JP2017146415A - 生体モデルおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】実際の生体に近い条件で訓練や試験を行うことが可能な生体モデルおよびその製造方法を提供する。【解決手段】医療器具の訓練または試験に用いられる生体を模擬する生体モデル１０であって、水および水溶性有機溶媒の少なくとも一方並びにポリビニルアルコールを含み、ポリビニルアルコールの分子が水素結合してゲル状である第１の模擬部１１および第２の模擬部１２と、病変部から採取した組織または病変部を模擬できる材料を含み第１の模擬部１１および第２の模擬部１２と接触する病変模擬部１４と、を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、医療用に生体を模擬した生体モデルおよびその製造方法に関する。

外科手術における生体組織の切開、縫合、剥離等の手技訓練や、各種医療器具の操作性、安全性および有効性の試験等は、従来はブタなどの動物を用いて行われていた。しかしながら、近年は、倫理的な観点から、生体組織を模擬して人工的に作製された生体モデルが使用されることがある。生体モデルは、手技の際に術者に伝わる感覚や、生体モデル自体の表面状態（例えば、濡れ性など）、挙動（例えば、切開時の広がり方など）が実際の生体組織に似ていることが要求され、様々な工夫がなされている。例えば特許文献１には、平均重合度およびケン化度を所定の範囲に設定したポリビニルアルコールからなる水溶性ゲルおよびシリカ粒子を含有する生体モデルが記載されている。この生体モデルは、上述のような構成であることで、切開時に切開部が生体臓器のように広がり、かつ切削感や感触が生体組織と似たものとなっている。

米国特許出願公開第２０１２−００４５７４３号明細書

生体組織の内部には、がん細胞、血栓、プラークなどの病変部が存在する場合がある。したがって、実際の生体により近い条件で訓練や試験を行うために、病変部を模擬する部位が設けられた生体モデルが望まれる。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、実際の生体により近い条件で訓練や試験を行うことが可能な生体モデルおよびその製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成する生体モデルは、医療器具の訓練または試験に用いられる生体を模擬する生体モデルであって、水および水溶性有機溶媒の少なくとも一方並びにポリビニルアルコールを含み、前記ポリビニルアルコールの分子が水素結合してゲル状である模擬部と、病変部から採取した組織、シリコーン樹脂、カルシウム、ポリビニルアルコール及びグリセリンからなる群から選ばれる少なくとも１つを含み前記模擬部と接触する病変模擬部と、を有する。

上記目的を達成する生体モデルの製造方法は、医療器具の訓練または試験に用いられる生体を模擬する生体モデルの製造方法であって、水および水溶性有機溶媒の少なくとも一方並びにポリビニルアルコールが含まれる第１のポリビニルアルコール溶液を冷却してポリビニルアルコールを架橋させて模擬部を形成するステップと、病変部から採取した組織または病変部を模擬できる材料を含み前記模擬部と接触する病変模擬部を形成するステップと、を有する。

上記のように構成した生体モデルは、ポリビニルアルコールを含むゲル状の模擬部により正常な生体組織を模擬しつつ、病変部から採取した組織または病変部を模擬できる材料を含む病変模擬部により病変部を適切に模擬でき、実際の生体に近い条件で訓練や試験を行うことが可能である。

上記のように構成した生体モデルの製造方法は、ポリビニルアルコールを含むゲル状の模擬部に接触するように、病変部から採取した組織または病変部を模擬できる材料を含む病変模擬部を形成するため、実際の生体に近い生体モデルを製造できる。

第１実施形態に係る生体モデルを示す断面図である。 生体モデルを製造するための設備を示す概略図である。 成形型内に模擬部を形成した状態を示す断面図である。 模擬部内に病変模擬部を形成した状態を示す断面図である。 第１実施形態に係る生体モデルの製造工程の変形例を示す断面図である。 第１実施形態に係る生体モデルの変形例を示す断面図である。 第２実施形態に係る生体モデルを示す断面図である。 第２実施形態に係る生体モデルの第１の模擬部を形成した状態を示す断面図である。 第２実施形態に係る生体モデルの第２の模擬部を形成した状態を示す断面図である。 第２実施形態に係る生体モデルの病変模擬部を形成した状態を示す断面図である。 第３実施形態に係る生体モデルを示す断面図である。 第３実施形態に係る生体モデルの模擬部を形成した状態を示す断面図である。 第３実施形態に係る生体モデルの病変模擬部を形成した状態を示す断面図である。 第４実施形態に係る生体モデルを示す断面図である。 第５実施形態に係る生体モデルを示す断面図である。 第６実施形態に係る生体モデルの第１の模擬部および病変模擬部を形成した状態を示す断面図である。 第６実施形態に係る生体モデルの第２の模擬部を形成した状態を示す断面図である。 第７実施形態に係る生体モデルの第１の模擬部および第２の模擬部を形成した状態を示す断面図である。 第７実施形態に係る生体モデルの第２の模擬部の一部をくり抜いた状態を示す断面図である。 第７実施形態に係る生体モデルの病変模擬部を形成した状態を示す断面図である。 第７実施形態に係る生体モデルの第２の模擬部を補充した状態を示す断面図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。なお、図面の寸法比率は、説明の都合上、誇張されて実際の比率とは異なる場合がある。以下の説明において、「上」および「下」の表現は、理解を容易にするために便宜的に使用するものであり、構成の位置関係や姿勢を限定するものではない。
＜第１実施形態＞

