(57)【要約】【課題】生体組織に与える負担を軽減するための技術の向上に寄与する手術シミュレータを提供する。【解決手段】生体組織を対象とした手術用の手術シミュレータは、生体組織を模擬した模擬体３２と、模擬体３２を支持する柔軟膜２１と、模擬体３２に加わる負荷に基づく情報を検出する負荷センサとを備えている。柔軟膜２１は、負荷センサを構成する複数のセンサ部２４を備えている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
生体組織を対象とした手術用の手術シミュレータであって、
前記生体組織を模擬した模擬体と、
前記模擬体を支持する柔軟膜と、
前記模擬体に加わる負荷に基づく情報を検出する負荷センサとを備えることを特徴とする手術シミュレータ。
【請求項２】
前記柔軟膜は、前記負荷センサを構成する単数又は複数のセンサ部を備え、
前記センサ部は、誘電エラストマーからなるセンサ誘電層と、導電エラストマーからなるとともに前記センサ誘電層を挟むセンサ電極層とを備える請求項１に記載の手術シミュレータ。
【請求項３】
前記柔軟膜は、生体組織の伸縮動作を模擬した態様にて前記模擬体を動作させるように前記柔軟膜を駆動する駆動部を備え、
前記駆動部は、誘電エラストマーからなる駆動誘電層と、導電エラストマーからなるとともに前記駆動誘電層を挟む駆動電極層とを備える誘電エラストマーアクチュエータである請求項２に記載の手術シミュレータ。
【請求項４】
前記センサ部は、前記駆動部とは別に設けられている請求項３に記載の手術シミュレータ。
【請求項５】
前記センサ部は、前記駆動部であり、
前記センサ誘電層及び前記センサ電極層はそれぞれ、前記駆動誘電層及び前記駆動電極層である請求項３に記載の手術シミュレータ。
【請求項６】
前記負荷センサは、前記柔軟膜に取り付けられる単数又は複数の電場応答性高分子センサである請求項１に記載の手術シミュレータ。
【請求項７】
生体組織の伸縮動作を模擬した態様にて前記模擬体を動作させるように前記柔軟膜を駆動する駆動部を備える請求項１，２，６のいずれか一項に記載の手術シミュレータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、手術シミュレータに関する。
【背景技術】
【０００２】
手術シミュレータの一種として、特許文献１には、拍動下での冠動脈バイパス手術の訓練に用いられる外科手術訓練装置が開示されている。
この外科手術訓練装置は、模擬血管及び模擬心筋を含む模擬体と、模擬体を保持する保持体と、保持体を動作可能に支持する支持体と、保持体及び支持体を連結するワイヤと、保持体の動作を制御する制御ユニットとを備えている。保持体は、模擬心筋の下面に取り付けられた保持プレートと、保持プレートの下面における中央部分から下向きに突出する円筒状の中央突部と、中央突部に取り付けられるコイルばねと、保持プレートの下面における各コーナ部から下向きに突出する円筒状のコーナ突部とを備えている。ワイヤは、発熱により収縮可能となるＴｉ−Ｎｉ系又はＴｉ−Ｎｉ−Ｃｕ系の形状記憶合金により形成されており、各コーナ突部と支持体とを連結している。制御ユニットは、ワイヤに対して供給される電流の供給状態を変化させることでワイヤの形状の変化を伴って保持体の動作制御を行う。上記外科手術訓練装置によれば、保持体により保持された模擬体を、一般的な成人の安静時の心拍数に対応する６０〜１００ＢＰＭ（Beats Per Minute）で動作させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−１２２１３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、手術においては、ピンセットや持針器等の手術器具で生体組織を押さえる操作や、針や縫合糸で引っ張ってしまう操作を行う場合があるが、生体組織に与える負担を軽減する観点から、生体組織を必要以上に押さえ込むことは避けることが好ましい。
【０００５】
この発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、生体組織に与える負担を軽減するための技術の向上に寄与する手術シミュレータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決する手術シミュレータは、生体組織を対象とした手術用の手術シミュレータであって、前記生体組織を模擬した模擬体と、前記模擬体を支持する柔軟膜と、前記模擬体に加わる負荷に基づく情報を検出する負荷センサとを備える。
【０００７】
上記構成の手術シミュレータによれば、模擬手術を実施した際に、模擬体に加わる負荷に基づく情報が検出される。検出された情報は、生体組織に与える負担の大小を判断する際や、生体組織に与える負担の少ない操作技術の向上を図る際の目安になる。したがって、上記構成の手術シミュレータは、生体組織に与える負担を軽減するための技術の向上に寄与する。
【０００８】
上記手術シミュレータにおいて、前記柔軟膜は、前記負荷センサを構成する単数又は複数のセンサ部を備え、前記センサ部は、誘電エラストマーからなるセンサ誘電層と、導電エラストマーからなるとともに前記センサ誘電層を挟むセンサ電極層とを備えることが好ましい。
