計測自動制御学会産業論文集
Vol.10, No.2, 7/16（2011）

イレウスチューブバルーン内圧のセルフチューニング制御
関
岡

健

史∗ ・長

縄

明

大∗∗

潔∗∗∗ ・芳

野

純

治∗∗∗∗

Self–Tuning Control of Balloon Internal Pressure in Ileus Tube
Takeshi Seki∗ , Akihiro Naganawa∗∗ ,Kiyoshi Oka∗∗∗ and Junji Yoshino∗∗∗∗The recent development of the double balloon and capsule endoscopes has enabled the observation of the entire small intestinal area. However, it is diﬃcult to use these endoscopes in patients who suﬀer from intestinal
obstruction and adhesion. We have developed a new endoscope that can be used in patients who suﬀer fromthese problems; the instrument consists of an ileus tube and an optical ﬁberscope (diameter 1.1 mm). The entire
small intestine can be observed by controlling the internal pressure of the balloon in the ileus tube and by pulling
the tube out at a constant speed. In our previous study, we developed an internal pressure control device thatconsists of a balloon attached to an ileus tube and a medical syringe. We also veriﬁed the control performance of
this device. However, the performance of an endoscope using this control system cannot be guaranteed, becauseof the various types of syringes used by doctors. In this study, we have designed a new two-degrees-of-freedom
control system having self-tuning capabilities that enhances the control performance for various types of syringes.
The eﬀects of the proposed method are illustrated by the experiment. The obtained results show that balloonpressure in the reference response satisfactorily tracks the output of the reference model and can be settled
within ±2% in steady state. In addition, the disturbance rejection properties of the PID control method wereaﬀected by the changes in balloon pressure, but this problem can be solved by using the proposed control system.
Furthermore, despite the increase in the balloon pressure during the pulling out experiment performed using anintestinal model, we were able to suppress inﬂuence of disturbances. These results suggest that it is possible topull the tube out at a constant speed.
Key Words: Ileus tube, Syringe, Two-degrees-of-freedom control system, Self-tuning(ST) control, Loop gain
プッシュ式やロープウエイ式などの従来の内視鏡と比べて，検1. は じ め に査が容易で患者への負担も少ない．しかし，小腸に癒着や狭現在，小腸内の全域検査を行う装置として，ダブルバルー

窄が存在するイレウス症例の患者に対して，ダブルバルーン

ン内視鏡やカプセル内視鏡が使われている．ダブルバルーン

内視鏡では，あらかじめイレウス治療用の医療用チューブを内視鏡は，電子スコープ先端部に装着された 2 つのバルーン

体内に挿入して事前処置を施す必要があり，カプセル内視鏡により，腸管の把持と解除を繰り返し，深部に挿入しながらでは，狭窄部で停留してしまう可能性があるため，適用が制観察・処置を行うものである

1)〜3)

限される場合がある．

．これに対してカプセル内

視鏡は，カメラおよび無線装置を内蔵し，腸管内を蠕動運動

一方，イレウス症例の内科的治療法として，イレウスチュー

によって前進しながら非侵襲的に腸管内の撮影を行い，画像ブを用いた方法があり，患部で詰まった消化物などをチュー

データを体外に送信し観察を行う 4)〜6) ．これらの内視鏡は，ブ先端部の側孔から吸引排出して治療する 7) ．筆者らは，このイレウスチューブと，開発した外径 1.1mm の極細径光ファ∗

福井大学
福井県吉田郡永平寺町松岡下合月 23-3∗∗ 秋田大学大学院∗∗∗ 日本原子力研究開発機構∗∗∗∗ 藤田保健衛生大学∗ University of Fukui∗∗ Akita University∗∗∗ Japan Atomic Energy Agency∗∗∗∗ Fujita Health University（Received July 27, 2010）c
TRIA 002/11/1002 ⃝2010
SICE

イバスコープを組み合わせ，イレウス症例の患者に適用可能
な小腸内視鏡に関する研究開発を行っている 8) ．本内視鏡の特徴は，イレウス治療のため既に腸内に挿入されているイレ
ウスチューブの内腔に，光ファイバスコープを挿入すること
で腸内観察が可能であるため，挿入時に与える患者への負担が少なく，挿入時の腸管内損傷の危険も低いことなどが挙げられる．また，イレウス治療直後の病変部観察が可能になり，手術適用の判断などにも使用できることが期待されている．

7

これまでに，医師による臨床試験を実施しており，チューブ先Ball screw

DC motor端部付近の腸内観察が可能であることを確認している 9) ．しPC

かし，腸管内の一部の映像取得であったため，これを腸管内の全域検査に拡張できれば，新しい病変やまだ明らかになっ

Three way
stopcock

Plungerていない病気を発見できることが期待されている．

Pressure sensor
One way valve

そこで，イレウスチューブと光ファイバスコープに，イレウ

Sliderスチューブのバルーン内圧制御装置を新たに組み合わせ，腸Water

管内の全域検査が可能となるための検討を行っている 10) ．本
Water cylinder (Ref. 11)
Medical syringe (Ref. 12)

手法では，体内に挿入したイレウスチューブと光ファイバス
コープを同時に引き抜く際に，バルーン内圧が一定の値を保持するように制御を行い，挿入時に蠕動運動により手繰り寄

