(57)【要約】  エンドエフェクタに及ぼされる接触力を検出するように遠位端に小型力センサを備えるように構成されたアブレーションカテーテルシステム。力センサは、構造部材の反射部材に作動的に結合された光ファイバを備える。一実施形態では、光ファイバおよび反射部材は、変形可能な構造と協働して、接触力による構造部材の変形を感知する可変間隙干渉計を提供する。別の実施形態では、反射光の強度の変化が検出されて変形が測定される。そして、測定された変形を使用して、接触力ベクトルが計算される。いくつかの実施形態では、力センサは、本来誤った力指示をもたらす温度変化を受動的に補償するように構成される。他の実施形態では、本システムは、構造部材のいくつかの局所温度を測定することによって温度変化によってもたらされる誤った力指示を能動的に補償する。
2014517740.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
カテーテルの遠位チップで使用される力センサであって、
長手方向軸を画定し、
前記長手方向軸に沿って互いに隣接している第１セグメントおよび第２セグメントであって、前記第１セグメントおよび第２セグメントがそれらの間に第１溝穴を画定し、前記第１溝穴に第１撓み部が架け渡されている、第１セグメントおよび第２セグメントと、
前記長手方向軸に沿って前記第２セグメントに隣接する第３セグメントであって、前記第２セグメントおよび前記第３セグメントがそれらの間に第２溝穴を画定し、前記第２溝穴に第２撓み部が架け渡されている、第３セグメントと、
を備える構造部材と、
前記構造部材に作動的に結合された複数の光ファイバであって、前記複数の光ファイバの各々が遠位端を有し、前記遠位端が対応する反射部材に近接してそれらの間にそれぞれの間隙を画定し、前記反射部材が前記構造部材の第３セグメントから延在し、前記それぞれの間隙の各々が前記第２溝穴に近接して配置され、前記複数の光ファイバの各々が、前記それぞれの間隙を横切ってかつ前記対応する反射部材の上に光を放出するように向けられている、複数の光ファイバと、
を具備し、
前記構造部材が、前記カテーテルの遠位チップに及ぼされる力に応答して、前記それぞれの間隙のうちの少なくとも１つの寸法の変化をもたらすように構成されている、力センサ。
【請求項２】
前記複数の光ファイバの遠位端が、前記対応する反射部材から反射する光の少なくとも一部を収集するように適合されている、請求項１に記載の力センサ。
【請求項３】
前記構造部材が中空チューブである、請求項１に記載の力センサ。
【請求項４】
前記中空チューブが、長手方向軸に対して直交する平面において円形断面を有している、請求項３に記載の力センサ。
【請求項５】
前記複数の光ファイバが、少なくとも３個からなる、請求項１に記載の力センサ。
【請求項６】
前記第１撓み部が、長手方向軸に対して平行な第１曲げ軸に中心を置き、前記第２撓み部が、長手方向軸に対して平行な第２曲げ軸に中心を置き、前記第１曲げ軸、第２曲げ軸および長手方向軸が実質的に同一平面である、請求項１に記載の力センサ。
【請求項７】
前記それぞれの間隙の各々がファブリー−ペロー共振器である、請求項１に記載の力センサ。
【請求項８】
少なくとも２つの温度センサをさらに具備し、前記温度センサの各々が、前記構造部材の温度を検出するように構成され、前記少なくとも２つの温度センサのうちの第１温度センサが、前記第１撓み部と前記第２セグメントとの接触面に実質的に中心が置かれ、前記少なくとも２つの温度センサのうちの第２温度センサが、前記第２撓み部と前記第２セグメントとの接触面に実質的に中心が置かれている、請求項１に記載の力センサ。
【請求項９】
各撓み部に温度センサが備えられている、請求項１に記載の力センサ。
【請求項１０】
温度変化によってもたらされる前記それぞれの間隙の寸法の変化を受動的に補償する手段をさらに具備する、請求項１に記載の力センサ。
【請求項１１】
前記対応する反射部材が、前記光ファイバとは熱膨張係数が異なる材料を含む、請求項１に記載の力センサ。
【請求項１２】
前記対応する反射部材の材料が、金属ドープ光ファイバおよびサファイアファイバのうちの一方である、請求項１１に記載の力センサ。
【請求項１３】
前記複数の光ファイバが、前記第１セグメントに取り付けられ、前記第２セグメントを通過する、請求項１に記載の力センサ。
【請求項１４】
前記光ファイバのうちの少なくとも１つが、前記対応する反射部材に接続され、前記間隙が、前記光ファイバと前記対応する反射部材との間に画定される空洞によって画定されている、請求項１に記載の力センサ。
【請求項１５】
カテーテルの遠位チップで使用される力センサであって、
構造部材と、
複数の反射部材であって、各々が前記構造部材に取り付けられかつそこから延在し、各々が反射面を含む、複数の反射部材と、
複数の光ファイバであって、各々が前記複数の反射部材のうちの対応する１つと対にされ、各々が、前記複数の反射部材のうちの前記対応する１つの反射面に放射線を照射し、かつ、前記対応する反射部材の近位端から反射する光の少なくとも一部を収集するように向けられかつ適合され、各対になった光ファイバおよび反射部材がそれらの間に対応する間隙を画定する、複数の光ファイバと、
を具備し、
前記複数の反射部材が、前記複数の光ファイバの熱膨張係数とは熱膨張係数が異なる材料を含み、前記反射部材の熱膨張係数が、温度変化によってもたらされる、各対になった光ファイバと反射部材との間の対応する間隙の変化を受動的に補償するように選択されている、力センサ。
【請求項１６】
前記反射部材の熱膨張係数が、前記構造部材の熱膨張係数と異なる、請求項１５に記載の力センサ。
【請求項１７】
前記複数の光ファイバが、前記構造部材に取り付けられている、請求項１５に記載の力センサ。
【請求項１８】
前記構造部材が、長手方向軸を画定し、長手方向軸に沿って直列配置で連続して互いに隣接している複数のセグメントを備え、前記セグメントに、前記セグメントのうちの隣接するものの間に位置する撓み部が架け渡され、前記複数のセグメントが、複数の溝穴を画定し、前記複数の溝穴の各々が、前記複数のセグメントのうちの隣接するものの間に位置し、かつ、前記複数の溝穴の各々に、前記複数の撓み部のうちの対応する１つが架け渡されている、請求項１５に記載の力センサ。
【請求項１９】
前記対になった光ファイバおよび前記反射部材によって画定される対応する間隙が、前記複数の溝穴のうちの１つの中に位置している、請求項１８に記載の力センサ。
【請求項２０】
前記対になった光ファイバおよび前記反射部材によって画定される複数の対応する間隙が、前記複数の溝穴のうちの共通する１つの中に位置している、請求項１８に記載の力センサ。
【請求項２１】
前記構造部材が外面を有し、前記撓み部の各々が、前記構造部材の外面の一部を画定している、請求項１８に記載の力センサ。
【請求項２２】
前記複数の光ファイバの各々が、前記対応する反射部材の近位端の上に光を放出するように適合されている、請求項１５に記載の力センサ。
【請求項２３】
前記光ファイバのうちの少なくとも１つが、前記それぞれの反射部材と接続されており、前記間隙が、前記光ファイバとそれぞれの反射部材との間に画定された空洞によって画定されている、請求項１５に記載の力センサ。
【請求項２４】
前記複数の反射部材の近位端が、すべて前記複数の溝穴のうちの１つに近接し、前記複数の溝穴のうちの１つが前記複数の溝穴のうちの最も遠位の溝穴である、請求項１５に記載の力センサ。
【請求項２５】
前記複数の反射部材の近位端が、すべて前記複数の溝穴のうちの１つに近接し、前記複数の溝穴のうちの１つが前記複数の溝穴のうちの最も近位の溝穴である、請求項１５に記載の力センサ。
【請求項２６】
前記複数の反射部材および前記構造部材が、熱膨張係数が同じである、請求項２５に記載の力センサ。
【請求項２７】
前記複数の光ファイバが、前記複数のセグメントのうちの最も近位のセグメントに取り付けられ、かつ、前記対になった光ファイバおよび前記反射部材の対応する間隙が前記複数の溝穴のうちの最も近位の溝穴に近接するように延在している、請求項１５に記載の力センサ。
【請求項２８】
カテーテルの遠位チップで使用される力センサであって、
構造部材と、
複数の反射部材であって、各々が前記構造部材に取り付けられかつそこから延在し、各々が反射面を含む、複数の反射部材と、
複数の光ファイバであって、各々が前記複数の反射部材のうちの対応する１つと対にされ、各々が、前記複数の反射部材のうちの対応する１つの反射面に放射線を照射し、かつ、前記対応する反射部材の近位端から反射する光の少なくとも一部を収集するように向けられかつ適合され、各対になった光ファイバおよび反射部材がそれらの間に寸法を有する対応する間隙を画定する、複数の光ファイバと、
前記対応する間隙の寸法の各々に対する熱的に誘起される変化を補償する手段と、
を具備する力センサ。
【請求項２９】
前記補償する手段が受動手段である、請求項２８に記載の力センサ。
【請求項３０】
カテーテル用の力センサを製造する方法であって、
反射部材を有する構造部材を提供するステップと、
光ファイバの遠位端を前記反射部材と反対側に配置するステップであって、前記光ファイバおよび前記反射部材がそれらの間に距離を画定し、前記距離が、所定値の範囲内にあり、かつ、前記構造部材に及ぼされる力に応答する、ステップと、
を含み、
前記反射部材が、前記構造部材および前記反射部材に対する温度変化によってもたらされる前記光ファイバと前記反射部材との間の前記距離の変化を補償する熱膨張係数を有する、方法。
【請求項３１】
前記提供するステップで提供される反射部材が、前記構造部材に取り付けられる、請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
近位部分、遠位部分および中間部分を有する可撓性の長尺状のカテーテルアセンブリと、
前記カテーテルアセンブリの遠位部分に作動的に結合されたエンドエフェクタと、
前記カテーテルアセンブリの遠位部分に作動的に結合された光ファイバ力感知アセンブリであって、前記エンドエフェクタに及ぼされる接触力に応答する変位寸法を画定する構造部材を備える光ファイバ力感知アセンブリと、
前記変位寸法に対する熱的に誘起される変化を受動的に補償する手段と、
を具備するカテーテルシステム。
【請求項３３】
電源と、電磁波源と、データ収集デバイスと、前記長尺状のカテーテルアセンブリに作動的に結合された制御システムのうちの少なくとも１つをさらに具備する、請求項３２に記載のカテーテルシステム。
【請求項３４】