【０００９】
上記構成によれば、模擬体を通じて柔軟膜に加わる負荷の変化を、センサ部のセンサ電極層間の静電容量の変化として検出する。これにより、模擬体に加わる負荷を定量的に判断することに適した手術シミュレータになる。また、負荷センサを構成するセンサ部が柔軟膜の一部として設けられるため、手術シミュレータの部品点数を低減できる。
【００１０】
上記手術シミュレータにおいて、前記柔軟膜は、生体組織の伸縮動作を模擬した態様にて前記模擬体を動作させるように前記柔軟膜を駆動する駆動部を備え、前記駆動部は、誘電エラストマーからなる駆動誘電層と、導電エラストマーからなるとともに前記駆動誘電層を挟む駆動電極層とを備える誘電エラストマーアクチュエータであることが好ましい。
【００１１】
上記構成によれば、拍動下での冠動脈バイパス手術のように、動作する生体組織を対象とする模擬手術にも適用できる。また、上記構成の駆動部は、形状記憶合金からなるアクチュエータに比べて、模擬体の動作速度、すなわち応答性を高めることができ、子供等の心拍数の高い患者を対象とする手術を模擬する場合に特に適したものになる。加えて、簡単な構成により、模擬体を安定して動作させることができる。
【００１２】
上記手術シミュレータにおいて、前記センサ部は、前記駆動部とは別に設けられていることが好ましい。
上記構成によれば、センサ部の静電容量の変化に与える、駆動部を駆動するための印加電圧の影響を小さくできる。したがって、模擬体を通じて柔軟膜に加わる負荷の変化に基づくセンサ部の静電容量の変化を容易に検出できる。
【００１３】
上記手術シミュレータにおいて、前記センサ部は、前記駆動部であり、前記センサ誘電層及び前記センサ電極層はそれぞれ、前記駆動誘電層及び前記駆動電極層であることが好ましい。
【００１４】
上記構成によれば、駆動部がセンサ部を兼ねることにより、柔軟膜の構成の簡略化を図ることができる。また、柔軟膜におけるより広い範囲に駆動部を設けることが可能になり、駆動部の設計の自由度が向上する。
【００１５】
上記手術シミュレータにおいて、前記負荷センサは、前記柔軟膜に取り付けられる単数又は複数の電場応答性高分子センサであることが好ましい。
上記構成によれば、模擬体を通じて柔軟膜に加わる負荷の変化を、電場応答性高分子センサから出力される電気信号の変化として検出する。これにより、模擬体に加わる負荷を定量的に判断することに適した手術シミュレータになる。
【００１６】
上記手術シミュレータにおいて、生体組織の伸縮動作を模擬した態様にて前記模擬体を動作させるように前記柔軟膜を駆動する駆動部を備えることが好ましい。
上記構成によれば、拍動下での冠動脈バイパス手術のように、動作する生体組織を対象とする模擬手術にも適用できる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の手術シミュレータによれば、生体組織に与える負担を軽減するための技術の向上に寄与する。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】第１実施形態の手術シミュレータの斜視図。
【図２】図１の２−２線断面図。
【図３】第１実施形態における模擬体及び柔軟膜の平面図。
【図４】図３の４−４線断面図。
【図５】第１実施形態の手術シミュレータのブロック図。
【図６】第２実施形態における模擬体及び柔軟膜の平面図。
【図７】第２実施形態の手術シミュレータのブロック図。
【図８】第３実施形態における模擬体及び柔軟膜の平面図。
【図９】図８の９−９線断面図。
【図１０】第３実施形態の手術シミュレータのブロック図。
【図１１】第４実施形態の手術シミュレータの断面図。
【図１２】第４実施形態の手術シミュレータのブロック図。
【図１３】第１実施形態の模擬体及び柔軟膜の変更例を示す平面図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
＜第１実施形態＞
以下、第１実施形態の手術シミュレータについて説明する。ここでは、一例として、心臓血管の吻合手術、より詳しくは、拍動下での冠動脈バイパス手術の訓練に用いられる手術シミュレータについて説明する。
【００２０】
図１及び図２に示すように、手術シミュレータは、上部に開口１１ａを有するケース１１と、ケース１１の開口１１ａを塞ぐようにして、ケース１１の上部に取り替え可能に取り付けられる平板状の本体部１２とを備えている。ケース１１の内部には、本体部１２の上下方向の変位を許容するための空間が設けられている。
【００２１】
本体部１２は、誘電エラストマーアクチュエータとして機能するエラストマー製の柔軟膜２１を備えている。
図３及び図４に示すように、平面視正方形板状をなす柔軟膜２１には、柔軟膜２１を駆動させる駆動部として、柔軟膜２１の面方向において左右に分割して配置された第１駆動部２２及び第２駆動部２３が設けられている。また、柔軟膜２１の面方向における第１駆動部２２と第２駆動部２３との間には、複数のセンサ部２４が設けられている。
【００２２】
