JP2006276258A - 心臓シミュレータ - Google Patents

Abstract

【課題】 人体等の生体における心臓の様々な拍動状態を簡単な構成で再現すること。
【解決手段】 相互に独立した複数の心室１１を有する心臓モデル１２と、その各心室１１に対して空気の供給及び排出を行う流体給排装置１４と、この流体給排装置１４の動作を制御する制御装置１５とを備えて心臓シミュレータ１０が構成されている。心臓モデル１２は、前記心室１１に対する空気の出入りに応じて変形可能なセプトン等の弾性材料によって形成されている。制御装置１５は、前記各心室１１への空気の供給及び排出を独立して制御可能に設けられており、各心室１１内に独立した空気の拍動流を生じさせることで、心臓モデル１２の拍動状態が形成される。
【選択図】 図１

Description

本発明は心臓シミュレータに係り、更に詳しくは、人体等の心臓の拍動状態を模擬することができ、心臓手術を行う医師の訓練器具として有用な心臓シミュレータに関する。

人体の心筋には、冠動脈と呼ばれる動脈が張り巡らされており、この冠動脈が動脈硬化等によって狭窄、閉塞すると、心筋梗塞と呼ばれる心筋壊死が発生する。このような冠動脈の狭窄、閉塞に対する治療として、狭窄、閉塞した血管部位を迂回するように冠動脈の別経路を新たに確保する冠動脈バイパス手術が行われている。この際には、手術を行い易くするために患者の心臓を一旦停止させることから、患者の血液の循環状態を維持する人工心肺装置が使われることが多い。ところが、この人工心肺装置を使用することにより、術後の心機能低下や血流の変化に伴う脳障害等が発生する場合があるため、人工心肺装置を使わずに、患者の心臓が拍動した状態で前記手術を行うことが望ましい。しかしながら、このときは心臓が拍動状態にあるため、心筋に張り巡らされた冠動脈に対する切断や吻合等の作業が行い難く、非常に高い手術技能が医師に要求される。つまり、患者の心臓を停止させずに行う心臓外科手術は、医師の熟練度を要し、医師が十分な訓練を行っておく必要がある。

そこで、人体や動物等の生体を使わずに、拍動した心臓に対する処置や手術の訓練を行うための心臓手術用トレーナーが案出されている（特許文献１参照）。このトレーナーは、シリコンゴム等からなる心臓モデルと、この心臓モデルの心筋部分に配置された二本の第１及び第２の管と、これら第１及び第２の管に空気を供給する圧縮機と、当該圧縮機への空気流を選択的に制御する制御回路とを備えて構成されている。このような構成のトレーナーは、第１及び第２の管に対し、相互にタイミングの相違する一定時間おきに空気が供給されて第１及び第２の管が加圧されることにより、心筋部分が揺動して、心臓モデルが拍動するようになっている。
特表２００４−５０８５８９号公報

しかしながら、このようなトレーナーにあっては、人体の心臓のように、四個の心室に対する拍動流の出入りを伴わないため、その出入りに伴う心臓の拍動状態を完全に再現することが難しく、前記手術の訓練器具としては不十分である。また、成人や子供、健常者や各病態といった人体の状態の相違に伴って、血流状態や各心室の拍動状態が異なるが、前記トレーナーの管構造では、そこまで種々再現することが難しいという不都合がある。また、前記トレーナーの心臓モデルには、その心筋部分に第１及び第２の管がそれぞれ螺旋状に取り付けられるため、心臓モデルに複雑な加工が要求され、しかも、第１及び第２の管が詰まった場合等、各管の交換の必要が生じたときには、これら第１及び第２の管のみを交換したり取り外したりすることができず、管のメンテナンスを効率的に行えないという不都合もある。

本発明は、このような不都合に着目して案出されたものであり、その目的は、人体等の生体における心臓の様々な拍動状態を簡単な構成で再現することができる心臓シミュレータを提供することにある。

（１）前記目的を達成するため、本発明は、相互に独立した複数の心室を有する心臓モデルと、前記各心室に対して流体の供給及び排出を行う流体給排装置と、当該流体給排装置の動作を制御する制御装置とを備え、
前記心臓モデルは、前記心室に対する流体の出入りに応じて変形可能な弾性材料により形成され、
前記制御装置は、前記各心室に対する流体の供給及び排出を独立して制御することで、前記流体給排装置の動作時に前記心臓モデルの拍動状態を形成する、という構成を採っている。

