JP2006078579A - Trocar insertion training system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、腹腔鏡下手術において用いるトロッカーの挿入動作を、人体や動物などを用いることなく、模擬的に実施可能な訓練システムに関するものである。 The present invention relates to a training system capable of simulating an operation of inserting a trocar used in laparoscopic surgery without using a human body or an animal.
メスによる切開や針の刺入、鉗子による切断や剥離操作など、医療行為を行うためには、医師等の専門の資格を必要とする。また、必要な資格を持っている場合でも、熟練していない医療行為を、患者を用いて訓練することはできない。
このため、医師の資格を取得する前の医学生や、技能の習熟していない医師が医療行為の訓練を行うためには、模型を用いたり、動物を用いたりした訓練が行われている。しかしながら、模型は様々な状況への対応が困難で、リアリティが十分でない。また、動物を利用した訓練は、動物愛護等の倫理的な観点から、実施が困難となっている。
そこで、近年ロボット工学、メカトロニクス、情報工学、バーチャルリアリティ技術等を用いた訓練システムが開発されている。
For this reason, in order for medical students before acquiring a doctor's qualification or doctors who are not proficient in skill to perform medical practice training, training using models or animals is performed. However, the model is difficult to deal with various situations and has insufficient reality. In addition, training using animals is difficult to implement from an ethical point of view such as animal welfare.
Therefore, in recent years, training systems using robotics, mechatronics, information engineering, virtual reality technology, etc. have been developed.
現在、腹腔鏡下手術を行うためには、腹部に鉗子を挿入する前に、トロッカーを挿入する必要がある。トロッカーを挿入する方法には、腹部をメスで小切開して挿入するオープン法、気腹針先に挿入し、気腹してからトロッカーを挿入するクローズド法がある。オープン法は、安全かつ確実に挿入が可能であるが、時間がかかり、切開により出血が生じるほか、気密が保ちにくいなどの問題がある。また、クローズド法は、トロッカーによる臓器損傷の可能性は少ないものの、挿入手技には時間がかかり、気腹針で臓器を損傷する恐れがある。
これに対し、ブレードレストロッカーと内視鏡を合わせて用いるオプティカル法は、手数が少ないため挿入手技に時間がかからず、画像を見ながら挿入するため、安全性が高い。また、金属のブレードで組織を切断しないため出血がほとんどなく、腹壁から抜けにくく気密が保ちやすいといった特徴を持っている。しかし、オプティカル法によるトロッカー挿入の際のトロッカーの操作、および内視鏡画像の見方に習熟を必要とするため、挿入手技の会得が難しいという問題がある。
そこで、本発明は人体や動物を用いることなく、リアリティの高いブレードレストロッカーのオプティカル挿入法を訓練可能なシステムを実現する。
また、実際の手術時では、どの程度の力や動作を行うとトロッカーの挿入に失敗するのか、また、トロッカーの挿入に失敗した際にはどのような画像が提示されるのかについて経験することが難しく、挿入手技の習熟に多くの経験を必要とする。
そこで本発明は、トロッカーの挿入手技の失敗を仮想的に体験可能にし、さらに効果的な訓練が実施可能な、実際には起こりえない状況の映像や反力の提示を実現する。
Currently, to perform laparoscopic surgery, it is necessary to insert a trocar before inserting forceps into the abdomen. As a method for inserting a trocar, there are an open method in which the abdomen is inserted by making a small incision with a scalpel, and a closed method in which the trocar is inserted after inserting into the pneumoperitoneum tip. Although the open method can be inserted safely and reliably, there are problems such as time consuming, bleeding due to incision, and difficulty in maintaining airtightness. In addition, the closed method is unlikely to cause organ damage by the trocar, but the insertion procedure takes time, and there is a risk of damage to the organ with the pneumoperitoneum needle.
On the other hand, the optical method using a combination of a blade rest locker and an endoscope is low in manpower, so it does not take time for the insertion procedure, and is inserted while viewing the image, so it is highly safe. In addition, since the tissue is not cut with a metal blade, there is almost no bleeding, and it is easy to keep airtight because it does not easily come off the abdominal wall. However, there is a problem that it is difficult to learn the insertion technique because it requires skill to operate the trocar when inserting the trocar by the optical method and to view the endoscopic image.
Therefore, the present invention realizes a system capable of training a highly realistic blade rest rocker optical insertion method without using a human body or an animal.
Also, during actual surgery, you can experience how much force and movement will cause trocar insertion failure, and what kind of images will be presented when trocar insertion fails. It is difficult and requires a lot of experience to master the insertion technique.
