(57)【要約】  本発明により、最小侵襲性手術器具の先端に加えられる力ベクトルを確定することが可能になる。この力は、ハウジング（１１２）に作用し、基部（１００）に向けられ、そこで特別な梁構造に変形をもたらす。上記変形は、応力感応／伸張感応抵抗器によって検出され、それら抵抗器の変化は、加えられる力ベクトルに対する測度である。本発明の測定素子は、ガイドワイヤ等の管型器具に組み込まれるための特別な取付要素と、追加の構成要素（１１１）のための締結ゾーンと、過荷重保護と、治療工程に適合される頭部形状と、を備える。
2009543029.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
力ベクトル、特に細長い装置、特にカテーテルまたはガイドワイヤ等の細長い医療機器に加えられる力ベクトル（Ｆ）を検出し、前記力ベクトルが、基体（１００）と少なくとも１つの応力および／または伸張感応抵抗器（Ｒ１〜Ｒ６）を含む前記細長い装置の長手方向に沿った無視できないほどの力成分を含む、力センサであって、
前記力センサが、単一部品からの基体（１００）からモノリシックに製作することができ、測定機能を実施するために相手材を使用する必要がなく、
前記力成分Ｆｚの測定領域に対するエネルギーおよび信号ラインが、前記細長い装置に対して軸方向に位置合せされかつ頭部領域（１０３）の最大幅より狭いように設計される領域（１０２）に亙ってもたらされ、
電気的接触面（１１０）が、前記細長い装置の軸方向に対して非垂直に取り付けられ、
前記基体（１００）が、機械的組立ベベルを提供する接続領域（１０９）と、中空本体における正確な位置決めおよび組立を簡略化する組立ストップ（１０８）と、を有し、
前記抵抗器が、切込みによって境界が画成される梁構造に配置され、前記切込みの縁が前記面とともに実質的に垂直な角度を形成することを特徴とする、力センサ。
【請求項２】
前記細長い装置の前記長手方向に沿って作用する力Ｆｚに加えて、少なくとも１つの横方向に加えられる力成分も測定することを特徴とする、請求項１に記載の力センサ。
【請求項３】
端面（１０３）が平面であるかもしくは丸みがあるように設計され、または任意の形式で設計され、または前記端面に先端またはカッターが提供されることを特徴とする、請求項１に記載の力センサ。
【請求項４】
１つまたは複数のモノリシックに一体化された機械的ストップが、前記力センサの力依存変形を制限することを特徴とする、請求項１に記載の力センサ。
【請求項５】
前記抵抗器が、前記基体（１０１）の正面に配置されることを特徴とする、請求項１に記載の力センサ。
【請求項６】
前記抵抗器が、薄膜抵抗器もしくは厚膜抵抗器として、または歪みゲージとして、または別の方法でドーピングされるかもしくは設計されることを特徴とする、請求項５に記載の力センサ。
【請求項７】
少なくとも１つの抵抗器が、測定されるよう意図されるすべての力成分に対して組み込まれることを特徴とする、請求項６に記載の力センサ。
【請求項８】
少なくとも１つの抵抗器が、垂直測定梁（１０２）の中心に配置されることを特徴とする、請求項６に記載の力センサ。
【請求項９】
２つの抵抗器が互いに対向し、それぞれが前記垂直測定梁（１０２）の外縁に近接して配置されることを特徴とする、請求項６に記載の力センサ。
【請求項１０】
前記抵抗器が少なくとも部分的に相互接続されることによりホイートストンブリッジ回路を形成することを特徴とする、請求項６に記載の力センサ。
【請求項１１】
前記ブリッジ構成が開放設計または閉鎖設計であることを特徴とする、請求項１０に記載の力センサ。
【請求項１２】