第１実施形態に係る生体モデル１０は、外科手術において生体組織の切開、縫合、剥離等をする器具（メス、針等）や生体内に挿入する器具（カテーテル、内視鏡等）などの各種医療器具の手技の訓練に用いられる。また、本実施形態に係る生体モデル１０は、各種医療器具の操作性、安全性および有効性の試験等に用いることもできる。

生体モデル１０は、図１に示すように、隣接する生体組織を模擬する第１の模擬部１１（模擬部）および第２の模擬部１２（模擬部）と、第１の模擬部１１および第２の模擬部１２の間に位置する病変模擬部１４とを備えている。第１の模擬部１１と第２の模擬部１２の間には、互いの材料が混ざり合って結合される結合部１３が形成されている。

第１の模擬部１１および第２の模擬部１２は、例えば、血管、脂肪、筋肉、皮膚、結合組織等を模擬する。第１の模擬部１１および第２の模擬部１２は、いずれもポリビニルアルコール、水および水溶性有機溶媒（本実施形態では、ジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ））を含むゲル状の柔軟な部材である。また、第１の模擬部１１および第２の模擬部１２は、各種添加剤を混合することができる。

病変模擬部１４は、生体の病変部を模擬する部位であり、例えば、がん細胞、血栓、プラーク、石灰化病変、ポリープ等を模擬する。または、病変模擬部１４は、血管内の狭窄や閉塞を模擬することもできる。または、血管内の狭窄や閉塞の硬さ、量、長さを模擬することができる。例えば、動脈の血栓は静脈の血栓よりも量が少なく、長さが短く、硬い。静脈の血栓は動脈の血栓よりも量が多く、長さが長く、柔らかい。病変模擬部１４の構成材料は、動物やヒトから採取した病変部の組織（病変組織）、または病変部を模擬できる材料である。動物やヒトから採取できる病変部の組織は、例えば、がん細胞、血栓、プラーク、石灰化病変、ポリープ等である。病変部を模擬できる材料は、例えば、シリコーン樹脂、石灰化病変を模擬する貝殻、カルシウム、ポリビニルアルコール、グリセリン、油等である。また、病変模擬部１４は、上述した病変部から採取した組織または病変部を模擬できる材料に、水素結合したポリビニルアルコール、水、水溶性有機溶媒等が含まれてもよい。なお、図１では、病変模擬部１４は、結合部１３の内部に位置しているが、第１の模擬部１１と結合部１３の間に位置してもよく、または第２の模擬部１２と結合部１３の間に位置してもよい。

第１の模擬部１１および第２の模擬部１２の各々は、ポリビニルアルコールを、水およびジメチルスルホキシド（水溶性有機溶媒）により溶解させたポリビニルアルコール溶液を冷却してポリビニルアルコール分子を架橋させた後に、常温に戻すことで水性ゲルとして形成される。

ポリビニルアルコールは、水およびジメチルスルホキシドに溶解させるために加熱されることが好ましい。加熱温度は、例えば８０〜１３０℃の範囲内で設定される。なお、ポリビニルアルコールが溶解されたポリビニルアルコール溶液は、型に流し込まれる前に、温度を変化させてもよい。型に流し込まれるポリビニルアルコール溶液の温度を調節することで、結合部１３の結合強度を制御できる。

ポリビニルアルコール溶液を冷却するための温度は、機械的強度を高めるために、好ましくは−１０℃以下、より好ましくは−２０℃以下、さらに好ましくは−３０℃以下である。

ポリビニルアルコール溶液を冷却する時間は、ポリビニルアルコール分子を架橋させて機械的強度を得るために、２４時間以上が好ましい。

第１の模擬部１１および第２の模擬部１２は、ポリビニルアルコールの濃度が高いほど機械的強度や弾性力が高くなる。したがって、模擬する生体組織に合わせて、ポリビニルアルコールの濃度を設定することが好ましい。ポリビニルアルコールの濃度は、機械的強度を得るために、好ましくは２重量％以上、より好ましくは３重量％以上である。また、ポリビニルアルコールを水および水溶性有機溶媒に溶解させるために、ポリビニルアルコールの濃度は、好ましくは５０重量％以下、より好ましくは４０重量％以下、さらに好ましくは３５重量％以下である。

ポリビニルアルコールの粘度法で求められる平均重合度は、第１の模擬部１１および第２の模擬部１２の機械的強度を高めるために、好ましくは３００以上、より好ましくは５００以上、さらに好ましくは１０００以上である。また、平均重合度は、生体組織に近似した適度な弾性を付与するために、好ましくは３５００以下、より好ましくは３０００以下、さらに好ましくは２５００以下である。

ポリビニルアルコールのケン化度は、生体モデル１０の材料の機械的強度および弾性率を高めるために、好ましくは９０モル％以上、より好ましくは９５モル％以上、さらに好ましくは９８モル％以上である。ポリビニルアルコールのケン化度は、高いほど好ましい。

本実施形態では、ポリビニルアルコールは、水およびジメチルスルホキシドを含有する混合系に溶解させるが、水溶性有機溶媒を含まずに水に溶解されてもよく、または、水を含まずに水溶性有機溶媒に溶解されてもよい。また、ポリビニルアルコールを溶解させる水溶性有機溶媒は、ジメチルスルホキシドに限定されない。

ポリビニルアルコールが溶解可能な水溶性有機溶媒は、例えばジメチルスルホキシド、ホルムアルデヒド、グルタルアルデヒド、コンゴーレッド、グリセリン、エタノール、アセトン、エチレングリコール、およびこれらの１種以上の混合系を適用できる。水溶性有機溶媒が加えられた生体モデル１０は、水のみを溶媒に使用した場合と比較して、生体組織に近似した粘りが付与され、挙動が生体組織に近似し、かつ壊れ難い。

