(57)【要約】  外科カメラナビゲーション技能を訓練するためのシステムを提供する。複数の２次元ターゲットが、材料の平坦シートの上面上に印刷される。シートは、容易に可搬であり、かつベースと上部の間に模擬腹腔を定める典型的な箱訓練機のベースの上に置かれる。スコープが、上部内のポートを通して挿入され、ターゲットは、画面上で訓練生に表示されたライブビデオフィード上で見られ、ターゲットは、他に箱訓練機によって視野から覆い隠される。訓練生は、異なる角度及び距離でシート上のターゲットを見るためにスコープを前後に移動し、ロールさせ、かつポートに関してスコープを角形成することができる。訓練生は、シート上にマーク付けされたターゲットのシーケンスに従い、かつスコープを操作して与えられたシーケンスで各ターゲットを画面の縁部と連続的に位置合わせするように命令される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
センサと長手軸線とを有し、画面周囲及び幅対高さのアスペクト比を有する矩形ビデオ表示画面に動作可能に接続された外科スコープを用いた、外科カメラナビゲーションを訓練するためのデバイスであって、
平坦上面を備えたインサートと、
前記上面上の複数の２次元ターゲットであって、各ターゲットが、前記画面の前記アスペクト比に等しいアスペクト比を有する仮想矩形の投影であり、スコープが、前記インサートの上方に位置付けられたポート点に関する各ターゲットのための方位を有し、該方位が、該ターゲットを前記画面周囲と一致させ、該複数のターゲットが、カメラナビゲーション訓練用の各ターゲットのための該方位を達成するようにユーザを誘導するシーケンスを有する前記複数の２次元ターゲットと、
を含むことを特徴とするデバイス。
【請求項２】
外科カメラナビゲーションを訓練するためのシステムであって、
インサートの平坦上面上に複数の２次元台形ターゲットを有する平面インサートであって、各ターゲットが、該インサートに対する各ターゲットの方位を示す関連の基準マーカを含み、該インサートの該上面上のシーケンスマーカが、ターゲットのシーケンスを示し、各ターゲットが、該ターゲットを少なくとも１つの固定基準と位置合わせするための少なくとも１つの位置合わせマーカを含む前記平面インサート、
を含むことを特徴とするシステム。
【請求項３】
外科カメラナビゲーションを訓練する方法であって、
センサとセンサ平面に垂直な長手軸線とを有するスコープを与える段階であって、該スコープが、長辺対短辺のアスペクト比を定める、２つの対向配置された平行短辺によって相互接続された２つの対向配置された平行長辺を有する矩形フレームによって取り囲まれたビデオ画面に作動可能に接続され、該ビデオ画面が、該スコープからのライブビデオフィードを表示するように構成された、前記スコープを与える段階と、
Ｘ−Ｙ平面を定める平坦上面を有するインサートを与える段階であって、該インサートが、該Ｘ−Ｙ平面に複数のターゲットを有し、各ターゲットが、該Ｘ−Ｙ平面の上方に位置付けられた仮想矩形の少なくとも１つの辺の投影であり、該投影が、該Ｘ−Ｙ平面の上へのものであり、かつ前記スコープの遠位端から延びるスコープの光軸に沿うものである、前記インサートを与える段階と、
前記仮想矩形の前記少なくとも１つの辺の前記投影を前記フレームの対応する辺と一致させるように前記スコープを操作する段階と、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項４】
前記複数のターゲットは、前記上面上に印刷されることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項５】
前記ターゲットは、形状が台形であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項６】
前記仮想矩形の前記投影は、該仮想矩形の少なくとも１つの辺に対応する直線の投影であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項７】
前記長手軸線は、前記センサに垂直であることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項８】
前記仮想矩形の前記投影は、前記長手軸線に沿っていることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項９】
前記平坦上面は、平行平坦下面とインタフェースして平面インサートを定めることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項１０】
各ターゲットが、第１の投影と同じ中心を共有する前記仮想矩形の第２の投影を含むことを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項１１】
第２の投影が、第２の仮想矩形のコーナのみの投影であることを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項１２】
第２の仮想矩形が、第１の仮想矩形よりも小さいことを特徴とする請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項１３】
カメラスコープからのライブビデオフィードを表示するように構成されて幅対高さのアスペクト比を有する画面に作動可能に接続されたカメラスコープを更に含むことを特徴とする請求項１から請求項１２のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１４】
各ターゲットが、前記インサートの上方に位置付けられた仮想矩形の投影であり、該投影は、前記上面の上へのものであり、かつ前記スコープの遠位端の平面から平行に延びる光軸に沿うものであることを特徴とする請求項１から請求項１３のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１５】
