(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
医療処置をトレーニングする装置であって、
触診される触診領域を有する皮膚をシミュレートする外側の可撓性膜と、
カムシャフトによって回転させられるカムのセットに動作可能に接触するリフターのセットを有するカムパルペーターであって、前記リフターは前記外側膜の前記触診領域の下に配置され、ユーザーが触れる前記触診領域において隆起特徴部を生成するのに用いられる、カムパルペーターと、
前記カムシャフトに動作可能に結合される駆動軸を有するモーターと、
前記モーターに動作可能に結合されると共に、前記駆動軸の回転位置に基づく信号を送信するように構成された位置センサーであって、前記信号に応じて、触覚フィードバックが前記隆起特徴部において前記ユーザーに提供される、位置センサーと、
を備える、装置。
【請求項２】
前記触覚フィードバックは、前記シミュレートされた皮膚下にある注入された物質を押圧することをシミュレートする前記ユーザーによる前記隆起特徴部の段階的な平坦化を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記隆起特徴部の前記段階的な平坦化は前記リフターを平らな配置に戻す、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記カムシャフトの回転は各リフターを順次上げ下げする、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記位置センサーからの少なくとも１つの信号は、前記駆動軸の特定の回転位置に関連しており、前記駆動軸の特定の回転位置は、前記リフターの対応する配向での前記カムシャフトの特定の回転位置に相関する、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記リフターの対応する配向は、前記隆起特徴部を生成する隆起した配置の前記リフターの少なくとも一部を含む、請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記位置センサーは光学エンコーダーである、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記リフターのセットは、前記触診領域において該リフターによって提供される前記隆起特徴部の高さを調整するように前記カムシャフトに対して上げ下げすることができるリフターブラケット内に保持される、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記信号に応じて、さらに視覚ディスプレイとして視覚フィードバックがユーザーに提供される、請求項１に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、包括的には医療シミュレーションシステムに関し、より詳細には、シミュレート(simulate)された皮膚下にあるシミュレートされた膨疹の触診を可能にすると共に触覚フィードバックを提供する医療シミュレーション装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
老化に付随する変化をなかったことにするのを助けるように皮膚充填剤がますます用いられている。皮膚充填剤の目的は、特に顔面の真皮をその元来の若々しい状態に回復させることである。したがって、皮膚充填剤は、皺を減らすか又は除去し、傷痕による陥没を盛り上げ、唇をふっくらとさせ、軟組織の体積減少を元に戻すのに用いられている。皮膚充填剤は患者の皮膚下へ注入されるが、皮膚充填剤の正確な位置決めは望ましくない結果を回避するのに重要である。例えば、皮膚充填剤をあまりに浅く注入してしまうと、患者は充填剤製品が表皮に透けて見えてしまう場合があり、皮膚充填剤をあまりに深く注入してしまうと、充填剤製品が望ましい美容矯正をもたらさない場合がある。加えて、注入される皮膚充填剤の何らかの触診及び／又は操作が最良の結果を達成／保証するのに必要な場合がある。
【０００３】
大抵の医療処置と同様に、許容可能な技能レベルを習得すると共に予期せぬ結果を回避するためにトレーニングが重要である。セミナーを介したトレーニング（実演又はビデオ観察の有無を問わない）は現在、施術者が経験を得るための主な手段であるが、最良のものではない。「実践による（"Hands-on"）」トレーニングがより望ましいといえるが、それに関する同意及び法的責任の問題から大多数の施術者にとっては実際的でないようである。その結果、皮膚充填剤注入処置をシミュレートする医療シミュレーション（この場合、施術者は、注入される物質によって生成されるシミュレートされた膨疹を触診しながら患者の皮膚下への物質の注入をシミュレートすることができる）が有用なトレーニング補助となるであろう。
