(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
生体（９１）に挿入される接触検出器具であって、
棒（１２）と、
前記棒（１２）に取り付けられて穴（９１ｃ）から前記生体（９１）の内部に挿入されるセンサ部（２０、２０’、２０’’、２０’’’）と、
前記棒（１２）および前記センサ部（２０、２０’、２０’’、２０’’’）の内部に形成された空洞（１１ｂ〜１１ｇ、１２ａ）に前記生体（９１）の外部から音を入力するスピーカ（１４）と、
前記空洞（１１ｂ〜１１ｇ、１２ａ）内の音に応じた電気信号を前記生体（９１）の外部で出力するマイクロフォン（１５）と、を備え、
前記センサ部（２０、２０’、２０’’、２０’’’）は、前記空洞（１１ｂ〜１１ｇ、１２ａ）の少なくとも一部を覆う弾性体（１０、１０’、１０’’、１０’’’）を有し、
前記弾性体（１０、１０’、１０’’、１０’’’）の近傍において、前記空洞（１１ｂ〜１１ｇ、１２ａ）の前記少なくとも一部は、前記スピーカから前記空洞内に入力された音の伝達される方向に沿って、前記センサ部（２０、２０’、２０’’、２０’’’）の周方向に伸びていることを特徴とする接触検出器具。
【請求項２】
生体（９１）に挿入される接触検出器具であって、
棒（１２）と、
前記棒（１２）に取り付けられて穴（９１ｃ）から前記生体（９１）の内部に挿入されるセンサ部（２０、２０’、２０’’、２０’’’）と、
前記棒（１２）および前記センサ部（２０、２０’、２０’’、２０’’’）の内部に形成された空洞（１１ｂ〜１１ｇ、１２ａ）に前記生体（９１）の外部から音を入力するスピーカ（１４）と、
前記空洞（１１ｂ〜１１ｇ、１２ａ）内の音に応じた電気信号を前記生体（９１）の外部で出力するマイクロフォン（１５）と、を備え、
前記センサ部（２０、２０’、２０’’、２０’’’）は、前記空洞（１１ｂ〜１１ｇ、１２ａ）の少なくとも一部を覆う弾性体（１０、１０’、１０’’、１０’’’）を有し、
前記弾性体（１０、１０’、１０’’、１０’’’）の近傍において、前記空洞（１１ｂ〜１１ｇ、１２ａ）の前記少なくとも一部は、前記スピーカから前記空洞内に入力された音の伝達される方向に沿って、前記センサ部（２０、２０’、２０’’、２０’’’）の中心軸を取り巻いて伸びていることを特徴とする接触検出器具。
【請求項３】
生体（９１）に挿入される接触検出器具であって、
棒（１２）と、
前記棒（１２）に取り付けられて穴（９１ｃ）から前記生体（９１）の内部に挿入されるセンサ部（２０、２０’、２０’’、２０’’’）と、
前記棒（１２）および前記センサ部（２０、２０’、２０’’、２０’’’）の内部に形成された空洞（１１ｂ〜１１ｇ、１２ａ）に前記生体（９１）の外部から音を入力するスピーカ（１４）と、
前記空洞（１１ｂ〜１１ｇ、１２ａ）内の音に応じた電気信号を前記生体（９１）の外部で出力するマイクロフォン（１５）と、を備え、
前記センサ部（２０、２０’、２０’’、２０’’’）は、前記空洞（１１ｂ〜１１ｇ、１２ａ）の少なくとも一部を覆う弾性体（１０、１０’、１０’’、１０’’’）を有し、
前記棒（１２）は真っ直ぐ伸びており、
前記弾性体（１０、１０’、１０’’、１０’’’）の近傍において、前記空洞（１１ｂ〜１１ｇ、１２ａ）の前記少なくとも一部は、前記スピーカから前記空洞内に入力された音の伝達される方向に沿って、前記棒（１２）の周方向に伸びていることを特徴とする接触検出器具。
【請求項４】
生体（９１）に挿入される接触検出器具であって、
棒（１２）と、
前記棒（１２）に取り付けられて穴（９１ｃ）から前記生体（９１）の内部に挿入されるセンサ部（２０、２０’、２０’’、２０’’’）と、
前記棒（１２）および前記センサ部（２０、２０’、２０’’、２０’’’）の内部に形成された空洞（１１ｂ〜１１ｇ、１２ａ）に前記生体（９１）の外部から音を入力するスピーカ（１４）と、
前記空洞（１１ｂ〜１１ｇ、１２ａ）内の音に応じた電気信号を前記生体（９１）の外部で出力するマイクロフォン（１５）と、を備え、
前記センサ部（２０、２０’、２０’’、２０’’’）は、前記空洞（１１ｂ〜１１ｇ、１２ａ）の少なくとも一部を覆う弾性体（１０、１０’、１０’’、１０’’’）を有し、
前記棒（１２）は真っ直ぐ伸びており、
前記弾性体（１０）の近傍において、前記空洞（１１ｂ〜１１ｇ、１２ａ）の前記少なくとも一部は、前記スピーカから前記空洞内に入力された音の伝達される方向に沿って、前記棒（１２）の中心軸を真っ直ぐ延長した線を取り巻いて伸びていることを特徴とする接触検出器具。
【請求項５】
前記空洞（１１ｂ〜１１ｇ、１２ａ）の前記少なくとも一部は、前記スピーカから前記空洞内に入力された音の伝達される方向に沿って、弧形状に伸びている請求項１ないし４のいずれか１つに記載の接触検出器具。
【請求項６】
生体（９１）に挿入される接触検出器具であって、
棒（１２）と、
前記棒（１２）に取り付けられて穴（９１ｃ）から前記生体（９１）の内部に挿入されるセンサ部（２０、２０’、２０’’、２０’’’）と、
前記棒（１２）および前記センサ部（２０、２０’、２０’’、２０’’’）の内部に形成された空洞（１１ｂ〜１１ｇ、１２ａ）に前記生体（９１）の外部から音を入力するスピーカ（１４）と、
前記空洞（１１ｂ〜１１ｇ、１２ａ）内の音に応じた電気信号を前記生体（９１）の外部で出力するマイクロフォン（１５）と、を備え、
前記センサ部（２０、２０’、２０’’、２０’’’）は、前記空洞（１１ｂ〜１１ｇ、１２ａ）の少なくとも一部を覆う弾性体（１０、１０’、１０’’、１０’’’）を有し、
前記空洞（１１ｂ〜１１ｇ、１２ａ）の前記少なくとも一部は、前記スピーカから前記空洞内に入力された音の伝達される方向に沿って、弧形状に伸びている接触検出器具。
【請求項７】
前記空洞（１１ｂ〜１１ｇ、１２ａ）の前記少なくとも一部は、前記空洞の長手方向に沿って弧形状に伸びている請求項１ないし４のいずれか１つに記載の接触検出器具。
【請求項８】
生体（９１）に挿入される接触検出器具であって、
棒（１２）と、
前記棒（１２）に取り付けられて穴（９１ｃ）から前記生体（９１）の内部に挿入されるセンサ部（２０、２０’、２０’’、２０’’’）と、
前記棒（１２）および前記センサ部（２０、２０’、２０’’、２０’’’）の内部に形成された空洞（１１ｂ〜１１ｇ、１２ａ）に前記生体（９１）の外部から音を入力するスピーカ（１４）と、
前記空洞（１１ｂ〜１１ｇ、１２ａ）内の音に応じた電気信号を前記生体（９１）の外部で出力するマイクロフォン（１５）と、を備え、
前記センサ部（２０、２０’、２０’’、２０’’’）は、前記空洞（１１ｂ〜１１ｇ、１２ａ）の少なくとも一部を覆う弾性体（１０、１０’、１０’’、１０’’’）を有し、
前記空洞（１１ｂ〜１１ｇ、１２ａ）の前記少なくとも一部は、前記空洞の長手方向に沿って弧形状に伸びている接触検出器具。
【請求項９】
前記空洞（１１ｂ〜１１ｇ、１２ａ）の前記少なくとも一部において、前記センサ部の長手方向は、前記スピーカから前記空洞内に入力された音の伝達される方向と、交差することを特徴とする請求項５ないし８のいずれか１つに記載の接触検知器具。
【請求項１０】
前記空洞（１１ｂ〜１１ｇ、１２ａ）の前記少なくとも一部の前記弧形状は、３．５ｍｍ以下の曲率半径となっていることを特徴とする請求項５ないし９のいずれか１つに記載の接触検出器具。
【請求項１１】
前記センサ部（２０）は、前記弾性体が取り付けられるベース部（１１）を備え、
前記空洞（１１ｂ〜１１ｇ、１２ａ）の前記少なくとも一部の前記弧形状は、前記ベース部の外径の１／２以下の曲率半径となっていることを特徴とする請求項５ないし１０のいずれか１つに記載の接触検出器具。
【請求項１２】
請求項１ないし１１のいずれか１つに記載の接触検出器具（１、１’）と、
使用者（９０）に触覚刺激を与える触覚提示装置（６、９３、９４）と、
前記マイクロフォン（１５）が出力した前記電気信号に基づいて前記触覚提示装置（６、９３、９４）を制御する制御装置（４）と、を備え、
前記触覚提示装置（６、９３、９４）は、前記使用者（９０）の下半身に触刺激を与えることを特徴とするセンシングシステム。
【請求項１３】
請求項１ないし１１のいずれか１つに記載の接触検出器具（１、１’）と、
使用者（９０）に触覚刺激を与える触覚提示装置（６、９３、９４）と、
前記マイクロフォン（１５）が出力した前記電気信号に基づいて前記触覚提示装置（６、９３、９４）を制御する制御装置（４）と、を備え、
前記触覚提示装置（６、９３、９４）は、前記使用者（９０）の足の裏に触刺激を与えることを特徴とするセンシングシステム。
【請求項１４】
前記触覚提示装置（６、９３、９４）は、前記使用者（９０）に２以上の自由度で、あるいは、２カ所以上の箇所で、触刺激を与えることを特徴とする請求項１２または１３に記載のセンシングシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生体の表面に開けられた穴から生体内に挿入されて生体内の臓器と接触し、接触対象の臓器の状態に応じた信号を出力する接触検出器具、および、この接触検出器具と使用者に触覚刺激を与える触覚伝達装置とを備えたセンシングシステムに関するものであり、例えば、腹腔鏡下手術に用いられて好適である。
【背景技術】
【０００２】
従来、生体の表面に開けられた穴から生体内に接触検出器具が挿入され、当該接触検出器具が生体内の臓器に接触したとき、当該接触検出器具から接触対象の臓器の状態に応じた信号が出力される技術が知られている。【０００３】
