JP2009133878A - 外科手術訓練装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 モータを用いずに、比較的簡単な構成で、訓練対象となる模擬体に対して所望の動作をさせること。
【解決手段】 外科手術訓練時に所定の処置が施される模擬体８３と、この模擬体８３を下方から保持する保持体８４と、この保持体８４を動作可能に支持する支持体８５と、保持体８４及び支持体８５を連結するワイヤ８６と、保持体８４の動作制御を行う制御ユニット７１とを備えて外科手術訓練装置１３が構成されている。ワイヤ８６は、電流が流れると原形状に対して収縮可能な形状記憶材料により形成されている。制御ユニット７１は、ワイヤ８６に所定のタイミングで電流を供給する駆動信号発生手段１１４を備え、この駆動信号発生手段１１４は、ワイヤ８６に対する電流の供給状態を変化させることで、ワイヤ８６の形状の変化を伴って保持体８４の動作制御を行う。
【選択図】 図１

Description

本発明は外科手術訓練装置に係り、更に詳しくは、拍動下での心臓外科手術等を想定して、動いた状態の生体組織に対して、吻合、結紮、切断等の各種処置の訓練を行うことができる外科手術訓練装置に関する。

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。この冠動脈バイパス手術時には、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処置が行い難く、非常に高い手術技能が医師に要求される。換言すれば、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。

ところで、拍動した心臓に対する外科手術の訓練を行うための手術訓練用シミュレーターが提案されている（特許文献１参照）。このシミュレーターは、モータの回転により、当該モータに繋がる伝達機構を介して模擬心臓内に配置された揺動手段が偏心回転することで、模擬心臓の表面を拍動させる構造となっている。
特開２００５−２０２２６７号公報

しかしながら、前記シミュレーターにあっては、モータの駆動による揺動手段の偏心回転により模擬心臓の表面を拍動させる構造であるため、当該表面の変化に乏しい比較的単純な拍動運動しか得られない。人体における実際の心臓拍動時においては、心臓表面が複雑な動きをし、その動きは病態等に応じて異なるため、このような動きを前記シミュレーターで再現するには、モータ、当該モータに繋がる伝達機構及び揺動手段を更に増やし、各揺動手段を独立して動作させることが必要となる。この場合には、モータ等を含めた機構が複雑且つ大掛かりとなるため、部品点数の増大に伴う装置全体の大型化を招来し、製造コストが増大することになる。

本発明は、このような課題に着目して案出されたものであり、その目的は、モータを用いずに、比較的簡単な構成で、訓練対象となる模擬体に対して所望の動作をさせることができる外科手術訓練装置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、外科手術訓練時に所定の処置が施される模擬体と、この模擬体を保持する保持体と、この保持体を動作可能に支持する支持体と、前記保持体及び支持体を連結する連結部材と、前記保持体の動作を制御する制御ユニットとを備え、
前記連結部材は、電流が流れると原形状に対して収縮可能な形状記憶材料により形成され、
前記制御ユニットは、前記連結部材に所定のタイミングで電流を供給する駆動信号発生手段を備え、
前記駆動信号発生手段は、前記連結部材に対する電流の供給状態を変化させることで、前記連結部材の形状の変化を伴って前記保持体の動作制御を行う、という構成を採っている。

（２）ここで、前記駆動信号発生手段は、所定波形の供給電圧を前記連結部材に印加する、という構成を採ることが好ましい。

（３）この際、前記供給電圧は、矩形波であり、前記駆動信号発生手段は、当該矩形波のデューティー比を調整可能に設けられる、という構成を採ることもできる。

（４）また、前記模擬体、保持体、支持体及び連結部材を収容可能なケースを更に備え、当該ケースは、前記模擬体に上方からアクセス可能に設けられる、という構成も併せて採用することができる。

（５）ここで、前記支持体は、その高さを調整可能に設けられる、という構成を採ることが好ましい。

（６）また、前記支持体には、模擬体の姿勢を可変にし、且つ、当該模擬体を所望の姿勢でロックする機構が設けられる、という構成を採るとよい。

（７）更に、前記保持体は、前記模擬体が取り付けられる保持プレートと、この保持プレートに対して、前記連結部材に電流が流れていない初期状態に復元する方向に付勢する付勢手段とを備える、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、連結部材に対する電流の供給により、連結部材の変形を利用して、モータを使わずに模擬体及び保持体を動作させることができる。ここで、保持体に対する連結部材の連結状態を種々選択し、当該連結部材への電流の供給を独立して制御することにより、模擬体に対して複雑な動きを与えることが可能になり、このようにすることで、病態等の各種条件に応じた心臓表面の複雑な動きを模擬することができる。この際、モータ及びその伝達機構は使わずに、電流の供給を制御するためのプログラムモジュール及び／又は処理回路の調整により対応が可能であるため、簡単な構成により、種々の複雑な動きを模擬体に行わせることができ、部品点数の減少による装置全体の小型化、省コスト化を実現することができる。

