JNET 4:84-90, 2010

原 著

コイル挿入力測定センサーによるコイル挿入力発生パターンに関する研究：
コイル挿入方法，挿入速度の違いによって決まるコイルと動脈瘤壁との摩擦状態の検討から
松原功明 1） 宮地 茂 1） 永野佳孝 2,3） 大島共貴 1） 細島 理 1） 泉 孝嗣 1）
靍見有史 1） 錦古里武志 1） 若林俊彦 1） 佐野明人 2） 藤本英雄 2）

Experimental Study of Generation Pattern of Coil Insertion Force using an Force
Sensor System: Investigation of Friction State between Coil and Aneurysm Walldetermined by Difference of Coil Insertion Method and Insertion Speed
Noriaki MATSUBARA1) Shigeru MIYACHI1) Yoshitaka NAGANO2,3) Tomotaka OHSHIMA1)
Osamu HOSOSHIMA1) Takashi IZUMI1) Arihito TSURUMI1) Takeshi KINKORI1)Toshihiko WAKABAYASHI1) Akihito SANO2) Hideo FUJIMOTO2)
1) Department of Neurosurgery, Nagoya University Graduate School of Medicine
2) Graduate School of Engineering, Nagoya Institute of Technology
3) New Product Development R&D Center, NTN Corporation●Abstract●
Object: In endovascular coil embolization for a cerebral aneurysm, coil insertion is usually performed simply by advancing the coil-delivery
wire steadily, without any torque handling. However, the relation between coil insertion force and coil/microcatheter behavior is complex andhas not been sufficiently investigated. In this experiment, the authors measured the coil insertion force and observed the coil and catheter-tip
movement during aneurysm embolization. Thus, the generation pattern of coil insertion force was investigated and the most suitable insertion
method and speed were discussed.
Methods: A new sensor device which consists of a Y-connector was developed. The sensor principle is based on an optical system measuring
how much the coil-delivery wire slightly bends in response to the insertion force. Using this device, experimental coil embolizations wereperformed with silicone aneurysm models. The manipulations were done by hand or by machine at a constant speed. The sensor continuously
monitored the mechanical force during the insertions. The coil movement was observed on a microscopic image. The pattern of coil insertion
force and the time distribution ratio of the force were analyzed.
Result: With manual insertion, the coil insertion force was mainly induced by the stop and advance movement of the wire generated insynchrony with the push-pull-push movement of the surgeon's hand. With mechanical insertion, the insertion speed caused a difference inthe force pattern. With the coil movement, the friction between the coil and aneurysm wall was determined by insertion method and insertion
speed. Thus, the friction state (static friction or kinetic friction) affected the mechanical force.
Conclusion: It was demonstrated that the friction state influenced the generation pattern of coil insertion force. Applying the proper insertion
method and insertion speed to maintain the kinetic friction state between the coil and the aneurysm wall might provide less stressful coilinsertion force and safer embolization.
●Key Words●
cerebral aneurysm, coil embolization, friction state, insertion force, sensor
1) 名古屋大学大学院医学系研究科 脳神経外科
2) 名古屋工業大学大学院 工学研究科
3) NTN株式会社 商品開発研究所＜連絡先：松原功明 〒466-8550 名古屋市昭和区鶴舞町65番地

84JNET

Vol.4 No.2 September 2010

（Received Febrary 17, 2010：Accepted June 1, 2010）

E-mail：mnoriaki0817@yahoo.co.jp＞

Matsubara N, et al

術者によるコイル挿入と機械による一定速度でのコイルはじめに挿入についてそれぞれ，コイル挿入力を測定した．そし脳血管内治療は，近年急速に発展してきた治療方法でて，コイル挿入力の変化とコイルの挙動やカテーテル先あり，特に，脳動脈瘤に対するコイル塞栓術はその代表

端の動きとの関係を検討することで，コイル挿入力の発的な治療法の一つである ．脳動脈瘤コイル塞栓術は，生パターンを分析し，最もストレスなくコイルが挿入でマイクロカテーテル内からコイルデリバリーワイヤーをきる挿入方法と挿入速度の条件について考察した．

13）

前進させることによって，コイルを瘤内に順に挿入し充方填していく手技である．通常のカテーテルやガイドワイ法

ヤー操作と違って，ワイヤーをひねる操作（トルク操作）脳動脈瘤コイル塞栓術時のコイル挿入力を，デリバリを必要とせず，コイルの挿入操作自体は単純な押し（時ーワイヤーの「たわみ」から光学的センサーによって測に引き）の動きである．しかし，コイル挿入操作と，コ定する装置が開発され，Matsubaraらによって報告されイルやカテーテルの挙動やコイル挿入力との関わりは単ている1,3,7-9）．この装置は，Yコネクター内部の構造に屈純なものではない．そして，その関わりについては，術曲を加えることで，コイル挿入力によって生じるデリバ者は手元の操作感等から経験的に感じとっているもの