信号処理および／またはエネルギー供給および／またはデータ転送エレクトロニクスが前記測定素子に組み込まれることを特徴とする、請求項１に記載の力センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に請求項１の前文による細長い装置のための力センサまたは力センサユニット、および力センサを使用して力およびその有効な方向を測定する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明の特定の用途は、身体開口部を通して有機体内に少なくとも部分的に挿入される細長い装置によって確定される、カテーテル技術に関する。これら細長い装置は、特に、特に人間の身体の最小侵襲性手術および診断において使用される。細長い装置による侵入中、通常治療中の医師が手動で操作する細長い装置の身体側先端により、いかなる脈管も損傷しないことを確実にするために、医師は、必ず、細長い装置のハンドルによって自身に中継される力に従って自分の位置を確認する。カテーテルまたはガイドワイヤが身体内に侵入する過程において継続的に増大する、摩擦および挿入されたカテーテルまたはガイドワイヤの質量のために、治療中の医師にハンドルによって中継される力は、実際にカテーテルまたはガイドワイヤの先端において発生している力に関するいかなる有用な情報もほとんど提供しない。治療中の医師がカテーテルのハンドルに正しい操作力を与えることができるように、カテーテルまたはガイドワイヤの操作に並外れた経験が必要である。
【０００３】
独国特許出願公開第１０３  ０３  ２７０  Ａ１号明細書は、挿入中にカテーテル先端に加えられる力が測定されるカテーテル構成を開示している。対応する力は、触覚ハンドルを用いて触覚的に医師に中継される。特に経験豊富でない医師の場合、これにより、たとえば動脈分岐または心臓中隔の穴を見つけることが容易になり、装置の直観的な操作の基礎が形成される。先端の力を表す測定変数を使用して触覚力プレストレスを生成する電気力学的駆動装置が、独国特許出願公開第１０３  １９  ０８１号明細書によって開示されている。そこに提示されている発明は、細長い装置の先端において力を測定し、測定信号を評価することを可能にし、それは、独国特許出願公開第１０３  ０３  ２７０  Ａ１号明細書からの発明を実施するために必要である。
【０００４】
米国特許第６，２２１，０２３Ｂ１号明細書によれば、カテーテルの先端に、抵抗機能動作に基づく力センサが設けられる。センサ内に誘導される力は、抵抗器ブリッジ回路によって記録される。このセンサの設計は、部品の数が多いために複雑であり、これに関連する製作コストおよび組立コストは、既知のセンサが、カテーテルの場合、特にそれが使い捨て特性を有することが好ましいため不適当であることを意味する。さらに、測定素子の主な接触のための面は、カテーテルの長手方向に対して垂直に設計されており、したがって、細長い装置の直径によって制限される。この理由で、かつ部品の数が多いため、特に３ｍｍ未満のカテーテル直径を下回る力センサの小型化の可能性を、非常に複雑な設計としなければ実現することができない。寸法が大きいため、センサがカテーテル管を先端において完全に閉鎖すると推断することができる。しかしながら、これは、器具および液体が身体内に挿入される際に用いられるカテーテル管の機能性が、もはや与えられないことを意味する。寸法が大きいこと、部品の数が多いこと、および長手方向に対して垂直に向けられた接触面を通る不都合なワイヤ案内により、センサを、カテーテル挿入中に必要な実質的により薄いガイドワイヤ内に組み込むことができない。特開平０６−１９００５０号公報は、カテーテルの外壁に取り付けることができる触覚センサについて述べている。非常に薄いシリコンディスクからこのセンサを製作することが提案されている。しかしながら、非常に薄い素子が、およそ３００ｍＮの領域での発生する力を記録することは可能でない。より厚くより安定したシリコンディスクの使用は棄却され得る。それは、装置に組み込むために必要なより厚いディスクの屈曲により、材料が破損するためである。
【０００５】