また、ポリビニルアルコールは、添加物を含んでもよい。添加物は、例えば、ハイドロゲルの強度等を調整するための塩類（例えば、塩化ナトリウム）、シリカ粒子、乾燥を防止するための多糖類（例えば、キトサン）、実際の生体組織の外観に近似させるための色素、抗菌剤、防黴剤、香料、酸化防止剤などである。

次に、生体モデル１０を製造するための設備について説明する。生体モデル１０の製造設備は、図２に示すように、撹拌容器１１０と、撹拌機１２０と、加熱装置１３０と、脱気装置１４０と、成形型１００（図３を参照）と、撹拌機１２０および撹拌容器１１０を支持する支持スタンド１５０と、冷凍装置（図示せず）とを備えている。

撹拌容器１１０は、ポリビニルアルコール、水溶性有機溶媒、水、添加剤等を収容してポリビニルアルコールを水および水溶性有機溶媒に溶解させるための容器である。撹拌容器１１０は、例えば丸底フラスコであり、支持スタンド１５０に取り付けて固定できる。

撹拌機１２０は、撹拌容器１１０内の材料を撹拌するための装置である。撹拌機１２０は、撹拌容器１１０内に挿入可能な撹拌棒１２１と、撹拌棒１２１に固定されて撹拌容器１１０内で回転可能な撹拌羽根１２２と、モータなどの駆動源を有して撹拌棒１２１を回転させる駆動部１２３とを備えている。撹拌機１２０は、耐熱性であり、支持スタンド１５０に駆動部１２３が固定されて、下方へ向かって撹拌棒１２１が延在する。撹拌機１２０は、撹拌羽根１２２の回転速度を調節可能である。

加熱装置１３０は、撹拌容器１１０内の材料を加熱するための装置である。加熱装置１３０は、撹拌容器１１０の一部を浸漬させることが可能なオイルバスである。加熱装置１３０は、内部のオイルを任意の温度に保持し、オイルに浸漬される撹拌容器１１０内のポリビニルアルコール、有機溶媒、水、添加剤等を加熱する。

脱気装置１４０は、ポリビニルアルコール溶液から気泡を取り除くための装置であり、例えばアスピレータである。脱気装置１４０は、吸引するための吸引管１４１を備えており、吸引管１４１は、撹拌容器１１０を封止できる栓２４２を貫通して撹拌容器１１０内に到達できる。脱気装置１４０を作動させることで、撹拌容器１１０内を減圧し、ポリビニルアルコール溶液から気泡を取り除くことができる。

冷凍装置は、ポリビニルアルコール溶液を注がれた成形型１００を収容して冷却することができる。冷凍装置は、冷凍温度を調節できることが好ましい。

次に、上述の製造設備により生体モデル１０を製造する方法の例を説明する。病変模擬部１４は、例えばヒトから採取した病変組織（例えば、血栓）にポリビニルアルコールを混合した材料とする。生体モデル１０の製造は、第１の模擬部１１、第２の模擬部１２、病変模擬部１４の順番で形成される。

初めに、支持スタンド１５０に固定された撹拌機１２０の下方に加熱装置１３０（オイルバス）を設置し、加熱装置１３０の電源を入れ、設定温度を例えば１００℃とする。

撹拌容器１１０の内部に、ポリビニルアルコール、塩化ナトリウム、ジメチルスルホキシド、水を測定して入れる。材料の配合は、例えば、ポリビニルアルコール８０ｇ、塩化ナトリウム２０ｇ、ジメチルスルホキシド８００ｇ、水２００ｇである。次に、設定温度に到達した加熱装置１３０のオイルに撹拌容器１１０を浸漬させる。この後、撹拌容器１１０の開口部から撹拌羽根１２２を挿入し、撹拌羽根１２２を撹拌容器１１０の内部の材料に浸漬させる。このとき、撹拌容器１１０の開口部は、加熱装置１３０のオイルの上面よりも上方に位置し、オイルが撹拌容器１１０内に流入しない。

次に、撹拌容器１１０を支持スタンド１５０に固定し、撹拌機１２０を作動させて、撹拌羽根１２２により撹拌容器１１０内の材料を撹拌する。撹拌羽根１２２の回転速度は、特に限定されないが、例えば１００〜６００ｒｐｍである。撹拌羽根１２２の回転速度は、遅すぎると撹拌に時間がかかり、早すぎると材料内に空気が混入しやすくなるため、適宜設定されることが好ましい。

所定の時間（例えば、約２時間）材料を撹拌すると、ポリビニルアルコールが水およびジメチルスルホキシドに完全に溶解し、第１のポリビニルアルコール溶液となる。なお、撹拌時間は、ポリビニルアルコールが水およびジメチルスルホキシドに完全に溶解できるのであれば、特に限定されない。

次に、撹拌機１２０を停止させ、撹拌容器１１０を支持スタンド１５０から移動させて撹拌羽根１２２を撹拌容器１１０の開口部から引き抜く。次に、吸引管１４１が貫通する栓２４２を撹拌容器１１０の開口部に嵌合させ、撹拌容器１１０を密封する。

次に、脱気装置１４０を作動させると、撹拌容器１１０の内部の気体が吸引され、撹拌容器１１０の内部が減圧される。これにより、第１のポリビニルアルコール溶液の内部に入り込んだ空気が脱気される。

