JP2016080854A - 経腟法による超音波検査のための教材用モデルシステム - Google Patents

Abstract

【課題】経腟法による超音波検査のための教材用モデルシステムを提供する。
【解決手段】超音波検査用疑似プローブ１を挿入可能な生体模型において、経腟法による骨盤内部の３次元超音波画像の断層画面を３次元コンピュータグラフィックによって生成する表示画面生成手段、位置センサー２を担持する経腟法による超音波検査用疑似プローブを具備し；位置センサーによって検出された位置情報及び方向によって、骨盤内部の切断面３を特定し、予め取得し保存された特定された切断面についての経腟法による骨盤内部の３次元超音波画像４の断層画面をモニタ画面に表示し、さらに、プローブを動かすことにより、プローブに設置された位置センサーによる位置状況が計算され、骨盤内部の切断面の位置が次々と変わり、超音波画像の断層画面がモニタ画面に表示・変更される生体模型、擬似プローブ、表示画面生成手段を含む経腟法による超音波検査のためのモデルシステム。
【選択図】図６

Description

本発明は、経腟法による骨盤内部の３次元超音波画像の断層画面を３次元コンピュータグラフィックで表示する経腟法による超音波検査のための教材用モデルシステムであって、生体模型に挿入した超音波検査用の疑似プローブの動きに対応して、該疑似プローブに担持された位置センサーによる位置状況をリアルタイムに計算し、当該計算された位置に相当する超音波画像の断層画面をリアルタイムに表示する経腟法による超音波検査のための教材用モデルシステムに関する。

妊娠初期や非妊娠時には、経腟法によるエコー用プローブを挿入して腟側からの超音波検査が行われており、子宮や卵巣の形と大きさ、内膜の厚さなどの計測、子宮筋腫、卵巣腫瘍、子宮内膜症等の診断に使用されている。「経腟法」による検査では、子宮内の胎芽が入った胎嚢や胎児の心拍を確認することも可能である。そのためには、経腟法用プローブを、腟腔内部に、正確かつ適切に挿入させる必要がある。しかしながら、経腟法によるエコー検査の場合、お互いに練習したり、人体を用いて、トレーニングすることは困難である。さらに、異常時の診断は、臨床の場で経験することが少ないため、効率的なトレーニングが難しい。

内診用のバーチャルリアリティモデルとしては、（株）高研と岩手県立大学看護学部、岩手県立大学ソフトウェア情報学部との共同研究で研究開発され、現在、（株）高研より、「内診バーチャルリアリティモデル LM-095」として、製品化されている。これは、ひとさし指と中指に位置センサー付きの指サックを装着し、あらかじめ準備された母体モデルと子宮モデルに対して、ひとさし指と中指で触診する。このひとさし指と中指の位置は、位置センサーから取得され、画面上に表示される。また、２指間の距離、１指を用いた距離の計測も可能である。このシステムでは、実物である母体モデルと子宮モデルと同じ形状をポリゴンモデル（多面体モデル）で近似させ、モニタには、このポリゴンモデルと２指を同時に表示させる。また、胎児モデルの種別は、胎児の正常バージョン４種、異常バージョン４種の中から表示する種別を選択する。このモデルでは、内診のために、マネキン内部に腟腔、子宮、胎児、骨盤を装着している。
しかし、この内診トレーニングシステムは、内診（人差し指と中指による触診）を目的としたものであり、経腟法によるエコー検査のためのトレーニング機能はない。また本願発明に比べモデルの構造が複雑であり、また、本願発明への転用は不可能である。

現在、販売されている、本願発明に最も機能が類似した超音波診断のためのトレーニングシステムには、イスラエルMedSim社のUltraSim（ウルトラシム）が挙げられる。ウルトラシムは、多くの症例（解像度は低い）やトレーニングキットを含み、マネキン内部にプローブの位置情報を取得する機能を持っており、その位置におけるマネキン内部の断面を表示させる。しかしながら、ウルトラシムの場合、プローブの位置の取得は、磁気タイプのセンサではなく、プローブの位置情報を取得する装置をマネキン躯体に含めている。そのため、マネキン躯体の内部が複雑になり、かつ、高価格となる。