「Ｂｅｃｃａｉ  Ｌ他：補綴用途のシリコンベース３軸力センサ（Ｓｉｌｉｃｏｎ−ｂａｓｅｄ  ｔｈｒｅｅ  ａｘｉａｌ  Ｆｏｒｃｅ  Ｓｅｎｓｏｒ  ｆｏｒ  Ｐｒｏｓｔｈｅｔｉｃ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ）、センサおよびマイクロシステム、第７回イタリア会議録、２００２（Ｓｅｎｓｏｒｓ  ａｎｄ  Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍｓ、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  ７ｔｈ  Ｉｔａｌｉａｎ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ２００２）」は、義足に組み込まれるように意図される力センサを提示している。力ベクトルを、力の方向および大きさを測定することによって確定することができる。力を測定するために抵抗素子が使用されるが、それは「ホイートストンブリッジ」を形成するように相互接続されていない。しかしながら、細長い装置に組み込むために、高い測定精度を得ることができるブリッジ相互接続が探求されており、それは、この場合、信号を、長く薄い給電ラインの給電ライン抵抗とは略無関係に伝送することができるためである。そうでない場合、測定信号は給電ラインの温度によって決まり、そのため、特に身体内に挿入される長い装置の場合、装置の挿入長さによって決まる。素子の製作には、両面、多段ドライエッチング工程が必要である。しかしながら、測定素子はさらに、測定梁（ビーム）の撓みを可能にするために特別な相手材（ｃｏｕｎｔｅｒ−ｂｏｄｙ）に亙って取り付けられなければならない。このため、センサは、互いに正確に接続されなければならない少なくとも２つの部品を備える。メサと呼ばれる露出した力検出器は、長さが長いように設計されており、すなわちおよそ精密であるべき原材料の厚さに対応する長さを有する。このため、このセンサは、常に、その動作原理により、長手方向に沿って加えられる力に比較して横方向力に対し、測定感度は非常に高いが、同時に非常に壊れ易い。特に装置の長手方向における力を測定することか、または異なる力成分に対するバランスのとれた感度を得ることが望ましいため、それは好ましくない。測定素子は、長手方向に対して垂直な電気接触面を有し、そのため、取付領域の直径において接触面が制限され、それによって接触がより困難になる。測定素子は直径がおよそ１ｍｍであって、それはガイドワイヤに比較して広く、そのため、ガイドワイヤへの組み込みは不可能である。これにより、カテーテルおよびガイドワイヤに組み込む触覚センサに関する従来技術は、小型化、高安定性、簡単な製作および低コストに関して課せられる要件に従わないことが分かる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、単純な設計を有し、直径が３ｍｍ未満、好ましくは０．３３ｍｍ（１フレンチ）未満の細長い装置内に組み込むことができる一部品から構成される、上述したタイプの力センサを明示することであり、その力センサは、少なくとも部分的に細長い装置の長手方向に作用する力を検出することができ、それにより、可能な場合はガイドワイヤ先端に加えられる力ベクトルを検出することにより、すなわち３つの独立した方向における力の大きさを確定することにより、力依存トルクが使用者に与えられ、かつ作用する力の方向に関する推断も可能であり、それにより、力を大きさおよび方向に従って確定することができる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この目的は、請求項１の特徴を有する力センサによって達成される。有利な改良は従属請求項において特徴付けられている。
【０００８】