リーワイヤーの「たわみ」を発生させる．そして，このの，客観的に分析されていないのが現状である．今回，ワイヤーの「たわみ」による位置の変化を，LEDからDepending on the insertion force,the bend of the wire changes

DAE
Light coming out from LED

B

LEDLED

WireLensLens
Line sensor（optical detector）

Wire

CInsertionforce

Line sensor

FDarkest point

Fig. 1 A and B：Photograph illustrating the newly developed sensor. C：Schematic showing the optical force sensor. D andE：Schematics showing the optical system. D：Without insertion force, the coil-delivery wire does not bend. E：Withinsertion force, the wire bends. F：The sensor optically detects the position of the bending wire.

JNET

Vol.4 No.2 September 201085

Matsubara N, et alA

B

Fig. 2 P hotographs of the silicone aneurysm model. Dotted lines showing the inner lumen of the aneurysm.
A：The aneurysm is not filled with a coil，B：The aneurysm is filled with a coil.

発せられる光によってできたワイヤーの影から光学的セターンを示した．機械による挿入の場合，３Dコイルでンサーで検出する．その「たわみ」の位置情報を基にコは鋸歯状のパターンに近かったが，helicalコイルではコイル挿入力を計算する仕組みである（Fig. 1）．本装置

イル挿入後半に１-２回のピークを示す所見がみとめらの最大の特徴は，手元のYコネクター部でコイル挿入力れた．

が測定できることである．

最大コイル挿入力についてまとめたものをFig. 4に示本装置を用いて，１）通常の手技で術者がコイルを挿す．術者の平均挿入スピードは，2.8-3.4［mm/s］であ入した場合，２）一定の挿入速度で機械によってコイルった．術者，機械とも最大挿入力は，0.23-0.30［N］のを挿入した場合について，シリコン動脈瘤モデルを用い間であり，1.0［mm/s］では，0.25［N］に集中していた．て，塞栓中のコイル挿入力を測定した．

コイルの挙動やカテーテル先端の動きの観察から，そのシリコン動脈瘤は分岐のないterminal typeの瘤で，直径は４及び５mm，親血管の径は２mmのものを使用した発生はいずれもカテーテルのペインティング動作時であった．

（Fig. 2）．これに径３-６mmの各種コイル（GDC10 2D

術者，挿入速度0.5［mm/s］，1.0［mm/s］それぞれの，Soft ３mm-８cm，GDC10 3D ３mm-４cm，GDC10 3D

挿入操作中の挿入力の時間割合をFig. 5に示す．術者の５mm-10 cm，GDC10 3D ６mm-15 cm; Boston Scientific

場合，挿入力は0.20-0.25［N］に低いピークを１つ示した．

Neurovascular，Natick，MA，USA）をfirst coilとして機械による挿入の場合，1.0［mm/s］のスピードでは挿入した．マイクロカテーテルはほぼ直線状に配置し，0.05-0.10［N］に強いピーク点が１つ存在し，一方0.5その先端は瘤の正中に固定した．脳血管内治療専門医を［mm/s］ではピーク点が存在しなかった．コイルとカテ術者としてデータを収集した．また，この条件下で，コーテル先端の挙動に関して，0.5［mm/s］に比べて1.0イルが逸脱せずに瘤内に納まるスピードを検討した予備［mm/s］で，カテーテルのペインティングの発生が少な

実験の結果から，機械によるコイル挿入時のスピードはかった．

0.5［mm/s］，1.0［mm/s］に設定した．コイル挿入力とコイルやカテーテルの挙動との関係をみるために，顕微鏡にて塞栓中のコイルとカテーテル先端の動きを観察した．

結考

察

脳動脈瘤コイル塞栓術時のコイル挿入操作は，トルク操作を伴わず，単純にワイヤーを前進させる動きである．
しかし，その手技自体は決して容易なものではなく，そ果の習得に訓練を要することはよく知られている5）．1990

