説明

環状中空体に固定されたLC共振型磁気マーカの検出システム

【課題】環状中空体に固定したLC共振型磁気マーカを検出するシステムを提供する。
【解決手段】励磁コイル1と、該励磁コイルと対向する複数の検出コイル2と、前記励磁コイルと前記検出コイルとの間に配置されるLC共振型磁気マーカ6と、前記LC共振型磁気マーカを固定した環状中空体16と、前記励磁コイルは前記LC共振型磁気マーカの共振周波数に同調させた交流磁界を発生させ、前記LC共振型磁気マーカからの誘導磁界を前記複数の検出コイルの各検出コイルで計測する計測手段と、前記LC共振型磁気マーカの寄与電圧を求める手段を具備する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、生体内挿入チューブ等の環状中空体内部に固定したLC共振型磁気マーカの位置検出システムに係り、LC共振型磁気マーカおよびマーカを固定したチューブの位置、方向の検出システムに関するものである。
【背景技術】
【0002】
生体内部や生体表面の部位の位置を磁気的な方法で精密に計測する場合には、計測部位に貼付するマーカは電気的引き出し線やバッテリをもたないことが望ましい。これまでに、光学的に遮蔽された空間の位置検出に適した方法として、永久磁石や着磁された磁性体の位置検出方法が開発されてきた(下記非特許文献1−5)。しかしこれらは直流磁界を計測対象としているため、地磁気や低周波雑音の影響を受けやすい欠点がある。
【0003】
一方、LC共振回路によるマーカの位置検出システムとしてはマサチューセッツ工科大学から報告がされている(下記非特許文献6)。しかしこれは、1個のコイルを用いて磁気マーカの位置を大まかに計測するものであり、位置精度は議論できておらず、mmオーダの精密な位置検出システムではない。また、マーカの位置および方向の5自由度を計測することは困難である。また、バッテリを内蔵したアクティブICタグによる位置検出方法も提案されている(下記非特許文献7)が、バッテリを内蔵することによる寸法や動作時間の制約や計測の時間的安定性等の問題がある。
【0004】
本願発明者らは、これまで磁気マーカへの電気的引き出し線が不要であることと外来ノイズに影響を受けにくいことを両立することを目指して、LC共振回路によるマーカを用いた位置検出システムを提案した。マーカの誘導電圧の振幅を計測することにより、直径5mm、長さ10mmの磁気マーカを用いて、2mm程度の位置精度でマーカの位置が検出可能であることを示した(下記非特許文献8)。
【0005】
一方医療現場では、生体へのチューブの挿入は様々な病院で日常的に実施されており、その誤挿入の予防は安全対策上極めて重要であるが、挿入時のチューブの位置を簡便かつ正確に把握する手段は十分確立されていない。特に近年高齢の入院患者の増加に伴い、経鼻経管栄養チューブ等の気道への誤挿入による医療事故の危険性が高まっているとされ、経管栄養チューブの誤挿入率は2%程度との報告もある(下記非特許文献9)。また日本医療機能評価機構の報告書によれば、2007年度国内でチューブの使用取扱時の「ヒヤリ、ハット事例」として約30000件(事例全体の約15%)が報告されており、全国の病院等での医療事故およびその前段階の事例数は膨大な数にのぼると推測できる。しかし臨床現場では依然として空気注入による気泡音を聴診器で確認、胃液の採取等の前近代的な手法によりチューブの挿入を確認したり、レントゲンにより放射線被曝を受けながらチューブ位置の確認がなされている。これらの現状はますます増加する高齢の入院患者の医療事故防止の観点からは不十分かつ危険であり、患者の安全を確保するため、チューブ挿入時の正確で簡便な確認が緊急の課題である。
【0006】
報告されている生体内挿入物の位置検出としては永久磁石から発生する直流磁界を測定し、永久磁石の位置を求める方法がある(特許文献2)。しかしこの手法は直流磁界を計測媒体とするため病院等ではエレベータ、ドアの開閉、ベットの移動、低周波磁気ノイズ等により位置精度が悪化する課題がある。またチューブ内部へ磁界センサを挿入し、体外に置いたコイルから交流磁界を発生し、センサ位置を大まかに検出する手法も報告されている(非特許文献10)。しかしこの手法はチューブ内部に細電線を通すため、チューブ操作を妨げることや細電線への放射性ノイズの印加により精度が悪化することが課題である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【特許文献1】特開2005−121573号公報
【特許文献2】特表2002-529133
【非特許文献】
【0008】
【非特許文献1】F.Grant,G.West,Interpretation Theory in Applied Geophysics.New York:McGraw−Hill,1965,pp.306−381.
【非特許文献2】S.V.Marshall,Vehicle Detection Using a Magnetic Field Sensor,IEEE Trans.Vehicular Technology,vol.VT−27,pp.65−68,(1978).
