JP2004348095A - トレーニングシステム - Google Patents
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Abstract
【課題】各種センサを装着・内蔵あるいは各種センサで監視された医用器具類あるいは模擬医用器具類を用いて、各種センサを装着・内蔵あるいは各種センサで監視された人体模型に対して、内視鏡下手術操作などの低侵襲医療行為のトレーニングを行ない、トレーニング中に各種センサにて情報を取得し、トレーニング中の諸動作履歴を、その場であるいは遠隔地において、逐一記録・再生することができるトレーニングシステムを得る。
【解決手段】各種センサを装着・内蔵あるいは各種センサで監視された医用器具類あるいは模擬医用器具類を用いて各種センサを装着・内蔵あるいは各種センサで監視された人体模型に対して、内視鏡下手衝操作などの低侵襲医療行為のトレーニングを行ない、トレーニング中に各種センサにて情報を取得し、トレーニング中の諸動作履歴を、その場であるいは遠隔地において逐一記録・再生する。
【選択図】 図１
【解決手段】各種センサを装着・内蔵あるいは各種センサで監視された医用器具類あるいは模擬医用器具類を用いて各種センサを装着・内蔵あるいは各種センサで監視された人体模型に対して、内視鏡下手衝操作などの低侵襲医療行為のトレーニングを行ない、トレーニング中に各種センサにて情報を取得し、トレーニング中の諸動作履歴を、その場であるいは遠隔地において逐一記録・再生する。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は手術操作のトレーニングあるいは研修等において手術前のシミュレーション、あるいはその他、精密な操作が必要とされる分野での操作トレーニングシステムに関するものである。また本システムを用いて、実際の手術器具を用いた術前計画立案・手術手技のシミュレーションに用いる。これにより、手術前に複数の手技を比較検討することが可能である。
【０００２】
【従来の技術】
手術のトレーニングに関し、様々な技術が知られている（例えば、特許文献１〜９参照。）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−００５３７７号公報
【特許文献２】
特開平１１−２６２５４２号公報
【特許文献３】
特開平１１−２４９５４８号公報
【特許文献４】
特表２００２−５１００６９号公報
【特許文献５】
特開２００１−１３７３８４号公報
【特許文献６】
特開２００１−００５３７８号公報
【特許文献７】
特開平１１−２３１７７０号公報
【特許文献８】
特開平０６−１０５８７７号公報
【特許文献９】
特表平０８−５０００２１号公報
【０００４】
更に具体的な製品としては（株）高研の救急処置シミュレーターなどが知られている。また、上記特許文献７に記載されているように、特に近年ではＶＲ技術を用いたトレーニングシステムの開発が盛んである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
内視鏡下手術は侵襲性が低く患者の身体的負担が少ないため普及が望まれるが、医師には高い技術スキルが求められる。従って、手術スキルのトレーニングが非常に大切だが、トレーニングのための環境が不十分である。現在は、実際の手術室内で指導医の下で研修を行っているが、やはり危険性は高いために、患者の理解が得られにくくなっている。
【０００６】
一方、動物による研修では腹腔などはブタなどが利用できるが、あまりに形状が人体と異なりすぎて利用できない部位も多い。さらに動物を用いた手術トレーニングは手術室・麻酔などヒトの手術と同じ装置を必要とし、生きた動物の確保が必要である等の理由から高価になる問題がある。また、動物愛護の観点から、手術トレーニングに利用することが困難となってきている。
【０００７】
献体による研修はたいへん望ましいが、献体は年々希少となっており、研修の機会は限定される。米国関節鏡学会では、手術研修の講習会にて精巧な模型を用いているが、現在の人体模型はバリエーションが少なく、個別の患者への対応はできてはいない。また模型は一般に高価で丈夫にできているが、丈夫すぎて生体なら壊れる力を加えても壊れず、破壊を伴う操作のトレーニングには不向きである。
【０００８】
ＶＲシステムは現在多くの研究が行われていて、腹腔鏡下手術における初歩の練習には有効であると考えられる。これは腹腔鏡下内視鏡手術においては、基本的に、鉗子など手術器具の体内への侵入部分（トロッカール）および手術操作を行う器具先端部分の２点での接触に絞られるため、その２点での力を計算すれば良いというシステム構築上の利点があるためであるが、力フイードバック（触覚の表示）に関しては、その質に課題が多い。具体的には、手術器具と患者の身体との多点接触の実時間での計算及び表示が困難で、「かたさ」の表現に限界がある。また使用する手術器具がそのシステム独自のものに限定される、などの問題点がある。さらに、手術前のシミュレーションを目的として、個々の患者データをシステムに取り込むことはできていない。
【０００９】
そこで患者の個人データを用いた、安価で質の高い手術計画・術前シミュレーションシステムが要望され、更に手術スキルレベルの評価が可能なトレーニングシステムがより望ましい。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この課題、新たなニーズを満たすことを目的に鋭意検討を行った結果、本発明を完成した。つまり各種センサを装着・内蔵あるいは各種センサで監視された医用器具類あるいは模擬医用器具類を用いて、各種センサを装着・内蔵あるいは各種センサで監視された人体模型に対して、内視鏡下手術操作などの低侵襲医療行為のトレーニングを行ない、トレーニング中に各種センサにて情報を取得し、トレーニング中の諸動作履歴を、その場であるいは遠隔地において、逐一記録・再生することができ、操作の技術の善し悪しの目安を決定・表示することができるトレーニングシステムを完成した。
【００１１】
本システムは以下の流れを持つ。
（１） 術前に患者のＣＴなど医用画像を撮影し、患者の個人データを採集する。
（２） 必要な部位を画像上で指定する。
（３） ラピッドプロトタイピング装置などによる破壊操作が可能な３次元詳細模型を作成する。
（４） この詳細模型をセンサ付き人体模型にセットする。
（５） このセットしたセンサ付き人体模型を使い、手術前に手術経路などの計画、事前シミュレーションを行う。
