(57)【要約】【課題】頭蓋内の血管等の狭隘な体腔内でも生体組織に悪影響を与えないで容易かつスムーズな挿入が可能となるように挿入部の小型化、軽量化を図り得るものでありながら、ノイズを最小限にして挿入具の三次元位置及び姿勢を非常に高精度に検出できるようにする。【解決手段】医療用挿入具の一例であるカテーテル１の体腔内への挿入部２に永久磁石もしくは強磁性体４を付設する一方、体腔外には、永久磁石もしくは強磁性体４により発生される磁界に対して３軸指向性を持つ３軸ＭＩセンサ５の少なくとも３個が被検出範囲の周囲に等間隔に設置され、この３軸ＭＩセンサ５に磁界計測信号処理回路６が接続されている。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁界発生手段と磁界検出手段とを用いて体腔内への医療用挿入具の挿入部の位置及び姿勢を検出する体腔内への医療用挿入具の位置及び姿勢検出装置であって、
磁界発生手段は医療用挿入具の挿入部に付設され、該磁界発生手段が導体への通電なしで磁界を発生可能な永久磁石もしくは強磁性体から構成されているとともに、
磁界検出手段は体腔外に設置され、該磁界検出手段が検出磁界に対して３軸指向性を持つ複数個の磁気センサから構成されていることを特徴とする体腔内への医療用挿入具の位置及び姿勢検出装置。
【請求項２】
前記磁界検出手段は、被検出範囲の周囲に等間隔に配置された少なくとも３個以上の３軸指向性を持つ磁気センサから構成されている請求項１に記載の体腔内への医療用挿入具の位置及び姿勢検出装置。
【請求項３】
前記磁界検出手段の磁気センサは、磁気インピーダンス効果素子である請求項１または２に記載の体腔内への医療用挿入具の位置及び姿勢検出装置。
【請求項４】
前記医療用挿入具が、カテーテル、ガイドワイヤ、内視鏡もしくはドレナージチューブ、胆管ステント、高カロリー輸液チューブを含む体腔内留置具の中から選択されたものである請求項１ないし３のいずれかに記載の体腔内への医療用挿入具の位置及び姿勢検出装置。
【請求項５】
磁界発生手段と磁界検出手段とを用いて体腔内への医療用挿入具の挿入部の位置及び姿勢を検出する体腔内への医療用挿入具の位置及び姿勢検出方法であって、
医療用挿入具の挿入部を体腔内に挿入した状態で、その挿入部に付設した永久磁石もしくは強磁性体からなる磁界発生手段により導体への通電なしで磁界を発生させ、この発生磁界を、体腔外に設置した検出磁界に対して３軸指向性を持つ複数個の磁気センサにより計測することにより、医療用挿入具の挿入部の三次元位置及び姿勢を検出することを特徴とする体腔内への医療用挿入具の位置及び姿勢検出方法。
【請求項６】
前記磁界検出手段として、被検出範囲の周囲に等間隔に配置された少なくとも３個以上の３軸指向性を持つ磁気センサを使用する請求項５に記載の体腔内への医療用挿入具の位置及び姿勢検出方法。
【請求項７】
前記磁界検出手段の磁気センサとして、磁気インピーダンス効果素子を使用する請求項５または６に記載の体腔内への医療用挿入具の位置及び姿勢検出方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主として脳梗塞、脳動脈瘤等の治療・診断に際して、頭部を切開せずに細い血管内に挿入して低侵襲医療を行なう場合に用いられるカテーテルに好適なもので、カテーテル以外にもガイドワイヤ、内視鏡、体液等の排出路を形成するドレナーチューブ、胆管ステント、高カロリー輸液チューブを含む体腔内留置具などのように、医療目的で体腔内に挿入して用いられる医療用挿入具の挿入部の位置及び姿勢を外部から検出する体腔内への医療用挿入具の位置及び姿勢検出装置及びその検出方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば静脈に挿入されるカテーテルのような細長い管状の医療用挿入具を体腔内の所定位置に挿入する際、その挿入部が迷走したり、生体組織面との摩擦に伴って引掛かったりして生体組織に悪影響を及ぼさないようにするためには、医療用挿入具の現在の挿入位置及び姿勢を正確に検出し把握することが極めて重要である。ここで姿勢とは、挿入部先端の方向やねじれを意味するものである。