【非特許文献3】W.M.Wynu,C.P.Frahm,P.J.Carroll,R.H.Clark,J.Wellhoner,M.J.Wynn,Advanced Supperconducting Gradiometer/Magnetometer Arrays and A Novel Signal Processing Technique,IEEE Trans.Magn.vol.MAG−11,pp.701−707,(1974).
【非特許文献4】J.E.Mcfee,Y.Das,Determination of the Parameters of a Dipole by Mesurement of its Magnetic Field,IEEE Trans.Antennas and Propagation,vol.AP−29,pp.282−287,(1981).
【非特許文献5】S.Yabukami,K.Arai,H.Kanetaka,S.Tsuji,and K.I.Arai,Journal of the Magnetics Society of Japan,vol.28,pp.711−717,(2004).
【非特許文献6】J.A.Paradiso,K.Hsiao,J.Stricken,J.Lifton,A.Adler,IBM Systems Journal,vol.39,No.3&4,pp.892−914,(2000).
【非特許文献7】S.Watanabe,S.Nishiyama,N.Koshizuka,and K.Sakamura,MWE 2003 Microwave Workshop,pp.245−250,(2003).
【非特許文献8】S.Yabukami,S.Hashi,Y.Tokunaga,T.Kohno,K.I.Arai,and Y.Okazaki,Journal of the Magnetics Society of Japan,vol.28,pp.877−885,(2004).
【非特許文献9】(A.J.Rassias et al, Critical Care vol. 2(1), pp. 25-28 (1998). )
【非特許文献10】http://www.viasyshealthcare.com/default.aspx
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
本特許では安全対策上緊急性の高い生体挿入チューブの誤挿入検出等を簡便に検出することを目的とする。チューブ先端に貼付した磁気マーカの位置、方向をリアルタイムで計測可能なシステムを開発し、生体内部でチューブ先端の誤挿入を検出できるようにする。提案するシステムを用いることで、チューブの挿入を妨げずに、放射線被曝がなく、簡便かつ正確にチューブの誤挿入が把握できることを示す。
【課題を解決するための手段】
【0010】
本発明は、上記目的を達成するために、
(1)励磁コイルと、該励磁コイルと対向する複数の検出コイルと、前記励磁コイルと前記検出コイルとの間に配置されるLC共振型磁気マーカと、前記LC共振型磁気マーカを固定した環状中空体と、前記励磁コイルは前記LC共振型磁気マーカの共振周波数に同調させた交流磁界を発生させ、前記LC共振型磁気マーカからの誘導磁界を前記複数の検出コイルの各検出コイルで計測する計測手段と、前記LC共振型磁気マーカの寄与電圧を求める手段を具備することを特徴とする環状中空体に固定された前記LC共振型磁気マーカの検出システムを特徴としたものである。
【0011】
(2)LC共振型磁気マーカの検出は前記LC共振型磁気マーカの位置もしくは姿勢角、もしくは位置と姿勢角の両方とした前記LC共振型磁気マーカの検出システムとした。もちろん、LC共振型磁気マーカの位置や姿勢角を検出したときには、これを固定している例えば、チュ―ブなどの環状中空体の位置や姿勢角を検出できることになる。また、環状中空体の先端部と固定されているLC共振型磁気マーカとの位置関係が固定できるので、環状中空体の先端部の位置を計測できることにもなる。
【0012】
(3)LC共振型磁気マーカは磁性体とその周りに巻いたマーカコイルとコンデンサからなるLC共振型磁気マーカの検出システムとした。
【0013】
(4)マーカコイルは、マーカコイルの回転軸方向と励磁コイルの回転軸方向と検出コイルの回転軸方向のなす角が0度から60度のいずれかの角度であるLC共振型磁気マーカの検出システムとした。
【0014】
(5)環状中空体は生体挿入用医療チューブであるLC共振型磁気マーカの検出システムとした。
【0015】
(6)環状中空体はLC共振型磁気マーカを前記環状中空体内部に固定するLC共振型磁気マーカの検出システムとした。
【発明の効果】
【0016】
本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
