JP6183735B2 - 胸腔シミュレータ - Google Patents

Description

本発明は、胸腔鏡下手術のトレーニングや学習用の胸腔シミュレータに関するものである。

医療分野における患部や身体の特定部位の３次元視覚化は、インフォームドコンセント、 診療方針の決定、医療教育、医学研究の場などでのニーズが高まっている。特に、３次元造形モデルを利用した３次元視覚化の場合、視覚だけでなく、立体形状を実際に手に触れて見ることで、コンピュータ画像では伝えきれない多くの情報を伝えることができる。
近年、複数樹脂の同時噴射により、硬性樹脂と柔軟性樹脂を組み合わせ、機械的性質の異なる樹脂を用いた３次元造形モデルを作製できる３次元プリンタが知られており、３次元プリンタを用いて、その形状構造に関して表面や内部構造まで再現できるようになっている。

また、切開や皮膚縫合といった、医療現場における手技について、感覚的に実際の手技に近似した研修を通して、臨床経験が無い場合でも、高度な手技の習得を可能にする経皮手技シミュレータが知られている（例えば、特許文献１を参照）。
特許文献１に開示された経皮手技シミュレータは、凸状で曲面部を有する本体と、気管（人体臓器代替物）を載置する載置部と、気管の一部を覆うように皮膚（人体皮膚代替物）を本体に固定する皮膚固定部と、載置部を曲面部の面直方向に進退させる載置部変位機構とを有する。この経皮手技シミュレータを用いることで、臓器を皮膚が覆っている人体の構成と同様に、気管を皮膚が覆っている構成が実現される。また曲面部が人体表面の代替物となる。代替物の表面及び内部の形状や構成、硬さや質感などを人体に近似させることにより、実際の手技と同様のシミュレーションを行える。

現状、胸腔鏡下手術のトレーニングや学習用として、人の体型や質感を忠実に再現し、制約が多い人の身体に対する手術環境を模擬できる胸腔シミュレータは見当たらないのが実状である。

特開２０１０−０８５５１２号公報

かかる状況に鑑みて、本発明は、胸腔鏡下手術のトレーニングや学習用として、人の体型や質感を忠実に再現し、制約が多い人の身体に対する手術環境を模擬できる胸腔シミュレータを提供することを目的とする。

上記課題を解決すべく、本発明の胸腔シミュレータは、少なくとも肋骨を模擬した人体骨格モデルと、人体骨格モデルを収納するケーシングとから成る装置であって、ケーシングの肋骨部分に開孔部が設けられ、横隔膜の部分が開閉でき、人体骨格モデルの肋骨内部に臓器モデルを収納し得る構成とされる。人体における胸腔と腹腔は、横隔膜が境となり、胸腔内臓と腹腔内臓に分れるので、上記の臓器モデルは、肺や心臓、食道や気管になる。

人体骨格モデルの肋骨内部に臓器モデルは、表面及び内部の形状や構成、硬さや質感などを人体に近似させる。実際の質感に近い軟質の肺、気管支、脈などの臓器モデルは、柔らかさなどの質感を再現させて、リアルな手術環境を再現する。
また、人の肋骨は第１肋骨から第１２肋骨まであるが、できるだけ忠実に人体骨格モデルを再現する。ケーシングは人の皮下組織や皮膚に相当する。硬さや質感などを人体に近似させてもいいが、ケーシング自体は硬質性の樹脂でも構わない。
ケーシングの肋骨部分に開孔部を設けることにより、胸腔鏡下手術で用いる鉗子など手術用具を肋骨の骨の隙間から肋骨内部へ挿入することができる。横隔膜の部分は取り外しできるなど開閉できる構造となっており、人体骨格モデルの肋骨内部に収納する臓器モデルを交換することができる。

