JP2017156085A - 感圧センサモジュール、圧力測定用ガイドワイヤ及び圧力測定装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】感圧センサモジュールを備えた圧力測定用ガイドワイヤにより乳頭括約筋等の圧力を測定する圧力測定装置を提供する。【解決手段】圧力測定装置において、感圧センサモジュール２００は、長手方向に貫通孔を形成してなる中空パイプ状のフレーム２１０の周面に、それぞれ長方形の基板上に歪ゲージを形成してなる一対の歪センサ２２０、２３０を、長手方向に沿って平行にかつ対向するようにして、それぞれの両端部を保持する。この感圧センサモジュール２００のフレーム２１０の貫通孔にガイドワイヤ１００を挿通し、任意の位置に固定される。計測演算装置３００は、前記一対の歪センサ２２０、２３０それぞれの歪ゲージに生じる抵抗分を電圧値に換算し合成することで圧力を計測する。【選択図】図１
Description
本発明の実施形態は、例えば内視鏡ガイドワイヤに適用される感圧センサモジュール、圧力測定用ガイドワイヤ及び圧力測定装置に関する。
医療分野において、例えば十二指腸の乳頭括約筋における機能障害（以降ＳＯＤと表記）の内視鏡的診断では、4Fr.(φ1.35mm）〜8Fr.(φ2.7mm）のカテーテルを胆管、膵管に挿入して圧力を測定している。しかしながら、ＳＯＤの内視鏡的診断に使用できる、簡便・安全且つ実用的な圧力測定カテーテルがないため、検査後の膵炎発症率が高く、一般には普及していないのが実状である。
一方、冠動脈の圧力測定用ガイドワイヤ（非特許文献１参照）を用いて内視鏡的逆行性胆管膵管造影（ＥＲＣＰ）下にてＳＯＤの圧力測定を行うことで、良好な結果を得られたとの報告がある。冠動脈の圧力測定ガイドワイヤはφ0.035inch(φ0.89mm）であり、この程度の直径が有効であることが判った。
ところが、冠動脈の圧力測定に用いられる感圧センサモジュールはあくまでも冠動脈における血液の内圧が測定対象であり、構造的に乳頭括約筋のような筋力の測定には向いていない。そこで、冠動脈のガイドワイヤの直径に入り、ＳＯＤ診断に使用できる感圧センサモジュールと、そのセンサ出力から高精度に圧力を測定することのできる圧力測定装置が望まれている。
「Pressure wireを用いた冠動脈狭窄の機能的評価」、松尾仁司、渡辺佐知郎、冠疾患誌2006, 12:128-134
本実施形態は、小形且つ乳頭括約筋のような筋力測定に好適な感圧センサモジュール、圧力測定用ガイドワイヤ及び圧力測定装置を提供しようとするものである。
本実施形態の感圧センサモジュールは、それぞれ長方形の基板上に歪ゲージを形成してなる一対の歪センサと、長手方向に貫通孔を形成してなる中空パイプ状で、周面に前記一対の歪センサを長手方向に沿って平行にかつ対向するようにして、それぞれの両端部を保持するフレームとを具備し、前記フレームは前記貫通孔にガイドワイヤが挿通され当該ガイドワイヤの任意の位置に固定されている。
本実施形態の圧力測定用ガイドワイヤは、長手方向に貫通孔を形成してなる中空パイプ状のフレームの周面に、それぞれ長方形の基板上に歪ゲージを形成してなる一対の歪センサを、長手方向に沿って平行にかつ対向するようにして、それぞれの両端部を保持する感圧センサモジュールを備え、前記フレームの貫通孔に挿通され、任意の位置に前記感圧センサモジュールが固定されている。
本実施形態の圧力測定装置は、長手方向に貫通孔を形成してなる中空パイプ状のフレームの周面に、それぞれ長方形の基板上に歪ゲージを形成してなる一対の歪センサを、長手方向に沿って平行にかつ対向するようにして、それぞれの両端部を保持する感圧センサモジュールを備え、前記フレームの貫通孔に挿通され、任意の位置に前記感圧センサモジュールが固定される圧力測定用ガイドワイヤと、前記一対の歪センサそれぞれの歪ゲージに生じる抵抗分を電圧値に換算し合成することで圧力を計測する計測演算手段とを具備している。
以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。図面において、同一部分には同一符号を付している。
（第１の実施形態）
図１乃至図７を参照して、本発明の第１の実施形態について説明する。
図１乃至図７を参照して、本発明の第１の実施形態について説明する。
