JP2008229313A - 注射針刺入装置 - Google Patents

Abstract

【目的】 本発明の目的は、装置の小型化・低コスト化をはかり、薬液を無駄にしないようにしつつ、血管内に針先が刺入されたことを高感度に検知することである。
【構成】 本発明は、液収容部１０と、液収容部１０の一端側に配置され、生体に刺入させられる注射針２０と、注射針２０に外部からかかる力を検出する力検出部３０と、液収容部１０内に備えられたピストン部４０と、液収容部の長さ方向に沿ってピストン部４０を移動させる移動部５０と、注射針２０が刺入させられる方向に移動部５０を移動させた後に、検出された力の大きさが所定値に到達したことに基づいて、移動部５０を停止させる動作制御部６０とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、注射針を静脈の血管内に刺入する注射針刺入装置に関するものである。

小動物への尾静脈注射技術は、生命科学・薬学・基礎医学・臨床医学分野の研究用途のみならず、医薬品探索段階でのｉｎ ｖｉｖｏスクリーニング、前臨床段階の薬物動態試験や安全性試験など、製薬・食品・化学・医療機器・臨床検査ほか、様々な企業で日常的に用いられている技術である。

しかしながら、この技術は熟練を要する属人技術であり、習得には多大な時間を要する。特に難しいのは尾静脈血管の正確な位置認識である。この位置認識ができないと、注射針が血管を貫通する、注射針が血管に刺さらない、といった事態が起こる。

従来、尾静脈血管の位置認識は経験により培われた感覚を判断基準としてきた。具体的には、注射針の刺入動作により注射針先がうける圧力の変化推移を、手の感覚で直接とらえることによって判断している。これは尾静脈に限らず、静脈からの注射針を用いた薬液投与および採血操作に共通する、血管の位置認識方法である。昨今その位置認識方法について、自動化技術の開発が望まれている。

従来技術では、採血装置、特に血管を自動的に探し出す技術について記載されている。この装置では、採血針内の圧力変化により、採血針が正確に血管に穿刺しているか否かを検出する圧力検出装置の組込みを提案している（例えば、特許文献１）。
特開平４−３３８４５８号公報

理論上、採血と薬液投与は逆の手順であるため、上記従来技術における装置を薬液投与に応用させることも可能であると考えられるが、これには以下の問題点がある。

まず、この装置では、血液を採取するために注射針内部および装置内部を陰圧にする真空ポンプが備えられていることに加えて、注射針の周辺には注射針内部の圧力を検出する圧力検出装置を備えなければならず、装置全体が大型化するという問題があった。

また、薬液投与を行う際は、構造上、注射針内部に薬液を満たすだけでなく、注射針と圧力検出装置とを連結する連結管、さらに注射針と真空ポンプとを連結する連結管にも薬液を満たす必要がある。よって、大量の薬液を準備しなくてはならず、正確な量の薬液投与が難しい。

さらに、検体への汚染を防ぐため、注射針を交換するには、注射針のみならずに、注射針に接続されている連結管なども交換しなければならず、使い捨て部分が多くなり使い捨て時のコストが高くなっていた。

また、圧力変化を高感度で検出するには、圧力測定対象となる空間（注射針、圧力検出装置、およびそれらを連絡するパイプまたはチューブ等）の内容積の小空間化が必要となる。しかしながら、圧力測定空間の内容積が極めて小さいと、わずかな空気のリーク等の外乱により圧力が変動してノイズが高くなり、安定した圧力変化の検出は不可能となる。

そこで、本発明は、上記問題点を解消するためになされたものであり、装置の小型化・低コスト化をはかり、薬液を無駄にしないようにしつつ、血管内に針先が刺入されたことを高感度に検知することができる注射針刺入装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために本発明の装置は、液収容部と、前記液収容部の一端側に配置され、生体に刺入させられる注射針と、前記注射針にかかる力を検出する力検出部と、前記液収容部内に備えられたピストン部と、前記液収容部の長さ方向に沿って前記ピストン部を移動させる移動部と、前記注射針が刺入させられる方向に前記移動部を移動させた後に、検出された前記力の大きさが所定値に到達したことに基づいて、前記移動部を停止させる動作制御部とを備える。