したがって、本発明による力センサは、細長い装置、特に、カテーテルまたはガイドワイヤ等の細長い医療機器に作用する力を検出するように設計されており、上記力は、細長い装置の長手方向に無視できないほどの力成分を有することが可能である。本発明によるセンサは、力検出器を有し、それを用いて、検出される力の少なくともかなりの量を、目標とする方法で、センサ内に直接かまたは細長い装置を介して誘導することができる。本発明によれば、センサは、細長い装置に取り付けることができ、特にすでに既存の細長い装置に後から組み込むことができるように設計される。力センサの簡単な小型化のオプションにより、力センサを、遠位カテーテル開口を閉鎖することなくカテーテル壁内に、かつ特に重要であり困難であるガイドワイヤ内に組み込むことが可能となる。小型化システムにおいて極めて困難となる組立を、簡単かつ費用効率よく具現化することができるように、ガイドワイヤにセンサを組み立てるために心出し（センタリング）要素および組立ストップが設けられる。細長い装置に対する力の大きさおよびさらにそれらが作用する方向を、特定の設計特徴によって確定することができる。
【０００９】
特に、本発明による力センサは、上述した既知の力センサに比較して以下の利点を提供する。
−本発明によるセンサは、横方向の大きさすなわち直径が３ｍｍ未満、特に０．３３ｍｍ（１フレンチ）未満である細長い装置に力センサシステムを組み込む可能性を提供し、
−本発明によるセンサは、一部品から構成され、この理由でかつディスク接続製作技術により、それは大量生産に特に適している。製作コストは非常に低く、センサ素子自体に対し適用され得る組立コストはなく、細長い装置への組立は特に単純であり、
−組立要素の特別な設計およびモノリシックな一体化により、非常に小型の力センサをガイドワイヤに簡単に組み立てることが可能になり、
−機械的ストップを組み込むことにより、センサが過荷重時に破壊することが防止され、
−それに関連する力センサの特定の設計および機械的剛性により、ハウジングが、鋳造または被覆のいずれかにより非常に簡単で薄くかつ費用効率のよいものとなる。このため、力センサは、医学技術の厳しい衛生要件を容易に満足し、
−本発明によるセンサの頭部の形状は非常に可変の設計を有することができ、その結果、異なるカテーテル挿入治療シナリオへの適合が可能となり、
−本発明によるセンサは、費用効率のよい外部評価電子回路を使用しながら、動作のピエゾ抵抗原理の使用により、非常に高分解能の力の大きさおよび方向の測定値を得ることができ、
−本発明によるセンサは、好ましくは基本材料としてシリコンを使用することができ、それにより力の荷重および除荷の場合に、特に出力信号が、加えられる力を再現するため、特に正確な測定を行うことができ、
−本発明によるセンサは、目下利用可能な技術を使用して０．３ｍｍという必要な横方向寸法をはるかに下回る小型化が可能であり、
−本発明によるセンサに追加の電子回路をモノリシックに容易に組み込むことができ、それにより、信号伝送における乱れだけでなく特に必要な電源ラインの数を最小限まで低減することができる。細長い装置のすでに存在する部品をエネルギー伝送および信号伝送に使用することができ、その結果、装置全体のコストは、力センサを組み込むことによって非常にわずかにしか増大しない。
【００１０】
本発明によるセンサは、力の大きさおよび／または有効な方向をリアルタイムで、特に連続的に検出することができる。特に、本発明によるセンサは、主に細長い装置の長手方向における力を検出するように設計される。
【００１１】
本発明によるセンサは、加えられる力に応じて変形する基本要素から構成される。この変形により機械的応力が発生し、それは、特徴付けられる測定梁によって応力および伸張感応抵抗器を用いて検出される。これら測定される抵抗の変化は、加えられる力に比例する。
【００１２】
水平方向測定梁では、軸方向に結合される力Ｆｚが、梁の上側に近接して引張応力を発生させ、梁下側に近接して圧縮応力を発生させる。これら機械的応力は、梁内にドーピングされた抵抗器の抵抗に反対の変化をもたらし、この変化は、たとえばホイートストンブリッジ相互接続を用いて測定することができる。このため、抵抗またはブリッジ出力電圧の変化は、加えられる力Ｆｚの測度である。
【００１３】
さらなる抵抗器を、細長い装置の軸方向に位置合せされる測定梁内に挿入するかまたは取り付けることができる。頭部構造に作用する横方向力により梁が変形し、これが機械的応力をもたらす。これら機械的応力を、抵抗器を使用して確定することができ、それが、作用する横方向の力の測度である。
