(57)【要約】  【課題】生体安全性に優れ、生体組織の硬さおよびぬめり等の表面性状を計測できる流体を用いた触覚センシング方法および流体を用いた触覚センサを提供する。  【構成】本発明の流体を用いた触覚センシング方法は、流体が満たされた柔軟なバルーンを対象に押し当てる接触工程と、該バルーンの流体を制御し、該バルーンを膨張させる流体制御工程と、該バルーンの膨張における流体または該バルーンの形状の変化を計測する計測工程と、該計測工程から得られた情報を信号処理し、硬さおよびぬめり等の表面性状の評価値を算出する評価工程と、から構成されることを特徴とする、また、流体を用いた触覚センサは、流体が満たされた柔軟なバルーンを有するセンサ素子と、該バルーンの流体を制御し、該バルーンを膨張させる流体制御部と、該バルーンの膨張における流体または該バルーンの形状の変化を計測する計測部と、該計測部から得られた情報を信号処理し、硬さおよびぬめり等の表面性状の評価値を算出する評価部と、からなることを特徴とする。 【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体を用いて、対象の硬さおよびぬめり等の表面性状を計測する方法であって、流体が満たされた柔軟なバルーンを対象に押し当てる接触工程と、該バルーンの流体を制御し、該バルーンを膨張させる流体制御工程と、該バルーンの膨張における流体または該バルーンの形状の変化を計測する計測工程と、該計測工程から得られた情報を信号処理し、硬さおよびぬめり等の表面性状の評価値を算出する評価工程と、から構成されることを特徴とする、流体を用いた触覚センシング方法。
【請求項２】
前記接触工程は、前記バルーンに荷重を与えることを特徴とする、請求項１に記載の流体を用いた触覚センシング方法。
【請求項３】
前記流体制御工程は、前記バルーンに圧力が負荷された流体を制御して送ることを特徴とする、請求項１または２に記載の流体を用いた触覚センシング方法。
【請求項４】
前記計測工程は、前記流体制御工程により、前記バルーンが膨張するときの流体の流量または圧力を計測することを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載の流体を用いた触覚センシング方法。
【請求項５】
前記評価工程は、前記計測工程より得られた前記バルーンが膨張するまでに要した時間、または膨張した体積から、硬さおよびぬめり等の表面性状の評価値を求めることを特徴とする、請求項１から４のいずれかに記載の流体を用いた触覚センシング方法。
【請求項６】
流体を用いて、対象の硬さおよびぬめり等の表面性状を計測する触覚センサであって、流体が満たされた柔軟なバルーンを有するセンサ素子と、該バルーンの流体を制御し、該バルーンを膨張させる流体制御部と、該バルーンの膨張における流体または該バルーンの形状の変化を計測する計測部と、該計測部から得られた情報を信号処理し、硬さおよびぬめり等の表面性状の評価値を算出する評価部と、から構成されることを特徴とする、流体を用いた触覚センサ。
【請求項７】
前記センサ素子は、前記バルーンの上に背面板を有することを特徴とする、請求項６に記載の流体を用いた触覚センサ。
【請求項８】
前記背面板は、柔軟な梁であることを特徴とする、請求項７に記載の流体を用いた触覚センサ。
【請求項９】
前記センサ素子は、前記バルーンの隣に柔軟な支持部を有することを特徴とする、請求項７または８に記載の流体を用いた触覚センサ。
【請求項１０】
前記支持部は、バルーンであることを特徴とする、請求項９に記載の流体を用いた触覚センサ。
【請求項１１】
前記流体制御部は、前記バルーンに圧力が負荷された流体を制御して送る流体出力部であることを特徴とする、請求項６から１０のいずれかに記載の流体を用いた触覚センサ。
【請求項１２】
前記計測部は、前記流体制御部により、前記バルーンが膨張するときの流体の流量または圧力を計測する流体計測部であることを特徴とする、請求項６から１１のいずれかに記載の流体を用いた触覚センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生体安全性に優れ、対象の硬さおよびぬめり等の表面性状を計測できる流体を用いた触覚センシング方法および流体を用いた触覚センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、患者の負担の低減、術後の早期回復を求める背景から、内視鏡やカテーテル等を用いた低侵襲・無侵襲医療の発展、普及が望まれている。現在の低侵襲・無侵襲医療における重要な課題の一つとして、診断・治療に役立つと考えられる触覚情報が得られないことがあげられる。医師は触覚を通じて、患部の様々な情報を入手し診断・治療を実現している。したがって、低侵襲・無侵襲医療において患部の触覚情報を入手できる装置の開発が望まれている。 
【０００３】
これまでに、様々な医療用の触覚センサが提案されている。例えば、振動するプローブを対象に当て、振動周波数の変化から硬さを計測するもの（非特許文献１参照）や先端が弾性体であるプローブを対象に当て、プローブの弾性変形を画像から検出し、力を計測するもの（非特許文献２参照）、プローブの変形を歪ゲージで取得し、力を計測するもの（非特許文献３参照）などがある。
【非特許文献１】Sadao Omata, Yoshinobu Murayama, Christos E. Constantinou, Real time robotic tactile sensor system for the determination of the physical properties of biomaterials, Sensors and Actuators A, 112, pp. 278-285, 2004.