BalloonIleus tube

Fig. 1 Composition of balloon pressure control system

せられた腸管を，一定の速度で開放しながら観察を行う方法
Ball screw

を考えている．Fig. 1 に内圧制御装置の概要を示す．その構

DC motorThree way stopcock

成は，水圧シリンダ（または医療用シリンジ），圧力センサ，

One way valve

制御用 PC，モータとボールねじ，スライダからなる．イレウ
Sliderスチューブの一方弁は，三方活栓によりシリンダや圧力セン
サと接続されている．シリンダのプランジャはスライダに固Plunger

定されており，モータのトルクがボールねじで推力に変換さ

Syringeclamper

Syringe

Pressure sensor

れ，スライダを図の左右方向に動かすことにより，バルーン
内圧を加減することができる．これまで得られた研究開発の成果は，以下の (1) に水圧シリンダを用いた場合 11) を，(2)に医療用シリンジを用いた場合

12)

Ileus tube

Front balloon

をまとめた．

(1) 著者らの以前の研究では，バルーン内圧制御に関する報

Fig. 2 Balloon pressure control system using a medical syringe

告はなされておらず，またイレウスチューブは，軟質塩化ビニル樹脂やシリコーンゴムなどの材質が使われており，制御性能を予測することが困難であった．そこで，工しかし，(2) では，シリンジを用いても高精度な制御を実現

業用の水圧シリンダを組み込んだバルーン内圧制御装置

できることが確認できたが，実際の臨床で医師が用いるシリを製作し，制御性能を検証した．目標値応答の検証では，ンジは，メーカーが異なり，さらに容量も異なると予想され定常圧力から 10kPa の加圧または減圧する目標圧力に対る．このため，シリンジの動特性も異なるため，制御性能をして，±1.5% の範囲で整定させることができ，高精度な保障することができない．

制御性能が実現できた．また，外乱抑制の検証では，制本研究では，医師が選定したシリンジを内圧制御装置に設御を行わない場合と比較して，圧力変動を 10%以下まで置した場合において，これを特性変動と考え，セルフチュー

抑えることができた．さらに，実際の腸管を模擬して製ニング (ST) により補償する方法について検討を行う 13) ．具作したシリコン製の腸管モデルを用いた引き抜き実験で体的には，逐次最小 2 乗法を用いて内圧制御装置のシステム

は，引き抜き時の圧力変動を抑えることができ，バルー

同定を行い，その結果を用いてフィードバックコントローラ

ン内圧を制御することによって，イレウスチューブを一のゲインを調整し，制御性能を保持するものである 14), 15) ．

定速度で引き抜ける可能性を示した．

本論文の構成は，はじめにバルーン内圧制御装置の概要に(2) 水圧シリンダを用いた検証により，バルーン内圧を高精ついて述べ，異なるシリンジを設置した場合のステップ応答度に制御できることが明らかになったので，シリンダ本の結果を示し，特性変動を有することを示す．つぎに，制御体の滅菌性や容量過多の問題を解決し，さらに患者へ与装置のモデル化について述べた後，制御性能を保持するためえる不安感を軽減するため，Fig. 2 に示す臨床で一般的の ST 法について述べ，実験によりその有効性を示す．最後に使われている医療用シリンジ（本論文のシリンジ A にに，本論文の結言を述べる．

対応）を用いた制御装置を製作し，その性能を検証した．
その結果，目標値応答の検証では，定常圧力から 2kPa

2. 装 置 構 成

加圧する目標圧力に対して，±2.5% 以内の精度で整定さ

2. 1 小腸内視鏡システムの概要せることができた．また，外乱抑制の検証では，制御を行わない場合と比較して，圧力変動を 12%以下まで抑え

著者らが研究開発を行っている小腸内視鏡システムは，イることができた．この結果より，水圧シリンダを用いた

レウスチューブ，光ファイバスコープ，照明光源，映像取得場合と同等の制御性能を実現できることが確認できた．

ユニット，テレビモニタ，およびバルーン内圧制御装置で構8成される．イレウスチューブは，腸内の拡張や内容物の吸引・の水が注入されており，内圧値が整定した状態の定常圧力を排出を行い，腸閉塞状態を解除するための医療用チューブで，基準値とし，その内圧値からの相対変化分をサンプリング周

その外径は約 6mm，長さは約 3m である．体内へ挿入され期 50msec で計測・制御する．

るチューブ先端部には，前方および後方バルーン，吸引側口，

3. シリンジの特性評価

先端口があり，手元の操作部には，ガイドワイヤ挿入口，吸引口，滅菌蒸留水や空気をバルーンへ注入，あるいはバルー

イレウスチューブを使用する医師は，各病院ごとに導入してンから吸引するための一方弁がついている．

いるシリンジを用いて，バルーン内に滅菌蒸留水を注入する

光ファイバスコープは，映像伝送用光ファイバの周囲に照ため，内圧制御に用いるシリンジはメーカーや容量などが異明光伝送用光ファイバが配置されており，被覆部を含めて外なるものと予想される．そこで，数種類のシリンジに対して，

径 1.1mm まで細径化されている．画素数は約 10,000，全長

その特性を評価することは重要である．本研究では，Table

は約 4m でありチューブに挿入可能な長さは約 3.3m，照明光

2 に示す 3 種類のシリンジを内圧制御装置に組み込み，バルー

源と映像取得ユニットに接続する分岐部分の長さが 0.7m でン内圧のステップ応答を取得することにより，特性の違いをある．腸内の映像は，イレウス治療として経鼻的に小腸まで評価した．なお，Table 2 のシリンジは，臨床現場で一般的挿入されたイレウスチューブの内腔 (直径約 2mm) に，ガイに用いられているものであり，シリンジ A は文献 12 でも使ドワイヤ挿入口から先端部まで光ファイバスコープを挿入す用したシリンジである．