（６） これによって手術の安全性を向上させ、患者への負担を低減することができる。
本システムによって操作者のスキルレベルを評価することができ、手術トレーニングの効率および術前シミュレーションの質を向上させることが出来る。
【００１２】
本発明は、各種センサを装着・内蔵あるいは各種センサで監視された医用器具類あるいは模擬医用器具類を用いて、各種センサを装着・内蔵あるいは各種センサで監視された人体模型に対して、内視鏡下手術操作などの低侵襲医療行為のトレーニングを行ない、トレーニング中に各種センサにて情報を取得し、トレーニング中の諸動作履歴を、その場であるいは遠隔地において、逐一記録・再生することができる低侵襲医療行為トレーニングシステムを提供する。
【００１３】
また、履歴およびそれらをもとに記録したトレーニング中の諸動作履歴を、再生・再現して観察することができる。また、トレーニング中あるいはトレーニング終了後に、取得した各種センサ情報およびそれらをもとに記録したトレーニング中の諸動作を、その場であるいは遠隔地において、それ以前に記録に作成されたセンサ情報や動作履歴と比較して表示することができる。
【００１４】
また、記録したトレーニング中の諸動作を、それ以前に記録・作成されたセンサ情報や動作履歴およびそれらを処理して得られる評価指標に照らし、その善し悪しの目安を決定・表示することができる。また、善し悪しの目安により、被訓練者の技術レベルを判定する機能を持つようにすることができる。さらには、判定された被訓練者の技術レベルに応じて、トレーニングメニューおよびトレーニングプログラムを選択・表示する機能を持つようにすることができる。
【００１５】
本発明は、センサ及びアクチュエータが設けられた第１手段と、センサ及びアクチュエータが設けられた第２手段と、前記センサ及びアクチュエータを制御及び情報処理を行う制御・情報処理部とを備えていることを特徴とするトレーニングシステムを提供する。
【００１６】
また、本発明は、センサ及びアクチュエータが設けられた人体模型と、センサ及びアクチュエータが設けられた器具手段と、前記センサ及びアクチュエータを制御及び情報処理を行う制御・情報処理部とを備え、前記器具手段を用いて前記人体模型に対して医療行為のトレーニングを行い、該トレーニング中に前記制御・情報処理部が前記センサからの情報を取得し、トレーニング中の動作履歴を逐一記録・再生することができることを特徴とするトレーニングシステムを提供する。
【００１７】
トレーニングシステムは、トレーニング中あるいはトレーニング終了後に、トレーニング中の動作を、予め記録された動作履歴と比較して表示することができる情報表示部を備えることができる。また、トレーニングシステムは、トレーニング中の動作を、予め記録された評価指標に照らし、その善し悪しの目安を決定・表示することができる。
【００１８】
また、トレーニングシステムは、善し悪しの目安により、被訓練者の技術レベルを判定する手段を備えることができるし、判定手段によって判定された被訓練者の技術レベルに応じて、トレーニングメニューおよびトレーニングプログラムを選択・表示する手段を備えることもできる。さらに、トレーニングシステムは、内視鏡下手術操作などの低侵襲医療行為のトレーニングシステムとして用いることができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明にかかるトレーニングシステムの実施の形態について図面を参照しながら述べる。図１には、トレーニングシステムの概略図を示している。図１において、符号１００は、オペレータを示しており、このオペレータは、トレーニングを受ける人（被訓練者）、あるいは、手術シミュレーションを行う医師などである。符合１１０は、情報表示部を示している。情報表示部１１０は、患者（ヒトあるいは動物）のモデル（実体模型）１１１と、実物あるいは模擬医療操作（手術）器具類１１３と、外部モニタなどの情報ディスプレイ手段（情報表示装置）１１５とを主に備えている。また、符合１１６は、付加的な外部センサ類を示しており、例えば、オペレータ１００の操作中の様子をビデオ映像として取得するために設けることができる。実体模型１１１は、センサ類及びアクチュエータ類１１２が付加あるいは内蔵されて設けられている。また、実物あるいは模擬医療操作（手術）器具類１１３にも、センサ類及びアクチュエータ類１１４が付加あるいは内蔵されて設けられている。また、符合１２０は、制御及び情報処理部を示している。この制御及び情報処理部１２０は、患者モデルデータ部１２１と、医療操作履歴データ部１２２と、医療操作評価部１２３と、トレーニングメニュー管理部１２４とを主に備えており、センサ類及びアクチュエータ類１１２，１１４，１１６からの情報を収集、記録、加工、情報表示部１１０を通じて情報の表示、センサ類及びアクチュエータ類１１２，１１４の制御・駆動を行なうためのものである。
【００２０】
上記オペレータ１００は、器具類１１３を用いて実体模型１１１に対して医療操作を行うことができる。この操作時において実体模型１１１に加えられた操作のデータは、センサ類及びアクチュエータ類１１２によって医療操作履歴データ部１２２に送られ、医療操作履歴データ部１２２で操作履歴データとして記録される。また、この操作時においてオペレータ１００が器具類１１３を用いることによって器具類１１３に加えられた操作データは、センサ類及びアクチュエータ類１１４によって医療操作履歴データ部１２２に送られ、医療操作履歴データ部１２２で操作履歴データとして記録される。医療操作履歴データ部１２２は現在進行中の操作および過去の操作を記録するためのものである。また、患者モデルデータ部１２１には、後述するように実体模型１１１のもととなった医用画像や形状データなどに基づいて作成された患者モデルデータが蓄えられており、この患者モデルデータは、上記二つの操作履歴データと共に医療操作評価部１２３に送られ、これらのデータに基づいて医療操作評価部１２３は、オペレータ１００の熟練度、患者モデル（実体模型）１１１への侵襲度等を評価する。医療操作評価部１２３によって評価された評価結果は、情報表示装置１１５を通じてオペレータに表示されることになる。情報表示装置１１５は、このほかにも、オペレータ１００の操作情報や、器具類１１３の方向・位置などの情報を表示することができるようになっている。さらには、オペレータ１００に対しトレーニングのための指示（次に行う操作の説明など）および、現在の操作データや医療操作履歴データ部１２２に記録された過去の操作履歴データなどを表示することができるようになっている。表示方法は視覚・聴覚・触覚など各感覚モダリティに応じた方法が考えられる。また、上記評価結果に応じてトレーニングメニュー管理部１２４に予め蓄積されているトレーニングメニューから適切なものを選択してオペレータ１００に表示される。トレーニングメニュー管理部１２４には、トレーニングの手順データなどが蓄積されている。