本発明による注射針刺入装置では、注射針内部および装置内部を陰圧にする必要がないため、当該陰圧にするための真空ポンプを備える必要がなくなり、従来よりも装置全体を小型化することができる。また、真空ポンプを備える必要がないため、真空ポンプと液収容部とを連結する連結管内に薬液を注入する必要がなくなり、準備する薬液の量を最小限にすることができ、正確な量の薬液投与をすることができる。さらに、液収容部に連結される連結管、例えば真空ポンプと液収容部とを連結する連結管がないため、使い捨て部分が従来よりも少なくなり、低コスト化を実現することができる。また、注射針が生体に刺入されたか否かを検出するのに、液収容部内の圧力変動を検出するのではなく、力検出部自体に掛かった圧力を検出している。このため、液収容部から漏れ出る空気による圧力変動に左右されることなく、注射針が生体に刺入されたか否かを高精度に検出することができる。

すなわち、本発明によれば、装置の小型化・低コスト化をはかり、薬液を無駄にしないようにしつつ、血管内に針先が刺入されたことを高感度に検知することができる。

本発明による注射針刺入装置の力検出部は、前記注射針の針表面かつ生体に刺入させられる一端部とは逆の他端部もしくは前記液収容部の表面に配置される。これにより、注射針が刺入された場合に、注射針において変位が最も大きい部分（他端部）に、力検出部が配置されるため、力検出部は注射針の変位をより確実に検出することができる。

本発明の前記力検出部は、前記注射針もしくは前記液収容部が圧入させられる中空部を有し、前記注射針もしくは前記液収容部に対して着脱自在である。これにより、液収容部などを廃棄する場合に、注射針の他端部もしくは前記液収容部から力検出部を取り外すことができるため、力検出部を有効利用することができる。

本発明の前記力検出部は、少なくとも２つの微小変位検出部を備え、前記動作制御部は、前記微小変位検出部によって検出された力のいずれかが所定値に到達したことに基づいて、前記移動部を停止させる。

本発明による注射針刺入装置の前記動作制御部では、前記微小変位検出部のそれぞれによって検出された力の合算値が所定値に到達したことに基づいて、前記移動部を停止させる。本発明によれば、微小変位検出部を２つ以上にすることで、１つの変位検出結果のみに依らない、より正確で確実な変位の検出が可能になる。

本発明の装置は、液収容部と、前記液収容部の一端側に配置され、生体に刺入させられる注射針と、前記注射針に外部からかかる力を検出する力検出部と、前記液収容部内に備えられたピストン部と、前記液収容部の長さ方向に沿って前記ピストン部を移動させる移動部と、前記注射針が前記刺入させられる方向に前記移動部を移動させた後に、検出された前記力の大きさの時間的変化が検出されたことに基づいて、前記移動部を停止させる動作制御部とを備える。

本発明による注射針刺入装置の前記動作制御部では、検出された前記力の大きさが第１所定値に達した後に、前記第１所定値よりも低い第２所定値を基準とする所定許容範囲において前記力が所定期間継続している場合には、前記移動部を介して前記ピストン部を停止させる。

本発明による注射針刺入装置では、検出された力の時間的変化が所定段階存在したことに基づいて移動部を停止させる。本発明によれば、注射針に掛かる圧力変化が(1)皮膚に刺入される前の段階、(2)皮膚に刺入された段階、(3)血管に刺入された段階に主に対応することとなり、注射針が血管に刺入されるまでの動きを確実に特定することができるため、血管内に針先が刺入されたことを高感度に検知することができる。

本発明により、血管内に針先が刺入されたことを高感度に検知できる注射針刺入装置が提供できる。この技術により、血管内への薬液投与時の漏洩、もしくは血液の採取時の漏洩を防ぐことができると同時に、従来の装置に対して小型化・低コスト化も実現できる。

発明の実施の形態

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。

図１は本発明に係る注射針刺入装置１の基本的な構成を示したものである。本発明に係る注射針刺入装置１は、液収容部１０と、液収容部１０の一端側に配置され、生体に刺入させられる注射針２０と、注射針２０に外部からかかる力を検出する力検出部３０と、液収容部内に備えられたピストン部４０と、液収容部１０の長手方向に沿ってピストン部４０を移動させる移動部５０と、注射針２０が刺入させられる方向に移動部５０を移動させた後に、検出された力の大きさが所定値（図６に示すＰｅ）に到達したことに基づいて、移動部５０を停止させる動作制御部６０と構成される。なお、動作制御部６０は、注射針２０が刺入させられる方向に移動部５０を移動させた後に、検出された力の大きさの時間的変化が検出された（例えば、図６に示すＰｂ−Ｐｃ’間、Ｐｃ’−Ｐｃ間、Ｐｃ−Ｐｄ間、Ｐｄ−Ｐｅ間）ことに基づいて、移動部５０を停止させてもよい。