ることにより得られ，その映像は映像取得ユニットを介してFig. 3 に，各シリンジに対するステップ応答の測定結果

テレビモニタに表示される．

を示す．実験は，バルーンに約 10ml の水を注入して圧力値

バルーン内圧制御装置は，イレウスチューブの一方弁と接が整定した状態を初期状態とし，実験開始 2sec 後に指令電圧続され，体内に挿入されたバルーンの内圧を計測し，さらに0.1V をモータドライバへ印加して測定した．なお，応答の再制御することが可能である．

現性を確認するため，各シリンジに対して 3 回ずつ測定し，

2. 2 バルーン内圧制御装置

圧力センサの測定範囲が最大 50kPa までであるため，測定範

シリンジを用いたバルーン内圧制御装置は，Fig. 1 および囲の最大値を 45kPa とした．図より，初期状態は約 15kPa

2 に示される．Table 1 に使用した主な部品の仕様を示す．

で整定しており，各シリンジに対して 3 回測定した結果は，シリンジは，30〜50ml の容量のものを，Fig. 2 に示すようほぼ一致していることから，再現性のある結果であるといえなシリンジクランパで着脱可能とし，三方活栓を用いて，一る．また，時刻 2sec で加圧を開始したが，立ち上がりにおけ

方弁，圧力センサと接続した．

るむだ時間は，ほとんどないことがわかる．さらに，時間の圧力センサは，バルーンの内圧値を計測し，AD 変換器を経過とともに圧力値が上昇しているが，その上昇の様子は各介して制御用 PC にデータが取り込まれる．PC 内では，一シリンジごとに異なることもわかる．特に，シリンジ A の結定の内圧値を保持するための演算が行われ，DA 変換器より

果では，実験開始 7 秒頃から一時的に圧力値が下降し，9 秒

モータドライバに指令電圧を出力し，この指令電圧に応じて頃から再び上昇している．このようにシリンジによって圧力駆動される DC モータとボールねじによってプランジャが動上昇の様子が異なる理由として，シリンジの内径の違いやシ

作し，バルーン内圧を調整する．

リンジとプランジャのすきまを埋めるゴムパッキンの摩擦な本装置では，モータドライバへの指令からイレウスチュー

どが考えられ，スティックスリップ現象がシリンジごとに異ブのバルーン内圧までを制御対象として扱う．バルーン内になるためであると考えられる．

は，取扱説明書に記載されている水量の推奨値である約 10ml

45
Table 1 Parts of balloon pressure control unit

Syringe B

40

Products
Model number
Create Medic Double balloon
type 16Fr
Pressure sensor
Fujikura
XFHM-050KPGR
Ball screw
THK
BNK0801-3
DC motor
Maxon
RE25
Motor driverMaxon
ADS 50/5
AD/DA converter Contec
ADA16-8/2(CB)LPressure [kPa]

Item
Ileus tube

35

Syringe C

30
Syringe A

25
Model

20
15

Table 2 Syringes used in an experiment

10

Syringe Products Capacity Inside diameterA
TERUMO
50 ml
29.3 mm
B
TOP
50 ml
29.1 mmCTOP
30 ml
22.9 mm

0

2

4

6
8
Time [sec]

10

12

14

Fig. 3 Step response of the balloon pressure control system(uk =0.1V, Measurement results for three trials)

9つぎに，Fig. 3 のステップ応答の結果をもとに，内圧制御

合 (P (z) ̸= P̃ (z)) や外乱が存在する場合，偏差 ek はゼロに装置のモデル化を行った．図より，立ち上がり時のむだ時間ならないため，フィードバックコントローラ C(z) により，そはほとんどなく，時間の経過とともに圧力値が大きくなっての影響を抑制する．なお，この制御系が安定であるための必要いく特性を示していることから，積分要素と他の要素（たと十分条件は，フィードフォワード項 F (z) および F (z)P −1 (z)

えば 1 次遅れ要素など）の組み合わせとしてモデル化できるが安定プロパな伝達関数であること，閉ループ系が内部安定と考えられる．しかし，ST 法のアルゴリズムを簡素化するであることである 16) ．

ため，本研究では次式で表される離散時間の積分要素として規範モデル F (z) は，(2) 式に示す係数 m によって目標値モデル化した．

応答特性が調整可能な伝達関数を，フィードバックコントロー−1

P (z) =ラ C(z) は，(3) 式に示す不完全微分型 PID コントローラをbz
1 − z −1

(1)

それぞれ離散化したものを実装した．

(

)2
m
s+m
(
)
1
TD s
C(s) = KP 1 +
+
TI s
s+α

ここで，係数 b は試行錯誤の結果，b = 1.25 とした．このモ

F (s) =

デルのステップ応答を Fig. 3 に破線で示す．図より (1) 式のモデルの応答は，A〜C のシリンジの平均的な特性を示していることがわかる．

(2)(3)

ここで，KP は比例ゲイン，TI は積分時間 [sec]，TD は微分

4. ST 法を導入した制御系

時間 [sec] であり，高周波域のノイズの影響を抑制するため，
カットオフ周波数 α[rad/sec] のフィルタを導入した 17) ．

前報では，1 つのシリンジを組み込んだ内圧制御装置に対4. 2 ST 法の導入

して，2 自由度制御系を構成し，高精度な制御を実現した 12) ．
しかし，医師が使用するシリンジはメーカーや容量が異なるたST 法を導入するに当たり，Fig. 3 に示すステップ応答のめ，3 種類のシリンジのステップ応答を測定したところ，Fig.