図３に示すように、第１駆動部２２は、柔軟膜２１の縁に沿って延在する略Ｕ字状の外周縁部２２ａと、外周縁部２２ａの両端Ｐ１，Ｐ２間を結ぶとともに、その中央部分が部分的に外周縁部２２ａ側に凹む対向縁部２２ｂとを有している。同様に、第２駆動部２３は、柔軟膜２１の縁に沿って延在する略Ｕ字状の外周縁部２３ａと、外周縁部２３ａの両端Ｐ３，Ｐ４間を結ぶとともに、その中央部分が部分的に外周縁部２３ａ側に凹む対向縁部２３ｂとを有している。第１駆動部２２及び第２駆動部２３の対向縁部２２ｂ，２３ｂ同士は、間隔をおいて対向している。
【００２３】
複数のセンサ部２４は、第１駆動部２２の対向縁部２２ｂにおける外周縁部２２ａ側に凹む部分と、第２駆動部２３の対向縁部２３ｂにおける外周縁部２３ａ側に凹む部分との間に配置されている。柔軟膜２１の面方向において、第１駆動部２２と第２駆動部２３とが並ぶ方向を横方向とし、同方向に直交する方向を縦方向とした場合、本実施形態では、１８個のセンサ部２４が横２×縦９の関係で並ぶように配置されている。
【００２４】
図４に示すように、第１駆動部２２及び第２駆動部２３はそれぞれ、駆動誘電層２５と、駆動誘電層２５を挟む一対の駆動電極層２６としての正極電極層２６ａ及び負極電極層２６ｂとを備えている。第１駆動部２２及び第２駆動部２３の各層はそれぞれ同一面上に位置するように設けられている。各センサ部２４は、センサ誘電層２７と、センサ誘電層２７を挟む一対のセンサ電極層２８とを備えている。なお、センサ誘電層２７と駆動誘電層２５は、同時に連続的に形成されている。
【００２５】
第１駆動部２２、第２駆動部２３、及び各センサ部２４のそれぞれの厚さ方向の両側には共通の絶縁層２９が設けられている。また、柔軟膜２１の外周縁部、並びに面方向における第１駆動部２２、第２駆動部２３、及び各センサ部２４の各部同士の間の部分は、絶縁層２９のみで構成されている。なお、絶縁層２９は透明であることから、図１及び図３においては、絶縁層２９の内部に位置する正極電極層２６ａを実線にて示している。
【００２６】
駆動誘電層２５及びセンサ誘電層２７は、架橋されたポリロタキサンを含有する誘電エラストマーにより形成されている。具体的には、誘電エラストマーは、直鎖状分子としてのポリエチレングリコールと、環状分子としてのシクロデキストリンと、封鎖基としてのアダマンタンアミンとからなる。駆動誘電層２５及びセンサ誘電層２７の厚さは、例えば、１〜１０００μｍである。
【００２７】
駆動電極層２６及びセンサ電極層２８は、絶縁性高分子及び導電性フィラーを含有する導電エラストマーにより形成されている。上記絶縁性高分子としては、ポリロタキサンが用いられている。また、上記導電性フィラーとしては、ケッチェンブラック（登録商標）が用いられている。駆動電極層２６及びセンサ電極層２８の厚さは、例えば、０．１〜１０００μｍである。
【００２８】
図３に示すように、第１駆動部２２の正極電極層２６ａには、柔軟膜２１の第１隅部２１ａ側に突出するとともに、外部に露出する接点２６ａ１が設けられている。第１駆動部２２の負極電極層２６ｂには、柔軟膜２１の第２隅部２１ｂ側に突出するとともに、外部に露出する接点２６ｂ１が設けられている。
【００２９】
第２駆動部２３の正極電極層２６ａには、柔軟膜２１の第３隅部２１ｃ側に突出するとともに、外部に露出する接点２６ａ２が設けられている。第２駆動部２３の負極電極層２６ｂには、柔軟膜２１の第４隅部２１ｄ側に突出するとともに、外部に露出する接点２６ｂ２が設けられている。
【００３０】
なお、柔軟膜２１において、第１隅部２１ａと第３隅部２１ｃとが対角に位置し、第２隅部２１ｂとの第４隅部２１ｄとが対角に位置している。また、各センサ部２４の各センサ電極層２８には、第１駆動部２２及び第２駆動部２３の対向縁部２２ｂ，２３ｂの間を通って柔軟膜２１の縁部側へ延びるとともに、その先端側の一部が外部に露出する接点２８ａが設けられ、１８個の各センサ部２４の静電容量を独立して測定できるようになっている。
【００３１】
図１及び図２に示すように、本体部１２は、柔軟膜２１を厚さ方向の両側から挟む態様にて柔軟膜２１の周縁部を支持する上側枠部材３０及び下側枠部材３１を備えている。上側枠部材３０及び下側枠部材３１は、平面視角丸正方形状の中心孔３０ａ，３１ａを有する平面視正方形板状をなし、柔軟膜２１の両主面の周縁部に対して接着剤を介して固定されている。
【００３２】
中心孔３０ａ，３１ａは、その内側に柔軟膜２１の第１駆動部２２、第２駆動部２３、及び各センサ部２４が位置するように設けられている。また、図示は省略しているが、上側枠部材３０及び下側枠部材３１には、各接点２６ａ１，２６ａ２，２６ｂ１，２６ｂ２，２８ａとの接続を図るための接続部が設けられている。
【００３３】
図１〜４に示すように、柔軟膜２１の上面の中心部には、生体組織の一部を模擬した模擬体３２が固定されている。本実施形態においては、冠動脈が表出する心臓表面の一部分を模擬した模擬体３２を用いている。模擬体３２は、上側枠部材３０の中心孔３０ａよりも小さい平面視円形状の柔軟なシート状をなす模擬心筋３３と、模擬心筋３３の上面中央
部に固定される円筒状の模擬血管３４とを有している。模擬心筋３３及び模擬血管３４はいずれもシリコーンエラストマー等の弾性部材により形成されている。
【００３４】