【０００３】
上記のような重要な役割を担う医療用挿入具の位置及び姿勢検出手段として、従来一般には、Ｘ線透視が行なわれ、造影剤の注入による造影法も利用されているが、この場合は、熟練した技術を要するのみならず、Ｘ線被曝による患者や術者の人体への悪影響を極力避けるためにＸ線透視回数を制限するとか、作業がやりづらい上に不快感を伴う防御用プロテクタを着用する等して、できるだけＸ線の被曝量を減らす工夫が必要になるのみならず、二次元の画像しか得られず、挿入具の挿入操作が容易でないという難点を有している。特に、頭蓋内の血管は細くて複雑に屈曲しており、また、分岐も多いために、手技がほぼ確立している心臓カテーテル法と比較して治療・診察の難易度が高く、治療・診察に要する時間も長い。その上、頭部への被曝は極力避けねばならないことから、Ｘ線透視に代わる、あるいはＸ線透視回数を減らすための新しい位置及び姿勢検出手段が要望されている。
【０００４】
かかる要望に応える手段として、磁界を利用してターゲット（医療用挿入具の体腔内挿入部）の位置及び姿勢を検出する研究が行われている。このようにターゲットの位置及び姿勢検出に磁界を利用する場合は、人体の比透磁率がほぼ１であって、体腔内の磁界分布が空気中と同様に扱えること、磁界は適切な大きさ及び周波数であれば人体への悪影響がないこと、など体腔内に挿入して用いられる医療用挿入具への適用に際して二次的な問題が派生しないという有用性がある。この磁界利用による有用性に着眼して、医療用挿入具の挿入部の三次元位置及び姿勢を検出可能とした装置の一つに、医療用挿入具の一例であるカテーテルの先端に、例えばアモルファスワイヤ磁気インピーダンス効果素子による３軸磁界センサ（３軸ＭＩセンサ）等の磁気センサ（磁界検出手段）を付設し、体腔外に設置した２軸の励磁コイル（磁界発生手段）から発せられる交流磁界をカテーテル先端の磁気センサで計測し、そのセンサ信号を回路処理した後、Ａ／Ｄコンバータを介してコンピュータに取り込み、このコンピュータで所定のアルゴリズムに基づきカテーテルの三次元位置及び姿勢をリアルタイムに求め、この位置及び姿勢情報を基にしてカテーテルを、術前に予めＣＴやＭＲＩを用いてコンピュータに取り込んでいる三次元血管像にスーパーインポーズさせて表示させるようにしたカテーテル先端の位置・姿勢検出用磁気センサシステムが提案されている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００５】
【非特許文献】
「電気学会論文誌Ｅ，１２０巻５号」、平成１２年、ｐ．２１１−２
１８
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記したカテーテル先端の位置・姿勢検出用磁気センサシステムでみられるような先行技術に係る体腔内への医療用挿入具の位置及び姿勢検出装置では、磁界検出手段として医療用挿入具の挿入部先端に付設されて体腔内に挿入される磁気センサへ駆動電力を供給するため及び磁気センサによる検出磁界信号を体腔内から体腔外へ取り出すために同軸ケーブル等の複数の導体を挿入部に添わせて設置する必要があり、そのために挿入部の径が大きくなるだけでなく、その挿入部の重さも大きくなりやすく、頭蓋内の血管のような非常に体腔内への挿入が従前のものよりも更に難しくなり、生体組織面との摩擦に伴う引掛かりなどの生体組織に対する悪影響が却って増大されるという問題がある。加えて、体腔内への電力供給及び体腔内からの検出磁界信号の取り出しに伴うノイズの発生や混入等によってＳ／Ｎ比が小さくなり、高い検出精度が得られないという問題があった。
【０００７】