位置合わせマーカが、前記画面の周囲の少なくとも一部分であり、前記仮想矩形は、前記画面の前記アスペクト比に等しいアスペクト比を有することを特徴とする請求項１から請求項１４のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１６】
前記光軸は、前記スコープのセンサに垂直であることを特徴とする請求項１から請求項１５のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１７】
前記光軸は、前記スコープのセンサに垂直である長手軸線に対して傾いていることを特徴とする請求項１から請求項１６のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１８】
各ターゲットが、前記インサートの上方に位置付けられた仮想矩形の少なくとも一部分の投影であり、該投影は、前記上面の上へのものであり、かつ前記スコープの遠位端から延びる光軸に沿うものであることを特徴とする請求項１から請求項１７のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１９】
前記シーケンス内の次のターゲットへの方向情報を与える方向マーカを更に含むことを特徴とする請求項１から請求項１８のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項２０】
方向マーカが、矢印又は前記ターゲットの周囲の不連続部であることを特徴とする請求項１から請求項１９のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項２１】
番号、文字、画像、前記ターゲットの底部と平行でありかつそれに一致する又は隣接する線、該ターゲットの上部と平行でありかつそれに一致する又は隣接する線、該ターゲットの右辺と平行でありかつそれに一致する又は隣接する線、該ターゲットの左辺と平行でありかつそれに一致する又は隣接する線から構成される群から、基準マーカが選択されることを特徴とする請求項１から請求項２０のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項２２】
前記インサートを受け入れるようなサイズにされ、かつ前記インサートを受け入れるように構成された平面ベースと、
前記ベースから離間した上部であって、該上部と該ベースの間にキャビティを定め、前記スコープの挿入のためのポートを有する前記上部と、
を含む箱訓練機を更に含むことを特徴とする請求項１から請求項２１のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項２３】
かぎ括弧、前記ターゲットの外周、該ターゲットの内周、境界、線から構成される群から、位置合わせマーカが選択されることを特徴とする請求項１から請求項２２のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項２４】
シーケンスマーカが、複数のターゲット間の関係を示すことを特徴とする請求項１から請求項２３のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項２５】
前記ターゲットの１又は２以上が、互いに重なっていることを特徴とする請求項１から請求項２４のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項２６】
連続ターゲットに対して前記スコープを操作する段階を繰り返す段階を更に含むことを特徴とする請求項１から請求項２５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２７】
前記複数のターゲットは、支点に対する複数のスコープ方位のシーケンスを定めることを特徴とする請求項１から請求項２６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２８】
光軸及び長手軸線が同じであることを特徴とする請求項１から請求項２７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２９】
光軸と前記長手軸線の間の角度が、ゼロよりも大きく、かつ９０度よりも小さいか又はそれに等しいことを特徴とする請求項１から請求項２８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項３０】
各ターゲットが、異なるスコープ方位を定めることを特徴とする請求項１から請求項２９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項３１】
少なくとも１つのターゲットが、前記仮想矩形の４つの辺全ての投影であり、該仮想矩形は、フレームと同じアスペクト比を有し、前記スコープを操作する段階が、該ターゲットの全ての４つの辺を該フレームの全ての４つの辺と一致にさせる段階を含むことを特徴とする請求項１から請求項３０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項３２】
前記仮想矩形は、矩形フレームのアスペクト比と同じである長辺対短辺のアスペクト比を定める２つの対向配置された平行短辺によって相互接続された２つの対向配置された平行長辺を有し、
少なくとも１つのターゲットが、前記仮想矩形の１つの短辺及び１つの長辺の投影であり、該仮想矩形は、前記フレームと同じアスペクト比を有し、
前記スコープを操作する段階が、前記ターゲットの前記１つの短辺及び１つの長辺の前記投影を前記矩形フレームの１つの短辺及び１つの長辺と一致させる段階を含む、