Therefore, the present invention makes it possible to virtually experience the failure of the trocar insertion technique, and to realize a video and reaction force in a situation that cannot actually occur, in which effective training can be performed.
本発明者らは、上記課題を解決するために、トロッカー挿入動作を訓練するためのシステムを開発した。図1に示すシステムは、トロッカーの姿勢や動作を計測するセンサ部1と、対象物からの反力を提示するアクチュエータ部2を備えた反力提示装置3と、トロッカーを挿入する部位の変形やトロッカーへの反力等を求める計算アルゴリズム4と、反力提示装置を制御する制御部5を備える計算機6で構成される。トロッカー7は、実際のトロッカー、あるいは模擬トロッカーを用いることが可能で、訓練者はトロッカー7を操作しながら、トロッカー挿入時の適切な力の掛け具合を訓練する。 In order to solve the above problems, the present inventors have developed a system for training a trocar insertion operation. The system shown in FIG. 1 includes a sensor unit 1 that measures the posture and movement of a trocar, a reaction force presentation device 3 that includes an actuator unit 2 that presents a reaction force from an object, a deformation of a part where the trocar is inserted, The computer 6 includes a calculation algorithm 4 for obtaining a reaction force to the trocar and a control unit 5 for controlling the reaction force presentation device. As the trocar 7, an actual trocar or a simulated trocar can be used, and the trainer trains the appropriate degree of force when inserting the trocar while operating the trocar 7.
図2に示すシステムは、図1に示すシステムに加え、内視鏡8、トロッカー挿入時の内視鏡画像を生成する画像生成部9、および画像提示部10を有する。内視鏡8は、実際の内視鏡、あるいは模擬内視鏡を用いることができる。訓練者は、内視鏡8を内部に挿入したトロッカー7を操作し、画像提示部10に提示される画像を見ながら、トロッカー挿入時の適切な力の掛け具合、および表示される画像の見方を訓練する。 In addition to the system shown in FIG. 1, the system shown in FIG. 2 includes an endoscope 8, an image generation unit 9 that generates an endoscope image when a trocar is inserted, and an image presentation unit 10. The endoscope 8 can be an actual endoscope or a simulated endoscope. The trainee operates the trocar 7 into which the endoscope 8 is inserted, and while viewing the image presented on the image presentation unit 10, the trainee applies the appropriate force when inserting the trocar and how to view the displayed image. To train.
また、本発明における訓練時の反力および画像の提示において、実際の手技に近いリアルな状況に加えて、失敗した時の状況や、実際には起こりえない状況の映像や反力を提示したりすることで、実際の訓練よりも効果的な仮想訓練を可能とする。 In addition, in the presentation of reaction force and images at the time of training in the present invention, in addition to the realistic situation close to the actual procedure, the video and reaction force of the situation at the time of failure and the situation that cannot actually occur are presented. By doing this, virtual training that is more effective than actual training becomes possible.
本発明で開発したシステムを用いることで、人体や動物を用いることなく、手術前に、実際の手術と同様の臨場感の高い状況において、トロッカー挿入動作の訓練が可能となる。
また、トロッカー挿入の失敗の体験や、実際には起こりえない状況の映像や反力を提示し、訓練時に体験することで、実際の訓練よりも短時間で効果的な訓練が可能となる。
By using the system developed in the present invention, it is possible to train a trocar insertion operation before the operation in a highly realistic situation similar to an actual operation without using a human body or an animal.
In addition, by presenting the experience of failure to insert the trocar, video and reaction force of situations that cannot actually occur, and experiencing during training, effective training can be performed in a shorter time than actual training.
本発明に基づくトロッカー挿入訓練システムの一実施例を示す。図3は、図1または図2のシステムにおける、反力提示装置の機構の実施例を示している。アクチュエータ16とエンコーダ11がボールねじ17に取り付けられ、リンク8a、8b、8c、8dで構成される平行リンク機構を駆動する。ジンバル機構19により、トロッカーの姿勢が変化するため、エンコーダ12、13、14を用いてトロッカーの姿勢を計測する。また、ジンバル機構19は、力センサ15a、15bに支えられており、訓練者がトロッカーに与える力を力センサ15a、15bにより計測する。トロッカーの中には、内視鏡が挿入される。 1 shows one embodiment of a trocar insertion training system according to the present invention. FIG. 3 shows an embodiment of the mechanism of the reaction force presentation device in the system of FIG. 1 or FIG. An actuator 16 and an encoder 11 are attached to the ball screw 17 and drive a parallel link mechanism including links 8a, 8b, 8c, and 8d. Since the attitude of the trocar changes by the gimbal mechanism 19, the attitude of the trocar is measured using the encoders 12, 13, and 14. The gimbal mechanism 19 is supported by force sensors 15a and 15b, and the force applied to the trocar by the trainee is measured by the force sensors 15a and 15b. An endoscope is inserted into the trocar.