【００１４】
センサに加えられる力により、機械的構造が変形する。本発明によるセンサにおけるモノリシックに一体化された機械的過負荷ストップにより、幾何学的形状の非常に大きい変形が防止され、したがって過度に大きい荷重の場合に力センサが破壊することが防止される。一体化を、追加の工程ステップなしに行うことができ、変形を制限する相手材は必要ではない。
【００１５】
ガイドワイヤへのセンサの組立を簡略化する要素が、本発明によるセンサに組み込まれることが好ましい。たとえば、この目的で、底端に向かうテーパ加工により基体をガイドワイヤの空洞開口内に容易に挿入する可能性を提供するスタンドが提供される。さらに、ガイドワイヤのさらなる部品のための取付要素、特に固定バンドおよびワイヤコアを提供することができる。これは、たとえば、スタンドの下端における切込みを用いて可能となる。
【００１６】
すべての実施形態を、微細製造方法を用いて、好ましくはシリコンにおける大量微細加工を用いて製作することができる。工程において、抵抗器がシリコンにドーパントを挿入することによって生成され、それらの抵抗が機械的応力に応じて変化するように、シリコンディスクが構成される。シリコンディスクとドーパントとの電気的作用により、これら抵抗器は、所望の領域においてのみ電気的に接続され、それ以外では、それらは、選択された設計の結果としてｐｎ遷移の形成により、互いに絶縁される。概して、これら抵抗器は、シリコンディスクの凹部ではなく測定素子の上面に取り付けられる。これは、製作がより容易であるためである。例として、測定素子を以下のように製作することができる（クリーニングステップなしのワークフロー）。
−抵抗器を構成する、
−接触領域を開放する、
−プリント回路基板トラックを構成する、
−たとえばドライエッチングにより、機械的構造をエッチングし同時に分離する。
【００１７】
素子の製作には、従来技術に比較して数工程ステップしかない。これは、測定素子を分離するためにソーイング工程が不要であるという事実による。さらに、基体の変形を確実にするために相手材が不要であり、すなわち、その相手材を基体に接続するには別の工程ステップが必要である。工程パラメータを適当に選択した場合、ドーピング中に抵抗器をパッシベートすることができ、このため、これは、別の工程ステップにもならない。概して、測定素子の製作には４つのマスク層があればよい。微細構造化方法により、１つのディスクに特に多数のセンサを同時に製作する可能性が提供され（バッチ方法、収益性の高い製作）、このため、非常に費用効率のよい測定素子が可能となる。
【００１８】
小型化ピエゾ抵抗測定素子としての実施形態に加えて、概して、提示された測定素子を巨視的に設計し、応力または伸張を測定するために歪みゲージまたは厚膜抵抗器もしくは薄膜抵抗器を使用することも可能である。
【００１９】
例として、ガイドワイヤの先端においてまたはさらにはカテーテルの任意の位置においてセンサを使用することができる。
【００２０】
以下の文において、本発明を、図面を参照して例示的な実施形態に基づいてより詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１ａ】数学的文脈を明瞭化する目的で、頭部が対称的な矩形設計を有する本発明によるセンサの概略図を示す。
【図１ｂ】力Ｆｚによる軸方向に誘導される力の場合に機械的応力を計算するために、垂直梁に対する屈曲角および屈曲モーメントを明瞭にする、概略図１ａの詳細を示す。
【図２】丸み形状を有する頭部を備えた一実施形態を示し、梁構造を生成するための凹部が垂直に設計されていない。
【図３ａ】３つの空間的方向すべてから誘導される力の場合に有限要素法（ＦＥＭ）を使用して機械的応力および電気抵抗の変化を計算するための好ましい例示的な実施形態の幾何学モデルを示す。
【図３ｂ】ＦＥＭシミュレーションによって確定される、軸方向に沿ってセンサ端面１０３に誘導される１００ｍＮの力（Ｆｚ）に対し、経路Ａおよび経路Ｂに沿って取り付けられる抵抗器の抵抗の変化を示す。