本発明の胸腔シミュレータにおける人体骨格モデルは、肋骨，胸骨，背骨および肩甲骨から成り、胸骨側を正面、背骨側を背面として場合に、左右側面のいずれか若しくは両側に、少なくとも第３肋骨から第６肋骨を露出する開孔部が設けられ、かつ、横隔膜を模擬した凸部を有する底蓋部が着脱自在であることが好ましい。人体骨格モデルは、肋骨，胸骨，背骨および肩甲骨から成り、左右側面のいずれか若しくは両側に、少なくとも第３肋骨から第６肋骨を露出する開孔部が設けるのは、制約が多い人の身体に対する手術環境をより忠実に模擬するためである。胸腔内臓に対する手術の場合、胸骨，背骨および肩甲骨からアクセスすることは少なく、肋骨の隙間からアクセスすることが殆どである。このことから、左右側面に開孔部を設ける。また、人の肋骨は第１肋骨から第１２肋骨まであるが、第３肋骨から第６肋骨の隙間からアクセスする場合が多く、第３肋骨から第６肋骨を露出する部位に開孔部を設ける。
また、横隔膜を模擬した凸部を有する底蓋部を着脱自在にすることにより、胸腔内臓の臓器モデルを交換することができる。

また、本発明の胸腔シミュレータは、人体骨格モデルの背骨もしくは胸骨に沿ってスライドし得る把持部材を備え、把持部材に臓器モデルが取付けられ、把持部材を人体骨格モデルの肋骨内部にスライド収納することにより、臓器モデルを肋骨内部に収納できることが好ましい。人体骨格モデルの背骨と胸骨は、真っ直ぐに伸びる骨であり、多少の凹凸はあるものの、それをスライドレールとして利用し、把持部材を背骨もしくは胸骨に沿ってスライドさせる。
把持部材には、臓器モデルが取付けられる構成とし、把持部材を人体骨格モデルの肋骨内部にスライド収納することにより、臓器モデルを肋骨内部に収納する。
人体骨格モデルの肋骨内部にスライド収納できる把持部材を用いることにより、臓器モデルの配置、固定、交換の利便性が向上できる。肺など胸腔臓器を交換するなどして繰り返し使用でき、実際の手術器械を用いて、実際と同じ手術操作を行うことができる。収納する胸腔臓器を変更することで、幅広い手技に対応することが可能である。

また、本発明の胸腔シミュレータは、開孔部を塞ぐ蓋部材を備え、蓋部材に胸腔鏡下手技で用いる手術具を挿入できる貫通孔が設けられることが好ましい。胸腔鏡下手術で用いる鉗子など手術用具は小径の孔から挿通する器具であるため、蓋部材に小径の孔を設けて、胸腔鏡下手術のリアルな手術環境を再現する。

ここで、ケーシングや蓋部材は、透光性素材から成ることが好ましい。本来、胸腔鏡下手術はカメラで胸腔鏡下を観察しながら手技を進めるが、目的がトレーニングや学習であるため、あえてケーシングを透明もしくは半透明など透光性にし、外部からも肋骨の位置、胸腔内蔵である肺や心臓の位置、胸腔鏡下手術で用いる鉗子の位置を確認できるようにする。
胸腔鏡下手術の初心者は、胸腔内外から見比べて、上級者は蓋部材で内部を隠して、胸腔鏡下手術のトレーニングを行うことができる。本発明の胸腔シミュレータのユーザにとって、胸腔鏡下手術の実際の距離感、実態サイズの把握に役立つことが期待できる。

また、人体骨格モデルの肋骨において、隣接する肋骨の隙間を広げられるように肋軟骨に相当する部位が軟性素材から成ることが好ましい。胸腔鏡下手術で用いる鉗子など手術用具は、肋骨の隙間から挿入する。実際の人の肋骨の場合、肋軟骨によって、多少隙間を拡げることが可能であり、リアルな手術環境を再現すべく、肋軟骨に相当する部位に軟性素材を用いて、隣接する肋骨の隙間を広げられるようにする。

本発明の胸腔シミュレータにおける臓器モデルが生体質感臓器モデルであり、生体質感臓器モデルは縮膨張可能であり、モデルサイズが変化する手段を備えたことが好ましい。生体質感臓器モデルのモデルサイズが変化することで、拍動などの動きがある肺や心臓のモデルに対する手技を訓練することができる。
ここで、生体質感臓器モデルは、実際の質感に近似した軟質性素材を用いてリアル感を向上させ、実践的な手技習得を図るものである。Ｘ線ＣＴやＭＲＩ（Magnetic Resonance Imaging）などの医療診断装置から得られたＤＩＣＯＭ（Digital Imaging and Communications in Medicine）データを用い、３次元形状データを製作し、それをもとにして３次元造形モデルを作製するものであり、人体の各部位（骨・臓器など）の質感（可視化・感触・硬さ・柔らかさなど）を持った３次元の生体臓器の造形物である。生体質感臓器モデルの作製方法としては、例えば、国際公開パンフレット（ＷＯ２０１２／１３２４６３）に記載されている。