次に、図３に示す成形型１００に第１のポリビニルアルコール溶液を流し込む。成形型１００に第１のポリビニルアルコール溶液を流し込んだ後、成形型１００を冷凍庫に入れ、例えば−４０℃以下に冷却する。所定の時間（例えば２４時間）が経過後、型を冷凍庫から取り出し、常温へ戻す。第１のポリビニルアルコール溶液を冷凍し、解凍することで、ポリビニルアルコールの分子が架橋し、ハイドロゲルである第１の模擬部１１が形成される。

次に、上述した製造設備（図２を参照）を用いて、同様の方法で第２の模擬部１２の材料となる第２のポリビニルアルコール溶液を作製する。なお、撹拌容器１１０に入れられる材料の配合率は、第１の模擬部１１の場合と同じであっても、異なってもよい。加熱温度、撹拌速度、撹拌時間等の条件は、材料に合わせて好ましい条件に適宜設定されることが好ましい。

次に、成形型１００の内部に第２のポリビニルアルコール溶液を流し込む。このときの第１の模擬部１１の温度は、例えば常温（約２０℃）である。第２のポリビニルアルコール溶液の温度は、例えば約１００℃である。なお、第１の模擬部１１の温度は、水素結合が切れてゲルから溶液に戻る温度でなければ特に限定されず、例えば冷凍時の−４０℃であっても６０℃程度まで加熱されてもよい。また、第２のポリビニルアルコール溶液の温度は、溶液状態を維持できる温度であれば特に限定されず、例えば７０℃程度まで下げてもよい。

成形型１００の内部に第２のポリビニルアルコール溶液を流し込むと、高温の第２のポリビニルアルコール溶液と接触する第１の模擬部１１の表面の水素結合が切れて部分的に溶解し、第２のポリビニルアルコール溶液と混ざり合う。

この後、成形型１００を冷凍庫に入れ、例えば−３０℃に冷却する。所定の時間（例えば２４時間以上）冷却すると、成形型１００内に流し込まれたポリビニルアルコールの分子間が水素結合（架橋）されて、ゲル状の第２の模擬部１２が形成される。さらに、高温の第２のポリビニルアルコール溶液と接触して溶解した第１の模擬部１１の表面は、冷凍されて分子間が再び架橋される。これにより、第１の模擬部１１および第２の模擬部１２が結合し、第１の模擬部１１および第２の模擬部１２の間に互いの材料が混ざり合った結合部１３が形成される。

次に、上述した生体モデル１０の製造設備（図２を参照）を再び用いて、病変模擬部１４の材料となる第３のポリビニルアルコール溶液を作製する。なお、撹拌容器１１０に入れられる材料の配合率は、第１の模擬部１１や第２の模擬部１２の場合と同じであっても、異なってもよい。加熱温度、撹拌速度、撹拌時間等の条件は、材料に合わせて好ましい条件に適宜設定されることが好ましい。次に、完成した第３のポリビニルアルコール溶液に、生体から採取された病変組織または病変組織を模擬した材料を混入させる。

次に、第３のポリビニルアルコール溶液を病変組織または病変組織を模擬した材料とともにシリンジに収容する。次に、図４に示すように、シリンジの針１７０を第１の模擬部１１（または第２の模擬部１２）に突き刺し、針先を結合部１３の近傍へ到達させる。なお、針先の位置は、結合部１３から多少離れていても、剥離しやすい結合部１３へ自然と流れるため、厳密に結合部１３に位置決めしなくてもよく、作業が容易である。この後、針１７０から病変部を模擬する材料が混ざった第３のポリビニルアルコール溶液を注入すると、溶液の圧力により、第１の模擬部１１と第２の模擬部１２の間の結合が部分的に剥がれて空間が形成され、この空間に溶液が充填される。なお、注入時の第３のポリビニルアルコール溶液の温度は、例えば１００℃であるが、溶液として維持される１０℃程度まで下げることもできる。なお、第１の模擬部１１と第２の模擬部１２の間の剥離は、第３のポリビニルアルコール溶液の高い温度により、結合部１３の近傍の水素結合が切れることによって、生じやすくなる。第３のポリビニルアルコール溶液が充填される空間は、第１の模擬部１１と第２の模擬部１２の間であれば特に限定されず、第１の模擬部１１と結合部１３の間、第２の模擬部１２と結合部１３の間、または結合部１３の内部であり得る。

この後、成形型１００を冷凍庫に入れ、例えば−３０℃に冷却する。所定の時間（例えば２４時間以上）が経過後、成形型１００を冷凍庫から取り出し、常温へ戻す。これにより、図４に示すように、第３のポリビニルアルコール溶液に含まれるポリビニルアルコールの分子間が水素結合（架橋）されて、病変組織または病変組織を模擬した材料を含む病変模擬部１４が形成される。さらに、高温の第３のポリビニルアルコール溶液と接触して温度が上昇し水素結合が切れた結合部１３の表面は、部分的に溶解して第３のポリビニルアルコール溶液と混ざりあった後に冷凍され、分子間が再び架橋される。これにより、結合部１３と病変模擬部１４が結合される。