図１において、（ａ）は第１の実施形態に係る圧力測定装置の概略構成を示す平面図、（ｂ）は（ａ）の感圧センサモジュール部分を拡大して示す斜視図である。図１において、圧力測定装置は、ガイドワイヤ１００の先端から所定の位置に感圧センサモジュール２００を装着し、感圧センサモジュール２００から引き出されるリードワイヤを計測演算装置３００に接続する。そして、当該計測演算装置３００にて、感圧センサモジュール２００の歪検出出力からセンサ設置点における圧力を算出する。ガイドワイヤ１００には、コイル８００（Ｐｔ、Ａｕ）が巻装され、その上に親水性コーティングが施されている。
図２は図１に示す感圧センサモジュール２００の構造を示す分解斜視図である。図２において、２１０はガイドワイヤ１００が挿通され、その先端から所定の位置に固定されるフレームである。このフレーム２１０は中空パイプ状であり、その周面に第１の歪センサ２２０と第２の歪センサ２３０がそれぞれ平行に対向配置される。
図３は上記第１及び第２の歪センサ２２０、２３０の具体的な構成を示す平面図である。尚、第２の歪センサ２３０は第１の歪センサ２２０と同様の構成であるので、ここでは第１の歪センサ２２０を用いてその構成を説明する。尚、かっこ内の符号は第２の歪センサ２３０の符号を示している。
図３に示す第１の歪センサ２２０（２３０）において、基板２２１（２３１）は、例えば矩形状であり、例えばセラミック基板、又は絶縁膜が塗布された金属基板、或いはガラス基板により構成される。基板２２１（２３１）は、その幅方向に剛性を有し、厚み方向に変位可能である必要がある。
セラミック基板としては、例えばジルコニア、酸化アルミニウム、窒化アルミニウムが適用可能である。セラミック基板は、基板そのものが絶縁性を有しており、特に、ジルコニアは、脆性破壊に対して強い材料である。よって、本実施形態では、基板２２１（２３０）としてジルコニアの使用が望ましい。
絶縁膜が塗布された金属基板としては、例えば鉄、又は、ステンレススチールが適用可能である。絶縁膜としては、例えばケイ酸ガラス、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、ポリイミドなどが適用可能である。絶縁膜が塗布された金属基板は、基材としての金属基板そのものが脆性破壊に対して強い材料であるという特徴を有している。
ガラス基板としては、耐熱強化ガラス、例えばパイレックス（登録商標）、テンパックス（登録商標）などが適用可能である。ガラス基板は、基板そのものが絶縁性を有するとともに、安価であるという特徴を有している。
基板２２１（２３１）の一表面において、例えば長手方向ほぼ中央部には、例えば薄膜パターンにより、感歪抵抗膜としての歪ゲージ２２２（２３２）が形成されている。
この歪ゲージ２２２（２３２）は、基板２２１（２３１）上に例えば高いゲージ率を有する感歪抵抗膜として機能するもので、金属材料又は半導体材料が、例えばスパッタリング、及びエッチングを用いて形成したものである。歪ゲージ２２２（２３２）は、薄膜パターンを基板２２１（２３１）の長手方向と直交する方向に複数回折り返すことで、感度の向上を図ったものである。
基板２２１（２３１）の両端部には電極パッド２２３、２２４（２３３、２３４）が配置されており、歪ゲージ２２２（２３２）の両端部は、パターン配線によって電極パッド２２３、２２４（２３３、２３４）に接続されている。これら電極パッド２２３、２２４（２３３、２３４）には、それぞれリードワイヤ２２５、２２６（２３５、２３６）の端部が長手方向に沿うようにして、例えば半田付けにより接続される。リードワイヤ２２５（２３５）は、リードワイヤ２２６（２３６）の引き出し方向と同一方向に引き出され、ガイドワイヤ１００を辿って計測演算装置３００の信号入力端に接続される。
尚、歪ゲージ２２２（２３２）の形成位置は、基板２２１（２３１）の中央部に限定されるものではなく、基板２２１（２３１）の端部近傍に配置するようにしてもよい。すなわち、基板２２１（２３１）の変形により、歪ゲージ２２２（２３２）に応力が十分に印加される位置であればよい。
図４は、図２に示すフレーム２１０の具体的な構成を示すもので、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は側面図である。このフレーム２１０は、第１の歪センサ２２０と第２の歪センサ２３０を長手方向に沿って平行に、表面または裏面が対向した状態で配置されるように収容する第１の基板収容部２１１と第２の基板収容部２１２を備える。