光ファイバ力感知アセンブリにおける熱的に誘起される誤差を能動的に補償する方法であって、
互いの間に隔離部を画定する第１セグメントおよび第２セグメントを備える構造部材を提供するステップであって、前記隔離部に可撓性部材が架け渡され、前記第２セグメントが反射部材を含む、ステップと、
遠位端を有する光ファイバを前記第１セグメントに取り付けるステップであって、前記遠位端が、前記遠位端と前記反射部材との間に間隙を画定するように向けられ、前記間隙が、前記遠位端から前記反射部材まで画定された間隙寸法を有する、ステップと、
前記可撓性部材に温度センサを備えるステップと、
を含む方法。
【請求項３５】
前記提供するステップで提供される可撓性部材と前記取り付けるステップで取り付けられる光ファイバとが、直径方向に対向する、請求項３４に記載の方法。
【請求項３６】
マイクロプロセッサに作動的に接続される温度感知モジュールを提供するステップであって、前記温度感知モジュールが前記温度センサから信号を受け取るように適合され、前記マイクロプロセッサがコンピュータ可読記憶デバイスに作動的に接続される、ステップと、
前記コンピュータ可読記憶デバイスを、前記マイクロプロセッサに対する命令を含むように構成するステップであって、前記命令が、
前記温度センサから受け取った信号に基づいて前記温度感知モジュールから情報を受け取る命令と、
前記情報に基づいて前記撓み部の温度変化を確定する命令であって、前記温度変化が基準温度に対するものである、命令と、
前記撓み部の温度変化に基づいて前記間隙寸法の変化を推測する命令と、
を含む、ステップと、
をさらに含む、請求項３４に記載の方法。
【請求項３７】
前記間隙寸法の変化を推測する命令が、公式Δδ＝α・δ・ΔＴに基づき、ここで、Δδが前記間隙寸法の変化であり、αが前記撓み部の熱膨張係数であり、δが前記基準温度における間隙寸法であり、ΔＴが前記温度変化である、請求項３６に記載の方法。
【請求項３８】
前記間隙寸法の変化を推測する命令が、公式Δδ＝Ψ・ΔＴに基づき、ここで、Δδが前記間隙寸法の変化であり、Ψが較正された関数であり、ΔＴが前記温度変化である、請求項３６に記載の方法。
【請求項３９】
Ψが定数である、請求項３８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
開示する発明は、概して、力ベクトルの大きさおよび方向を解析することができる力感知装置に関する。より詳細には、本発明は、ヒトまたは動物で使用されるカテーテルの位置決めに役立つ、またはロボット手術システムにおいてフィードバック要素としての役割を果たす、力感知チップに関する。
【背景技術】
【０００２】
長年、さまざまな器官または脈管の診査および治療は、カテーテルベースの診断システムおよび治療システムを使用して可能であった。こうしたカテーテルは、診査または治療される器官の腔に至る脈管を通して挿入され、または別法として、こうしたカテーテルを、器官の壁に作成された切開部を通して直接挿入することができる。このように、患者は、通常観血的処置に関連する外傷および長期の回復時間を回避する。
【０００３】
有効な診断または療法を提供するために、最初に、治療されるゾーンを高い精度でマッピングすることが必要であることが多い。こうしたマッピングを、たとえば、心房細動を治療するために心臓内の電流経路を選択的に焼灼することが望まれる場合に行うことができる。多くの場合、マッピング処置は、心周期を通して心臓の周期的な動きのために、治療されるゾーンの位置を特定することが困難であることによって複雑になる。
【０００４】
脈管または器官の内部をマッピングする以前より既知であるシステムは、たとえば（特許文献１）および（特許文献２）に記載されている。それらの特許に記載されているカテーテルは、電磁センサ、電気センサ、磁気センサまたは音響センサを使用して、カテーテルの遠位端の位置をマッピングし、その後、脈管または器官の内部の３次元視覚化を構築する。
【０００５】
こうした以前より知られているマッピングシステムの１つの欠点は、それらが、カテーテルが脈管または器官内に適切に配置された時を判断するために、カテーテルの手操作によるフィードバックおよび／またはインピーダンス測定に依存する、ということである。それらのシステムは、脈管または器官の壁との接触力を測定せず、または真の壁位置を変更する可能性がある、器官または脈管の壁に対してカテーテルによって加えられる接触力を検出しない。代りに、以前より知られているマッピング方法は、時間がかかり、臨床医の技能に依存し、過剰な接触力によってもたらされるアーチファクトを補償することができない。
【０００６】
脈管または器官のトポグラフィがマッピングされると、治療を行うために同じかまたは異なるカテーテルを採用することができる。脈管または器官に施される所定の治療に応じて、カテーテルは、限定されないがＲＦアブレーション電極、回転またははさみ式切断ヘッド、レーザアブレーションシステム、注射針または縫合針、流体搬送システム、鉗子、マニピュレータ、マッピング電極、内視鏡視覚システム、および遺伝学的注入装置（ｇｅｎｅｔｉｃ  ｉｍｐｒｅｇｎａｔｉｏｎ  ｄｅｖｉｃｅ）等の治療用送達システム等、複数のエンドエフェクタのうちのいずれかを備えることができる。例示的なシステムは、たとえば（特許文献３）、（特許文献４）、（特許文献５）、（特許文献６）および（特許文献７）に記載されている。
【０００７】
こうしたエンドエフェクタの有効性は、エンドエフェクタを器官または脈管の壁の組織に接触させることに依存することが多い。以前より知られている多くの治療システムは、カテーテルの遠位先端を組織に接触させて安定させる拡張可能なバスケットまたはフックを備えている。しかしながら、こうした構成は、器官または脈管の動きのために本質的に不正確である可能性がある。さらに、以前より知られているシステムは、組織壁の動きによってカテーテルの遠位先端に加えられる荷重を感知することができない。
【０００８】
たとえば、心臓アブレーションシステムの場合では、１つの極端な場合、治療システムのエンドエフェクタと組織壁と間に間隙が形成されることにより、その治療を効果的でないものとし、組織ゾーンを不適切に焼灼する可能性がある。反対の極端な場合、カテーテルのエンドエフェクタが組織壁に過剰な力で接触した場合、組織を不注意に穿刺し、心タンポナーデをもたらす可能性がある。
【０００９】
（特許文献８）は、機械式、容量式、誘導式および抵抗式の圧力感知装置を含む、組織面との接触から発生する力ベクトルを測定するいくつかの解決法を提案している。しかしながら、こうした装置の１つの欠点は、それらが比較的複雑であり、血液または他の液体が測定を妨げないようにするために封止されなければならないということである。さらに、こうした荷重感知装置により、カテーテルの遠位先端の挿入断面が増大する可能性がある。さらに、この特許文献に記載されているタイプのセンサは、電磁干渉を受け易い可能性がある。
【００１０】
医療環境におけるあり得る電磁干渉に対処するために以前より知られている１つの解決法は、電気計測システムではなく光に基づくシステムを使用することである。こうした光に基づく１つのシステムは、ボッセルマン（Ｂｏｓｓｅｌｍａｎ）の（特許文献９）に記載されており、それは、関節継手によって連結された一連の強固なリンクを備えた、手術を行うためのロボットシステムを記載している。関節継手には複数のブラッググレーティングが配置されており、それにより、各継手の曲げ角を、たとえば干渉計を用いてブラッググレーティングによって反射する光の波長の変化を測定することによって、光学的に求めることができる。
【００１１】
ブコルツ(Ｂｕｃｈｏｌｔｚ)の（特許文献１０）は、三組の光ファイバ歪みセンサにおいて測定された波長変化を使用して、カテーテルまたは他の医療器具の空間的な向きを計算する別の空間的向きシステムについて記載している。（特許文献１０）は、（特許文献９）にも記載されているように、歪みセンサを変形可能なシース内に入れることができることを開示しているが、曲げ角の計算は、変形可能なシースの材料特性の特徴付けを必要とするものとして記載されていない。
【００１２】
カテーテル技術における最近の進歩は、光ファイバ力センサを使用して、脈管または器官の内壁に接触して配置されたときのエンドエフェクタの遠位先端における反力を検出することを含んでいる。たとえば、（非特許文献１）は、ロボット手術システムにおいて、発生力フィードバックシステムを使用する三軸力センサについて記載している。この装置は、その遠位チップに隣接して配置された鏡面上に光を向ける複数の光ファイバを備えている。鏡面から反射する光の強度が測定され、その強度を、遠位チップに所定量の撓みを与えるために必要な力に相関させることができる。この文献は、構造を変形させる接触力に応答する光の強度の変化をもたらすために使用することができる可撓性かつ小型の構造について記載している。
【００１３】
レオ（Ｌｅｏ）らの（特許文献１１）は、カテーテルの遠位端に加えられる力ベクトル（大きさおよび方向）を解析する装置および方法を開示している。（特許文献１１）は、接触力を感知しないカテーテルによるものと同じ輪郭を本質的に維持し、かつ、電磁干渉に実質的に影響を受けないカテーテルにおける、光ファイバの歪み素子の使用を開示している。レオらの（特許文献１２）は、ファイバブラッググレーティング歪みセンサの変形を利用して、カテーテルのチップ上に発生する力を推測する力感知カテーテルシステムを開示している。アービー（Ａｅｂｙ）らの（特許文献１３）は、カテーテルの遠位端に与えられる力によってもたらされる撓みを隔離する変形可能な構造を有する３軸力センサを開示しており、そこでは、光ファイバは、照射するとともに変形可能な構造からの反射光を受け取り、受け取った反射光の強度は与えられる光に従って変化する。レオらの（特許文献１４）は、熱的に誘起される誤差を低減する較正技法を含む、温度変化によってもたらされる影響を能動的に補償する複数の温度センサを組み込んだ、光ファイバ接触感知カテーテルを開示している。レオらによる（特許文献１５）は、干渉計原理を利用して、歪み感知アセンブリの構造的変形を検出して力を推測する、光ファイバ接触感知カテーテルを開示している。レオらによる（特許文献１６）およびキスラー（Ｋｉｓｔｌｅｒ）らの（特許文献１７）は、接触力に応じて感度を向上させるように撓み部分を中心に回転可能に撓む構造的部材を有するカテーテルベースの力センサを開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】米国特許第６，５４６，２７１号明細書