次に、成形型１００を冷凍庫から取り出して常温に戻し、成形型１００内から生体モデル１０を取り出して、生体モデル１０が完成する。

完成した生体モデル１０は、結合部１３にて第１の模擬部１１と第２の模擬部１２が結合されているが、ポリビニルアルコールを含むゲルポリビニルアルコール溶液を流し込み、冷凍して２つの材料を結合する際の結合強度は、接触する２つの材料の熱量（温度×体積）に依存し、熱量が大きいほど、広い範囲でハイドロゲルの水素結合が切れ、互いの材料が混ざり合う範囲が広くなる。互いに混ざり合った溶液は、再び冷凍されることで水素結合が再び作られることより、２つの材料が結合するが、混ざり合う範囲が広く結合範囲が広いほど、結合強度が高くなると考えられる。このため、一方の材料に対して他方の材料を重ねる際の熱量を調節することで、結合強度を制御することができる。すなわち、一旦冷却して架橋しても、加熱することで水素結合が切れ、再び冷却することで水素結合するポリビニルアルコールの性質を利用し、加熱温度（熱量）の調節によって、結合部１３の結合強度を制御できる。

結合部１３におけるポリビニルアルコールの濃度は、第１の模擬部１１におけるポリビニルアルコールの濃度と、第２の模擬部１２におけるポリビニルアルコールの濃度の間であり、第１の模擬部１１から第２の模擬部１２に向かって濃度が徐々に変化する。第１の摸擬部１１と第２の摸擬部１２の熱量が大きいほど、第１の模擬部１１と第２の模擬部１２が広い範囲で混ざり合い、結合部１３におけるポリビニルアルコールの濃度変化の勾配が小さくなり、強度が向上する。なお、結合部１３の強度は、初めから一体的に形成される部位である第１の模擬部１１自体や第２の模擬部１２自体の強度よりも低い。したがって、針１７０を結合部１３の近傍に突き刺して溶液を注入するだけで、結合部１３において剥離を生じさせることができる。

以上のように、第１実施形態に係る生体モデル１０は、医療器具の訓練または試験に用いられる生体を模擬する生体モデル１０であって、水および水溶性有機溶媒の少なくとも一方並びにポリビニルアルコールを含み、前記ポリビニルアルコールの分子が水素結合してゲル状である第１の模擬部１１および第２の模擬部１２と、病変部から採取した組織、シリコーン樹脂、カルシウム、ポリビニルアルコール及びグリセリンからなる群から選ばれる少なくとも１つを含み第１の模擬部１１および第２の模擬部１２と接触する病変模擬部１４とを有する。上記のように構成した生体モデル１０は、ポリビニルアルコールを含むゲル状の第１の模擬部１１および第２の模擬部１２により正常な生体組織を模擬しつつ、病変模擬部１４により病変部を適切に模擬して、実際の生体により近い条件で訓練や試験を行うことが可能である。

また、病変模擬部１４は、第１の模擬部１１および第２の模擬部１２の内部に埋設されている。これにより、正常な生体組織の内部に存在する病変部を病変模擬部１４により模擬し、実際の生体により近い条件で訓練や試験を行うことが可能である。

また、模擬部は、互いに接する第１の模擬部１１と第２の模擬部１２を有し、病変模擬部１４は、第１の模擬部１１と第２の模擬部１２の間に位置する。これにより、隣接する正常な２つの生体組織の間に存在する病変部を病変模擬部１４により模擬し、実際の生体により近い条件で訓練や試験を行うことが可能である。

また、病変模擬部１４は、水および水溶性有機溶媒の少なくとも一方並びにポリビニルアルコールを含み、ポリビニルアルコールの分子が水素結合してゲル状である。これにより、水素結合を利用して病変模擬部１４を第１の模擬部１１および第２の模擬部１２に対して結合させることができ、正常な生体組織に結合する病変部を模擬することができる。

また、本実施形態に係る生体モデル１０の製造方法は、医療器具の訓練または試験に用いられる生体を模擬する生体モデル１０の製造方法であって、水および水溶性有機溶媒の少なくとも一方並びにポリビニルアルコールが含まれる第１のポリビニルアルコール溶液を冷却してポリビニルアルコールを架橋させて第１の模擬部１１と第２の模擬部１２を形成するステップと、病変部から採取した組織または病変部を模擬できる材料を含み第１の模擬部１１および第２の模擬部１２と接触する病変模擬部１４を形成するステップと、を有する。上記のように構成した生体モデル１０の製造方法は、ポリビニルアルコールを含むゲル状の第１の模擬部１１および第２の模擬部１２に接触する病変模擬部１４を形成するため、実際の生体により近い生体モデル１０を製造できる。

また、上記製造方法は、病変模擬部１４を形成するステップにおいて、第１の模擬部１１および第２の模擬部１２の内部に病変模擬部１４を埋設する。これにより、正常な生体組織の内部に存在する病変部を病変模擬部１４により模擬でき、実際の生体により近い生体モデル１０を製造できる。

また、上記製造方法は、模擬部を形成するステップにおいて、互いに接する第１の模擬部１１と第２の模擬部１２を形成し、病変模擬部１４を形成するステップにおいて、病変模擬部１４を第１の模擬部１１と第２の模擬部１２の間に配置する。これにより、隣接する正常な２つの生体組織の間に存在する病変部を病変模擬部１４により模擬でき、実際の生体により近い生体モデル１０を製造できる。

また、上記製造方法は、第１の模擬部１１と第２の模擬部１２の境界の近傍に病変模擬部１４の材料を注入して病変模擬部１４を形成する。これにより、病変模擬部１４の材料を注入するだけで、第１の模擬部１１と第２の模擬部１２の間に病変模擬部１４を形成でき、病変模擬部１４を形成するための別途の成形型が不要であり、製造が容易である。また、病変模擬部１４の位置や大きさを、注入量や注入位置を調節することで多様に設定可能である。