図３に示すように、模擬体３２は、模擬心筋３３全体が、互いに隣り合う第１駆動部２２及び第２駆動部２３に跨る態様にて柔軟膜２１に重ねられ、柔軟膜２１の絶縁層２９に接着剤により固定されることにより柔軟膜２１に支持されている。また、模擬血管３４は、柔軟膜２１の面方向において、第１駆動部２２と第２駆動部２３との間であって、横方向に並ぶ二つのセンサ部２４の間を通るように配置されている。
【００３５】
なお、模擬体３２の厚さは例えば２ｍｍである。
ここで、柔軟膜２１としては、柔軟膜２１における模擬体３２が配置される直径２０ｍｍの領域内に対して１０ｇの荷重を加えた場合に、当該領域の下方への変位量が１〜１００ｍｍとなる弾性特性を有することが好ましい。本実施形態の柔軟膜２１は、当該領域の下方への変位量が約１０ｍｍとなる弾性特性を有している。
【００３６】
図５に示すように、柔軟膜２１の第１駆動部２２及び第２駆動部２３には、これらの駆動態様を制御する駆動制御部４１が接点２６ａ１，２６ａ２，２６ｂ１，２６ｂ２を通じて電気的に接続されている。駆動制御部４１には、電源４２が電気的に接続されるとともに、タブレット端末等の入力機器４３が接続されている。
【００３７】
駆動制御部４１は、入力機器４３からの入力信号に基づいて、第１駆動部２２及び第２駆動部２３の駆動電極層２６間に電源４２から所定範囲（例えば、１００〜１５００Ｖ）の直流電圧を印加する際の印加態様を制御する。具体的には、駆動制御部４１は、印加電圧を０〜５Ｈｚの周波数の範囲内で可変設定することにより、第１駆動部２２及び第２駆動部２３を０〜３００ＢＰＭ（Beats Per Minute）の範囲内で駆動する。
【００３８】
柔軟膜２１の各センサ部２４には、各センサ部２４から出力される信号に基づいて、センサ部２４が設けられる部位毎の柔軟膜２１の変形量を推定するセンサ制御部４４が接点２８ａを通じて接続されている。センサ制御部４４には、電源４２が電気的に接続されている。また、センサ制御部４４には、推定された変形量又は当該変形量に基づく情報を表示して報知する報知機器４５が接続されるとともに、推定された変形量又は当該変形量に基づく情報を記録して集積する記録機器４６が接続されている。本実施形態においては、センサ部２４、センサ制御部４４、報知機器４５、及び記録機器４６により負荷検出装置が構成されている。
【００３９】
センサ制御部４４は、各センサ部２４のセンサ電極層２８間に交流電圧を印加し、各センサ部２４のセンサ電極層２８間の静電容量を取得し、当該静電容量に基づいてセンサ部２４が設けられる部位毎の柔軟膜２１の変形量を推定する。センサ部２４のセンサ電極層２８間の静電容量は、センサ電極層２８間の間隔に反比例し、センサ電極層２８の対向面積に比例するパラメータであり、センサ部２４の形状に応じて変化する。
【００４０】
例えば、柔軟膜２１に対して外力による負荷が加えられて、センサ部２４の形状が面方向に延びるように変形すると、センサ電極層２８間の間隔が小さくなることによりセンサ電極層２８間の静電容量が増加する。このように、センサ部２４の形状とセンサ電極層２８間の静電容量との間には、互いに変換可能な相関関係が成立している。
【００４１】
センサ制御部４４には、センサ部２４のセンサ電極層２８間の静電容量と、センサ部２４の変形量との関係を示すマップや関係式等の関係情報が記憶されており、センサ制御部４４は、センサ電極層２８間の静電容量と、上記関係情報とに基づいて各センサ部２４の変形量を推定する。本実施形態においては、センサ部２４の変形量が模擬体３２に加わる
負荷に基づく情報に該当し、センサ部２４及びセンサ制御部４４によって、模擬体３２に加わる負荷に基づく情報を検出する負荷センサが構成される。
【００４２】
次に、本実施形態の作用について説明する。
手術シミュレータを用いた冠動脈バイパス手術の訓練に際しては、駆動制御部４１により第１駆動部２２及び第２駆動部２３への通電態様が制御されることで、第１駆動部２２及び第２駆動部２３の駆動態様が制御され、柔軟膜２１及び模擬体３２の動作が制御される。
【００４３】
すなわち、第１駆動部２２の正極電極層２６ａと負極電極層２６ｂとの間に直流電圧が印加されると、第１駆動部２２の内部においてプラスの電荷とマイナスの電荷とが近づこうとする力によって、駆動誘電層２５が厚さ方向に圧縮されて駆動誘電層２５の面に沿った方向に伸張する。そして、第１駆動部２２の弾性力が低下することで自重により第１駆動部２２の中央部が下方に向けて変位するようになる。
【００４４】
その後、第１駆動部２２への電圧の印加が停止されると、駆動誘電層２５の厚さが復元されることで第１駆動部２２の弾性力が回復し、第１駆動部２２が上方に向けて変位することとなる。
【００４５】
第２駆動部２３に電圧を印加した場合、及び電圧の印加を停止した場合も第１駆動部２２と同様に変位する。本実施形態では、第１駆動部２２及び第２駆動部２３に対して電圧を印加する位相を互いに異ならせるようにしている。このようにして、柔軟膜２１の第１駆動部２２及び第２駆動部２３が交互に上下動することで、第１駆動部２２及び第２駆動部２３に跨る態様にて柔軟膜２１に固定された模擬体３２が心臓の伸縮動作を模擬した態様にて動作するようになる。
【００４６】