ことを特徴とする請求項１から請求項３１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項３３】
前記投影は、内周及び外周を含み、前記スコープを操作する段階が、該スコープを操作して該内周又は該外周の該投影を矩形フレームと一致させる段階を含むことを特徴とする請求項１から請求項３２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項３４】
前記投影は、外周と、内周の４つのコーナとを含み、前記スコープを操作する段階が、該スコープを操作して該４つのコーナを矩形フレームの４つのコーナと位置合わせする段階を含むことを特徴とする請求項１から請求項３３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項３５】
前記スコープは、前記インサートの上方に固定された支点を有し、
前記スコープを操作する段階が、該スコープを前記支点の周りで操作する段階を含む、
ことを特徴とする請求項１から請求項３４のいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
〔関連出願への相互参照〕
この出願は、２０１７年５月１１日出願でその全体が引用により本明細書に組み込まれている「カメラナビゲーション訓練システム」という名称の米国仮特許出願第６２／５０５０１１号に対する優先権及びその利益を主張するものである。
【０００２】
この出願は、外科訓練に関し、特に、腹腔鏡環境でのスコープ／カメラナビゲーション技能を訓練するためのデバイス及び方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
高度に熟練した手術技能は、一般的にかつ特に腹腔鏡外科手順を行うのに外科医に要求される。腹腔鏡手術では、手術器具及び腹腔鏡がそれを通して腹腔内に置かれる直径約５から１０ミリメートルのトロカール又は小さい円筒チューブの挿入のためにいくつかの小さい切開部が腹部に作られる。腹腔鏡は、術野を照明し、から拡大画像を体内からビデオモニタに送り、外科医に臓器及び組織の近接視野を与える。外科医は、腹腔鏡を通じて送信されたモニタ上のライブビデオフィードを見ながら、トロカールを通して置かれた手術器具を操作することによって手術を行う。外科医は、臓器及び組織を肉眼で直接に観察しないので、視覚情報は、３次元の観察の代わりにモニタ上の２次元画像によって得られる。２次元画像を通じて３次元環境を提示する時の情報の喪失は、かなりのものである。特に、奥行き知覚は、３次元で器具を操作するためのガイドとして２次元画像を見る時に低下する。
【０００４】
更に、トロカールは、小さい切開部を通して挿入されて腹壁に当接して置かれるので、器具／スコープの操作は、器具／スコープに対して支点効果を有する腹壁によって制限される。支点効果は、器具／スコープを限られた動作に制約する角形成の点を定める。同じく一方の直線方向の手の動作は、反対方向の先端の動作を拡大する。画面上で見える器具／スコープ動作が反対方向であるだけでなく、拡大された先端動作は、腹壁の上方の器具／スコープ長さの割合に依存する。このてこ効果は、動作を拡大するだけでなく、ユーザに反映されるツール先端力も拡大する。従って、支点による器具並びに腹腔鏡の作動は、意図的な学習を必要とし、かつ直観的に明らかではない。
【０００５】
同じく外科器具及びスコープは、ツール方向の逆転によって引き起こされるスティックスリップ摩擦を誘起するシールを有するポートを通して置かれる。例えば、スティックスリップ摩擦は、例えば、組織に対して引張から押圧に素早く変化する時にツール方向の逆転から生じる場合がある。そのような動作中に、シールのゴム部品は、ツールシャフトに対して擦れ、摩擦又は摩擦が克服されて器具がシールに対して移動する前のシールよる器具の移動を引き起こす。シール及び機器／腹腔鏡インタフェースでのスティックスリップ摩擦又はオイル被覆は、器具に対して非線形力とディスプレイ上の目障りな画像とを生成する。そのような目障りは、気を散らす可能性があり、それを防ぐために腹腔鏡の挿入深度を変える練習が必要である。
【０００６】
特にビデオモニタ上の観察を通して手の動作をツール先端動作と相関させるために、手と目の協調技能が必要であり、かつ練習しなければならない。同じく腹腔鏡手術では、ツールを通した触感は、外科医が直接に手で組織を触診することができないので弱められる。触覚が低下して歪むので、外科医は、熟練した腹腔鏡手術の基礎となる１組の主要触覚技能を発達させなければならない。全てのこれらの技能の習得は、腹腔鏡訓練の主要な課題の１つであり、本発明は、腹腔鏡技能訓練及び技能パフォーマンスのためのシステム及び方法を改善することを目指している。
【０００７】
同じく腹腔鏡検査中に、カメラオペレータは、腹腔鏡を操作する。視野は、外科医以外の誰かによって制御される。多くの場合に、カメラオペレータは、最も経験の少ない個人である。医学生又はインターンは、カメラのナビゲーションを任されることが多く、術野を認識して中心に置く、正しい水平軸を維持する、ズームイン又はアウトする時を知る、安定した画像を保持する、及び動いている器具を追跡することのような最適な可視性を提供するのに必要な技能を迅速に習得しなければならない。経験豊富なカメラオペレータは、外科医の次の動作を予想することができるほどにその症例を熟知する人であることが多い。カメラ／スコープナビゲーションは、腹腔鏡外科手順の適正な実行に対して決定的であり、並びに腹腔鏡技能訓練の重要な部分である。カメラオペレータは、手術を行っている外科医の動作に追従するために複雑なカメラ動作を行い、かつ上記に概説した困難を克服しなければならない。
【０００８】