本発明は上記実情に鑑みてなされたもので、頭蓋内の血管等の狭隘な体腔内でも生体組織に悪影響を与えないで容易かつスムーズな挿入が可能となるように挿入部の小型化、軽量化を図り得るものでありながら、ノイズを最小限にして挿入具の三次元位置及び姿勢を非常に高精度に検出することができる体腔内への医療用挿入具の位置及び姿勢検出装置及びその検出方法を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１に係る体腔内への医療用挿入具の位置及び姿勢検出装置は、磁界発生手段と磁界検出手段とを用いて体腔内への医療用挿入具の挿入部の位置及び姿勢を検出する体腔内への医療用挿入具の位置及び姿勢検出装置であって、磁界発生手段は医療用挿入具の挿入部に付設され、該磁界発生手段が導体への通電なしで磁界を発生可能な永久磁石もしくは強磁性体から構成されているとともに、磁界検出手段は体腔外に設置され、該磁界検出手段が検出磁界に対して３軸指向性を持つ複数個の磁気センサから構成されていることを特徴とするものである。
【０００９】
また、本発明の請求項５に係る体腔内への医療用挿入具の位置及び姿勢検出方法は、磁界発生手段と磁界検出手段とを用いて体腔内への医療用挿入具の挿入部の位置及び姿勢を検出する体腔内への医療用挿入具の位置及び姿勢検出方法であって、医療用挿入具の挿入部を体腔内に挿入した状態で、その挿入部に付設した永久磁石もしくは強磁性体からなる磁界発生手段により導体への通電なしで磁界を発生させ、この発生磁界を、体腔外に設置した検出磁界に対して３軸指向性を持つ複数個の磁気センサにより計測することにより、医療用挿入具の挿入部の三次元位置及び姿勢を検出することを特徴とするものである。
【００１０】
上記のような構成要件を有する本発明によれば、体腔内に挿入される医療用挿入具の挿入部に付設した永久磁石もしくは強磁性体により発生されて体腔内とほぼ同様に空気中に分布される磁界を、体腔外が設置した磁気センサにより計測して挿入部の三次元位置及び姿勢を検出するものであるから、先行技術のように、同軸ケーブルなどセンサ駆動電力の供給用導体及び検出磁界信号取り出し用導体を医療用挿入具の挿入部に添わせて設置する必要が全くなく、医療用挿入具の挿入部の小径化及び軽量化を図ることが可能であり、これによって、頭蓋内の血管などのような非常に狭隘な体腔内への挿入作業そのものを生体組織に悪影響を与えないで容易かつスムーズに行える。
【００１１】
また、体腔内に挿入される医療用挿入具の挿入部に通電する必要がないため、磁気センサの計測誤差原因となる磁界ノイズを最小限にしてＳ／Ｎ比を大きくとれる。加えて、永久磁石もしくは強磁性体と磁気センサの距離が長い場合や、永久磁石もしくは強磁性体の姿勢によっては検出磁界が減少し相対的に磁界ノイズが大きくなり、計測誤差が増大することになるが、本発明のように、検出磁界に対して３軸指向性を持つ複数個の磁気センサを配置し、それら複数個の磁気センサのうちで永久磁石もしくは強磁性体との距離が小さく、かつ、姿勢の影響が少なくて検出磁界が大きい位置にある磁気センサによる計測磁界信号を選択的に使用することにより、距離及び姿勢の影響を最小限にして計測誤差の低減が図れ、その結果、所定の医療用挿入具の挿入部の三次元位置及び姿勢を高精度に検出することができる。
【００１２】
特に、本発明における磁界検出手段となる磁気センサを、被検出範囲の周囲に少なくとも３個以上等間隔に配置させて使用することにより、検出環境や磁気センサの設置制約条件にかかわらず距離及び姿勢の影響による検出磁界の減少が少ないところに位置する少なくとも二つの磁気センサの計測磁界信号のみを選択して用いることが可能であり、これによって、発生磁界強度が小さい非常に小形の永久磁石もしくは強磁性体を使用して体腔内への挿入をより容易なものとしながらも、センサによる計測誤差を最小限にして挿入部の位置及び姿勢検出精度の一層の向上を図ることができる。
【００１３】
また、本発明における磁界検出手段の磁気センサとしては、ホール素子や磁気インダクタンス効果素子等を用いてもよいが、磁気インピーダンス効果素子を使用することが好ましい。この磁気インピーダンス効果素子は小型化しやすい上に、アモルファスワイヤ等の高透磁率磁性体の表皮効果を活かして磁性体のインピーダンスが外部磁界によって敏感に変化する磁気インピーダンス効果を利用して高感度の計測精度が得られる。
【００１４】