【発明の概要】
【０００４】
本発明の実施の形態は、物質が皮膚下へ注入される医療処置をトレーニングする装置に関する。装置は、隆起した領域を平滑化すなわち伸ばすために皮膚下にある物質を「押圧する」という感覚をユーザーに提供する。装置は、触診される触診領域を有する皮膚をシミュレートする外側の可撓性膜を含む。カムシャフトによって回転させられるカムのセットに動作可能に接触するリフターのセットを有するカムパルペーター（palpator：触診器）が外側膜の触診領域の下に配置され、当該リフターを用いて、ユーザーが触れる触診領域において隆起特徴部を生成する。モーターが、カムシャフトに動作可能に結合され、該モーターに動作可能に結合される位置センサーを有しており、該位置センサーは、モーターの駆動軸の回転位置に基づいて信号をシミュレーションに送信するように構成される。シミュレートされた注入等のユーザー相互作用に応じて、対象の領域がカムパルペーター機構によって触診領域において隆起され、ここでシミュレーションからの命令と結合された、位置センサーからの信号によって、触診可能な領域内での対象の領域がユーザーに提示される。
【０００５】
本発明の上述の特徴及び利点並びに他の特徴及び利点は、添付の図面に示されるような本発明の複数の実施形態の以下の説明から明らかとなるであろう。本明細書に組み込まれると共に本明細書の一部を成す添付の図面は更に、本発明の原理を説明すると共に、当業者が本発明を実施及び使用することを可能にする役割を果たす。なお、図面は一定縮尺ではない。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】本発明の実施形態による、触診領域を有するトレーニングシステムのブロック図を示す。
【図２】本発明の実施形態による、患者の顔をシミュレートするように構成されるハウジングの斜視図を示す。
【図３】全てのリフターが均等で平らな配置にある、本発明の実施形態によるカムパルペーターを示す。
【図４】注入される物質の膨疹をシミュレートするようにリフターの一部が隆起した配置にある、図３のカムパルペーターを示す。
【図５】本発明の別の実施形態によるカムパルペーターを示す。
【図５Ａ】本発明の別の実施形態によるカムパルペーターを示す。
【図６】本発明の別の実施形態によるカムパルペーターの上面斜視図を示す。
【図６Ａ】本発明の別の実施形態によるカムパルペーターの側面斜視図を示す。
【図７】本発明の実施形態による、皮膚充填剤注入トレーニングシステムの例示的なディスプレイを示す。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
ここで本発明の特定の実施形態を、同様の参照符号が同一又は機能的に類似した要素を示す図面を参照して説明する。以下の詳細な説明は本来例示的なものでしかなく、本発明又は本発明の用途及び使用を限定するように意図されていない。本発明の実施形態の説明は、皮膚下への物質の注入をシミュレートするトレーニング装置に関連しているが、本発明はまた、有用とみなされる場合には他の医療処置のトレーニング補助具としての使用に適合することができる。さらに、前述の技術分野、背景技術、発明の概要又は以下の詳細な説明に提示されている、明示又は暗示されるいかなる理論にも制限されることは意図されていない。
【０００８】
図１は、本発明の実施形態による、触診領域を有するトレーニングシステムのブロック図を示す。図１に示されるように、トレーニングシステム１００は、ハウジング１１０、ニードルパッドデバイス及びフィードバックアセンブリ１１４、注入シミュレーター１２０、触覚フィードバックアセンブリ１３０、センサー１４０及び１５０、入出力インターフェース１６０、プロセッサ１７０、並びに視覚ディスプレイ１８０を含む。ハウジング１１０はユーザーが触れる触診領域１１２を含み、触覚フィードバックアセンブリ１３０はカムパルペーター(cam palpator)１３５を含み、ディスプレイ１８０は仮想環境１８５を含む。この実施形態では、ニードルパッドデバイス及びフィードバックアセンブリ１１４、触覚フィードバックアセンブリ１３０、センサー１４０及び１５０、並びに入出力インターフェース１６０はハウジング１１０内に配置される。
【０００９】
