計測自動制御学会東北支部 40 周年記念学術講演会
2004 年 12 月 22 日，23 日 日本大学工学部

講演番号：A06

血管内用触覚センサ素子開発に関する基礎的研究〇春田峰雪（日本大学大学院）

村山嘉延（日本大学）

尾股定夫（日本大学）

Development of new intravascular tactile sensor*M.Haruta (Nihon University), Y.Murayama (Nihon University) and S.Omata (Nihon University)
Abstract- This paper is described the development of the intravascular catheter tactile sensor that can be used tomeasure the hardness inside a blood vessel. Measurement by non-contacting was carried out using hardness model, it
verified about usefulness of intravascular tactile sensor. It was admitted from the measurement results that hardness
measured possible non-contact method. This approach was shown possible to application for intravasculartactile sensor.
Keywords: tactile sensor, catheter, intravascular, phase shift method, piezo-electric transducer

1 目的
今日の画像診断装置は超音波診断装置、X 線 CT装置、MRI に代表されるように非侵襲的に、かつ簡便に体内画像を得ることができるようになった。また、新しい超音波画像診断として IVUS（血管内超音波）の登場により血管内壁という従来では計測できなかったところまで診断できるようになった。IVUS の特徴として、血管内の横断面組織特性を超音波画像からリアルタイムに診断でき、疾患等による血管径の変化や内部組織の特性を把握できる特徴を有している。しかしながら、患部をより明確に診断するためには、今後血管内組織の物理的特性の計測と解析が必要となる。現在の超音波診断装置や IVUS は非侵襲的に診断可能な優れた特徴を有しているが患部の特性を直接物理的特性として計測することは困難である。
また、体内組織の物理的特性、即ち硬さ軟らかさを計測できるシステムが存在しないため、硬さ測定には触診に頼っているのが現状である。特に触診では疾患部の特性を把握して、しこりや腫瘍の硬さ軟らかさから診断しているが未だ定量的な診断法の確立はなされていない。本研究では位相シフト法を用いた触覚センサを用い直接血管内の患部の硬さを測定するセンサ素子の開発や計測システムの開発を行っている。

２原理

本研究室で開発した触覚センサの基本原理[1][2][3]は、有限長の振動棒を任意の物体に接触させると棒の固有振動数が対象物体の音響負荷の有無によって共振周波数が変化することを利用したものである。この手法は波動方程式の共振特性から説明することができる。

Fig.1, Vibration of finite rod
Fig.1 は、共振状態にある長さ x = l の棒の末端を、未知数の音響インピーダンスに接触させた場合を示す。ここで、棒の長さ方向に平面波が伝搬するときの波動方程式は、2∂ 2φ2∂ φ=∂t 2 cr ∂x 2

但し、（１）

φ ：速度ポテンシャル、c r ：棒の音速、t ：時間x ：距離で表せる。
（１）式から物質が接触されている状態の共振周波数は、

65n qf = 2cl 1 − nπρ r cr rx

x（２）

但し、 n ：次数音波が対象物体の影響を反射波として位相が∆θ１シフトすると発振状態を安定化するために(θ1+ ∆θ1)+ (θ2+∆θ2) = 0 として位相シフト回路が動ρ r ：棒の密度作する。従って、この時の共振周波数のシフト量かと表せる。また、棒の先端に物質が接触していないら対象物体の特性が検出できる。ただし、センサの自由共振状態での棒の共振周波数は、シフト後の位相を∆ θ1とし、このときの位相シフト

nf = 2clr

回路の位相を∆ θ2とする。

（３）0と表せる。したがって、（２）、（３）式より、周波数変化量は、∆f = f − f 0=−cr q x2πlZ r（４）但し、 z r ：棒の音響インピーダンス

z r = ρ r crで表せる。
したがって、共振周波数の変化は試料のインピーダンスに依存することになり、周波数の変化から対象物質の特性を知ることができる。
Fig.2 に共振数周波数のシフト特性を示す。
Fig.3 Transducer and measuring system

３ 位相シフト法による計測システムの基礎
構成

Fig.2 Frequency shift
硬さ測定用触覚センサは Fig.3 に示すようなシステムで構成されている。センサ部の、圧電セラミック素子（PZT）は、素子の振動部と一対に振動検出用素子を設け、振動子の中央部から厚さ方向に縦波
Fig.4 Non-contact measurement systemが発生するように分極処理されており、検出素子の出力信号を位相補正回路を介し再び振動子の入力端子に帰還することで発振する強制帰還型発振回路系

Fig.4 は位相シフト法による計測システムの基本構として構成されている。

成を示す。本計測システムは触覚センサシステムか

また、本システムの振動子の位相をθ1、位相シフら出力された信号を周波数カウンターを介しト回路の位相をθ2 とすると共振条件は θ1+ θ2 =0としRS-232C 接続によりパーソナルコンピュータへ出力て発振特性を示しているが振動子から放射された超し記録及び解析を行う。また、センサの 3 軸移動制