例えば、非特許文献１では、鉗子の先端に高分子圧電体の一種であるＰＶＤＦフィルムが取り付けられた接触検出器具が開示されている。この接触検出器具では、ＰＶＤＦフィルムが臓器に接触した際に受ける押圧力に応じたセンサ信号が、接触検出器具から出力される。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】田中由浩、長井孝憲、藤原道隆、佐野明人、“双方向性を組み込んだ腹腔鏡下手術用触覚センサシステム”、日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス講演会’１３  講演論文集、２０１３年、２Ａ２−Ｂ０２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上記のような接触検出器具は、生体内で電気信号が発生するので、生体安全性の点で問題がある。本発明は上記問題点に鑑み、生体の表面に開けられた穴から生体内に挿入されて生体内の臓器と接触し、接触対象の臓器の状態に応じた信号を出力する接触検出器具において、生体安全性を向上することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、本願発明の接触検出器具は、生体（９１）に開けられた穴（９１ｃ）から前記生体（９１）の内部に挿入される接触検出器具であって、棒（１２）と、前記棒（１２）の一端に取り付けられて前記穴（９１ｃ）から前記生体（９１）の内部に挿入される先端センサ部（２０、２０’、２０’’、２０’’’）と、前記棒（１２）および前記先端センサ部（２０、２０’、２０’’、２０’’’）の内部に形成された空洞（１１ｃ〜１１ｇ、１２ａ）に前記生体（９１）の外部から音を入力するスピーカ（１４）と、前記空洞（１１ｃ〜１１ｇ、１２ａ）内の音に応じた電気信号を前記生体（９１）の外部で出力するマイクロフォン（１５）と、を備え、前記先端センサ部（２０、２０’、２０’’、２０’’’）は、前記空洞（１１ｃ〜１１ｇ、１２ａ）を覆う弾性体（１０、１０’、１０’’、１０’’’）を有することを特徴とする。【０００７】
このような接触検出器具を用いて、先端センサ部を生体に開けられた穴から生体の内部に挿入し、スピーカを用いて上記空洞に音を入力すると共に生体の臓器に弾性体を接触させる。すると、接触対象の臓器の状態（形状、硬さ等）に応じて弾性体が変形し、その結果、空洞内の音の反射率が変化する。例えば接触対象の臓器がしこりのような比較的硬い臓器なら、接触対象の臓器が弾性体を空洞側に押し込み、その結果、空洞内における音の通路が狭まり、空洞内の音の反射率が変化する。したがって、マイクロフォンが出力する信号は、接触対象の臓器の状態に応じて変化する。しかも、生体の外部で空洞に音を入力し、生体の外部で空洞内の音に応じた信号を出力するので、生体内で電気信号が発生しない。したがって、従来よりも生体安全性が向上する。【０００８】
なお、上記および特許請求の範囲における括弧内の符号は、特許請求の範囲に記載された用語と後述の実施形態に記載される当該用語を例示する具体物等との対応関係を示すものである。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１実施形態に係るセンシングシステムの全体構成図である。
【図２】接触検出器具１の構成を示す図である。
【図３】施術時の接触検出器具１の移動軌跡１６を示す図である。
【図４】先端ベース部１１の側面図である。
【図５】先端ベース部１１の斜視図である。
【図６】図４のＶＩ−ＶＩ断面図である。
【図７】図４のＶＩＩ−ＶＩＩＩ断面図である。
【図８】図４のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ断面図である。
【図９】図４のＩＸ−ＩＸ断面図である。
【図１０】触覚提示装置６の斜視図である。
【図１１】触覚提示装置６の正面図である。
【図１２】触覚提示装置６に術者９０の足が乗った状態の斜視図である。
【図１３】センシングシステムにおける検出の原理を示す模式図である。
【図１４】反射率ｒおよび変形位置ｘｐに対する振幅Ａｏｕｔの振る舞いを示す図である。
【図１５】反射率ｒおよび変形位置ｘｐに対する位相差φの振る舞いを示す図である。
【図１６】制御装置が実行する処理のフローチャートである。
【図１７】実験に用いた接触検出器具１’の側面図である。
【図１８】実験に用いた接触検出器具１’の正面図である。
【図１９】リサージュ図形である。
【図２０】変形位置と位相差φとの関係を表すグラフである。
【図２１】第２実施形態に係る触覚提示装置９３の構成図である。
【図２２】第３実施形態に係る触覚提示装置９４の構成図である。
【図２３】第４実施形態に係る触覚提示装置９４の構成図である。
【図２４】第５実施形態に係る先端センサ部２０’’の斜視図である。
【図２５】先端センサ部２０’’の長手方向の断面図である。
【図２６】図２５のＸＸＶＩ−ＸＸＶＩ断面図である。
【図２７】第５実施形態の実験結果を示す図である。
【図２８】第５実施形態の実験結果を示す図である。
【図２９】反射率ｒと入力周波数ｆｉｎに対する自乗強度比Ｆを示す図である。
【図３０】第５実施形態の実験結果を示す図である。
【図３１】ｆｉｎ、ｘｐに応じた値Ｓａの値を示す図である。
【図３２】ｆｉｎ、ｘｐに応じた値Ｒａの値を示す図である。
【図３３】ｆｉｎ、ｘｐに応じた値Ｓｐの値を示す図である。
【図３４】ｆｉｎ、ｘｐに応じた値Ｒｐの値を示す図である。
【図３５】第６実施形態に係る先端センサ部２０’’’の斜視図である。
【図３６】第６実施形態の実験結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について説明する。本実施形態に係るセンシングシステムは、腹腔鏡下手術に用いられ、図１に示すように、接触検出器具１、ケーブル２、ケーブル３、制御装置４、ケーブル５、触覚提示装置６、内視鏡７、ケーブル８、画像表示装置９を有している。
【００１１】
腹腔鏡下手術では、人等の生体９１の表面の皮膚９１ａに５〜１２ｍｍ程度の径の穴（例えば穴９１ｃ、９１ｄ）が複数個開けられる。そして、それら複数個の穴のうち穴９１ｄから生体９１の内部に内視鏡７が挿入される。また、それら複数個の穴のうち更に他の穴（図示せず）から生体９１の内部に電気メス、鉗子等（図示せず）が挿入される。
【００１２】
手術中、内視鏡７は、生体９１内の施術対象の臓器９１ｂを撮影する。画像表示装置９は、内視鏡７が撮影した臓器９１ｂ（例えば胃）の画像をケーブル８を介して取得し、術者９０に表示する。術者９０は、この画像を見ながら、生体９１の外部から上述の電子メスおよび鉗子を操作して臓器９１ｂに対する施術を行う。
【００１３】
このような腹腔鏡下手術は、低侵襲治療であるものの、術者９０の触覚が大きく制限される。触覚を補うことができれば、従来の開腹手術で行われていた、触診による腫瘍の位置同定が可能になる。これにより、腫瘍の取り残しや過剰な切除を防ぎ、低侵襲性の向上が期待できる。
【００１４】
本実施形態のセンシングシステムは、接触検出器具１、ケーブル２、ケーブル３、制御装置４、ケーブル５、触覚提示装置６を有することで、人の触覚における触覚情報の受容と動作の双方向性を利用して、術者９０の触覚を補う。
【００１５】
これを実現するため、術者９０は、上述の複数個の穴のうち１つの穴９１ｃに挿入されたトロッカー（図示せず）を通じて、生体９１の内部に接触検出器具１の一部を挿入する。そして、接触検出器具１に取り付けられた弾性膜１０（弾性体の一例に相当する）が臓器９１ｂをなぞるよう、生体９１外で接触検出器具１を操作する。すると、弾性膜１０がなぞった臓器９１ｂに応じた触覚が、触覚提示装置６から術者９０に提示される。
【００１６】
まず、図２を参照して、接触検出器具１の構成について説明する。接触検出器具１は、図２に示すように、先端センサ部２０、剛性チューブ１２、および保持部１３、スピーカ１４、およびマイクロフォン１５を有する鉗子型の器具である。先端センサ部２０は、弾性膜１０および先端ベース部１１から構成される。先端センサ部２０は、剛性チューブ１２の伸びる方向と同軸でほぼ真っ直ぐ伸びるが、鉗子と同様に僅かに湾曲している。
【００１７】
保持部１３は、施術中に術者９０が指で直接保持する例えばＡＢＳ樹脂製の部材であり、内部にスピーカ１４およびマイクロフォン１５が埋め込まれている。この保持部１３は、穴９１ｃから生体９１内に挿入されない部分である。
【００１８】
剛性チューブ１２は、一端が保持部１３に挿入されて固定され、保持部１３から真っ直ぐ伸びる中空かつ無底の円筒形状の棒である。剛性チューブ１２の材質は例えばアルミニウムである。剛性チューブ１２の外径は例えば５ｍｍであり、内径は３ｍｍであり、穴９１ｃに挿入されたトロッカーを通ることができる太さとなっている。剛性チューブ１２の他端は、先端ベース部１１に挿入されて固定される。剛性チューブ１２の保持部１３側の部分は、穴９１ｃから生体９１内に挿入されない部分であり、剛性チューブ１２の先端ベース部１１側の部分は、穴９１ｃから生体９１内に挿入される部分である。
【００１９】
先端ベース部１１は、剛性チューブ１２の長手方向と同じ方向に真っ直ぐまたは僅かに湾曲して伸びる例えばＡＢＳ樹脂製の部材である。先端ベース部１１の外径は例えば７ｍｍであり、穴９１ｃを通ることができる太さとなっている。また、先端ベース部１１の長手方向の長さは例えば７０ｍｍである。
【００２０】
先端ベース部１１には弾性膜１０が取り付けられている。この弾性膜１０も、穴９１ｃから生体９１内に挿入される部分である。弾性膜１０は、シリコーンゴム等の弾性体から成る薄膜形状の部材であり、穴９１ｃから生体９１内に挿入される部分である。弾性膜１０の厚みは例えば０．５ｍｍであり、ヤング率は例えば０．２ＭＰａとする。
【００２１】
ここで、術者９０による接触検出器具１の操作方法について説明する。術者９０は、保持部１３を指で保持し、接触検出器具１を先端ベース部１１から穴９１ｃ内のトロッカー（図示せず）に挿入する。これにより、先端センサ部２０の全体および剛性チューブ１２の一部が、穴９１ｃを通って生体９１内に入る。
【００２２】
そして術者は、施術中、臓器９１ｂ中のしこりを探すため、弾性膜１０ｂを臓器９１ｂに当てたまま、図３に示すように、穴９１ｃを支点として、接触検出器具１を左右に振る。この際、接触検出器具１が穴９１ｃから生体９１内に挿入される長さは、殆ど変化しないか、あるいは全く変化しない。
【００２３】
このように接触検出器具１が扇形に操作されることで、弾性膜１０は、円弧形状の移動軌跡１６に沿って移動し、臓器９１ｂをなぞる。なお、腹腔鏡下手術において、臓器９１ｂ中のしこりを探すため、穴９１ｃの挿入方向（すなわち、剛性チューブ１２の長手方向かつトロッカーの長手方向）に接触検出器具１を移動させることは殆どない。
