JP2016177234A - 模擬臓器、模擬臓器の作製方法 - Google Patents

Abstract

【課題】実際の生体により近い条件で模擬臓器を再現すること。【解決手段】実際の臓器では異なる強度の血管が含まれており、模擬臓器は、それぞれ異なる強度を有する複数の模擬血管を含む。第１及び第２模擬血管は、中実部材であり、外径や壁厚が互いに異なってもよい。また第１及び第２模擬血管の周囲を埋める模擬組織を含み、模擬組織は、切除能力が付与された液体によって切除されてもよく、切除能力が付与された液体を用いる模擬手術に使用できる。【選択図】図２

Description

本発明は、模擬臓器に関する。

血管注射を練習するための器具として、外径が異なる模擬血管を複数、配置する構造が知られている（特許文献１）。

実開平２−５３０６７号公報

上記先行技術の場合、模擬血管の外径以外については考慮されていなかった。このため、例えば、血管を温存しつつ周辺組織を切除するような模擬手術を実施する場合に、実際の生体に近い条件を再現することが難しかった。本願発明は、上記先行技術に鑑み、実際の生体により近い条件で模擬臓器を再現することを解決課題とする。

本発明は、上記課題を解決するためのものであり、以下の形態として実現できる。

（１）本発明の一形態によれば、模擬臓器が提供される。この模擬臓器は、第１模擬血管と、前記第１模擬血管に対し強度が異なる第２模擬血管とを含む。この形態によれば、実際の生体により近い条件で模擬臓器を再現できる。実際の臓器では、異なる強度の血管が含まれるからである。

（２）上記形態において、前記第１及び第２模擬血管は、中実部材であり、外径が互いに異なってもよい。この形態によれば、生体内において外径が異なる血管が走る部位を再現できる。

（３）上記形態において、前記第１及び第２模擬血管は、中空部材であり、壁厚が互いに異なってもよい。この形態によれば、生体内において壁厚が異なる血管が走る部位を再現できる。

（４）上記形態において、前記第１及び第２模擬血管は、外径が互いに同じでもよい。この形態によれば、生体内において外径が同じである一方、強度が異なる血管が走る部位を再現できる。

（５）上記形態において、前記第１及び第２模擬血管は、外径が互いに異なってもよい。この形態によれば、生体内において壁厚および外径が異なる血管が走る部位を再現できる。

（６）上記形態において、前記第１及び第２模擬血管の周囲を埋める模擬組織を含み；前記模擬組織は、切除能力が付与された液体によって切除されてもよい。この形態によれば、切除能力が付与された液体を用いる模擬手術に使用できる。

本発明は、上記以外の種々の形態で実現できる。例えば、模擬臓器の作製方法として実現できる。

液体噴射装置の概略構成図。 模擬臓器を示す断面図。 模擬臓器の作製方法を示すフローチャート。 模擬血管が支持部材に固定された様子を示す断面図。 図４の５−５断面図。 模擬血管の材料の強度試験の様子を示す。 上記の強度試験によって得られる実験データを例示するグラフ。 膜厚および材料の特性ならびにシートの強度の関係示すグラフ。 破断電圧と外径との関係を調べた破断実験の結果を示すグラフ。 種々の模擬血管について破断試験の結果をまとめたテーブル。

図１は、液体噴射装置２０の構成を概略的に示す。液体噴射装置２０は、医療機関において利用される医療機器であり、患部に対して液体を噴射することによって、患部を切除する機能を有する。

液体噴射装置２０は、制御部３０と、アクチュエーター用ケーブル３１と、ポンプ用ケーブル３２、フットスイッチ３５と、吸引装置４０と、吸引チューブ４１と、液体供給装置５０と、ハンドピース１００とを備える。

液体供給装置５０は、給水バッグ５１と、スパイク針５２と、第１〜第５コネクター５３ａ〜５３ｅと、第１〜第４給水チューブ５４ａ〜５４ｄと、ポンプチューブ５５と、閉塞検出機構５６と、フィルター５７とを備える。ハンドピース１００は、ノズルユニット２００と、アクチュエーターユニット３００とを備える。ノズルユニット２００は、噴射管２０５と、吸引管４００とを備える。