本発明はマーカがワイヤレス、バッテリレスであるためチューブの挿入を妨げず、交流磁界を使用するため低周波磁気ノイズの影響も受けにくく、ドアの開閉、エレベータ、金属物の移動等の磁気ノイズの多い病院内でもチューブの誤挿入を簡便かつ確実に防止できる。また複数マーカも容易である。さらに放射線被爆がなく、患者への負担が少なく安全性も高い。
【発明を実施するための最良の形態】
【0017】
以下、本発明の実施例について、図面を参照して詳細に説明する。
【実施例1】
【0018】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
本システムはLC共振型磁気マーカ6の共振周波数の交流磁界を励磁コイル1で励磁し、それによりLC共振型磁気マーカ6から発生する誘導磁界5の値を検出コイル2を用いて測定する。LC共振型磁気マーカ6の有無による磁界の変化からLC共振型磁気マーカ6の位置および方向を最適化するものである。図1は位置検出システムの構成を示したものである。計測システムは励磁コイル1、検出コイル2
(40チャンネル) 、LC共振型磁気マーカ6、ADおよびDAコンバータ(NI PXI-6251:1台) 、DAコンバータ (NI PXI-6250:9台) 、制御ユニット
(NI PXI-8187) 、アンプ7 (SR560) から構成される。制御用プログラムはLab VIEW ver.7.1、最適化処理プログラムはVisual C++を用いて作成した。ADコンバータ9であるPXI-6251およびPXI-6250は250ksample/secのサンプリング速度で1台当たり4チャンネルの16ビット信号を計測するモードで使用し、40チャンネルの検出コイル2の誘起電圧を並列に取得できるようにした。励磁コイル1への電圧はPXI-6251からの出力信号をアンプ7を介して励磁コイル1へと接続した。LC共振型磁気マーカ6の位置および方向の最適化処理はイーサーネット(登録商標)接続した別のパソコン8
(Pentuim(R)D,3.20GHz) で演算し、LC共振型磁気マーカ6の位置は画面上に表示させた。
【0019】
図2は想定している励磁コイル1、検出コイル2およびLC共振型磁気マーカ6の配置を示したものである。コイルの間に人が横になった状態でLC共振型磁気マーカ6を添付した環状中空体16もしくはチューブ10を挿入し、チューブ10の先端の位置検出を行うことを想定している。図3は作成したLC共振型磁気マーカ6の図面を示したものである。LC共振型磁気マーカ6は先述した信号強度を高めるためのシステムの配置の制約と、チューブ10の先端への挿入を想定し、長方形のフェライトの長手方向に銅線を巻いて細長型とした。LC共振型磁気マーカ6は2mm×2mm×30mmのMnZnフェライト12 (TDK株式会社製PC40) に直径0.1mmの銅線を150ターン巻いたコイルに、4700pFのチップコンデンサ13(TDK株式会社製Cシリーズ)を半田で直列に接続してLC共振型磁気マーカ6とし、共振周波数は82.5kHzに設計した。外径寸法は3mm×4mm×33mm、インダクタンスは0.748mH、性能指数は約9.0であった。励磁コイル1は140mm×200mmの長方形であり、直径1.0mmの銅線を23ターン施した。検出コイル2は直径0.2mmの銅線を直径23mm、125ターン施し、同一平面上に30mmの間隔で40個配置した。励磁コイル1と検出コイル2の面は約300mmの距離で対抗させた。本システムは一軸で測定を行うため、励磁コイル1・検出コイル2の垂線方向とLC共振型磁気マーカ6の磁界発生方向をほぼ一直線にすることでコイルを貫く磁束を増やし、信号強度を高めた。一方この場合LC共振型磁気マーカ6からの誘導磁界5はダイポール磁界に対して誤差が増大することが懸念されるが、一軸成分のみの簡便な計測で、食道14と気管15の位置をおおまかに見分けたいという観点から採用した。励磁コイル1と検出コイル2の間に人体模型 (3Bサイエンティフィック社製 W43020) を配置し、LC共振型磁気マーカ6の共振周波数に同調させた交流磁界を発生させ、図4のようにLC共振型磁気マーカ6を先端に添付した環状中空体16もしくはチューブ10 (富士システムズ製 マーゲンゾンデS,E-10,外径6mm, 内径4mm) を図5のように人体模型に挿入し、模型内部での環状中空体16もしくはチューブ10の先端位置を最適化した。
【0020】
図6はLC共振型磁気マーカ6の位置および方向を求めるフローチャートを示したものである。まずLC共振型磁気マーカ6を取り去った状態で、配置した検出コイル2の誘起電圧を測定し、バックグラウンド電圧とする。次にLC共振型磁気マーカ6を先端に添付したチューブ10を人体模型内部に配置して検出コイル2の誘起電圧を測定する。これらの電圧の振幅、位相差からベクトル的な差分を求め、これをLC共振型磁気マーカ6の寄与電圧とした。LC共振型磁気マーカ6の位置および方向はLC共振型磁気マーカ6から発生する誘導磁界5がダイポール磁界に近似できることを仮定して、以下の3式によりGauss-Newton法により最適化処理する。
【0021】
【数1】

