなる、請求項１に記載の変位検出装置。
  3. 　前記延伸部材は、中空の撚り線状であり、
    　前記導光部材および前記反射部材は、前記延伸部材の内部に配置されている、請求項１に記載の変位検出装置。
  4. 　前記延伸部材は、管状であり、
    　前記導光部材および前記反射部材は、前記延伸部材の内部に配置されている、請求項１に記載の変位検出装置。
  5. 　前記導光部材および前記反射部材は、前記延伸部材の外部において前記延伸部材に隣接して配置されている、請求項１に記載の変位検出装置。
  6. 　前記張力の付加前において、前記距離はゼロより大きい、請求項１に記載の変位検出装置。
  7. 　前記張力の付加前において、前記距離は２μｍ以上かつ５０μｍ以下である、請求項６に記載の変位検出装置。
  8. 　請求項１から７のいずれか１項に記載の変位検出装置と、
    　前記延伸部材と機械的に連結され、前記距離の変化と相関のある処置力を対象物に対して付加する処置部と、
    　前記処置部と前記延伸部材を介して機械的に連結され、前記延伸部材に前記張力を付加して前記処置部を操作する操作部と、
    　前記変位検出装置によって検出された前記距離の変化から前記処置力を力覚として算出する力覚算出部と
    　を備える、力覚検出装置。
  9. 　前記処置部および前記操作部は、鉗子装置、内視鏡、またはカテーテルの少なくとも一部であり、
    　前記処置力は、把持、屈曲角度、または回転角度に対応した力覚を含む、請求項８に記載の力覚検出装置。
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