給水バッグ５１は、透明な合成樹脂製であり、内部に液体（具体的には生理食塩水）が充填されている。なお、本願では、水以外の液体が充填されていても、給水バッグ５１と呼ぶ。スパイク針５２は、第１コネクター５３ａを介して、第１給水チューブ５４ａに接続されている。給水バッグ５１にスパイク針５２が刺されると、給水バッグ５１に充填された液体が第１給水チューブ５４ａに供給可能な状態になる。

第１給水チューブ５４ａは、第２コネクター５３ｂを介して、ポンプチューブ５５に接続されている。ポンプチューブ５５は、第３コネクター５３ｃを介して、第２給水チューブ５４ｂに接続されている。チューブポンプ６０は、ポンプチューブ５５を挟み込んでいる。チューブポンプ６０は、ポンプチューブ５５内の液体を、第１給水チューブ５４ａ側から、第２給水チューブ５４ｂ側に送り出す。

閉塞検出機構５６は、第２給水チューブ５４ｂ内の圧力を測定することで、第１〜第４給水チューブ５４ａ〜５４ｄ内の閉塞を検出する。

第２給水チューブ５４ｂは、第４コネクター５３ｄを介して、第３給水チューブ５４ｃに接続されている。第３給水チューブ５４ｃにはフィルター５７が接続されている。フィルター５７は、液体に含まれる異物を捕集する。

第３給水チューブ５４ｃは、第５コネクター５３ｅを介して、第４給水チューブ５４ｄに接続されている。第４給水チューブ５４ｄは、ノズルユニット２００に接続されている。第４給水チューブ５４ｄを通じて供給された液体は、アクチュエーターユニット３００の駆動によって、噴射管２０５の先端から間欠的に噴射される。このように液体が間欠的に噴射されることによって、少ない流量で切除能力が確保できる。

噴射管２０５及び吸引管４００は、噴射管２０５を内管、吸引管４００を外管とする二重管を構成する。吸引チューブ４１は、ノズルユニット２００に接続されている。吸引装置４０は、吸引チューブ４１を通じて、吸引管４００内を吸引する。この吸引によって、吸引管４００の先端付近の液体や切除片などが吸引される。

制御部３０は、チューブポンプ６０と、アクチュエーターユニット３００とを制御する。具体的には、制御部３０は、フットスイッチ３５が踏まれている間、アクチュエーター用ケーブル３１と、ポンプ用ケーブル３２とを介して駆動信号を送信する。アクチュエーター用ケーブル３１を介して送信された駆動信号は、アクチュエーターユニット３００に含まれる圧電素子（図示しない）を駆動させる。ポンプ用ケーブル３２を介して送信された駆動信号は、チューブポンプ６０を駆動させる。よって、ユーザーがフットスイッチ３５を踏んでいる間は液体が間欠的に噴射され、ユーザーがフットスイッチ３５を踏んでいない間は液体の噴射が停止する。

以下、模擬臓器について説明する。模擬臓器は、ファントムとも呼ばれ、本実施形態においては、液体噴射装置２０によって一部が切除される人工物である。本実施形態における模擬臓器は、液体噴射装置２０の性能評価や、液体噴射装置２０の操作の練習などを目的とした模擬手術に用いられる。

図２は、模擬臓器６００を示す断面図である。図２が示す断面は、Ｚ−Ｘ平面である。本実施形態では、水平面をＸ−Ｙ平面、鉛直方向（深さ方向）をＺ方向とする。

模擬臓器６００は、第１模擬血管６１１と、第２模擬血管６１２と、第３模擬血管６１３と、模擬組織６２０と、支持部材６３０とを含む。第１模擬血管６１１と、第２模擬血管６１２と、第３模擬血管６１３とをまとめて呼ぶ場合には、模擬血管６１０という。