上記第１の基板収容部２１１は、収容された基板２２１に圧力が加わったとき、基板２２１が内側にたわむように、基板２２１の両端部を支持して基板中央部を浮かせた状態にする棚部２１１ａ、２１１ｂを備える。同様に、上記第２の基板収容部２１２も棚部２１２ａ、２１２ｂを備える。
また、フレーム２１０には、第１の基板収容部２１１の両端から第１の歪センサ２２０のリードワイヤ２２５、２２６を長手方向に案内するためのガイド溝２１１ｃ、２１１ｄが形成され、第２の基板収容部２１２の両端から第２の歪センサ２３０のリードワイヤ２３５、２３６を長手方向に案内するためのガイド溝２１２ｃ、２１２ｄが形成される。さらに、フレーム２１０の一方の端面周囲には、ガイド溝２１１ｃ、２１２ｃにより案内されたリードワイヤ２２５、２３５を周面に沿って案内するための段差２１３が形成され、フレーム２１０の側面には、フレーム端面の段差２１３によって案内されたリードワイヤ２２５、２３５を他方の他面側に案内するためのガイド溝２１４、２１５が形成される。これにより、第１及び第２の基板収容部２１１、２１２に収容された第１及び第２の歪センサ２２０、２３０のリードワイヤ２２５、２２６、２３５、２３６をフレーム２１０の一方端から共に引き出し、ガイドワイヤ１００に沿って計測演算装置３００に接続することができる。
図５は、図１に示す計測演算装置３００の構成を示すブロック図である。図５において、計測演算装置３００は、第１及び第２のブリッジ回路３１０、３２０、Ａ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換部３３０、演算部３４０及び表示部３５０を備える。
第１のブリッジ回路３１０、第２のブリッジ回路３２０は、それぞれ第１、第２の歪センサ２２０、２３０を被測定抵抗として接続し、センサに加えられた歪量に相当する抵抗値の変化を電圧値として検出する。
図６は、第１及び第２のブリッジ回路３１０、３２０の一例を示すものである。第１及び第２のブリッジ回路３１０、３２０は、同一回路であるため、第１のブリッジ回路３１０についてのみ説明する。
図６に示す第１のブリッジ回路３１０は、所謂ホーイトストンブリッジ回路である。ホーイトストンブリッジ回路の動作原理は、周知であるため、説明は省略する。このブリッジ回路３１０では、電源端子Ｖと接地間に第１の歪センサ（抵抗値Ｒｇ）２２０と抵抗３１１が直列接続され、さらに、電源端子Ｖと接地間に抵抗３１２、３１３が直列接続されている。これら抵抗３１１、３１２、３１３は、温度補償された抵抗であり、共に抵抗値が“Ｒ”に設定されている。第１の歪センサ２２０と抵抗３１１との接続ノードと、抵抗３１２、３１３の接続ノードとの電位差から電圧Ｖｏｕｔが出力される。第１の歪センサ２２０に応力が加わると、第１の歪センサ２２０の抵抗値Ｒｇが変化し、出力電圧Ｖｏｕｔが変化する。
尚、第２のブリッジ回路３２０には、図６に示す第１の歪センサ２２０に代えて、第２の歪センサ２３０が接続されている。
図５において、第１及び第２のブリッジ回路３１０、３２０の出力電圧Ｖｘ１、Ｖｘ２は、アナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換部３３０によりデジタル化された後、演算部３４０に供給される。演算部３４０は、Ａ／Ｄ変換部３３０から供給されるデジタル化された第１及び第２のブリッジ回路３１０、３２０の出力電圧に基づき、感圧センサ２００に加わる圧力値を演算する。その演算結果は、表示部３５０に表示される。
上記演算部３４０の圧力値の演算について、図７を参照して説明する。
まず、図７（ａ）に示すように、第１及び第２の歪センサ２２０、２３０の基板２２１、２３１の長手方向支点間の長さをＬ、幅をＷ、厚さをｈとし、歪センサ２２２、２３２の位置をＬｓ、基板中央で荷重Ｐを与える位置をＬ／２、通常状態での変位をδとする。例として、それぞれＬ＝8.0mm, Ｗ＝0.4mm, ｈ＝0.1mm, Ｌｓ＝3.0mm, Ｐ＝0.53N (≒5.4gf）, δ＝約0.1mm とする。このときの表面歪ε（両端及び中央の３点での曲げ）を計算すると、
ε＝−702.7×10-6
となる。
ε＝−702.7×10-6
となる。
今、図７（ｂ）に示すように荷重Ｐがセンサ中央に圧力として与えられたとき、薄膜ゲージ率をＫｇ、ブリッジ供給電圧をＶとし、
Ｋｇ≒12、Ｖ＝5.0Ｖ
とすると、各歪センサ２２０、２３０に生じる歪検出電圧Ｖｏｕｔは、
Ｖｏｕｔ＝（1/4）×Ｋｇ×Ｖ×ε≒−10.5mV
