JP2012034890A - 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 - Google Patents

Abstract

【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。
【選択図】図２

Description

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。

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。

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。

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）。

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。

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。

特開２００５−１２１５７３号公報 特表2002-529133

Ｆ．Ｇｒａｎｔ，Ｇ．Ｗｅｓｔ，Ｉｎｔｅｒｐｒｅｔａｔｉｏｎ Ｔｈｅｏｒｙ ｉｎ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｇｅｏｐｈｙｓｉｃｓ．Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ：ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ，１９６５，ｐｐ．３０６−３８１． Ｓ．Ｖ．Ｍａｒｓｈａｌｌ，Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ Ｕｓｉｎｇ ａ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｆｉｅｌｄ Ｓｅｎｓｏｒ，ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ｖｅｈｉｃｕｌａｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｖｏｌ．ＶＴ−２７，ｐｐ．６５−６８，（１９７８）． 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）． 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）． 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）． Ｊ．Ａ．Ｐａｒａｄｉｓｏ，Ｋ．Ｈｓｉａｏ，Ｊ．Ｓｔｒｉｃｋｅｎ，Ｊ．Ｌｉｆｔｏｎ，Ａ．Ａｄｌｅｒ，ＩＢＭ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｊｏｕｒｎａｌ，ｖｏｌ．３９，Ｎｏ．３＆４，ｐｐ．８９２−９１４，（２０００）． Ｓ．Ｗａｔａｎａｂｅ，Ｓ．Ｎｉｓｈｉｙａｍａ，Ｎ．Ｋｏｓｈｉｚｕｋａ，ａｎｄ Ｋ．Ｓａｋａｍｕｒａ，ＭＷＥ ２００３ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｗｏｒｋｓｈｏｐ，ｐｐ．２４５−２５０，（２００３）． 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）． （A.J.Rassias et al, Critical Care vol. 2(1), pp. 25-28 (1998). ） http://www.viasyshealthcare.com/default.aspx

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。

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。

（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。

（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。

（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。

（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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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） 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） 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） 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） 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） 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） 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） 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） 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） 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）

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

Claims (6)

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。
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。
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。
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。
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。
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。