コイル挿入力の測定データはFig. 3の通りであった．

年代以降，脳動脈瘤コイル塞栓術は急速に広まったもの

術者の場合，挿入力は手の往復運動に伴って鋸歯状のパの12），コイル挿入操作とコイルやカテーテルの挙動やコ86

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Matsubara N, et al

Silicone aneurysm 4mm/GDC10 3D 3mm-4cm

Silicone aneurysm 4mm/GDC10 3D 5mm-10cm
0.35
Insertion Force［N］

Insertion Force［N］

0.35
0.30
0.25
0.20
0.15
0.10
0.05
0.00204060
Time［sec］

0.20
0.15
0.100.05
01000.30
0.25
0.20
0.15
0.10
0.05
0102030

40 50 60 70
Time［sec］

Manual insertion：Surgeon

204060Time［sec］

B
0.35
Insertion Force［N］

Insertion Force［N］

80

Silicone aneurysm 4mm/GDC10 3D 6mm-15cm

0.35

C

0.25

0.00
0A

0.00

0.30

80

90 10080100

Silicone aneurysm 4mm/GDC10 Soft 3mm-8cm

0.30
0.25
0.20
0.15
0.10
0.05
0.00
01020D

Mechanical insertion：1.0［mm/s］

3040 50 60 70
Time［sec］

8090 100

Mechanical insertion：0.5［mm/s］

Maximum insertion force［N］

Fig. 3 T he coil insertion force obtained with silicone aneurysms is demonstrated. A：Data with GDC10 3D 3 mm-4 cm in a 4-mm
aneurysm. B：Data with GDC10 3D 5 mm-10 cm in a 4-mm aneurysm. C：Data with GDC10 3D 6 mm-15 cm in a 5-mm
aneurysm. Data obtained over 100 seconds are not described here to simply compare the force pattern. D：Data withGDC10 2D Soft 3 mm-8 cm in a 4-mm aneurysm. For manual insertion, the saw-like (repeated peak) force pattern isdescribed. For mechanical insertion, the force pattern differs with the insertion speed.

イル挿入力の発生パターンについて，客観的に分析され0.40

た報告は乏しく，熟練者の経験に基づいた意見がほとん

0.35

どである4,11）．本研究では，術者によるコイル挿入と機0.30

械による一定速度での挿入についてコイル挿入力を測定

0.25し，コイル挿入力の発生パターンについて分析した．コ

0.200.10については，すでにMatsubaraらが報告しているため2），
本稿では最もストレスなくコイルが挿入できる挿入方法

0.5［mm/s］

0.050.00

イルの種類，形状やサイズとコイル挿入力に関する研究

Surgeon
1.0［mm/s］

0.15や挿入速度の条件について，コイルと瘤壁との摩擦状態
0312
Average insertion speed［mm/s］

4Fig. 4 T he maximum coil insertion force is plotted according to
the insertion speed, reaching the range of approximately
0.23-0.30［N］regardless of insertion speed.に注目して考察を行った．
1．挿入力の発生パターン
術者の場合，３Dコイル，helicalコイルにかかわらず，鋸歯状の発生パターンが認められた．術者の挿入速度は速く，速い挿入速度自体が，コイル挿入力に影響を及ぼした可能性も考えられるが，主には手の往復運動に伴うJNET

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87

A

100

100

Time distribution ratio［％］Time distribution ratio［％］

Matsubara N, et alSurgeon

8060402000.00

0.05

0.10
0.15
0.20
0.25
Insertion force［N］0.300.35

1.0［mm/s］

80
60
402000.00

B0.05

0.10 0.15 0.20
0.25
Insertion force［N］

0.30

0.35

Time distribution ratio［％］

1000.5［mm/s］
80
60
4020
00.00

0.05

C0.10
0.15
0.20
0.25
Insertion force［N］

0.30

0.35

前進と停止操作の繰り返しによって，挿入力のピークが断続的に発生したものと考えられた．

Fig. 5The time distribution ratio of the coil insertion force withsilicone aneurysms is demonstrated. A：Data in the manual
insertion showing one low peak. B and C：Data in themechanical insertion showing one peak in 1.0 [mm/s] (B) andno peak in 0.5［mm/s］(C).

3．コイル挿入力の時間割合
術者の場合，挿入力の分布には１つの低いピークが認

機械による挿入の場合，３Dコイルでは鋸歯状のパタめられた．コイルの挙動との関係を分析すると，停止かーンに近く，helicalコイルでは終盤に１-２回のピーク

ら前進操作に移る時に，コイル挿入力が発生していた．

を示す所見が認められた．これはコイルの特性による影

一度停止した後，再び前進する際に，動脈瘤壁とコイル響と考えられた ．の滑りがスムーズな場合は挿入力が上昇しないが，スム2．最大挿入力ーズに滑らない場合に，ペインティングが短時間で発生