結果より，積分要素と 1 次遅れ要素を組み合わせたモデル化

3 に示すような結果が得られ，動特性が異なっていた．このについても検討を行った 13) ．しかし，この場合，(3) 式のコ

ため，前報で設計した固定ゲインの PID 制御法を導入した 2

ントローラ C(s) を離散化し，α に対応する係数を可変とし自由度制御では，高精度な制御性能を実現することが困難でて ST 法により調整すると，高周波域の特性が変わってしまあると考えられる．そこで本研究では，この 2 自由度制御系

うことが懸念され，また可変とせず固定した場合には，PIDを拡張し，バルーン内圧制御装置に組み込むシリンジの特性

ゲインを一意に定めることができなかった．一方，PID ゲイの違いを同定しながら，前報の制御性能を保持するため，2ンをニューラルネットワークを用いて調整する方法 13) も提案

自由度制御系に ST 法に基づくゲイン調整機能を取り入れた．

されているが，文献 12 の高い制御性能を保持する調整は困難であると考えられる．

4. 1 2 自由度制御系

そこで，(1) 式のように積分要素としてモデル化を行い，シFig. 4 に ST 法を導入した 2 自由度制御系のブロック線図

リンジの特性変化はその傾きの変化として捉え，文献 12 の制を示す．ここで，図中の F (z) は規範モデル，C(z) はフィー

御性能を保持するようにループゲインを調整する新たな ST

ドバックコントローラ，P (z) 制御対象のモデル，P̃ (z) は実法を導入することとした．具体的には，係数 b の変化をシス

際の制御対象を表す．また，図中の rk は目標値，vk は規範

テム同定 14), 15) により求め，この結果を用いて，特性変化のモデルの出力，yk は出力でバルーン内圧，ek は偏差，uk は前後で開ループ伝達関数のループゲインが一定になるように

モータドライバへの指令電圧を示し，添え字の k はサンプルした．

数を表す．なお，図中の dk は次節で述べる ST 法のためのゲ

実際の制御対象 P̃ (z) の伝達関数を次式として表す．

インである．
この制御系では，実際の制御対象に変動がなく (P (z) =P̃ (z) =P̃ (z))，外乱も存在しない場合には，偏差 ek は常にゼロになるため，出力 yk は規範モデルの出力 vk と一致し，理想的なb̂k z −1
1 − z −1(4)

ここで，b̂k は異なるシリンジや内圧制御装置を駆動した際の目標値応答特性が得られる．しかし，制御対象に変動がある場

特性変動に対して，Fig. 4 の制御対象 P̃ (z) への入力 uk と
出力 yk を用いて，逐次最小 2 乗法により同定する．このとき，開ループ伝達関数 L̃(z) は，Fig. 4 の制御系において，

F(z)P -1(z)
rk

F(z)

vk ek

-

C(z)

dk

uk

~

P(z)

L̃(z) = dk C(z)P̃ (z)

yk

(5)

となるため，

Identification

dk =Fig. 4 Composition of two-degrees-of-freedom control system

b
b̂k

(6)

のように，ゲイン dk を調整することにより，変動の前後で10100sec の結果を示している．これらの結果より，いずれのシ

ループゲインを一致させることができる．

リンジにおいても，実験開始後約 5sec まではバルーン内圧が本研究の ST 法の手順をまとめると，以下のようになる．

振動しているが，その後，バルーン内圧 y は規範モデル F (z)Step 1: 実際の制御対象 P̃ (z) の係数 b̂k を逐次最小 2 乗法をの出力 v に良く追従していることがわかる．なお，実験開始

用いて同定する．

直後の振動の最大値は約 0.5kPa であり，この値は臨床の内Step 2: 同定した b̂k を用いて，ゲイン dk を (6) 式により算

圧計測において非常に小さな値となっているため，腸管に負出する．

担を与えるものではなく，問題ではないと考えている．

Step 3: 求めたゲイン dk を C(z) にかけてモータへの指令電

つぎに，Fig. 5〜7 の拡大図を用いて，PID+ST の有効性

圧 uk を算出し，印加する．

を固定ゲインの PID 制御と結果を比較して示す．なお，シStep 4: k を k + 1 として Step 1 に戻る

リンジ A，B，C ともにほぼ同等の結果が得られたことから，紙面の都合上，ここではシリンジ A の結果のみ示す．

5. 実 験 結 果

Fig. 8 は，Fig. 5 における時刻 15〜40sec の拡大図を前章で述べた ST 法を導入した制御手法の有効性を示すた示している．(a) は全体図，(b) は整定性能を示す時刻 30〜

め，実験による制御性能の検証を行った．本研究では，ST 法

40sec の拡大図である．(a) より固定ゲインの PID 制御では，の効果を示すため，dk = 1 とした場合の固定 PID ゲインによる制御と，ST 法により dk を調整した場合の結果を比較
した．

17.5

実験は，(1) 目標値応答特性 (5.1 節)，(2) 外乱抑制特性

Pressure [kPa]17(5.2 節)，(3) 腸管モデルを用いた引き抜き試験 (5.3 節) を行った．(1) の実験は，現場の医師がバルーンによる腸管の把持の状態を確認しながら，バルーン内圧を加減圧し，引き抜きに適切な圧力値に変更する際の性能を検証するものである．

r

16.5
v, y

16
15.5

(2) の実験は，バルーンに外力が加わった場合の抑制性能を15

検証するものであり，ステップ状の外乱を与えることにより14.5評価した．(3) の実験は，実際に医師が手でイレウスチュー

0

20

40
60
Time [sec]