となる。この場合、各歪センサ２２０、２３０の出力電圧は共に同極性であることから、両者を合成することで出力電圧は略２倍となり、より精度良く計測することが可能となる。
Ｋｇ≒12、Ｖ＝5.0Ｖ
とすると、各歪センサ２２０、２３０に生じる歪検出電圧Ｖｏｕｔは、
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となる。この場合、各歪センサ２２０、２３０の出力電圧は共に同極性であることから、両者を合成することで出力電圧は略２倍となり、より精度良く計測することが可能となる。
一方、上記の条件で図７（ｃ）に示すように荷重Ｐがセンサ端部に曲げ応力として与えられたとき、第１及び第２の歪センサ２２０、２３０に生じる歪検出電圧Ｖｏｕｔは互いに同一電圧となるが、極性が逆になる。このため、両者を合成することで曲げ応力成分はキャンセルされ、圧力の計測には影響しない。
以上のように、第１の実施形態に係る感圧センサモジュール２００によれば、乳頭括約筋測定用のガイドワイヤ１００に装着可能なφ0.035inch(φ0.89mm）に組み込めるサイズとして実現することができる。
特に、この感圧センサモジュール２００を中空パイプ構造として、ガイドワイヤ１００の芯線が貫通できる構造としたので、ガイドワイヤ１００とは別個に容易に製造することができ、圧力測定用ガイドワイヤの製造・組立を容易にすることができる。
さらに、歪センサ２２０、２３０を２枚、表面または裏面が対向するようにフレーム２１０に取り付けるようにしたので、計測演算装置３００において、感圧センサモジュール２００に作用する曲げ力をキャンセルして乳頭括約筋の締め付け力だけを測定することが可能となり、より高精度な圧力の測定することができる。
（第２の実施形態）
図８及び図９を参照して、本発明の第２の実施形態について説明する。
図８及び図９を参照して、本発明の第２の実施形態について説明する。
図８において、（ａ）は第２の実施形態に係る圧力測定装置の概略構成を示す斜視図、（ｂ）は（ａ）の感圧センサモジュール部分を拡大して示す斜視図である。図８に示す圧力測定装置は、挿入案内部７００、圧力センサモジュール５００、計測演算装置６００を備える。計測演算装置６００は、第１の実施形態の計測演算装置３００と同様なので、ここでは説明を省略する。
上記計測演算装置６００から引き出されるガイドワイヤ４０１の先端部には、弾性変形結合部５０１を介して感圧センサモジュール５００が取り付けられ、さらに、感圧センサモジュール５００の他端部にはもう一つの弾性変形結合部５０２を介して、弾性変形可能で先端に向かって細くなる形状の先端コアシャフト７０２が取り付けられ、その先端にはコイル（図示せず）が巻装され、その上に親水コーティングが施されている。コイルは第１の実施形態の図１に示すコイル８００と同様である。感圧センサモジュール５００から引き出されるリードワイヤ（図示せず）は計測演算装置６００に接続される。そして、当該計測演算装置６００にて、感圧センサモジュール５００の歪検出出力からセンサ設置点における圧力が算出される。
図９（ａ），（ｂ）はそれぞれ図８に示す感圧センサモジュール５００の全体図と構造を示す分解斜視図である。図９において、５１０は両端がそれぞれ非挿入側ガイドワイヤ４０１の端部と先端コアシャフト７０２の端部と弾性変形部材５０１，５０２を介して結合されるフレームである。このフレーム５１０は柱状であり、その周面に第１の歪センサ５２０と第２の歪センサ５３０がそれぞれ平行に、表面または裏面が対向するように配置した状態で保持される。
尚、歪センサ５２０、５３０は、図３に示した第１の実施形態の歪センサ２２０、２３０と同様の構成である。よって、ここでは歪センサそのものの説明は省略する。また、リードワイヤについても、第１の実施形態の歪センサ２２０、２３０と同様の構成なので、フレーム５１０における配線経路の形成等についても説明及び図示を省略する。
上記フレーム５１０は、第１の歪センサ５２０と第２の歪センサ５３０を長手方向に沿って平行に、表面または裏面が対向して配置されるように収容する第１の基板収容部５１１と第２の基板収容部（図示せず）を備える。
上記第１の基板収容部５１１は、収容された歪センサ５２０の基板に圧力が加わったとき、基板が内側にたわむように、基板の両端部を支持して基板の中央部を浮かせた状態にする棚部５１１ａ、５１１ｂを備える。同様に、上記第２の基板収容部も棚部を備える。