ハウジング１１０は、触診領域１１２を支持する任意のタイプの構造体とすることができる。ハウジング１１０は、トレーニングシステム１００のいくつかの構成要素がハウジング１１０の外側に配置されるように構成することもできる。このように、代替的な実施形態では、ニードルパッドデバイス及びフィードバックアセンブリ１１４、触覚フィードバックアセンブリ１３０の構成要素、センサー１４０、１５０、並びに／又は入出力インターフェース１６０をハウジング１１０の外側に配置することができる。
【００１０】
図２は、本発明の実施形態による、患者の顔をシミュレートするように構成されるハウジング１１０の実施形態を示す。他の実施形態では、解剖学的構造部が、シミュレートされる患者の他の身体部分、例えば皮膚充填剤で治療されるのが望ましい他の任意の部分をシミュレートすることができる。ハウジング１１０は、基部１１３、上部１１６、及び上部１１６から延在する解剖学的構造部１１７を含む。解剖学的構造部１１７は、皮膚等の組織をシミュレートすると共に偽物すなわち摸擬の皮膚表面をユーザーに提供する触診領域１１２を有する、可撓性の外側膜又は被膜（covering）１１５を含む。一実施形態では、外側膜１１５は、例えばネオプレン等の合成ゴムのような可撓性材料から作製することができ、患者の真皮をシミュレートする薄いフォーム（foam）層を覆う患者の表皮をシミュレートする織物被膜（fabric-covering）を有していてもよい。解剖学的構造部１１７は、外側膜１１５を支持する中実の部分を有する内側フレームを含むことができ、外側膜１１５に少なくとも１つの開口１１９を含み、この開口を通じてユーザーは、注入シミュレーター１２０を用いてニードルパッドデバイス及びフィードバックアセンブリ１１４にアクセスして、シミュレートされた注入可能な皮膚充填剤を提供することができる。
【００１１】
一実施形態では、ニードルパッドデバイス及びフィードバックアセンブリ１１４は、Immersion, Inc.（カリフォルニア州サンノゼ所在）が製造しているＶｉｒｔｕａｌ  ＩＶプロダクトシステムから適合させることができる。ユーザーはシステムソフトウェア内で注入部位を選択して注入シミュレーター１２０のニードルを開口１１９内へ挿入し、ここでニードルは、該ニードルの方位角（ヨー）、仰角（ピッチ）及び挿入深度を追跡するニードルパッドデバイス及びフィードバックアセンブリ１１４に入る。ユーザーが真皮層を穿刺し組織内へ入ったことを感知するように、力フィードバックがニードルパッドデバイス及びフィードバックアセンブリ１１４を通じてユーザーに提供される。別の実施形態では、当業者によって、Cunningham他の米国特許第６，４７０，３０２号に図示及び記載されている血管アクセスシミュレーションシステム（参照によりその全体が本明細書に援用される）を、本発明の実施形態によるニードルパッドデバイス及びフィードバックアセンブリとしての使用に適合させることができる。
【００１２】
触覚フィードバックアセンブリ１３０は、触覚フィードバックを触診領域１１２に提供する。フィードバックアセンブリ１３０は、図３及び図４に示されるように、カムパルペーター１３５を駆動するモーター１３７を含む。カムパルペーター１３５は、図４に示されるように、外側膜１１５において隆起特徴部１２１を選択的に提供するようにハウジング１１０内で触診領域１１２の下に位置付けられる。解剖学的構造部１１７から突出する隆起特徴部１２１は、注入される皮膚充填剤によって生成される膨疹をシミュレートするように意図されており、ユーザーが触診及び操作することができる。隆起特徴部１２１はカムパルペーター１３５のリフター３３４のセットによって形成され、これらのリフターは、カムパルペーター１３５のカムシャフト３３８上の対応するカム３３６のセットの動作によって、（図４に示されるように）隆起した配置になる。カムシャフト３３８を回転させるときにリフター３３４のセットの各リフターを順次上げ下げすることができ、それによって様々な隆起した配置を提供する。カムシャフト３３８の駆動端部３３９は、例えば、Maxon Motor, Ag（スイス国所在）から入手可能なマクソンモーターモデル１１１７８３等のモーター１３７の駆動軸に動作可能に接続されている。モーター１３７は、シャフトカプラー、例えばMcMaster-Carr Supply Company（イリノイ州エルムハースト所在）から入手可能なマックマスター・カーシャフトカプラーモデル９８４５Ｔ２を用いて直接に、又はバックドライバビリティ（back-drivability）が１：１の比率の駆動系若しくは変速機を通じて、カムシャフト３３８に接続することができる。位置センサー１５０は、モーター１３７に動作可能に結合され、モーターの駆動軸の位置に基づく信号を、入出力インターフェース１６０を介してプロセッサ１７０に送信するように構成される。