本発明の胸腔シミュレータにおける臓器モデルが生体質感臓器モデルであり、生体質感臓器モデルはモデル表面あるいはモデル周辺に血管を模擬するチューブが設けられ、該チューブが破断した場合に、液体が流出する手段を備えたことが好ましい。かかる構造によれば、手術中に出血が生じるケースを模擬し、その場合の対処方法を訓練することが可能になる。

なお、本発明の胸腔シミュレータにおいて、ケーシングや蓋部材の内壁に生体臓器画像がマッピングされることが好ましい。ケーシングの内壁に生体臓器画像がマッピングされることで、 ケーシングや蓋部材の開口孔から監視用カメラを挿入した際に、より臨場感のある映像で訓練することができる。また、本発明の胸腔シミュレータにおいて、生体質感臓器モデルは、臓器内部の三次元構造を再現したものであることが好ましい。臓器内部の三次元構造を再現することにより、手技の訓練で切除操作の際に、リアリティのある訓練を行うことが可能になる。

本発明の胸腔シミュレータによれば、胸腔鏡下手術のトレーニングや学習用として、人の体型や質感を忠実に再現し、制約が多い人の身体に対する手術環境を模擬できるといった効果がある。

実施例１の胸腔シミュレータの外観図 実施例１の胸腔シミュレータの正面図 実施例１の胸腔シミュレータの背面図 実施例１の胸腔シミュレータの右側面図 実施例１の胸腔シミュレータの左側面図 実施例１の胸腔シミュレータの平面図 実施例１の胸腔シミュレータの底面図 実施例１の胸腔シミュレータの底蓋部の斜視図 実施例１の胸腔シミュレータの把持部材の外観図 実施例１の胸腔シミュレータの説明図１ 実施例１の胸腔シミュレータの他の把持部材の外観図 実施例１の胸腔シミュレータの説明図２ 実施例１の胸腔シミュレータの手術環境の説明図１ 実施例１の胸腔シミュレータの手術環境の説明図２ 実施例１の胸腔シミュレータの蓋部の取付図 実施例１の胸腔シミュレータの蓋部の取付下での手術環境の説明図 その他の実施例の説明図（１） その他の実施例の説明図（２） 肋骨および胸骨の人体骨格モデルを示す図

以下、本発明の実施形態の一例を、図面を参照しながら詳細に説明していく。なお、本発明の範囲は、以下の実施例や図示例に限定されるものではなく、幾多の変更及び変形が可能である。

図１は、胸腔シミュレータ１の外観図を示している。図２〜７は、それぞれ胸腔シミュレータ１の正面図、背面図、右側面図、左側面図、平面図および底面図を示している。
胸腔シミュレータ１は、肋骨２，胸骨，背骨および肩甲骨１０を模擬した人体骨格モデルと、人体骨格モデルを収納するケーシング（４，５，６）とから成る。ケーシングの肋骨部分に開孔部が設けられている。横隔膜３を模擬した凸部を有する底蓋部４がケーシングから着脱自在であり、横隔膜の部分で開閉でき、人体骨格モデルの肋骨内部に肺や心臓などの臓器モデルを収納できる。ケーシングの肋骨部分に開孔部は、肋骨の第２肋骨から第８肋骨を露出しており、左側面および右側面にそれぞれ開口部が設けられている。
人体骨格モデルの胸骨は、ケーシング正面部位５の内側に隠れている。また、人体骨格モデルの背骨は、ケーシング背面部位７の内側に隠れている。
なお、図２〜７は、人体骨格モデルの肋骨内部に臓器モデルは未収納の状態を示している。また、ケーシング上面（平面）部位６には、胸骨部６ａが存在している。

図８は、胸腔シミュレータ１の底蓋部４の斜視図を示している。底蓋部４には、横隔膜３を模擬した凸部が形成されており、実際の胸腔内の環境を再現するように、胸腔シミュレータ１の胸腔内体積を制限している。底蓋部４の周縁部には凹部４ａが形成されており、ケーシング本体と嵌合できるようになっている。

