(57)【要約】【課題】本発明は、内視鏡やカテーテルの作業を考慮して内視鏡又はカテーテル等の先端と整合して中央に鉗子等が装入できる大きいセンターホールを有するとともに、カテーテル先端部と体内壁との接触力やカテーテル先端部等の全方位姿勢の計測が可能な３次元抗力センサを提供することを目的とする。【解決手段】本発明の３次元抗力センサは、内視鏡又はカテーテル等の先端に搭載するのに適したセンターホールを備えた３次元抗力センサにおいて、絶縁膜上に薄層抵抗材料から形成してなるひずみゲージをセンターホールの周囲に等間隔で３個以上配置してなることを特徴としている。  また、本発明の３次元抗力センサは、絶縁膜をポリイミド箔で形成することを特徴としている。  また、本発明の３次元抗力センサは、ひずみゲージを弾性薄板上に形成することを特徴としている。  また、本発明の３次元抗力センサは、ひずみゲージの上面に半球状の弾性体を装着することを特徴としている。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内視鏡又はカテーテル等の先端に搭載するのに適したセンターホールを備えた３次元抗力センサにおいて、絶縁膜上に薄層抵抗材料から形成してなるひずみゲージをセンターホールの周囲に等間隔で３個以上配置してなることを特徴とする３次元抗力センサ。
【請求項２】
絶縁膜をポリイミド箔で形成することを特徴とする請求項１記載の３次元抗力センサ。
【請求項３】
ひずみゲージを弾性薄板上に形成することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の３次元抗力センサ。
【請求項４】
ひずみゲージの上面に半球状の弾性体を装着することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の３次元抗力センサ。
【請求項５】
内視鏡又はカテーテル等の先端に搭載するのに適したセンターホールを備えた３次元抗力センサにおいて、内視鏡又はカテーテル等に接する側には弾性部材からなりセンターホールを有する基体を備え、該基体上面に貼り付けられたセンターホールを有する弾性薄板上に、絶縁膜上に薄層抵抗材料から形成してなるひずみゲージをセンターホールの周囲に等間隔で３個以上配置し、ひずみゲージの間に配したひずみゲージの厚さよりも厚い弾性薄板を介して基体上面の弾性薄板とひずみゲージの上方に位置する半球状の弾性体の下面に貼り付けられた弾性薄板とを接続してなることを特徴とする３次元抗力センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内視鏡又はカテーテルの先端に搭載するのに適したセンターホールを備えた３次元抗力センサに関し、特に、体内壁とセンサの接触力及び接触力の方向の計測が可能な３次元抗力センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現在、患者への負担を低減可能とする低侵襲・無侵襲治療が注目されており、その代表的な医療機器として体内管腔部で使用されるカテーテルや内視鏡がある。これらの機器は管腔部の複雑形状の下では使用が困難な場合が多く、そのため先端が体内構造に合わせて自由に変形する能動カテーテル（例えば、非特許文献１参照。）、及び、体内挿入中にリアルタイムで血圧を測定する光ファイバ圧力センサ（例えば、非特許文献２参照。）が開発されている。
また、内視鏡を挿入する際の押し込む力を測定する機器（例えば、非特許文献３参照。）、及び、挿入特性に大きく関わる内視鏡自体の曲げこわさについても研究がなされている（例えば、非特許文献４参照。）。
【非特許文献１】郭書詳ら、能動カテーテルシステムに関する研究・他自由度カテーテルの構造、実験結果と動作特性の評価、日本ロボット学会誌1996、820-835
【非特許文献２】J.  A．Wehrmeyerら、Colonoscope flexural rigidity measurement Medical & Bilogical Engineering & Computing、July 1998、475-479
【非特許文献３】C．A．Mosseら、Device for measuring the forces exerted on thee shaft  of  an endoscope during colonescopy、Medical & Biological Engineering & Computing、March 1998、186-190