行われている外科手順によって動作は変わるが、カメラナビゲーション技能を訓練して評価する簡単で普遍的な方法が求められている。一部の研究は、手術症例における不十分なカメラナビゲーションの影響の調査を始めており、最適以下の画像化が外科医の不満と非効率性に至る可能性があると予想している。これらの研究は、見ることができないことに起因して外科医が手術を停止しなければならない時に手術の流れが著しく乱される可能性があり、これは手術室にいる時間を増大する可能性もあることを示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】米国特許第８、７６４、４５２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
新任の施術者が腹腔鏡技能を習得する必要があるのみならず、熟練の腹腔鏡外科医も、古い技能を磨くと共に新しく導入された外科手順に独特の新しい外科技能を習得して練習しようと努めている。訓練は手術室で達成することができるが、好ましくは手術室の外でのより迅速で効率的な訓練方法を考案することへの関心が高まっている。手術室の外で妥当なレベルの技能を獲得する外科医は、手術室に入る時により良く準備ができており、その結果、貴重な手術室経験を従って最適化することができ、患者へのリスクを低減してコストを低減することができる。手術室の外で基本的な手術技能を外科医に熟知させるために、様々なシミュレータが考案されて試験されている。手術シミュレータの例は、カリフォルニア州所在のＡｐｐｌｉｅｄ  Ｍｅｄｉｃａｌ  Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎで製造され、引用によりその全体が本明細書に組み込まれている米国特許第８、７６４、４５２号明細書に説明されているＳＩＭＳＥＩ（登録商標）腹腔鏡訓練機である。ＳＩＭＳＥＩ（登録商標）は、コンピュータ発生式仮想現実訓練機ではないが、ユーザの直接観察からは覆い隠された模擬腹腔内の３次元生体又は模造臓器又は訓練ゲームを使用するものである。カメラナビゲーション技能を習得して高めるためにカメラナビゲーション練習に対する必要性が存在する。そのような練習ツールは、訓練生が、ゼロ度及び傾斜腹腔鏡を備えた手術室に入る前に外科医に最良の視認性を提供するのに必要な技能を獲得することを可能にすると考えられる。本発明は、腹腔鏡訓練機のような腹腔鏡訓練環境に使用するのに必要なスコープ／カメラナビゲーション技能を発達させるための練習プラットフォーム及びシステムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の一態様により、外科カメラナビゲーション訓練のためのデバイスを提供する。典型的な外科スコープは、画面周囲と幅対高さのアスペクト比とを有する矩形ビデオ表示画面に接続されたセンサを含む。デバイスは、複数の２次元ターゲットが上面に印刷された平坦な上面を有するインサートを含む。各ターゲットは、画面のアスペクト比に等しいアスペクト比を有する仮想矩形の投影であり、インサートの上方に位置付けられたポート点に関する各ターゲットのための方位をスコープに提供し、その方位は、画面周囲との一致にターゲットをもたらす。複数のターゲットは、カメラナビゲーション訓練に対する各ターゲットのための方位を達成するようにユーザを誘導するユーザに示されたシーケンスを有する。
【００１２】
本発明の別の態様により、外科カメラナビゲーションを訓練するためのシステムを提供する。システムは、インサートの平坦な上面上に複数の２次元台形ターゲットを有する平面インサートを含む。各ターゲットは、インサートに対する各ターゲットの方位を示す関連の基準参照マーカを含む。インサートの上面上にシーケンスマーカが設けられてターゲットのシーケンスを示し、各ターゲットは、ターゲットを少なくとも１つの固定基準と位置合わせするための少なくとも１つの位置合わせマーカを含む。
【００１３】
本発明の別の態様により、外科カメラナビゲーションを訓練する方法を提供する。本方法は、長手軸線がセンサ平面に垂直であるセンサを有するスコープを与える段階を含む。スコープは、２つの対向配置された平行短辺によって相互接続された２つの対向配置された平行長辺を有して長辺対短辺のアスペクト比を定める矩形フレームによって取り囲まれたビデオ画面に作動可能に接続される。ビデオ画面は、スコープからのライブビデオフィードを表示するように構成される。Ｘ−Ｙ平面を定める平坦な上面を有するインサートが設けられる。インサートは、Ｘ−Ｙ平面に複数のターゲットを含む。各ターゲットは、Ｘ−Ｙ平面の上方に位置付けられた仮想矩形の少なくとも１つの辺の投影である。投影は、Ｘ−Ｙ平面の上へのものであり、かつスコープの遠位端から延びる光軸に沿うものである。スコープは、仮想矩形の少なくとも１つの辺の投影をフレームの対応する辺との一致にもたらすようにユーザによって操作される。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明による訓練機及びインサートを含む訓練システムの上面斜視図である。
【図２】本発明によるインサートの上面図である。
【図３】本発明によるインサートの上面図である。
【図４】本発明による訓練システムの上面斜視図である。
【図５】本発明による訓練システムの上面斜視図である。
【図６】本発明による訓練システムの上面斜視図である。
【図７】本発明による訓練システムの上面斜視図である。
【図８】本発明による訓練システムの上面斜視図である。
【図９】本発明によるインサートの上面図である。
【図１０】本発明による訓練機のベースに位置付けられたインサートの上面斜視図である。
【図１１Ａ】本発明によるインサートの上面図である。
【図１１Ｂ】本発明によるインサートの上面図である。
【図１２】本発明によるインサートの上面図である。
【図１３】本発明による訓練機のベースに位置付けられたた図１２のインサートの上面斜視図である。
【図１４Ａ】本発明によるインサートの一部分を表示する訓練機のビデオモニタの上面斜視図である。