訓練者等の模擬手術の実施者は、拍動下での冠動脈バイパス手術を想定し、心臓の伸縮動作を模擬した態様にて動作する模擬体３２の模擬血管３４に対して、別に用意した模擬血管をつなげる吻合手術の模擬手術を実施する。この模擬手術において、ピンセットや持針器等の手術器具によって模擬体３２を押さえたり、引っ張ったりする操作が行われて模擬体３２に外力による負荷が加えられると、模擬体３２が固定されている柔軟膜２１にも同様の負荷が作用する。このとき、柔軟膜２１に作用する負荷の位置、負荷の向き、及び負荷の大きさに応じて、各センサ部２４が変形する。
【００４７】
センサ制御部４４は、各センサ部２４のセンサ電極層２８間の静電容量から各センサ部２４の変形量を推定する。そして、模擬手術中における少なくとも吻合位置周囲の４個の各センサ部２４の変形量（推定値）の経時的な変化に基づき、模擬体３２のどの位置に、どのような向き及び大きさの負荷が加えられているかを示す負荷情報を報知機器４５に表示させるとともに、当該負荷情報を記録機器４６に記録させる。
【００４８】
実施者は、報知機器４５に表示される負荷情報及び記録機器４６に記録された負荷情報を参考にしつつ模擬手術を繰り返し実施して、生体組織に与える負担を軽減するための技術を向上させる。例えば、報知機器４５を確認しながら模擬手術を実施して、模擬体３２にどの程度の負荷が加えられているかを把握しながら手術の操作を行う。また、記録機器４６に記録された負荷情報と合わせて同時に記録された模擬手術の映像を確認したり、これと熟練者等の他者のものとを比較したりすることにより改善箇所を把握する。
【００４９】
次に、本実施形態の効果について記載する。
（１）手術シミュレータは、生体組織を模擬した模擬体３２と、模擬体３２を支持する柔軟膜２１と、模擬体３２に加わる負荷に基づく情報を検出する負荷センサとを備えてい
る。
【００５０】
上記構成の手術シミュレータによれば、模擬手術を実施した際に、模擬体に加わる負荷に基づく情報が検出される。検出された情報は、生体組織に与える負担の大小を判断する際や、生体組織に与える負担の少ない操作技術の向上を図る際の目安になる。したがって、上記構成の手術シミュレータは、生体組織に与える負担を軽減するための技術の向上に寄与する。
【００５１】
（２）柔軟膜２１は、負荷センサを構成するセンサ部２４を備え、センサ部２４は、誘電エラストマーからなるセンサ誘電層２７と、導電エラストマーからなるとともにセンサ誘電層２７を挟むセンサ電極層２８とを備える。
【００５２】
上記構成によれば、模擬体３２を通じて柔軟膜２１に加わる負荷の変化を、センサ部２４のセンサ電極層２８間の静電容量の変化として検出する。これにより、模擬体３２に加わる負荷を定量的に判断することに適した手術シミュレータになる。また、センサ部２４が柔軟膜２１の一部として設けられるため、手術シミュレータの部品点数を低減できる。
【００５３】
（３）柔軟膜２１は、複数のセンサ部２４を備えている。
上記構成の手術シミュレータにより検出された情報は、負荷が加わっている位置を判断する際の目安にもなる。したがって、上記構成の手術シミュレータは、生体組織に与える負担を軽減するための技術の向上に更に効果的に寄与する。
【００５４】
（４）柔軟膜２１は、生体組織の伸縮動作を模擬した態様にて模擬体３２を動作させるように柔軟膜２１を駆動する第１駆動部２２及び第２駆動部２３を備えている。第１駆動部２２及び第２駆動部２３は、誘電エラストマーからなる駆動誘電層２５と、導電エラストマーからなるとともに駆動誘電層２５を挟む駆動電極層２６とを備える誘電エラストマーアクチュエータである。
【００５５】
上記構成によれば、拍動下での冠動脈バイパス手術のように、動作する生体組織を対象とする模擬手術にも適用できる。また、上記構成の第１駆動部２２及び第２駆動部２３は、形状記憶合金からなるアクチュエータに比べて、模擬体３２の動作速度、すなわち応答性を高めることができ、子供等の心拍数の高い患者を対象とする手術を模擬する場合に特に適したものになる。加えて、簡単な構成により、模擬体３２を安定して動作させることができる。
【００５６】
（５）センサ部２４は、第１駆動部２２及び第２駆動部２３とは別に設けられている。
上記構成によれば、センサ部２４の静電容量の変化に与える、第１駆動部２２及び第２駆動部２３を駆動するための印加電圧の影響を小さくできる。したがって、模擬体３２を通じて柔軟膜２１に加わる負荷の変化に基づくセンサ部２４の静電容量の変化を容易に検出できる。
【００５７】
（６）柔軟膜２１は、柔軟膜２１の面方向に分割して配置された複数の駆動部（第１駆動部２２及び第２駆動部２３）を備えている。
上記構成によれば、複数の駆動部が模擬体３２の互いに異なる箇所に対して各別に力を作用させることが可能となる。このため、複数の駆動部の動作態様を互いに異ならせるようにすれば、模擬体３２を複雑なパターンで動作させることができるようになる。したがって、模擬体３２の動作を生体組織の実際の伸縮動作に近づけることができる。
【００５８】
（７）手術シミュレータは、模擬体３２に加わる負荷に基づく情報を報知する報知機器４５を備えている。
上記構成によれば、報知機器４５を確認しながら模擬手術を実施して、模擬体３２にどの程度の負荷が加えられているかを把握しながら手術の操作を行うことができる。
【００５９】
（８）手術シミュレータは、模擬体３２に加わる負荷に基づく情報を記録する記録機器４６を備えている。