また、上記製造方法は、病変模擬部１４を形成するステップにおいて、水および水溶性有機溶媒の少なくとも一方並びにポリビニルアルコールが含まれるポリビニルアルコール溶液を病変部から採取した組織または病変部を模擬できる材料と混合して第１の模擬部１１および第２の模擬部１２に接触させた後に冷却することで、ポリビニルアルコールの分子を水素結合させて病変模擬部１４を形成する。これにより、水素結合を利用して病変模擬部１４を第１の模擬部１１および第２の模擬部１２に対して結合させることができ、正常な組織に結合する病変部を模擬できる。なお、病変模擬部１４は、ポリビニルアルコールを含まなくてもよい。

また、第１の模擬部１１と第２の模擬部１２の間に、第３のポリビニルアルコール溶液を注入しやすいように、剥離しやすい部位を設けてもよい。このために、例えば図５に示すように、第１の模擬部１１の表面の結合力を高めたい部分に、第１の模擬部１１よりも温度の高い部材１５を接触させて加熱する。この後、この部材１５を取り除き、第２のポリビニルアルコール溶液を注ぐと、部材１５と接触して温度が高い部位は溶融して第２のポリビニルアルコール溶液と混ざりやすくなり、架橋して結合部１３を構成した際の結合力が高くなる。したがって、部材１５が接触しなかった部位は、想定的に結合力が低く剥離が生じやすくなり、病変模擬部１４が配置される位置を正確に設定できる。

また、図６に示す変形例のように、１つの模擬部１６の内部に、病変模擬部１７を注入して形成してもよい。
＜第２実施形態＞

第２実施形態に係る生体モデル２０は、病変部として血栓やプラークが形成された血管を模擬するモデルである。

生体モデル２０は、図７に示すように、血管の内膜を模擬する第１の模擬部２１と、血管の外膜を模擬する第２の模擬部２２と、中膜を模擬する結合部２３と、結合部２３の内部に配置される病変模擬部２４とを備えている。なお、図７では、病変模擬部２４は、結合部２３の内部に位置しているが、第１の模擬部２１と結合部２３の間に位置してもよく、または第２の模擬部２２と結合部２３の間に位置してもよい。第１の模擬部２１は、図８に示すように、第１のポリビニルアルコール溶液を円管２５および芯材２６からなる成形型２７に流し込み、冷凍および解凍することで、ポリビニルアルコールが架橋されてゲル状に形成される。

この後、図９に示すように、他の円管２８および芯材２６からなる成形型２９に、第２のポリビニルアルコールを流し込んで冷凍することで、ポリビニルアルコールが架橋されてゲル状の第２の模擬部２２が形成される。第１の模擬部２１と第２の模擬部２２の間には、第２のポリビニルアルコールの高い温度によって互いの材料が混ざり合って結合される結合部２３が形成される。

次に、ゲル状となった部材を成形型２９から取り外して解凍する。次に、第３のポリビニルアルコール溶液および病変部を模擬する材料を収容したシリンジを準備し、図１０に示すように、シリンジの針１７０を第１の模擬部２１（または第２の模擬部２２）に突き刺して、針先を結合部２３の近傍へ到達させる。なお、針先の位置は、厳密に結合部２３に位置しなくてもよい。この後、針１７０から病変部を模擬する材料が混ざった第３のポリビニルアルコール溶液を注入すると、溶液の圧力により、第１の模擬部２１と第２の模擬部２２の間の結合が部分的に剥がれて空間が形成され、この空間に溶液が充填される。なお、第１の模擬部２１と第２の模擬部２２の間の剥離は、第３のポリビニルアルコール溶液の高い温度により、結合部２３の近傍の水素結合が切れることによって生じやすくなる。第３のポリビニルアルコール溶液が充填される空間は、第１の模擬部２１と第２の模擬部２２の間であれば特に限定されず、第１の模擬部２１と結合部２３の間、第２の模擬部２２と結合部２３の間、または結合部２３の内部であり得る。この後、第３のポリビニルアルコール溶液を注入した部材を冷凍した後に解凍すると、ポリビニルアルコールが架橋されて、図７に示すように、病変模擬部２４を有する生体モデル２０が完成する。病変模擬部２４は、結合部２３と材料が混ざり合って結合部２３と結合して形成される。このように、血管内に偏って配置される病変部であっても、病変模擬部２４の材料の注入量や注入部位によって、病変模擬部２４用の成形型を必要とせずに容易に模擬できる。また、病変模擬部２４の材料の注入量や注入部位によって、第１の模擬部２１が血管の内腔に押され、血管の内腔に突き出るため、血管の内腔が減少するような生体組織をも、良好に再現できる。また、病変模擬部２４の材料の注入量や注入部位によって、第２の模擬部２２が血管の径方向外側に押され、血管の外側に突き出るため、血管の外径が一部増加するような生体組織をも、良好に再現できる。
＜第３実施形態＞

第３実施形態に係る生体モデルは、石灰化した病変部が内部に形成された血管を模擬するモデルである。

生体モデル３０は、図１１に示すように、血管を模擬する模擬部３１と、模擬部３１の内側に配置される病変模擬部３２とを備えている。模擬部３１は、図１２に示すように、第１のポリビニルアルコール溶液を円管３３および芯材３４からなる成形型３５に流し込み、冷凍および解凍することで、ポリビニルアルコールが架橋されてゲル状に形成される。

この後、図１３に示すように、他の円管３６および芯材３４からなる成形型３７に、病変組織を模擬する石灰を含む第３のポリビニルアルコールを流し込み、冷凍および解凍することで、ポリビニルアルコールが架橋されて病変模擬部３２が形成される。模擬部３１と病変模擬部３２の間には、第３のポリビニルアルコールの高い温度によって互いの材料が混ざり合って結合される。この後、成形型３７を取り外して、生体モデル３０が完成する。