【図１４Ｂ】本発明による画面表示に対してＬＯＣＫ又はＨＩＴ位置にターゲットを表示する訓練機のビデオモニタの上部斜視図である。
【図１５】本発明によるインサートの上面斜視図である。
【図１６】本発明による訓練機のベースに位置付けられたた図１５のインサートの上面斜視図である。
【図１７】本発明による開口部を有するインサートの断面図である。
【図１８】本発明によるインサートの上面斜視図である。
【図１９】本発明による訓練機のベースに位置付けられた図１８のインサートの上面斜視図である。
【図２０】本発明によるシステムの極座標グリッド上の挿入深度、ロール角、スコープ軸線、極角、及び極半径を示すポート、ターゲット、及び原点の概略図である。
【図２１】本発明によるシステムの極座標グリッド上のスコープ、写角、及びターゲット点の概略図である。
【図２２】本発明によるシステムの極座標グリッド上のスコープ及びターゲット点の概略図である。
【図２３】本発明によるシステムの極座標グリッド上のスコープ及びターゲット点の概略図である。
【図２４】本発明によるシステムの極座標グリッド上の傾斜スコープ及びターゲット点の概略図である。
【図２５Ａ】本発明により傾斜角度スコープを使用するターゲット形状に対するロール角の効果を示す上面概略図である。
【図２５Ｂ】本発明により傾斜角度スコープを使用するターゲット形状に対するロール角の効果を示す上面斜視概略図である。
【図２６Ａ】本発明によりゼロ度スコープを使用するターゲット形状に対する極半径の効果を示す上面概略図である。
【図２６Ｂ】本発明によりゼロ度スコープを使用するターゲット形状に対する極半径の効果を示す上面斜視概略図である。
【図２７Ａ】本発明によりゼロ度スコープを使用するターゲット形状に対する挿入深度の効果を示す上面概略図である。
【図２７Ｂ】本発明によりゼロ度スコープを使用するターゲット形状に対する挿入深度の効果を示す上面斜視概略図である。
【図２８Ａ】本発明によりゼロ度スコープを使用するターゲット形状に対する極角の効果を示す上面概略図である。
【図２８Ｂ】本発明によりゼロ度スコープを使用するターゲット形状に対する極角の効果を示す上面斜視概略図である。
【図２９Ａ】本発明によりゼロ度スコープを使用するターゲット形状に対するロール角の効果を示す上面概略図である。
【図２９Ｂ】本発明によりゼロ度スコープを使用するターゲット形状に対するロール角の効果を示す上面斜視概略図である。
【図３０】本発明によるインサートの上面図である。
【図３１】本発明によるインサートの上面図である。
【図３２】本発明によるインサートの上面図である。
【図３３】本発明によるインサートの上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
ここで図１に移ると、本発明によるカメラナビゲーション訓練システム１０が示されている。システム１０は、腹腔鏡訓練機１２、腹腔鏡１４、及びインサート１６を含む。システム１０は、０度又は傾斜腹腔鏡を使用する腹腔鏡カメラナビゲーション技能の練習及び評価に対して設計された練習機である。
【００１６】
腹腔鏡訓練機１２により、訓練生は安全で廉価な環境で複雑な外科的操縦を練習することができる。訓練機１２は、一般的に患者の胴体、特に腹部を模倣するように構成される。外科訓練機１０は、ユーザから実質的に覆い隠された体腔１８を模擬する筐体を提供する。キャビティ１８は、模擬又は生体組織又はモデル臓器又は訓練モデル、並びに本発明のインサート１６を受け入れるようなサイズにされ、かつそのように構成される。体腔１８及び取り囲まれたインサート１６は、キャビティ１８内に位置付けられたインサート１６を見るための複数のアクセスポート２０のうちの１つを通じてスコープ１４を用いてアクセスされる。外科訓練機１２は、腹腔鏡カメラナビゲーション技能の練習に特に適している。
【００１７】
引き続き図１を参照すると、外科訓練機１２は、ベース２４に接続されてベース２４から離間した上部カバー２２を含む。側壁を設けてキャビティ１８を完全に覆って取り囲むことができる。ベース２４は、キャビティ１８内の底面から上向きに延びるフレームを含む。フレームは、トレイ（図示せず）を受け入れるか又はインサート１６を定位置に保持するように構成される。例示的訓練機１２は、カリフォルニア州所在のＡｐｐｌｉｅｄ  Ｍｅｄｉｃａｌ  Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎで製造され、引用によりその全体が本明細書に組み込まれている米国特許第８、７６４、４５２号明細書に説明されているＳＩＭＳＥＩ（登録商標）腹腔鏡訓練機である。
【００１８】
図２に移ると、本発明による例示的インサート１６が示されている。インサート１６は、平坦な平面上面２６と、対向配置された底面２８とを含む。インサート１６は、訓練機１２のベース２４のフレームに受け入れられるようなサイズにされ、かつそのように構成される。インサート１６の上面２６は、複数のナビゲーションターゲット３０を含む。ターゲット３０を四辺形、特に台形であるように示すが、本発明は、そのように限定されず、以下でより詳細に説明するように、ターゲットは、多角形又は他の形状とすることができる。一変形では、各ターゲット３０は、１又は２以上の曲線又は線で相互接続された少なくとも１つの真っ直ぐな辺又は線を有する。各ターゲット３０は、図２に示す番号のようなマーカ３２を含む。各ターゲット３０はまた、ターゲット３０の適正な方位に関する混乱を軽減するために、ターゲット３０の底部に線を含んでターゲット３０のいずれの側がターゲット３０の底部であるかを示すことができる。上面２６は、必要に応じて、上面２６に描かれた通路３４を更に含むことができる。通路３４は、ターゲット３０のシーケンスをユーザに示すために線及び矢印を含む。マーカ３２は、図３に示すように単語、文字、記号、又は絵とすることができる。