【0022】
【数2】

【0023】
【数3】

【0024】
ただしSは評価値であり、pはパラメータベクトルである。iは検出コイル2の番号 (1〜40)
, B(i)c(p)は双極子磁界を考慮した磁束密度の理論値,rはLC共振型磁気マーカ6から検出コイル2iへの位置ベクトル,MはLC共振型磁気マーカ6の磁気モーメント,(x,y,z) はLC共振型磁気マーカ6iの座標,θはxy平面へ射影したモーメントの方向ベクトルとx軸のなす角,φはモーメントの方向ベクトルとz軸のなす角である。Gauss-Newton法の初期値は一つ前のステップにおける収束値を用いた。Gauss-Newton法における縮小因子αは約0.01とした。
【0025】
図7は励磁コイル1、検出コイル2、LC共振型磁気マーカ6の図面である。LC共振型磁気マーカ6を添付したチューブ10の先端をマイクロメータ
(SIGMA KOKI製 LST-16100) に取り付けたアクリル棒の上に固定し、検出コイル2の中心を原点として初期値
(-50,1,150) からx方向に+100mm平行移動した。
【0026】
図8は平行移動の際のLC共振型磁気マーカ6の軌跡の位置検出結果を示したものである。図8
はX-Z平面、図9 はX-Z平面への射影を示している。検出された軌跡はほぼ実際の移動距離および軌跡に追従している。最も検出条件が厳しいと考えられる励磁コイル1と検出コイル2の中心位置において相対位置精度は約7.1mmであった。
【0027】
図10はLC共振型磁気マーカ6を添付したチューブ10の先端を人体模型の咽頭付近から気管15と食道14にそれぞれ挿入し、約100 mm移動させた場合のLC共振型磁気マーカ6の中心位置の軌跡を人体模型の食道14および気管15と重ねて比較したものである。気管15内ストロークの初期配置は(-95,1,85) 、最終配置は (25,1,110) であり、食道14内ストロークの初期配置は
(-90,1,90) 、最終配置は (15,1,120) である。食道14・気管15共に実際の曲線の軌跡に追従した結果が得られており、チューブ10の先端位置が気管15にあるか食道14にあるかの判別が可能な位置精度が得られていると考えられる。これにより胃へと挿入するチューブ10が気管15へと誤挿入医療事故の防止が期待される。
【0028】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【産業上の利用可能性】
【0029】
本発明の高精度LC共振型磁気マーカ6の位置および方向の検出システムは、位相情報を用いたリアルタイム動作による位置検出システムとして利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【0030】
【図1】LC共振型磁気マーカ6による位置検出システムの結線図である。(実施例1)
【図2】チューブ10内に固定したLC共振型磁気マーカ6の検出システム構成図である。(実施例1)
【図3】MnZnフェライト12、コイル、チップコンデンサ13からなるLC共振型磁気マーカ6である。(実施例1)