その他の超音波診断トレーニングシステムとしては、胎児超音波診断ファントム SPACE FAN-STがある。SPACE FAN-STは、母体内で発育している第23週の正常胎児があらかじめ設定してある。胎児の成長度合いや異常の有無を確認するとともにスクリーニング検査技術を習得できるトレーニング用ファントムである。経腟法によるエコー検査システムの開示はない。
その他、救命救急・超音波検査 eラーニングシステム「ICCUeラーニング」は、ベッドサイドでの超音波診断を学ぶ為の包括的な学習システムである。第一線で活躍する集中治療専門医によって開発された３Ｄグラフィックアニメーションを含む学習コンテンツは、画期的なラーニングマネージメントシステム（LMS）として、ベッドサイドの超音波検査を学ぶ医師にとって、学習効率を大いに高めている。大別して、a) クリティカルケアにおける心エコー検査、b) クリティカルケアにおける超音波検査が、可能である。経腟法によるエコー検査機能はない。日本における販売元はガデリウス・メディカル株式会社である。
バーチャルリアリティ内視鏡手術トレーニングシミュレータ ラップ・ブイアール（LapVR）は、内視鏡手術のトレーニングシステムで、日本における販売元はガデリウス・メディカル株式会社である。スタンフォード大で研究されていた電子ペルビス（ePelvis）は、母体内部に圧力センサーを組み込んでおり、その圧力センサーを用いて、どこにどの程度の力がかかっているかが視覚的に確認することができる。周産期診断分娩介助教育システムは、モニタ画面にいろいろな症例が表示されるのみである。
本願に係る発明と、上記これらのトレーニングシステムは、原理や目的が大きく異なっている。

本発明の課題は、経腟法による骨盤内部の３次元超音波画像の断層画面を３次元コンピュータグラフィックで表示し、超音波検査用の疑似プローブを動かすことにより、該疑似プローブに担持された位置センサーによる位置状況がリアルタイムに計算され、骨盤内部の切断面の位置が次々と変わり、位置に応じた超音波画像の断層画面がリアルタイムにモニタ画面に表示・変更される生体模型、擬似プローブ、表示画面生成手段を含む経腟法による超音波検査のための教材用モデルシステムを提供することである。

本発明は、以下の構成によって課題を解決した。
１．超音波検査用の疑似プローブを経腟法によって腟腔に挿入可能な腟腔をもつ生体模型において、経腟法による骨盤内部の３次元超音波画像の断層画面を３次元コンピュータグラフィックによってモニタ画面に生成する表示画面生成手段、及び生体模型の腟腔内へ挿入する位置センサーを担持する経腟法による超音波検査用疑似プローブを具備し；
表示画面生成手段の処理手順が、生体模型の腟腔内へ挿入された疑似プローブに担持された位置センサーによって検出された位置情報及び方向に基づき、骨盤内部の切断面を特定し、予め取得し保存された当該特定された切断面についての経腟法による骨盤内部の３次元超音波画像の断層画面を３次元コンピュータグラフィックでモニタ画面に表示し、さらに、疑似プローブを動かすことにより、疑似プローブに担持された位置センサーにより位置状況がリアルタイムに計算され、骨盤内部の切断面の位置が次々と変わり、超音波画像の断層画面がリアルタイムにモニタ画面に表示・変更される生体模型、擬似プローブ、表示画面生成手段を含む経腟法による超音波検査のための教材用モデルシステム。
２．位置センサーが磁気センサーであって、生体模型が非磁性物質で成形されてなる前項１のシステム。
３．生体模型は、シリコーン、塩化ビニル、ポリウレタンから選ばれる合成高分子材料で成型される前項２のシステム。
４．モニタ画面に表示された画面が記憶手段で保存され、再生、調整、修正が可能である前項１〜３の何れか一に記載のシステム。

本願発明は、位置センサーを経腟法による超音波検査用の疑似プローブに担持させるものであり、また、疑似プローブを経腟法によって挿入する腟腔を持った母体のマネキンモデルを使用する。本願発明では、内診バーチャルリアリティモデルで使用するような具体的詳細な子宮モデルは使用せず、母体のマネキンモデルの構造は簡単となり、また、疑似プローブに装着する位置センサーは、１個のみである。本願発明では、疑似プローブの位置情報を用いて、３次元超音波画像から、その断層画面のみを表示させるため、システム全体も非常にシンプルとなり、また、３次元超音波画像を切り替えることで、いろいろな症例を表示させることが可能となる。

位置センサーの例示。 疑似プローブの外観。 疑似プローブに位置センサーを装着したもの。 疑似プローブ全体を表示。 人体マネキン。 表示原理。 切断面の表示例。 人体マネキンと３次元超音波画像の位置合わせ。 システム構成。 磁気発生装置と位置センサー。 人体マネキン。 人体マネキン。 正常子宮の超音波画像。 卵巣と卵胞の超音波画像。 子宮内膜の超音波画像。

１ 疑似プローブ
２ 位置センサー
３ 切断面
４ ３次元超音波画像
５ センサー構造
７ トランスミッター
８ 磁場発生装置
９ 人体マネキンモデル
１０ ＰＣ
１１ ＭＦＣアプリケーション