【図４】センサの電気的構造に対するあり得るレイアウトを示す。
【図５】ガイドワイヤに組み立てられた組立力センサのＣＡＤ図を示す。
【図６】力センサが組み込まれたカテーテルの正面に近接した切れ目の概略図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
図面から、本発明によるセンサが、加えられる力に応じて変形する基体（１００）からモノリシックに設計されることが分かる。この変形により機械的応力が発生し、これは、応力または伸張感応抵抗器を用いて測定梁（１０１ａおよび１０１ｂ、１０２ａおよび１０２ｂ）上で検出される。これら測定抵抗器の変化は、加えられる力に比例する。
【００２３】
水平方向測定梁（１０１ａおよび１０１ｂ）において、軸方向に結合される力Ｆｚにより、梁上側に近接して引張応力が発生し、梁下側に近接して圧縮応力が発生する。これら機械的応力効果により、梁内にドーピングされた抵抗器Ｒ１〜Ｒ４における抵抗が同じ向きにまたは反対の向きに変化し、この変化を、たとえばホイートストンブリッジ相互接続を用いて測定することができる。このため、抵抗またはブリッジ出力電圧の変化が、加えられる力Ｆｚの測度である。
【００２４】
抵抗器は、ホイートストンブリッジ回路の形式で配置されることが好ましい。これにより、安定した測定が確実になる。抵抗器が相互接続されてホイートストンブリッジを形成する場合、たとえばＦｚが加えられる場合、１つの力成分に対する出力信号が最大化し、力成分Ｆｙが加えられる場合、その出力信号は最小化する。たとえば電子回路の電源ラインと信号ラインとを入れ替えることにより、測定梁上の抵抗器相互接続の感度を、１つの力成分に対して最大化し、同時に他の力成分に対して最小化することができる。これにより、印加された力成分ＦｚおよびＦｙの大きさおよび方向を正確にかつ独立して確定することが可能になる。このため、力センサ接点を時間的に迅速に切り替えることにより、力成分Ｆｚおよび力成分Ｆｙの準連続確定が可能である。
【００２５】
梁構造（１０６）は、それに作用する横方向の力ＦｘおよびＦｙを測定するのに非常に適している。正面（１０５）に作用する力Ｆｘにより、測定梁上の抵抗器の長手方向における伸張がもたらされ、そのため、長手方向に配置された抵抗器の抵抗が増大する。力成分Ｆｘを確定するために単一抵抗器で十分であるが、ピエゾ抵抗原理を使用することにより、抵抗器を梁（１０６）に沿ってかつそれに亙って配置することによって抵抗の変化を反対の向きに変化させることができ、このため、測定精度を向上させるために分圧器またはブリッジ回路を組み込むことができる。梁（１０６）において、力Ｆｙにより、右手側に引張応力がもたらされ、左手側に圧縮応力がもたらされる。この機械的応力を、少なくとも１つのピエゾ抵抗器によって測定することができる。垂直に互いに隣接して挿入される２つの抵抗器を使用することが好ましく、それらを相互接続して分圧器を形成することができる。力Ｆｙによって、互いに垂直に隣接して位置合せされた２つの抵抗器の抵抗の反対の変化がもたらされ、力Ｆｘにより、２つの抵抗器の抵抗の同じ向きの変化がもたらされる。抵抗器が相互接続されて分圧器を形成する場合、分圧器の抵抗全体が増大し、そのため、それは力Ｆｘの測度である。このため、抵抗の変化の差が力Ｆｙの測度であり、同じ向きの抵抗の変化のサイズが力Ｆｘの測度である。力センサの寸法が小さいため、ピエゾ抵抗ホール素子の使用も好都合である。適度な小型化の場合、複数の抵抗器を相互接続して梁（１０６）に１つまたは複数のフルブリッジを形成することにより、測定精度を向上させることができる。非常に高度な小型化の場合、梁（１０６）の中心に単一抵抗器を組み込むことのみが好都合であり得る。そして、ｘ方向における変形を、個々の抵抗の増大によって、またはさらなる抵抗器を含む直列回路の場合は抵抗全体の増大により、確定することができる。しかしながら、ｙ方向における横方向変形、したがって力Ｆｙを、この抵抗器によって測定することができない。それにも関わらず力成分Ｆｙが検出されるように意図される場合、上述したように、たとえば電源ラインと信号ラインとを入れ替えることにより、測定梁（１０１）における抵抗器構成を用いてそれを検出することができる。