【特許文献２】米国特許第６，２２６，５４２号明細書
【特許文献３】米国特許第６，１２０，５２０号明細書
【特許文献４】米国特許第６，１０２，９２６号明細書
【特許文献５】米国特許第５，５７５，７８７号明細書
【特許文献６】米国特許第５，４０９，０００号明細書
【特許文献７】米国特許第５，４２３，８０７号明細書
【特許文献８】米国特許第６，６９５，８０８号明細書
【特許文献９】米国特許第６，４７０，２０５号明細書
【特許文献１０】国際公開第０１／３３１６５号
【特許文献１１】国際公開第２００７／０１５１３９号
【特許文献１２】米国特許第８，０７５，４９８号明細書
【特許文献１３】米国特許第８，０４８，０６３号明細書
【特許文献１４】米国特許出願公開第２００９／０２８７０９２号明細書
【特許文献１５】米国特許第８，１５７，７８９号明細書
【特許文献１６】国際公開第２０１０／０７９４１８号
【特許文献１７】国際公開第２００９／１１４９５５号
【非特許文献】
【００１５】
【非特許文献１】ジェイ．ピアーズ（Ｊ．Ｐｅｉｒｓ）ら、「低侵襲ロボット手術中の力フィードバック用の光学力センサの設計（Ｄｅｓｉｇｎ  ｏｆ  ａｎ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｆｏｒｃｅ  Ｓｅｎｓｏｒ  ｆｏｒ  Ｆｏｒｃｅ  Ｆｅｅｄｂａｃｋ  ｄｕｒｉｎｇ  Ｍｉｎｉｍａｌｌｙ  Ｉｎｖａｓｉｖｅ  Ｒｏｂｏｔｉｃ  Ｓｕｒｇｅｒｙ）」、ベルギー国ルーヴァン・カソリック大学（Ｋａｔｈｏｌｉｅｋｅ  Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｅｉｔ  Ｌｅｕｖｅｎ）発行
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
（特許文献１７）は、（特許文献１１、１２、１４、１５、１６）によって開示された装置より小型にすることができる設計を提示しているが、熱的に誘起される誤差および非均一な（方向に依存する）感度という問題がある。さらに、（特許文献１３）の３軸力センサは、所望の隔離効果を達成するために複雑な機械加工および製造を伴う傾向がある。
【００１７】
したがって、装置の遠位先端に加えられる荷重の感知を可能にするが、装置の挿入断面を実質的に増大させない、カテーテルまたはガイドワイヤ等の診断および治療装置を提供することが望ましい。装置の遠位先端に加えられる力の計算を可能にし、かつ、電磁干渉に実質的に影響されない、カテーテルおよびガイドワイヤ等の診断および治療装置を提供することがさらに望ましい。小型であること、高感度（高分解能）および温度変化に対する相対的な非感受性を組み合わせ、一方ですべてが比較的製造が容易である、光ファイバ接触感知カテーテルは、低侵襲手術の分野において歓迎される進歩である。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明のさまざまな実施形態は、エンドエフェクタに与えられる接触力を検出するように遠位端に小型力センサを備えるように構成されたカテーテルシステムを含む。一実施形態では、従来技術の小型設計に対して、感度が上昇するとともにより均一となる。アブレーションの用途の場合、力センサの温度ドリフトは２０ケルビンに達する可能性がある。したがって、いくつかの実施形態では、力センサは、誤った力指示を制限するようにこれらの温度変化を受動的に補償するように構成されている。他の実施形態では、本システムは、力センサのいくつかの局所温度を測定することによって力センサの温度変化によってもたらされる誤った力指示を能動的に補償する。
【００１９】
（特許文献１５）は、構造部材の熱膨張係数（ＣＴＥ：ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ  ｏｆ  ｔｈｅｒｍａｌ  ｅｘｐａｎｓｉｏｎ）を光ファイバのＣＴＥと整合させることにより、温度変化に実質的に影響を受けない力センサを開示している。（特許文献１５）はまた、加えられる遠位端力による検出された撓みを機械的に増幅する力センサの構成も開示しており、それにより力センサの感度が向上する。
【００２０】
（特許文献１６）および特に（特許文献１７）は、（特許文献１５）の力センサより小型とすることができ、接触力に対する感度が概して（特許文献１５）と同じである、力センサを開示している。小型であることにより、標的部位までおよび標的部位における両方において操縦性が向上する。しかしながら、構成材料のために、（特許文献１７）の装置および（特許文献１６）の装置は、（特許文献１５）の装置より大きい熱的に誘起される誤差を受け易い。（特許文献１７）によって開示されている装置はまた、感知素子間で感度が不均等である傾向もあり、すなわち、単位力当りの１つの感知素子における変位が、別の感知素子における変位と異なる。これにより、異なる感度と、力の向きによって決まる、付随する不確実性とがもたらされる可能性がある。
【００２１】
本明細書に開示する本発明の実施形態は、熱的に誘起される誤差を低減する一方で（特許文献１７）の装置の小型性を可能にする。いくつかの実施形態は、力感知素子間のより均一な応答を提供する。
【００２２】
構造的に、さまざまな実施形態において、力センサは、間に溝穴を画定する軸方向に位置合せされたセグメントを有する構造部材を備え、各溝穴には撓み部（ｆｌｅｘｕｒｅ）が架け渡されている。構造部材の遠位に加えられる接触力に応答して、構造部材は撓み部の周囲で撓み、溝穴の寸法を変化させる。複数の光ファイバが構造部材に、所与のファイバの遠位端が所与の溝穴に近接するように取り付けられている。複数の反射部材が、光ファイバの遠位端に対向するように配置され、各反射部材は、光ファイバのうちの対応する１つと、間に間隙を画定するように対向している。間隙は、接触力に応じて溝穴寸法の変化と一致して変化する複数の干渉計型空洞（ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｉｃ  ｃａｖｉｔｙ）を形成する。
【００２３】
一実施形態では、カテーテルの遠位チップで使用される力センサは、長手方向軸を画定し、かつ、長手方向軸に沿って互いに隣接している第１セグメントおよび第２セグメントを備え、第１セグメントおよび第２セグメントが、それらの間に、第１撓み部が架け渡されている第１溝穴を画定する、構造部材を備えている。第３セグメントが、長手方向軸に沿って第２セグメントに隣接し、第２セグメントおよび第３セグメントは、それらの間に第２溝穴を画定し、第２溝穴に第２撓み部が架け渡されている。複数の光ファイバが、構造部材に作動的に結合され、複数の光ファイバの各々は遠位端を有し、遠位端は、対応する反射部材に近接してそれらの間にそれぞれの間隙を画定している。反射部材は、構造部材の第３セグメントから延在している。一実施形態では、それぞれの間隙の各々は、第２溝穴に近接して配置され、複数の光ファイバの各々は、それぞれの間隙を横切ってかつ対応する反射部材の上に光を放出するように向けられている。光ファイバを、第１セグメントに取り付けることができ、光ファイバは、第２セグメントを通過することができる。構造部材を、カテーテルの遠位チップに及ぼされる力に応答して、それぞれの間隙のうちの少なくとも１つの寸法の変化をもたらすように構成することができる。複数の光ファイバの遠位端を、対応する反射部材から反射する光の少なくとも一部を収集するように適合させることができる。一実施形態では、構造部材は、長手方向軸に対して直交する平面において円形断面を有することができる中空チューブである。複数の光ファイバは、少なくとも３個からなり得る。一実施形態では、それぞれの間隙のファブリー−ペロー共振器である。
【００２４】
力センサの第１撓み部を、長手方向軸に対して平行な第１曲げ軸に中心を置くことができ、第２撓み部は、長手方向軸に対して平行な第２曲げ軸に中心を置く。一実施形態では、第１曲げ軸、第２曲げ軸および長手方向軸が実質的に同一平面である。
【００２５】
本発明のいくつかの実施形態は、対応する反射部材に接続される（ｓｐｌｉｃｅｄ）光ファイバのうちの少なくとも１つを含み、間隙は、光ファイバと対応する反射部材との間に画定される空洞によって画定されている。
【００２６】
さまざまな実施形態は、「能動」温度補償を実施し、そこでは、構造部材の温度は、熱膨張／収縮の影響を確定する目的で測定される。これらの実施形態は、少なくとも２つの温度センサを含むことができ、温度センサは各々、構造部材の温度を検出するように構成される。一実施形態では、少なくとも２つの温度センサのうちの第１温度センサは、第１撓み部および第２セグメントの接触面に実質的に中心を置き、少なくとも２つの温度センサのうちの第２温度センサは、第２撓み部と第２セグメントとの接触面に実質的に中心が置かれている。一実施形態では、各撓み部に温度センサが備えられている。
【００２７】
他の実施形態は、身体の温度を測定することなく温度変化によってもたらされるそれぞれの間隙の寸法の変化を受動的に補償する手段を含む、「受動」温度補償を実施する。いくつかの実施形態では、受動補償カテーテルシステムは、近位部分、遠位部分および中間部分を有する可撓性の細長いカテーテルアセンブリを備えている。エンドエフェクタを、カテーテルアセンブリの遠位部分に作動的に結合することができる。光ファイバ力感知アセンブリが、カテーテルアセンブリの遠位部分に作動的に結合されており、光ファイバ力感知アセンブリは、エンドエフェクタに及ぼされる接触力に応答する変位寸法を画定する構造部材を備えている。本システムはまた、電源と、電磁波源と、データ収集デバイスと、細長いカテーテルアセンブリに作動的に結合された制御システムとのうちの少なくとも１つをさらに備えることができる。
【００２８】
いくつかの受動温度補償実施形態は、熱膨張係数が光ファイバとは異なる材料を含む対応する反射部材を含む。対応する反射部材の材料を、金属ドープ光ファイバおよびサファイアファイバのうちの一方とすることができる。
【００２９】
一実施形態では、受動補償力感知アセンブリは、構造部材と、複数の反射部材であって、各々が構造部材に取り付けられかつそこから延在し、各々が反射面を含む、複数の反射部材と、複数の光ファイバであって、各々が複数の反射部材のうちの対応する１つと対にされ、各々が、複数の反射部材のうちの対応する１つの反射面に放射線を照射し、かつ、対応する反射部材の近位端から反射する光の少なくとも一部を収集するように向けられかつ適合され、各対になった光ファイバおよび反射部材がそれらの間に対応する間隙を画定する、複数の光ファイバとを備えている。複数の反射部材は、熱膨張係数が複数の光ファイバの熱膨張係数とは異なる材料を含み、反射部材の熱膨張係数は、温度変化によってもたらされる、各対になった光ファイバと反射部材との間の対応する間隙の変化を受動的に補償するように選択されている。複数の光ファイバを構造部材に取り付けることができ、複数の光ファイバは、熱膨張係数が構造部材とは異なる材料を含むことができる。