（第一の実施形態）
第一の実施形態として、薬液投与実験を行う際の対照実験をおこなうために、本発明の装置により、８週齢Ｂａｌｂ／ｃマウス尾部の静脈血管に対してＰＢＳを注入する際の一連の動作について述べる。

はじめに、注射針刺入装置１の構成を詳述する。注射針２０はステンレス製で太さは２２−２７Ｇ、かつ内壁がヘパリン等の抗血液凝固剤によって血液凝固防止処理されたものを用いる。液収容部１０には、ＰＢＳを内部に収容したプラスチック製のシリンジ２０１を用いる。力検出部３０の検出要素には、圧力センサ１０２を用いる。

圧力センサ１０２は、注射針２０又はシリンジ２０１に対して着脱自在である。例えば、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、圧力センサ１０２は、針元１０１を介して注射針２０と接続される。もしくは図２（ｃ）に示すように、注射針２０と連結したシリンジ２０１と直接接続される。図９に示すように、圧力センサ１０２は、注射針２０とシリンジ２０１が連結された後に接続され、一連の薬液投与動作完了後は、注射針２０とシリンジ２０１から取り外される構造となっている。以上の着脱に関する動作は、圧力センサ１０２を介した検体の汚染防止のため、無菌空間中で行うのが好ましい。

次に、各要素間の信号伝達経路の構成について図３で説明し、装置の動作は薬液投与の操作を示すフロー図５により説明する。

まず、圧力センサ１０２の出力信号は、第一の配線３０１により動作制御部６０に送られる。動作制御部６０は、力検出部３０６と演算部３０７とピストン制御部３０８とＸ−Ｙ−Ｚステージ制御部３０９により構成され、圧力センサ１０２の出力信号に基づいて、アクチュエーター２０３とＸ−Ｙステージ２０７とＺステージ２０８およびＺステージ２０９の動作を制御する。

動作制御部６０内のＸ−Ｙ−Ｚステージ制御部３０９から送られる信号は、支持台２０６と基板２１０の相対位置を制御するＸ−Ｙステージ２０７と、Ｚステージ２０８およびＺステージ２０９に伝えられることで、基板２１０に対する支持台２０６の位置および角度を変化させ、注射針２０の皮膚および血管に対する入射角度を制御する。支持台２０６はその上に継ぎ手２０４および継ぎ手２０５を有する。継ぎ手２０４はＰＢＳを内部に収容したシリンジ２０１およびピストン部４０を支持し、継ぎ手２０５はピストン部４０の動作を制御するアクチュエーター２０３を支持する。

なお、アクチュエーター２０３、継ぎ手２０４、継ぎ手２０５、支持台２０６、Ｘ−Ｙステージ２０７、Ｚステージ２０８、２０９は移動部を構成する。

本発明において、注射針２０にかかる圧力変化をモニターし静脈血管位置を判断することが最も重要であるので、この部分について詳述する。

まず、８週齢Ｂａｌｂ／ｃマウスの足を下にして固定し、予め尾の太さを測っておく。この情報はステップＳ７において尾部内で注射針２０が移動可能な限界距離として設定するために用いる。ここでは限界距離の設定を、注射針２０の刺入位置における尾部断面の半径とし、その情報を予め動作制御部６０の演算部３０７に与えておく。

尾静脈にＰＢＳを投与するために、注射針２０が前進を開始する（ステップＳ１）。装置始動後、圧力センサ１０２の出力信号は力検出部３０６に常時送られて測定される（ステップＳ２）。このとき、注射針２０の位置、および注射針２０にかかる圧力は、図４のようになることがこれまでの実験で確認されているため、これらの情報を既知の情報として演算部３０７に予め与えておく。よって、力検出部３０６から演算部３０７に入力される情報、およびＸ−Ｙ−Ｚステージ制御部３０９から演算部３０７に入力されるＸ−Ｙステージ２０７の位置の情報、これらを相互に比較することで、生体内での注射針２０の先端の位置を正確に制御することができる。

注射針２０は、力検出部３０６における信号がＰｃ’からＰｃへ不連続に変化するまで（第１所定値）、Ｘ−Ｙステージ２０７により移動する。注射針２０にかかるこの圧力変化は、マウス尾部の皮膚に刺入する際に発生するものである。次に、注射針２０はＸ−Ｙステージ２０７によりマウス尾部の皮下組織内を移動する。この区間において力検出部３０６が測定する圧力は、ＰｃからＰｄへと一定の変化率を示す。やがて力検出部３０６が測定する圧力がＰｄからＰｅへと不連続に変化する箇所（第２所定値）が検出される（ステップＳ３）。当該第２所定値を基準とする所定許容範囲において、測定された圧力が所定期間継続していることによって、注射針２０が静脈血管壁を越えたと演算部３０７において判断され、ただちに注射針２０を停止する信号が、演算部３０７からＸ−Ｙ−Ｚステージ制御部３０９を介してＸ−Ｙステージ２０７に送られ、注射針２０の移動を停止する（ステップＳ４）。なお、所定許容範囲は、第２所定値に対して±５％の範囲内であるのが好ましい。

