計測自動制御学会東北支部 第 310 回研究集会 (2017.7.21)
資料番号 310-2

バルーンを用いた消化管硬さ評価に関する研究
Study on Hardness Evaluation of Gastrointestinal Tract
Using a Balloon○伊藤 裕太 ∗ ，平澤 富士子 ∗ ，福田 康義 ∗∗ ，小松 和三 ∗ ，西島 和俊 ∗∗ ，関 信輔 ∗∗ ，関 健史 ∗ ，長縄 明大 ∗○ Yuta Ito∗ , Fujiko Hirasawa∗ , Yasuyoshi Fukuda∗∗ , Kazumi Komatsu∗ ,Kazutoshi Nishijima∗∗ , Shinsuke Seki∗∗ , Takeshi Seki∗ , Akihiro Naganawa∗∗∗∗

秋田大学 大学院理工学研究科 システムデザイン工学専攻
秋田大学 バイオサイエンス教育・研究サポートセンター 動物実験部門∗Department of Systems Design Engineering, Graduate School of Engineering Science,Akita University∗∗
Animal Research Laboratory, Bioscience Education-Research Support Center, Akita
University
キーワード : 消化管（Gastrointestinal Tract），硬さ評価（Hardness Evaluation），バルーンカテーテル法（Balloon Catheter），圧力応答 (Pressure response)

連絡先 : 〒 010-8502 秋田県秋田市手形学園町 1 番 1 号
秋田大学大学院 理工学研究科 システムデザイン工学専攻 機械工学コース
伊藤裕太，Tel/Fax: (018)889-2971，E-mail: m8017606(at)s.akita-u.ac.jp

1.

緒言や超音波検査，CT，MRI を用いた検査などがある
2),3)

消化管は，口腔，咽頭，食道，胃，小腸，大腸からなる管状の器官・臓器であり，摂取した食物の消化や栄養の吸収など，生命維持に欠かすことのできない働きを持つため，がんや臓器不全などの消化管疾患は早期発見が重要である．一方，消化管疾患の原接的に測定するものであり，正確な線維化の進展度や硬さを測定することはできないほか，観察視野が狭いこと，全体像が把握し難いこと，肥満体等の被験者の体系の影響を受けやすいこと等の間接的な測定方法ゆえの欠点がある．

因の一つとして，組織線維化が挙げられる 1) ．組織
線維化とは，障害組織の治癒過程にみられる生体適応反応であるが，過剰な細胞外基質の蓄積により細胞組織は硬化し，重大な疾患をもたらす．また，線維化は，臓器の終末期に共通してみられる病態であるため，その解明や診断法，治療法の研究が進められている．

．しかし，いずれの測定方法も線維化部分を間一方，著者らはバルーンカテーテルを用いた小腸運動計測法を考案した 4) ．この方法では，カテーテル先端部に配置されているバルーンを，腸管内で拡張して管壁に接触させて留置し，小腸運動がバルーンを加圧する際の内圧変化を計測する．その結果，小腸の運動状態を把握することができ，これまで健常者に対する計測結果 5) ，実験動物に対する計測結

現在，組織線維化を測定する方法として血液検査果 6) ，慢性偽性腸閉塞を発症した患者に対する計測–1–

結果 7) などを報告してきた．

Motor
Feed screw

本研究では，この手法を拡張し，バルーンカテーテルを用いて消化管の硬さを計測する方法についてMoving
direction

検討を行っている．その方法は，小腸運動計測の際にはバルーンを腸管内で拡張して留置するのみであったが，硬さ計測ではバルーンを拡張する際の圧力変Syringe

化応答をセンサで測定し，その応答曲線から硬さを判断するものである．本発表では，計測原理と装置の概要，ならびにアクリルパイプに対する実験結果

Displacementsensorと，実験動物の腸管に対して実施した結果について報告する．

Pressure plate
Fig. 1

2.

硬さ計測法

2.1

計測原理

Pressure Device.

Displacement sensor

バルーンカテーテルを消化管内まで挿入し，蒸留

Data logger

Moter driver

水あるいは空気を注入し徐々にバルーンを膨らませると，バルーンが腸管内壁と接触し，やがて腸管をPC

Balloon

押し拡げるように拡張する．このとき，腸管壁が組Pressure device

織線維化によって硬くなっていると仮定すると，バPressure sensor

ルーンの拡張に対し腸管壁は拡がりにくくなるため

Fig. 2

バルーンは管壁より力を受けることとなり，バルー

Arduino

System conguration.