【００３０】
さまざまな実施形態では、構造部材は、長手方向軸を画定し、長手方向軸に沿って直列配置で連続して互いに隣接している複数のセグメントを備え、セグメントに、セグメントのうちの隣接するものの間に位置する撓み部が架け渡されている。複数のセグメントは、複数の溝穴を画定し、複数の溝穴の各々は、複数のセグメントのうちの隣接するものの間に位置し、かつ、複数の溝穴の各々に、複数の撓み部のうちの対応する１つが架け渡されている。構造部材は外面を有し、一実施形態では、撓み部の各々は構造部材の外面の一部を画定している。
【００３１】
一実施形態では、対になった光ファイバおよび反射部材によって画定される対応する間隙は、複数の溝穴のうちの１つの中に位置している。さまざまな実施形態では、対になった光ファイバおよび反射部材によって画定される複数の対応する間隙は、複数の溝穴のうちの共通する１つの中に位置している。複数の反射部材を、すべて複数の溝穴のうちの１つの近接させることができ、複数の溝穴のうちの１つは複数の溝穴のうちの最も遠位の溝穴である。
【００３２】
別法として、複数の溝穴のうちの１つを複数の溝穴のうちの最も遠位の溝穴とすることができ、複数の反射部材および構造部材は、同じ熱膨張係数を有することができる。複数の光ファイバを、複数のセグメントのうちの最も近位のセグメントに取り付けることも可能であり、複数の光ファイバは、対になった光ファイバおよび反射部材の対応する間隙が複数の溝穴のうちの最も近位の溝穴に近接するように延在することができる。複数の光ファイバの各々を、対応する反射部材の近位端の上に光を放出するように適合させることができる。
【００３３】
別の実施形態では、カテーテル用の力センサを製造する方法は、反射部材を有する構造部材を提供するステップと、光ファイバの遠位端を反射部材と反対側に配置するステップとを含む。光ファイバおよび前記反射部材はそれらに間に距離を画定し、距離は、所定値の範囲内にあり、かつ、構造部材に及ぼされる力に応答する。反射部材は、構造部材および反射部材に対する温度変化によってもたらされる光ファイバと反射部材との間の距離の変化を補償する熱膨張係数を有することができる。
【００３４】
一実施形態では、光ファイバ力感知アセンブリにおける熱的に誘起される誤差を能動的に補償する方法は、互いの間に隔離部を画定する第１セグメントおよび第２セグメントを備える構造部材を提供するステップであって、隔離部に可撓性部材が架け渡され、第２セグメントが反射部材を含む、ステップを含む。遠位端を有する光ファイバが、第１セグメントに取り付けられ、遠位端は、遠位端と反射部材との間に間隙を画定するように向けられる。一実施形態では、可撓性部材および取り付けられた光ファイバは、直径方向に対向している。可撓性部材に温度センサを備えることができる。一実施形態では、マイクプロセッサが作動的に結合された温度感知モジュールが提供され、温度感知モジュールは、温度センサから信号を受け取るように適合され、マイクロプロセッサは、コンピュータ可読記憶デバイスに作動的に接続される。コンピュータ可読記憶デバイスを、マイクロプロセッサに対する命令を含むように構成することができ、命令は以下を含む。
・温度センサから受け取った信号に基づいて温度感知モジュールから情報を受け取る命令、
・情報に基づいて撓み部の温度変化を確定する命令であって、温度変化が基準温度に対するものである、命令、および
・撓み部の温度変化に基づいて間隙寸法の変化を推測する命令。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の実施形態における歪み感知システムのブロック図。
【図２Ａ】本発明の実施形態における干渉計型光ファイバセンサの概略図。
【図２Ｂ】本発明の実施形態における強度可変光ファイバセンサの概略図。
【図３】本発明の実施形態における光ファイバ力感知アセンブリを有するカテーテルアセンブリの遠位部分の部分切取図。
【図４】本発明の実施形態における光ファイバ感知アセンブリの拡大斜視図。
【図５】図４の光ファイバ力感知アセンブリの立面図。
【図６Ａ】図５の力感知アセンブリの干渉計型間隙の部分拡大図。
【図６Ｂ】本発明の実施形態における光ファイバ力感知アセンブリの固有干渉計型間隙の部分拡大図。
【図６Ｃ】本発明の実施形態における力感知アセンブリの干渉計型間隙の部分拡大図。
【図７】図５の光ファイバ力感知アセンブリの断面図。
【図８】図５の光ファイバ力感知アセンブリの断面図。
【図９】図５の光ファイバ力感知アセンブリの断面図。
【図１０】図５の光ファイバ力感知アセンブリの断面図。
【図１１】本発明の実施形態における円形セグメントを画定する撓み部の拡大断面図。
【図１２Ａ】軸方向荷重下での図５の光ファイバ力感知アセンブリの撓みを示す図。
【図１２Ｂ】横方向荷重下での図５の光ファイバ力感知アセンブリの撓みを示す図。
【図１３】本発明の実施形態における光ファイバ力感知アセンブリの拡大斜視図。
【図１３Ａ】図１３の力感知アセンブリの断面図。
【図１３Ｂ】図１３の力感知アセンブリの断面図。
【図１４】本発明の第３実施形態における光ファイバ力感知アセンブリの拡大斜視図。
【図１４Ａ】図１４の力感知アセンブリの断面図。
【図１４Ｂ】図１４の力感知アセンブリの断面図。
【図１５】本発明の実施形態における光ファイバ力感知アセンブリの断面図。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
図１を参照すると、本発明による変位感知システム４０の実施形態が示されている。変位感知システム４０は、電磁波源４２、カプラ４４、受信器４６、マイクロプロセッサ４８およびコンピュータ可読記憶デバイス４９に作動的に結合されたオペレータコンソール４７を備えることができる。電磁波源４２は、レーザまたは広帯域光源等、本来はほぼ定常状態である電磁放射線の透過放射線５０を出力する。光ファイバケーブル等の伝送線路５２が、透過放射線５０をカプラ４４に伝達し、カプラ４４は、送信／受信線路５４を介して、かつ、可撓性の長尺状のカテーテルアセンブリ５７内に収容された光ファイバ素子５３（図２Ａ）を介して、光ファイバ感知素子６０に向ける。カテーテルアセンブリ５７の光ファイバ素子５３および送信／受信線路５４を、図１に示すようにコネクタ５６を介して結合することができる。
【００３７】
カテーテルアセンブリ５７は、身体の脈管または器官内に挿入されるのに適している幅および長さを有することができる。一実施形態では、カテーテルアセンブリ５７は、近位部分５７ａ、中間部分５７ｂおよび遠位部分５７ｃを備えている。遠位部分５７ｃは、光ファイバ感知素子６０を収容するエンドエフェクタ５８を含むことができる。カテーテルアセンブリ５７は、用途に応じて、中空構造である（すなわち内腔を有する）か、または非中空構造である（すなわち内腔を有さない）であり得る。本発明のさまざまな実施形態では、カテーテルアセンブリ５７は、エンドエフェクタ５８に及ぼされる接触力に応答する間隙５５を含む。
【００３８】
一実施形態では、カテーテルアセンブリ５７内に、コネクタ５６を出るリード線６４を備えた温度センサ６２（図２Ａ）が通されている。リード線６４を、温度感知モジュール６６まで通すことができ、温度感知モジュール６６は、温度センサ６２から受信した信号を調整し、それをデジタル信号６８に変換する。そして、デジタル信号６８を、処理するためにマイクロプロセッサ４８まで送ることができる。
【００３９】
図２Ａを参照すると、干渉計型光ファイバ感知素子６０ａが、本発明の実施形態における光ファイバ感知素子６０として示されている。この実施形態では、透過放射線５０は、構造部材７２によって画定されている干渉計型間隙５５ａに入る。一実施形態では、温度センサ６２は、構造部材７２の温度を感知するように構成されている。干渉計型間隙５５ａに入る放射線の一部は、カテーテルアセンブリ５７の光ファイバ素子５３に反射放射線７４として戻され、反射放射線７４は、たとえばファブリー−ペロー（Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ）共振器の多重干渉原理によって生成される変調波形７４ａを画定する。干渉計原理のさらなる考察は、下の図６Ａの考察に付随して行う。
【００４０】
図２Ｂを参照すると、強度可変光ファイバ感知構成６０ｂが、本発明の実施形態における光ファイバ感知素子６０として示されている。この実施形態では、透過放射線５０は強度可変間隙５５ｂに入り、その透過放射線５０の一部は、光ファイバ素子５３に戻るように反射する。光ファイバ素子５３によって受け取られた反射放射線７４ｂの強度は、強度可変間隙５５ｂの寸法と反比例して変化する。
【００４１】
反射放射線７４を、送信／受信線路５４を介して受信器４６に戻るように伝送することができる。変位感知システム４０は、１０Ｈｚの例示的かつ非限定的な割合で変位感知素子６０に問合せすることができる。受信器４６は、間隙５５の寸法に対応する反射放射線７４の特徴（すなわち、変調波形７４ａの周波数または反射光７４ｂの強度）を検出するように選択される。受信器４６は、入ってくる反射放射線７４を操作しかつ／またはマイクロプロセッサ４８によって処理されるようにデジタル信号に変換する。
【００４２】
図３を参照すると、本発明の実施形態における、アブレーションヘッド９０を備えかつ光ファイバ力感知アセンブリ９２を含むエンドエフェクタ８８の例が示されている。光ファイバ力感知アセンブリ９２を、たとえば、遠位先端９４が身体の脈管または器官の壁に接触するとき、エンドエフェクタ８８の遠位先端９４にかけられる接触力Ｆに応答して撓む多セグメント化構造部材９６として構成することができる。
【００４３】
本発明により、脈管または器官の診断または治療に対して本技術分野において既知であるような、種々の種類の１つまたは複数のエンドエフェクタ５８、たとえばマッピング電極またはアブレーション電極を利用することができる。たとえば、カテーテルアセンブリ５７を、心臓マッピングおよびアブレーションを行うための電気生理学カテーテルとして構成することができる。他の実施形態では、カテーテルアセンブリ５７を、脈管または器官の壁に薬剤または生物活性剤を送達するように、または経心筋的血行再建術あるいは冷凍アブレーション等の低侵襲処置を行うように構成することができる。