80

100

ブを引き抜く際の内圧値を一定に保持できるかどうかを模擬
Fig. 5 Reference response characteristics for syringe A

した検証である．
なお，本実験では，(2) 式の規範モデル F (s) の係数は17.5

m = 1.0，(3) 式の PID コントローラ C(s) の係数は KP =17
Pressure [kPa]0.2, TI = 0.8, TD = 2.5, α = 10 とした．この値に設定した理由として，前報 12) では 1 つのシリンジに対して目標値応答
特性，外乱抑制特性を評価したが，いずれも高精度な制御を実現できていたからである．このとき，(1) 式のモデルを用いて構成した制御系の安定余裕は，ゲイン余裕が 7.18 dB，位相

r

16.5
v, y

16
15.5
15

余裕が 88.4 deg であり，いずれも経験的な指針を確保するこ

14.5とができた 16) ．また，ST 法を導入した PID 制御 (PID-ST

020と表記) において，逐次最小 2 乗法に用いた係数の初期値は4060Time [sec]

80

100

Fig. 6 Reference response characteristics for syringe B(1) 式の値を，共分散行列は 1000 を対角要素に持つ行列と
した．

17.5

5. 1 目標値応答特性

17Pressure [kPa]

本研究では，バルーン内に約 10ml の水を注入し，内圧値が約 15kPa で整定している初期圧力に対して，目標圧力を変更した場合の性能を検証した．目標圧力 rk は，本研究と平行して行っている内圧計測の臨床結果 (藤田保健衛生大学の倫理委員会で承認) から，高さを 2kPa とし 17kPa と設定し

r

16.5
v, y

16
15.5
15

た 18) ．また，整定性能を評価するため，目標圧力の変化の周

14.5

期を 20sec と設定し，定常状態を十分に長く確保した．

Fig. 5〜7 は，Table 2 に示す各シリンジを，バルーン内

0

20

40
60
Time [sec]

80

100

Fig. 7 Reference response characteristics for syringe C

圧制御装置に組み込んで実験した結果であり，実験開始 0〜

11目標値 r が切り替わった際に規範モデルの出力 v より立ち上の結果と同様に，目標値 r が切り替わった際に規範モデルのがりが遅れているが，PID+ST では規範モデルの出力 v に良

出力 v より立ち上がりが遅れているが，PID+ST では規範く追従していることがわかる．また，(b) より固定ゲインのモデルの出力 v に良く追従していることがわかる．また，(b)PID および PID+ST ともに，±2%以内の高精度な整定性能

より固定ゲインの PID では ±5%以内の整定性能を示していを実現できていることがわかる．Fig. 9 は，Fig. 8 の結果

るが，PID+ST では ±2%以内の高精度な整定性能を実現でときのモータドライバへの指令電圧を示す．図より，固定ゲ

きた．実験の経過時間により整定性能に差が生じた原因としインの PID 制御の場合と比較して，PID+ST では指令電圧て，目標圧力の加圧・減圧の繰り返しによるバルーン形状のが振動的になったが，この原因は ST 法によりゲイン dk を変化に伴うバルーン張力の影響や，シリンジ内のゴムパッキ

調整しているためである．

ンによる特性変化などが考えられるが，PID+ST の結果は固Fig. 10 は，実験開始後 295〜320sec の結果を示しており，

定ゲインの PID 制御と比較してその影響が小さく，ST 法の(a) は全体図，(b) は整定性能を示す時刻 310〜320sec の拡効果を確認することができた．Fig. 11 は，Fig. 10 の結果大図である．(a) より固定ゲインの PID 制御では，Fig. 8(a)ときのモータドライバへの指令電圧を示す．図より，固定ゲ

17.5

17.5
17

r

Pressure [kPa]

Pressure [kPa]

17
16.5
16

v, PID+ST

15.5
PID

15

16
15.5

20

25
30
Time [sec]

35

PID

14.5
295

40

(a) Tracking performance for reference model

300

305
310
Time [sec]

315

320

(a) Tracking performance for reference model

17.2

17.2

PID

PID+ST

PID

17.1

Pressure [kPa]

Pressure [kPa]v, PID+ST

15

14.5
15

+2 %

17
-2 %

16.9
16.8
30

32

34
36
Time [sec]38

PID+ST

17.1

+5 %
+2 %

17
-2 %

16.9

-5 %

16.8
310

40

312

314
316
Time [sec]318(b) Settling performance(b) Settling performanceFig. 8 Magniﬁed version of Fig. 5(Syringe A : time 15-40 sec)

Fig. 10 Results of the reference response(Syringe A : time 295-320 sec)

320

0.3

0.3
PID+ST

0.2

PID

Input voltage [V]Input voltage [V]

r

16.5

0.1
0
-0.1
-0.2

PID+ST PID

0.2
0.1
0
-0.1
-0.2
-0.3

-0.3
15

20

25
30
Time [sec]

35

295

40

Fig. 9 Control inputs (Syringe A : time 15-40 sec)

300

305
310
Time [sec]

315

320

Fig. 11 Control inputs (Syringe A : time 295-320 sec)12

インの PID 制御の場合と比較して，PID+ST では指令電圧

験は，目標値応答の検証と同様に，初期圧力値 15kPa に整が振動的になったが，Fig. 9 の指令電圧と同様，ST 法によ定 10sec 後に加圧して行った．図より，固定ゲインの PID 制