【図4】市販のチューブ10に固定したLC磁気型磁気マーカ6である。(実施例1)
【図5】LC共振形磁気マーカ6を固定されたチューブ10を人体模型へ挿入している様子である。(実施例1)
【図6】チューブ10の先端および磁気マーカの位置および方向を計測する流れ図である。(実施例1)
【図7】チューブ10をマイクロメータにより精密移動している様子である。(実施例1)
【図8】LC共振型磁気マーカ6を100mm移動した際のXZ平面内の軌跡である。(実施例1)
【図9】LC共振型磁気マーカ6を100mm移動した際のXY平面内の軌跡である。(実施例1)
【図10】人体模型内部のチューブ10の先端位置の軌跡である。(実施例1)
【符号の説明】
【0031】
1 励磁コイル
2 検出コイル
3 コントローラ
4 印加磁界
5 誘導磁界
6 LC共振型磁気マーカ
7 アンプ
8 パソコン
9 ADコンバータ
10 チューブ
11 マーカコイル
12 MnZnフェライト
13 チップコンデンサ
14 食道
15 気管
16 環状中空体
17 食道でのLC共振型磁気マーカの軌跡
18 気管でのLC共振型磁気マーカの軌跡

【特許請求の範囲】
【請求項1】
励磁コイルと、
該励磁コイルと対向する複数の検出コイルと、
前記の励磁コイルと前記検出コイルとの間に配置されるLC共振型磁気マーカと、
前記のLC共振型磁気マーカを固定した環状中空体と、
前記の励磁コイルは前記のLC共振型磁気マーカの共振周波数に同調させた交流磁界を発生させ、前記のLC共振型磁気マーカからの誘導磁界を前記複数の検出コイルの各検出コイルで計測する計測手段と、
前記のLC共振型磁気マーカの寄与電圧を求める手段を具備することを特徴とする環状中空体に固定された前記のLC共振型磁気マーカの検出システム。
【請求項2】
LC共振型磁気マーカの検出は前記LC共振型磁気マーカの位置もしくは姿勢角、もしくは位置と姿勢角の両方とした請求項1記載のLC共振型磁気マーカの検出システム。
【請求項3】
LC共振型磁気マーカは磁性体とその周りに巻いたマーカコイルとコンデンサからなる請求項1から2のいずれかに記載のLC共振型磁気マーカの検出システム。
【請求項4】
マーカコイルは、マーカコイルの回転軸方向と励磁コイルの回転軸方向と検出コイルの回転軸方向のなす角が0度から60度のいずれかの角度である請求項3に記載のLC共振型磁気マーカの検出システム。
【請求項5】
環状中空体は生体挿入用医療チューブである請求項1から4のいずれかに記載のLC共振型磁気マーカの検出システム。
【請求項6】
環状中空体はLC共振型磁気マーカを前記環状中空体内部に固定する請求項1から5のいずれかに記載のLC共振型磁気マーカの検出システム。

【図1】
image rotate

【図2】
image rotate

【図3】
image rotate

【図4】
image rotate

【図5】
image rotate

【図6】
image rotate

【図7】
image rotate

【図8】
image rotate

【図9】
image rotate

【図10】
image rotate