【００４４】
図４〜図１１を参照すると、本発明の実施形態における、４セグメント構造部材１０２および複数の光ファイバ１０４を含む光ファイバ力感知アセンブリ９８ａが示されている。この実施形態では、４セグメント構造部材１０２は長手方向軸１１０を画定し、外面１１２を有している。４セグメント構造部材１０２は、近位セグメント１１８、第１中間セグメント１２０、第２中間セグメント１２２および遠位セグメント１２４として識別される４つのセグメントに分割されている。セグメント１１６は、長手方向軸１１０に沿って直列配置で連続し互いに隣接している。
【００４５】
一実施形態では、セグメント１１６には、個々に撓み部１２８ａ，１２８ｂ，１２８ｃとして識別される複数の撓み部１２８が架け渡されており、それにより、複数の曲げ軸１３０、個々に曲げ軸１３０ａ，１３０ｂ，１３０ｃ（図７、図８および図９に最もよく示す）が画定されている。一実施形態では、セグメント１１６の隣接する部材は複数の溝穴１３６を画定し、溝穴１３６は各々、離隔寸法１３８を有し、各々、近位面１３９および遠位面１４０（図６Ａ）を画定している。明確にするために、溝穴１３６および離隔寸法１３８は、それぞれ、１３６ａ〜１３６ｃおよび１３８ａ〜１３８ｃとして識別される。隔離寸法１３８ａ，１３８ｂ，１３８ｃを、（図示するように）およそ同じ大きさとするか、または異なる大きさ（図示せず）とすることができる。各溝穴１３６は、図５においてそれぞれ１３９ａ〜１３９ｃおよび１４０ａ〜１４０ｃとして示されている、それ自体の近位面１３９および遠位面１４０を画定している。
【００４６】
４セグメント構造部材１０２は、外面１１２に（溝１４２ａ，１４２ｂ，１４２ｃとして識別される）複数の溝１４２が形成され得る。溝１４２を、長手方向軸１１０を中心に回転方向に（ｒｏｔａｔｉｏｎａｌｌｙ）等距離に間隔を空ける（たとえば、３ファイバシステムの場合、１２０°間隔を空ける）ことができ、４セグメント構造部材１０２に沿って実質的に軸方向に向けることができる。
【００４７】
（光ファイバ１０４ａ，１０４ｂ，１０４ｃとして識別される）光ファイバ１０４は、（それぞれ１４８ａ〜１４８ｃおよび１５０ａ〜１５０ｃとして識別される）複数の光伝播軸１４８および遠位端１５０を画定している。光ファイバ１０４は、溝１４２内に配置され、遠位端１５０が溝穴１３６の近位面１３９に近接して終端するように、光ファイバ１０４を溝１４２にエポキシ樹脂等のポッティング１４４を用いて取り付けることができる（図６Ａ）。別法としてまたはポッティング１４４に加えて、光ファイバ１０４を４セグメント構造部材１０２に圧入するかまたは他の方法で締結することができる。光ファイバ１０４を、問合せがなされるそれぞれの溝穴１３６に隣接するセグメント１１６に接合することができる。たとえば、光ファイバ１０４ｂを、中間セグメント１２２に形成されている溝１４２ｂの一部の中で取り付けることができる。光ファイバ１０４ｂの残りの部分を、溝１４２ｂの残りの部分の中で自由に摺動するままにすることができ、それにより、光ファイバ１０４ｂは、光ファイバ力感知アセンブリ９８ａの可撓性を阻止する、隣接するセグメントの間の構造的橋を形成しない。
【００４８】
再び図６Ａを参照すると、光ファイバ１０４ａは、溝１４２ａに沿って延在し、溝穴１３６ａの近位面１３９に近接して終端することができる。同様に、光ファイバ１０４ａ，１０４ｂは、それぞれ溝１４２ｂ，１４２ｃに沿って延在し、それぞれ溝穴１３６ｂ，１３６ｃに近接して終端することができる。一実施形態では、各々（近位端１５２ａ，１５２ｂ，１５２ｃとして識別される）近位端１５２を有している（反射部材１５１ａ，１５１ｂ，１５１ｃとして識別される）反射部材１５１が、近位端１５２が所与の溝穴１３６の遠位面１４０に近接するように配置されている。反射部材１５１の各々は、複数の光ファイバ１０４の対応する１つと対にされ、その遠位端１５０に実質的に位置合せされている。（間隙１５３ａ，１５３ｂ，１５３ｃとして識別される）複数の間隙１５３が、１つがそれぞれの光ファイバ１０４の各遠位端１５０と反射部材１５１の近位端１５２との間にあるように画定されている。
【００４９】
所与の平面１３９または平面１４０に「近接している」とは、請求項に記載の発明の目的で、それら平面のうちの他方より一方に近いが、その平面と必ずしも同一平面ではないものとして定義される。たとえば、遠位端１５０ａは、近位面１３９ａと同一平面であるか、近位面１３９ａからわずかに引っ込んでいるかまたは近位面１３９ａをわずかに超えて延在しており（それを図６Ａに示す）、かつ、遠位面１４０ａより近位面１３９ａに近い場合、近位面１３９ａと「近接している」と言われる。同様に、反射部材１５１ａの近位端１５２ａは、遠位面１４０ａと同一平面であるか、遠位面１４０ａに対してわずかに遠位であるかまたはわずかに近位に延在しており（この場合もまた、図６Ａに示す）、かつ、近位面１３９ａより遠位面１４０ａに近い場合、遠位面１４０ａに「近接している」。
【００５０】
間隙１５３を、たとえば干渉計型とするかまたは強度可変とすることができる。本明細書で用いる「干渉計型間隙」は、マイケルソン（Ｍｉｃｈｅｌｓｏｎ）干渉計またはファブリー−ペロー共振器に見られるような干渉計型共振器（ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｉｃ  ｒｅｓｏｎａｔｏｒ）の属性を有する間隙である。同様に、本明細書で用いる「間隙干渉計」は、干渉計型間隙を利用して干渉パターンを生成する干渉計である。「強度可変間隙」は、間隙の寸法に反比例して変化する反射強度を取り込むように構成された間隙である。
【００５１】
間隙１５３を、光ファイバ１０４の遠位端１５０と反射部材１５１のそれぞれの近位端１５２との間の距離として画定される寸法または作動長δ（図６Ａでは間隙１５３ａに対してδａが示されている）を有しているように特徴付けることができる。作動長δは、それぞれの溝穴１３６の寸法とは異なる可能性があり、各溝穴１３６に対して異なる可能性がある。作動長δは、光ファイバ１０４を通して戻される反射放射線の特徴（すなわち、反射放射線の干渉パターンの周波数または強度）を確立する。遠位端１５０を半反射面またはコーティング１５５で表面仕上げすることができ、半反射面またはコーティング１５５は、高反射面またはコーティング１５４から反射する光の一部を再反射すると同時に、変位感知システム４０によって検出されるように反射光の残りの部分をその半反射面またはコーティング１５５を通して実質的に透過させる。いくつかの実施形態では、高反射面１５４にはコーティングが不要であるが、反射部材１５１の材料によって提供することができる。
【００５２】
図６Ａの光ファイバ１０４ａは、遠位端１５０ａと光ファイバ１０４を溝１４２ａに取り付けるポッティング１４４との間の距離として定義される自由長ＬＦＯを有するものとして示されている。同様に、反射部材１５１ａは、近位端１５２ａと反射部材１５１ａを溝１４２ａに取り付けるポッティング１４４との間の距離として定義される自由長ＬＲＭを有するものとして示されている。本明細書では、ポッティング１４４間の距離を、総距離ＬＴＯＴと呼ぶ。いくつかの実施形態では、ポッティング１４４間の総距離ＬＴＯＴは、溝穴１３６の寸法に実質的に等しくなる。すなわち、ポッティング１４４は、近位面１３９および遠位面１４０と同一平面になる。寸法ＬＴＯＴ、ＬＲＭおよびＬＦＯは、各光ファイバ／反射部材対１０４ａ／１５１ａ、１０４ｂ／１５１ｂおよび１０４ｃ／１５１ｃに対して異なる可能性がある。
【００５３】
上述した構成により、光ファイバ１０４の光伝播軸１４８の各々は、対になった反射部材１５１の近位端１５２と一致している。たとえば、図６Ａに示すように、光伝播軸１４８ａは、反射部材１５１ａの近位端１５２ａによって範囲が定められている。反射部材１５１の近位端１５２をより高反射性とすることができる。一方、光ファイバ１０４の遠位端１５０を、ファブリー−ペロー効果を確立するように部分的にのみ反射性とすることができる。電磁放射線が光ファイバ１０４を通って伝送されるとき、反射部材１５１の高反射近位端１５２と光ファイバ１０４の部分的に反射性の遠位端との間の相互作用により、それらの間に相互反射がもたらされ、したがって、間隙１５３の寸法によって決まる周波数を有する干渉パターンが確立される。結果としての変調波形７４ａは、図１および図２に付随する考察において説明したように、光ファイバ１０４を通して戻るように伝送される。
【００５４】
別の実施形態では、光ファイバ１０４の遠位端１５０は、半反射コーティングで処理されておらず、実際には、遠位端１５０を、反射防止コーティング（図示せず）で処理することができる。こうした構成により、光ファイバ５３（図１）を介して受信器４６に戻される反射放射線の強度を増大させるかまたは最適化することができる。間隙１５３のサイズを、受信器４６によって検出されるように戻される反射光の強度から推測することができる。所与の光ファイバ１０４によって収集される反射光の強度は、遠位端１５０と反射部材１５１の反射面１５４近位端１５２との間の距離によって変化する可能性がある。
【００５５】
ここで図６Ｂを参照すると、本発明の実施形態において、光ファイバ力感知アセンブリ９８ｃが、固有干渉計型空洞１５８を備えた接続された光ファイバ（ａｓｐｌｉｃｅｄ  ｆｉｂｅｒ  ｏｐｔｉｃ）１５７を有するものとして描かれている。光ファイバ力感知アセンブリ９８ｃは、力感知アセンブリ９８ａと同じ態様のうちの多くを含み、それらは、同様の番号が付された参照番号によって識別される。図６Ｂの記述は、光ファイバ１０４のコア１０４ｘおよびクラッド１０４ｙをともに描いている。
【００５６】
接続された光ファイバ１５７は、光ファイバ１０４および反射部材１５１を含むが、非接触端の間に間隙が画定される代りに、光ファイバ１０４の遠位端１５０と反射部材１５１の近位端１５２との間に、それら端部１５０，１５２を接続することにより、固有干渉計型空洞１５８が取り込まれる。したがって、空洞１５８の軸方向端部の間に間隙１５３が画定される。
【００５７】
接続作業の前に、端部１５０，１５２の少なくとも一方に空洞１５８が形成される。（図６Ｂの図は、光ファイバ１０４の遠位端１５０に形成された空洞の非限定的な描画である。）空洞１５８を、たとえば、コア１０４ｘから材料を除去しクラッド１０４ｙのみを有効に残したままにする化学的浸食またはレーザアブレーションプロセスによって形成することができる。その後、反射部材１５１および光ファイバ１０４の端部にそれぞれ、高反射コーティング１５４および部分反射コーティング１５５をそれぞれ施すことができ、光ファイバ１０４および反射部材１５１が接続される。