【００２１】
図２には、内視鏡下副鼻腔手術に適用されたトレーニングシステムの一例を示している。なお、このシステムは、内視鏡下副鼻腔手術以外の手術トレーニングにも応用可能である。図２において、符合２０は、情報表示装置（この場合は画像情報表示装置）１１５にコンピュータグラフィックスで表示された患者モデルデータを示している。また、符合２１で示す太い点線は、情報表示装置（この場合は画像情報表示装置）１１５にコンピュータグラフィックスで表示された医療操作履歴データを示しており、自分以外のオペレータ（例えば熟練した医師）の操作軌跡としての医療操作履歴データを表示することも可能である。また、符合２２で示す細い折れ線は、情報表示装置（この場合は画像情報表示装置）１１５にコンピュータグラフィックスで表示された医療操作履歴データの一つであるオペレータ１００の操作軌跡を示しており、符合２３は、医療操作履歴データの一つであるオペレータ１００によって操作されている器具類１１３の方向・位置を示している。オペレータ１００の操作軌跡２２を熟練した医師の軌跡２１と重ね合わせて表示することで、オペレータ１００が熟練医師の操作を速やかに学習することが可能となる。また、トレーニングタスク終了後に、記録されたオペレータ１００の医療操作履歴データ２２を熟練医師の操作履産データ２１に重ね合わせ表示して操作を「再生」することも可能である。これにより、オペレータ１００の自主学習を補助するだけでなく、その場にいない指導者がオペレータ１００の操作を再生観察することを可能とし、適切な指導を行なうことが可能となる。なお、符合２４は、オペレータと同じ場所に、操作時に設定される必要がある機器の範囲を示す。
【００２２】
被訓練者（オペレータ）１００は、センサ類及びアクチュエータ類１１４を備えた器具類１１３を用いて、センサ類及びアクチュエータ類１１２を備えた実体模型１１１に対して手術操作を行う。なお、外部センサ類（例えば画像記録装置や位置記録装置など）１１６を備えていても良い。実体模型１１１の手術対象部位は、精密な模型１１１−１となっており、この精密模型１１１−１の形状などのデータは、患者モデルデータとして患者モデルデータ部１２１に蓄えられている。患者モデルデータは、コンピュータグラフィックスで情報表示装置（この場合は画像情報表示装置）１１５に表示され（符合２０で示す）、同時に、器具類１１３の位置・方向もコンピュータグラフィックスで情報表示装置（この場合は画像情報表示装置）１１５に表示される（符合２３で示す）。符合２２で示す細い折れ線で示されたオペレータ１００の操作軌跡と、符合２３で示す器具類１１３の位置・方向は、センサ類及びアクチュエータ類１１２，１１４からの情報によりリアルタイムに再描画され、器具類１１３の実体模型１１１の精密模型１１１−１内部での位置および熟練者の軌跡（あるいは予定経路）との差をその場で把握することができるようになっている。熟練者の軌跡などを手本として、３次元的な手術器具の操作技術の習得が可能である。
【００２３】
制御及び情報処理部１２０は、医療操作評価部１２３にて評価されたオペレータ１００の熟練度、患者モデル１１１への侵襲度を、情報表示装置１１５で表示することにより、あるいは、センサ類及びアクチュエータ類１１２，１１４ を動作させることにより、オペレータ１００に警告を発したり教示を行なう。具体的には、音声による侵襲度や進行方向に関する助言や警告、あるいは危険部位への過度の接近を振動により伝える、などが考えられる。
【００２４】
次に、図３を参照しながら、遠隔地への情報表示と遠隔地からの指導について説明する。符合２４（図２参照）は、オペレータと同じ場所に、操作時に設定される必要がある機器の範囲を示しているが、この符合２４で示す構成要素は、直接あるいは制御及び情報処理部１２０を介してネットワーク回線で接続することが可能であり、オペレータとは遠隔地にいる指導者３０も情報表示装置１１５’及び制御及び情報処理部１２０’を用いて、制御及び情報処理部１２０に蓄積された情報を観察・再生することができる。また、複数の遠隔地の指導者３１も、情報表示装置１１５’及び制御及び情報処理部１２０’（図示せず）を用いて、上記情報を受け取り、指導をすることなどが可能である。
【００２５】
図４には、情報提示のその他の一例を示している。図４において、符合１１５−１は、器具類１１３の操作軌跡（折れ線）に、患者モデルに与えられた力が大きかった地点とその時の力の大きさ・方向をコンピュータグラフィックスにて矢印４１で表現して重ね合わせ表示した例である。これにより、手術具が、どこで患者の体内にぶつかって侵襲を与えていたかを的確に知ることができる。これは実時間表示、履歴データ再生、いずれの場面でも可能である。また、符合１１５−２は、上述と同じ情報を、時系列で表示した例である。一般に、操作履歴データ（図示せず） として蓄積されるデータは、このような （計測時刻、センサ値） の組み合わせの集まりである。
【００２６】
図５には、内視鏡下副鼻腔手術の術前シミュレーションに適用されたトレーニングシステムの一例を示している。なお、このシステムは、内視鏡下副鼻腔手術以外の手術にも適用可能である。図５において、符合５１は、術前に撮影された患者の医用画像データを示しており、この医用画像データ５１に基づいて破壊可能でかつ生体と類似の力学的特性を持つ３次元精密患者詳細モデル（精密模型）１１１−１及び患者モデル（実体模型）１１１のデータを作成する。より具体的に説明すると、まず、医用画像データ５１として用いる医用画像（例えばＸ線ＣＴ画像）を撮影する。そして、この医用画像より必要な部位を選択する。この例では、顔表面と鼻腔・副鼻腔を抽出し、患者モデルデータ部１２１で３次元精密患者詳細モデル（精密模型）１１１−１のデータを作成する。なお、この作成時に、患者モデル本体１１１ に装着可能な形状に上記データを作成しておく。このデータからラピッドプロトタイピング装置などを用いて破壊可能でかつ生体と類似の力学的特性を持つ３次元精密患者詳細モデル（精密模型）１１１−１を作成する。
【００２７】