【非特許文献４】芳賀ら、カテーテル搭載用光ファイバ圧力センサ  計測と制御第39巻第4号  2000、292-295
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
カテーテルや内視鏡は使用に際して常に体内を過剰に刺激する危険性を有しているため、医師が安全に且つ迅速に治療を行なう上で体内でのカテーテルの状況を知ることが重要である。しかしながら現在のところ、医師がカテーテルの体内状況を知ることができる情報としては、カテーテル操作中に医師が感じるカテーテル根元における手応えとしての力情報と、カテーテル先端部からの体内管腔部画像により得られる視覚的情報が主であり、これらの情報のみではカテーテルを安全に操作するのは一般に困難である。  そこで、カテーテル先端部と体内壁との接触力やカテーテル先端部の全方位姿勢を計測するセンサの開発が進められているが、これらのセンサはカテーテル先端に取り付けられるため、治療用鉗子等の作業の妨げとなるおそれがあり、診断と治療が同時に行なえるカテーテルの利点を十分に活かすことが出来なかった。
【０００４】
本発明は、内視鏡やカテーテルの作業を考慮して内視鏡又はカテーテル等の先端と整合して中央に鉗子等が装入できる大きいセンターホールを有するとともに、カテーテル先端部と体内壁との接触力やカテーテル先端部等の全方位姿勢の計測が可能な３次元抗力センサを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するため本発明の３次元抗力センサは、内視鏡又はカテーテル等の先端に搭載するのに適したセンターホールを備えた３次元抗力センサにおいて、絶縁膜上に薄層抵抗材料から形成してなるひずみゲージをセンターホールの周囲に等間隔で３個以上配置してなることを特徴としている。
また、本発明の３次元抗力センサは、絶縁膜をポリイミド箔で形成することを特徴としている。
また、本発明の３次元抗力センサは、ひずみゲージを弾性薄板上に形成することを特徴としている。
また、本発明の３次元抗力センサは、ひずみゲージの上面に半球状の弾性体を装着することを特徴としている。
また、本発明の３次元抗力センサは、内視鏡又はカテーテル等の先端に搭載するのに適したセンターホールを備えた３次元抗力センサにおいて、内視鏡又はカテーテル等に接する側には弾性部材からなりセンターホールを有する基体を備え、該基体上面に貼り付けられたセンターホールを有する弾性薄板上に、絶縁膜上に薄層抵抗材料から形成してなるひずみゲージをセンターホールの周囲に等間隔で３個以上配置し、ひずみゲージの間に配したひずみゲージの厚さよりも厚い弾性薄板を介して基体上面の弾性薄板とひずみゲージの上方に位置する半球状の弾性体の下面に貼り付けられた弾性薄板とを接続してなることを特徴としている。
【発明の効果】
【０００６】
本発明の３次元抗力センサは、以下のような優れた効果を奏する。
（１）中央に鉗子等が装入できる大きいセンターホールを有することにより、内視鏡又はカテーテル等の先端に装着した場合にも、治療用鉗子等の作業の妨げとなる恐れがないため、診断と治療が同時に行なえる。
（２）ひずみゲージをセンターホールの周囲に等間隔で３個以上設けることにより、全方位姿勢の計測が可能になる。
（３）ひずみゲージを弾性薄板に貼り付けることにより、精度の良い計測ができる。
（４）ひずみゲージの上面に半球状の弾性体を装着することにより、診断又は治療の対象となる人体等の損傷を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明に係る３次元抗力センサを実施するための最良の形態を実施例に基づいて図面を参照して以下に説明する。  
【実施例】
【０００８】
図１は、３次元抗力センサの正面図を、また、図２は、図１のＡ−Ａ断面図を示したものである。なお、図１の上方の図は各部材を説明するため、組み立て前の状態を示しており、また、図１の下方の図は組み立て後の状態を示している。
図１において、３次元抗力センサ１は、内視鏡又はカテーテル２０等の先端に搭載するのに適したものであって、内視鏡又はカテーテル２０等の中央に形成された鉗子等が装入できる大きいセンターホールと整合するセンターホール２を備えている。本例においては、センターホール２の径は約８〜１２ｍｍである。