【００５８】
接続された光ファイバ１５７または固有干渉計型装置の任意の他のバージョンは、それぞれの溝穴の撓みビーム長１６３の位置において溝穴１３６に機械的に架け渡される。機械的に架け渡すことにより、力感知アセンブリ９８ｃの剛性が増大する。接触力に対する所望の感度を維持するために、対向する撓み部１２８の耐屈曲性または「剛性」を、架け渡されている光ファイバの存在によってもたらされる増大した剛性に比例して低減することができる。（図１１および付随する断面２次モーメントの考察を参照されたい。）極端な場合、撓み部１２８をなくす（図示せず）ことによって、アセンブリの弾性が架け渡されている光ファイバで決まる可能性がある。
【００５９】
さまざまな実施形態では、構造部材はチタン等の金属材料から作製され、光ファイバは、シリカまたはサファイア等、選択された波長で透過性が高い材料から作製される。これらの材料の熱膨張係数（ＣＴＥ）は実質的に異なり、シリカは、１ｍ／ｍ−Ｋから２×１０−６ｍ／ｍ−Ｋ（１μ／Ｋから２μ／Ｋ）の範囲であり、チタンは約８μ／Ｋでより大きい。それぞれのＣＴＥの差により、間隙１５３の作動長δの実質的に熱的に誘起される変化がもたらされる可能性があり、それが補正または補償されない場合、接触力の指示に大きい誤差をもたらす可能性がある。
【００６０】
先に示唆したように、金属部材のセグメント１１６および撓み部１２８は、金属材料のＣＴＥに比例して変化する。したがって、所与の光ファイバ１０４のポッティング１４４とその対になった反射部材１５１との総距離は、金属材料のＣＴＥに比例してかつ所与の温度変化に対して変化する。一方で、自由長ＬＦＯおよびＬＲＭは、それぞれ反射部材１５１および光ファイバ１０４のＣＴＥに比例して変化する。数学的に、この関係は以下のように表される。
【００６１】
（１＋αＭ・ΔＴＭ）・ＬＴＯＴ−（１＋αＦＯ・ΔＴＦＯ）・ＬＦＯ−（１＋αＲＭ・ΔＴＲＭ）・ＬＲＭ＝δ          式（１）
ここで、αはＣＴＥであり、ΔＴは温度の局所変化であり、δは間隙１５３／空洞１５８の作動長であり、添字Ｍ、ＦＯおよびＲＭは、それぞれ金属、光ファイバおよび反射部材を示す。量αＭ・ΔＴＭ・ＬＴＯＴは、金属構造部材の温度変化に起因するポッティング１４４の間の長さの変化であり、量αＦＯ・ΔＴＦＯ・ＬＦＯおよびαＲＭ・ΔＴＲＭ・ＬＲＭは、光ファイバ１０４および反射部材１５１の拡張部分のそれらのそれぞれの温度変化による長さの変化である。
【００６２】
さらに単純化の仮定は、ΔＴＦＯおよびΔＴＲＭが、対応する溝穴に対するΔＴＭによって左右されかつそれに実質的に等しいと仮定する。すなわち、ΔＴＦＯ＝ΔＴＭ＝ΔＴＲＭ＝ΔＴである。そして、温度の変化によるδの変化は以下のようになる。
【００６３】
【数１】
2014517740.tif 000003
したがって、所与の総温度変化ΔＴに対して、間隙寸法の熱的に誘起される変化Δδは以下によって近似される。
【００６４】
Δδ＝（αＭ・ＬＴＯＴ−αＦＯ・ＬＦＯ−αＲＭ・ＬＲＭ）・ΔＴ          式（３）
ここで、ΔＴは、基準温度に対する温度の変化である。式（３）のさまざまなαおよびＬの値を知ることにより、ΔＴを測定することによって、間隙寸法の熱的に誘起される変化Δδを能動的に補償することができる。
【００６５】
量（αＭ・ＬＴＯＴ−αＦＯ・ＬＦＯ−αＲＭ・ＬＲＭ）を、対象となる温度範囲（たとえば０℃から４０℃）にわたって一定値として妥当に近似することができる。したがって、式（３）を以下の式まで単純化することができる。
【００６６】
Δδ＝Ψ・ΔＴ          式（４）
ここで、Ψ＝（αＭ・ＬＴＯＴ−αＦＯ・ＬＦＯ−αＲＭ・ＬＲＭ）である。一実施形態では、Ψの値を、異なるΔＴにおいてΔδを測定することによって較正することができる。Ψの値を、定数として近似するか、または較正データに対する曲線当てはめを行うことによって温度依存パラメータとして取得することができる。
【００６７】
式（１）の関係を、熱的に誘起される寸法変化の受動補正に対する関係を確立するために利用することも可能である。基準温度において、ΔＴＭ、ΔＴＦＯおよびΔＴＲＭはすべてゼロであり、それにより、熱膨張／収縮によるαＭ・ΔＴＭ・ＬＴＯＴ、αＦＯ・ΔＴＦＯ・ＬＦＯおよびαＲＭ・ΔＴＲＭ・ＬＲＭはすべてゼロになり、式（１）は以下まで短縮される。
【００６８】
ＬＴＯＴ−ＬＦＯ−ＬＲＭ＝δ          式（５）
単純化の仮定は、ΔＴＦＯおよびΔＴＲＭが、ΔＴＭによって左右されかつそれに等しいと仮定する。すなわち、ΔＴＭ＝ΔＴＦＯ＝ΔＴＲＭ＝ΔＴである。
【００６９】
数学的に、式（１）および（５）を等式化することができ、δパラメータおよびΔＴパラメータを分離し除去することによって以下を与えることができる。
αＭ・ＬＴＯＴ−αＦＯ・ＬＦＯ−αＲＭ・ＬＲＭ＝０          式（６）
式（６）の物理的実現は、さまざまなパラメータの適切な選択によって達成され、それにより、ある範囲の温度変化ΔＴにわたって作動長δ定数が保持される。式（６）のパラメータの１つ以外のすべてに値を割り当てることにより、残りのパラメータの値を確立することができる。
【００７０】
式（３）を、概して、利用可能なＣＴＥの所与の組み合わせに対して適切な自由長を選択するパラメトリックスタディに対して使用することができる。特に、図６Ａの構成および図６Ｂの構成の反射部材１５１の存在は、構造部材１０２の熱的に誘起される寸法変化と作動長δの付随する変化とを受動的に補償する方法を提供する。たとえば、ＣＴＥαＭ、αＦＯおよびαＲＭが既知であり、長さＬＴＯＴおよびＬＦＯが既知であるかまたは値が割り当てられる場合、反射部材の自由長ＬＲＭを以下のように解くことができる。
【００７１】
ＬＲＭ＝（αＭ・ＬＴＯＴ−αＦＯ・ＬＦＯ）／αＲＭ          式（７）
別法として、たとえば、ＣＴＥαＭおよびαＦＯが既知であり、長さＬＴＯＴ、ＬＦＯおよびＬＲＭに値が割り当てられる場合、反射部材の必要なＣＴＥαＲＭを以下のように解くことができる。
【００７２】
αＲＭ＝（αＭ・ＬＴＯＴ−αＦＯ・ＬＦＯ）／ＬＲＭ          式（８）
図６Ｃを参照すると、本発明の実施形態における光ファイバ力感知アセンブリ９８ｂが示されている。この実施形態では、光ファイバ１０４は、溝穴１３６の近位面１３９と実質的に同一平面に取り付けられ、反射部材１５１は、作動長δを考慮することを除き実質的に長さＬＴＯＴ分延在するように配置されている。また図６Ｃの実施形態では、反射部材１５１は、構造部材１０２と同じ材料か、または少なくとも反射部材１５１とＣＴＥが同じである材料から作製されている。一実施形態では、構造部材１０２はチタンから製造され、反射部材１５１は、（図示するように）ポッティング１４４によるかまたは溶接プロセスにより構造部材１０２に取り付けられるチタンロッドまたはワイヤを備えている。別の実施形態（図示せず）では、反射部材１５１は、構造部材１０２と一体的に形成される。
【００７３】
機能的に、感知アセンブリ９８ｂの構成に対して、構造部材１０２および反射部材１０５のＣＴＥを整合させることにより、これらの構成要素の温度変化が実質的に補償される。概して、長さＬＲＭが離隔寸法１３８よりわずかにしか小さくない場合、反射部材１５１の長さＬＲＭの変化は、離隔寸法１３８の変化に近い。このように、離隔寸法１３８の変化は、反射部材１５１の変化によって大きく相殺される。
【００７４】
光ファイバ１０４が、図６Ｃの構成において提示されるように、ポッティング１４４を超えて延在しない場合、単純化がもたらされる。感知アセンブリ９８ｂの温度が上昇するシナリオを考慮されたい。これにより、溝穴１３６の隔離寸法１３８が増大し、それにより、距離ＬＴＯＴもまた増大する。しかしながら、ＣＴＥが同じであり長さが略同じである反射部材１５１は、略同じ長さで長さが増大し、反射部材１５１は光ファイバ１０４の遠位端１５０に向かって伸び、同時に、隔離寸法の増大によって光ファイバの遠位端１５０が反射部材１５１の近位端１５２に向かう。
【００７５】
感知アセンブリ９８ｂの温度が低下する場合、同じ補償機構が発生する。隔離寸法１３８が低減し、反射部材１５１の長さＬＲＭも低減し、それにより、反射部材が光ファイバ１０４の遠位端１５０から離れるように収縮すると同時に、隔離寸法の低減により光ファイバの遠位端１５０が反射部材１５１の近位端１５２に向かう。
【００７６】
数学的には、単純化は、光ファイバ１０４の自由長ＬＦＯをゼロまで低減することを根拠とする。ＬＦＯ＝０である場合、式（１）は以下のように短縮される。
（１＋αＭ・ΔＴＭ）・ＬＴＯＴ−（１＋αＲＭ・ΔＴＲＭ）・ＬＲＭ＝δ          式（９）
ΔＴＭ＝ΔＴＲＭ＝ΔＴであると仮定し、温度の変化
【００７７】
【数２】
2014517740.tif 000004
が
【００７８】
【数３】
2014517740.tif 000005
の変化と同じであることを留意すると、温度の変化
【００７９】
【数４】
2014517740.tif 000006
による間隙寸法の変化
【００８０】
【数５】
2014517740.tif 000007
は、以下のように表される。
【００８１】
【数６】
2014517740.tif 000008
反射部材１５１が構造部材とＣＴＥが同じである（すなわち、αＲＭ＝αＭ）システムの場合、式（１０）はさらに以下のように単純化する。
【００８２】
【数７】
2014517740.tif 000009
所与の総温度変化ΔＴに対して、間隙寸法の変化Δδは以下の式によって近似される。
【００８３】
Δδ＝αＭ・δ・ΔＴ          式（１２）
式（１２）は、長さＬＴＯＴまたはＬＲＭとは無関係に適用される。
式（１）においてαＭ・ΔＴＭ・ＬＴＯＴとして表わされる熱の影響によるポッティング１４４の間の長さの変化は、ポッティング１４４の間の寸法ＬＴＯＴに比例する。すなわち、ＬＴＯＴの値が大きいほど、熱の変化による潜在的な誤差が大きくなる。したがって、ＬＴＯＴの値を、光ファイバ力感知アセンブリ１９２ａに対してアセンブリ１８０に対するより実質的に大きくすることができる。
【００８４】