【非特許文献２】高橋一登，葭仲潔，池内健，画像処理を用いた内視鏡用触覚センサの試作，日本機械学会第15回バイオフロンティア講演会講演論文集, pp.143-144, 2004.
【非特許文献３】谷本充隆, 新井史人, 福田敏男, 岩田仁, 糸魚川貢一, 後藤泰宏, 橋本匡史, 根来真, 低侵襲治療のためのマイクロ力覚センサに関する研究, 日本機械学会論文集, C編, 64-620, pp.1266-1271, 1998.
【０００４】
しかしながら、これらは力および硬さを計測対象としたものであり、ぬめり等の表面性状を計測するものについては十分に開発されていない。がん等の腫瘍の検出に硬さは重要な触覚情報であるが、生体組織表面には粘液層が存在し、表面の触覚情報（ぬめり等）もある。医師は、この表面の触覚情報も診断・治療に重要な手がかりとして取得している。
【０００５】
また、生体内で使用する触覚センサであるため、電気を使用しないこと（人体への漏れ電流の防止）、接触が安全であること（人体を傷つけない、材料の生体適合性）、滅菌・洗浄もしくは使い捨てにできること（感染症の防止）が要求される。さらに、電気を使用しないセンサであることは、電気メス等によるノイズの影響を受けず、MRI環境下でも使用できるという利点を有している。
【０００６】
特に、生体への安全性を考慮した触覚センサでは、バルーンを用いた触覚センサがいくつか開発されている。バルーンの内圧および体積から、バルーンによる対象への圧排圧力を計測するもの（非特許文献４参照）、バルーンの変形から硬さを計測するもの（非特許文献５参照）がある。また、空気噴流を対象に当てて，対象の硬さの計測を行う非接触式のセンサも開発されている（非特許文献６参照）。ただし、いずれも表面の触覚情報であるぬめり等の表面性状には注目していない。
【非特許文献４】岡安はる奈, 岡本淳, 藤江正克, バルーンを用いた手術支援マニピュレータの開発-バルーンセンサによる圧排圧力の推定-, 日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス講演会講演論文集, 2A1-G10, 2007.
【非特許文献５】吉田和弘, 林輝, 癌触診を目的とした柔軟体の硬度分布測定センサの研究−バルーン式センサの提案と実験的検討−, 精密工学会誌, 58-11, pp.105-110, 1992.