内視鏡又はカテーテル２０に接する側には、ゴム等の弾性材からなりセンターホール２を有する基体３を備え、基体３の上面にはセンターホール２を有する弾性薄板６が貼り付けられている。また、３次元抗力センサ１の先端側には、ゴム等の弾性材からなりセンターホール２を有する半球状の先端部材４を備え、先端部材４の底面には弾性薄板７が貼り付けられている。
【０００９】
図２に示すように、ひずみゲージ５は、センターホール２を中心にしてその周囲に等間隔で３個以上形成されるものであり、図２においては、ひずみゲージ５は１２０°間隔で３つのひずみゲージパターンを設けた一体型で作製され、これを基体３上面の弾性薄板６に接着剤を用いて貼り付けることで、それらの変形により先端に加わる力および方向を計測可能とする。
先端部材４は、ひずみゲージ５へ加わる力の伝達に影響を与えない硬度を持っており、先端部材４を経由して伝わった接触力によりひずみゲージ５の抵抗が変化し、抵抗変化をホイートストンブリッジならびに動ひずみアンプを用いて電気信号に変換することにより３軸方向の力を検出する。その際、ひずみゲージ５が貼り付けられた基体３上面の弾性薄板６及び先端部材４の底面の弾性薄板７により、ひずみが伝わりやすくなっている。弾性薄板６及び弾性薄板７の間には、小円形の３つの弾性薄板８が１２０°間隔で３つのひずみゲージパターンの間に等間隔で配置され、上下の弾性薄板に接着等により固定されている。弾性薄板８の厚さはひずみゲージ５の厚さよりも厚くなっており、先端部材４に作用する荷重は、その底面の弾性薄板７及び小円形の弾性薄板８を経由して基体３上面の弾性薄板６に作用し、該弾性薄板６に貼り付けられた３つのひずみゲージパターンに作用するようになっている。
弾性薄板６、７及び８の材料としては、例えば、銅板のような弾性を備えているものが望ましい。
また、基体３、弾性薄板６、弾性薄板７及び先端部材４に、予めセンターホール２を形成するように準備しておき、これらの部品を組み立てることによりセンターホール２を形成する。
【００１０】
次に、上記したひずみゲージパターンの作成プロセスの例を説明する。
図３は、リフトオフ法を用いてポリイミド箔上に作製したひずみゲージの作製プロセスを示したものである。
先ず、ポリイミド箔上にレジストを塗布する（図３（ａ））。
次に、パターニングを行い、パターン形成する（図３（ｂ））。
その後、Ｃｕ−Ｃｒ合金ターゲットを用い、スパッタ法によりＣｕ−Ｃｒ合金膜をレジスト上に一様に形成する（図３（ｃ））。
続いて、アセトン中でレジストと不用なＣｕ−Ｃｒ合金膜を除去し、目的のパターンを得る（図３（ｄ））。
なお、合金膜をレジスト上に形成する手段としては、スパッタ法に限らず、蒸着法等でも良く、その際の材料としてはＮｉ−Ｃｒ等、ひずみにより抵抗が変化する抵抗材料であれば良い。
【００１１】
図４は、ポリイミド箔上に作製した一体型ひずみゲージを示したものである。
この例では、ポリイミド箔上にパターンを形成したが、ポリイミド箔に限らず他のポリマー、ＳｉＯ２膜等、絶縁膜であれば良い。また、ひずみゲージのパターンが形成できる手法であれば、リソグラフィー以外、印刷法でも良い。さらに、弾性薄板６上に絶縁膜を形成し、その上にひずみゲージパターンを作製し、弾性薄板−絶縁膜−ひずみゲージを一体としても良い。
【００１２】
先端部材４を経由して伝わった接触力によりひずみゲージ５の抵抗変化をホイートストンブリッジ及び動ひずみアンプを用いて電気信号に変換することにより３軸方向の力を検出する手法について、図５に基づいて説明する。
センターホール２を中心にしてその周囲に１２０°間隔で３つのひずみゲージパターンを設けた一体型のひずみゲージ５の各ゲージ自体は抵抗体であり、３次元抗力センサが対象物と接触することにより、ひずみゲージI〜IIIは変形し、各々のその抵抗の大きさは微小であるが変化する。この抵抗変化をブリッジボックスを通すことにより、差動電圧として得ることが可能となる。この差動電圧は微小であるため、動ひずみアンプを用いて増幅することが必要となり、得られる各電圧値を用いコンピュータによる計算処理を行うことにより、加重ｐおよび角度φ、θを求めることができる。
【００１３】
図６及び図７は、接触状態の荷重ｐ及び角度φ、θを求める際の角度φ、θの関係を示すものであり、図６は正面図、図７は平面図である。  