（２）また、前記制御装置は、生体の複数の状態につき、前記流体給排装置の動作パターンがそれぞれ記憶され、前記状態に応じて前記心臓モデルを拍動させる、という構成を採ることが好ましい。

前記（１）の構成によれば、相互に独立した複数の心室に対する流体の出入りが独立制御されることで、心臓モデルの拍動状態をシミュレーションする構造であるため、比較的簡単な構造で、人体等の生体の心臓の拍動状態に近似した状態を作ることができる。

前記（２）のように構成することで、成人や子供、健常者や各病態といった生体の状態の相違に伴って変化する実際の心臓の拍動状態に合わせて心臓モデルを拍動させることが可能となり、前記種々の状態での医師の訓練が可能となる。

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。

図１には、本実施例に係る心臓シミュレータの概略構成図が示されている。この図において、心臓シミュレータ１０は、相互に独立した複数の心室１１を有する心臓モデル１２と、その各心室１１に対して空気の供給及び排出を行う流体給排装置１４と、この流体給排装置１４の動作を制御する制御装置１５とを備えて構成されている。

前記心臓モデル１２は、図２に示されるように、マネキン状の模擬体１７の胸部１８に空けられた穴１９内に収容され、模擬体１７の正面側からアクセス可能に表出している。この心臓モデル１２は、前記心室１１に対する空気の出入りに応じて変形可能なセプトン等の弾性材料によって形成されており、図１に示されるように、外壁２１と、当該外壁２１の内側の空間を独立した４室に仕切る内壁２２とにより構成されている。

前記流体供給装置１４は、各心室１１からそれぞれ延びる４本の管路２４と、これら管路２４にそれぞれ接続される４個のアクチュエータユニット２５とを備えている。

前記管路２４は、心臓モデル１２の各心室１１と、当該各心室１１に対応する各アクチュエータユニット２５とを着脱自在に接続されており、これら心室１１とアクチュエータユニット２５との間で空気の流通を許容する。

前記各アクチュエータユニット２５は、それぞれ同一構造となっており、図３に示されるように、中空円筒状に設けられたシリンダ２７と、このシリンダ２７を下方から支持する支持体２８と、シリンダ２７の内部空間に配置されたピストン２９と、このピストン２９に連なるピストンロッド３０と、シリンダ２７の下方位置に設けられ、当該シリンダ２７の軸線に対してほぼ平行に延びるねじ軸３１と、このねじ軸３１に係合し、ピストンロッド３０に固定された連結部材３２と、ねじ軸３１の一端側に連なるモータ３４とを備えて構成されている。

前記シリンダ２７は、その内部空間に向かって管路２４の一端側が貫通する管側端壁３６と、ピストンロッド３０が貫通するロッド側端壁３７と、これら端壁間３６，３７間に連なる周壁３８とを備えている。

前記ピストン２９は、シリンダ２７の内径とほぼ同一となる外径の円盤状に設けられており、シリンダ２７の軸線方向（図３中矢印方向）に移動可能に配置されている。

以上の構成の各アクチュエータユニット２５は、送りねじ軸構造となっており、モータ３４が回転駆動すると、ピストン２９がシリンダ２７の内部空間を移動するようになっている。具体的には、モータ３４が正方向に回転すると、ねじ軸３１が正方向に回転し、当該回転に伴ってピストンロッド３０が管側端壁３６に向かって移動する。このときには、ピストン２９と管側端壁３６との間の容積が減少することで、シリンダ２７の内部空間の空気が管路２４を通って対応する心室１１内に供給される。一方、モータ３４が逆方向に回転すると、ねじ軸３１が逆方向に回転し、当該回転に伴ってピストンロッド３０がロッド側端壁３７に向かって移動する。このときには、ピストン２９と管側端壁３６との間の容積が増大することで、シリンダ２９の内部空間に管路２４側から空気が吸入される状態となり、各管路２４に対応する心室１１内から空気が排出される。ここで、モータ３４は、制御装置１５による制御により、所定のタイミングで、正逆回転が繰り返し行われ、これによって、心室１１内に対する空気の供給及び排出が繰り返し行われることになり、各心室１１内で空気の拍動流が生じることになる。その結果、心臓モデル１２の外壁２１及び内壁２２が膨張変形と収縮変形とが繰り返し行われ、心臓モデル１２の拍動状態が形成される。