【００２４】
接触検出器具１の構成の説明に戻る。保持部１３、剛性チューブ１２、先端センサ部２０の内部には、空洞が形成されている。具体的には、保持部１３の内部に空洞１３ａが形成されており、剛性チューブ１２の内部には空洞１２ａが形成されており、先端ベース部１１の内部には空洞１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ、１１ｅが形成されている。そして、これら空洞１１ｂ〜１１ｅ、１２ａ、１３ａは、連通して１つの全長３６０ｍｍの空洞となる。
【００２５】
保持部１３の内部の空洞１３ａは、剛性チューブ１２と保持部１３の接続部分、スピーカ１４が取り付けられる部分、およびマイクロフォン１５が取り付けられる部分の３箇所のみにおいて開口している。
【００２６】
剛性チューブ１２の内部の空洞１２ａは、真っ直ぐ伸びる直径３ｍｍの円柱形状の空隙である。この剛性チューブ１２は、保持部１３と剛性チューブ１２の接続部分と、先端ベース部１１と剛性チューブ１２の接続部分との２箇所のみにおいて開口し、剛性チューブ１２の長手方向に沿って真っ直ぐ伸びた円筒形状となっている。保持部１３と剛性チューブ１２の接続部分における空洞１２ａの開口部は、当該部分における空洞１３ａの開口部と接続しており、これにより、空洞１２ａと空洞１３ａが連通する。
【００２７】
図４〜図９に、先端ベース部１１の側面図、斜視図、および断面図を示す。なお、図５〜図９では、剛性チューブ１２および弾性膜１０の記載は省略している。先端ベース部１１の内部には、接続孔１１ａおよび空洞１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ、１１ｅが形成されており、空洞１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ、１１ｅは連通することで１つの空洞を形成する。
【００２８】
接続孔１１ａは、剛性チューブ１２と先端ベース部１１の接続部分の２箇所のみにおいて開口している円柱形状の孔である。具体的には、接続孔１１ａは、先端ベース部１１のうち保持部１３に最も近い端部において円形の開口部１１ａ−１を１つ有している。また、接続孔１１ａは、剛性チューブ１２のうち保持部１３とは反対側の端部の近傍にも、円形の開口部１１ａ−２を有している。
【００２９】
この接続孔１１ａは、先端ベース部１１の長手方向（図４の左右方向）に沿って、かつ、先端ベース部１１の外形と同軸に、真っ直ぐ伸びており、開口部１１ａ−２において、空洞１１ｂの開口部と接続することで、空洞１１ｂと連通している。なお、剛性チューブ１２がこの接続孔１１ａに完全に挿入された状態（図３、図４参照）では、接続孔１１ａの一部は剛性チューブ１２が占め、接続孔１１ａの残りの部分は、空洞１２ａと重なる。
【００３０】
空洞１１ｂは、接続孔１１ａの側の開口部から、接触検出器具１の先端方向（図４の右方向）に真っ直ぐ伸び、接続孔１１ａと同軸かつ接続孔１１ａよりも径が大きい円柱形状の空隙である。また空洞１１ｂは、接触検出器具１の先端側の端部において開口し、空洞１１ｃと接続している。これにより、空洞１１ｂと空洞１１ｃが連通する。
【００３１】
空洞１１ｃは、空洞１１ｂの側の開口部から、接触検出器具１の先端側（図４の右側）に向けて滑らかにカーブして伸びている。そして、空洞１１ｃは、接触検出器具１の先端側の端部において開口し、空洞１１ｄと接続している。これにより、空洞１１ｃと空洞１１ｄが連通する。なお、空洞１１ｃを当該空洞の長手方向に垂直な面で切断した断面は、矩形となっている。
【００３２】
空洞１１ｄは、接触検出器具１の先端付近において、先端ベース部１１の中心軸から離れた領域で、先端センサ部２０の円周方向９６に沿って１／２周分、円弧形状に伸びている。そして空洞１１ｄは、当該円周方向９６の一端側に、空洞１１ｃの開口部と接続する開口部を有し、更に、当該円周方向９６の他端側に、空洞１１ｅの開口部と接続する開口部を有する。弾性膜１０は、この空洞１１ｄを覆って塞ぐように、先端ベース部１１に取り付けられている。したがって、弾性膜１０が接触検出器具１の外部から押されると、弾性膜１０は変形して空洞１１ｄ側に窪む。
【００３３】
空洞１１ｅは、空洞１１ｄの上記他端側の開口部と接続する１つの開口部のみを有しており、当該開口部から、接触検出器具１の先端側に向けて滑らかにカーブして伸びている。空洞１１ｅの当該開口部と反対側の端部は、固定端１１ｅ−１となっている。
【００３４】
接触検出器具１がセンサとして高い感度を得るためには、空洞の終端（固定端１１ｅ−１）の位置（音が反射する位置）からセンシング位置（弾性膜１０の位置）までの距離を調整することが望ましい。本実施形態では、弾性膜１０で覆われている空洞１１ｄから、更に接触検出器具１の先端側に空洞１１ｅが伸びているので、この距離の調整が容易である。実際、本実施形態では、固定端１１ｅ−１から空洞の長手方向に沿って２５ｍｍ伸びた位置は、弾性膜１０で覆われている空洞１１ｄ内に存在する。空洞１１ｅを当該空洞の長手方向に垂直な面で切断した断面は、矩形となっている。
【００３５】
以上のように形成された空洞１１ｂ〜１１ｅ、１２ａ、１３ａは、上述の通り、１つの空洞となり、この空洞１１ｂ〜１１ｅ、１２ａ、１３ａの長手方向は、図２、図４、図８の矢印９５に示すような方向となる。そして、スピーカ１４からこの空洞内に入力された音も、この長手方向９５に沿って伝達される。
【００３６】
スピーカ１４は、ケーブル２を介して制御装置４から電圧が印加されることで、空洞１１ｂ〜１１ｅ、１２ａ、１３ａに音を入力する。スピーカ１４としては、例えば、ＫｉｎｇｓｔａｔｅのＫＤＭＧ１０００８Ｃ−０３を用いる。
【００３７】
マイクロフォン１５は、空洞１１ｂ〜１１ｅ、１２ａ、１３ａ内に発生している音に応じた電気信号を、ケーブル３を介して制御装置４に出力する。マイクロフォン１５としては、例えば、ＩＣＣ／ＩｎｔｅｒｖｏｘのＭＥＵ−６５ＰＤ−０２−７０４を用いる。
【００３８】
制御装置４は、ケーブル２を介してスピーカ１４に電圧を印加し、ケーブル３を介してマイクロフォン１５の出力した電気信号を取得し、取得した電気信号に基づいて触覚提示装置６に制御命令を入力し、それにより、触覚提示装置６を制御する。このような制御装置４は、例えば、周知のマイクロコンピュータ、パーソナルコンピュータ、ワークステーションを用いて実現可能である。
【００３９】
次に、触覚提示装置６の構成について、図１０〜図１２を参照して説明する。本実施形態の触覚提示装置６は、術者９０の下半身、より具体的には足の裏に触覚を伝達する触覚ディスプレイである。
【００４０】
この触覚提示装置６は、図１０〜図１２に示すように、床に設置された術者９０の足の全体が乗る本体部６０、本体部６０の内部に配置された駆動回路６１、駆動回路６１と接続される３つのアクチュエータ６２、６３、６４を有している。更に触覚提示装置６は３つの刺激子６５、６６、６７を有しており、刺激子６５、６６、６７のそれぞれがアクチュエータ６２、６３、６４に駆動されて変位することで術者９０の足の裏に触刺激を与える。本体部６０への足の乗せ方は、図１２の通りである。
【００４１】
駆動回路６１は、ケーブル５を介して制御装置４から出力される制御命令に従って、アクチュエータ６２〜６４を駆動する。アクチュエータ６２〜６４は、駆動回路６１の駆動に従って作動することで、それぞれ、刺激子６５、６６、６７を上下方向（図１１の上下方向。図１０の矢印参照。）に変位させる装置である。
【００４２】
刺激子６５、６６、６７は、本体部６０のうち、足の裏の前端部が乗る部分に、左右方向に並んで配置される。刺激子６５、６６、６７の上下方向の位置が変化すると、術者９０は、足の裏の前端部への触刺激の変化を認識する。
【００４３】
なお、図１１に示すように、刺激子６５、６６、６７と足の裏の間に、刺激子６５、６６、６７のすべてを覆う一枚のフレキシブルなカバー６８を介在させてもよい。触覚提示装置に用いられるフレキシブルなカバーは、例えば、H. Iwata, H. Yano, F. Nakaizumi, and R. Kawamura, “Project FEELEX: Adding HapticSurface to Graphics,” Proc. the 28th Annual Conference on Computer Graphics and Interactive Techniques, 469-476, 2001に開示されている。フレキシブルなカバー６８を介在させることで、滑らかに凸凹の位置や大きさが変わる触覚提示が可能となる。
【００４４】
本実施形態におけるセンシングシステムの構成は以上の通りである。次に、本実施形態のセンシングシステムにおける検出原理について、図１３を参照して説明する。
【００４５】
図１３では、本実施形態の空洞１１ｂ〜１１ｅ、１２ａ、１３ａを模式的に円筒形状のパイプで表している。パイプ内にスピーカ１４から音を入力すると、音は固定端１１ｅ−１（図４の固定端１１ｅ−１と同じ）で反射する。このとき、パイプの側面（弾性膜１０に相当する）が硬いしこり９８によって変形して空洞側へ押し込まれると、パイプ内への突出部１０ａが発生して音の通路が狭まり、一部の音が突出部１０ａで反射する。したがって、パイプ内の音をマイクロフォン１５で計測すれば、パイプの変形に関する情報（変形量と変形位置）を得ることができる。
【００４６】
具体的に、パイプへの入力音２１を振幅Ａｉｎ、周波数ｆｉｎの正弦波とすると、パイプ内の音は、入力音２１、入力音２１が固定端１１ｅ−１で反射した反射音２２、入力音２１が突出部１０ａで反射した反射音２３の合成音２４となる。したがって、合成音２４の強度ｙｏｕｔは
ｙｏｕｔ＝Ａｏｕｔｓｉｎ (２πｆｉｎｔ + φ)                        （１）
となる。ここで、Ａｏｕｔは以下の式（２）で表され、入力音２１に対する合成音２４の位相のずれを表す量φは、以下の式（３）で表される。
【００４７】
【数１】
0006586955.tif 000002