模擬血管６１０は、生体の血管（例えばヒトの脳血管）を模擬した人工物であり、本実施形態においては中実部材として形成されている。模擬血管６１０は、模擬手術において、損傷を回避すべき部材である。第１，第２及び第３模擬血管６１１，６１２，６１３は、同じ材料によって形成されている。

模擬組織６２０は、生体における血管の周辺組織（例えば脳組織）を模擬した人工物であり、模擬血管６１０の周囲を埋めている。支持部材６３０は、模擬血管６１０と模擬組織６２０とを支持する金属製の容器である。

噴射管２０５から間欠的に噴射される液体は、模擬組織６２０を徐々に切除する。切除が進行すると、模擬血管６１０が露出する。露出した模擬血管６１０は、液体の噴射に曝露される場合がある。模擬血管６１０は、自身の強度を上回る条件での噴射に曝露された場合、外周面に亀裂が入り、破断に至る。ここでいう強度とは、噴射管２０５から噴射される液体によって引き起こされる破断に対し、耐える強さを示す指標のことである。ここでいう破断とは、周方向の大部分が破壊されること、或いは、全周に渡り破壊されて分断されることを意味する。

図２に示すように、第１模擬血管６１１は、第２模擬血管６１２に比べて、壁厚が薄い。このため、第１模擬血管６１１は、第２模擬血管６１２に比べて、強度が低い。第２模擬血管６１２は、第３模擬血管６１３に比べて、壁厚が薄い。このため、第２模擬血管６１２は、第３模擬血管６１３に比べて、強度が低い。

このように、異なる強度を有する模擬血管６１０が模擬組織６２０に埋められていることによって、液体噴射装置２０の性能評価や、液体噴射装置２０の操作の練習などを、より実物に近い条件で実施できる。例えば、液体噴射装置２０によって模擬血管６１０の周囲の模擬組織６２０を切除する際に、模擬血管６１０の温存のし易さを、噴射の条件毎に評価できる。

図３は、模擬臓器６００の作製方法を示すフローチャートである。初めに、模擬血管６１０を作製する（Ｓ８１０）。本実施形態では、模擬血管６１０の材料として、ＰＶＡ（ポリビニルアルコール）を採用する。図２に例示した場合、模擬血管６１０は中空部材であるので、次の作製方法を採用する。その方法とは、極細線の外周に硬化前のＰＶＡを塗布し、ＰＶＡの硬化後に極細線を引き抜くという手法である。極細線の外径は、血管内径に合わせる。極細線は、金属製であり、例えばピアノ線などで形成する。

次に、模擬血管６１０を支持部材６３０に固定する（Ｓ８２０）。図４は、Ｓ８２０が実行された様子を示す断面図（Ｙ−Ｚ平面）である。図４は、第１模擬血管６１１の長軸方向に沿った断面を示す。図５は、図４の５−５断面（Ｚ−Ｘ平面）を示す。

図５に示すように、支持部材６３０には、溝６３３が設けられている。溝６３３は、支持部材６３０の両側に設けられている。模擬血管６１０は、Ｓ８２０において、溝６３３にはめ込まれることによって、支持部材６３０に固定される。

次に、ウレタンの主剤と硬化剤とを混ぜて攪拌した混合物を、支持部材６３０に流し込む（Ｓ８３０）。この後、ウレタンがエラストマーゲル状のウレタンゲルに変化する（Ｓ８４０）。これによって、模擬組織６２０が形成され、模擬臓器６００が完成する。

以下、模擬血管６１０の強度について説明する。図６は、模擬血管６１０の材料の強度試験について説明するための図である。

シート６５０は、模擬血管６１０の材料をシート状に形成した実験サンプルである。シート６５０は、台（図示しない）に載せられており、周縁部で台に固定されている。シート６５０を挟んでピン７００の反対側において、台に穴が開いている。強度試験は、シート６５０の破壊が起こるまで、シート６５０をピン７００によって押し込み、変形させる。ピン７００の押し込みには、ロードセル（図示しない）を用い、押し込み力をリアルタイムで計測する。