2）

シリコン動脈瘤モデルでは，術者，機械のスピードにかかわらず最大挿入力は，0.23-0.30［N］の間であり，し0.20-0.25［N］に分布のピークを形成したものと考えられた．

その発生はカテーテルのペインティング動作時であっ機械による一定速度での挿入では，挿入速度1.0［mm/s］た．コイルが瘤壁とスムーズに滑るとき挿入力は上昇せの場合，挿入力の分布に１つのピーク（弱い力）が認めず，瘤壁と滑らない時にカテーテルのペインティングがられた．このスピードでは，瘤壁とコイルがスムーズに発生していた．ペインティングが発生する時の挿入力は滑っていることが多いため，ペインティングの発生が少大きく，最大挿入力となり，術者・機械いずれでもカテなかったことが主な要因と考えられた．

ーテルのペインティングが最低１回は発生していたた

挿入速度0.5［mm/s］の場合は，挿入力の分布に明確め，最大挿入力はほぼ等しくなったと考えられる．なお，なピークが認められなかった．
コイルの挙動の観察から，ペインティングが発生せずに，コイルがそれ以上瘤内にコイルは瘤壁を滑らず，先端は静止した状態でゆっくり進入できない場合には，挿入力が蓄積し，コイルが瘤外とコイルが充填されていき，ある瞬間にペインティングに出たり，kick backによってマイクロカテーテル先端を起こしていた．１回のペインティングまでの時間が長が瘤外へ逸脱したりする3）．

く，徐々に挿入力が上昇していく過程で，その分布が均88

JNET

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Matsubara N, et al
Table 1 S ummary of the differences between the coil insertion methods during the embolization with silicone aneurysms.
Friction state between the coil and the aneurysm wall is the most important factors affecting the coil insertion force.
Insertion
method(speed)

Insertion

Insertion
speed

Friction state

Painting ofcatheter

Coil movement
Insertion force
againstMaximum force
patternaneurysm wall

Manual(Surgeon)

Advance andstop repeatedly

Usually fast

Static frictionFrequent

Hardly slide

Mechanical(1.0［mm/s］）

Constantly
advanceModerate

Kinetic friction

Rare

Smoothly slide

Mechanical(0.5［mm/s］）

Constantly
advance

Sometimes

Stuck andreleased at
moment ofpainting

Slow

Static friction

一化されたと考えられた．

No remarkablediﬀerence(0.23-0.30［N］）

4．今後の研究課題

これらの実験結果から，動脈瘤壁に対してコイルが滑今後，ある程度コイルが瘤内に入った状態での評価やるかどうかは，挿入方法と挿入速度によって決定される動脈瘤の親動脈との位置関係や形状の違いによる挿入力摩擦状態に依存していることが推測された．それぞれの発生パターンの分析等，さまざまな条件下における研究特徴をまとめると以下のようになる．

が必要と考える．その他，脳動脈瘤コイル塞栓術におい術者の場合は，手の往復運動に伴いデリバリーワイヤては，コイルの挿入とともに，マイクロカテーテル操作ーが停止から前進する際に，コイルと瘤壁との間に静止が必要となる場面も多い．そのため，コイル挿入力とマ摩擦が作用する．そして，静止摩擦によってコイルが滑イクロカテーテル操作との関連についての分析も必要とるのよりも先にペインティングが発生する傾向がみられ考えている．また，先述の通り，コイル塞栓術においてる．

は，瘤のタイトパッキングとともに，いかにうまくコイ

挿入速度0.5［mm/s］の場合，挿入速度が遅いためにルフレームを形成するかも重要なポイントである10）．今静止摩擦によって静止状態が維持されてコイルが滑らな回の実験では，コイル挿入操作やコイル挿入力とコイルい状態が続き，ある瞬間にペインティングを起こし力がの展開形状についての十分な検討はされておらず，今後解放されることとなる．一方，1.0［mm/s］では，コイの研究課題である．

ルが動き出すと動摩擦状態を維持して，コイルが動脈瘤に対してスムーズに滑るような動きを示す（Table 1）．

結論

クローンの法則から，常に（最大）静止摩擦力は動摩コイル挿入操作と挿入速度によってコイルと瘤壁との擦力より大きいことが知られており，コイルと瘤壁がス摩擦状態（静止摩擦状態か動摩擦状態）が決まり，コイムーズに滑る動摩擦状態を維持できるように適切な挿入

ル挿入力の発生パターンに影響することが判明した．コ

スピードを設定すれば，コイル挿入力の上昇を回避できイルと瘤壁の間の動摩擦状態を維持できるような挿入方る可能性がある．ただし，３Dコイルのように，ペイン法が設定できれば，最もストレスなくコイルが挿入できティング動作に伴いコイル塊の形状が変化することによると考えられた．って良好なframeを形成する場合があり，ある程度の静文止摩擦状態が発生するスピードの方が良い状況も想定さ献れる．状況に応じた挿入スピードを的確に設定すること

１）Matsubara N, Miyachi S, Nagano Y, et al: A novel pressureができれば，機械による一定速度でのコイル自動挿入が，sensor with an optical system for coil embolization of
intracranial aneurysms. J Neurosurg 111:41-47, 2009.