この他に、反力提示装置の制御や腹壁の変形・力覚を計算する計算機、および内視鏡画像を提示する画像提示システムが必要であるが、これは一般的な計算機およびモニタで代用可能であるため、省略する。
本発明において、トロッカーの姿勢を検出するセンサには、ロータリエンコーダ、ポテンショメータ等、一般的な回転角度を計測するセンサを利用できる。
反力提示装置のアクチュエータには、ACサーボモータをはじめ、一般的にロボットに用いられるアクチュエータを利用できる。
トロッカーは、実物、あるいは模型を用いることができる。
内視鏡は、実物、あるいは模型を用いることができる。
力覚提示システムに用いる機構としては、パンタグラフ機構、ジンバル機構の他に、パラレルメカニズムなど、トロッカーの先端部で姿勢の3自由度、位置は1自由度、2自由度、3自由度、またはそれ以上の自由度を有するメカニズムを用いることができる。
In addition, a computer that controls the reaction force presentation device, calculates deformation and force sense of the abdominal wall, and an image presentation system that presents endoscopic images are required, but this can be replaced with a general computer and monitor. Therefore, it is omitted.
In the present invention, a sensor that measures a general rotation angle, such as a rotary encoder or a potentiometer, can be used as the sensor that detects the attitude of the trocar.
As an actuator of the reaction force presentation device, an AC servo motor and other actuators generally used for robots can be used.
The trocar can be a real or a model.
The endoscope can be a real object or a model.
As a mechanism used in the force sense presentation system, in addition to the pantograph mechanism and the gimbal mechanism, the parallel mechanism and the like have three degrees of freedom in posture at the tip of the trocar, the position is one degree of freedom, two degrees of freedom, three degrees of freedom A mechanism having the above degrees of freedom can be used.
反力提示部において提示する反力、および画像提示部において提示する画像は、人体に対するトロッカー挿入時の反力および画像に極めて近いものや、トロッカーの挿入に失敗した時の反力や画像、実際の人体と同じモデルにより計算された反力や異なるモデルにより計算された反力、実際の人体よりも反力が小さいものや大きいもの、挿入が容易なものや困難なものなど、様々な特性や状況の反力および画像を提示することができる。 The reaction force presented in the reaction force presentation unit and the image presented in the image presentation unit are very close to the reaction force and image when the trocar is inserted into the human body, the reaction force and image when the trocar fails to be inserted, Various characteristics such as reaction force calculated by the same model as the human body, reaction force calculated by a different model, one that is smaller or larger than the actual human body, one that is easy or difficult to insert Situation reaction force and images can be presented.
本発明のトロッカー挿入訓練システムは、人体や動物を用いることなく、リアリティの高い挿入訓練が可能であるため、医学生や技術が熟練していない医師が、事前にトロッカーの挿入訓練を実施することができる。また、様々な反力や画像の提示が可能であるため、実際の訓練よりも短時間で効果的な訓練を実施することができる。 Since the trocar insertion training system of the present invention enables highly realistic insertion training without using a human body or animals, medical students and doctors who are not skilled in technology should perform trocar insertion training in advance. Can do. In addition, since various reaction forces and images can be presented, effective training can be performed in a shorter time than actual training.
1・・・センサ部、2・・・アクチュエータ部、3・・・反力提示部、4・・・計算アルゴリズム、5・・・制御部、6・・・計算機、7・・・トロッカー、8・・・内視鏡、9・・・画像生成部、10・・・画像提示部、11、12、13、14・・・エンコーダ、15a、15b・・・力センサ、16・・・アクチュエータ、17・・・ボールねじ、18a、18b、18c、18d・・・リンク、19・・・ジンバル機構
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Sensor part, 2 ... Actuator part, 3 ... Reaction force presentation part, 4 ... Calculation algorithm, 5 ... Control part, 6 ... Computer, 7 ... Trocar, 8・ ・ ・ Endoscope, 9 ... Image generation unit, 10 ... Image presentation unit, 11, 12, 13, 14 ... Encoder, 15a, 15b ... Force sensor, 16 ... Actuator, 17 ... Ball screw, 18a, 18b, 18c, 18d ... Link, 19 ... Gimbal mechanism
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