一実施形態では、位置センサー１５０は、US Digital（ワシントン州バンクーバー所在）から入手可能な、コードホイール及び読取機を有するツーピース光学エンコーダー等の増加回転式エンコーダーとすることができる。種々の他の実施形態では、位置センサー１５０は、電位差計、加速度計、レゾルバー又は傾斜計とすることができる。モーター１３７はバックドライブ可能であり、その結果、カムパルペーター１３５のカム３３６のバックドライバビリティと共に、触診領域１１２に外力を加えるユーザーが、シミュレートされた皮膚下にある皮膚充填剤を押圧することをシミュレートするために、隆起特徴部１２１、すなわちリフター３３４を動かすか又は操作することを可能にし、またそれによって、リフター３３４を図３に示されるような平らな配置に戻すことを可能にする。
【００１３】
プロセッサ１７０は、注入シミュレーター１２０を用いてニードルパッドデバイス及びフィードバックアセンブリ１１４への皮膚充填剤のシミュレートされた注入が実行されると、センサー１４０から信号が提供されるシミュレーションプログラムを含む。それに応じて、プロセッサ１７０は、モーター１３７にカムシャフト３３８を所定の位置まで回転させるように指示する出力を生成し、リフター３３４のセットが隆起特徴部すなわちシミュレートされた膨疹１２１をもたらすように配向させられる。隆起特徴部１２１がもたらされると、モーター１３７はカムシャフト３３８の所定の位置を保持し、それによってリフター３３４、ひいては隆起特徴部１２１を触診領域１１２の下で固定した状態に保つ。シミュレーションプログラムにおいて、位置センサー１５０からの１つ又は複数の信号は、リフター３３４の対応する向き（複数の場合もあり）を有するカムシャフト３３８の１つ又は複数の所定の回転位置に相関するモーター１３７の回転位置に関連する。プロセッサ１７０が、位置センサー１５０によって感知される、カムシャフト３３８、さらにモーター１３７の駆動軸上での逆方向の運動に起因して生成される位置センサー１５０からの信号を受信する場合、シミュレーションプログラムは、ユーザーが外力を加えている、すなわち、シミュレートされた膨疹１２１を何らかの方法で押圧していると仮定する。これに応じてプロセッサ１７０は、シミュレーション内の規則に基づいてモーター１３７に対して、触覚フィードバックアセンブリ１３０のシミュレートされた膨疹１２１を通じて、その操作を許容するか否か、及び／又は操作を迅速に若しくはゆっくりと続行することを許可することにより、その操作を許容するか否かの触覚フィードバックを提供するように、指示する出力を生成する。シミュレーションプログラムは、注入部位付近の生体構造の視覚的レンダリング等の生体構造の視覚的レンダリング、皮膚、軟骨、骨、筋肉及び他の組織に関する物理的特性を含む基本的生体構造の物理的レンダリング、カムパルペーターの位置センサーから受信される読取データ、並びにカムパルペーターを制御するための出力データを含む。加えて、シミュレーションプログラムは、注入される皮膚充填剤材料の量、注入部位の周囲の解剖学的特徴、粘度等の皮膚充填剤材料の物理的特性、及び注入速度に関するが、これらに限定されないパラメーターを含む。これらのパラメーターは、フィードバックアセンブリ１１４、１３０の挙動を制御するモデルへの入力である。したがって、シミュレーションプログラムは、ユーザーに対して、例えば、骨又は軟骨の上のシミュレートされた注入部位ではシミュレートされた膨疹を平滑化させることに対するより大きな抵抗をもたらし、又は、より厚いかつ／若しくはより多量の皮膚充填剤が注入されることに起因してシミュレートされた膨疹をユーザーが「平滑化させる」には触診領域に対してより多くの力を加える必要がある、といった感覚を提供する。
【００１４】
Bailey他の米国特許第７，２８９，１０６号（参照によりその全体が本明細書に援用される）に記載されているようなシミュレーションプログラムを、当業者によって、本発明の実施形態による使用に適合させることができる。
【００１５】
図５及び図５Ａに示される別の実施形態では、カムパルペーター５３５が、リフター５３４を保持するブラケット５４７を含む。リフターブラケット５４７は、カム５３６とそれらのそれぞれのリフター５３４との係合を制御するように上げ下げすることができる。リフターブラケット５４７は２つの傾斜した平面及び１つのねじを含む作動機構（図示せず）によって上げ下げされ、当該作動機構は、ねじが締められるか又は緩められるときに平面が互いに対して載ることによって、カム５３６とリフターブラケット５４７との間の距離を変化させる。一実施形態では、作動機構のねじはモーター及びセンサーに取り付けることができ、その結果シミュレーションプログラムを用いて作動機構をコンピューターによって制御することができる。