前記制御装置１５は、ハードウェア及び／又はソフトウェアによって構成され、プロセッサ等、複数のプログラムモジュール及び／又は処理回路より成り立っている。この制御装置１５は、前記各心室１１への空気の供給及び排出を独立して制御可能に設けられており、成人の健常時、子供の健常時、成人及び子供の種々の病態時等の各種状態における各アクチュエータユニット２５の動作パターンがそれぞれ記憶されている。つまり、動作パターンによって、各アクチュエータユニット２５のピストン２９の動作が同期していたり、若しくは相互に非同期となっていたり、又は、ピストン２９の往復サイクルが異なっていたり等、各心室１１に対する空気の供給及び排出の状態、つまり、その空気の流速や圧力を種々独立させて制御することができる。ここで、前述した病態とは、各種不整脈症（洞頻脈、洞除脈、心房期外収縮、心室期外収縮、心房粗動、心室細動、房室ブロック、脚ブロック、洞房ブロック等）があり、以上の疾患に対する心臓モデル１２の拍動状態は、心電図データを基に、各心室１１の収縮タイミング及び流量を制御することにより再現可能である。また、ＭＲＩ、超音波、ＣＴ等で、心筋表面挙動のデータを取得することにより、次の疾患時における心臓モデル１２の拍動状態の再現も可能である。ここでの疾患は、発作性頻脈、心筋梗塞、各種虚血性心疾患、心肥大、心筋拡張症、弁膜症に起因する心不全等を例示できる。また、心筋表面の再現に限れば、心臓モデル１２の形態とソフトウェアによる収縮パターンとを考慮することであらゆる疾患に対応可能である。更に、前記動作パターンは、例えば、心臓表面に取り付けられた複数のマーカの座標を時系列的に取得可能なシステムから得たデータを基に作成される。

従って、このような実施例によれば、心臓モデル１２の４つの心室１１に対し、それぞれ独立して空気の出し入れが行われることにより、心臓モデル１２が拍動する構造であるため、比較的簡単な構成で、人体の心臓に近い拍動状態を心臓モデル１２に付与させることができるという効果を得る。そして、心臓モデル１２の周囲に模擬血管等を張り巡らせることで、拍動状態の心臓の冠動脈に対する手術等の訓練を実際に近い状態で行うことができる。

また、心臓モデル１２の外壁２１の部分に管路２４を埋設しなくても良いため、当該管路２４を埋設する場合に比べ、心臓モデル１２の加工を簡単に行え、しかも、管路２４の交換も容易に行える。

なお、本発明における心臓モデル１２は、前記実施例のように人体に擬似させた構成に限らず、他の動物等の生体に擬似させて、心室１１の数を増減させた構成にしてもよい。また、心臓モデル１２は、前記実施例のものに限らず、前述の作用を奏することができる限りにおいて、種々の材質にて形成できる他、ブタ等の生体の心臓をそのまま使用することも可能である。

また、前記実施例では、心臓モデル１２の各心室１１に供給される流体として、空気を採用しているが、本発明はこれに限らず、他の気体や、模擬血液や水等の液体を採用してもよい。

その他、本発明における装置各部の構成は図示構成例に限定されるものではなく、実質的に同様の作用を奏する限りにおいて、種々の変更が可能である。

本実施例に係る心臓シミュレータの概略構成図。 心臓モデルが模擬体内に配置された状態を示す正面図。 アクチュエータユニットの概略斜視図。

符号の説明

１０ 心臓シミュレータ
１１ 心室
１２ 心臓モデル
１４ 流体給排装置
１５ 制御装置

Claims (2)

1. 相互に独立した複数の心室を有する心臓モデルと、前記各心室に対して流体の供給及び排出を行う流体給排装置と、当該流体給排装置の動作を制御する制御装置とを備え、
   前記心臓モデルは、前記心室に対する流体の出入りに応じて変形可能な弾性材料により形成され、
   前記制御装置は、前記各心室に対する流体の供給及び排出を独立して制御することで、前記流体給排装置の動作時に前記心臓モデルの拍動状態を形成することを特徴とする心臓シミュレータ。
2. 前記制御装置は、生体の複数の状態につき、前記流体給排装置の動作パターンがそれぞれ記憶され、前記状態に応じて前記心臓モデルを拍動させることを特徴とする請求項１記載の心臓シミュレータ。