【００４８】
【数２】
0006586955.tif 000003
なお、ｒは変形量に応じて決まる反射率（０≦ｒ≦１）、Ｌはパイプの全長、ｘｐはパイプ先端（すなわち、固定端１１ｅ−１）から変形位置までの距離、ｖはパイプ内の音速である。これらの式（１）〜（３）からは、合成音２４の振幅Ａｏｕｔおよび位相差φと、反射率ｒおよび変形位置ｘｐ との間には、明確な相関があることがわかる。
【００４９】
実際、式（１）〜（３）において、Ｌ＝３６０ｍｍ、ｖ＝３４０ｍ／ｓ、ｆｉｎ＝３３００Ｈｚすると、反射率ｒおよび変形位置ｘｐに対する振幅Ａｏｕｔの振る舞いは図１４のようになり、反射率ｒおよび変形位置ｘｐに対する位相差φの振る舞いは図１５のようになる。
【００５０】
図１４によれば、変形位置ｘｐが２０ｍｍ以上３０ｍｍ以下の場合は、振幅Ａｏｕｔと反射率ｒとの間に、変形位置ｘｐとはほぼ独立な相関関係があることがわかる。また、図１５によれば、位相差φと変形位置ｘｐとの間には、振幅Ａｏｕｔとはほぼ独立な相関関係があることがわかる。つまり、位相差φは変形位置ｘｐを表す量として取り扱い、振幅Ａｏｕｔを変形量（または反射率ｒ）を表す量として取り扱うことができる。したがって、変形量（反射率ｒと相関する）と変形位置ｘｐがほぼ独立に計測できる。
【００５１】
この事実に基づき、本実施形態では、一例として、空洞１１ｂ〜１１ｅ、１２ａ、１３ａの全長Ｌを３６０ｍｍとし、スピーカ１４から空洞１１ｂ〜１１ｅ、１２ａ、１３ａへの入力音（正弦波）の周波数ｆｉｎを３３００Ｈｚとする。また、弾性膜１０は、固定端１１ｅ−１から、空洞１１ｂ〜１１ｅ、１２ａ、１３ａの長手方向に沿って２０ｍｍ以上３０ｍｍ以下の範囲を覆って塞ぐように、あるいは、１１d部分のみを覆って塞ぐように、先端ベース部１１に取り付けられる。ただし、本発明の適用範囲は、このような例に限定されるものではないことは明らかである。
【００５２】
さらに、上記では単一音（ｆｉｎ＝３３００Ｈｚ）の場合を述べたが、周波数の異なる複数個の音を入力することで、それぞれの周波数の入力音と合成音から振幅と位相差を検出し、これらを利用することで変形量と変形位置をより高精度に計測できる可能性がある。
【００５３】
ここで、本実施形態に係るセンシングシステムの作動について説明する。腹腔鏡下手術時には、既に説明した通り、生体９１の表面に開けられた複数個の穴（例えば穴９１ｄ）から生体９１の内部に内視鏡７、電気メス、鉗子等が挿入される。それと共に、術者９０は、接触検出器具１を、先端ベース部１１から、穴９１ｃを通して生体９１の内部に挿入する。そして術者９０は、保持部１３を保持した状態で、弾性膜１０が臓器９１ｂをなぞるよう、生体９１外で保持部１３を動かことで、接触検出器具１を操作する。
【００５４】
腹腔鏡下手術の間、制御装置４は、スピーカ１４が、所定の振幅Ａｉｎ、および所定の入力周波数ｆｉｎの正弦波を入力音２１として空洞１１ｂ〜１１ｅ、１２ａ、１３ａに入力するよう、スピーカ１４に電圧を印加し続ける。
【００５５】
すると、接触対象の臓器９１ｂの状態（形状、硬さ等）に応じて弾性膜１０が変形し、その結果、空洞内の音の反射率ｒが変化する。例えば接触対象の臓器９１ｂがしこりのような比較的硬い組織なら、しこりが弾性膜１０を空洞側に押し込み、その結果、空洞内における音の通路が狭まり、空洞内の音の反射率ｒが変化する。したがって、マイクロフォンが出力する信号は、接触対象の臓器９１ｂの状態に応じて変化する。
【００５６】
しかも、生体の外部で空洞に音を入力し、生体の外部で空洞内の音に応じた信号を出力する。そして、剛性チューブ１２、先端ベース部１１には、電子部品が存在しない。したがって、生体内で電気信号が発生しないので、従来よりも生体安全性が向上する。また、接触検出器具１の滅菌および洗浄が容易になる。
【００５７】
スピーカ１４への電圧印加と同時に制御装置４は、同じ腹腔鏡下手術の間、図１６に示す処理を繰り返し実行する。図１６の処理では、まずステップ１１０で、スピーカ１４に印加される電圧を所定の複数サンプル（例えば１４サンプル）分だけサンプリングすると共に、マイクロフォン１５が合成音２４に応じて出力する信号を所定の複数サンプル（例えば１４サンプル）分だけサンプリングする。スピーカ１４に印加される電圧は入力音２１の強度に相当し、マイクロフォン１５から出力される信号の電圧は合成音２４の強度に相当する。
【００５８】
入力音２１および合成音２４の強度のサンプリング周波数は、例えば、入力音２１の１周期内で１４サンプルを取得できるよう、１４×３３００Ｈｚ＝４６２００Ｈｚとする。さらに変形量や変形位置に関する量が計算されて、サンプリング周波数約約２３００Hzで触覚提示装置に変形量や変形位置に基づく制御電圧が出力される。したがって、入力音と合成音を取得し、触覚提示装置に制御電圧を送信するサンプリング周波数は約２３００Hzである。しかし、触覚提示装置６を用いること、および、後述するカットオフ周波数が１０Ｈｚのローパスフィルタ処理を鑑みれば、この周波数については、１０００Ｈｚでもよく、また、１００Ｈｚでもよい。つまり、サンプリング周波数は、１００Ｈｚ以上であればよい。ただし、人の触覚受容器は０Ｈｚ以上１０００Ｈｚ以下の周波数に敏感なので、サンプリング周波数は１０００Ｈｚ以上であればより好適である。なお、入力音と合成音を取得するサンプリング周波数は、少なくとも１周期のサンプリングを必要とすることから、入力音の周波数に応じて、１周期１４点程度、あるいはそれ以上のサンプリングが可能なサンプリング周波数を使用する必要がある。
【００５９】
なお、空洞１１ｂ〜１１ｅ、１２ａ、１３ａは弾性膜１０、スピーカ１４、マイクロフォン１５によって密閉されているので、合成音２４は、術者９０等の人には殆ど聞こえない。
【００６０】
続いてステップ１２０では、今回の図１６の処理におけるステップ１１０でサンプリングした入力音２１の上記所定の複数サンプル分の強度を用いて、入力音２１の振幅Ａｉｎおよび位相を算出する。また同様にステップ１２０では、今回の図１６の処理におけるステップ１１０でサンプリングした合成音２４の上記所定の複数サンプル分の強度を用いて、合成音２４の振幅Ａｏｕｔおよび位相を算出する。そして、算出された入力音２１の位相に対する合成音２４の位相の差を算出して、位相差φとする。更に、自乗強度比Ｆを、Ｆ＝（Ａｏｕｔ／Ａｉｎ）２という式を用いて算出する。
【００６１】
続いてステップ１３０では、今回および前回以前の図１６の処理のステップ１２０で算出した自乗強度比Ｆ、位相差φを用いて、自乗強度比Ｆおよび位相差φに対してカットオフ周波数が１０Ｈｚのローパスフィルタ処理を行う。これにより、１０Ｈｚを超える周波数成分が、自乗強度比Ｆ、位相差φから除去される。
【００６２】
続いてステップ１４０では、今回の図１６の処理のステップ１３０でローパスフィルタ処理が施された結果の最新の自乗強度比Ｆおよび位相差φに基づいて、制御命令を作成する。
【００６３】
制御命令は、触覚提示装置６の刺激子６５、６６、６７の各々の上下位置を指示するデータである。ここでは、第１刺激子６５の上下位置をＨ１、第２刺激子６６の上下位置をＨ２、第３刺激子６７の上下位置をＨ３とする。Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３は、値が大きくなるほど本体部６０から術者９０の足側に高く突出し、ゼロであれば本体部６０から全く突出していない位置であるとする。
【００６４】
自乗強度比Ｆおよび位相差φからＨ１、Ｈ２、Ｈ３への変換は、例えば、以下のように行う。位相差φの具体的な値として、φ１、φ２、φ３（ただし０＜φ１＜φ２＜φ３）という値を設定する。これらφ１、φ２、φ３は、それぞれ刺激子６５、６６、６７に対応する。そして、
Ｈ１＝ｋ×（Ｆ−１）／（｜φ−φ１｜＋α）
Ｈ２＝ｋ×（Ｆ−１）／（｜φ−φ２｜＋α）
Ｈ３＝ｋ×（Ｆ−１）／（｜φ−φ３｜＋α）
という式で、Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３を決定する。ここで、αはＨ１、Ｈ２、Ｈ３が無限大にならないように設けた所定の正の定数であり、ｋは所定の正の比例係数である。各式の分母は、それぞれ、位相差φからφ１、φ２、φ３までの距離が長くなるほど大きくなる。したがって、位相債φｉ（ただしｉ＝１、２、または３）が位相差φに近い程、Ｈｉの値が大きくなる。また、Ｆの値が大きいほど、Ｈｉの値が大きくなる。
【００６５】
あるいは、自乗強度比Ｆおよび位相差φからＨ１、Ｈ２、Ｈ３への変換は、φ１、φ２、φ３のうち、φ１が最も位相差φに近ければ、（Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３）＝（ｋ×（Ｆ−１）、０、０）とし、φ２が最も位相差φに近ければ、（Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３）＝（０、ｋ×（Ｆ−１）、０）とし、φ３が最も位相差φに近ければ、（Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３）＝（０、０、ｋ×（Ｆ−１））としてもよい。
【００６６】
これらのようにすることで、接触検出器具１の操作中に、硬いしこりが弾性膜１０に接触している間は、当該しこりが弾性膜１０に接触した位置である変形位置ｘｐに応じて重み付けられた上下位置Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３が作成される。
【００６７】
続いてステップ１５０では、直前のステップ１４０で作成した制御命令Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３を、ケーブル５を介して、触覚提示装置６の駆動回路６１に出力する。これにより、今回の図１６の処理が完了し、直ちに、次の回の図１６の処理の実行を開始する。既に説明した通り、図１６の処理は繰り返し実行されるので、ステップ１１０で取得する複数サンプル毎に、制御命令Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３が駆動回路６１に出力される。