前述の通り、オペレータ（この場合は手術を行う医師）１００が使用する器具類１１３には、センサ類及びアクチュエータ類１１４が装着されている。また、オペレータ１００、患者モデル本体１１１、及び器具類１１３を外部から観察するための付加的な外部センサ類１１６が設けられている。この外部センサ類１１６としては、例えば、画像記録装置や、音声記録装置、画像による位置記録装置、温度記録装置などである。
【００２８】
次に、センサ類及びアクチュエータ類１１２が備えられた患者モデル本体１１１ に患部の詳細モデル１１１−１を装着し、想定される複数の手術方法（手技）を実際に行ない、その操作履歴データを医療操作履歴データ部１２２で取得する。これが、手術の術前シミュレーションとなる。センサ類１１２，１１４，１１６からの情報は、制御及び情報処理部１２０に集められ、操作履歴データとして医療操作履歴データ部１２２に蓄積される。この蓄積（取得）された操作履歴データをそれぞれの手技について医療操作評価部１２３で評価を行ない、情報表示装置１１５によって評価結果（複数の手術手技による操作履歴データの評価結果）１１５−ｂが表示（列挙表示）される。この評価結果１１５−ｂは、複数の手術手技による操作履歴データの評価結果を列挙表示した一例であり、異なる手技・経路による手術シミュレーション結果のデータ（手術時間や操作力情報 など）が表示されている。これにより、実際に手術で採用するべき手術手技・経路の比較・選択を行ない、あわせて操作者のその手技における熟練度の把握が可能となる。また、符合１１５−ａで示すように、操作履歴データも情報表示装置１１５によって表示（表示）される。すなわち、シミュレーションで採用した異なる手技・経路によるシミュレーションの結果のデータ（手術時間や操作力情報 など）が情報表示装置１１５によって表示される。また、符合１１５−ａで示す一例は、詳細モデル１１１−１の形状データ２０、器具類１１３の医療操作履歴データ２１、器具類１１３の方向・位置２３、及び詳細モデル１１１−１にかかった力の位置・方向・大きさ４１を表示しているものである。
【００２９】
実際に、センサ付きの手術トレーニングシステムを作成したものを図６に示す。精密な患者のヒト鼻腔モデル１１１をラピッドプロトタイピング技術により作成し、その底部に６軸力・トルクセンサ（株式会社ニッタ：ＩＦＳ−６７Ｍ２５Ａ ５０−Ｉ４０）１１２を、また頭部に６自由度光学式位置センサ（Ｎｏｒｔｈｅｒｎ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｉｎｃ．， Ｕ．Ｓ．Ａ． ： Ｈｙｂｒｉｄ Ｐｏｌａｒｉｓ）１１４を取り付けた。また、手術用内視鏡（有限会社 新興光器製作所：鼻用硬性内視鏡、直径 ４ｍｍ）１１３に６自由度光学式位置センサ１１４’を装着した。センサからの情報は情報処理部および画像表示部１２０を経てモニタ１１５に画像として表示される。
【００３０】
図７及び図８にモニタ１１５に表示されるトレーニング用画面の例を示す。画面中央は内視鏡の画像であり、右下はコンピュータグラフィクスで描いた患者モデル１１１およびセンサで計測されたモデルにかかっている力２０１とトルク２０２の大きさである。また、画面両端に描かれた線２０４は、内視鏡の画像の水平線を表現しており、これは患者モデルに対して水平を保つことが要求される。すなわち、画像水平線２０４が水平線２０３と重なっているのが正しい内視鏡の状態である。この画像水平線が本来の位置からずれていることに気づかないまま手術操作を行うと、予定していなかった臓器を傷つけることになり、大変危険であるが、これは初心者にありがちな問題点である。
【００３１】
本実験システムを用いて、同じ手術操作を行った場合に、力・トルクの積算値、内視鏡先端軌跡の長さ、内視鏡先端速度の周波数分布などのセンサ計測値から導出される指標を計測する実験を行った結果、いずれの指標にも熟練医師と非医療従事者の間で大きく差があることが確認された。また、医療関係者より、内視鏡画像の水平線および力・トルクの画像によるフィードバックは、初心者のトレーニングに有効であるとのコメントを得た。
【００３２】
【発明の効果】
本発明によれば、以下のような効果を奏する。
（１）術前の計画立案およびシミュレーションが３次元空間で行えるため、画像のみによるシミュレーションに比べ患者治療において確実性・熟練度を増すことができる。
（２）手術シミュレーション中の各種センサ値から患者に無理な力がかかっていないかどうかなどを知ることができ、複数の手術手技の比較検討が可能となる。従って、本システムを利用することにより、手術の安全性が向上し、手術時間の短縮も期待できる。
（３）本システムによるトレーニングによって、実際の患者での「研修」をする前にある程度の技術レベルに到達することが可能であり、医療事故の低減を可能とする。
（４）本システムではスキルレベル評価が可能であるため、被訓練者が自習する率を高め、熟練した医師等による訓練者の指導時間が減少し、トレーニングの効率が向上し、コストが低減される。
（５）多数の患者の形状・症例のデータを蓄積することができるため、それらのデータから典型的な症例を抽出し、トレーニングシステム用の模型のバリエーションを充実させることができ、「研修」終了時の技術レベルを大幅に向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、システム概念図である。
【図２】図２は、内視鏡下副鼻腔手術のトレーニングシステムを示す図である。
【図３】図３は、遠隔地への情報表示と遠隔地からの指導を示す図である。
【図４】図４は、情報表示のその他の例を示す図である。
【図５】図５は、内視鏡下副鼻腔手術の術前シミュレーションを示す図である。
【図６】図６は、センサ付きの手術トレーニングシステムの例を示す図である。
【図７】図７は、トレーニング用画面の例を示す図である。
【図８】図８は、トレーニング用画面の例を示す図である。
【符号の説明】
１００ オぺレータ
１１０ 情報表示部
１１１ 患者（ヒトあるいは動物）のモデル
１１２ センサ類及びアクチュエータ類
１１３ 実物あるいは模擬医療操作器具類
１１４ センサ類及びアクチュエータ類
１１５ 情報表示装置
１１６ 付加的なセンサ類
１２０ 制御部および情報処理部
１２１ 患者モデルデータ
１２２ 医療操作履歴データ
１２３ 医療操作評価部
１２４ トレーニングメニュー管理部
【発明の属する技術分野】