たとえば、代表的かつ非限定的な実施形態では、作動長δはおよそ１５μｍであり、力感度は軸方向変位の１ナノメートル（ｎｍ）当り０．１グラム重から０．２５グラム重（ｇｒａｍ  ｏｆ  ｆｏｒｃｅ）（ｇｍｆ）の範囲（すなわち、変位感度は４ｎｍ／ｇｍｆから１０ｎｍ／ｇｍｆの範囲）であり、ここで、「グラム重」は、標準重力において質量１グラムの重量と等価である。チタンのＣＴＥは、およそ８μ／Ｋである。ＬＴＯＴに対する代表的な（すなわち非限定的な）値は、およそ０．２ｍｍから１ｍｍの範囲である。これらの代表的かつ非限定的な値を使用して、温度変化に対する感度は０．４ｇｍｆ／Ｋから１ｇｍｆ／Ｋの範囲である。多くの用途において、力を±１ｇｍｆ内まで分解することが望ましい。したがって、力感知システムの所望の分解能は、アブレーション作業中に温度が数ケルビン変化する未補償システムにおける熱的に誘起される誤差によって小さくなる可能性がある。
【００８５】
しかしながら、温度変化の影響に対処することは、上述した態様およびシステムを使用して達成することができる。高反射性の近位端１５２を有する反射部材１５１は、光を伝送するために依存されない。よって、反射部材１５１のＣＴＥを、光透過特性を考慮せずに所望のＣＴＥに適応させることができる。したがって、一実施形態では、反射部材１５１を、たとえば、ＣＴＥが約４μ／Ｋであるアルミニウムドープファイバによって提供される、ＣＴＥが高いファイバによって置き換えることができる。別の実施形態では、ＣＴＥが１２μ／Ｋであるサファイアのファイバを使用することができる。受動補償の微調整を、式（６）に従ってサファイアの通常のファイバの相対的な長さを変化させることによって得ることができる。
【００８６】
図６Ｃの構成に対して、この場合もまた、ＣＴＥ（αＭ）が８μ／Ｋであるチタンから作製され、作動長δが１５μｍである、構造部材１０２の例を考慮されたい。式（１１）による結果としての間隙寸法の変化Δδは、０．１２０ｎｍ／Ｋである。力感度がおよそ４ｎｍ／ｇｍｆであるシステムでは、結果としての誤差は、およそ０．０１５ｇｍｆ／Ｋであり、すなわち未補償システムに比較しておよそ２倍の改善である。
【００８７】
したがって、ＬＦＯがゼロまで低減する場合、反射部材１５１に対して構造部材のＣＴＥと同じＣＴＥを選択することにより、熱膨張または熱収縮の影響が大幅に打ち消される。いくつかの実施形態では、反射部材１０５の材料は、コーティングの必要をなくすほど十分な反射率を有することができる。近位端１５２を、完全反射面を提供するように研磨することができ、かつ／または依然としてコーティングで被覆することができる。
【００８８】
上で表した式（１）〜（１２）は、固有干渉計型空洞１５８によって画定される間隙に対するのと同様に開放した間隙にも当てはまる。図６Ｂの接続された光ファイバ１５７によってもたらされる架け渡しの影響は、容易に較正によって除去される。
【００８９】
いくつかの実施形態では、撓み部１２８の各々に、温度変化の能動補償のために温度センサを備えることができる。図４の図は熱電対１４９を示し、それは、構造部材１０２の外側に沿って通され、熱電対１４９の温度感知接合部が撓み部１２８ｂの外面と接触するように配置される。他の実施形態では、温度センサを、構造部材１２０の内部に沿って通し、撓み部の内面との感知接触するように配置することができる。
【００９０】
一実施形態では、撓み部１２８ａ，１２８ｂ，１２８ｃの各々に、それぞれの温度センサ（図示せず）が備えられる。各撓み部１２８の温度変化を感知することにより、熱的に誘起される寸法１３８に対する変化を推測することができる。温度センサによって提供される値は、能動補償の場合、（たとえば、式（３）、（４）または（１２）を解くために使用された）間隙寸法の変化Δδについて解くためのΔＴとしてみなすことができる。
【００９１】
別の実施形態では、温度センサによって提供される値を、（特許文献１４）に記載されているような較正構成において利用することができ、そこでは、局所撓み部の温度の変化ΔＴＭが、変位センサの温度の変化として取得される。（特許文献１４）の教示とは異なり、温度センサ１４９は、光ファイバ１０４または反射部材１５１に必ずしも近接していないが、代りに、温度センサ１４９を、実際に、温度センサ１４９によって補正されている光ファイバ／反射部材の対に対して直径方向に対向させることができる。
【００９２】
本発明の一実施形態では、熱的に誘起される誤差を能動的に補償する方法を、コンピュータ可読記憶デバイス４９（図１）にプログラムすることができる。コンピュータ可読記憶デバイス４９を、温度センサ６２から受け取られる信号に基づいて温度感知モジュール６６から情報を受け取るようにプログラムすることができる。たとえば、無荷重状態で力感知アセンブリを用いて、室温で基準測定を行うことができる。基準温度に対する力感知アセンブリの温度変化を、たとえば構造部材１０２の撓み部１２８において測定することができる。コンピュータ可読記憶デバイス４９を、たとえば式（３）、（４）または（１２）に表される関係を使用して、温度変化による間隙寸法の変化を計算するようにプログラムすることができる。
【００９３】
溝穴１３６を、４セグメント構造部材１０２の主部分を通って横方向に延在するように形成することができる。また、溝穴１３６を、（図示するように）長手方向軸１１０に対して実質的に垂直に、または長手方向軸に対して鋭角に（図示せず）延在するように向けることができる。図示する実施形態では、構造部材は、中空円柱状チューブ１５６を備え、溝穴１３６が中空円柱状チューブ１５６の１つの側面から形成され、それを通って、かつ中空円柱状チューブ１５６の内径１６０を横切って深さ１６２まで延在している（図７）。
【００９４】
再び図７〜図１１を参照すると、本発明の実施形態における構造部材１０２の断面図が示されている。溝穴１３６が形成された後に残っている撓み部１２８は、実質的に、たとえば主な円形セグメントを画定し、小さい方の円形セグメントは切り取られている（たとえば図７〜図９および図１１）。別法として、切り取られていない円形セグメントを画定することも可能である（たとえば図１４Ｂ）。中空円柱状チューブ１５６の内径１６０を横切る溝穴１３６の深さ１６２を、撓み部１２８の所望の可撓性を達成するように変化させることができる。すなわち、溝穴１３６の深さ１６２が大きいほど、撓み部１２８の可撓性が高くなる。溝穴１３６を、限定されないがのこ引き、レーザ切断または放電加工（ＥＤＭ）等、当業者に利用可能なさまざまな技法および方法によって形成することができる。
【００９５】
溝穴１３６を、撓み部１２８が非同心曲げ軸１３０を画定するように形成することができる。「非同心」曲げ軸とは、それぞれの曲げ軸が軸方向に位置合せされていないことを意味する。すなわち、曲げ軸１３０ａは、いずれの曲げ軸１３０ｂ，１３０ｃとも非同心である空間において軸を画定し、曲げ軸１３０ｂは、曲げ軸１３０ｃと非同心である空間に軸を画定する。いくつかの実施形態では、曲げ軸１３０は、曲げ軸が架け渡されるのと同じ溝穴１３６で終端する光ファイバ１０４の遠位端１５０の位置に対して直径方向に対向している。たとえば、撓み部１２８ａを、遠位端１５０ａに対して直径方向に対向させることができ、以下同様である。
【００９６】
図１１に、撓み部１２８の断面１６４を示す。断面は、中立軸または曲げ軸１３０が通過する面重心Ｃによって、かつ直交している慣性軸ｘ−ｘおよびｙ−ｙを有するものとして特徴付けられており、慣性軸ｘ−ｘは、周囲において断面２次モーメントが最小である軸を識別している。いくつかの実施形態では、ｙ−ｙ軸は、長手方向軸１１０を実質的に通過している。円形セグメント形状は、慣性軸ｘ−ｘまわりよりも慣性軸ｙ−ｙまわりに実質的に大きい剛性（ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ）を提供する。角度がπ／２ラジアン（９０°）である円形セグメントを考慮されたい。慣性軸ｙ−ｙまわりの断面２次モーメントは、慣性軸ｘ−ｘ周囲の断面２次モーメントより約２０倍大きい。したがって、慣性軸ｙ−ｙまわりのモーメントをもたらす力は、通常、慣性軸ｘ−ｘまわりに加えられている同じモーメントに対して実質的に小さい曲げをもたらす。したがって、慣性軸ｙ−ｙまわりのモーメントは、隣接する部分の間のねじり力として伝達される傾向があり、慣性軸ｘ−ｘまわりのモーメントは、撓み部１２８の変形および隣接するセグメント１１６間の後の撓みをもたらす傾向があることになる。
【００９７】
図９および図１４Ｂに示す撓みビーム長１６３は、曲げ軸１３０と対応する光ファイバ１０４の遠位端１５０における伝播軸１４８との間の距離として定義され、その距離は慣性軸ｘ−ｘに対して垂直である。たとえば、遠位端１５０ｃと溝穴１３６ｃの曲げ軸１３０ｃとを直径方向に対向して配置することにより、撓みビーム長１６３が最大化され、光ファイバ１０４の遠位端１５０と反射部材１５１の近位端１５２との間の間隙１５３の作動長δの付随する変化も最大化する。
【００９８】
図１２Ａおよび図１２Ｂを参照すると、本発明の実施形態における、軸方向力ＦＡおよび横方向力ＦＬそれぞれに応答する光ファイバ力感知アセンブリ９８ａの動作が示されている。軸方向力ＦＡにより、セグメント１１６が、実質的に純曲げ動作でさまざまな撓み部１２８の慣性軸ｘ−ｘまわりで曲がり、それにより、光ファイバ１０４の遠位端１５０に近接する溝穴１３６の寸法が低減する（図１２Ａ）。これにより、間隙１５３の作動長δが低減し、それにより、光ファイバ１０４によって受け取られる反射放射線の特徴（すなわち、間隙１５３を横切って維持される干渉パターンの周波数、または反射放射線の強度）が変化する。
【００９９】
横方向力ＦＬは、概して、４セグメント構造部材１０２のより複雑な変形をもたらす。図１０Ｂの図では、横方向力ＦＬは、撓み部１２８ａの慣性軸ｙ−ｙに対して実質的に平行に加えられている。これにより、撓み部１２８ａが、遠位セグメント１２４と第２中間セグメント１２２との間のモーメントを変化させると同時に、間隙１５３ａの寸法のわずかな変化δａをもたらす。モーメントの変化により、撓み部分１２８ｂ，１２８ｃはそれらのそれぞれの慣性軸ｘ−ｘまわりで曲がり、それにより、溝穴１３６ｂが光ファイバ１０４ｂの遠位端１５０ｂに近接して閉鎖し、溝穴１３６ｃが光ファイバ１０４ｃの遠位端１５０ｃに近接して開放する。図１２Ｂの図において、撓み部１２８ｂ，１２８ｃのいずれも純曲げ状態ではなく、それは、横方向力ＦＬはそれぞれの慣性軸ｘ−ｘに対して垂直に作用しないためである。このため、慣性軸ｘ−ｘまわりに曲げ度は、概して、それに対して垂直に作用する横方向力ＦＬの成分に対して比例することになる。
【０１００】