今、図６及び図７に示すように、実験条件として対象面と３次元抗力センサ１は面接触とし、荷重Ｐは面接触の垂直方向から加わるように設置する。
対象面が３次元抗力センサ１に対してある角度で接触する場合はセンサを横から見たときの垂直線からの角度をφ、真上から見たときのゲージを基準とした角度をθと定義することで、対象面の接触位置を表すことが可能である。
以下に荷重ｐ (Ｎ)、角度θ (ｄｅｇ)、及び角度φ(ｄｅｇ)をそれぞれ変化させて３次元抗力センサ１の出力を測定し、その特性を調べることとする。
３つのゲージから得られる出力電圧はそれぞれ１２０°に近い位相差を持った正弦波形で近似でき、荷重ｐとφは正弦波の振幅に比例していることが分かっている。  よって、各センサからの出力と対象物との接触荷重ｐと接触角度θおよびφの関係は、実験的に求めた補正値である、振幅係数Ａｉ、位相αｉ、平均出力をＢｉの値を用いて以下のように表せる。
Ｙｉ＝Ａｉφｐｃｏｓ（θ＋αｉ）＋Ｂｉｐ
ｉ＝１〜３
【００１４】
上記の式を連立して解くことによりｐと接触角度θおよびφを求めることができる。  なお、計算は以下の手順の通りである。
Ｑ１＝Ａ３Ｂ１Ｂ２｛Ｂ３（Ｂ２Ｙ１−Ｂ１Ｙ２）＋Ｂ２（Ｂ１Ｙ３−Ｂ３Ｙ１）｝
Ｑ２＝Ａ１Ｂ２Ｂ３｛Ｂ３（Ｂ２Ｙ１−Ｂ１Ｙ２）＋Ｂ２（Ｂ１Ｙ３−Ｂ３Ｙ１）｝
Ｑ３＝Ａ２Ｂ１Ｂ３｛Ｂ３（Ｂ２Ｙ１−Ｂ１Ｙ２）＋Ｂ１（Ｂ３Ｙ２−Ｂ２Ｙ３）｝
Ｑ４＝Ａ３Ｂ１Ｂ２｛Ｂ３（Ｂ２Ｙ１−Ｂ１Ｙ２）＋Ｂ１（Ｂ３Ｙ２−Ｂ２Ｙ３）｝
Ｄ＝Ｑ４ｃｏｓα３−Ｑ３ｃｏｓα２−Ｑ２ｃｏｓα１＋Ｑ１ｃｏｓα３
Ｅ＝Ｑ１ｓｉｎα３−Ｑ２ｓｉｎα１−Ｑ３ｓｉｎα２＋Ｑ４ｓｉｎα３
とすると、
Θ＝ａｒｃｔａｎ｛Ｑ４ｃｏｓα３−Ｑ３ｃｏｓα２−Ｑ２ｃｏｓα１＋Ｑ１ｃｏｓα３／Ｑ１ｓｉｎα３−Ｑ２ｓｉｎα１−Ｑ３ｓｉｎα２＋Ｑ４ｓｉｎα３｝
Ｅ＜０のとき、            θ＝Θ＋１８０°
Ｄ＜０、Ｅ＞０のとき、    θ＝Θ＋３６０°
それ以外のとき、          θ＝Θ
求めたθを用い、ｐ、φを求めると、
ｐ＝Ａ２Ｙ１ｃｏｓ（θ＋α２）−Ａ１Ｙ２ｃｏｓ（θ＋α１）／Ａ２Ｂ１ｃｏｓ（θ＋α２）−Ａ１Ｂ２ｃｏｓ（θ＋α１）
φ＝Ｙ１−Ｂ１ｐ／Ａ１ｐｃｏｓ（θ＋α１）
【００１５】
以上のようにセンサ出力より連立方程式を解くことにより、接触条件ｐ、θおよびφを求めることが可能である。
そこで図６及びず７に示した方法で精度確認実験を行なった。実験方法は上記の特性測定と同様に行い、センサ出力から実験設定値を上記式から求め、設定値との誤差を求めた。得られた結果を表1に示す。結果より、誤差を伴うものの全てのセンサで荷重、角度の情報を特定することが可能であることが確認された。
【表１】
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【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施の形態に係る３次元抗力センサの正面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ矢視図である。
【図３】本発明の実施の形態に係るリフトオフ法を用いてポリイミド箔上に作製したひずみゲージの作製プロセスを示したものである。
【図４】本発明の実施の形態に係るポリイミド箔上に作製した一体型ひずみゲージを示したものである。
【図５】ひずみゲージの抵抗変化をホイートストンブリッジ及び動ひずみアンプを用いて電気信号に変換することにより３軸方向の力を検出する手法を説明した図である。
【図６】本発明の実施の形態に係る接触状態の荷重ｐ及び角度φ、θを求める際の角度φ、θの関係を示す正面図である。
【図７】本発明の実施の形態に係る接触状態の荷重ｐ及び角度φ、θを求める際の角度φ、θの関係を示す平面図である。
【符号の説明】
【００１７】
１    ３次元抗力センサ
２    センターホール
３    基体
４    先端部材
５    ひずみゲージ
６    弾性薄板
７    弾性薄板
８    小円形弾性薄板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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