【００６８】
なお、上記の作動では、ステップ１２０における自乗強度比Ｆおよび位相差φの算出の周波数（頻度）は、ステップ１４０、１５０における制御命令の出力の周波数（頻度）と同じであるが、前者と後者の周波数を変えてもよい。例えば、前者の周波数３３００Ｈｚとしたときに、後者の周波数を２３００Ｈｚとしてもよいし、１０００Ｈｚとしてもよいし、１００Ｈｚとしてもよい。
【００６９】
触覚提示装置６の駆動回路６１は、制御装置４から出力された制御命令を取得する度に、当該制御命令が示す刺激子６５、６６、６７の上下位置Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３を実現するよう、アクチュエータ６２、６３、６４を駆動する。これにより、刺激子６５、６６、６７が変位し、それぞれの上下位置Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３が実現する。これにより、術者９０の足の裏が、上下位置Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３に応じた触刺激を受ける。
【００７０】
したがって、弾性膜１０が臓器９１ｂに押し当てられた状態で臓器９１ｂをなぞるよう、接触検出器具１を操作することで、硬いしこりが弾性膜１０に当たることによって発生した弾性膜１０の変形量および変形位置ｘｐに対応する触刺激を、足の裏で受けることができる。より具体的には、弾性膜１０の変形量に応じて足の前後方向の傾きが変化し、弾性膜１０の変形位置ｘｐに応じて足の左右方向の傾きが変化する。
【００７１】
そして、弾性膜１０がゆっくりと臓器９１ｂをなぞるように術者９０が接触検出器具１を操作すれば、しこりによって変形量に加えて変形位置ｘｐがゆっくり変化し、触覚提示装置６を介して術者９０が変形量の変化に加えてこの位置変化を把握することができるようになる。その結果、より的確にしこりの存在を発見できる。触覚提示装置６が変形量に応じた触刺激のみを術者９０に伝達するような場合は、人は触刺激そのものよりも、触刺激の変化を敏感に感じ取るので、弾性膜１０を素早く動かさないとしこりの存在を認識できない可能性がある。
【００７２】
また、本実施形態では、音を使用しているものの、空洞１１ｂ〜１１ｅ、１２ａ、１３ａが変形することによる空洞の共振周波数を検出するのではなく、入力音２１と合成音２４の強度Ａｉｎ、Ａｏｕｔおよび位相差φを検出する。したがって、共振周波数を検出する場合に比べて、共振周波数のスキャン等の処理が必要なくなり、その結果、検出速度が向上する。このことは、弾性膜１０と臓器９１ｂの接触に応じた検出量（Ｆ、φ）を、０．０１秒以上の遅れが問題となる高いリアルタイム性で術者９０に提示する本実施形態のセンシングシステムにおいては、非常に有効である。また、本実施形態では、特定の周波数の音のみを使用するので、環境ノイズに強い。
【００７３】
また、弾性膜１０の近傍（すなわち空洞１１ｄ）において、空洞１１ｂ〜１１ｅ、１２ａ、１３ａの長手方向９５は、先端センサ部２０の周方向９６に沿って、先端センサ部２０の中心軸を取り巻いて弧状に伸びている。それ故、弾性膜１０の近傍において、空洞１１ｂ〜１１ｅ、１２ａ、１３ａの長手方向９５は、先端センサ部２０の周方向９６に直交していない。つまり、空洞１１ｂ〜１１ｅ、１２ａ、１３ａは、弾性膜１０の近傍において先端センサ部２０の周方向９６に伸びている。
【００７４】
また、弾性膜１０の（すなわち空洞１１ｄ）近傍において、空洞１１ｂ〜１１ｅ、１２ａ、１３ａの長手方向９５は、剛性チューブ１２の周方向９６に沿って、剛性チューブ１２の中心軸を真っ直ぐ延長した線を取り巻いて弧状に伸びている。それ故、弾性膜１０の近傍において、空洞１１ｂ〜１１ｅ、１２ａ、１３ａの長手方向９５は、剛性チューブ１２の周方向９６に直交していない。つまり、空洞１１ｂ〜１１ｅ、１２ａ、１３ａは、弾性膜１０の近傍において剛性チューブ１２の周方向９６に伸びている。
【００７５】
したがって、空洞１１ｂ〜１１ｅ、１２ａ、１３ａの長手方向９５は、弾性膜１０の近傍（すなわち空洞１１ｄ）において、部材１０〜１３の移動軌跡１６の接線と一致している。それ故、空洞１１ｂ〜１１ｅ、１２ａ、１３ａは、弾性膜１０の近傍において、移動軌跡１６の接線方向に伸びている。
【００７６】
このようになっていることで、術者９０が接触検出器具１を穴９１ｃから生体９１内に入れて弾性膜１０で臓器９１ｂをなぞっているときに、弾性膜１０上で生体９１内のしこりに当たる部分の位置が変化すると、その変化に応じて、マイクロフォン１５の出力する信号が変化する。したがって、生体内のしこりの存在をより明確に検出することができる。
【００７７】
また、触覚提示装置６が術者９０の下半身に触刺激を与えることで、術者９０の両手が空き、更に、手術における清潔領域である腕に触覚提示装置６を取り付ける必要がなくなる。
【００７８】
ここで、接触検出器具１と類似の接触検出器具１’を用いて本願発明者が行った実験結果について説明する。図１７、図１８に示すように、接触検出器具１’は、接触検出器具１と同じ剛性チューブ１２、保持部１３、スピーカ１４、マイクロフォン１５を有している。そして、先端センサ部２０の代わりに先端センサ部２０’を有している。先端センサ部２０’は、シリコーンゴム製の円筒形状の弾性チューブ１０’と、ＡＢＳ樹脂製の円筒部材１１’と、を含んでいる。先端センサ部の側面の円周方向の変形位置を検出できる点は、接触検出器具１’と接触検出器具１で同じである。
【００７９】
剛性チューブ１２の先端を、外径６ｍｍ、内径４ｍｍ、長さ９５ｍｍのシリコーンゴム製の中空の弾性チューブ１０’の一端に挿入する。弾性チューブ１０’の他端は塞がれており、固定端となっている。
【００８０】
そして、弾性チューブ１０’は、直径２８ｍｍの円筒部材１１’の側面に、円筒部材１１’の周方向に沿って、巻き付けられている。円筒部材１１’は、その軸方向が剛性チューブ１２の長手方向と一致するように、剛性チューブ１２に固定されている。
【００８１】
これにより、弾性チューブ１０’の長手方向の変形位置ｘｐを取得することによって、先端センサ部２０’、円筒部材１１’、および剛性チューブ１２の円周方向の変形位置を知ることができる。弾性チューブ１０’内の空洞、空洞１２ａ、空洞１３ａは１つの空洞として連通しており、その全長は、３６０ｍｍである。弾性チューブ１０’は、当該１つの空洞を覆って塞ぎ、弾性チューブ１０’が接触検出器具１の外部から押されると、弾性膜１０は変形して当該空洞側に窪む。
【００８２】
また、弾性チューブ１０’の近傍において、空洞の長手方向は、先端センサ部２０’の周方向に沿って、先端センサ部２０’の中心軸を取り巻いて弧状に伸びている。それ故、弾性膜１０の近傍において、空洞の長手方向は、先端センサ部２０の周方向に直交していない。
【００８３】
また、弾性チューブ１０’の近傍において、空洞の長手方向は、剛性チューブ１２の周方向に沿って、剛性チューブ１２の中心軸を真っ直ぐ延長した線を取り巻いて弧状に伸びている。それ故、弾性チューブ１０’の近傍において、空洞の長手方向は、剛性チューブ１２の周方向に直交していない。
【００８４】
したがって、接触検出器具１’は、接触検出器具１と同様の効果を発揮することができる。
【００８５】
図１８では、弾性チューブ１０’の長手方向の位置を、先端センサ部２０’、円筒部材１１’、および剛性チューブ１２の円周方向の角度（先端センサ部２０’、円筒部材１１’の中心軸から見込む角度）で表している。０ｄｅｇのときに変形位置ｘｐは先端（弾性チューブ１０’の固定端）から２５ｍｍとなるように配置され、スピーカ１４から入力される入力音２１は、周波数３１６０Ｈｚの正弦波である。これは、理論的、実験的に決定された設計パラメータであり、０ｄｅｇの位置で、変形量に対して自乗強度比Ｆ＝（Ａｏｕｔ／Ａｉｎ）が最も幅広く変化する条件である。マイクロフォン１５からの出力信号はアンプにより増幅される。
【００８６】
この出力信号とスピーカ１４へ印加した電圧の信号（入力信号）をオシロスコープへ入力し、リサージュ図形を記録することで、位相差を計測した。計測はそれぞれ、弾性チューブ１０’に変形を加えていないとき、−６０ｄｅｇ、−３０ｄｅｇ、０ｄｅｇ、３０ｄｅｇ、６０ｄｅｇの位置（図１８参照）で弾性チューブ１０’を完全に押しつぶしたとき（ｒ＝１のとき）について行った。
【００８７】
図１９に、弾性チューブ１０’に変形を加えていないとき、０ｄｅｇ、３０ｄｅｇ、−３０ｄｅｇの位置で完全に押しつぶしたときのリサージュ図形を示す。それぞれの図形を比較すると、変形位置に対応してリサージュ図形が変化していることが分かる。変形を加えていないときの図形と、変形を加えているときの図形とを比較すると。出力信号の電圧の振幅が大きくなっているが、これは変形量と振幅が対応していることを示している。また、それぞれの変形位置に対する位相差φを図２０に示す。この図より、弾性チューブ１０’の変形位置に応じて、位相差φが変化していることが分かる。以上の結果から、弾性チューブ１０’を円筒部材１１’に巻き付けた状態においても、位相差φの測定によって、変形位置ｘｐが取得できることがわかる。
【００８８】
なお、この実験に用いた接触検出器具１’を、接触検出器具１の代わりにセンシングシステムに用いることができる。その際は、円筒部材１１’の直径を２８ｍｍより小さくすると、生体９１内への挿入がより容易になる。
【００８９】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対して触覚提示装置６を図２１の触覚提示装置９３に置き換えたものである。触覚提示装置９３以外の構成および作動は、第１実施形態と同じである。
【００９０】
この触覚提示装置９３は、図２１に示すように、床に設置される本体部７０、本体部７０の内部に配置された駆動回路７１、駆動回路７１と接続される３つのアクチュエータ７２、７３、７４を有している。更に触覚提示装置９３は３つの刺激子７５、７６、７７を有しており、刺激子７５、７６、７７のそれぞれがアクチュエータ７２、７３、７４に駆動されて変位することで術者９０の足の裏に触刺激を与える。