前記（２）のように構成することで、模擬体の繰り返し動作等、模擬体の複雑な動きを簡単に実現可能となる。また、供給電圧の大きさを調整することで、連結部材の収縮量を調整し、模擬体の動作の大きさを変えることができる。

前記（３）の構成により、矩形波のデューティー比を変えることで、連結部材の収縮タイミングを調整し、模擬体の動作速度を変えることができる。

前記（４）の構成によれば、ケースの内部空間を胸腔に相当させることができ、より実際の手術に近い状態で訓練者が外科手術訓練を行うことができる。

前記（５）の構成によれば、ケース上部からその内部の模擬体までの距離を変えることができ、体表からの距離が異なる種々の臓器や組織等に対する手術の訓練が可能となり、汎用的となる。

前記（６）の構成によれば、単純な形状の模擬体を使った場合でも、当該模擬体の姿勢を変えることで、例えば、心臓の表面に対する手術や同側部に対する手術等、処置の体勢の異なる手術の訓練を行うことができ、実際の臓器の形状に近似させた模擬体を用意しなくても、実際の手術に即した効果的な訓練を行うことができる。

前記（７）の構成によれば、連結部材に対する電流の供給が停止若しくは低下したときに、付勢手段により、模擬体の初期状態への復元が補助され、メリハリのある模擬体の動きを実現可能となる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。

図１には、本実施形態に係る外科手術訓練装置の概略構成図が示されている。この図において、外科手術訓練装置１３は、医師や医学生等の訓練者が外科手術訓練を行うための訓練ユニット７０と、この訓練ユニット７０における訓練部位の動作制御を行う制御ユニット７１とを備えて構成されている。

前記訓練ユニット７０は、上部が開放する箱型のケース７３と、このケース７３の上部に被覆されたシート７４と、患部に相当するようにケース７３内に配置された被処置体７５とを備えて構成されている。

前記ケース７３は、その内部空間が胸腔に相当するように設けられたものである。このケース７３は、図２に示されるように、被処置体７５を下方から支持する平面視ほぼ方形状のベース７７と、このベースの四隅に起立配置されたほぼ角柱状の支柱７８と、これら支柱７８の上端側間に連結された平面視ほぼ方形枠状のフレーム７９と、ケース７３の側方となる各支柱７８間にそれぞれ配置されるとともに、透光性を有するアクリル板により形成された側壁８０とにより構成されている。

前記シート７４は、人体の皮膚部分に相当する部材であり、ラテックス等の所定の弾性を有するゴムにより形成されている。このシート７４のほぼ中央には、皮膚の切開部位を模擬した切り込み穴８１が形成されており、シート７４をケース７３の上部に被覆した際に、訓練者は、切り込み穴８１を通じて、ケース７３の外部上方からその内部の被処置体７５にアクセス可能となっている。なお、このシート７４は、図示しない固定具によって、フレーム７９に固定されるようになっている。

前記被処置体７５は、図１に示されるように、外科手術訓練時に所定の処置が施される模擬体８３と、この模擬体８３を下方から保持する保持体８４と、この保持体８４を動作可能に支持する支持体８５と、保持体８４及び支持体８５を連結する連結部材としてのワイヤ８６とを備えて構成されている。

前記模擬体８３は、訓練対象となる生体組織の一部を模擬して形成されており、本実施形態では、図２〜図４に示されるように、冠動脈が表出する心臓表面の一部分を模擬してシリコーン等により形成されている。この模擬体８３は、ほぼ直方体状をなす模擬心筋８８と、模擬心筋８８の上面側における短寸幅方向ほぼ中央に固定され、模擬心筋８８の長手方向に沿って延びる模擬血管８９とからなる。

前記保持体８４は、模擬心筋８８の下面側に取り付けられる保持プレート９０と、この保持プレート９０の下面における中央部分から下向きに突出するほぼ円筒状の中央突部９１と、この中央突部９１に取り付けられる付勢手段としてのコイルばね９２と、保持プレート９０の下面における各コーナ側４箇所から下向きに突出するほぼ円筒状のコーナ突部９３とを備えて構成されている。