本発明は手術操作のトレーニングあるいは研修等において手術前のシミュレーション、あるいはその他、精密な操作が必要とされる分野での操作トレーニングシステムに関するものである。また本システムを用いて、実際の手術器具を用いた術前計画立案・手術手技のシミュレーションに用いる。これにより、手術前に複数の手技を比較検討することが可能である。
【０００２】
【従来の技術】
手術のトレーニングに関し、様々な技術が知られている（例えば、特許文献１〜９参照。）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−００５３７７号公報
【特許文献２】
特開平１１−２６２５４２号公報
【特許文献３】
特開平１１−２４９５４８号公報
【特許文献４】
特表２００２−５１００６９号公報
【特許文献５】
特開２００１−１３７３８４号公報
【特許文献６】
特開２００１−００５３７８号公報
【特許文献７】
特開平１１−２３１７７０号公報
【特許文献８】
特開平０６−１０５８７７号公報
【特許文献９】
特表平０８−５０００２１号公報
【０００４】
更に具体的な製品としては（株）高研の救急処置シミュレーターなどが知られている。また、上記特許文献７に記載されているように、特に近年ではＶＲ技術を用いたトレーニングシステムの開発が盛んである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
内視鏡下手術は侵襲性が低く患者の身体的負担が少ないため普及が望まれるが、医師には高い技術スキルが求められる。従って、手術スキルのトレーニングが非常に大切だが、トレーニングのための環境が不十分である。現在は、実際の手術室内で指導医の下で研修を行っているが、やはり危険性は高いために、患者の理解が得られにくくなっている。
【０００６】
一方、動物による研修では腹腔などはブタなどが利用できるが、あまりに形状が人体と異なりすぎて利用できない部位も多い。さらに動物を用いた手術トレーニングは手術室・麻酔などヒトの手術と同じ装置を必要とし、生きた動物の確保が必要である等の理由から高価になる問題がある。また、動物愛護の観点から、手術トレーニングに利用することが困難となってきている。
【０００７】
献体による研修はたいへん望ましいが、献体は年々希少となっており、研修の機会は限定される。米国関節鏡学会では、手術研修の講習会にて精巧な模型を用いているが、現在の人体模型はバリエーションが少なく、個別の患者への対応はできてはいない。また模型は一般に高価で丈夫にできているが、丈夫すぎて生体なら壊れる力を加えても壊れず、破壊を伴う操作のトレーニングには不向きである。
【０００８】
ＶＲシステムは現在多くの研究が行われていて、腹腔鏡下手術における初歩の練習には有効であると考えられる。これは腹腔鏡下内視鏡手術においては、基本的に、鉗子など手術器具の体内への侵入部分（トロッカール）および手術操作を行う器具先端部分の２点での接触に絞られるため、その２点での力を計算すれば良いというシステム構築上の利点があるためであるが、力フイードバック（触覚の表示）に関しては、その質に課題が多い。具体的には、手術器具と患者の身体との多点接触の実時間での計算及び表示が困難で、「かたさ」の表現に限界がある。また使用する手術器具がそのシステム独自のものに限定される、などの問題点がある。さらに、手術前のシミュレーションを目的として、個々の患者データをシステムに取り込むことはできていない。
【０００９】
そこで患者の個人データを用いた、安価で質の高い手術計画・術前シミュレーションシステムが要望され、更に手術スキルレベルの評価が可能なトレーニングシステムがより望ましい。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この課題、新たなニーズを満たすことを目的に鋭意検討を行った結果、本発明を完成した。つまり各種センサを装着・内蔵あるいは各種センサで監視された医用器具類あるいは模擬医用器具類を用いて、各種センサを装着・内蔵あるいは各種センサで監視された人体模型に対して、内視鏡下手術操作などの低侵襲医療行為のトレーニングを行ない、トレーニング中に各種センサにて情報を取得し、トレーニング中の諸動作履歴を、その場であるいは遠隔地において、逐一記録・再生することができ、操作の技術の善し悪しの目安を決定・表示することができるトレーニングシステムを完成した。
【００１１】
本システムは以下の流れを持つ。
（１） 術前に患者のＣＴなど医用画像を撮影し、患者の個人データを採集する。
（２） 必要な部位を画像上で指定する。
（３） ラピッドプロトタイピング装置などによる破壊操作が可能な３次元詳細模型を作成する。
（４） この詳細模型をセンサ付き人体模型にセットする。
（５） このセットしたセンサ付き人体模型を使い、手術前に手術経路などの計画、事前シミュレーションを行う。
（６） これによって手術の安全性を向上させ、患者への負担を低減することができる。
本システムによって操作者のスキルレベルを評価することができ、手術トレーニングの効率および術前シミュレーションの質を向上させることが出来る。
【００１２】
本発明は、各種センサを装着・内蔵あるいは各種センサで監視された医用器具類あるいは模擬医用器具類を用いて、各種センサを装着・内蔵あるいは各種センサで監視された人体模型に対して、内視鏡下手術操作などの低侵襲医療行為のトレーニングを行ない、トレーニング中に各種センサにて情報を取得し、トレーニング中の諸動作履歴を、その場であるいは遠隔地において、逐一記録・再生することができる低侵襲医療行為トレーニングシステムを提供する。
【００１３】
また、履歴およびそれらをもとに記録したトレーニング中の諸動作履歴を、再生・再現して観察することができる。また、トレーニング中あるいはトレーニング終了後に、取得した各種センサ情報およびそれらをもとに記録したトレーニング中の諸動作を、その場であるいは遠隔地において、それ以前に記録に作成されたセンサ情報や動作履歴と比較して表示することができる。
【００１４】
また、記録したトレーニング中の諸動作を、それ以前に記録・作成されたセンサ情報や動作履歴およびそれらを処理して得られる評価指標に照らし、その善し悪しの目安を決定・表示することができる。また、善し悪しの目安により、被訓練者の技術レベルを判定する機能を持つようにすることができる。さらには、判定された被訓練者の技術レベルに応じて、トレーニングメニューおよびトレーニングプログラムを選択・表示する機能を持つようにすることができる。
【００１５】
本発明は、センサ及びアクチュエータが設けられた第１手段と、センサ及びアクチュエータが設けられた第２手段と、前記センサ及びアクチュエータを制御及び情報処理を行う制御・情報処理部とを備えていることを特徴とするトレーニングシステムを提供する。