この位置で薬液投与動作を開始する（ステップＳ５）。まず、演算部３０７において、予め設定された投与量の情報をピストン部４０の操作量に換算し、その信号をピストン制御部３０８に送る。ピストン制御部３０８に送られた信号は、アクチュエーター２０３を介してピストン部４０の動作を長手方向に制御し、シリンジ２０１内の薬液を静脈血管内に注入する投与量を制御する。ピストン制御部３０８から演算部３０７に送りかえされてきた信号により、予め設定された投与量の投与が完了したと判断したら（ステップＳ６）、演算部３０７がＸ−Ｙ−Ｚステージ制御部３０９に信号を与え、Ｘ−Ｙステージ２０７を初期位置まで後退させる（ステップＳ１１）。このようにして、８週齢Ｂａｌｂ／ｃマウス尾部の静脈血管に対してＰＢＳを注入する一連の工程が終了する。

しかし、前述の工程において、注射針２０がＸ−Ｙステージ２０７によりマウス尾部の皮下組織内を移動する際に、演算部３０７がＸ−Ｙ−Ｚステージ制御部３０９を介してＸ−Ｙステージ２０７に与えた、尾部内における注射針２０の移動可能な限界距離を過ぎても、力検出部３０６から演算部３０７に入力される信号がＰｃからＰｄへと一定の変化率を示し続け、本来検出されるべきＰｄからＰｅへの不連続な圧力変化（第２所定値）が検出されない場合がある。これは静脈血管近傍で微小な誤差により血管を捕らえられていないことを示している。この場合は、注射針２０が限界距離まで移動しているかどうか演算部３０７において判断する（ステップＳ７）。

まだ限界に達していないときには、いったんマウス尾部から注射針２０を引き抜くために、演算部３０７からの信号がＸ−Ｙ−Ｚステージ制御部３０９を介してＸ−Ｙステージ２０７を初期位置まで移動させる。そして再度、力検出部３０６における信号がＰｃ‘からＰｃへと不連続に変化するまで、注射針２０がＸ−Ｙステージ２０７により移動するという一連の動作を実施する。もし限界距離に達しているときには、注射針２０をＸ−Ｙステージ２０７により初期位置まで後退させ（ステップＳ８）、注射針２０の皮膚および血管に対する入射角度θ、つまり注射針２０が設置されている支持台２０６と基板２１０となす角度θを調節する。具体的には演算部３０７からＸ−Ｙ−Ｚステージ制御部３０９を介して、Ｚステージ２０８に縮み、Ｚステージ２０９に伸びる動作をさせ、角度θを予め設定した値まで大きくする（ステップＳ９）。このとき、角度θが限界θｍａｘよりも小さければ、演算部３０７からＸ−Ｙ−Ｚステージ制御部３０９を介してＸ−Ｙステージ２０７の移動を開始する（ステップＳ１０）。そして再度、力検出部３０６において信号がＰｃ‘からＰｃへと不連続に変化するまで、注射針２０がＸ−Ｙステージ２０７により移動するという一連の動作を実施する。角度θが限界θｍａｘよりも大きければ、演算部３０７において薬液投与動作を中止する判断をし、Ｘ−Ｙ−Ｚステージ制御部３０９を介してＸ−Ｙステージ２０７を初期位置まで後退することにより薬液投与動作を終了する（ステップＳ１１）。

本発明による注射針刺入装置１では、注射針２０内部および装置内部を陰圧にする必要がないため、当該陰圧にするための真空ポンプを備える必要がなくなり、従来よりも装置全体を小型化することができる。また、真空ポンプを備える必要がないため、真空ポンプと液収容部とを連結する連結管内に薬液を注入する必要がなくなり、準備する薬液の量を最小限にすることができ、正確な量の薬液投与をすることができる。さらに、シリンジ２０１に連結される連結管、例えば真空ポンプと液収容部とを連結する連結管がないため、使い捨て部分が従来よりも少なくなり、低コスト化を実現することができる。また、注射針２０が生体に刺入されたか否かを検出するのに、シリンジ２０１内の圧力変動を検出するのではなく、圧力センサ１０２自体に掛かった圧力を検出している。このため、シリンジ２０１から漏れ出る空気による圧力変動に左右されることなく、注射針２０が生体に刺入されたか否かを高精度に検出することができる。