りゲイン dk を調整しているためである．

御では，シリンジ A に対して最大 ∆P2 =1.05kPa，シリンジ

Fig. 12 に逐次最小 2 乗法により同定した (4) 式の分子のC に対して最大 ∆P2 =0.68kPa 変化しており，固定ゲインの係数 b̂k を示し，Fig. 13 に (6) 式で求めた ST 法のゲイン

PID 制御に比べると，PID+ST ではセルフチューニングの

dk の時間変化を示す．また，各図には Fig. 8，10 に示した
結果の時間区間を点線で示した．これらの結果より，各シリ

Pressure [kPa]

ンジに対して係数 b̂k は，実験開始 50sec までは多少変動しているが，その後，ほぼ一定値に収束していることがわかる．

5. 2 外乱抑制特性
本研究では，イレウスチューブのバルーンをステップ状に加圧し，その際の外乱抑制性能を PID+ST と固定ゲインのPID 制御で結果を比較した．Fig. 14 に実験方法の模式図を示す．本研究では，図に示すようにコの字型のアルミ材の上

15.8
15.6
15.4
15.2
15
14.8
14.6
14.4
14.2

PID+ST

PID

8

9

10

11

にバルーンを設置し，おもりによりバルーンをステップ状に加圧した．なお，図中のアルミニウムは，加圧した瞬間を把ΔP2=1.05 kPa

ΔP1=0.41 kPa

12 13 14
Time [sec]

15

16

17

18

Fig. 15 Disturbance rejection property (Syringe A)

握するためのトリガ信号を取得するためのものである．

Magnitude

}

1.4
1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0

Fig.9(a)}Fig.8(a)Pressure [kPa]

Fig. 15〜17 に各シリンジに対する実験結果を示す．実b
Syringe A

Syringe B

0

50

100

Syringe C

150 200
Time [sec]

250

300

15.8
15.6
15.4
15.2
15
14.8
14.6
14.4
14.2

PID+ST
ΔP1=0.28 kPa

ΔP2=0.29 kPa
PID

8

9

10

11

350

12 13 14
Time [sec]

15

16

17

18

Fig. 16 Disturbance rejection property (Syringe B)

Fig. 12 Coeﬃcient b̂k of the model in Eq. (4)

}

}

6
5
4
3
2
1
0

Fig.9(a)Syringe C

Pressure [kPa]

Amplitude

Fig.8(a)Syringe B

Syringe A

0

50

100

150 200
Time [sec]

250

300

350

15.8
15.6
15.4
15.2
15
14.8
14.6
14.4
14.2

PID+ST

ΔP1=0.39 kPa

PID

8

9

10

11

Fig. 13 Gain dk in Eq. (6)12 13 14
Time [sec]ΔP2=0.68 kPa

15

16

17

18

Fig. 17 Disturbance rejection property (Syringe C)

4

WeightAmplitude∆dk=0.4

Aluminum film
Weight3
2
1

Balloon0(a) Before pressurization

8(b) During pressurization

Fig. 14 Balloon pressurization methods used for the analysis
of disturbance response characteristics

9

10

11

12 13 14
Time [sec]15

16

Fig. 18 Gain dk in Fig. 15 (Syringe A)

13

17

18

効果が表れているといえる．なお，シリンジ B では，固定ゲ

Fig. 19(a) に示すように，腸管モデルを固定するプレート上

インの PID 制御および PID+ST ともに，約 0.28kPa 変化にねじを用いて製作した．すなわち，地点 B，C 間の両側をしており，同等の性能を示した．このように使用するシリン

約 3mm ずつ窄ませて狭窄部分を模擬している．これにより，ジで結果が異なるのは，シリンジの個体差によるものと考え

AB 間および CD 間では腸管変化がないため，(b) に示すようられるが，いずれの結果においても ST 法を導入することににバルーンにかかる腸管モデルからの影響は小さく，BC 間

より，外乱抑制特性が向上しているといえる．

では腸管が狭くなっているため，(c) に示すようにバルーン

これを考察するため，(6) 式の dk の値の時間変化を Fig.

にかかる腸管モデルからの影響は大きくなる．

18 に示すが，紙面の都合上，Fig. 15 に対応するシリンジ

イレウスチューブのバルーンには，水を 10ml 注入して整A の結果のみ掲載した．図より，加圧前の dk の値は約 2.3

定した圧力値を初期状態として行った．なお，目標値応答やであったが，10sec 後に加圧すると dk の値は大きくなり，約外乱抑制特性検証の際と同じ水量を入れているにも係わらず，∆dk ＝ 0.4 だけ増加した．このようにゲインが大きくなること

初期圧力が 15kPa より高い 19.7kPa となっているのは，バにより，閉ループ系の低感度特性が向上したため，PID+ST

ルーンを腸管モデルに入れたことにより，整定状態において

では外乱抑制特性が向上したと考えられる．

もバルーンに外力が加わっているためである．
引き抜き試験は，(a) に示すようにイレウスチューブを右5. 3 小腸モデルを用いた引き抜き試験

側に引き抜くことにより行った．なお，バルーンの中心 P の本研究では，腸管を模擬した小腸モデルにイレウスチュー

移動速度がおおよそ 5mm/sec となるように引き抜いた．

ブを挿入して引き抜く試験を行い，バルーン内圧を一定値にFig. 20 に制御を行わなかった場合の結果を示す．図より保持できるかどうかの検証を行った．Fig. 19 に実験方法