上記構成によれば、記録機器４６に記録された負荷情報を確認して、熟練者等の他者による模擬手術時の負荷情報と自身による模擬手術時の負荷情報とを比較することにより改善箇所を把握することができる。
【００６０】
＜第２実施形態＞
以下、第２実施形態の手術シミュレータについて説明する。第２実施形態の手術シミュレータは、柔軟膜２１に設けられる負荷センサの構成が第１実施形態と相違しており、以下では、第１実施形態との相違点を中心に説明する。なお、上記実施形態と同一又は対応する構成については、同一の符号を付すことにより重複する説明を省略する。
【００６１】
図６に示すように、第２実施形態の柔軟膜２１は、第１実施形態の柔軟膜２１からセンサ部２４が省略されており、対向縁部２２ｂ，２３ｂが直線状となるように柔軟膜２１の略全体に第１駆動部２２及び第２駆動部２３が形成されている。第２実施形態においては、誘電エラストマーアクチュエータである第１駆動部２２及び第２駆動部２３のセルフセンシング特性を利用することにより、第１駆動部２２及び第２駆動部２３をセンサ部２４としても機能するように構成している。
【００６２】
誘電エラストマーアクチュエータ（以下、ＤＥＡと記載する。）の駆動電極層間の静電容量は、駆動電極層間の間隔に反比例し、駆動電極層の対向面積に比例するパラメータであり、ＤＥＡの形状に応じて変化する。したがって、ＤＥＡの印加電圧と静電容量との間には、一方が大きくなるに従って他方も大きくなる相関関係が成立している。そして、ＤＥＡの形状（変形量）と静電容量との間には、互いに変換可能な相関関係が成立している。
【００６３】
また、ＤＥＡに対して駆動電極層の積層方向の外力が作用している状態ではＤＥＡの変形量が変化する。その結果、印加電圧が同じであっても、ＤＥＡの静電容量も変化する。したがって、ＤＥＡに外力が作用している状態と外力が作用していない状態との間の静電容量の相違は、ＤＥＡに作用している外力の大きさを示すパラメータと見なすことができる。
【００６４】
図７に示すように、第２実施形態のセンサ制御部４４は、柔軟膜２１の第１駆動部２２及び第２駆動部２３に接点２６ａ１，２６ａ２，２６ｂ１，２６ｂ２を通じて電気的に接続されている。センサ制御部４４は、第１駆動部２２及び第２駆動部２３の各駆動電極層２６間に、駆動制御部４１により印加される印加電圧に比べて十分小さな交流電圧を印加し、各駆動電極層２６間の静電容量を取得する。そして、当該静電容量及び駆動制御部４１からの印加電圧に基づいて、柔軟膜２１の第１駆動部２２及び第２駆動部２３を押圧する外力を推定する。
【００６５】
また、報知機器４５は、センサ制御部４４により推定された外力又は当該外力に基づく情報を表示して報知する。記録機器４６は、センサ制御部４４により推定された外力又は当該外力に基づく情報を記録して集積する。本実施形態においては、第１駆動部２２及び第２駆動部２３に作用している外力が模擬体３２に加わる負荷に基づく情報に該当し、第１駆動部２２、第２駆動部２３、及びセンサ制御部４４によって負荷センサが構成される。
【００６６】
第２実施形態の手術シミュレータによれば、第１実施形態の効果（１）〜（４）及び効果（６）〜（８）に加えて、新たに以下に示す効果が得られる。
（９）第１駆動部２２及び第２駆動部２３をセンサ部２４として機能させている。すなわち、センサ部２４は、第１駆動部２２及び第２駆動部２３であり、センサ誘電層２７及びセンサ電極層２８はそれぞれ、駆動誘電層２５及び駆動電極層２６である。
【００６７】
上記構成によれば、第１駆動部２２及び第２駆動部２３がセンサ部２４を兼ねることにより、柔軟膜２１の構成の簡略化を図ることができる。また、柔軟膜２１におけるより広い範囲に第１駆動部２２及び第２駆動部２３を設けることが可能になり、第１駆動部２２及び第２駆動部２３の設計の自由度が向上する。
【００６８】
＜第３実施形態＞
以下、第３実施形態の手術シミュレータについて説明する。第３実施形態の手術シミュレータは、負荷センサの構成が第１実施形態と相違しており、以下では、第１実施形態との相違点を中心に説明する。なお、上記実施形態と同一又は対応する構成については、同一の符号を付すことにより重複する説明を省略する。
【００６９】
図８及び図９に示すように、第３実施形態の柔軟膜２１は、第１実施形態の柔軟膜２１からセンサ部２４が省略されており、対向縁部２２ｂ，２３ｂが直線状となるように柔軟膜２１の略全体に第１駆動部２２及び第２駆動部２３が形成されている。
【００７０】
柔軟膜２１の下面側の中心部には、負荷センサとしての電場応答性高分子センサ３５（以下、ＥＡＰセンサ３５と記載する。）が接着剤により固定されている。ＥＡＰセンサ３５は、電場応答性高分子材料からなる柔軟なシート状の圧電素子であり、加えられた外力に応じた電気信号を出力する。ＥＡＰセンサ３５としては、例えば、誘電エラストマー、電歪リラクサ強誘電体ポリマー、圧電性ポリマー、強誘電性高分子、静電収縮高分子、液晶高分子、イオン性ポリマー金属複合材、メカノケミカルポリマー、メカノケミカルゲル、イオン交換樹脂膜−金属錯体、高分子カーボンナノチューブ等の電場応答性高分子を用いたセンサが挙げられる。
【００７１】