図３のインサート１６は、インサート１６上に示すような対応する記号又は絵のセットを有するフラッシュカードのセットと共に使用することができる。次に、指導者は、複数のカードから１枚のカードを引くことができ、ユーザは、記号／絵をディスプレイ上の視野に持ってくることにより、スコープを使用してインサート１６上に記号／絵を位置付けるように試行するであろう。インサート１６の底面２８には、上面２６のパターンとは異なるターゲット３０の別のパターン又は配置を設けることができるので、ターゲット３０の異なる配置に対してインサート１６をひっくり返すことができる。各ターゲット３０が四辺形である変形では、各四辺形は、台形、特に等脚台形を形成する上辺４０ａ、底辺４０ｂ、左辺４０ｃ、及び右辺４０ｄを有する。ターゲット３０は、特定のスコープ／カメラ１４と共に使用するように構成される。インサート１６は、図１に示すように訓練機１２のベース２４上に置かれる。インサート１６の側面は、訓練機１２にインサート１６を位置決めする助けになるように切欠きを含むことができる。
【００１９】
腹腔鏡カメラナビゲーションを練習するために、スコープ１４は、その遠位端で画像を取り込み、スコープ１４が操作されている時に連続的に取り込まれたライブビデオ画像をユーザが見る画面表示３８を有するビデオモニタ３６に画像を表示するように構成される。図４は、図１に示すように訓練機１２に挿入されてベース２４上に平らに置かれた図２のインサート１６を示している。スコープ１４はポート２０に挿入され、手で操作される。表示３８は、あらゆる所与の時点でスコープ１４によって取り込まれた視野を示している。図４で見て分るように、図２のインサート１６の上端は、第１のターゲット３０ａ、第２のターゲット３０ｂ、及び第３のターゲット３０ｃが表示３８上に見える状態でビデオモニタ３６に表示されて示されている。通路３４、マーカ３２、又は他の手段で示された時に、シーケンスに従って第１のターゲット３０ａに続いて第２のターゲット３０ｂ、続いて第３のターゲット３０ｃなどを順次視野に持ってくるという目標がユーザに与えられる。図４では、ターゲット３０のシーケンスは、各ターゲット３０に設けられた数字マーカ３２ａ、３２ｂ、及び３２ｃでユーザに示されている。ユーザの目標は、ターゲット３０を順次視野に持ってくることだけでなく、追加難度として、各ターゲット３０を１つのターゲット３０が一度に１つのターゲット３２で表示３８を埋めるように視野に持ってくることである。更に、目標は、第１のターゲット３０ａ全体が表示３８を埋めて図６に示すような「ＬＯＣＫ」位置を定めるためにターゲット３０の上辺４０ａを四辺形／矩形表示３８の上辺と平行にする及び／又は一致させる、四辺形／矩形ターゲット３０の底辺４０ｂを四辺形／矩形表示３８の底辺と平行にする及び／又は一致させる、四辺形／台形ターゲット３０の左辺４０ｃを四辺形／矩形表示３８の左辺と平行にする及び／又は一致させる、及び／又は四辺形ターゲットの右辺４０ｄを四辺形表示３８の右辺と平行にする及び／又は一致させるようにスコープ１４を操作することを要求することによって難しさが増す。例えば、一辺のみが位置合わせされている場合に、ターゲット全体は表示３８全体を埋めない可能性があり、これは確かに一変形での目標になり得る。ターゲット３０が真っ直ぐな辺を１つしか持たない場合に、ターゲット３０の残った部分は曲線のようなあらゆる形状を自由に有することができ、１つの真っ直ぐな辺が表示３８の少なくとも１つの辺と平行になる及び／又は適合することで「ＬＯＣＫ」の成功を定めるであろう。訓練目標を達成するのに適する操作結果を達成するのに、位置合わせされる表示３８の辺をユーザが予め定めることができる。一致性は、ターゲット３０の周囲、辺、又は線の少なくとも一部分の点の実質的に全てを表示３８の辺の少なくとも一部分と一致させる及び／又は重ね合わせることを含むとすることができる。一変形では、表示３８の１又は２以上の辺に周囲、線、又は辺全体を一致させるか又は重ね合わされる。図５は、図６に示すようにターゲット３０を視野により近く持ってくるためにスコープ１４の挿入深度を増す必要がある中間位置である。ＬＯＣＫ位置は、評価者によって視覚的に容易に評価される。評価を支援するために、有色又は色対比境界又は線などを設けることができる。
【００２０】
ユーザは、次に、ＬＯＣＫ位置からスコープ１４を次のターゲット３０に移動することになる。本例では、次のターゲット３０は、番号２の数字マーカ３２ｂを付けた第２のターゲット３０ｂである。ユーザは、第１のターゲット３０ａ及び第２のターゲット３０ｂが表示３８によって定められるフレーム内にある図７に示すような表示３８上の視野を達成するために、スコープ１４を近位方向に引くことにより、スコープ１４の挿入深度を低減することができる。シーケンス通路３４の点線矢印も、２つのターゲット３０ａ、３０ｂの間に見える。カメラの限られた視野に起因していずれの所与の時点でも通路３４の一部のみが見えるので、通路３４は、次のターゲット３０ｂの方向のヒントを与えることにおいてユーザを助ける。ユーザはスコープ１４を移動し、上述のように第２のターゲット３０ｂをＬＯＣＫ位置に持ってくる。図８は、第２のターゲット３０ｂがその上端で上辺４０ａ、左辺４０ｃ、及び右辺４０ｄに対して僅かに斜めになっていることを示している。ユーザは、スコープ１４を操作して第２のターゲット３０ｂをより完全なＬＯＣＫ位置に持ってくるように練習機に促されるか又は評価者が精度不足に起因して減点することができる。ユーザは、マーカ３２及び／又は通路３４を使用してユーザに示されているシーケンスに従って各ターゲット３０を捜し続けることになる。図６から８に示すように第１のターゲット３０ａから第２のターゲット３０ｂに移る時に、ユーザは、スコープ１４をその長手軸線の周りに回転させ、上部カバー２２の挿入ポート２０に対してスコープ１４のシャフトの角度を変えなければならない場合がある。従って、２つの動作、すなわち、回転させる及び角形成することは、第１の及び第２のターゲット３０ａ、３０ｂの互いに対する配置内で符号化され、これは、有利なことに、システムが、特定の外科手順に適用可能な特定の一連の動作、又は手術で遭遇する動作の組合せ、又は訓練目的で難易度が異なる動作の組合せを教えること、又は単に動作の特定の組合せを教えることを可能にする。１又は２以上の動作の組合せは、２つの隣接するターゲット３０の間だけでなく、複数のターゲット３０又はインサート１６上のターゲット３０全体にわたっても符号化される。