【００１６】
また、本発明は、センサ及びアクチュエータが設けられた人体模型と、センサ及びアクチュエータが設けられた器具手段と、前記センサ及びアクチュエータを制御及び情報処理を行う制御・情報処理部とを備え、前記器具手段を用いて前記人体模型に対して医療行為のトレーニングを行い、該トレーニング中に前記制御・情報処理部が前記センサからの情報を取得し、トレーニング中の動作履歴を逐一記録・再生することができることを特徴とするトレーニングシステムを提供する。
【００１７】
トレーニングシステムは、トレーニング中あるいはトレーニング終了後に、トレーニング中の動作を、予め記録された動作履歴と比較して表示することができる情報表示部を備えることができる。また、トレーニングシステムは、トレーニング中の動作を、予め記録された評価指標に照らし、その善し悪しの目安を決定・表示することができる。
【００１８】
また、トレーニングシステムは、善し悪しの目安により、被訓練者の技術レベルを判定する手段を備えることができるし、判定手段によって判定された被訓練者の技術レベルに応じて、トレーニングメニューおよびトレーニングプログラムを選択・表示する手段を備えることもできる。さらに、トレーニングシステムは、内視鏡下手術操作などの低侵襲医療行為のトレーニングシステムとして用いることができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明にかかるトレーニングシステムの実施の形態について図面を参照しながら述べる。図１には、トレーニングシステムの概略図を示している。図１において、符号１００は、オペレータを示しており、このオペレータは、トレーニングを受ける人（被訓練者）、あるいは、手術シミュレーションを行う医師などである。符合１１０は、情報表示部を示している。情報表示部１１０は、患者（ヒトあるいは動物）のモデル（実体模型）１１１と、実物あるいは模擬医療操作（手術）器具類１１３と、外部モニタなどの情報ディスプレイ手段（情報表示装置）１１５とを主に備えている。また、符合１１６は、付加的な外部センサ類を示しており、例えば、オペレータ１００の操作中の様子をビデオ映像として取得するために設けることができる。実体模型１１１は、センサ類及びアクチュエータ類１１２が付加あるいは内蔵されて設けられている。また、実物あるいは模擬医療操作（手術）器具類１１３にも、センサ類及びアクチュエータ類１１４が付加あるいは内蔵されて設けられている。また、符合１２０は、制御及び情報処理部を示している。この制御及び情報処理部１２０は、患者モデルデータ部１２１と、医療操作履歴データ部１２２と、医療操作評価部１２３と、トレーニングメニュー管理部１２４とを主に備えており、センサ類及びアクチュエータ類１１２，１１４，１１６からの情報を収集、記録、加工、情報表示部１１０を通じて情報の表示、センサ類及びアクチュエータ類１１２，１１４の制御・駆動を行なうためのものである。
【００２０】
上記オペレータ１００は、器具類１１３を用いて実体模型１１１に対して医療操作を行うことができる。この操作時において実体模型１１１に加えられた操作のデータは、センサ類及びアクチュエータ類１１２によって医療操作履歴データ部１２２に送られ、医療操作履歴データ部１２２で操作履歴データとして記録される。また、この操作時においてオペレータ１００が器具類１１３を用いることによって器具類１１３に加えられた操作データは、センサ類及びアクチュエータ類１１４によって医療操作履歴データ部１２２に送られ、医療操作履歴データ部１２２で操作履歴データとして記録される。医療操作履歴データ部１２２は現在進行中の操作および過去の操作を記録するためのものである。また、患者モデルデータ部１２１には、後述するように実体模型１１１のもととなった医用画像や形状データなどに基づいて作成された患者モデルデータが蓄えられており、この患者モデルデータは、上記二つの操作履歴データと共に医療操作評価部１２３に送られ、これらのデータに基づいて医療操作評価部１２３は、オペレータ１００の熟練度、患者モデル（実体模型）１１１への侵襲度等を評価する。医療操作評価部１２３によって評価された評価結果は、情報表示装置１１５を通じてオペレータに表示されることになる。情報表示装置１１５は、このほかにも、オペレータ１００の操作情報や、器具類１１３の方向・位置などの情報を表示することができるようになっている。さらには、オペレータ１００に対しトレーニングのための指示（次に行う操作の説明など）および、現在の操作データや医療操作履歴データ部１２２に記録された過去の操作履歴データなどを表示することができるようになっている。表示方法は視覚・聴覚・触覚など各感覚モダリティに応じた方法が考えられる。また、上記評価結果に応じてトレーニングメニュー管理部１２４に予め蓄積されているトレーニングメニューから適切なものを選択してオペレータ１００に表示される。トレーニングメニュー管理部１２４には、トレーニングの手順データなどが蓄積されている。
【００２１】
図２には、内視鏡下副鼻腔手術に適用されたトレーニングシステムの一例を示している。なお、このシステムは、内視鏡下副鼻腔手術以外の手術トレーニングにも応用可能である。図２において、符合２０は、情報表示装置（この場合は画像情報表示装置）１１５にコンピュータグラフィックスで表示された患者モデルデータを示している。また、符合２１で示す太い点線は、情報表示装置（この場合は画像情報表示装置）１１５にコンピュータグラフィックスで表示された医療操作履歴データを示しており、自分以外のオペレータ（例えば熟練した医師）の操作軌跡としての医療操作履歴データを表示することも可能である。また、符合２２で示す細い折れ線は、情報表示装置（この場合は画像情報表示装置）１１５にコンピュータグラフィックスで表示された医療操作履歴データの一つであるオペレータ１００の操作軌跡を示しており、符合２３は、医療操作履歴データの一つであるオペレータ１００によって操作されている器具類１１３の方向・位置を示している。オペレータ１００の操作軌跡２２を熟練した医師の軌跡２１と重ね合わせて表示することで、オペレータ１００が熟練医師の操作を速やかに学習することが可能となる。また、トレーニングタスク終了後に、記録されたオペレータ１００の医療操作履歴データ２２を熟練医師の操作履産データ２１に重ね合わせ表示して操作を「再生」することも可能である。これにより、オペレータ１００の自主学習を補助するだけでなく、その場にいない指導者がオペレータ１００の操作を再生観察することを可能とし、適切な指導を行なうことが可能となる。なお、符合２４は、オペレータと同じ場所に、操作時に設定される必要がある機器の範囲を示す。