最大 1.63kPa の圧力変化が見られ，模擬した腸管モデルからを示す．小腸モデルは，腸管のレントゲン写真から幅 2mm，大きな影響を受けているといえる．

高さ 3mm の輪状ひだを 5mm 間隔に配置し，腸管の内径をFig. 21〜23 は，各シリンジに対する PID+ST と固定ゲ

27mm，長さを 200mm としたシリコン製のものを製作した．

インの PID 制御の結果の比較を示している．いずれの結果になお，腸管モデルの内側には，小腸内の様子を再現するため，

おいても，固定ゲインの PID 制御の最大圧力変化 ∆P2 に比市販の人体用潤滑剤と水を塗布した．また，腸管の変化は，

べて，PID+ST の最大圧力変化 ∆P1 の結果の方が値が小さ
いことがわかり，腸管モデルからの影響を抑制しながら，内

A

B

C

D

圧値を一定値に保持できているといえる．さらに，PID+ST

Front balloonの結果は，固定ゲインの PID 制御の結果に比べて，整定性能

5mm/s

も良いことがわかる．
100 mm

これを考察するため，(6) 式の dk の値の時間変化を Fig.

P

24 に示すが，紙面の都合上，Fig. 21 に対応するシリンジ A
Small intestine modelの結果のみ掲載した．図より腸管の形状により dk の値が変Ileus tube化している様子がわかり，特に地点 C を通過後に圧力が下が(a) Experimental setup

るが，このとき dk の値を変更することにより，圧力変化が-3 mm抑制されていると考えられる．
以上の結果より，ST 法を導入した PID 制御により，イレ
ウスチューブのバルーンが腸管から受ける外力に対して，一定の圧力値を保持できるといえ，一定の速度で腸管を開放で-3 mm(c) Narrowed area
(B-C zone)(b) Healthy areas(A-B and C-D zones)

きる可能性があるといえる．

6. お わ り にFig. 19 Experimental setup for pulling out an ileus tube froma small intestine model

本研究では，バルーン内圧制御装置に設置されるシリンジ
APressure [kPa]

20.5

B

C

D

が異なる場合においても制御性能を保障するため，PID コン
トローラを有する 2 自由度制御系に，ST 法を取り入れた方法

ΔP=1.63 kPa

20について検討を行い，その有効性を実験により検証した．得

19.7

19.5

られた結果をまとめると，以下のようになる．

19
18.5

Pulling out

0

5

10

15

20
25
Time [sec](1) 本研究では，3 つのシリンジを装置に組み込んだ場合の

30

35

40

ステップ応答を測定し，評価を行った．その結果，3 つの応答は異なる過渡特性を示した．しかし，ST 法を簡易に

Fig. 20 Without control of balloon pressure構成するため，積分要素のモデルとして表現し，特性の14

違いは積分要素の傾きとして定式化を行った．

制することができた．

(2) 目標値応答の実験において，固定ゲインの PID 制御では規(4) シリコン製の小腸モデルを用いた引き抜き試験において，範モデルの出力より立ち上がりが遅れていたが，PID+ST

PID+ST では腸管に加わる外力の影響を抑制し，バルー

ではほぼ追従させることができた．また，PID+ST でン内圧値をほぼ一定に保持することができた．

は，実験開始直後や実験時間を長くした場合においても，これらの結果より，PID コントローラを有する 2 自由度制御±2%以内の高精度な整定性能を実現することができた．

系に簡易に構成できる ST 法を導入することにより，バルー(3) イレウスチューブのバルーンにステップ状の外乱を加え

ン内圧値を一定値に保持することができ，イレウスチューブ

た除去性能では，PID+ST では，固定ゲインの PID 制

を一定の速度で引き抜ける可能性があることがわかった．今御に比べて，整定性能を向上することができ，外乱を抑後の課題としては，内圧制御装置の小型化に取り組み，病室などにも持ち込める装置に改良することである．
これまでさまざまな制御対象に対して ST 法が導入され，A

Pressure [kPa]

20.5

B

C

制御性能が向上した結果が報告されてきた 13) ．これらの多く

D
PID

PID+STは，制御対象のモデルに複数のパラメータが導入され定式化

20

されているが，本 ST 法では，一つのパラメータのみで PID

19.7

19.5
ΔP1=0.32 kPa

19
18.5

制御に比べて性能を向上させることができた．実際の応用でΔP2=0.35 kPa

Pulling out

は，簡素化したアルゴリズムを導入することが望ましいと考えられるため，本手法がさまざまな応用に適用されることが

0

5

10

15

20
25
Time [sec]

30

35

40

期待される．
最後に，本論文を取りまとめるに当たり，実験装置の製作

Fig. 21 With control of balloon pressure (Syringe A)

A

B

PID+ST

PID

Pressure [kPa]