平面視における複数のＥＡＰセンサ３５の外形及び配置は、第１実施形態の柔軟膜２１に設けられるセンサ部２４の外形及び配置と略同じである。したがって、ＥＡＰセンサ３５は、柔軟膜２１の厚さ方向において、柔軟膜２１の第１駆動部２２及び第２駆動部２３と重なっている。そして、模擬体３２の模擬血管３４は、第１実施形態と同様に、柔軟膜２１の面方向において、第１駆動部２２と第２駆動部２３との間であって、横方向に並ぶ二つのＥＡＰセンサ３５の間を通るように配置されている。
【００７２】
図１０に示すように、各ＥＡＰセンサ３５には、ＥＡＰセンサ３５から出力された電気信号に基づいて、模擬体３２及び柔軟膜２１を通じて、ＥＡＰセンサ３５に加えられた外力を表示して報知する報知機器４５が接続されるとともに、ＥＡＰセンサ３５に加えられた外力を記録して集積する記録機器４６が接続されている。本実施形態においては、ＥＡＰセンサ３５が出力する電圧等の加えられた外力に応じたパラメータが模擬体３２に加わる負荷に基づく情報に該当し、ＥＡＰセンサ３５によって負荷センサが構成される。
【００７３】
第３実施形態の手術シミュレータによれば、第１実施形態の効果（１）、（４）及び効果（６）〜（８）に加えて、新たに以下に示す効果が得られる。
（１０）負荷センサは、柔軟膜２１に取り付けられるＥＡＰセンサ３５である。
【００７４】
上記構成によれば、模擬体３２を通じて柔軟膜２１に加わる負荷の変化を、ＥＡＰセンサ３５から出力される電気信号の変化として検出する。これにより、模擬体３２に加わる
負荷を定量的に判断することに適した手術シミュレータになる。また、柔軟膜２１の厚さ方向において、第１駆動部２２及び第２駆動部２３に重なる位置にＥＡＰセンサ３５を配置することができるため、検出部分の配置の自由度が向上する。
【００７５】
（１１）柔軟膜２１には、複数のＥＡＰセンサ３５が取り付けられている。
上記構成の手術シミュレータにより検出された情報は、負荷が加わっている位置を判断する際の目安にもなる。したがって、上記構成の手術シミュレータは、生体組織に与える負担を軽減するための技術の向上に更に効果的に寄与する。
【００７６】
＜第４実施形態＞
以下、第４実施形態の手術シミュレータについて説明する。第４実施形態の手術シミュレータは、負荷センサの構成が第３実施形態と相違しており、以下では、第３実施形態との相違点を中心に説明する。なお、上記実施形態と同一又は対応する構成については、同一の符号を付すことにより重複する説明を省略する。
【００７７】
図１１に示すように、第４実施形態の柔軟膜２１は、第３実施形態の柔軟膜２１からＥＡＰセンサ３５が省略されている。そして、第４実施形態の手術シミュレータには、ＥＡＰセンサ３５に代わる負荷センサとして、一つの接触センサ３６がケース１１に取り付けられている。
【００７８】
接触センサ３６は、上下方向に弾性的に変位可能な板バネ状の支持体３７を介してケース１１に取り付けられている。接触センサ３６は、柔軟膜２１の中心部の下側であって、柔軟膜２１から予め設定された所定距離、離間した位置に配置されている。
【００７９】
図１２に示すように、接触センサ３６には、接触センサ３６と柔軟膜２１とが接触した際に警告音を出す報知機器４５が接続されている。本実施形態においては、柔軟膜２１と接触センサ３６との接触の有無が模擬体３２に加わる負荷に基づく情報に該当し、接触センサ３６によって負荷センサが構成されている。
【００８０】
本実施形態の手術シミュレータを用いた模擬手術において、手術器具によって模擬体３２を過度に押さえ付けると、柔軟膜２１が接触センサ３６に接触し、報知機器４５から警告音が鳴る。実施者は、報知機器４５からの警告音を聞くことにより、直前の操作が、生体組織に与える負担の大きい操作であることを把握できる。そして、実施者は、警告音が鳴らないように模擬手術を実施して、生体組織に与える負担を軽減するための技術を向上させる。
【００８１】
第４実施形態の手術シミュレータによれば、第１実施形態の効果（１）、（４）、（６）、（８）が得られる。
なお、上記各実施形態は、以下のように変更して実施することができる。上記各実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
【００８２】
・負荷センサが検出する情報は、模擬体３２に加わる負荷に基づく情報であれば特に限定されるものではない。例えば、第１実施形態では、センサ部２４のセンサ電極層２８間の静電容量から推定されるセンサ部２４の変形量を上記情報としていたが、センサ電極層２８間の静電容量そのものを上記情報としてもよい。また、第２実施形態のように、センサ部２４のセンサ電極層２８間の静電容量からセンサ部２４を押圧する外力を推定し、推定される外力を上記情報としてもよい。
【００８３】
・第１実施形態において、センサ部２４は、柔軟膜２１の面方向において、隣り合う駆
動部（第１駆動部２２及び第２駆動部２３）の間に複数、設けられていたが、柔軟膜２１に設けられるセンサ部２４の数、及び柔軟膜２１におけるセンサ部２４の配置は特に限定されるものではない。例えば、図１３に示すように、柔軟膜２１の中心部に一つの大きなセンサ部２４が設けられていてもよい。
【００８４】
第３実施形態の柔軟膜２１に設けられるＥＡＰセンサ３５の数及び配置についても同様である。また、ＥＡＰセンサ３５は、柔軟膜２１の上面側に取り付けてもよい。