【００２１】
例えば、特に図９から１１を参照すると、複数のターゲット３０の配置が上面２６に印刷された本発明によるインサート１６が示されている。この変形では、各ターゲット２０は、平行な少なくとも２つの対向する辺と、他方の２辺に対して角度を有する２つの対向する辺とを有する。インサート１６は、図１０では訓練機１２のベース２４上に平らに置かれた状態で示されている。平坦なインサート１６は、図１０で見て分るように、その周囲が訓練機１２のベース２４に見られる特徴とインタフェースするように輪郭及び切欠き４２を含むことができる。インサート１６の切欠き４２及びサイズは、ベース２４又はベース２４のフレームの形状に密接に適合するので、インサート１６がベース２４に対して動く余地はほとんどないか又は全くない。インサート１６が訓練機１２のベース２４上に平らに着座することができるようにする切欠き４２に基づくインサート１６の単一方位が存在し、この位置では、インサート１６は前方／後方に又は左右に摺動する余地はない。それを通してスコープ１４が訓練機１２に挿入される特定のポート２０に対してターゲット３０が特定の位置にあるということは、訓練機１２に関するインサート１６の機能に関して重要である。ターゲット３０の形状が訓練機及びインサートに対する特定のポート位置に関して設定されるので、スコープ１４は、取り外して訓練機１２上の別の異なるポート２０に挿入することができず、カメラナビゲーションの練習機として同じインサート１２を続けることができない。本質的に、各インサート２０は、表示３８上でターゲットを位置合わせする時に視覚的な形状が正しいままであるように、使用される訓練機上の挿入ポート２０の位置及び距離に関して個別化される。インサート１６が訓練機のベース２４内の正しい位置にないか又は誤ったスコープポート２０が使用された場合に、ターゲット３０は、ＬＯＣＫ位置に対して意図するような表示３８の辺と位置合わせしないことになる。
【００２２】
図１１Ａは、マーカ３２で定められたターゲット３０の第１の例示的シーケンスと、相互接続された一連の矢印によって表された第１の通路３４とを示している。図１１Ｂは、一連の矢印によって表された第２の通路３４で定められるターゲットの第２のシーケンスを示している。ターゲット３０は、同じサイズ及び形状、及び図１１Ａ及び１１Ｂにおいて同じ位置にあるが、ユーザが１から１１の番号付き数字マーカ３２で示される範囲を移動するシーケンスを変えることにより、ユーザが練習機のターゲット通路３４として辿る通路３４は、より困難である又はより容易であるように、又は特定タイプのカメラ動作にユーザを特に訓練するように設計することができる。ターゲット３０間の各移動は、特定の意図をもって設計することができる。例えば、１つのターゲットから別のターゲットへの移動は、カメラ挿入深度又は以下で説明するパラメータのうちのいずれかの他の修正だけを必要とする場合があり、又はターゲット間の移動は、一部又は全てのカメラ位置パラメータの修正を必要とする場合がある。例えば、図１１Ａに示す第１のシーケンスでは、ターゲット６からターゲット７への移動は、スコープ１４をその長手軸線の周りに回転させて挿入深度を増す必要があるのに対して、図１１Ｂのターゲット６からターゲット７への移動は、極角を変化させる必要がある。ターゲット３０に割り当てられたシーケンスと組み合わされたターゲットのサイズ及び位置は、特定の動作通路を定める。ターゲット３０は、それらが、特定の外科手順又は特定難易度に対するカメラ移動に相関する特定の方法でユーザにカメラを移動するように強制するように設計することができる。シーケンスは、数字で表した臓器内にあるように定める必要はなく、ランダムなシーケンスの番号を呼び出してユーザを驚かせ、余分な訓練次元を練習に追加することがでる。
【００２３】
ここで図１２から１４に移ると、複数のターゲット３０の配置が上面２６に印刷された本発明による別のインサート１６が示されている。この変形では、従うべき通路３４又はターゲット３０のシーケンスを示すための番号／文字のようなマーカ３２がない。しかし、インサート１６は、番号の通路シーケンスを有する透明な交換可能層、又はインサート１６上にマーカ３２を書き込む又は通路３４を示すためにホワイトボードのためのマーカを使用することができるようにする上面２６に取り付けられた取り外し不能な積層体層を含む。通路３４には印を付けて、特定の外科手順を模擬することができる。図１３は、訓練機１２のキャビティ１８内に位置付けられた図１２のインサートを示している。図１４Ａは、表示３８が図１２のインサート１６上にある複数のターゲット３０の一部を含むようにスコープ１４によって取り込まれた視野を見せているビデオモニタ３６を示している。図１４ＢはＬＯＣＫ位置を示しており、ターゲット３０の辺が表示３８の辺とほぼ適合してそれらと平行になるように１つのターゲット３０が表示３８のフレーム内に嵌っている。インサート３０に印刷された２次元ターゲット形状の全ては、スコープがインサート／訓練機に対して符号化された位置にある時に、矩形に見えて画面の矩形形状に適合する。ターゲット３０の形状は、ＬＯＣＫ位置が達成されるまで、インサート上及び画面上で矩形ではなく台形である。
【００２４】