本発明の対象は、経腟法による骨盤内部の３次元超音波画像の断層画面を３次元コンピュータグラフィックで表示し、疑似プローブを動かすことにより、疑似プローブに担持された位置センサーによる位置状況がリアルタイムに計算され、表示される切断面の位置が次々と変わり、超音波画像の断層画面がリアルタイムに表示・変更される生体模型、擬似プローブ、表示画面生成手段を含むモデルシステムである。
本発明のモデルシステムが使用される、超音波検査とは超音波を対象物に当ててその反響を映像化する画像検査法であって、超音波を当てて、その反射音を測定する。超音波検査は、主に医療分野で広く利用されており、CT装置と比較して、被曝の心配がないため、母体などではよく使用される。
経腟法とは、経腟法用のプローブに使い捨てのプローブカバーをかぶせて腟内に挿入し、腟内から検査をするもので、プローブを子宮や卵巣に近づけるので、鮮明な画像を得ることができる。
本発明において、生体模型は、位置センサーとして磁気センサーを使用する場合は非磁性物質により成型されていることが必要である。特定信号送信手段からの信号を検出するセンサーとして磁気センサーを使う場合は、非磁性物質材料であることが必須で、成型が容易で、弾力性があり、生体と同等・類似の物理的性質をもつものが好ましい。そのため、生体模型は、シリコーン、塩化ビニル、ポリウレタンから選ばれる合成高分子材料で成型される。本発明において、位置センサーは、３次元的な位置と動きをフォローできるものであれば特に限定されない。例えば、磁気センサーを使用してもよいし、光ファイバーによる位置センサーを使用してもよい。

特定信号送信手段及びこの信号を検出する位置センサーを含む検出手段は、トランスミッター、位置センサー、コントローラーから構成され、特定信号送信手段であるトランスミッターから発せられる磁気情報（特定信号）を位置センサーによって検出し、その位置情報は、あらかじめ準備された骨盤内部の超音波画像の断層画面情報と関連づけられ、関連づけられた断層画面が、モニターディスプレイ等のモニタ画面を生成する表示画面生成手段で表示される。トランスミッター、位置センサーともケーブルでコントローラーに接続され、コントローラーからはパソコンのPCIバスに刺されたカードと接続される。PCIバス以外にもＵＳＢに接続するタイプの磁気センサーも利用可能である。本発明のモデルシステムでは、位置センサーは一つで十分である。
位置センサーによって検出された信号は、予め設定した経腟法による骨盤内部の３次元超音波画像の断層画面を表示画面生成手段上の３次元コンピュータグラフィックにおいてモニタ画面に表示され、生体模型の内部での位置センサーの位置状況に応じたリアルタイムでの骨盤内部の３次元超音波画像の断層画面が表示できる。３次元超音波画像の断層画面は、実際の経腟法による骨盤内部の３次元超音波画像の断層画面もしくはそれに近似したものが使われる。モニタ画面に表示される骨盤内部の３次元超音波画像の断層画面は、位置センサーの３次元情報におうじて、次々と変更されていく。

信号を検出する位置センサーは、一つであり、具体的には、例えば位置センサーを、疑似プローブの先端側に１個設置の例が示される。また、使用中に位置センサーが外れたり、ずれたりしないように、埋め込んだ設計をすることが好適である。位置センサーが疑似プローブの中心にある必要はなく、取得した位置情報からプログラムの方で調節可能である。疑似プローブは、経腟法による腟腔への挿入可能な手段であれば特に限定されない。磁気センサーについては３次元で位置表示が可能で小型の磁気センサーであれば、どのような磁気センサーも使用可能である。具体的にはAscension社のMiniBird等を挙げることが出来る。これら磁気センサーは通常直径1.5〜2m程度の範囲を検出が可能で、その範囲内であれば位置センサーの情報を検出可能である。

好ましくは経腟法による骨盤内部の少なくとも立体が区別できるように回転可能な３次元コンピュータグラフィックを作成し、このものが前記生体模型の表示画面生成手段上のモニタ画面において、位置センサーの動きに連動して表示される。

本発明において、モニタ画面に生成された画面は、保存処理が可能であり、再生、調整、修正が可能である。これは、データを取り込んだ後にトレーニングを行っている者が自分の動作を後で確認するあるいは望ましいプローブの動きを別に表示する事も可能な手段である。

図１は、位置センサーの例示であり、図２は、疑似プローブの外観、図３は、疑似プローブに位置センサーを装着したもの、図４は、疑似プローブ全体を表示する。図５は、人体マネキン、図６は、疑似プローブ（１）、位置センサー（２）、切断面（３）、３次元超音波画像（４）の表示原理を示し、図７は、切断面の表示例、図８は、人体マネキンと３次元超音波画像の位置合わせを示し、図９は、システム構成、図１０は、磁気発生装置と位置センサー、図１１と１２は、人体マネキン、図１３〜１５は、切断面の表示例である。