第４実施形態において、複数の接触センサ３６を設けてもよい。また、接触センサ３６に代えて、柔軟膜２１に位置センサを取り付けてもよい。この場合、例えば、模擬手術において、模擬体３２が過度に押さえ付けられて、位置センサが予め設定された所定位置に達した場合に報知機器４５から警告音が鳴るように構成する。
【００８５】
・駆動誘電層２５及びセンサ誘電層２７を構成する誘電エラストマーはポリロタキサンに限定されるものではなく、シリコーンエラストマーやアクリルエラストマー、ウレタンエラストマー等の他の誘電エラストマーであってもよい。
【００８６】
・駆動電極層２６及びセンサ電極層２８を構成する導電エラストマーに含まれる絶縁性高分子はポリロタキサンに限定されるものではなく、シリコーンエラストマー、アクリルエラストマー、ウレタンエラストマー等の他の絶縁性高分子であってもよい。また、これら絶縁性高分子のうちの一種を用いてもよいし、複数種を併用してもよい。
【００８７】
・駆動電極層２６及びセンサ電極層２８を構成する導電エラストマーに含まれる導電性フィラーはケッチェンブラックに限定されるものではなく、その他のカーボンブラックや、カーボンナノチューブ、銅や銀等の金属粒子であってもよい。また、これら導電性フィラーのうちの一種を用いてもよいし、複数種を併用してもよい。また、これら導電性フィラー材料自身からなる層であってもよい。
【００８８】
・上記実施形態では、第１駆動部２２及び第２駆動部２３の二つの駆動部を備える柔軟膜２１について例示したが、柔軟膜２１は三つ以上の駆動部を備えるものであってもよいし、一つの駆動部を備えるものであってもよい。
【００８９】
・生体組織の伸縮動作を模擬した態様にて模擬体３２を動作させるように柔軟膜２１を駆動する駆動部の構成は、誘電エラストマーアクチュエータを用いた構成に限定されない。例えば、上記電場応答性高分子を用いた電場応答性高分子アクチュエータを用いた構成としてもよい。
【００９０】
また、柔軟膜２１とは別に設けられる駆動部であってもよい。例えば、形状記憶合金により形成されたワイヤを備えたアクチュエータ等の他のアクチュエータを用いて、上記実施形態において例示した弾性特性を有するエラストマー製の柔軟膜や柔軟膜を支持する枠部材を上下に往復動させるようにしてもよい。
【００９１】
・手術シミュレータは、拍動下での冠動脈バイパス手術の訓練に用いられるものに限定されない。例えば、カテーテル手術等の心臓以外の伸縮動作する生体組織を対象とした手術の訓練に用いてもよい。また、伸縮動作しない生体組織を対象とした手術の訓練に用いてもよい。この場合、生体組織の伸縮動作を模擬した態様にて模擬体３２を動作させるように柔軟膜２１を駆動する駆動部を省略してもよい。
【００９２】
・手術シミュレータは、手術の技術に関する定量的なデータの取得や分析等の手術訓練以外の用途に適用されるものであってもよい。
・模擬体３２に設けられる模擬血管３４の配置は特に限定されるものではなく、訓練内
容等に応じて適宜変更できる。例えば、図１３に示すように、第１駆動部２２及び第２駆動部２３に跨るように模擬血管３４を配置してもよい。
【００９３】
・模擬体３２に設けられる模擬血管３４等の手術対象部位の数は特に限定されるものではなく、二つ以上の手術対象部位が設けられていてもよい。この場合には、一つの模擬体３２を用いて複数回の手術訓練等の模擬手術を行うことができる。
【００９４】
・報知機器４５による報知方法は特に限定されるものではなく、映像、音、振動等の種々の報知方法を適用できる。
・駆動制御部４１、入力機器４３、報知機器４５、記録機器４６等のケース１１及び本体部１２以外の構成については、手術シミュレータに設けられる構成であってもよいし、手術シミュレータに接続して用いられる外部機器に設けられる構成であってもよい。上記外部機器としては、例えば、駆動制御部４１、入力機器４３、報知機器４５、及び記録機器４６として機能するタブレット端末が挙げられる。
【符号の説明】
【００９５】
１１…ケース、１２…本体部、２１…柔軟膜、２２…第１駆動部、２３…第２駆動部、２４…センサ部、２５…駆動誘電層、２６…駆動電極層、２６ａ…正極電極層、２６ｂ…負極電極層、２７…センサ誘電層、２８…センサ電極層、２９…絶縁層、３０…上側枠部材、３１…下側枠部材、３２…模擬体、３３…模擬心筋、３４…模擬血管、３５…電場応答性高分子センサ（ＥＡＰセンサ）、３６…接触センサ、４１…駆動制御部、４２…電源、４３…入力機器、４４…センサ制御部、４５…報知機器、４６…記録機器。
【図１】
2020166092.tif 000003
【図２】
2020166092.tif 000004
【図３】
2020166092.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2020166092.tif 000009
【図８】
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【図９】
2020166092.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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