【００９１】
駆動回路７１は、ケーブル５を介して制御装置４から出力される制御命令に従って、アクチュエータ７２〜７４を駆動する。
【００９２】
アクチュエータ７２〜７４は、本体部７０に対して取り付けられており、各々の回転部が本体部７０に対して矢印７８のように回転可能になっている。刺激子７５、７６、７７は、細長い平板であり、その一端が、それぞれ、アクチュエータ７２、７３、７４の回転部に固定されている。アクチュエータ７２〜７４は、駆動回路７１の駆動に従って、回転部を本体部７０に対して回転させることで、それぞれ、刺激子７５、７６、７７の位置および姿勢を変化させる。具体的には、刺激子７５、７６、７７は、それぞれ、アクチュエータ７２、７３、７４を回転支点として変位する。
【００９３】
図２１に示すように、術者９０は、踵を床に付け、足の前部のみを、刺激子７５〜７７の上面に乗せる。したがって、刺激子７５〜７７の位置および姿勢がそれぞれアクチュエータ７２〜７４を回転支点として変化すると、術者９０は、足の裏の前端部への触刺激の変化を認識する。
【００９４】
ここで、本実施形態の触覚提示装置９３の作動について説明する。触覚提示装置９３の駆動回路７１は、制御装置４から出力された制御命令を取得する度に、当該制御命令が示す刺激子７５、７６、７７のそれぞれの上下位置Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３を実現するよう、アクチュエータ７２、７３、７４を駆動する。
【００９５】
具体的には、上下位置Ｈ１が０であれば、刺激子７５が床面に対して平行になるようにアクチュエータ７２を制御し、上下位置Ｈ１が大きくなればなるほど、刺激子７５の床面に対する仰角が大きくなってアクチュエータ７２に固定されていない側の端部の位置が高くなるように、アクチュエータ７２を制御する。上下位置Ｈ２とアクチュエータ７３と刺激子７６の関係、および上下位置Ｈ３とアクチュエータ７４と刺激子７７の関係も同様である。これにより、術者９０の足の裏が、上下位置Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３に応じた触刺激を受ける。
【００９６】
したがって、弾性膜１０が臓器９１ｂに押し当てられた状態で臓器９１ｂをなぞるよう、接触検出器具１を操作することで、硬いしこりが弾性膜１０に当たることによって発生した弾性膜１０の変形量および変形位置ｘｐに対応する触刺激を、足の裏で受けることができる。より具体的には、弾性膜１０の変形量に応じて足の前後方向の傾きが変化し、弾性膜１０の変形位置ｘｐに応じて足の左右方向の傾きが変化する。したがって、第１実施形態の触覚提示装置６と同等の効果を得ることができる。更に、足の踵が固定された設置点となるため、術者９０が自身の足の動きを知覚しやすい可能性がある。
【００９７】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対して触覚提示装置６を図２２の触覚提示装置９４に置き換えたものである。また、制御装置４が触覚提示装置９４に出力する制御命令の内容も、第１実施形態と異なる。その他の構成および作動は、第１実施形態と同じである。
【００９８】
この触覚提示装置９４は、図２２に示すように、床に設置される体部８０、本体部８０の内部に配置された駆動回路８１、駆動回路８１と接続される２つのアクチュエータ８２、８４を有している。更に触覚提示装置９４は、シャフト８３および刺激子８５を有しており、シャフト８３および刺激子８５がアクチュエータ８２、８４に駆動されて変位することで術者９０の足の裏に触刺激を与える。
【００９９】
駆動回路８１は、ケーブル５を介して制御装置４から出力される制御命令に従って、アクチュエータ８２、８４を駆動する。
【０１００】
アクチュエータ８２は、本体部８０に固定される固定部８２ａと、固定部８２ａに対して回転可能な回転部８２ｂとを有している。駆動回路８１に駆動されることで、回転部８２ｂは固定部８２ａに対して矢印８２ｃの方向に回転する。シャフト８３は、一端がアクチュエータ８２の回転部８２ｂに固定され、他端がアクチュエータ８４に固定される部材である。
【０１０１】
アクチュエータ８４は、シャフト８３の上記他端に固定される固定部８４ａと、固定部８４ａに対して回転可能な回転部８４ｂとを有している。駆動回路８１に駆動されることで、回転部８４ｂは固定部８４ａに対して矢印８４ｃの方向に回転する。刺激子８５は、細長い平板であり、その一端が、一端がアクチュエータ８４の回転部８４ｂに固定されている。
【０１０２】
アクチュエータ８２の回転部８２ｂが固定部８２ａに対して回転すると、それに伴ってシャフト８３、アクチュエータ８４、および刺激子８５もアクチュエータ８２を回転支点として回転する。また、アクチュエータ８４の回転部８４ｂが固定部８４ａに対して回転するとそれに伴って刺激子８５もアクチュエータ８４を回転支点として回転する。回転部８２ｂが回転する場合と回転部８４ｂが回転する場合とでは、刺激子８５が回転する方向が異なるので、刺激子８５は、２つの自由度で変位する。
【０１０３】
図２２に示すように、術者９０は、足の全体を、刺激子８５の上面に乗せる。したがって、刺激子８５の位置および姿勢がそれぞれアクチュエータ８２、８４を回転支点として変化すると、術者９０は、足の裏の前端部への触刺激の変化を認識する。具体的には、アクチュエータ８２が駆動されることで、刺激子８５の足の左右方向への傾きが変化し、アクチュエータ８４が駆動されることで、刺激子８５の足の前後方向への傾きが変化する。
【０１０４】
ここで、制御装置４がケーブル５を介して触覚提示装置９４に出力する制御命令について説明する。制御装置４は、図１６のステップ１１０〜１３０までは、第１実施形態と同じ作動を行う。
【０１０５】
ステップ１４０では、今回の図１６の処理のステップ１３０でローパスフィルタ処理が施された結果の最新の自乗強度比Ｆおよび位相差φに基づいて、制御命令を作成する点は、第１実施形態と同じである。ただし、制御命令の内容が第１実施形態と異なる。
【０１０６】
本実施形態の制御命令は、触覚提示装置９４の刺激子８５に載せられた足の左右方向の傾きθ１および足の前後方向の傾きθ２を指示するデータである。θ２は、値が大きくなるほど足のつま先側が高くなる量である。
【０１０７】
自乗強度比Ｆおよび位相差φからθ１、θ２への変換は、例えば、以下のように行う。まず、θ２については、自乗強度比Ｆが大きいほど値が大きくなるようにし、位相差φには依存しないようにしてもよい。また、θ１については、位相差φが大きいほど値が大きくなるようにし、自乗強度比Ｆには依存しないようにしてもよい。
【０１０８】
続いてステップ１５０では、直前のステップ１４０で作成した制御命令θ１、θ２を、ケーブル５を介して、触覚提示装置９４の駆動回路８１に出力する。駆動回路８１は、制御装置４から出力された制御命令を取得する度に、当該制御命令が示す傾き角θ１を実現するよう、アクチュエータ８２を駆動し、当該制御命令が示す傾き角θ２を実現するよう、アクチュエータ８３を駆動する。これにより、術者９０の足の裏が、傾き角、θ１、θ２に応じた触刺激を受ける。
【０１０９】
したがって、弾性膜１０が臓器９１ｂに押し当てられた状態で臓器９１ｂをなぞるよう、接触検出器具１を操作することで、硬いしこりが弾性膜１０に当たることによって発生した弾性膜１０の変形量および変形位置ｘｐに対応する触刺激を、足の裏で受けることができる。より具体的には、弾性膜１０の変形量に応じて足の前後方向の傾きが変化し、弾性膜１０の変形位置ｘｐに応じて足の左右方向の傾きが変化する。したがって、第１実施形態の触覚提示装置６と同等の効果を得ることができる。
【０１１０】
（第４実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態は、第３実施形態に対して触覚提示装置９４のサイズを小さくしたものであり、他は第３実施形態と同じである。図２３に示す通り、本実施形態では、術者９０は、踵を床に付け、足の前部のみを、刺激子８５の上面に乗せる。したがって、足の踵が固定された設置点となるため、術者９０が自身の足の動きを知覚しやすい可能性がある。
【０１１１】
（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態について、図２４〜図３４を参照して説明する。本実施形態は、第１〜第４実施形態に対して、先端センサ部２０を先端センサ部２０’’に置き換えたものである。先端センサ部以外の構成については、第１〜第４実施形態と同じである。
【０１１２】
先端センサ部２０’’は、弾性膜１０’’および先端ベース部１１’’から構成される。先端ベース部１１’’の材質は、先端ベース部１１と同じである。先端ベース部１１’’は剛性チューブ１２の長手方向と同じ方向にほぼ真っ直ぐ伸びるが、鉗子と同様に緩やかな円弧形状となっている。先端ベース部１１’’の外径は例えば７ｍｍであり、穴９１ｃを通ることができる太さとなっている。また、先端ベース部１１’’の長手方向の長さは例えば７０ｍｍである。
【０１１３】
図２４〜図２６に示すように、先端ベース部１１’’は、内部に空洞１１ｆが形成されている。空洞１１ｆは、先端ベース部１１’’の剛性チューブ１２側の端部において開口している。この開口に剛性チューブ１２の一端が挿入されることで、空洞１１ｆと空洞１２ａとが連通する。
【０１１４】
空洞１１ｆは、この開口の近傍は円柱形状となっているが、先端側（剛性チューブ１２とは反対側）に伸びるにつれて断面形状が変形して潰れていき、図２６に示すように断面円弧形状となる。そして、弾性膜１０’’は、空洞１１ｆのうち断面円弧形状となった部分を覆って塞ぐように、先端ベース部１１’’に取り付けられている。弾性膜１０’’の材質よび形状は、第１実施形態の弾性膜１０と同じである。弾性膜１０’’が接触検出器具１の外部から押されると、弾性膜１０’’は変形して当該空洞ｆ側に窪む。
【０１１５】