以上のように、第３実施形態に係る生体モデル３０は、病変模擬部３２が模擬部３１に埋設されずに模擬部３１の外面に接触している。病変模擬部３２は、模擬部３１の外面一周に対して接触している。これにより、正常な生体組織の外部に存在する病変部を病変模擬部３２により模擬することができ、実際の生体により近い条件で訓練や試験を行うことが可能である。
＜第４実施形態＞

第４実施形態に係る生体モデル４０は、病変部が生体組織の外部に形成された状態を模擬するモデルである。模擬する病変部は、例えばがん細胞、血栓、プラーク等である。

生体モデル４０は、図１４に示すように、正常な組織を模擬する模擬部４１と、模擬部４１の外側に配置される病変模擬部４２とを備えている。模擬部４１は、第１のポリビニルアルコール溶液を成形型１００に流し込み、冷凍および解凍することで、ポリビニルアルコールが架橋されてゲル状に形成される。この後、病変組織を模擬する材料を模擬部４１の上に配置し、病変模擬部４２を形成する。この後、成形型１００を取り外して、生体モデル４０が完成する。

以上のように、第４実施形態に係る生体モデル４０は、病変模擬部４２を模擬部４１の外部に配置することで、生体モデル４０を構成することが可能である。なお、病変模擬部４２は、模擬部４１に対して、接着したり、突起等を設けて突き刺したりすることで固定することもできる。
＜第５実施形態＞

第５実施形態に係る生体モデル５０は、病変部４２が生体組織の内部に形成された状態を模擬するモデルである。模擬する病変部は、例えばがん細胞、血栓、プラーク等である。

生体モデル５０は、図１５に示すように、第４実施形態に係る生体モデル４０と同様の模擬部４１および病変模擬部４２を形成し、これらを覆うように第２のポリビニルアルコール溶液を成形型１００に流し込み、冷凍および解凍する。これにより、ポリビニルアルコールが架橋されて第２の模擬部５１が形成される。病変模擬部４２は、模擬部４１と第２の模擬部５１の間に配置される。この後、成形型１００を取り外して、生体モデル５０が完成する。

以上のように、第５実施形態に係る生体モデル５０は、病変模擬部４２を模擬部４１の外部に配置した後、第２の模擬部５１で覆うことで、病変模擬部４２が模擬部４１および第２の模擬部５１の内部に埋設される。したがって、病変部を模擬する材料をシリンジ等で注入が困難な場合であっても、病変模擬部４２を模擬部４１および第２の模擬部５１の内部に配置することが容易である。
＜第６実施形態＞

第６実施形態に係る生体モデル６０は、病変部が生体組織の内部に形成された状態を模擬するモデルである。模擬する病変部は、例えばがん細胞、血栓、プラーク等である。

生体モデル６０は、図１７に示すように、正常な組織を模擬する第１の模擬部６１および第２の模擬部６２と、第１の模擬部６１および第２の模擬部６２の間に配置される病変模擬部６３とを備えている。

第１の模擬部６１は、第１のポリビニルアルコール溶液を成形型１００に流し込み、冷凍および解凍することで、ポリビニルアルコールが架橋されてゲル状に形成される。次に、図１６に示すように、病変模擬部６３の形状を規定する病変部用成形型２６１を、第１の模擬部６１の上面の所定の範囲を囲むように配置する。次に、病変部用成形型２６１の内部に、病変部を模擬する材料を含む第３のポリビニルアルコール溶液を流し込む。この後、冷凍および解凍することで、ポリビニルアルコールが架橋されて病変模擬部６３が形成される。

次に、第１の模擬部６１および病変模擬部６３を覆うように第２のポリビニルアルコール溶液を成形型１００に流し込み、冷凍および解凍する。これにより、図１７に示すように、ポリビニルアルコールが架橋されて第２の模擬部６２が形成される。病変模擬部６３は、第１の模擬部６１と第２の模擬部６２の間に配置される。この後、成形型１００を取り外して、生体モデル６０が完成する。

以上のように、第６実施形態に係る生体モデル６０の製造方法は、病変模擬部６３を形成するステップにおいて、当該病変模擬部６３の外側形状に対応する形状を備えた病変部用成形型２６１を第１の模擬部６１に接触させ、病変部用成形型２６１に病変模擬部６３の材料を供給して病変模擬部６３を形成する。このように、病変部用成形型２６１を用いて病変模擬部６３を形成するため、病変模擬部６３を望ましい形状に形成できる。
＜第７実施形態＞

第７実施形態に係る生体モデル７０は、病変部が生体組織の内部に形成された状態を模擬するモデルである。模擬する病変部は、例えばがん細胞、血栓、プラーク、石灰化病変、ポリープ等を模擬する。または、病変模擬部１４は、血管内の狭窄や閉塞を模擬することもできる。または、血管内の狭窄や閉塞の硬さ、量、長さを模擬することができる。例えば、動脈の血栓は静脈の血栓よりも量が少なく、長さが短く、硬い。静脈の血栓は動脈の血栓よりも量が多く、長さが長く、柔らかい。

生体モデル７０は、図２１に示すように、正常な組織を模擬する第１の模擬部７１および第２の模擬部７２と、第１の模擬部７１および第２の模擬部７２の間に配置される病変模擬部７３とを備えている。