すなわち、本発明によれば、装置の小型化・低コスト化をはかり、薬液を無駄にしないようにしつつ、血管内に針先が刺入されたことを高感度に検知することができる。

また、注射針２０が刺入された場合に、注射針２０において変位が最も大きい部分（他端部）に、圧力センサ１０２が配置されるため、圧力センサ１０２は注射針２０の変位をより確実に検出することができる。さらに、シリンジ２０１などを廃棄する場合に、注射針２０の他端部から圧力センサを取り外すことができるため、圧力センサ１０２を有効利用することができる。

本発明による注射針刺入装置１では、検出された力の時間的変化が所定段階存在したことに基づいて移動部を停止させる。本発明によれば、注射針２０に掛かる圧力変化が(1)皮膚に刺入される前の段階、(2)皮膚に刺入された段階、(3)血管に刺入された段階に主に対応することとなり、注射針２０が血管に刺入されるまでの動きを確実に特定することができるため、血管内に針先が刺入されたことを高感度に検知することができる。

なお、本実施形態による本発明の装置の用途としては、薬液投与だけでなく、採血であってもよい。その際は、ステップＳ５におけるピストン部４０による加圧動作を、逆にピストン部４０を引くことによる引圧動作として採血を行う。それにともなって、ステップＳ６は、採血完了の判断を行うことになる。

また、本実施形態によれば、注射針刺入装置の使用対象としては、動物に限らず、人間であってもよい。

（第二の実施形態）
第二の実施形態として、薬液投与実験を行う際の対照実験をおこなうために、本発明の装置により、８週齢Ｂａｌｂ／ｃマウス尾部の静脈血管に対してＰＢＳを注入する際の一連の動作について述べる。

はじめに、装置の構成を詳述する。注射針２０はステンレス製で太さは２２−２７Ｇ、かつ内壁がヘパリン等の抗血液凝固剤によって血液凝固防止処理されたものを用いる。液収容部１０には、ＰＢＳを内部に収容したプラスチック製のシリンジ２０１を用いる。力検出部３０の検出要素には、ひずみセンサ１０３を用いる。

ひずみセンサ１０３は、図２（ｄ）、（ｅ）に示すように針元１０１を介して注射針２０と接続される。もしくは図２（ｆ）に示すように、注射針２０と連結したシリンジ２０１と直接接続される。図９に示すように、ひずみセンサ１０３は、注射針２０とシリンジ２０１が連結された後に接続され、一連の薬液投与動作完了後は、注射針２０とシリンジ２０１から取り外される、着脱自在な構造となっている。以上の着脱に関する動作は、ひずみセンサ１０３を介した検体の汚染防止のため、無菌空間中で行うものとする。

ひずみセンサ１０３は、注射針２０の先端が受ける長手方向の力を微小変位として検出可能な微小変位検出部を２つ以上備えている。具体的には、図８に示すように、ひずみセンサ１０３は、微小変位検出部４０１、微小変位検出部４０２、微小変位検出部４０３、微小変位検出部４０４、これら４つの微小変位検出部が中空状の面内を４分割した形状で連結される構造をとる。４つの微小変位検出部が連結されたひずみセンサ１０３は、注射針２０もしくは液収容部１０に対して圧入し密着させることで、注射針にかかる力を検出できる構造となる。動作制御部６０は、これら４つの微小変位検出部で検出された力のいずれかが所定置に到達したことに基づいて、移動部５０を停止させる。もしくは、４つの微小変位検出部で検出された力の合算値が所定置に到達したことに基づいて、移動部５０を停止させる。

また、これらの微小変位検出部は、注射針２０にかかる力のノイズ成分検出除去システムも担っている。このノイズ成分除去のシステムについて、図１０のフロー図を用いて説明する。まず薬液投与開始のために、注射針２０が前進を開始する（ステップＳ２０１）。装置始動後、注射針２０にかかる力が４つの微小変位検出部で検出され（ステップＳ２０２）、力検出部３０６において、各微小変位検出部からの出力信号が演算される（ステップＳ２０３）。ここで各信号の差分をとることにより、注射針２０にかかるノイズ成分を除去する（ステップＳ２０４）。出力信号の演算結果によって血管が検出された後（ステップＳ２０５）、注射針２０は停止し薬液投与を完了させる（ステップＳ２０６）。