【００２２】
被訓練者（オペレータ）１００は、センサ類及びアクチュエータ類１１４を備えた器具類１１３を用いて、センサ類及びアクチュエータ類１１２を備えた実体模型１１１に対して手術操作を行う。なお、外部センサ類（例えば画像記録装置や位置記録装置など）１１６を備えていても良い。実体模型１１１の手術対象部位は、精密な模型１１１−１となっており、この精密模型１１１−１の形状などのデータは、患者モデルデータとして患者モデルデータ部１２１に蓄えられている。患者モデルデータは、コンピュータグラフィックスで情報表示装置（この場合は画像情報表示装置）１１５に表示され（符合２０で示す）、同時に、器具類１１３の位置・方向もコンピュータグラフィックスで情報表示装置（この場合は画像情報表示装置）１１５に表示される（符合２３で示す）。符合２２で示す細い折れ線で示されたオペレータ１００の操作軌跡と、符合２３で示す器具類１１３の位置・方向は、センサ類及びアクチュエータ類１１２，１１４からの情報によりリアルタイムに再描画され、器具類１１３の実体模型１１１の精密模型１１１−１内部での位置および熟練者の軌跡（あるいは予定経路）との差をその場で把握することができるようになっている。熟練者の軌跡などを手本として、３次元的な手術器具の操作技術の習得が可能である。
【００２３】
制御及び情報処理部１２０は、医療操作評価部１２３にて評価されたオペレータ１００の熟練度、患者モデル１１１への侵襲度を、情報表示装置１１５で表示することにより、あるいは、センサ類及びアクチュエータ類１１２，１１４ を動作させることにより、オペレータ１００に警告を発したり教示を行なう。具体的には、音声による侵襲度や進行方向に関する助言や警告、あるいは危険部位への過度の接近を振動により伝える、などが考えられる。
【００２４】
次に、図３を参照しながら、遠隔地への情報表示と遠隔地からの指導について説明する。符合２４（図２参照）は、オペレータと同じ場所に、操作時に設定される必要がある機器の範囲を示しているが、この符合２４で示す構成要素は、直接あるいは制御及び情報処理部１２０を介してネットワーク回線で接続することが可能であり、オペレータとは遠隔地にいる指導者３０も情報表示装置１１５’及び制御及び情報処理部１２０’を用いて、制御及び情報処理部１２０に蓄積された情報を観察・再生することができる。また、複数の遠隔地の指導者３１も、情報表示装置１１５’及び制御及び情報処理部１２０’（図示せず）を用いて、上記情報を受け取り、指導をすることなどが可能である。
【００２５】
図４には、情報提示のその他の一例を示している。図４において、符合１１５−１は、器具類１１３の操作軌跡（折れ線）に、患者モデルに与えられた力が大きかった地点とその時の力の大きさ・方向をコンピュータグラフィックスにて矢印４１で表現して重ね合わせ表示した例である。これにより、手術具が、どこで患者の体内にぶつかって侵襲を与えていたかを的確に知ることができる。これは実時間表示、履歴データ再生、いずれの場面でも可能である。また、符合１１５−２は、上述と同じ情報を、時系列で表示した例である。一般に、操作履歴データ（図示せず） として蓄積されるデータは、このような （計測時刻、センサ値） の組み合わせの集まりである。
【００２６】
図５には、内視鏡下副鼻腔手術の術前シミュレーションに適用されたトレーニングシステムの一例を示している。なお、このシステムは、内視鏡下副鼻腔手術以外の手術にも適用可能である。図５において、符合５１は、術前に撮影された患者の医用画像データを示しており、この医用画像データ５１に基づいて破壊可能でかつ生体と類似の力学的特性を持つ３次元精密患者詳細モデル（精密模型）１１１−１及び患者モデル（実体模型）１１１のデータを作成する。より具体的に説明すると、まず、医用画像データ５１として用いる医用画像（例えばＸ線ＣＴ画像）を撮影する。そして、この医用画像より必要な部位を選択する。この例では、顔表面と鼻腔・副鼻腔を抽出し、患者モデルデータ部１２１で３次元精密患者詳細モデル（精密模型）１１１−１のデータを作成する。なお、この作成時に、患者モデル本体１１１ に装着可能な形状に上記データを作成しておく。このデータからラピッドプロトタイピング装置などを用いて破壊可能でかつ生体と類似の力学的特性を持つ３次元精密患者詳細モデル（精密模型）１１１−１を作成する。
【００２７】
前述の通り、オペレータ（この場合は手術を行う医師）１００が使用する器具類１１３には、センサ類及びアクチュエータ類１１４が装着されている。また、オペレータ１００、患者モデル本体１１１、及び器具類１１３を外部から観察するための付加的な外部センサ類１１６が設けられている。この外部センサ類１１６としては、例えば、画像記録装置や、音声記録装置、画像による位置記録装置、温度記録装置などである。
【００２８】
次に、センサ類及びアクチュエータ類１１２が備えられた患者モデル本体１１１ に患部の詳細モデル１１１−１を装着し、想定される複数の手術方法（手技）を実際に行ない、その操作履歴データを医療操作履歴データ部１２２で取得する。これが、手術の術前シミュレーションとなる。センサ類１１２，１１４，１１６からの情報は、制御及び情報処理部１２０に集められ、操作履歴データとして医療操作履歴データ部１２２に蓄積される。この蓄積（取得）された操作履歴データをそれぞれの手技について医療操作評価部１２３で評価を行ない、情報表示装置１１５によって評価結果（複数の手術手技による操作履歴データの評価結果）１１５−ｂが表示（列挙表示）される。この評価結果１１５−ｂは、複数の手術手技による操作履歴データの評価結果を列挙表示した一例であり、異なる手技・経路による手術シミュレーション結果のデータ（手術時間や操作力情報 など）が表示されている。これにより、実際に手術で採用するべき手術手技・経路の比較・選択を行ない、あわせて操作者のその手技における熟練度の把握が可能となる。また、符合１１５−ａで示すように、操作履歴データも情報表示装置１１５によって表示（表示）される。すなわち、シミュレーションで採用した異なる手技・経路によるシミュレーションの結果のデータ（手術時間や操作力情報 など）が情報表示装置１１５によって表示される。また、符合１１５−ａで示す一例は、詳細モデル１１１−１の形状データ２０、器具類１１３の医療操作履歴データ２１、器具類１１３の方向・位置２３、及び詳細モデル１１１−１にかかった力の位置・方向・大きさ４１を表示しているものである。