【非特許文献６】川原知洋, 徳田寛一, 金子真, 軸心共有型非接触インピーダンスセンサ,計測自動制御学会論文集, 40-5, pp.487-492, 2004.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記事情に鑑み、生体安全性に優れ、生体組織の硬さおよびぬめり等の表面性状を計測できる流体を用いた触覚センシング方法および流体を用いた触覚センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の流体を用いた触覚センシング方法は、流体が満たされた柔軟なバルーンを対象に押し当てる接触工程と、該バルーンの流体を制御し、該バルーンを膨張させる流体制御工程と、該バルーンの膨張における流体または該バルーンの形状の変化を計測する計測工程と、該計測工程から得られた情報を信号処理し、硬さおよびぬめり等の表面性状の評価値を算出する評価工程と、から構成されることを特徴とする
また、前記接触工程は、前記バルーンに荷重を与える工程としても良い。
【０００９】
また、前記流体制御工程は、前記バルーンに圧力が負荷された流体を制御して送る工程としても良い。
【００１０】
また、前記計測工程は、前記流体制御工程により、前記バルーンに送られた流体の流量または圧力を計測しても良い。
【００１１】
また、前記評価工程は、前記計測工程より得られた前記バルーンが膨張するまでに要した時間、または膨張した体積から、硬さおよびぬめり等の表面性状の評価値を求めても良い。
【００１２】
本発明の流体を用いた触覚センサは、流体が満たされた柔軟なバルーンを有するセンサ素子と、該バルーンの流体を制御し、該バルーンを膨張させる流体制御部と、該バルーンの膨張における流体または該バルーンの形状の変化を計測する計測部と、該計測部から得られた情報を信号処理し、硬さおよびぬめり等の表面性状の評価値を算出する評価部と、から構成されることを特徴とする。
【００１３】
また、前記センサ素子は、前記バルーンの上に背面板を有していることが望ましい。
【００１４】
また、前記背面板は、柔軟な梁とすることができる。
【００１５】
また、前記センサ素子は、前記バルーンの隣に柔軟な支持部を有していることが望ましい。
【００１６】
また、前記支持部は、バルーンであっても良い。
【００１７】
また、前記流体制御部は、前記バルーンに圧力が負荷された流体を制御して送る流体出力部としても良い。
【００１８】
前記計測部は、前記流体制御部により、前記バルーンに送られた流体の流量または圧力を計測する流体計測部としても良い。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、生体安全性に優れ、生体組織の硬さおよびぬめり等の表面性状を計測できる流体を用いた触覚センシング方法および流体を用いた触覚センサを提供できる。
【００２０】
特に、本発明の流体を用いた触覚センシング方法および流体を用いた触覚センサでは、流体を利用したバルーンによる局所アクティブ触覚センシングを行う。流体で満たした柔軟なバルーンを対象に押し当て、流体を制御し、該バルーンを膨張させ、該バルーンの膨張における流体または該バルーンの形状の変化から触覚情報を取得するものである。バルーンを用いることで、接触の安全性に優れている。また、該バルーンの膨張における流体または該バルーンの形状の変化は、該バルーンに通じるチューブ内を流れる流体の流量や圧力または画像により計測が可能である。したがって、バルーンを有するセンサ素子に電気を用いる必要がない。さらに、該センサ素子はバルーンの素材に応じて、滅菌・洗浄もしくは使い捨てにすることができ、感染症防止の面でも有効である。なお、本センサは局所的な能動接触であるため、必要とするセンシング領域は小さく、表面が様々な形状をしている生体組織に対して安定したセンシングが行える利点を有している。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の流体を用いた触覚センシング方法および流体を用いた触覚センサの実施の形態を説明する。
【００２２】
本発明の流体を用いた触覚センシング方法は、生体安全性に優れ、生体組織の硬さおよびぬめり等の表面性状を計測できる方法であって、流体が満たされた柔軟なバルーンを対象に押し当てる接触工程と、該バルーンの流体を制御し、該バルーンを膨張させる流体制御工程と、該バルーンの膨張における流体または該バルーンの形状の変化を計測する計測工程と、該計測工程から得られた情報を信号処理し、硬さおよびぬめり等の表面性状の評価値を算出する評価工程と、から構成されることを特徴とする。また、流体を用いた触覚センサは、流体が満たされた柔軟なバルーンを有するセンサ素子と、該バルーンの流体を制御し、該バルーンを膨張させる流体制御部と、該バルーンの膨張における流体または該バルーンの形状の変化を計測する計測部と、該計測部から得られた情報を信号処理し、硬さおよびぬめり等の表面性状の評価値を算出する評価部と、からなることを特徴とする。