図９は、胸腔シミュレータ１の把持部材８の外観図である。把持部材８は、人体骨格モデルの背骨および胸骨に沿ってスライドできるように、背骨と胸骨の受け部となる凹部（８ａ，８ｂ）が形成されている。また、把持部材８には、臓器モデルが取付けられるように係合部８ｃが形成されている。把持部材８を人体骨格モデルの肋骨内部にスライド収納することにより、臓器モデルを肋骨内部に簡便に収納することでき、臓器モデルの配置、固定、交換が容易になる。
図１０に示すように、把持部材８に肺や心臓など内蔵モデル（２０，２１）を取付固定し、把持部材８を背骨および胸骨に沿ってスライドさせて、ケーシング内の肋骨２の内部に臓器モデルを収納する。そして、横隔膜３を模擬した凸部を有する底蓋部４をケーシングに取付けることにより、胸腔内空間を構築する。

図１１は、胸腔シミュレータ１の他の把持部材９の外観図を示している。把持部材９は、背骨１１に沿ってスライドできるように、背骨の受け部となる凹部９ｃが形成されている。
背骨の受け部の左右両側にアーム（９ｂ，９ｃ）が設けられている。アーム（９ｂ，９ｃ）の先端部９ａによって左右の開き幅を調整でき、これにより肋骨２の内部における把持部材９の姿勢を安定させることができる。
図１２に示すように、把持部材９に肺や心臓など内蔵モデル２２を皿部９ｄの上に載せ、把持部材９を背骨１１に沿ってスライドさせて、ケーシング内の肋骨２の内部に臓器モデルを収納する。そして、横隔膜３を模擬した凸部を有する底蓋部４をケーシングに取付けることにより、胸腔内空間を構築する。

図１３および図１４は、胸腔シミュレータ１を用いて再現する胸腔鏡下手術環境の様子を示している。これらは、第３肋骨２ａと第４肋骨２ｂの隙間、および第４肋骨２ｂと第５肋骨２ｃの隙間にそれぞれ鉗子３１を挿入し、鉗子ハンドル３０で胸腔臓器の胸腔鏡下手術をトレーニングする様子を示している。

図１５は、胸腔シミュレータ１の蓋部４０の取付けの様子を示している。蓋部４０は、胸腔シミュレータの側面の開孔部を塞ぐ部材である。図１６に示すように、蓋部４０には、胸腔鏡下手技で用いる鉗子３１を挿入できる貫通孔４１が設けられ、貫通孔４１を介して、鉗子３１が挿入され、鉗子ハンドル３０で胸腔臓器の胸腔鏡下手術をトレーニングすることができる。

胸腔シミュレータ１のケーシング正面部位５，ケーシング背面部位７，ケーシング側面部位および蓋部４０は半透明である。上述した通り、胸腔鏡下手術はカメラで胸腔鏡下を観察しながら手技を進めるが、目的がトレーニングや学習であるため、ケーシングを半透明にし、外部からも肋骨の位置、胸腔内蔵である肺や心臓の位置、胸腔鏡下手術で用いる鉗子の位置を確認できるようにしている。

また、胸腔シミュレータ１の人体骨格モデルの肋骨２において、隣接する肋骨の隙間を広げられるように肋軟骨に相当する部位に、軟質性樹脂を用いている。胸腔鏡下手術で用いる鉗子は肋骨の隙間から挿入するので、実際の人の肋骨と近似したリアルな手術環境を再現するためである。

なお、胸腔シミュレータ１の肋骨２の内部に収納する臓器モデルは、既に知られた材料および技術を用いて、表面及び内部の形状や構成、硬さや質感などを人体に近似させている。実際の質感に近い軟質の臓器モデルにすることで、柔らかさなどの質感を再現させて、リアルな手術環境を再現する。

（その他の実施例）
（１）胸腔シミュレータ１のケーシングの開孔部の大きさおよび位置は、肋骨部分を露出させるものであれば特に制限されるものではない。また、肋骨部分を露出させる開孔部に加えて、胸骨、背骨などを露出させるものでもよい。
（２）胸腔シミュレータ１のケーシングの形状については、実際の人体に近似させるものが好ましいが、実施例１の胸腔シミュレータ１のケーシングのように胸腔部位のみでなくとも腕部や頭部、さらには腹腔部位があるものでもよい。