図１２Ａおよび図１２Ｂは、純粋に軸方向の力および純粋に横方向の力をそれぞれ示すが、軸方向成分および横方向成分を有する３次元空間における結合された力ベクトルは、重ね合せによって示される全体的な効果を結合する。したがって、３次元空間における力ベクトルを、光ファイバ力感知アセンブリのこれらの純粋な荷重下での応答を較正し、さまざまな応答を重ね合せて軸方向成分および横方向成分を推測することによって分解することができる。
【０１０１】
先行する実施形態は、撓み部１２８が受ける歪みに対する作動長δの変化の機械的増幅を提供することができる。撓み部１２８のそれぞれの慣性軸ｘ−ｘに対して垂直な位置におけるセグメント１１６の撓みは、慣性軸ｘ−ｘとそれぞれの光ファイバ１０４の遠位端１５０のそれぞれの位置との間の撓みビーム長１６３に比例する。したがって、溝穴１３６の寸法１３８の変化は、曲げ軸１３０に対して直径方向に対向する位置において最大となる。したがって、（図９に示すように）曲げ軸１３０に対して直径方向に対向する光ファイバ１０４の遠位端１５０の実施形態では、光ファイバ１０４は感度が最大の位置にある。
【０１０２】
構造部材１０２を、限定されないが正方形、矩形または十字形の断面を画定するチューブまたはロッドを含む、中空円柱状チューブ以外の他の形態から製造することができる。構造部材１０２は、チタンあるいは白金／イリジウム等の金属材料、またはポリマーあるいはセラミック等の非金属材料を含むことができる。
【０１０３】
ポッティング１４４は、接着剤またはエポキシ樹脂を含むことができ、構造部材１０２および／または光ファイバ１０４の熱膨張係数（ＣＴＥ）と密接に一致するように、または構造部材１０２のＣＴＥと光ファイバ１０４のＣＴＥとの間のＣＴＥであってそれらの間の遷移を提供するように選択され得る。ポッティング１４４を、接着フィルムの熱成長が光ファイバ１０４に対して実質的な歪みを与えないように、可撓性に対して選択することも可能である。いくつかの例では、ポッティング１４４の非常に薄い膜を使用することにより、光ファイバ１０４と構造部材１０２との間の熱膨張差の歪みがもたらす影響を軽減することができる。
【０１０４】
図１３、図１３Ａおよび図１３Ｂを参照すると、本発明の実施形態における、３セグメント構造部材１８２を有する光ファイバ力感知アセンブリ１８０が示されている。光ファイバ力感知アセンブリ１８０は、アセンブリ９８ａと同じ態様のうちの多くを含み、それらは同様に番号が付された参照番号によって識別されている。３セグメント構造部材１８２と４セグメント構造部材１０２との相違は、３セグメント構造部材１８２が、近位セグメント１１８と遠位セグメント１２４との間に単一の中間セグメント１８４しか含まないということである。また、３セグメント構造部材は、それぞれ近位セグメント１１８および遠位セグメント１２４から中間セグメント１８４を分離する２つの撓み部１８６ａ，１８６ｂによって特徴付けられ、それにより、遠位または「最遠位」溝穴１８８ａおよび近位溝穴１８８ｂがそれぞれ画定されている。
【０１０５】
光ファイバ１０４と反射部材１５１との間の構成は、図６に関連して説明し考察したさまざまな構成と同じであり得る。反射部材を、熱膨張／収縮の受動補償に対して構成するか、または能動補償用の温度センサを備えることができる。受動補償および能動補償についてはともに上述している。
【０１０６】
図示する実施形態では、撓み部１８６ａ，１８６ｂは、１８０°離れるように回転方向に間隔が空けられている（すなわち、直径方向に対向している）それぞれの曲げ軸１９０ａ，１９０ｂを、曲げ軸１９０ａ，１９０ｂと長手方向軸１１０とが実質的に同一平面であるように画定している。また、この構成により、撓み部１８６ａ，１８６ｂの慣性軸ｙ−ｙは実質的に同一平面である。光ファイバ１０４ａ，１０４ｃと、光ファイバ力感知アセンブリ１８０の対応する反射部材１５１ａ，１５１ｃとは、同じ遠位溝穴１８８ａ内に延在し、慣性軸ｙ−ｙから回転方向に等距離な角度γで、ただしそれぞれ反対方向＋γおよび−γで間隔が空けられている。
【０１０７】
動作時、３セグメント構造部材１８２は、図１２Ａおよび図１２Ｂに示すものと概して同様に、軸方向力成分ＦＡおよび横方向力成分ＦＬに応答する。図１３Ｂに示す横方向力成分ＦＬｘおよびＦＬｙに対する所定応答もまた考慮されたい。ここで、ＦＬｘは慣性軸ｘ−ｘに対して垂直に作用する横方向力成分であり、ＦＬｙは慣性軸ｙ−ｙに対して垂直に作用する横方向力成分である。横方向力成分ＦＬｘにより、慣性軸ｘ−ｘまわりの純曲げがもたらされ、図１２Ｂに示す溝穴１３６ｃ，１３６ｂそれぞれにおける寸法１３８ｃ，１３８ｂの変化に類似して、遠位溝穴１８８ａおよび近位溝穴１８８ｂの寸法が変化する。さまざまな間隙１５３の作動長δは、遠位溝穴１８８ａおよび近位溝穴１８８ｂの寸法変化と一致して変化する。
【０１０８】
しかしながら、横方向力成分ＦＬｙの検出は、間隙１５３ａ，１５３ｃの作動長δの変化によって感知される撓み部１８６ａの慣性軸ｙ−ｙまわりの撓みに依存する。ｙ−ｙ慣性軸まわりの撓み部１８６の剛性が、ｘ−ｘ慣性軸まわりの剛性より実質的に大きいため、ＦＬｙ力成分に対する感度（単位力当りの測定変位）は、ＦＬｘ力成分ほど高くない。
【０１０９】
図１４、図１４Ａおよび図１４Ｂを参照すると、本発明の実施形態における、３セグメント構造部材１８２を利用する光ファイバ力感知アセンブリ１９２ａが示されている。光ファイバ力感知アセンブリ１９２ａは、アセンブリ１８０と同じ態様のうちの多くを含み、それらは、同様に番号が付された参照番号によって識別される。アセンブリ１８０，１９２ａ間の相違は、光ファイバ力感知アセンブリ１９２ａの場合、光ファイバ１０４のすべてが近位セグメント１１８に係留され、近位溝穴１８８ｂおよび単一中間セグメント１８４を通過し、遠位溝穴１８８ａに近接して終端する、ということである。光ファイバ力感知アセンブリ１９２ａの別の相違は、光ファイバ１０４および対になった反射部材１５１の角度分布が一様でないということと、光ファイバ１０４／反射部材１５１が、図１３の光ファイバ力感知アセンブリ１８０よりｙ−ｙ慣性軸から離れた距離に配置されているということとである。したがって、ｙ−ｙ慣性軸に対する回転変位γはすべて等しいとは限らず、むしろ、一意の値γＡ、γＢおよびγＣによって特徴付けられ得る。図示する実施形態では、γＡおよびγＢは実質的に等しい。
【０１１０】
図１４に示す光ファイバ力感知アセンブリ１９２ａの構成は、いくつかの理由で、アセンブリ１８０より横方向力成分ＦＬｙに対する感度が高い。第１に、感知される変位は、撓み部１８６ａ，１８６ｂ両方のまわりの変位の蓄積である。第２に、中間セグメント１８４によって提供される溝穴１８８ａと溝穴１８８ｂとの間の距離が、撓み部１８６ｂの慣性軸ｙ−ｙまわりの撓み変位の機械的増幅を提供する。第３に、ｙ−ｙ慣性軸に対する光ファイバ１０４および反射部材１５１の対の回転変位γは、９０°（γＣ）であるか、または３つの光ファイバ１０４が１２０°間隔が空けられている均一な角度分布より９０°に近い（γＡ、γＢ）。
【０１１１】
均一な分布に対して角度変位γＡおよびγＢを増大させることにより、ＦＬｙ成分に対する対応する間隙１５３ａ，１５３ｂの感度がγ＝９０°増大し、それは、ＦＬｙ成分に対して最大の感度を提供する。γが増大するに従い、ＦＬｘ成分に対する感度が低下することも留意される。ここでは、ＦＬｙ成分の感度に対する向上は、部分的にＦＬｘ成分に対する感度との有益なトレードオフによって達成される。
【０１１２】
したがって、図１４に示す光ファイバ力感知アセンブリ１９２ａの横方向力に対する感度は、図１３の光ファイバ感知アセンブリ１８０より均一である（それほど方向に依存しない）。温度変化による変化の同じ受動補償を、上記図６Ａおよび図６Ｂに付随して考察したように、図１３の構成および図１４の構成両方において実施することができる。図１３および図１４の光ファイバ力感知アセンブリ１８０，１９２ａの能動補償もまた、撓み部１８６ａ，１８６ｂに温度センサを備えることによって可能とすることができる。
【０１１３】
図１５を参照すると、本発明の実施形態における、光ファイバ力感知アセンブリ１９２ｂが示されている。光ファイバ力感知アセンブリ１９２ｂは、光ファイバ力感知アセンブリ１９２ａと同じ態様のうちの多くを有している。アセンブリ１９２ａとアセンブリ１９２ｂとの間の主な相違は、反射部材１５１が遠位溝穴１８８ａを通って延在し、近位溝穴１８８ｂの近くで光ファイバ１０４に光学的に結合されている、ということである。図示する実施形態では、反射部材１５１はまた、３セグメント構造部材１８２と同じ材料から作製されている。別法として、反射部材１５１は異なる材料からなるが、３セグメント構造部材１８２とＣＴＥが同じである。
【０１１４】
機能的に、光ファイバ力感知アセンブリ１９２ｂは、光ファイバ力感知アセンブリ１９２ａと同じ力感度の利益を提供する。しかしながら、光ファイバ１０４は実質的にポッティング１４４を超えて延在しないため、図６Ｃに関して上で説明したものと同じ利益が実現される。式（９）〜（１２）および付随する考察を参照されたい。
【０１１５】
上に含まれる以下の参考文献は、そこに含まれる明確な定義を除いて全体として参照により本明細書に組み込まれる。すなわち、（特許文献１１）、（特許文献１６）、（特許文献１７）、（特許文献１５）、（特許文献１２）、（特許文献１３）、（特許文献１４）である。
【０１１６】
上部および下部、正面および背面、左および右等の相対的な用語を言及する場合、それは、説明の便宜のために意図されており、本発明またはその構成要素をいかなる所定の向きにも限定するようには企図されていない。図に示すすべての方向が、本発明の範囲から逸脱することなく本発明の所定の実施形態のあり得る設計および意図された使用によって変化する可能性がある。
【０１１７】
本明細書に開示した追加の特徴および方法の各々を、別個で、または他の特徴および方法とともに使用して、改善された装置、システム、ならびにそれらを製造する方法および使用する方法を提供することができる。したがって、本明細書に開示する特徴および方法の組み合わせは、本発明をその最も広い意味で実施するために必要はない場合があり、代りに、単に本発明の代表的な実施形態を特に記述するために開示されている。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１５】
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【国際調査報告】
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