なお、本発明が対象とする医療用挿入具は、カテーテルのほかに、ガイドワイヤ、内視鏡、もしくはドレナージチューブ、胆管ステント、高カロリー輸液チューブを含む体腔内留置具の中から選択されたものであればなにであってもよいが、特に、脳梗塞や脳動脈瘤等の治療・診察に際に頭蓋内の細くて複雑に屈曲している血管内へ挿入して用いられることから、特に小径小型化の要求が高いカテーテルの位置及び姿勢検出に最も有効に適用することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面にもとづいて説明する。
図１は本発明に係る体腔内への医療用挿入具の位置及び姿勢検出装置の概略構成図で、体腔内への医療用挿入具としてカテーテル１に適用した実施例である。このカテーテル１は、図２に示すように、血管（体腔）内に挿入可能な径、具体的には直径が１００μｍ〜１ｍｍの細長い管状の挿入部２と該挿入部２の基端部に付設された操作部３とからなる。
【００１６】
このようなカテーテル１における挿入部２の先端には、磁界発生手段として、導体を介して通電しないでも磁界を発生することが可能な永久磁石４が固定状態に付設されている。この永久磁石等４としては、例えば直径２ｍｍ×長さ５ｍｍで、表面磁束密度３３０ｍＴ程度の円柱型ＮｅＦｅＢ磁石等が用いられ、この永久磁石４は挿入部２に一定の姿勢で固定されている。なお、永久磁石４に代えて半硬質強磁性体を用いてもよい。
【００１７】
一方、血管内に挿入された永久磁石４から発生される磁界を検出する磁界検出手段としての磁気センサ５がカテーテル１とは別個に設けられている。この磁気センサ５は、アモルファス極細線及び磁気インピーダンス効果素子を用いて３軸指向性を持たせたＭＩセンサであり、この３軸ＭＩセンサ５の複数個が体腔外に設置されている。
【００１８】
これら３軸ＭＩセンサ５には、専用の磁界計測信号処理回路６が接続されている。この磁界計測信号処理回路６は、図３にその１軸分が示されているように、発振器７及び整流回路８を経てＭＩセンサ５に高周波励磁電流を加え、永久磁石４から発生される外部磁界の印加によって高周波励磁電流が振幅変調された被変調波を演算検波回路９で整流することにより復調して変調波、すなわち、外部磁界を検波するとともに、アンプ１０を通して外部磁界に同期した負帰還信号を作成し、この負帰還信号をコイル１１を介してバイアス磁界発生用コイル１２に流す電流へフィードバックさせバイアスをかけることにより、線形性に優れ、かつ、位相の判別されたセンサ出力が得られるように構成されている。
【００１９】
次に、上記構成のカテーテル１によって脳動脈瘤などを血管内部から治療あるいは診断するいわゆる非開頭低身襲医療を行なう際の挿入部２先端の位置及び姿勢を実際に検出する方法について説明する。この場合は、図４に示すように、人体頭部による被検出範囲Ｌの前後左右に等間隔を隔てた４箇所及び頭部の直上方部の計５箇所に３軸ＭＩセンサ５（ａ〜ｅ）を設置する。この状態でカテーテル１の挿入部２を頭部血管に挿入すると、挿入部２の先端に付設されている永久磁石４から発生された磁界が人体頭部外周（体腔外）の空気中に人体頭部（体腔）内とほぼ等しい強度で分布されることになり、この空気中に分布された磁界を３軸ＭＩセンサ５（ａ〜ｅ）により計測し、かつ、その計測信号を上記した専用の信号処理回路６で処理することにより、センサ出力が得られる。
【００２０】
ここで、カテーテル１の挿入部２先端の位置及び姿勢検出において最終的に必要なセンサ出力は、永久磁石４の空間座標（３自由度）と姿勢角（３自由度）の６個であるので、例えば図４の場合、計５個の３軸ＭＩセンサ５（ａ〜ｅ）のうち、検出環境やセンサ設置制約条件等から永久磁石４には接近させることができず、その結果、Ｓ／Ｎ比が小さく計測誤差が大きくなる３個の３軸ＭＩセンサ５（ｃ〜ｅ）は使用しないで、永久磁石４との距離が近い２個の３軸ＭＩセンサ５（ａ，ｂ）の磁界計測信号のみを使用することにより、発生磁界強度が小さい非常に小型の永久磁石４を使用しながらも、最終的にＳ／Ｎ比の十分に大きい６個のセンサ出力が得られる。
【００２１】