前記保持プレート９０は、特に限定されるものではないが、模擬心筋８８とほぼ同一の平面形状をなしており、模擬体８３を着脱自在に取り付け可能になっているとともに、当該取り付け時には、模擬体８３を相対移動不能に固定可能となっている。

前記コイルばね９２は、図５に示されるように、その上端部分が中央突部９１の外周に巻き付けられて固定されており、図５の初期状態で中央突部９１より下方に延びる長さに設定されており、保持プレート９０を図５中に上向きに付勢するようになっている。なお、本実施形態では、コイルばね９２を用いているが、後述する作用を奏することができれば、他のばねやゴム等の他の付勢手段を代替することも可能である。

前記各コーナ突部９３には、前記ワイヤ８６が取り付けられており、特に限定されるものではないが、各コーナ突部９３の高さは、中央突部９１よりも低く設定されている。

前記支持体８５は、図２〜図４に示されるように、ベース７７に対して着脱自在に起立配置された丸棒状の脚部材９５と、前記保持体８４及び脚部材９５を連結するユニバーサルジョイント９６とを備えて構成されている。

前記ユニバーサルジョイント９６は、模擬体８８の姿勢を可変にし、且つ、当該模擬体８８を所望の姿勢でロックするようになっている。すなわち、ユニバーサルジョイント９６は、前記保持体８４が取り付けられる上側部材９８と、脚部材９５が取り付けられる下側部材９９と、上側部材９８の下端側に連なって、上側部材９８を下側部材９９に対してほぼ全周に首振り回転可能に連結する中間部材１００とを備えている。

前記上側部材９８は、図５に示されるように、上端側が開放する有底円筒状に設けられており、前記コイルばね９２が受容される受容部１０２と、この受容部１０２の下方位置で径方向に貫通する貫通穴１０３と、この貫通穴１０３に挿通される軸部材１０４とを備えている。

前記受容部１０２は、その底部にコイルばね９２の下端部分が載置され、装置が作動していない図５の初期状態において、コイルばね９２の上部が外側に表出可能となる深さに設定されている。従って、前記初期状態では、保持プレート９０の下面と上側部材９８の上端との間には隙間Ｃが生じることになる。

前記軸部材１０４は、受容部９８の外径よりも長く設定されており、延出方向両端側（図５中左右両端側）が受容部９８の外側に突出するように固定配置されている。これら突出部分には、軸部材１０４を貫通する小穴１０６が設けられている。この小穴１０６には、後述するように、前記ワイヤ８６が挿通されるようになっている。

図２〜図４に示されるように、前記下側部材９９は、その下端側から内部に脚部材９５の上部を挿入可能に設けられ、ねじＳ（図４参照）の締め付けにより、下側部材９９が脚部材９５に固定されるようになっている。ここで、長さの異なる脚部材９５を選択的に使用することで、支持体８５の全体高さを変えることができる。換言すると、脚部材９５の選択により、ケース７３（図２参照）の上端側から模擬体８３までの距離を変えることができ、体表からの距離が異なる各種の臓器等に対する外科手術を想定した訓練が可能になる。

前記中間部材１００は、その下端側の球状部材Ｂ（図５参照）を回転中心として、下側部材９９に対して上側部材９８を図３及び図４の矢印方向に回転可能に設けられている。ここで、上側部材９８の外周側に設けられたねじ（図示省略）の締め付けにより、下側部材９９に対する上側部材９８の角度を所望の値に固定することが可能になっている。この上側部材９８は、模擬体８３及び保持体８４に対してコイルばね９２を介して繋がっているため、上側部材９８の姿勢の変更に伴って模擬体８３の姿勢が変わり、訓練の対象に応じて、支持体８５に対する模擬体８３の角度を変えて訓練を行うことができる。例えば、心臓の表部における冠動脈の吻合訓練を行う際には、模擬体８３の表面がほぼ水平となる向きにセットされ、心臓の側部における冠動脈の吻合訓練を行う際には、模擬体８３の表面が傾斜する向きにセットされる。なお、特に限定されるものではないが、模擬体８３の模擬血管８９から中間部材１００の回転中心すなわち球状部材Ｂまでは、４０ｍｍ〜４５ｍｍに設定されている。