ン内圧が高くなると考えられる．このため，消化管内でバルーンを拡張させ，加圧しながら圧力上昇応

2.3

バルーンカテーテル

答を圧力センサを用いて計測し，その傾きなどの違

バルーンカテーテルには，カテーテル先端部にバいから腸管壁の硬さの違いを判別することができる

ルーンが配置されており，主に管腔臓器が狭窄や閉塞と考えられる．

している際に拡張する目的で使われる医療機器である．その大きさなどは，使われる臓器により異なる．

2.2

Fig. 3 に硬さ計測の目的で製作したバルーンカ

装置構成

Fig. 1 にシリンジのプランジャを押してバルーンを拡張することを可能とする加圧装置の模式図を示す．加圧装置は，DC モータ，ボールねじ，押し板，シリンジ，変位センサなどで構成されている．

テーテルを示す．バルーンにはポリウレタン素材のものを用い，長さは約 30 mm，最大直径は約 36 mmである．この大きさは，人の消化管のサイズを下に決定した．

Fig. 2 に硬さ計測のための装置構成の全体写真を示す．マイコンには Arduino を用い，動作プログラ

2.4

フィードバック制御系

ムを実行すると，指令電圧はモータドライバを介し本研究では，加圧装置の押し板を一定速度で動作加圧装置の DC モータに送られる．モータが駆動すさせるため，変位センサを用いたフィードバック制ると，ボールねじによって押し板が直動方向に動き，御系を構成した．Fig. 4 に加圧装置フィードバックシリンジが押されバルーンが拡張する．その際の圧制御系のブロック線図を示す．ここで，P (s) は制御

力は，圧力センサによって，また押し板の移動量は対象，C(s) はコントローラを表し，押し板の移動量変位センサによって測定され，これらの測定結果はが変位センサを用いてフィードバックされる．なお，データロガーを介して PC 内に取り込まれる．

–2–Acrylic pipe with three holes
Acrylic pipe covered with 50% holeby a polyethylene sheet
Acrylic pipe covered with 100% holeby a polyethylene sheet
Without load
Pipe made by a polyethylene sheet

30 mm
Max36 mm10Fig. 3r+Balloon catheter.

u-C(s)

Pressure [kPa]

86420yP(s)0246Time [s](a) Pressure

8100246Time [s]810Fig. 4system.

Differential value [kPa/s]

2.5
Block diagram of the feedback control

r は押し板の移動量の目標値，u は制御対象 P (s) への指令電圧，y は押し板の移動量である．コントロー
ラ C(s) は，式 (1) で表されるように PI 制御型とし，

21.5
10.50

ゲインは試行錯誤した結果，Kp = 72, Ki = 66 とした．

C(s) = Kp +Kis(b) Differential(1)
Fig. 53.

アクリルパイプ実験

3.1

実験条件

Measurement results of the acrylic pipe.

s 間に 1 ml の一定速度で 10 秒間バルーンに空気を注入したのち，5 秒間停止する動作をさせた．

動物実験を実施する前に，アクリルパイプに対する検証を行った．対象は，内径が 20 mm のアクリ

3.2

ルパイプとし，腸管の弾力性を再現するため，パイプに溝を 3ヵ所開けたものを用意した．これにより，加圧するバルーンが溝から漏れ出して拡張を続けることができるようになり，その結果，弾力性を持つ腸管を再現することができるようになると考えられる．また，この弾力性が失われた線維化状態を模擬するため，開けた溝を塞ぐことができるようポリエ
チレンシートを準備し，溝部の全体を覆った場合と半分覆った場合，シートを用いなかった場合の 3 つの実験条件で計測を行った．なお，加圧装置には 1

結果と考察

Fig. 5(a) に圧力応答結果，Fig. 5(b) に (a) の応答を微分して傾きを算出した結果を示す．本研究では，結果を比較するため，無負荷（机上）での計測と，シートで作成した円筒での計測結果も追加した．

Fig. 5(a) より，シートを用いなかった条件（実線）では加圧終了時に最高約 6.8 kPa，シートで半分覆った条件（一点鎖線）では最高約 7.3 kPa，シートで全体で覆った条件（破線）では 10 kPa センサのレンジを超えるような結果が得られた．このことから，バルーンがアクリル管内部で接触する際の面積の大–3–

きさによって圧力応答に違いが生じることがわかる．

In vivo
In vivo (30 s boiled at 60 deg)
The cut intestinal tract
The cut intestinal tract(30 s boiled at 60 deg)
Without load

なお，いずれの条件でも，約 5〜6 s 付近から圧力上昇が徐々に生じていることがわかる．このため，バルーンの拡張の様子を確認したところ，6 s 時点でアクリルパイプ内面と接触しているのが確認された．

4

したがって，バルーンとアクリルパイプが接触した

3Pressure [kPa]

ことで圧力上昇が生じたことがいえる．
一方，Fig. 5(b) から，0〜5 s までどの条件でも同じような傾きであるのに対し，6 s 以降から傾きに違いが出始めることがわかる．8 s 時点で，シート無しの条件（点線）では約 0.85 kPa/s，シートで半21分覆った条件（一点鎖線）では約 0.91 kPa/s，シー0トで全体で覆った条件（破線）では約 1.65 kPa/s で01234Time [s](a) Pressure

56701234Time [s](b) Differential

567あった．以上のことから，バルーンが設置される条

Differential value [kPa/s]

件下，すなわち管壁の線維化部分の接触面積の大きさの違いが現れていることがわかる．

4.