【００２６】
異なる抵抗器構成により、機械的応力を測定する多くの可能性があり、そこから力Ｆｘ、ＦｙおよびＦｚを確定することができる。可能な限り個々の力成分から独立している抵抗の変化の関数を得るために、分圧器またはブリッジ回路またはピエゾ抵抗ホール素子を形成するように配置された、水平に向けられた抵抗器を使用する等、さらなる抵抗器構成が可能である。抵抗器を用いて力を測定するために適した機械的引張応力および圧縮応力はまた、垂直梁構造（１０２）および頭部構造（１０３）においても発生する。高度な小型化の場合、これにより、必要な反対の抵抗器構成を有する抵抗器を互いに直接隣接して配置する必要なく、フルブリッジ構造を実装する有利な可能性が提供される。このため、測定梁における残りの空間を、電気プリント回路基板トラックに使用することができる。これにより、測定梁（１０１）の厚さをさらに低減することも可能となり、このため、さらに小さい力を測定することが可能になる。
【００２７】
さらに、本発明によるセンサの場合、機械的ストップ（１０７）を使用することにより、梁（１０１）の撓みおよび梁（１０６）の傾き（ｔｉｐｐｉｎｇ）を制限することが多数の方法で容易に可能である。このため、過荷重保護を実現することができる。この過荷重保護を、図１ａに示すように簡単なストップによって実現ことができる。代替構成、たとえば端面（１０３）と測定梁（１０６）との一体化もまた可能である。過荷重保護の設計が、あり得る間隙幅および製作工程のあり得るアスペクト比に整合されるべきである。
【００２８】
図１ａはさらに、基体の底端に向かって先細りになっているスタンド領域を示す。これにより、力センサをガイドワイヤに組み立てることがより容易になる。
【００２９】
図１ｂは、測定梁（１０１ａ）からの詳細を示す。図示するのは、力Ｆｚが力センサ内に結合される時に測定梁（１０１ａ）の変形が設定される、ということである。この変形により、左側垂直測定梁（１０２ａ）の変形がもたらされ、その結果、測定梁（１０１ａ）に加えられるモーメントＭ１が低減し、測定効果が低減する。したがって、センサを最適化する場合に、力センサの頭部構造全体もまた考慮する必要がある。
【００３０】
図２は、本発明による力センサの別の実施形態を示す。この場合、端面（１０３）は、丸みが付けられるように設計されている。丸み付けは、細長い装置の遠位端を、可能な限り使用中に患者に対する損傷がないように設計するために有利であり得る。しかしながら、たとえばくびれ、閉塞または組織をより容易に通過することができるように、または力センサ内に力をより再現可能に結合することができるように、先端またはカッターを有するように設計することも可能である。さらに、図２の梁構造は、穴を設けることによって生成される。
【００３１】
図３ａは、有限要素法（ＦＥＭ）を用いて機械的応力および電気抵抗の変化を計算する、本発明による好ましい力センサの幾何学モデルを示し、力は３つの空間方向すべてから誘導される。機械的応力は、経路Ａおよび経路Ｂに沿って計算され、抵抗器の抵抗の変化は、ピエゾ抵抗効果の数学的記述を介して計算される。図３ｂは、抵抗の変化を示し、Ｆｚ＝１００ｍＮの名目荷重の場合、０．５％〜１．５％の間の有効抵抗変化を予測することができる。
【００３２】
図４は、本発明によるセンサの電気的構造に対するあり得るレイアウトを例示的に示す。この場合、抵抗器は、垂直測定梁（１０１ａおよび１０１ｂ）内にのみドーピングされ、ホイートストンブリッジとして相互接続されている。
【００３３】
図５は、ガイドワイヤの先端に組み込まれた電気的に接触したセンサを示す。それは、シリコンまたはポリウレタン等、比較的柔軟な生物学的適合性材料によって封止されることにより収容されている。ハウジング材料に比較して測定素子の剛性が高いことにより、測定信号に対するハウジングの影響が低いことが保証される。半透明ディスプレイにより、接触面および接続ラインを見ることが可能になる。