前記ワイヤ８６は、例えば、特開２００５−１９３５８３号公報、特開昭５７−１４１７０４号公報等に開示されているように、電流が流れると発熱により収縮可能となるＴｉ−Ｎｉ系若しくはＴｉ−Ｎｉ−Ｃｕ系等の形状記憶合金により形成されている。このワイヤ８６は、二本設けられ、図６に示されるように、そのうちの一本は、同図中左上のコーナ突部９３から軸部材１０４の小穴１０６に挿通されて同図中左下のコーナ突部９３まで延び、残りの一本は、同図中右上のコーナ突部９３から軸部材１０４の小穴１０６に挿通されて同図中右下のコーナ突部９３まで延びている。図６中左上のコーナ突部９３に取り付けられたワイヤ８６の端部には、制御ユニット７１で制御された電流が流れる入口側電線１０７が接続されている。また、図６中右上のコーナ突部９３に取り付けられたワイヤ８６の端部には、アースＥに繋がる出口側電線１０８が接続されている。更に、図６中左下及び右下の各コーナ突部９３，９３に取り付けられたワイヤ８６，８６の端部間は、接続用電線１０９が接続されている。従って、二本のワイヤ８６，８６は、電気的に直列に接続されることになり、制御ユニット７１側からの電流は、図６中左側に配置されたワイヤ８６から同右側に配置されたワイヤ８６を通ってアースＥに流れることになる。また、これらワイヤ８６，８６は、前記初期状態において、所定の張力が付与された状態で各コーナ突部９３に張設されている。なお、特に限定されるものではないが、入口側電線１０７及び出口側電線１０８は、図１及び図３に一部示されているが、支持体８５の内部空間を通ってベース７７からケース７３の外側に出されるようになっている。

前記制御ユニット７１は、図１に示されるように、電源１１３と、この電源１１３からの電流を所定のタイミングでワイヤ８６に供給する駆動信号発生手段１１４とを備えている。この駆動信号発生手段１１４は、ワイヤ８６に対する電流の供給状態を変化させ、ワイヤ８６の収縮と原形状への復元とを繰り返し行うことにより、保持体８４と一体化された模擬体８３の動作制御を行うものである。具体的に、制御ユニット７１は、予め設定された所定波形の供給電圧をワイヤ８６に供給可能な機器により構成され、図示省略しているが、ファンクションジェネレータ等の信号発生器及び増幅器等の公知の機器により構成されている。また、駆動信号発生手段１１４では、デューティー比や供給電圧の出力波形を所望の状態に制御できるようになっている。本実施形態では、特に限定されるものではないが、出力波形としてパルス波（矩形波）が用いられており、周波数が０．５Ｈｚ〜２Ｈｚの何れかの値に設定され、デューティー比が１０％程度に設定されている。なお、信号発生器及び増幅器に代えてコンピュータを用いてもよく、また、パルス波のみならず正弦波等の他の波形を出力波形としてもよい。

次に、前記外科手術訓練装置１３の作用について図１〜図５を参照しながら説明する。

先ず、訓練前の準備として、訓練の対象となる部位に応じて所望の長さの脚部材９５を選択し、当該脚部材９５をベース７７及び下側部材９９に取り付ける。そして、訓練の対象となる部位に応じて、下側部材９９に対して上側部材９８を首振り回転して、所望の角度で上側部材９８を固定し、模擬体８３を所望の姿勢にする。そして、図示しないスイッチを投入すると、制御ユニット７１から電流がワイヤ８６に供給され、所定のタイミングで電流がＯＮ−ＯＦＦ状にワイヤ８６に供給されることになる。ここで、電流が供給されると、前述したワイヤ８６の特性により当該ワイヤ８６が収縮し、これに伴って、ワイヤ８６が取り付けられたコーナ突部９３に一体化された保持プレート９０に対し、下方への引張力が発生する。この際、保持プレート９０の中央突部９１に取り付けられたコイルばね９２の圧縮を伴って、保持プレート９０及び模擬体８３が前記初期位置から下方に移動することになる。一方、電流の供給が中断されると、形状が記憶されたワイヤ８６が元の長さに復元するように伸長し、コイルばね９２の復元力を伴って、保持プレート９０及び模擬体８３が上方に移動して、前記初期位置に戻る。つまり、制御ユニット７１からパルス状の波形となる供給電圧がワイヤ８６に印加されることで、模擬体８３及び保持体８４が支持体８５に対して離間接近するように、前記隙間Ｃ（図５参照）の範囲内で上下動することになる。この状態を心臓の拍動状態とし、訓練者は、シート７４の切り込み穴８１から手を入れ、模擬体８３の上下動に伴って、その模擬血管８９に対して他の模擬血管を吻合する等、冠動脈バイパス手術に関する各種処置の訓練を行う。