20.5

C

にご協力をして頂いた (株) フジクラ，エーテック (株)，小林無線工業 (株) の関係各位に謝意を表します．

D［参考文献］

201）H. Yamamoto, Y. Sekine, Y. Sato, T. Higashizawa, T. Miyata, S. Iino, K. Ido and K. Sugano: Total enteroscopy witha nonsurgical steerable double-balloon method, Gastrointestinal Endoscopy, 53–2, 216/220 (2001).
2）山本博徳, 喜多宏人, 砂田圭二郎, 矢野智則, 林芳和, 佐藤博之,
岩本美智子, 菅野健太郎: ダブルバルーン内視鏡を用いた小腸内視鏡検査の有用性, 日本消化器病学会雑誌, 101–9, 976/982(2004).
3）喜多宏人, 山本博徳, 砂田圭二郎, 林芳和, 佐藤博之, 矢野智則,
岩本美智子, 安治部弘成, 伊戸健一: ダブルバルーン内視鏡の開発と臨床応用, 消化器内視鏡, 17, 451/457 (2005).
4）中村哲也, 白川勝朗, 菅家一成, 平石秀幸, 寺野彰: カプセル内視鏡の現況と未来, Gastroenterological Endoscpoty, 47–3,
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5）白川勝朗, 中村哲也, 山岸秀嗣, 中野道子, 菅家一成, 平石秀幸,
寺野彰: カプセル内視鏡による小腸疾患の診断, 消化器内視鏡,
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6）K. Ikeda, C.P. Swain and H. Tajiri: The cutting edgeof capsule endoscopy development and innovations-Past,
present, and future, 消化器内視鏡, 17–4, 481/491 (2005).
7）白日高歩，上泉洋: イレウスチューブ, 医学書院 (2004).
8）岡潔, 鳥谷智晶, 妻沼孝司, 中楯健一, 芳野純治, 若林貴夫: 特開 2006–223710.
9）内藤岳人, 芳野純治, 乾和郎, 若林貴夫, 小林隆, 渡邉真也: イ
レウス症例に対する極細径小腸内視鏡の臨床応用, 臨床消化器
内科, 23–2, 277/280 (2008).
10）岡潔, 長縄明大: 特開 2008–188265.
11）関健史, 長縄明大, 岡潔, 芳野純治: イレウスチューブを用いた小腸全域検査のためのバルーン内圧制御, 日本コンピュータ外科学会誌, 12–1, 33/42 (2010).
12）関健史, 長縄明大, 岡潔, 石川信治, 芳野純治: シリンジを用いたイレウスチューブのバルーン内圧制御, 日本機械学会論文集
C 編, 76–766, 1645/1647 (2010).
13）大松繁, 山本透 (編著): セルフチューニングコントロール, コ
ロナ社 (1996).

19.7

19.5

ΔP1=0.20 kPa

ΔP2=0.35 kPa

19
18.5

Pulling out

0

5

10

15

20
25
Time [sec]

30

35

40

Fig. 22 With control of balloon pressure (Syringe B)

A

Pressure [kPa]

20.5

B

C

D
PID+ST

PID

20
19.7

19.5

ΔP1=0.27 kPa

ΔP2=0.43 kPa

19
18.5

Pulling out

0

5

10

15

20
25
Time [sec]

30

35

40

Fig. 23 With control of balloon pressure (Syringe C)

A

Amplitude

4

B

C

D

3
2

∆dk=2.1

1
0
0

5

10

15

20
25
Time [sec]

30

35

40

Fig. 24 Gain dk in Fig. 21 (Syringe A)

1514）片山徹: システム同定入門, 朝倉書店 (1994).
15）足立修一: ユーザーのためのシステム同定理論, 社団法人計測自動制御学会 (1993).
16）杉江俊治，藤田政之: フィードバック制御入門, コロナ社 (1999).
17）川田昌克, 西岡勝博: MATLAB/Simulink によるわかりやす
い制御光学, 森北出版株式会社 (2001).
18）石川寛子, 岡潔, 長縄明大, 芳野純治, 若林貴夫, 渡邊真也, 内藤岳人: イレウスチューブを用いた小腸内圧計測システムの開発, 日本機械学会論文集 C 編, 75–756, 2359/2362 (2009).

［著 者
関

紹

介］

健 史（正会員）
2007 年 3 月秋田大学大学院工学資源学研究科機械工学専攻博士前期課程修了．同年 4 月ファナッ
ク (株) 入社，08 年 4 月秋田大学工学資源学部特任助教を経て，11 年 3 月秋田大学大学院工学資源学研究科生産・建設工学専攻博士後期課程修了，同年，福井大学特別研究員，現在に至る．博士（工学）．複合型光ファイバシステムの高機能化に関する研究に従事．日本コンピュータ外科学会, 日本機械学会などの正会員.

長

縄

明

大（正会員）
1995 年 3 月東北大学大学院工学研究科機械工学
専攻博士課程修了．同年 4 月東北大学助手, 96 年
新潟大学助手を経て，99 年秋田大学工学資源学部
機械工学科講師．2001 年同助教授, 10 年 4 月大学院部局化により同大学院工学資源学研究科准教授，
11 年 4 月より同教授，現在に至る．博士（工学）．
機械システムの制御に関する研究に従事．日本コンピュータ外科学会, 日本機械学会などの正会員．

岡潔（正会員）
1992 年日本原子力研究開発機構 (旧日本原子力研究所) 入所．2004 年 3 月名古屋大学大学院博士課程機械工学専攻 (社会人特別選抜) 修了．博士(工学) 取得．同年 4 月より研究副主幹，10 年 7 月
より研究主幹，現在に至る．核融合炉保守用遠隔操作機器の研究・開発，原子力事故時対応ロボットの研究・開発などを経て，現在, 医療産業応用に関する研究・開発に従事．日本機械学会などの正会員．

芳 野 純 治1975 年 3 月名古屋大学医学部卒業．84 年 4 月
名古屋大学 博士 (医学) 取得．86 年 4 月名古屋大学医学部第 2 内科助手．89 年 5 月藤田保健衛生
大学坂文種報徳會病院内科講師を経て，90 年同助教授，96 年同教授．2010 年 2 月同病院長 (兼務)，
現在に至る．消化器がんの早期診断，治療の研究に従事．日本消化器病学会，日本消化器内視鏡学会などの会員．

16