第１の模擬部７１は、図１８に示すように、第１のポリビニルアルコール溶液を成形型に流し込み、冷凍および解凍することで、ポリビニルアルコールが架橋されてゲル状に形成される。次に、第２のポリビニルアルコール溶液を成形型に流し込み、冷凍および解凍することで、ポリビニルアルコールが架橋されて、第２の模擬部７２がゲル状に形成される。第１の模擬部７１と第２の模擬部７２の間は、第２のポリビニルアルコールの高い温度によって互いの材料が混ざり合って結合される。

次に、図１９に示すように、病変模擬部７３の外側形状に対応する形状を備えたくり抜き型７５を第２の模擬部７２に押し付け、第２の模擬部７２をくり抜く。第１の模擬部７１と第２の模擬部７２の結合部の接合強度は、第１の模擬部７１自体や第２の模擬部７２自体の強度よりも低いため、くり抜き型７５を第１の模擬部７１と第２の模擬部７２の結合部まで押し込むことで、第２の模擬部７２をくり抜くことができる。なお、第２の模擬部７２をくり抜きやすいように、第１の模擬部７１と第２の模擬部７２の間に、接合強度が低い部位を積極的に設けてもよい（図５を参照）。

次に、くり抜き型７５を取り除き、図２０に示すように、くり抜かれた部位に、病変部を模擬する材料を含む第３のポリビニルアルコール溶液を流し込む。この後、冷凍および解凍することで、ポリビニルアルコールが架橋されて病変模擬部７３が形成される。

次に、病変模擬部７３を覆うように第２のポリビニルアルコール溶液を注ぎ、第２の模擬部７２のくり抜かれた部位を第２のポリビニルアルコール溶液で満たして、冷凍および解凍する。これにより、図２１に示すように、ポリビニルアルコールが架橋されて第２の模擬部７２のくり抜かれた部位がゲルにより埋められる。これにより、病変模擬部７３は、第１の模擬部７１と第２の模擬部７２の間に配置される。この後、成形型１００を取り外して、生体モデル７０が完成する。

以上のように、第７実施形態に係る生体モデル７０の製造方法は、第２の模擬部７２をくり抜き、病変模擬部７３を形成した後、くり抜いた部位を埋めるステップを有する。このような方法であっても、第１の模擬部７１および第２の模擬部７２の内部に病変模擬部７３が埋設された生体モデル７０を作製できる。

なお、本発明は、上述した実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の技術的思想内において当業者により種々変更が可能である。例えば、本実施形態に係る生体モデルの形状は、特に限定されない。また、生体モデルは、さらに他の模擬部が設けられて、より複雑な構成であってもよい。

１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０ 生体モデル、
１１、２１、６１、７１ 第１の模擬部（模擬部）、
１２、２２、５１、６２、７２ 第２の模擬部（模擬部）、
１３、２３ 結合部、
１４、１７、２４、３２、４２、６３、７３ 病変模擬部、
１６、３１、４１ 模擬部、
２６１ 病変部用成形型。

Claims (10)

1. 医療器具の訓練または試験に用いられる生体を模擬する生体モデルであって、
   水および水溶性有機溶媒の少なくとも一方並びにポリビニルアルコールを含み、前記ポリビニルアルコールの分子が水素結合してゲル状である模擬部と、
   病変部から採取した組織、シリコーン樹脂、カルシウム、ポリビニルアルコール及びグリセリンからなる群から選ばれる少なくとも１つを含み前記模擬部と接触する病変模擬部と、を有する生体モデル。
2. 前記病変模擬部は、前記模擬部の内部に埋設されている請求項１に記載の生体モデル。
3. 前記病変模擬部は、前記模擬部の外面に接触する請求項１に記載の生体モデル。
4. 前記模擬部は、互いに接する第１の模擬部と第２の模擬部を有し、
   前記病変模擬部は、前記第１の模擬部と第２の模擬部の間に位置する請求項１または２に記載の生体モデル。
5. 前記模擬部は、管状であり、内腔に向かって突出している請求項１〜４のいずれか１項に記載の生体モデル。
6. 医療器具の訓練または試験に用いられる生体を模擬する生体モデルの製造方法であって、
   水および水溶性有機溶媒の少なくとも一方並びにポリビニルアルコールが含まれる第１のポリビニルアルコール溶液を冷却してポリビニルアルコールを架橋させて模擬部を形成するステップと、
   病変部から採取した組織または病変部を模擬できる材料を含み前記模擬部と接触する病変模擬部を形成するステップと、を有する生体モデルの製造方法。
7. 前記病変模擬部を形成するステップにおいて、前記模擬部の内部に前記病変模擬部を配置する請求項６に記載の生体モデルの製造方法。
8. 前記模擬部を形成するステップにおいて、互いに接する第１の模擬部と第２の模擬部を形成し、
   前記病変模擬部を形成するステップにおいて、前記病変模擬部を前記第１の模擬部と第２の模擬部の間に配置する請求項６または７に記載の生体モデルの製造方法。
9. 前記模擬部を形成するステップにおいて、前記第１の模擬部と第２の模擬部の境界の近傍に前記病変模擬部の材料を注入して前記病変模擬部を形成する請求項８に記載の生体モデルの製造方法。
10. 前記病変模擬部を形成するステップにおいて、水および水溶性有機溶媒の少なくとも一方並びにポリビニルアルコールが含まれるポリビニルアルコール溶液を病変部から採取した組織または病変部を模擬できる材料に混合して前記模擬部に接触させた後に冷却することで、前記ポリビニルアルコールの分子を水素結合させて前記病変模擬部を前記模擬部に結合する請求項６〜９のいずれか１項に記載の生体モデルの製造方法。

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