ここで、制御ユニット７１により、供給電圧の大きさやデューティー比を変えると、模擬体８３の拍動状態を変えることができる。例えば、供給電圧を下げると、ワイヤ８６への加熱が小さくなり、それに伴ってワイヤ８６の収縮量（ひずみ）も小さくなり、振幅の小さい拍動状態を作り出すことができる。また、デューティー比を下げると、電流の供給がＯＦＦになる時間が増大するため、ゆっくりとした動きの拍動状態を作り出すことができる。

従って、このような実施形態によれば、モータ等を使わずに簡単な構造で、心臓表面の拍動状態を模擬して模擬体８３を動作させることができるという効果を得る。

また、前記実施形態では、説明を簡単にするため、最もシンプルな１自由度の動作（上下動）を実現可能な構成としたが、更に多くのワイヤ８６を用い、これらワイヤ８６の保持プレート９０への取り付け位置を調整し、且つ、各ワイヤ８６に対する電流の供給を独立制御可能にすることで、各ワイヤ８６の収縮及び復元を独立させ、模擬体８３及び保持体８４の直線運動、回転運動及び／又はねじり運動等の種々の動作も実現可能となる。この場合には、制御ユニット７１を複数のプログラムモジュール及び／又は処理回路により構成させればよいことになるため、従来のように、モータ等の駆動機器やその駆動機構を多数並存させる必要がなく、簡単な構成で、模擬体８３に複雑な動きを与えることができる。

なお、連結手段としては、前述と同様の作用を奏する限りにおいて、薄板状等の他の形状を採用することができ、電流が流れると収縮可能な形状記憶材料であれば、その材質等は特に問わない。

また、前記実施形態では、冠動脈が付いた心臓表面の一部分を模擬した模擬体８３を用いたが、他の生体組織に対する模擬体を用いることにより、胃や腸のように、挙動のある生体組織に対する外科手術の訓練装置としても適用可能である。

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。

本実施形態に係る外科手術訓練装置の概略構成図。 訓練ユニットの概略斜視図。 被処置体の概略正面図。 被処置体の概略側面図。 図３のＡ−Ａ線に沿う断面図。 被処置体の概略平面図。

符号の説明

１３ 外科手術訓練装置
７０ 訓練ユニット
７１ 制御ユニット
７３ ケース
８３ 模擬体
８４ 保持体
８５ 支持体
８６ ワイヤ（連結部材）
９２ コイルばね（付勢手段）
１１４ 駆動信号発生手段

Claims (7)

1. 外科手術訓練時に所定の処置が施される模擬体と、この模擬体を保持する保持体と、この保持体を動作可能に支持する支持体と、前記保持体及び支持体を連結する連結部材と、前記保持体の動作を制御する制御ユニットとを備え、
   前記連結部材は、電流が流れると原形状に対して収縮可能な形状記憶材料により形成され、
   前記制御ユニットは、前記連結部材に所定のタイミングで電流を供給する駆動信号発生手段を備え、
   前記駆動信号発生手段は、前記連結部材に対する電流の供給状態を変化させることで、前記連結部材の形状の変化を伴って前記保持体の動作制御を行うことを特徴とする外科手術訓練装置。
2. 前記駆動信号発生手段は、所定波形の供給電圧を前記連結部材に印加することを特徴とする請求項１記載の外科手術訓練装置。
3. 前記供給電圧は、矩形波であり、前記駆動信号発生手段は、当該矩形波のデューティー比を調整可能に設けられていることを特徴とする請求項２記載の外科手術訓練装置。
4. 前記模擬体、保持体、支持体及び連結部材を収容可能なケースを更に備え、当該ケースは、前記模擬体に上方からアクセス可能に設けられていることを特徴とする請求項１、２又は３記載の外科手術訓練装置。
5. 前記支持体は、その高さを調整可能に設けられていることを特徴とする請求項４記載の外科手術訓練装置。
6. 前記支持体には、模擬体の姿勢を可変にし、且つ、当該模擬体を所望の姿勢でロックする機構が設けられていることを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の外科手術訓練装置。
7. 前記保持体は、前記模擬体が取り付けられる保持プレートと、この保持プレートに対して、前記連結部材に電流が流れていない初期状態に復元する方向に付勢する付勢手段とを備えたことを特徴とする請求項１〜６の何れかに記載の外科手術訓練装置。

Images