次に、各要素間の信号伝達経路の構成について図６で説明し、装置の動作は薬液投与の操作を示すフロー図７により説明する。

まず、ひずみセンサ１０３の出力信号は、第一の配線３０１により動作制御部６０に送られる。動作制御部６０は、力検出部３０６と演算部３０７とピストン制御部３０８とＸ−Ｙ−Ｚステージ制御部３０９により構成され、ひずみセンサ１０３の出力信号に基づいて、アクチュエーター２０３とＸ−Ｙステージ２０７とＺステージ２０８およびＺステージ２０９の動作を制御する。

動作制御部６０内のＸ−Ｙ−Ｚステージ制御部３０９から送られる信号は、支持台２０６と基板２１０の相対位置を制御するＸ−Ｙステージ２０７と、Ｚステージ２０８およびＺステージ２０９に伝えられることで、基板２１０に対する支持台２０６の位置および角度を変化させ、注射針２０の皮膚および血管に対する入射角度を制御する。支持台２０６はその上に継ぎ手２０４および継ぎ手２０５を有する。継ぎ手２０４はＰＢＳを内部に収容したシリンジ２０１およびピストン部４０を支持し、継ぎ手２０５はピストン部４０の動作を制御するアクチュエーター２０３を支持する。

本発明において、注射針２０にかかるひずみ変化をモニターし静脈血管位置を判断することが最も重要であるので、この部分について詳述する。
まず、８週齢Ｂａｌｂ／ｃマウスの足を下にして固定し、予め尾の太さを測っておく。この情報はステップＳ７において尾部内で注射針２０が移動可能な限界距離として設定するために用いる。ここでは限界距離の設定を、注射針２０の刺入位置における尾部断面の半径とし、その情報を予め動作制御部６０の演算部３０７に与えておく。

尾静脈にＰＢＳを投与するために、注射針２０が前進を開始する（ステップＳ１０１）。装置始動後、ひずみセンサ１０３の出力信号は力検出部３０６に常時送られて測定される（ステップＳ１０２）。このとき注射針２０の位置、および注射針２０にかかるひずみは、図６のようになることがこれまでの実験で確認されているため、これらの情報を既知の情報として演算部３０７に予め与えておく。よって、力検出部３０６から演算部３０７に入力される情報、およびＸ−Ｙ−Ｚステージ制御部３０９から演算部３０７に入力されるＸ−Ｙステージ２０７の位置の情報、これらを相互に比較することで、生体内での注射針２０の先端の位置を正確に制御することができる。

注射針２０は、力検出部３０６における信号がＰｃ’からＰｃへ不連続に変化するまで（第１所定値）、Ｘ−Ｙステージ２０７により移動する。注射針２０にかかるこのひずみ変化は、マウス尾部の皮膚に刺入する際に発生するものである。次に、注射針２０はＸ−Ｙステージ２０７によりマウス尾部の皮下組織内を移動する。この区間において力検出部３０６が測定するひずみは、ＰｃからＰｄへと一定の変化率を示す。やがて力検出部３０６が測定するひずみがＰｄからＰｅへと不連続に変化する箇所（第２所定値）が検出される（ステップＳ１０３）。この変化が所定期間継続していることによって、注射針２０が静脈血管壁を越えたと演算部３０７において判断され、ただちに注射針２０を停止する信号が、演算部３０７からＸ−Ｙ−Ｚステージ制御部３０９を介してＸ−Ｙステージ２０７に送られ、注射針２０の移動を停止する（ステップＳ１０４）。

この位置で薬液投与動作を開始する（ステップＳ１０５）。まず、演算部３０７において、予め設定された投与量の情報をピストン部４０の操作量に換算し、その信号をピストン制御部３０８に送る。ピストン制御部３０８に送られた信号は、アクチュエーター２０３を介してピストン部４０の動作を長手方向に制御し、シリンジ２０１内の薬液を静脈血管内に注入する投与量を制御する。ピストン制御部３０８から演算部３０７に送りかえされてきた信号により、予め設定された投与量の投与が完了したと判断したら（ステップＳ１０６）、演算部３０７がＸ−Ｙ−Ｚステージ制御部３０９に信号を与え、Ｘ−Ｙステージ２０７を初期位置まで後退させる（ステップＳ１１１）。このようにして、８週齢Ｂａｌｂ／ｃマウス尾部の静脈血管に対してＰＢＳを注入する一連の工程が終了する。