【００２３】
ここで、図１は、本発明の流体を用いた触覚センシング方法および流体を用いた触覚センサの実施例の概念図を示したものである。図１のセンサ素子を対象に接触させる。該センサ素子は図１の流体制御部および計測部と流体で満たされたチューブでつながっており、該センサ素子のバルーンの流体は制御され、該バルーンを膨張させ、かつ該バルーンの膨張における流体または該バルーンの形状の変化を計測することができる。また、評価部では、該計測部から得られた情報から、硬さおよびぬめり等の表面性状の評価値を算出することができる。
【００２４】
図２は本発明の流体を用いた触覚センシング方法の原理を示したものである。流体で満たしたバルーンを対象表面上に押し当て、膨張させると、その膨張過程において、対象への押し込みや接触面での滑り、固着が生じる。これらの現象は、対象の硬さや表面の摩擦状態（ぬめり等）に依存し変化する。したがって、該バルーンの膨張過程を流体または該バルーンの形状の変化から計測することで、対象表面のぬめり等の触覚情報や硬さの情報が取得できると考えられる。
【００２５】
バルーンを用いることで、接触の安全性に優れている。また、バルーンの膨張過程は、該バルーンに通じるチューブ内を流れる流体の流量変化または画像により計測が可能である。したがって、センサ素子は電気を用いる必要がない。さらに、バルーン自体は現在医療現場に用いられている（バルーンカテーテル等）ことから、感染症防止、小型化の面でも実現の可能性が高い。なお、本センサは局所的な能動接触であるため、必要とするセンシング領域は小さく、表面が様々な形状をしている生体組織に対して安定したセンシングが行える利点を有している。
【００２６】
センサ素子には、前記バルーンの上に背面板を有することもできる。また、前記バルーンの隣には柔軟な支持部を有していても良い。図３は、本発明のセンサ素子の実施例を示したものである。センサ素子は医療目的で市販されているシリコーンバルーンカテーテル（直径2.7mm）を用いたものである。図に示すように上面にはアクリル製の背面板があり、バルーンカテーテルが2つ取り付けられている。なお、センシング時には片方のバルーンを膨張させる。2つのバルーンカテーテルを用いている理由は、膨張時に片側に支えを作ることで、バルーンを安定して膨張させるためである。また、膨張の際に対象表面に対して回転が生じ、滑り現象を起き易くしている。なお、特に支持部はバルーンである必要はないが、安全に生体組織に接触させることを考慮し、バルーンを用いている。接触工程には、前記バルーンに荷重を与えても良い。荷重を与えるには、例えば、前記背面板に、柔軟な梁を利用して、非線形的に梁を変形させてある特定の荷重をかける機構とすることができる。また、ロボット等により荷重を実現する方法もある。
【００２７】
流体制御工程は、前記バルーンに圧力が負荷された流体を制御して送る工程とすることができ、また、計測工程は、前記流体制御工程により、前記バルーンに送られた流体の流量または圧力を計測する工程とすることができる。また、前記流体制御部は、前記バルーンに圧力が負荷された流体を制御して送る流体出力部とすることができ、前記計測部は、前記流体制御部により、前記バルーンに送られた流体の流量または圧力を計測する流体計測部とすることができる。以上を鑑み、図４は本発明の流体制御工程、計測工程、流体制御部および計測部に関する実施例を示している。前記流体出力部として、コンプレッサーおよびレギュレータで空気を一定圧に圧縮し、ソレノイドバルブをファンクションジェネレータで開閉することで、前記センサ素子のバルーンに圧縮空気を送る。ソレノイドバルブは3ポートとなっており、弁を開けて空気を送りバルーンを膨張させた後、弁を再び閉じると、バルーン中の空気はソレノイドバルブを介して、空気中に逃げる。また、前記流体計測部として、ソレノイドバルブの手前には圧力計およびフローセンサが取り付けられ、バルーンへ流れた流体の圧力および流量を計測することができる。圧力計およびフローセンサからの出力信号はA/D カードを通してコンピュータに記録される。
【００２８】