動物実験

4.1

実験条件

実験動物は，生後約 3 ヶ月の家畜豚（体重 31 kg，10.80.60.40.20

全長 100 cm）を用いた．計測部位は，豚の空腸部とし，豚の腹部を切り開きバルーンカテーテルを直接空腸へ挿入する生体内計測，空腸部を約 250 mm
切出したサンプルを用いる切出し腸管計測の 2 つの計測を行った．また，擬似的に組織線維化状態を再Fig. 6

Measurement results of animal experi-ments.

現するため，腸管を 60 ℃のお湯で 30 秒間茹で，温で，圧力応答も立ち上がりから大きく，違いがみら度変性をかけた条件での計測も同様に行った．なお，れた．

加圧装置には 1 秒間に 1 ml の一定速度で 7 s 間バルーンに空気を注入したのち，5 s 間停止する動作をさせた．

4.3

考察

Fig. 6(a) の生体内計測の結果では，温度変性の有4.2

無による圧力応答の違いがみられなかった．これは，結果腸管を直接お湯に入れたので，温度変性が外側のみ

Fig. 6(a) に圧力応答結果，Fig. 6(b) に圧力値をに留まり，内側の組織まで十分に温度変性が行えな微分し圧力応答の傾きを算出した結果を示す．結果

かったことが原因として考えられる．そのため，生を比較するため，無負荷（机上）での計測結果を追

体内計測では実験条件が適切に設定できなかったと加した．腸管計測では，正常な腸管と温度変性をかいえる．

けた腸管どちらも最大圧力値が約 3 kPa で，圧力応一方，Fig. 6(a) の切出し腸管計測の結果では，圧答の違いもみられなかった．一方，切出し腸管計測

力応答の違いがみられ，約 0.5 kPa の圧力差が生じでは，正常な切出し腸管の最大圧力値が約 2.8 kPaているのがわかる．また，Fig. 6(b) の立ち上がりのに対し，温度変性をかけた切出し腸管は約 3.3 kPa

傾きをみると，正常な切出し腸管は約 0.21 kPa/s に–4–

対し，温度変性をかけた切出し腸管は約 0.53 kPa/sと，約 2.5 倍の大きさであった．
以上のことから，正常組織と温度変性がかかった組織の硬さの違いが，圧力応答の違いとして表れていることがわかる．しかしながら，腸管を切出して行った計測であるため，腸管が生きている状態での計測で同様に硬さの違いが読み取れるか検証を行う必要がある．また，正常組織と温度変性組織の結果の比較による相対的な評価のみにとどまったので，今後は硬さの度合いを数値化するような絶対的評価方法を検討していく必要がある．

5.

結言

本研究では，バルーンカテーテル法を用いて消化管の硬さ計測を行うための方法について検討し，以下の結果を得ることができた．

1)

アクリルパイプを用いた実験では，溝の開いたパイプにシートを用いて接触面積を変え計測を行い，バルーンへの接触面積の大きさの違いが圧力応答や傾きをみることで判別可能であることがわかった．

2)

豚の腸管を用いた動物実験では，正常な腸管と擬似的に組織線維化を起こすため温度変性をかけた腸管を用いて計測を行い，組織の硬さの違いが圧力応答の違いとして表れることがわかった．

今後は，引き続き動物実験による検討を進めるとともに，硬さを数値化するような評価法についても検討する予定である．

参考文献
1) 木村久仁子，岩野正之：組織線維化の進展機序，日本臨床免疫学会会誌，32-3，160/167 (2009)2) 小川眞広：肝超音波診断の New Technology SMI と
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システムインテグレーション部門講演会（SI2016），
2095/2099 (2016)7) N. Manabe, A. Naganawa, S. Hosokawa, K. Okaand K. Haruma：Assessment of Small Bowel Motility in patients with Small Bowel Obstruction:
A Newly Developed Measurement Technique for
Monitoring Small Bowel Motility by Using anIleus Tube, Digestive Disease Week (DDW) 2017,
Su1567 (Abstracts on USB) (2017)