（３）図１７に、生体質感臓器モデルが縮膨張できる構成を示す。生体質感臓器モデル６０は伸縮可能な樹脂素材を用いて作製され、内部に空洞部６１が設けられている。この空洞部６１に胸腔シミュレータ１の外部からチューブ６２を介して空気注入ユニット６３から空気が送り込まれることにより、生体質感臓器モデル６０が膨張しモデルサイズが大きくなる。一方、胸腔シミュレータ１の外部からチューブ６２を介して、空洞部６１から空気が抜かれることにより生体質感臓器モデル６０が縮小しモデルサイズが小さくなる。これにより、例えば、心臓などの拍動を再現でき、リアリティのある手技を訓練することができる。

（４）図１８に、生体質感臓器モデル６０の表面あるいはモデル周辺に血管を模擬する血管模擬チューブ６５が設けられているイメージを示す。生体質感臓器モデル６０の内部に空洞部６１が設けられ、液体が充填されている。チューブ６６は空洞部６１と繋がっており、血管模擬チューブ６５が破断した場合に、生体質感臓器モデル６０の空洞部６１に充填された液体が流出するようになっている。かかる構造によれば、手術中に出血が生じるケースを模擬し、その場合の対処方法を訓練することが可能になる。

本発明は、胸腔鏡下手術のトレーニングや学習に有用であり、手術支援装置や手術シミュレーション装置として利用できる。

１ 胸腔シミュレータ
２，２ａ〜２ｃ 肋骨
３ 横隔膜
４ 底蓋部
５ ケーシング正面部位
６ ケーシング上面（平面）部位
６ａ 胸骨部
７ ケーシング背面部位
８，９ 把持部材
１０ 肩甲骨
１１ 背骨
２０，２１，２２ 内蔵モデル
３０ 鉗子ハンドル
３１ 鉗子
４０ 蓋部
４１ 貫通孔
５０ 肋骨
５１ 肋軟骨
５２ 胸骨
５３ 背骨
６０ 生体質感臓器モデル
６１ 空洞部
６２，６６ チューブ
６３ 空気注入ユニット
６５ 血管模擬チューブ

Claims (7)

1. 少なくとも肋骨を模擬した人体骨格モデルと、
   該人体骨格モデルを収納するケーシングとから成る装置であって、
   前記人体骨格モデルが、肋骨，胸骨，背骨および肩甲骨から成り、胸骨側を正面、背骨側を背面とした場合に、左右側面のいずれか若しくは両側に、少なくとも第３肋骨から第６肋骨を露出する開孔部が前記ケーシングに設けられ、
   横隔膜を模擬した凸部を有する底蓋部が着脱自在であり、
   前記人体骨格モデルの肋骨内部に臓器モデルを収納し得る、
   ことを特徴とする胸腔シミュレータ。
2. 前記人体骨格モデルの背骨もしくは胸骨に沿ってスライドし得る把持部材を備え、
   該把持部材に前記臓器モデルが取付けられ、前記把持部材を前記人体骨格モデルの肋骨内部にスライド収納することにより、前記臓器モデルを肋骨内部に収納する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の胸腔シミュレータ。
3. 前記開孔部を塞ぐ蓋部材を備え、
   該蓋部材に胸腔鏡下手技で用いる手術具を挿入し得る貫通孔が設けられた、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の胸腔シミュレータ。
4. 前記ケーシングまたは前記蓋部材が透光性素材から成る、
   ことを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の胸腔シミュレータ。
5. 前記人体骨格モデルの肋骨において、
   隣接する肋骨の隙間を広げられるように肋軟骨に相当する部位が軟性素材から成る、
   ことを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の胸腔シミュレータ。
6. 前記臓器モデルが生体質感臓器モデルであり、前記生体質感臓器モデルは縮膨張可能であり、モデルサイズが変化する手段を備えたことを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の胸腔シミュレータ。
7. 前記臓器モデルが生体質感臓器モデルであり、前記生体質感臓器モデルはモデル表面あるいはモデル周辺に血管を模擬するチューブが設けられ、該チューブが破断した場合に、液体が流出する手段を備えたことを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の胸腔シミュレータ。