PS3-6-7 第47回生体医工学会大会 Japan Soc. ME&BE（May.2008）形状記憶合金コイルによる屈曲機能を備えたディスディスポーザポーザブル電子内視鏡 1 2 3 4 2 牧志渉 , 松永忠雄 , 竜新栄 , 江刺正喜 , 芳賀洋一 1 2 3 東北大学大学院工学研究科東北大学医工学研究科メムザス株式会社 4 東北大学原子分子材料科学高等研究機構 Active Bending Electric disposable Endoscope Using Shape Memory Alloy Coil Actuators Wataru Makishi1, Tadao Matsunaga2, Ryu Shinei3, Masayoshi Esashi4, Yoichi Haga2 Graduate School of Engineering, Tohoku University1 Graduate School of Biomedical Engineering, Tohoku University2 MEMSAS, Inc.3 WPI Advanced Inst. for Materials Reserch, Tohoku University4 1. はじめに現在一般的に使われている内視鏡の屈曲機構は体外からワイヤを牽引することにより駆動されている。そのため、内視鏡のシャフトは、屈曲動作時に座屈しないように硬くなっている。また、内視鏡シャフトが複雑に蛇行したり、ループを形成するとワイヤによる牽引力や、回転トルクを内視鏡先端まで正確に伝えることができないため、操作が難しくなる。さらに、腸のようなやわらかい組織内部を観察する場合、腸壁が内視鏡に比べて薄くやわらかいため、内視鏡を腸内部に挿入しても腸が伸張するため内視鏡先端部を進めることが難しく、深部まで挿入し観察することが難しい。本研究では、先端に小型光学イメージャを搭載し、ワイヤ牽引に代わる屈曲機構として Ni-Ti 形状記憶合金(Shape Memory Alloy SMA) コイルアクチュエータを用いた内視鏡を作製した。従来の屈曲機構ではワイヤの牽引を用いるためシャフトを硬くしなければならないが、本機構では、先端の屈曲動作に電気エネルギーを用いているため、シャフト内部はワイヤに代わり、やわらかい電気配線が通るため内視鏡全体をやわらかくできる。そのため、これまで挿入の難しかった腸などのようにやわらかく、複雑に入り組んだ部位に挿入し、先端を自由に屈曲させて観察を行うことができ、さらに貫通穴(ワーキングチャネル)を通して生検・治療を行うことが可能となる。使用する内視鏡の回数が制限される。このような状況から、使い捨て内視鏡が必要とされている。内視鏡を使い捨てとすることで、患者間の感染症の危険性がなく、また、洗浄を行う必要がないため、必要なときに直ぐに使用することが可能となる。本研究の内視鏡は、屈曲機構及びシャフト部の構造を単純化できること、近年の CCD (Charge Coupled Device) や CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) などの小型光学イメージャや LED(Light Emitting Diode) の低価格化・高性能化により、内視鏡全体の製造コストを大幅に下げることができるため、使い捨ての内視鏡が可能になると考えられる。 2. 屈曲機構の原理屈曲機構の構造を図2に示す。構造体の中心には、ワーキングチャネルとなるインナーチューブが配置されており、ガイドワイヤーなどのツールを通したり、体液の吸引や薬剤の放出を行うことができる。その外側には屈曲を行うためのSMAコイルアクチュエータを自然長より引き伸ばした状態で円周上に120°毎に計3本固定されている。さらにその外側には、屈曲した内視鏡を元の直線形状に戻すためのライナーコイルが配置され、最外層には防水と漏電防止のためのアウターチューブが配置される。図2 屈曲機構の構造図1 形状記憶合金コイルを用いた内視鏡一般には、内視鏡を使用した後、再度使用するまでに洗浄が必要となる。