図５では、リフターブラケット５４７は下げられている、すなわちカムシャフトに対してより近いため、リフター５３４がカム５３６とより十分に係合し、かつリフターブラケット５４７に対してより高く上げられることが可能になることによって、より大きな隆起特徴部すなわちシミュレートされた膨疹を示す。図５Ａでは、リフターブラケット５４７が上げられている、すなわちカムシャフトから離れるように動かされていることによってリフター５３４とカム５３６との係合が制限され、その結果リフター５３４はリフターブラケット５４７に対してわずかにしか上げられないため、より小さな、よりわずかな隆起特徴部すなわちシミュレートされた膨疹を示す。図５及び図５Ａの実施形態では、サーボモーターをカムパルペーター５３５に動作可能に結合してカム５３６を作動させることができる。
【００１６】
図６は、本発明の別の実施形態による、触覚フィードバックアセンブリとして使用するカムパルペーター６３５の上面斜視図を示す。カムパルペーター６３５は、別個に制御される複数の列に配置されているピン先状のリフター６３４のアレイを含み、各列はモーター（図示せず）及びセンサー又は光学エンコーダー（図示せず）に接続されている。そのような実施形態では、膨疹６２１の二次元操作をユーザーがシミュレートすることができる。図６Ａは、図６のアレイ又は別の触覚フィードバックアセンブリで用いることができる、正方形又はピン状のリフター６３４’を有するカムパルペーター６３５’の側面斜視図である。
【００１７】
プロセッサ１７０は、メモリコンポーネント（図１には示されていない）を含む。メモリコンポーネントは１つ又は複数のタイプのメモリを含むことができる。例えば、メモリコンポーネントは、読取り専用メモリ（ＲＯＭ）コンポーネント及びランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）コンポーネントを含むことができる。メモリコンポーネントはまた、プロセッサ１７０によってリトリーブ可能な形式でデータ又はソフトウェアを記憶するのに適した他のタイプのメモリを含むことができる。例えば、電子的にプログラム可能な読取り専用メモリ（ＥＰＲＯＭ）、消去可能な電子的にプログラム可能な読取り専用メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）、フラッシュメモリ及び他の適した形式のメモリをメモリコンポーネント内に含むことができる。プロセッサ１７０はまた、デバイスの所望の機能性に応じて、例えば、コプロセッサ、グラフィックプロセッサ等のような様々な他のコンポーネントを含むことができる。
【００１８】
トレーニングシステム１００は、ユーザー（例えば、医療施術者又は臨床医）が視覚ディスプレイ１８０上の仮想環境１８５を視認することと併せて、注入シミュレーター１２０を使用するように及び触診領域１１２を触診するように構成される。換言すると、ユーザーは、触覚出力と協調して提供される仮想環境１８５も視認しながら、触診領域１１２において触覚出力を受ける。図７は、本発明の実施形態による皮膚充填剤注入トレーニングシステムの例示的な視覚ディスプレイを示す。
【００１９】
本発明による種々の実施形態が上記で説明されてきたが、これらの実施形態は説明及び例として提示されているにすぎず、限定ではないことを理解されたい。形式及び細部における種々の変更は本発明の精神及び範囲から逸脱することなく本発明内で行うことができることが当業者には明らかであろう。したがって、本発明の範囲（breadth and scope）は、上述の例示的な実施形態のいずれかによって限定されるべきではなく、添付の特許請求の範囲及びそれらの均等物によってのみ規定されるべきである。本明細書において論考された各実施形態、及び本明細書において引用された各引用文献の各特徴は、他の任意の実施形態の特徴と組み合わせて用いることができることも理解されるであろう。本明細書において論考された全ての特許及び刊行物は参照によりその全体が本明細書に援用される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図５Ａ】
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【図６】
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【図６Ａ】
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【図７】
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