しかし、前述の工程において、注射針２０がＸ−Ｙステージ２０７によりマウス尾部の皮下組織内を移動する際に、演算部３０７がＸ−Ｙ−Ｚステージ制御部３０９を介してＸ−Ｙステージ２０７に与えた、尾部内における注射針２０の移動可能な限界距離を過ぎても、力検出部３０６から演算部３０７に入力される信号がＰｃからＰｄへと一定の変化率を示し続け、本来検出されるべきＰｄからＰｅへの不連続なひずみ変化（第２所定値）が検出されない場合がある。これは静脈血管近傍で微小な誤差により血管を捕らえられていないことを示している。この場合は、注射針２０が限界距離まで移動しているかどうか演算部３０７において判断する（ステップＳ１０７）。

まだ限界に達していないときには、いったんマウス尾部から注射針２０を引き抜くために、演算部３０７からの信号がＸ−Ｙ−Ｚステージ制御部３０９を介してＸ−Ｙステージ２０７を初期位置まで移動させる。そして再度、力検出部３０６における信号がＰｃ‘からＰｃへと不連続に変化するまで、注射針２０がＸ−Ｙステージ２０７により移動するという一連の動作を実施する。もし限界距離に達しているときには、注射針２０をＸ−Ｙステージ２０７により初期位置まで後退させ（ステップＳ１０８）、注射針２０の皮膚および血管に対する入射角度θ、つまり注射針２０が設置されている支持台２０６と基板２１０となす角度θを調節する。具体的には演算部３０７からＸ−Ｙ−Ｚステージ制御部３０９を介して、Ｚステージ２０８に縮み、Ｚステージ２０９に伸びる動作をさせ、角度θを予め設定した値まで大きくする（ステップＳ１０９）。このとき、角度θが限界θｍａｘよりも小さければ、演算部３０７からＸ−Ｙ−Ｚステージ制御部３０９を介してＸ−Ｙステージ２０７の移動を開始する（ステップＳ１１０）。そして再度、力検出部３０６において信号がＰｃ‘からＰｃへと不連続に変化するまで、注射針２０がＸ−Ｙステージ２０７により移動するという一連の動作を実施する。角度θが限界θｍａｘよりも大きければ、演算部３０７において薬液投与動作を中止する判断をし、Ｘ−Ｙ−Ｚステージ制御部３０９を介してＸ−Ｙステージ２０７を初期位置まで後退することにより薬液投与動作を終了する（ステップＳ１１１）。

なお、本実施形態による本装置の用途としては、薬液投与だけでなく、採血であってもよい。その際は、ステップＳ１０５におけるピストン部４０による加圧動作を、逆にピストン部４０を引くことによる引圧動作として採血を行う。それにともなって、ステップＳ１０６は、採血完了の判断を行うことになる。

以上のように、本実施形態によれば、装置の小型化・低コスト化をはかりながら、第一の実施形態と同様の効果が得られる。

（第三の実施形態）
第三実施形態では、圧力センサ１０２の構成が第一の実施形態及び第二の実施形態の構成とは異なる。以下、第一の実施形態及び第二の実施形態の構成と共通する内容については省略する。

圧力センサ１０２は、注射針２０の先端が受ける長手方向の力を微小変位として検出可能な微小変位検出部を２つ以上備えている。具体的には、図８に示すように、圧力センサ１０２は、微小変位検出部４０１、微小変位検出部４０２、微小変位検出部４０３、微小変位検出部４０４、これら４つの微小変位検出部が中空状の面内を４分割した形状で連結される構造をとる。４つの微小変位検出部が連結された圧力センサ１０２は、注射針２０もしくは液収容部１０に対して圧入し密着させることで、注射針にかかる力を検出できる構造となる。動作制御部６０は、これら４つの微小変位検出部で検出された力のいずれかが所定置に到達したことに基づいて、移動部５０を停止させる。もしくは、４つの微小変位検出部で検出された力の合算値が所定置に到達したことに基づいて、移動部５０を停止させる。

なお、これらの微小変位検出部は、注射針２０にかかる力のノイズ成分検出除去システムも担ってもよい。このノイズ成分除去のシステムについて、図１０のフロー図を用いて説明する。まず薬液投与開始のために、注射針２０が前進を開始する（ステップＳ２０１）。装置始動後、注射針２０にかかる力が４つの微小変位検出部で検出され（ステップＳ２０２）、力検出部３０６において、各微小変位検出部からの出力信号が演算される（ステップＳ２０３）。ここで各信号の差分をとることにより、注射針２０にかかるノイズ成分を除去する（ステップＳ２０４）。出力信号の演算結果によって血管が検出された後（ステップＳ２０５）、注射針２０は停止し薬液投与を完了させる（ステップＳ２０６）。