臨床の場においても有望である可能性が示唆された6）．

２）Matsubara N, Miyachi S, Nagano Y, et al: Evaluation ofJNET

Vol.4 No.2 September 201089

Matsubara N, et al

the characteristics of various types of coils for the８）永野佳孝，佐野明人，坂口正道，他：極細かつ長尺の線

embolization of intracranial aneurysms with an optical状体用力センサの開発－脳動脈瘤コイル塞栓術への適応－．計測自動制御学会論文集．44:278-284, 2008.

pressure sensor system. Neuroradiology. Published online
Jun 3, 2010. DOI: 10.007/s00234-010-0722-5.

９）永野佳孝，佐野明人，坂口正道，他：脳動脈瘤コイル塞３）松原功明，宮地 茂，大島共貴，他：光学的センサーに栓術用センシングシステムの開発－血管モデルと In vivoの模擬瘤を用いた挿入力の評価－ . J JSCAS 10:147-153,

よ る 脳 動 脈 瘤 塞 栓 用 coil の 挿 入 力 測 定 装 置 の 開 発．
JNET 2:113-118, 2008.

2008.

４）松本康史，江面正幸：破裂動脈瘤．吉田 純，宮地 茂編，

10）中澤和智，太田剛史，今村博敏，他：コイルの特性を考

脳血管内治療の Do's & Don'ts 第２版，東京，医学書院，

慮した脳動脈瘤瘤内塞栓術－そのコンセプトと実験的2006，60-62.

データより－第 22 回脳神経血管内治療学会総会講演集．

５）Miyachi S, Okamoto T, Kobayashi N, et al: Nagoya
University training system for neuroendovasculartherapists. Interventional Neuroradiol 10 (Suppl 1):

11-16, 2006.
11）根本 繁：未破裂動脈瘤 . 吉田 純，宮地 茂編，脳血管内治療の Do's & Don'ts 第 2 版，東京，医学書院，2006,

S103-106, 2004.

85-90.

６）永野佳孝，佐野明人，松原功明，他：脳動脈瘤コイル塞12）Prestigiacomo CJ: Historical perspectives: the microsurgical

栓術用ワンサージョン手術システムの開発．J JSCAS
11:244-245, 2009.

and endovascular treatment of aneurysms. Neurosurgery 59(Suppl 3): S39-47, 2006.

７）Nagano Y, Sano A, Sakaguchi M, et al: Development of13）Richling B: History of endovascular surgery: personalaccounts of the evolution. Neurosurgery 59 (Suppl 3):force sensor for a linear object. Proceeding of Instituteof Electrical and Electronics Engineers Conference onSensors 2006:823-826, 2006.

要S30-38, 2006.

旨JNET 4:84-90, 2010

【目的】脳動脈瘤モデルにおいてコイル挿入力の測定を行い，コイルやカテーテル先端の挙動との関係を検討することで，コイル挿入力の発生パターンを分析した．そして，よりストレスなくコイルが挿入できる挿入方法と挿入速度の条件について考察した．【方法】Yコネクター内のワイヤーの「たわみ」を光学的センサーで計測することでコイル挿入力を測定する装置が開発されている．本装置を用いて，術者が挿入した場合，一定の挿入速度で機械的に挿入した場合について，コイル挿入力を測定した．同時に，顕微鏡で塞栓中のコイルやカテーテルの動きを観察した．
【結果】術者による挿入の場合，手の往復運動による影響がみられ，停止から再び動き出す際に静止摩擦が作用していた．機械による挿入の場合，挿入速度によってコイル挿入力の発生パターンに違いがみられ，瘤壁とコイルの間の摩擦状態（静止摩擦状態か動摩擦状態か）が影響していた．
【結論】挿入操作と挿入速度によってコイルと瘤壁との摩擦状態が決まり，挿入力の発生パターンに影響することが判明した．コイルと瘤壁の間の動摩擦状態を維持できるような挿入条件が設定できれば，ストレスなくコイルが挿入できると考えられた．

90

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