【００３４】
図６に示すように、力センサの寸法が小さいため、力センサをカテーテル管内またはその上の任意の位置に組み込むことも可能である。カテーテル壁に複数の力センサを組み込むことも可能である。これにより、空間的に分解される力プロファイルを記録することが可能になる。カテーテルの遠位開口は、センサの小型化が高度であるため完全に維持されている。本発明による力センサは、細長い装置の遠位端に、またはさらには細長い装置の上または中の任意の位置に、組み込まれるかまたは取り付けられることが好ましい。
【００３５】
評価電子回路を測定素子に直接収容するかまたは取り付けることも可能である。例として、これは、前置増幅によって増大した信号電圧が生成されるため有利であり得る。これにより、信号対雑音比（ＳＮＲ）が向上し、そのため同様に分解能も向上する。一体化した電子回路の場合、信号の符号化伝送または変調伝送を用いて、または電圧比例電流変換により、給電ラインからの影響がわずかで信号を伝送することが可能である。横方向力成分の分解能が、測定結果に顕著な影響を与えるライン抵抗無しに増大するように、定電圧源を組み込むことにより、定電圧供給を実装することができる。さらに、一体化した電子回路により、抵抗器における電気的差動電圧を直接測定することが可能になり、このため、力の方向および大きさを非常に正確に確定することが可能になる。一体化した電子回路は、チップに対し信号の電位整合をもたらすことができ、電気的差動電圧を個々の接地ラインに関連付けることができる。この結果、電気ラインを不要にすることができる。この結果、装置全体の組立複雑性、したがって製作コストが低減する。さらに、ラインの空間的要件が低減し、細長い装置の直径のさらなる小型化が可能になる。測定素子に組み込まれた一次電子回路の信号を変調することにより、ラインの数を２つまで、特に１つのラインまで低減することが可能になる。無線伝送ユニットを組み込むことにより、エネルギーおよび信号を無線で伝送することも可能である。
【００３６】
前述の説明、図面および特許請求の範囲に開示する本発明の特徴は、単独でも任意の組合せでも、本発明をその異なる実施形態で具現化するために本質的であり得る。
【符号の説明】
【００３７】
１００  基体
１０１ａ  左水平測定梁
１０１ｂ  右水平測定梁
１０２ａ  左垂直測定梁
１０２ｂ  右垂直測定梁
１０３  端面、軸方向から加えられる力（Ｆｚ）
１０４  左面、ｙ方向から加えられる力（Ｆｙ）
１０５  正面、ｘ方向から加えられる力（Ｆｘ）
１０６  径方向に加えられる力（Ｆｘ、Ｆｙ）を測定するための垂直測定梁
１０７  過荷重保護としての機械的ストップ
１０８  組立支援としての機械的ストップ
１０９  接触面を収容するため、測定素子を取り付けるため、かつ組立中にガイドワイヤに心出しするための梁
１１０  接点を接合するための面
１１１  ガイドワイヤコアおよび固定バンドを取り付けるための切込み
１１２  ハウジング
１１３  ガイドワイヤコイル
１１４  エネルギーラインおよび信号ライン
Ｒ１．．．Ｒ５  機械的伸張および応力に基づいて基本抵抗を変化させる電気抵抗器
Ｆｚ  長手方向にワイヤに加えられるｚ方向、軸方向力成分の力成分
Ｆｘ  ｘ方向からの力成分
Ｆｙ  ｙ方向からの力成分
Ｆ  力成分Ｆｚ、ＦｘおよびＦｙを含む力ベクトル
５００  力センサが組み込まれたカテーテル管
５０１  カテーテルの外側クラッディング
５０２  カテーテルの前端
５０３  カテーテルの先端で力を記録する力センサ
５０４  カテーテルの上／中の任意の場所で力を記録する力センサ
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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