すなわち、上記構成による圧力測定装置では、感圧センサモジュール５００を、弾性変形結合部５０１を介してガイドワイヤ４０１の先端部近傍に設け、そのモジュール５００から弾性変形結合部５０２を介して、弾性変形可能で先端に向かって細くなる形状の先端コアシャフト７０２を延設し、その先端に先端チップコイル７０３を取り付けるようにしたので、乳頭部括約筋等の患部まで感圧センサ部分を容易に挿入することができる。
また、感圧センサモジュール５００では、一対の歪センサ５２０、５３０がそれぞれの表面あるいは裏面が対向するように略平行状態に保持されているので、第１の実施形態と同様に、計測演算装置６００において、感圧センサモジュール５００に作用する曲げ力をキャンセルして乳頭括約筋の締め付け力だけを測定することが可能となり、より高精度な圧力の測定することができる。
本発明は上記各実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記各実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
１００、４０１…ガイドワイヤ、２００、５００…感圧センサモジュール、２１０、５１０…フレーム、２１１、５１１…第１の基板収容部、２１２…第２の基板収容部、２１１ａ、２１１ｂ、２１２ａ、２１２ｂ、５１１ａ、５１１ｂ…棚部、２１１ｃ、２１１ｄ、２１２ｃ、２１２ｄ、２１４、２１５…ガイド溝、２１３…段差、２２０、５２０…第１の歪センサ、２２１…基板、２２２…歪ゲージ、２２３、２２４…電極パッド、２２５、２２６…リードワイヤ、２３０…第２の歪センサ、２３１…基板、２３２…歪ゲージ、２３３、２３４…電極パッド、２３５、２３６…リードワイヤ、３００…計測演算装置、３１０…第１のブリッジ回路、３１１、３１２、３１３…抵抗、３２０…第２のブリッジ回路、３３０…Ａ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換部、３４０…演算部、３５０…表示部、７００…挿入案内部、７０２…先端コアシャフト、７０３…先端チップコイル
Claims (8)
- それぞれ長方形の基板上に歪ゲージを形成してなる一対の歪センサと、
周面に、前記一対の歪センサを長手方向に沿って平行にかつ表面または裏面を対向させた状態でそれぞれの両端を保持する一対の収容部を形成してなるフレームと
を具備し、
前記フレームはガイドワイヤの任意の位置に固定される感圧センサモジュール。 - 前記フレームは、長手方向に貫通孔を形成してなる中空パイプ状であり、前記貫通孔にガイドワイヤが挿通された状態で当該ガイドワイヤの任意の位置に固定される請求項１記載の感圧センサモジュール。
- 前記フレームは、柱状であり、
前記フレームの両端に弾性変形結合部を装備して前記ガイドワイヤと弾性変形自在に結合する請求項１記載の感圧センサモジュール。 - それぞれ長方形の基板上に歪ゲージを形成してなる一対の歪センサが、フレームの周面に形成された一対の収容部に収容され、前記一対の歪センサが長手方向に沿って平行にかつ表面または裏面を対向させた状態でそれぞれの両端が保持される感圧センサモジュールをガイドワイヤの任意の位置に配置してなる圧力測定用ガイドワイヤ。
- 前記フレームは、長手方向に貫通孔を形成してなる中空パイプ状であり、前記貫通孔に前記ガイドワイヤが挿通された状態で当該ガイドワイヤの任意の位置に固定される請求項４記載の圧力測定用ガイドワイヤ。
- 前記フレームは、柱状であり、
前記フレームの両端に弾性変形結合部を装備して前記ガイドワイヤと弾性変形自在に結合する請求項４記載の圧力測定用ガイドワイヤ。 - それぞれ長方形の基板上に歪ゲージを形成してなる一対の歪センサが、フレームの周面に形成された一対の収容部に収容され、前記一対の歪センサが長手方向に沿って平行にかつ表面または裏面を対向させた状態でそれぞれの両端が保持される感圧センサモジュールをガイドワイヤの任意の位置に配置してなる圧力測定用ガイドワイヤと、
前記一対の歪センサそれぞれの歪ゲージに生じる抵抗分を電圧値に換算し合成することで圧力を計測する計測演算手段と
を具備する圧力測定装置。 - 前記計測演算手段は、
それぞれ前記一対の歪センサを被測定抵抗として接続し、各センサに加えられた歪量に相当する抵抗値の変化を電圧値として検出する一対のブリッジ回路と、
前記一対のブリッジ回路の出力電圧をそれぞれの極性に基づいて合成する合成手段と
を備える請求項７記載の圧力測定装置。
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