なお、本実施形態では、微小変位検出部は４つ備えられているが、これに限定されないのは勿論のことである。具体的には、微小変位検出部は２つ備えられていてもよい。また、微小変位検出部は、他の微小変位検出部と組み合わさればよく、偶数個備えられているのが望ましい。

本発明に係る注射針刺入装置の全体構成図である。 本発明に係る力検出部及びその周辺を示す図である。 本発明に係る注射針刺入装置の内部構成図である。 注射針位置および注射針にかかる圧力の時間的変化を示す図である。 本発明に係る注射針刺入装置の動作を示すフローチャートである。 注射針位置および注射針にかかるひずみの時間的変化を示す図である。 本発明に係る注射針刺入装置の動作を示すフローチャートである。 本発明に係る力検出部が微小変位検出部から構成されることを示す図である。 本発明に係る力検出部の着脱操作を示す図である。 微小変位検出部によるノイズ成分除去システムのフローチャート図である。

符号の説明

１０ 液収容部
２０ 注射針
３０ 力検出部
４０ ピストン部
５０ 移動部
６０ 動作制御部
１０１ 針元
１０２ 圧力センサ
１０３ ひずみセンサ
１０４ 針管
２０１ シリンジ
２０２ 継ぎ手
２０３ アクチュエーター
２０４ 継ぎ手
２０５ 継ぎ手
２０６ 支持台
２０７ Ｘ−Ｙステージ
２０８ Ｚステージ
２０９ Ｚステージ
２１０ 基板
３０１ 配線
３０２ 配線
３０３ 配線
３０４ 配線
３０６ 力検出部
３０７ 演算部
３０８ ピストン制御部
３０９ Ｘ−Ｙ−Ｚステージ制御部
４０１ 微小変位検出部
４０２ 微小変位検出部
４０３ 微小変位検出部
４０４ 微小変位検出部

Claims (10)

1. 液収容部と、
   前記液収容部の一端側に配置され、生体に刺入させられる注射針と、
   前記注射針にかかる力を検出する力検出部と、
   前記液収容部内に備えられたピストン部と、
   前記液収容部の長さ方向に沿って前記ピストン部を移動させる移動部と、
   前記注射針が刺入させられる方向に前記移動部を移動させた後に、検出された前記力の大きさが所定値に到達したことに基づいて、前記移動部を停止させる動作制御部と
   を備えることを特徴とする注射針刺入装置。
2. 前記注射針は、前記生体に刺入させられる一端部とは逆側の他端部を有し、
   前記力検出部は、前記他端部に備えられていることを特徴とする請求項１記載の注射針刺入装置。
3. 前記力検出部は、前記注射針に対して着脱自在であることを特徴とする請求項２記載の注射針刺入装置。
4. 前記力検出部は、前記液収容部に備えられていることを特徴とする請求項１記載の注射針刺入装置。
5. 前記力検出部は、前記液収容部に対して着脱自在であることを特徴とする請求項４記載の注射針刺入装置。
6. 前記力検出部は、前記注射針もしくは前記液収容部が圧入させられる中空部を有することを特徴とする請求項３又は請求項５のいずれかに記載の注射針刺入装置。
7. 前記力検出部は、少なくとも２つの微小変位検出部を備え、
   前記動作制御部は、前記微小変位検出部によって検出された力のいずれかが所定値に到達したことに基づいて、前記移動部を停止させることを特徴とする請求項１に記載の注射針刺入装置。
8. 前記力検出部は、少なくとも２つの微小変位検出部を備え、
   前記動作制御部は、前記微小変位検出部のそれぞれによって検出された力の合算値が所定値に到達したことに基づいて、前記移動部を停止させることを特徴とする請求項１に記載の注射針刺入装置。
9. 液収容部と、
   前記液収容部の一端側に配置され、生体に刺入させられる注射針と、
   前記注射針に対して外部からかかる力を検出する力検出部と、
   前記液収容部内に備えられたピストン部と、
   前記液収容部の長さ方向に沿って前記ピストン部を移動させる移動部と、
   前記注射針が刺入させられる方向に前記移動部を移動させた後に、検出された前記力の大きさの時間的変化が検出されたことに基づいて、前記移動部を停止させる動作制御部と
   を備えることを特徴とする注射針刺入装置。
10. 前記動作制御部は、検出された前記力の大きさが第１所定値に達した後に、前記第１所定値よりも低い第２所定値を基準とする所定許容範囲において前記力が所定期間継続している場合には、前記移動部を介して前記ピストン部を停止させることを特徴とする請求項１記載の注射針刺入装置。

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