特に内視鏡を用いて生検や処置により生体組織の摘出を行った場合、生体組織が内視鏡外部や鉗子口内に付着するため、洗浄が不十分であると内視鏡を使用した患者間で感染を媒介する可能性がある。また、内視鏡の洗浄には通常数時間必要とするため、1日に 3. 作製内視鏡先端部の光学イメージャ実装部は、光学イメージャや周辺回路を実装するための基板から構成されるため、硬く曲がらない硬性部となる。しかし、内視鏡の硬性部はできるだけ短い方が挿入性、操作性が良い。これまでに作製した能動屈曲電子内視鏡は、市販の光学イメージャヘッドをそのまま用いたため、硬性部が20mmと 928 PS3-6-7 第47回生体医工学会大会 Japan Soc. ME&BE（May.2008） [1,2] 長くなっていた。今回、小型の光学レンズ付きCMOSイメージャ (5. 5 × 5. 5mm、厚さ 3mm、 10 万画素) を用い、図3に示すようにCMOSイメージャ及び周辺回路を実装する基板を立体的に複数配置することで、先端の硬性部を短くした。回路基板には、CMOS イメージャの電極位置に合わせた貫通穴が空いており、CMOSイメージャから基板へ垂直に被覆付配線が接続される。これにより、配線長さを最小限にすることができるためノイズが低減でき、また、配線の取り回しが直線的になるため組み立てが容易にとなる。 5mmのテフロンチューブが配置されている。 4. 結果作製を行った光学イメージャ付内視鏡の屈曲動作を行ったところ、制御コントローラの操作する方向と角度に合わせて屈曲することを確認し、最大屈曲角度 90°、曲率半径 38mm であった (図 5)。さらに、先端に搭載した光学イメージャと光源用LEDを駆動して内視鏡前方の画像が得られることも確認した(図6)。図5 作製したCMOSイメージャ付内視鏡図3 光学イメージャ実装基板周辺回路の実装用に外径9mm、厚さ0.6mm 基板を 2 枚用い、ワーキングチャネルを配置するための直径1.5mm貫通穴を設けてある。この基板の上面にCMOSイメージャと光源の小型高輝度白色LED(W×D×H：2.5×0.8×1.0mm)を2 つ配置する。作製した光学イメージャ実装部分は外径9mm、厚さ5mmとなっている(図4)。図4 光学イメージャ実装部今回作製した屈曲機構は、直径 9mm、長さ 60mmとなっており、内視鏡の中心には、鉗子口となる内径 1. 5mm のチューブが配置されている。 CMOS イメージャを駆動するための配線は、このチューブ側面にらせん状に巻かれ配置されている。SMAコイルアクチュエータは、外径320 μm、素線径75μm、長さ7.5mmを3本用い、ライナーコイルは、素線径150μm、ピッチ2mmのステンレスコイルを用いた。最外装のアウターチューブは、ディップコートにより作製した厚さ 150 μ m のシリコーンチューブを用いた。また、シャフト部は外径 9mm、長さ 3m であり、内部に光学イメージャ、光源用LED、及びSMAコイルを駆動するための配線が24本、鉗子口用の内径1. 図6 CMOSイメージャの映像(大腸モデル) 5. まとめ・考察内視鏡の屈曲機構にSMAコイルアクチュエータを用いた外径9mmのCMOSイメージャ付内視鏡を作製した。作製した屈曲機構は、制御コントローラにより自在な屈曲方向と角度に屈曲可能であることを確認した。また、内視鏡先端の光学イメージャ実装部は、実装基板を多層化することにより硬性部を長さ 5mm と小型化を実現し、 CMOSイメージャと光源用LEDを用いて内視鏡前方の映像が得られることを確認した。今回作製・動作確認を行った CMOS イメージャ付内視鏡は、比較的構造が単純であり、先端に搭載した小型 CMOS イメージャも安価なものであるため、使い捨て内視鏡の実現が十分可能であることが示された。参考文献 [1] 牧志渉, 江刺正喜, 芳賀洋一, 他. 形状記憶合金を用いた能動屈曲電子内視鏡. 電気学会論文誌E, 127巻, 2号, (2007), pp. 75-81. [2] 牧志渉, 他. 形状記憶合金を用いた細く柔らかい能動屈曲電子内視鏡. 第46回生体医工学会大会, 第45巻, (2007), pp.285. 929