本発明の、超音波検査のための教材用モデルシステムは、位置センサー（図１）を内蔵した超音波検査用疑似プローブ（図２）、磁場発生装置、下腹部の人体マネキン（図５）、パーソナルコンピュータから成る。
人体マネキン（図５）の腟腔に疑似プローブを入れた状態で、人体骨盤内部の断層画面情報をパーソナルコンピュータのモニタ画面上に表示する。表示される画面は、疑似プローブの動きに対して、骨盤内部の断層画面がリアルタイムに表示され、解像度は、市販の超音波装置の解像度と同じである。表示される骨盤内部の断層画面は、あらかじめ取得しておいた骨盤内部の３次元超音波画像について、センサーから得られる位置情報および方向により、骨盤内部の切断面を特定し、モニタ画面に表示する（図６）。図７は切断面を表示したものである。疑似プローブを動かすことにより、骨盤内部の切断面の位置が変わり、その切断面は、リアルタイムに変更表示される。図８は、３次元超音波画像と人体マネキンとの対応を示しており、あらかじめ人体マネキンにおける経腟法による場合の疑似プローブの挿入位置情報と３次元超音波画像の関係の位置合わせをしておく。
図９は超音波検査のための教材用モデルシステムのシステム外観である。モニタ画面には，骨盤内部の断層画面（３次元超音波画像）、実体モデルと同じ寸法の形状モデル（仮想モデル：母体、疑似プローブなどを意味する）を表示させる。本システムの特徴は、疑似プローブに磁気センサーを担持させることで、疑似プローブの位置や方向に基づき特定される骨盤内部の３次元超音波画像をモニタ画面に表示可能な点である。そのため，被験者の超音波検査の技量や正確さを視覚的にモニタ画面で確認できる。モニタ画面には，経腟法による場合の疑似プローブの挿入位置と３次元超音波画像の実体画像とを関連づけて表示させる。図９に示すように、人体マネキンモデル（９）とセンサー構造（５）は、磁場発生装置と関連づけられたトランスミッター（７）と位置センサー（２）に関連付けられる。センサー構造（５）はモニタ画面をもつパソコン（１０）と関連づけられ、ＭＦＣアプリケーション（１１）によって位置情報と表示される３次元超音波画像が関連づけられる。図１０は、磁場発生装置のTrackSTARであり、疑似プローブ（１）、トランスミッター（７）、磁場発生装置（８）及び位置センサー（２）が表示される。図１１及び図１２は、経腟法による超音波検査のための人体マネキンであり、図１１は外観、図１２は内部構造を示す。極めて簡単な内部構造となっている。
疑似プローブに担持された位置センサーを経腟法によって腟腔に挿入し、挿入位置に応じて、位置情報が認識され、予め設定された骨盤内部の３次元超音波画像の断層画面の実体像がモニタ画面に表示される。図１３は、正常子宮であり、図１４は、卵巣と卵胞、図１５は、子宮内膜の表示例である。症例によって、表示例を変更したケースである。このような症例画像をあらかじめ、保持しておくことで、複数の症例を仮想的に診断可能となる。

Claims (4)

1. 超音波検査用の疑似プローブを経腟法によって腟腔に挿入可能な腟腔をもつ生体模型において、経腟法による骨盤内部の３次元超音波画像の断層画面を３次元コンピュータグラフィックによってモニタ画面に生成する表示画面生成手段、及び生体模型の腟腔内へ挿入する位置センサーを担持する経腟法による超音波検査用疑似プローブを具備し；
   表示画面生成手段の処理手順が、生体模型の腟腔内へ挿入された疑似プローブに担持された位置センサーによって検出された位置情報及び方向に基づき、骨盤内部の切断面を特定し、予め取得し保存された当該特定された切断面についての経腟法による骨盤内部の３次元超音波画像の断層画面を３次元コンピュータグラフィックでモニタ画面に表示し、さらに、疑似プローブを動かすことにより、疑似プローブに担持された位置センサーにより位置状況がリアルタイムに計算され、骨盤内部の切断面の位置が次々と変わり、超音波画像の断層画面がリアルタイムにモニタ画面に表示・変更される生体模型、擬似プローブ、表示画面生成手段を含む経腟法による超音波検査のための教材用モデルシステム。
2. 位置センサーが磁気センサーであって、生体模型が非磁性物質で成形されてなる請求項１のシステム。
3. 生体模型は、シリコーン、塩化ビニル、ポリウレタンから選ばれる合成高分子材料で成型される請求項２のシステム。
4. モニタ画面に表示された画面が記憶手段で保存され、再生、調整、修正が可能である請求項１〜３の何れか一に記載のシステム。