図７は、上記の強度試験によって得られる実験データを例示する。縦軸は押し込み力、横軸は時間を表す。ピン７００の押し込みは、１ｍｍ／ｓｅｃで実施する。このため、図７に示すように、押し込み力は時間と共にほぼ線形に増大する。

押し込み力は、このように増大していくと、やがて急減する。押し込み力の急減は、シート６５０の破壊によって発生する。押し込み力の急減によって、押し込み力の最大値を決定できる。材料強度は、押し込み力の最大値（Ｎ）を、ピン７００の先端７１０の面積（本実施形態では０．５ｍｍ²）で除算することによって得られる応力値（ＭＰａ）として取得する。

図８は、膜厚および材料の特性が、シート６５０の強度に与える影響を調べた実験結果を示すグラフである。図７と共に説明した試験方法による強度は、シート６５０の膜厚および材料に依存する。そこで、２種類の材料の特性（特性Ａ，Ｂ）それぞれについて、膜厚を変化させたシート６５０を対象に強度試験を実施し、その影響を調べた。

特性Ａは、特性Ｂよりも強度が高くなるように作製した。模擬血管６１０を形成するＰＶＡは、周知のように、作製条件を変化させることで、強度を変化させることができる。図８に示すように、特性Ａ，Ｂ共に、膜厚が厚くなると、強度が高くなることが確認された。

図９は、破断電圧と外径との関係を調べた破断実験の結果を示すグラフである。この実験では、中実部材として作製された模擬血管６１０を、液体噴射装置２０によって破断させる。本実施形態における模擬血管６１０は、図２に示された中空部材だけでなく、中実部材としても作製される。

縦軸の破断電圧とは、模擬血管６１０を破断させるのに要した最大電圧である。最大電圧とは、圧電素子に印加する交流電圧の最大値のことである。横軸の外径とは、模擬血管６１０の外径のことである。

図９に示すように、破断電圧が外径の影響を受けることが分かる。図９には、実際の脳血管を用いた場合の結果も示されている。図８，図９と共に説明した試験によって評価をすれば、脳血管の特性に近い破断特性を有する模擬血管６１０を作製できる。さらに、脳血管以外の血管（例えば肝臓の血管など）についてもデータを取得すれば、近い特性を有する模擬血管６１０を作製できる。

図１０は、種々の条件で作製した模擬血管６１０について、液体噴射装置２０を用いた破断試験の結果をまとめたテーブルである。図１０のａ，ｂは中実部材、ｃ〜ｆは中空部材１、ｇ〜ｊは中空部材２の場合の結果を示す。

中実部材は、次の方法で作製する。その方法とは、模擬血管６１０の外径として設定した値と同じ内径を有するガラス管にＰＶＡを流し込んで硬化した後に、ガラス管を割ることによって、細長く形成されたＰＶＡを取り出すという手法である。

中空部材１とは、特性Ａ，Ｂ毎に、外径を一定にし、壁厚を変化させたサンプルである。中空部材２とは、特性Ａ，Ｂ毎に、外径および壁厚共に変化させたサンプルである。中空部材１，２の作製は、先述した方法（図３のＳ８１０）で説明した方法を用いる。

中実部材および中空部材１，２それぞれについて、特性Ａ，Ｂの材質を用いて、種々の寸法で作製した。その中で、低い電圧によって破断するサンプル、中程度の電圧によって破断するサンプル、高い電圧によって破断するサンプルのそれぞれの寸法を調べた。その結果が、図１０の右３列に示されている。

このように、中実か中空か、材料の特性、外径、壁厚の調整によって、様々な強度を有する模擬血管６１０を作製できる。例えば、中空部材の外径と壁厚とがそれぞれ異なる模擬血管を作製してもよい。そして、様々な強度の模擬血管６１０を用いることで、実際の生体に近い条件で、模擬臓器６００を作製できる。