このようにして得られた２個の３軸ＭＩセンサ５（ａ，ｂ）の出力は増幅回路１３で増幅された後、Ａ／Ｄコンバータ１４を介してコンピユータＰＣに取り込まれ、予め位置と角度の情報をデータ収集して作成されているマップ上のデータと３軸ＭＩセンサ５（ａ，ｂ）による実際の検出データとを周知のマッピング手法により比較することにより、永久磁石４、すなわち、カテーテル１における挿入部２先端の三次元位置及び姿勢を高精度に検出することができる。また、このような検出情報をもとに、カテーテル１を、術前に予めＣＴやＭＲＩを用いてコンピュータＰＣに取り込んでいる三次元血管像Ｇにスーパーインポーズさせて表示させることによって、Ｘ線透視による人体への悪影響及びＸ線被爆を回避するための防御用プロテクタの着用状態での作業による不快感を一切伴うことなくことなく、カテーテル１の挿入部２先端の位置及び姿勢を安全かつ的確に確認しながら、該挿入部２を目的の方向に向けて確実かつ容易に挿入して所定の医療目的を達成することが可能である。
【００２２】
なお、上記実施例は、医療用挿入具としてカテーテルに適用したものについて説明したが、カテーテル以外にガイドワイヤや内視鏡に適用してもよく、さらに、体液等の排出路を形成するドレナーチューブ（ＥＲＢＤチューブ）、胆管ステント、高カロリー輸液チューブ、生体組織内温熱治療用プローブ等の生体内留置具等の先端位置及び先端方向の検出にも適用可能である。
【００２３】
また、磁界発生手段としての永久磁石４を、カテーテル１等の挿入部２の先端のみでなく、その長さ方向の複数箇所に付設してもよい。さらに、磁界計測信号処理回路６中に周辺機器による交流磁界ノイズを低減するためのローパスフィルタ（ＬＰＦ）を介在させることにより、計測誤差をより低減して検出精度を一層高めることが可能である。
【００２４】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、磁界を利用して体腔内に挿入される医療用挿入具の位置及び姿勢を検出するにあたって、磁界発生手段である永久磁石もしくは強磁性体を医療用挿入具の挿入部に付設するものであるから、磁界検出手段である磁気センサを挿入部に付設する先行技術に比べて、同軸ケーブルなどセンサ駆動電力の供給用導体及び検出磁界信号取り出し用導体を挿入部に添わせて設置する必要が全くなく、医療用挿入具の挿入部の小径化及び軽量化を図れ、これによって、頭蓋内の血管などのような非常に狭隘な体腔内への挿入作業そのものを生体組織に悪影響を与えることなく容易かつスムーズに行うことができる。しかも、体腔内に挿入される医療用挿入具の挿入部への通電の必要がないため、磁気センサの計測誤差原因となる磁界ノイズを最小限にしてＳ／Ｎ比の向上が図れる上に、検出磁界に対して３軸指向性を持つ複数個の磁気センサを配置して永久磁石もしくは強磁性体との距離が小さく、かつ、姿勢の影響が少なく検出磁界が大きい位置にある磁気センサによる計測磁界信号を選択的に使用することにより、距離及び姿勢の影響による計測誤差の低減も図れ、したがって、所定の医療用挿入具の挿入部の三次元位置及び姿勢を非常に高精度に検出することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る体腔内への医療用挿入具としてカテーテルに適用した実施例で、該カテーテルの先端位置及び姿勢を検出するシステム全体の概略構成図である。
【図２】同上カテーテルの拡大概略構成図である。
【図３】同上カテーテルに付随する３軸ＭＩセンサに接続された磁界計測信号処理回路のブロック構成図である。
【図４】同上カテーテルによって非開頭低身襲医療を行なう際の挿入部先端の位置及び姿勢を検出する時の概念図である。
【符号の説明】
１  カテーテル（医療用挿入具の一例）
２  カテーテルの挿入部
４  永久磁石（もしくは強磁性体）
５  ３軸ＭＩセンサ（磁気センサの一例）
６  磁界計測信号処理回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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