【００２９】
実際に、センサ付きの手術トレーニングシステムを作成したものを図６に示す。精密な患者のヒト鼻腔モデル１１１をラピッドプロトタイピング技術により作成し、その底部に６軸力・トルクセンサ（株式会社ニッタ：ＩＦＳ−６７Ｍ２５Ａ ５０−Ｉ４０）１１２を、また頭部に６自由度光学式位置センサ（Ｎｏｒｔｈｅｒｎ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｉｎｃ．， Ｕ．Ｓ．Ａ． ： Ｈｙｂｒｉｄ Ｐｏｌａｒｉｓ）１１４を取り付けた。また、手術用内視鏡（有限会社 新興光器製作所：鼻用硬性内視鏡、直径 ４ｍｍ）１１３に６自由度光学式位置センサ１１４’を装着した。センサからの情報は情報処理部および画像表示部１２０を経てモニタ１１５に画像として表示される。
【００３０】
図７及び図８にモニタ１１５に表示されるトレーニング用画面の例を示す。画面中央は内視鏡の画像であり、右下はコンピュータグラフィクスで描いた患者モデル１１１およびセンサで計測されたモデルにかかっている力２０１とトルク２０２の大きさである。また、画面両端に描かれた線２０４は、内視鏡の画像の水平線を表現しており、これは患者モデルに対して水平を保つことが要求される。すなわち、画像水平線２０４が水平線２０３と重なっているのが正しい内視鏡の状態である。この画像水平線が本来の位置からずれていることに気づかないまま手術操作を行うと、予定していなかった臓器を傷つけることになり、大変危険であるが、これは初心者にありがちな問題点である。
【００３１】
本実験システムを用いて、同じ手術操作を行った場合に、力・トルクの積算値、内視鏡先端軌跡の長さ、内視鏡先端速度の周波数分布などのセンサ計測値から導出される指標を計測する実験を行った結果、いずれの指標にも熟練医師と非医療従事者の間で大きく差があることが確認された。また、医療関係者より、内視鏡画像の水平線および力・トルクの画像によるフィードバックは、初心者のトレーニングに有効であるとのコメントを得た。
【００３２】
【発明の効果】
本発明によれば、以下のような効果を奏する。
（１）術前の計画立案およびシミュレーションが３次元空間で行えるため、画像のみによるシミュレーションに比べ患者治療において確実性・熟練度を増すことができる。
（２）手術シミュレーション中の各種センサ値から患者に無理な力がかかっていないかどうかなどを知ることができ、複数の手術手技の比較検討が可能となる。従って、本システムを利用することにより、手術の安全性が向上し、手術時間の短縮も期待できる。
（３）本システムによるトレーニングによって、実際の患者での「研修」をする前にある程度の技術レベルに到達することが可能であり、医療事故の低減を可能とする。
（４）本システムではスキルレベル評価が可能であるため、被訓練者が自習する率を高め、熟練した医師等による訓練者の指導時間が減少し、トレーニングの効率が向上し、コストが低減される。
（５）多数の患者の形状・症例のデータを蓄積することができるため、それらのデータから典型的な症例を抽出し、トレーニングシステム用の模型のバリエーションを充実させることができ、「研修」終了時の技術レベルを大幅に向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、システム概念図である。
【図２】図２は、内視鏡下副鼻腔手術のトレーニングシステムを示す図である。
【図３】図３は、遠隔地への情報表示と遠隔地からの指導を示す図である。
【図４】図４は、情報表示のその他の例を示す図である。
【図５】図５は、内視鏡下副鼻腔手術の術前シミュレーションを示す図である。
【図６】図６は、センサ付きの手術トレーニングシステムの例を示す図である。
【図７】図７は、トレーニング用画面の例を示す図である。
【図８】図８は、トレーニング用画面の例を示す図である。
【符号の説明】
１００ オぺレータ
１１０ 情報表示部
１１１ 患者（ヒトあるいは動物）のモデル
１１２ センサ類及びアクチュエータ類
１１３ 実物あるいは模擬医療操作器具類
１１４ センサ類及びアクチュエータ類
１１５ 情報表示装置
１１６ 付加的なセンサ類
１２０ 制御部および情報処理部
１２１ 患者モデルデータ
１２２ 医療操作履歴データ
１２３ 医療操作評価部
１２４ トレーニングメニュー管理部
Claims (7)
- センサ及びアクチュエータが設けられた第１手段と、
センサ及びアクチュエータが設けられた第２手段と、
前記センサ及びアクチュエータを制御及び情報処理を行う制御・情報処理部とを備えていることを特徴とするトレーニングシステム。 - センサ及びアクチュエータが設けられた人体模型と、
センサ及びアクチュエータが設けられた器具手段と、
前記センサ及びアクチュエータを制御及び情報処理を行う制御・情報処理部とを備え、
前記器具手段を用いて前記人体模型に対して医療行為のトレーニングを行い、該トレーニング中に前記制御・情報処理部が前記センサからの情報を取得し、トレーニング中の動作履歴を逐一記録・再生することができることを特徴とするトレーニングシステム。 - 請求項２に記載のトレーニングシステムにおいて、
トレーニング中あるいはトレーニング終了後に、トレーニング中の動作を、予め記録された動作履歴と比較して表示することができる情報表示部を備えていることを特徴とするトレーニングシステム。 - 請求項２又は３に記載のトレーニングシステムにおいて、
トレーニング中の動作を、予め記録された評価指標に照らし、その善し悪しの目安を決定・表示することができることを特徴とするトレーニングシステム。 - 請求項４に記載のトレーニングシステムにおいて、
前記善し悪しの目安により、被訓練者の技術レベルを判定する手段を備えているを特徴とするトレーニングシステム。 - 請求項５に記載のトレーニングシステムにおいて、
前記判定手段によって判定された被訓練者の技術レベルに応じて、トレーニングメニューおよびトレーニングプログラムを選択・表示する手段を備えていることを特徴とするトレーニングシステム。 - 請求項２乃至６のいずれか一項に記載のトレーニングシステムにおいて、該トレーニングシステムは、低侵襲医療行為のトレーニングシステムとして用いられることを特徴とするトレーニングシステム。
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