66

御のためＸＹＺステージを用いパーソナルコンピュ

Fig.6 はセンサ素子のマウント時におけるアドミタータで移動制御を行った。

ンス特性変化を示したものである。Fig.6 より自由振

計測は脱気水で中を満たした水槽内での計測とし動時とアクリル保持はきれいなアドミタンスを示している。ていることが確認できる。しかし、アルミ、銅、ステンレス材料での保持の場合自由振動特性が影響を４計測システムの実験受けるのできれいなアドミタンス特性を示していな

4.1

センサ素子の基本特性に関する実験いことが確認できる。

安定した計測を行うためにはセンサの位相特性が極従って、本実験では PZT 素子（直径 6mm、厚さ１めて重要となる。PZT を使う超音波計測の場合安定ｍｍ）をアクリル材料を利用してマウントする構成した高い周波数を利用するのが通常であるが、本シとした。また、シリコーンゴムにより PZT 表面及びステムでは、位相特性に依存した共振特性を利用し周囲の防水、保護を行った。ている。すなわち、マウント法や試料によって大きく PZT の特性が変化するためである。

4.2

非接触法による硬さ判別実験

Fig.5 は圧電セラミック素子(PZT)の保持特性を示す。

Fig.4 に示されるように未知試料を用いて移動距

センサ素子の基本特性についてはセンサの振動部の離に対する周波数シフト特性について計測を行った。

節部を利用して支持面積を減らしたマウント台に保計測法はサンプルからセンサ先端を 100µｍずつ離持させた状態で PZT 特性及び自由振動時における計して 20000 µｍになるまで移動を行い各地点におけ測について行った。マウントの試料にはアクリル、る周波数変化量を計測した。計測開始地点は試料にアルミ、銅、ステンレスを用いた。

接触する直前の位置を 0 µｍとした。ここで使用した試料はシリコーンゴム 40%（Shinetsu silicone :KE-106）、銅板、アルミ板である。

Fig.5 PZT transducer and it’s holding method
Fig.7 Change in frequency of ultrasound measuringsystem
Fig.7 は結果より各試料とも正弦波を描きながら一点に収束していく様子が確認できる。また、銅、ア
ルミとでは周波数変化量は非共振点を除けば銅の方が大きいことが確認できる。さらに、シリコーンゴ
ムは銅やアルミが最大周波数変化量を持つ地点において最小周波数変化量を持つ。
グラフの各計測位置において試料の硬さごとに周波数変化量が異なることが確認できる。
Fig.6 Admittance Characteristic of PZT transducer

674.3 スキャニング実験ることが確認できる。スキャニング位置を考慮する

濃度 100％のシリコーンゴムで作成したファントと円形の箇所はシリコーンゴムであり白い箇所は金ムの表面をセンサでスキャニングし硬さの計測を行属の銅板部分であることが認められる。

った。

5 まとめ
本実験より PZT の最適なマウント台がアクリルであることが認められた。また、硬さ判別の実験から本センサを用いることで非接触でも試料の硬さを測れることが確認された。スキャニング実験より硬さの違いを視覚的に表現できることが認められた。
基礎実験の段階ではあるが硬さ測定用のセンサの有用性については示された。今後の課題としてはセンサの小型化を目指していきたい。
Fig.8 Scanning method using PZT transducer
参考文献
Fig.8 にスキャニング方法を示す。使用したファント[1]M.HarutaandS.Omata“Developmentof

ムはシリコーンゴム（Shinetsu silicone : KE-106）上multipurpose catheter using phase shift method”, the 20thに直径( φ=0 )の穴をあけた銅板をマウントし凝固さsensor symposium(2003),pp.331～334,せたものである。
[2] M.Haruta and S.Omata “Fundamental Study of

スキャニング方法は試料上から Z 軸方向に２cm離した地点で銅リングを中心にＸＹ平面上に対しremote

Stiffness

Testingin

anApplication

X 軸を 100μm 刻みで最大 2cm になるまで移動、次Intravascular Tactile Sensor”, the 21th sensor symposiumに Y 軸を 100μm 移動、X 軸を 100μｍ刻みで 2cm(2004) ,pp.423～426,から０μｍになるまで移動 Y 軸を 100μｍ移動させ[3] Omata, United States Patent No.5766137 (1998)

ＸＹ軸の移動量が共に 2ｃｍになるまで繰り返し各移動地点における周波数変化量を測定を行った。

Fig.9 Measurement result of scanning
Fig.9 にスキャニングの実験結果を示す。グラフのカラーバーは白色ほど周波数変化量が上昇し、黒色ほど周波数変化量が下降する傾向として表示されている。
グラフは円形に黒い箇所と白い箇所に分かれてい68for