本発明は、本明細書の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現できる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、先述の課題の一部又は全部を解決するために、或いは、先述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことができる。その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除できる。例えば、以下のものが例示される。

模擬臓器は、間欠的に噴射される液体以外によって、切除されてもよい。例えば、連続的に噴射される液体によって切除されてもよいし、超音波によって切除能力が付与された液体によって切除されてもよい。或いは、金属製のメスによって切除されてもよい。

模擬血管の本数は、２本以上であれば、いくつでもよい。
模擬血管の材質は、上記の例示に限られない。例えば、ＰＶＡ以外の合成樹脂（例えばウレタン）でもよいし、天然樹脂でもよい。
模擬組織の材質は、上記の例示に限られない。例えば、ウレタン以外のゴム系の材料でもよいし、ＰＶＡを用いてもよい。

模擬血管を、噴射堆積（インクジェット方式などによる３Ｄプリンティング）を用いて作製してもよい。
模擬組織を、３Ｄプリンティングを用いて作製してもよい。
模擬血管および模擬組織をまとめて、３Ｄプリンティングを用いて作製してもよい。

模擬血管の配置は、上記の例示に限られない。例えば、湾曲させもよいし、Ｓ字のように曲がっていてもよいし、水平面内（Ｘ−Ｙ平面内）で曲がっていてもよい。

実施形態においてはアクチュエーターとして圧電素子を用いる構成を採用したが、光メーザーを用いて液体を噴射する構成や、ポンプ等により液体を加圧し、液体を噴射する構成を採用してもよい。光メーザーを用いて液体を噴射する構成とは、光メーザーを液体に照射して液体中に気泡を発生させ、この気泡の発生によって引き起こされる液体の圧力上昇を利用する構成である。

２０…液体噴射装置
３０…制御部
３１…アクチュエーター用ケーブル
３２…ポンプ用ケーブル
３５…フットスイッチ
４０…吸引装置
４１…吸引チューブ
５０…液体供給装置
５１…給水バッグ
５２…スパイク針
５３ａ…第１コネクター
５３ｂ…第２コネクター
５３ｃ…第３コネクター
５３ｄ…第４コネクター
５３ｅ…第５コネクター
５４ａ…第１給水チューブ
５４ｂ…第２給水チューブ
５４ｃ…第３給水チューブ
５４ｄ…第４給水チューブ
５５…ポンプチューブ
５６…閉塞検出機構
５７…フィルター
６０…チューブポンプ
１００…ハンドピース
２００…ノズルユニット
２０５…噴射管
３００…アクチュエーターユニット
４００…吸引管
６００…模擬臓器
６１０…模擬血管
６１１…第１模擬血管
６１２…第２模擬血管
６１３…第３模擬血管
６２０…模擬組織
６３０…支持部材
６３３…溝
６５０…シート
７００…ピン
７１０…先端

Claims (7)

1. 第１模擬血管と、前記第１模擬血管に対し強度が異なる第２模擬血管とを含む
   模擬臓器。
2. 前記第１及び第２模擬血管は、中実部材であり、外径が互いに異なる
   請求項１に記載の模擬臓器。
3. 前記第１及び第２模擬血管は、中空部材であり、壁厚が互いに異なる
   請求項１に記載の模擬臓器。
4. 前記第１及び第２模擬血管は、外径が互いに同じである
   請求項３に記載の模擬臓器。
5. 前記第１及び第２模擬血管は、外径が互いに異なる
   請求項３に記載の模擬臓器。
6. 前記第１及び第２模擬血管の周囲を埋める模擬組織を含み、
   前記模擬組織は、切除能力が付与された液体によって切除される
   請求項１から請求項５までの何れか一項に記載の模擬臓器。
7. 模擬臓器を作製する方法であって、
   第１模擬血管と、前記第１模擬血管に対し強度が異なる第２模擬血管とを、３Ｄプリンティングで作製する工程
   を含む作製方法。

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