また、前記評価工程は、前記計測工程より得られた前記バルーンが膨張するまでに要した時間、または膨張した体積から、硬さおよびぬめり等の表面性状の評価値を求めても良い。図５には、図３および図４で示した触覚センサを用いて、接触工程として、センサ素子の上に錘を載せ、触覚センシングを行った際にフローセンサから得られた出力波形を示したものである。バルーンに圧縮空気が入った後、始めに僅かに膨らみ、その後しばらく膨らまず、あるときから急激に膨らみだす。この現象はフローセンサからの出力信号に現れる。バルーンが急激に膨張する時には、インパルス状の大きい出力波形を得ることができる。なお、0秒での出力は、計測開始時であり、始めに空気が送られたことを示す。このバルーンが急激に膨らみだすまでの時間を、評価値を求めるための特徴量として、使用しても良い。
【００２９】
本実施例の流体を用いた触覚センシング方法および流体を用いた触覚センサの効果を実験的に確認するために、図３および図４に示した触覚センサを用いて、生体組織を模擬した対象物に関する測定実験を行った。用意した対象物は、柔軟なウレタンゲルの上に様々な液体を塗布し、表面にぬめり層を有する柔らかい生体組織を模擬したものである。柔軟なウレタンゲルには、6 種類の硬さを準備した。図６に各ウレタンゲルの硬さを示す。直径5mm の円柱を4mm押込んだ際の反力を硬さ指標として用いた。なお、最も柔らかいNo.0 は、ヒトの腹部程度に柔らかい。最も硬いNo.5はヒトの腕程度の硬さである。塗布する液体には、乳液A、乳液B、卵白、擦った山芋を水で溶かした液体（以下、山芋水と呼ぶ）、水を準備し、その他に塗布液体なしの条件を加えた。なお、水、山芋水、卵白の順にぬるぬるしており、乳液はぬるぬるしているが、さらさらした感じもある。乳液同士では、乳液A について卵白のようなとろみを若干感じる。
【００３０】
図７に、図３および図４に示した触覚センサを用いて、荷重条件10gf、内圧条件を0.077MPa とし、No.0 のウレタンゲルの上に前述した5種類の液体を塗布した試料および液体を塗布しない試料に対して実験を行った結果を示す。図は各試料におけるフローセンサからの出力信号を示す。図より、各試料によって異なる位置にインパルス波形が確認できる。なし、水、山芋水、卵白、乳液B、乳液A の順にインパルスまでの時間が短くなっていることがわかる。インパルスまでの時間は、バルーンが急激に膨らむまでの時間を示している。本条件では硬さが同じであることから、滑りやすいものほど、バルーンが早く膨張するといえる。また、用意した試料をその触感で大別すると、「なし」、「水」、「山芋水・卵白」、「乳液A・B」である。膨張までの時間と比較すると、触感が近いものは近いところに位置しており、出力結果が触感と似た傾向を示していることがわかる。以上より、各塗布液体の判別が可能であるといえ、ぬめり等の表面性状を計測できる可能性が示された。
【００３１】
図８に、荷重条件100gf、内圧条件を0.077MPa とし、No.0から5 のウレタンゲルの上に乳液Aを塗布した試料に対して実験を行った結果を示す。図は各試料におけるフローセンサからの出力信号を示す。図より、各試料によって異なる位置にインパルス波形が確認できる。試料が硬くなるほど、インパルスまでの時間が長い。本条件では塗布液体が全て同じであるから、柔らかいものほど、バルーンが早く膨張するといえる。柔らかいものほど、対象へバルーンが押込まれやすく、その結果、バルーンが膨張し易いと考えられる。以上より、硬さ計測の可能性が示された。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の流体を用いた触覚センシング方法および流体を用いた触覚センサの実施例の概略図である。
【図２】本発明の流体を用いた触覚センシング方法の原理の概略図である。
【図３】本発明のセンサ素子の実施例を示したものである。
【図４】本発明の流体制御工程、計測工程、流体制御部および計測部に関する実施例を示したものである。
【図５】図３および図４で示した触覚センサを用いて、接触工程として、センサ素子の上に錘を載せ、触覚センシングを行った際にフローセンサから得られた出力波形を示したものである。
【図６】実験で使用した各ウレタンゲルの硬さを示したものである。
【図７】図３および４に示した触覚センサを用いて、荷重条件10gf、内圧条件0.077MPa とし、No.0のウレタンゲルの上に5種類の液体を塗布した試料および液体を塗布しない試料に対して実験を行った結果を示したものである。各試料におけるフローセンサからの出力信号が示されている。
【図８】図３および４に示した触覚センサを用いて、荷重条件100gf、内圧条件を0.077MPa とし、No.0から5 のウレタンゲルの上に乳液Aを塗布した試料に対して実験を行った結果を示したものである。各試料におけるフローセンサからの出力信号が示されている。
【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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