この空洞１１ｆがこのような形状となっていることの意義について説明する。しこりは、臓器９１ｂの正常部の一部が病変したことによる硬さや形状の変化に起因するものであるが、正常部が軟らかいため、先端センサ部２０’’がしこりの上をなぞった際に弾性膜１０’’に加わる力は、微小凹凸をなぞった際と同様になると考えられる。この凹凸を越える際には、凹凸表面に対して法線方向と接線方向に力を受け、位置によって法線方向の力の向きは異なる。音の通路である空洞１１ｆは、主に法線方向の力により狭まる。したがって、変形部も法線方向の力の向きに関わらず変形することが望まれる。また、空洞は狭い方が、しこりの押し込み量に対する感度が向上する。そこで、空洞を狭くし、なおかつ、力の方向の変化に対応できるよう、空洞１１ｆが図２６のような円弧形状の空隙を有する構造とした。
【０１１６】
また、空洞１１ｆの長手方向は、先端ベース部１１’’の長手方向と同じであり、先端センサ部２０’’の円周方向に直交している。従って、本実施形態では、弾性膜１０’’が臓器９１ｂをなぞる方向と、空洞１１ｆの長手方向とは直交する。
【０１１７】
次に、本実施形態の作動について、第１〜第４実施形態との違いのみを説明する。本実施形態では、制御装置４は、ステップ１４０で、制御命令（すなわち、Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３の組、または、θ１、θ２の組）を、自乗強度比Ｆおよび位相差φのうちいずれか一方のみに基づいて作成する。
【０１１８】
例えば、Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３を含む制御命令を作成する場合は、Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３とも同じ値とし、自乗強度比Ｆが大きくなるほどＨ１＝Ｈ２＝Ｈ３が大きくなるように制御命令を作成してもよい。あるいは、位相差φが大きくなるほどＨ１＝Ｈ２＝Ｈ３が大きくなるように制御命令を作成してもよい。
【０１１９】
また例えば、θ１、θ２を含む制御命令を作成する場合は、θ１の値を０に固定し、自乗強度比Ｆが大きくなるほどθ２が大きくなるように制御命令を作成してもよい。あるいは、θ１の値を０に固定し、位相差φが大きくなるほどθ２が大きくなるように制御命令を作成してもよい。
【０１２０】
いずれの場合でも、制御装置４から触覚提示装置６に出力される制御命令は、自乗強度比Ｆのみに基づく１自由度の量か、位相差φのみに基づく１自由度の量を示している。あるいは、制御命令自乗強度比Ｆと位相差φの両方に基づく１自由度の量を示すようにしてもよい。
【０１２１】
このようになっていることで、術者９０が本実施形態の接触検出器具１を穴９１ｃから生体９１内に入れ、弾性膜１０で臓器９１ｂをなぞっているときに、弾性膜１０が生体９１内のしこりに当たって変形すると、その変化に応じて、マイクロフォン１５の出力する信号が変化する。したがって、生体内のしこりの存在を検出することができる。
【０１２２】
次に、改良したセンサを用いて基礎実験を行った。弾性膜１０’’に変位を与え、その変位に対して入力音２１の入力周波数（本実験では３０８０Ｈｚとした）における１個の空洞１１ｆ、１２ａ、１３ａ内の音圧レベルを測定した。弾性膜１０’’に押し付ける物体については、対象とするしこりを参考に、５ｍｍ四方のアクリル板とした。なお、しこり表面に対する法線方向の力が検出できるか確認するため、先端センサ部２０’’を長手方向軸を回転軸として、±１０ｄｅｇ回転させた場合についても、同様の実験を行った。図２７に結果を示す。この図中にはカットモデルを用いて撮影した断面の変形の様子も示している。図２７によれば、変位量の変化に応じて自乗強度比Ｆが変化していることが分かる。したがって、自乗強度比Ｆに応じた制御命令が触覚提示装置６に出力される場合、術者９０は、触覚提示装置６から与えられる触刺激により、しこりによる弾性膜１０’’の変位を知覚することができる。
【０１２３】
更に、改良したセンサを用いて模擬しこりに対するなぞり試験を行った。しこりは直径１５ｍｍで、しこり以外の部分は腸管を模したひだを有する。実験では実際の状況に倣い、しこりやひだの裏側表面からなぞり試験を行った。図２８に模擬しこりを４回なぞった際のパイプ内の音圧レベルを示す。図中の網掛領域はしこりの位置を示し、なぞり動作の方向を示す模式図を一緒に示す。この図によれば、しこりに対応した自乗強度比が得られていることが分かる。
【０１２４】
なお、式（１）〜（３）において、Ｌ＝３６０ｍｍ、ｖ＝３４０ｍ／ｓ、ｘｐ＝２５ｍｍとし、変形量（反射率ｒ）と入力周波数ｆｉｎに対する自乗強度比Ｆを計算した結果は、図２９のようになる。この図によれば、入力周波数ｆｉｎが３３００Ｈｚ周辺では、反射率ｒの変化に対する自乗強度比Ｆの変化が顕著になることが分かる。したがって、適切に入力周波数ｆｉｎを決定すれば、接触検出器具１がセンサとして有効になる。
【０１２５】
図２９において、ｒ＝０の部分は接触検出器具１の共鳴特性の理論値を示している。本実施形態の接触検出器具１で共鳴特性を測定すると、図３０のようになった。図２９、図３０を比較すると、山と谷の出現間隔がほぼ一致していることが分かる。しかし、図３０では、周波数が低い領域と高い領域において、音圧が小さくなっている。これは、音の吸収によるものと考えられる。したがって、入力周波数については、音の吸収が生じないことを考慮して、ｆｉｎ＝３０８０Ｈｚとした。同様の観点から、２５００Ｈｚ以上４０００Ｈｚ以下を利用することができる。
【０１２６】
また、本実施形態で触覚提示装置６に出力されるのは、自乗強度比Ｆに応じた量または位相差φに応じた量であるが、式（２）、（３）からわかるように、どちらか一方を用いれば、変形量が得られる。そこで、自乗強度比Ｆと位相差φという２つのセンサ出力について、自乗強度比Ｆ＝Ｅａ、位相差φ＝Ｅｐとし、式（１）〜（３）を用いて理論解析を行う。
【０１２７】
まず、評価基準について説明する。各センサ出力Ｅｉ（ｉ＝｛ａ，ｐ｝）は、パラメータｆｉｎ、ｘｐ、Ｌ、ｖが決まれば、ｒの関数となる。したがって、パラメータを適切に設計すれば、変形量（反射率ｒ）を検出するセンサとなる。空洞内の音速ｖと空洞の長手方向の全長Ｌを定数として扱うと、設計パラメータは、入力周波数ｆｉｎと変形位置ｘｐとなる。この２つの設計パラメータの組み合わせを適切に決定すれば、センサとして有効である。設計パラメータの決定において、センサ出力を評価する必要がある。センサ出力として望まれるのは、ｒの変化に対してセンサ出力の範囲が広く、線形性が良いことである。なお、押し込み変形に対し、ｒは線形に変化すると仮定した。まず。出力範囲の評価値としてセンサ出力の最大値と最小値の差Ｓｉを採用する。差Ｓｉは、以下の式（４）に従う。
【０１２８】
【数３】
0006586955.tif 000004
次に、線形性の評価値として、反射率ｒと各センサ出力Ｅｉとの相関係数Ｒｉを採用する。相関係数Ｒｉは、以下の式（５）に従う。
【０１２９】
【数４】
0006586955.tif 000005
Ｒｉが±１に近いほど、センサ出力が良い線形性を有することを示す。
【０１３０】
以上２つの評価値を用いて、解析を行った。なお解析では、ｖ＝３４０ｍ／ｓ、Ｌ＝０．３６ｍとした。
【０１３１】
まず、センサ出力としてＥａを用いた場合の解析結果を示す。まず図３１に、設計パラメータの各組み合わせ（ｆｉｎ，ｘｐ）に対する、式（４）で計算されるＳａを示す。図３１において、Ｓａの値が高い（ｆｉｎ，ｘｐ）の組み合わせを用いれば好適である。また、図３１は、センサ出力がｆｉｎとｘｐの両者に依存して変化することを示している。特にｆｉｎが大きい領域では、センサ出力がｘｐに対して変化しやすいことが分かる。次に図３２に、（ｆｉｎ，ｘｐ）の各組み合わせに対する、式（５）で計算されるＲａを示す。図３２において、Ｒａが正の場合はＲａが１に近くなるほど線形性が良いことを示す。Ｒａが負の場合についても、傾きが負であるだけで、Ｒａが−１に近くなるほど、線形性が良いことを示す。一方、Ｒａの絶対値が０に近い領域（例えば、Ｒａの絶対値が０．１以下の領域）は線形性が悪いことを示しており、この領域は避けなければならない。以上から、図３２は、ほとんどの（ｆｉｎ，ｘｐ）の組み合わせで線形性が良いことを示している。したがって、自乗強度比Ｆに応じた制御命令が触覚提示装置６に出力される場合、術者９０は、触覚提示装置６から与えられる触刺激により、しこりによる弾性膜１０’’の変位を知覚することができる。
【０１３２】
次に、センサ出力にＥｐ を用いたときの解析結果を示す。まず図３３に、（ｆｉｎ，ｘｐ）の各組み合わせに対する、式（４）で計算されるＳｐを示す。図３１と比較すると、大局的な傾向は似ていることが分かる。Ｓｐが３π／４以上の領域に着目すると、面積が小さいため、入力周波数や変形位置が変動すると出力範囲が大きく変化する可能性を示している。Ｓｐがπ／４以上π／２以下の領域に着目すると、入力周波数や変形位置に対して、ある程度幅を持って存在していることが分かる。Ｓｐがπ／２付近の領域は、出力範囲が半分に低下することを示しているものの、位相差を感度良く計測できれば、問題は生じない。次に図３４に、（ｆｉｎ，ｘｐ）の各組み合わせに対する、式（５）で計算されるＲｐを示す。図３２と同様に、線形性が悪いことを示すＲｐの絶対値が０に近い領域（例えば、Ｒｐの絶対値が０．１以下の領域）が少なく、ほとんどの（ｆｉｎ，ｘｐ）の組み合わせで線形性が良いことが分かる。したがって、位相差φに応じた制御命令が触覚提示装置６に出力される場合、術者９０は、触覚提示装置６から与えられる触刺激により、しこりによる弾性膜１０’’の変位を知覚することができる。ただし、設計パラメータの選び方によっては、変形位置の変化に伴って、傾きが変動することを示しているため、位相差の利用においては、これを避けるように設計パラメータを選択する必要がある。
【０１３３】
以上のような解析結果から、自乗強度比Ｆと位相差φの利用について出力範囲と線形性の観点では大局的な傾向は似ていることが分かる。ただし、位相差φの計測は、入力音も観測する必要があるため比較的複雑あるのに対し、自乗強度比Ｆの計測は、音の入力と計測を独立に行えるため簡易である。
【０１３４】
（第６実施形態）
次に、本発明の第６実施形態について、図３５、図３６を参照して説明する。本実施形態は、第５実施形態に対して、先端センサ部２０’’を先端センサ部２０’’’に置き換えたものである。先端センサ部以外の構成および作動については、第５実施形態と同じである。
【０１３５】
先端センサ部２０’’’は、シリコーンゴム製の弾性チューブ１０’’’と、アクリル製のバックプレート１１’’’から構成される。弾性チューブ１０’’’は剛性チューブ１２の長手方向と同じ方向にほぼ真っ直ぐ伸びる無底円筒形状の部材であり、材質は、第５実施形態の弾性膜１０’’と同じである。弾性チューブ１０’’’の外径は例えば６ｍｍであり、穴９１ｃを通ることができる太さとなっている。また、弾性チューブ１０’’’の内径は例えば４ｍｍである。また、弾性チューブ１０’’’の長手方向の長さは例えば３０ｍｍである。本実施形態の接触検出器具１の全長は３６０ｍｍである。
【０１３６】
図３５に示すように、弾性チューブ１０’’’は、内部に空洞１１ｇが形成されている。空洞１１ｇは、弾性チューブ１０’’’の剛性チューブ１２側の端部において開口している。この開口に剛性チューブ１２の一端が挿入されることで、空洞１１ｆと空洞１２ａとが連通する。また、弾性チューブ１０’’’の剛性チューブ１２とは反対側の端部において、空洞１１ｇは、バックプレート１１’’’によって塞がれている。
【０１３７】
したがって、弾性チューブ１０’’’は空洞１３ａ、１２ａ、１１ｇを覆って塞ぎ、弾性チューブ１０’’’が接触検出器具１の外部から押されると、弾性チューブ１０’’’は変形して当該空洞側に窪む。
【０１３８】
また、空洞１１ｇの長手方向は、弾性チューブ１０’’’の長手方向と同じであり、先端センサ部２０’’’の円周方向に直交している。従って、本実施形態では、弾性チューブ１０’’’が臓器９１ｂをなぞる方向と、空洞１１ｇの長手方向とは直交する。
【０１３９】
本実施形態の接触検出器具１の作動は、第５実施形態と同様である。このようになっていることで、術者９０が本実施形態の接触検出器具１を穴９１ｃから生体９１内に入れ、弾性チューブ１０’’’の側面で臓器９１ｂをなぞっているときに、弾性チューブ１０’’’が生体９１内のしこりに当たって変形すると、その変化に応じて、マイクロフォン１５の出力する信号が変化する。したがって、生体内のしこりの存在を検出することができる。
【０１４０】
図３６に、入力音２１の周波数を２６７０Ｈｚとした場合の、弾性チューブ１０’’’の変位量と、入力音２１に対する合成音２４の音圧レベルの変化の実験結果を示す。実験は５回繰り返し行った。この図より、変位が大きくなるにつれて、音圧レベルが大きくなる傾向が見られた。変形が小さい範囲でも、変形量に応じて僅かな変化が見られる。
【０１４１】
（他の実施形態）
なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。また、上記各実施形態は、互いに無関係なものではなく、組み合わせが明らかに不可な場合を除き、適宜組み合わせが可能である。また、上記各実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。また、上記各実施形態において、実施形態の構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではない。また、上記各実施形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に特定の形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その形状、位置関係等に限定されるものではない。また、本発明は、上記各実施形態に対する以下のような変形例も許容される。なお、以下の変形例は、それぞれ独立に、上記実施形態に適用および不適用を選択できる。すなわち、以下の変形例のうち任意の組み合わせを、上記実施形態に適用することができる。
【０１４２】
（変形例１）
本発明のセンシングシステムの適用範囲は、腹腔鏡下手術に限られず、生体の表面に開けられた穴から接触検出器具１を生体内に挿入するような施術なら、例えば、胸腔鏡下手術等の他の内視鏡下手術にも適用可能である。
【０１４３】
また、本発明のセンシングシステムは、生体の表面に開けられた穴から接触検出器具１を生体内に挿入するような施術なら、内視鏡下手術以外にも適用可能であるが、その場合は、内視鏡７、ケーブル８、画像表示装置９は不要である。
【０１４４】
（変形例２）
上記各実施形態では、触覚提示装置６は術者９０の足の裏に触刺激を与えるが、必ずしもこのようになっておらずともよい。例えば、触覚提示装置６は、術者９０の脚（例えば足首）に巻き付けられて脚に触刺激を与えるようになっていてもよい。また例えば、触覚提示装置６は、術者９０の下半身のみならず、術者９０の腰、腕等の上半身に取り付けられて上半身に触刺激を与えるようになっていてもよい。
【０１４５】
（変形例３）
上記角実施形態では、接触検出器具１は生体９１の臓器９１ｂを切るハサミの機能を具備しておらず、単なるセンシング用の器具として用いられている。しかし、必ずしもこのようになっておらずともよく、例えば、接触検出器具１は生体９１の臓器９１ｂを切るハサミの機能を具備していてもよい。
【０１４６】
（変形例４）
上記実施形態では、先端ベース部１１、１１’’は、ＡＢＳ樹脂製であるが、硬質ゴム製であってもよい。でもよい。先端ベース部１１、１１’’は、弾性膜１０、１０’’よりもヤング率の大きい（すなわち硬い）物質で形成されていればよい。
【０１４７】
（変形例５）
上記実施形態では、マイクロフォン１５が出力した信号に基づいて触覚提示装置６が術者９０に触刺激を与えているが、マイクロフォン１５が出力した信号は、別の形態で術者９０に伝達されてもよい。例えば、マイクロフォン１５が出力した信号に基づいて画像表示装置が術者９０に当該信号に応じた画像（例えば、自乗強度比Ｆのグラフ、位相差φのグラフ）を表示するようになっていてもよい。
【０１４８】
（変形例６）
上記実施形態では、触覚提示装置６、９３、９４が有する刺激子の個数は１個または３個であったが、刺激子の個数は２個でもよいし、４個以上でもよい。また、触覚提示装置が与える触刺激の自由度の数は、１でも２でもよいし、３以上でもよい。
【０１４９】
（変形例７）
上記各実施形態では、入力音２１として単音、すなわち、単一の周波数成分のみを有する音を採用しているが、必ずしもこのようになっておらずともよく、すなわち、複数個の離散的な周波数成分を有する音を入力音２１としてもよい。このようになっていれば、それぞれの周波数の入力音と合成音から振幅と位相差を検出し、これらを利用することで変形量と変形位置をより高精度に計測できる可能性がある。
【０１５０】
（変形例８）
上記第１〜第４実施形態では、基本的に、弾性膜１０に加えられる力（すなわち、押し込み量、変形量、または反射量ｒ）は位相差φとは独立に自乗強度比Ｆに依存し、変形位置ｘｐは、自乗強度比Ｆとは独立に位相差φに依存するという観点に基づいて、制御命令が示すＨ１、Ｈ２、Ｈ３の組またはθ１、θ２の組を決定している。
【０１５１】
しかしならが、より正確に、Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３の組（またはθ１、θ２の組）と自乗強度比Ｆおよび位相差φの組との対応関係を実験等で決定し、決定した対応関係を対応関係テーブル等のデータにして制御装置４に記憶させてもよい。その場合、制御装置４は、当該データに基づいて、算出した自乗強度比Ｆおよび位相差φから、Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３の組（またはθ１、θ２の組）を決定する。
【０１５２】
（変形例９）
上記実施形態の弾性膜１０、１０’’は、先端ベース部１１、１１’’の側面に開けられた開口部（空洞１１ｄ、１１ｆに接する開口部）およびその近傍のみを覆って不才でいる。しかし、必ずしもこのようになっておらずともよい。例えば、先端センサ部２０、２０’’にエッジ（弾性膜の繋ぎ目）を作らないために、弾性膜１０、１０’’が先端ベースぶ１１、１１’’の全体を覆ってしまってもよい。その場合、弾性膜１０、１０’’は、センシング部（空洞１１ｄ、１１ｆを覆う部分）を明瞭にし、生体の組織にしっかりと接触し、空洞１１ｄ、１１ｆに深くめり込むように、空洞１１ｄ、１１ｆを覆う部分において、他の部分よりも少し厚くなっていてもよい。
【符号の説明】
【０１５３】
１、１’                                  接触検出器具
６、９３、９４                            触覚提示装置
１０、１０’’                            弾性膜（弾性体）
１０’、１０’’’                        弾性パイプ（弾性体）
１１、１１’、１１’’、１１’’’        先端ベース部
１２                                      剛性チューブ（棒）
１３                                      保持部
１４                                      スピーカ
１５                                      マイクロフォン
２０、２０’、２０’’、２０’’’        先端センサ部
【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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【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１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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