ここで図１５から１７に移ると、本発明によるインサート１６の他の変形が示されている。インサート１６は、互いに積み重ねられた２つのインサート１６ａ、１６ｂの組合せである。インサート１６は、予め印刷されたターゲット３０の第２の層１６ｂの上に離間して積み重ねられた予め印刷されたターゲット３０の第１の層１６ａを含む。第１のインサート１６ａは、第２のインサート１６ｂの上に距離を置いて設けられる。インサート１６ａは、下にある第２のインサート１６ｂへのアクセスを提供する少なくとも１つの開口部４４を含む。少なくとも１つの開口部４４は、第２のインサート１６ｂに設けられたターゲット３０を観察するためにスコープが第１のインサート１６ａを通過することができるようなサイズにされ、かつそのように構成される。第１のインサート１６ａは、有利なことに、第２のインサート１６ｂ上のターゲット３０を覆い隠し、それにより、カメラナビゲーション練習を実行することへの難易度を増大させる。更に、図１５から１７に描写するように、かつ本明細書に説明するあらゆる変形に適用可能であるが、各ターゲット３０は、第１のターゲット３０ａを定める外側境界３０ａと第２のターゲット３０ｂを定める内側境界３０ｂとを含む。従って、インサート１６は、内側境界３０ｂ及び／又は外側境界３０ａに対してＬＯＣＫ位置を生成し、それによって有利なことに挿入深度制御を練習するように追加の練習変形をユーザに提供する。同じく図１５から１７は、より淡い黄色とより濃い青色のような２つの異なる色のターゲット３０を示している。色は、内側境界３０ｂ、外側境界３０ａ、内側境界３０ｂの内部、又は外側境界３０ｂの外部にあるものとすることができる。１つの命令での目標は、同じ色のターゲット３０の全てについてＬＯＣＫ位置を獲得すること、又は異なる色のターゲット間を交互に繰り返すこととすることができる。第１のターゲット３０ａと第２のターゲット３０ｂ間の色の対比はまた、評価者に対してＬＯＣＫ位置の決定を容易にする。図１５から１７で見て分るように、異なる色を使用する結果として、重なるターゲット３０が明確に見える。より多くのターゲット３０を重複様式でインサート１６上に取り付けることができる。
【００２５】
ここで図１８から１９に移ると、本発明によるインサート１６の他の変形が示されている。この変形では、インサート１６は、３次元形状４８の少なくとも１つの面に印刷された複数のターゲットを支持するベース４６を含む。形状４８は箱であるが、本発明は、そのように限定されず、形状４８は、形状面の少なくとも１つが平面及び／又は四辺形であるあらゆる適切な形状を有することができる。形状／箱４８をベース４６に対して角形成し、特に、四辺形／矩形の面をベース４６に対して傾斜させ、位置決めし、スコープオペレータを訓練するのに望ましい空間的位置決めを達成する。上述と同様に、スコープオペレータは、表示上に見られる矩形ターゲット３０を表示フレームと位置合わせしてＬＯＣＫ位置を達成するようにスコープ１４を操作することになる。１又は２以上の箱４８は、スコープ１４が通過して箱４８の内側に印刷された少なくとも１つの追加のターゲット３０ｃを見るためのアクセスを提供するようなサイズにされ、かつそのように構成された開口部４４を含むことができる。箱４８の外側は、同心のターゲット３０ａ、３０ｂを設けることができ、第１のターゲット３０ａは外側境界によって定められ、第２のターゲット３０ｂは内側境界によって定められる。同心のターゲットを箱４８の内側の内面にも設けることができる。ターゲットは、上述のように色を含むことができる。ターゲットの寸法は、訓練機画面に見られるカメラ画像のアスペクト比に適合するように設計される。従って、スコープが箱に向けられ、正しい深度まで挿入され、かつ腹腔鏡のロール角が正しい時に、箱の色付き境界は訓練機表示の縁部に位置合わせされることになる。カメラ深度の修正に関する訓練を更に達成するために、１又は２以上の箱４８に開口部４４を設けることができる。開口部４４は、外側ターゲット３０と箱４８の同じ側面にあるように図に示されているが、本発明は、そのように限定されず、開口部は、３次元形状の側面のいずれかに設けることができる。開口部４４を通してアクセス可能な１又は２以上の内部ターゲット３０ｃが設けられる。内部ターゲット３０ｃは、箱４８の外側にある１又は２以上のターゲット３０ａ、３０ｃに対してカメラのロール角及び挿入深度を修正することをユーザに要求するように配置することができる。この配置により、ユーザは、内部ターゲット３０ｃを正しいＬＯＣＫ位置／方位に持ってくるためにカメラのロール角に加えてカメラの挿入深度を調整するように誘導される。更に、内部ターゲット３０ｃは、傾斜スコープと共に機能するように設計することができ、その場合に、内部ターゲット３０ｃは、単に後壁／底壁上だけでなく箱の側壁上に設置することができる。特定の番号付きシーケンスをターゲット３０に割り当てることにより、特定の動作通路がユーザに対して定められる。難易度は、実質的に箱の領域内でスコープ操作を必要とする内部ターゲットによって増大する。評価は、例えば、ターゲットの位置合わせ品質を検出し、表示フレームが有意な色で点灯するなどによってユーザにフィードバックを与えることによって自動化することができる。
【００２６】
各ターゲット３０は、４つの変数によって定められる固有かつ一意のカメラ位置に対応する。カメラの位置を定める４つの変数は、（１）挿入深度、（２）ロール角、（３）極半径、及び（４）極角を含む。更に、複数のターゲットが、連続するターゲットのシーケンスに置かれ、そのシーケンスは文字又は番号でマーク付けされる。上述の４つの変数に基づく複数のターゲットの配置又は集合を有するインサートを提供し、生成されたターゲットに特定のシーケンスを割り当てることにより、ユーザがスコープカメラでナビゲートするための一意かつ固有の動作通路が生成される。この動作通路は、様々な複雑さ及び難易度の臨床的に関連付けられたカメラ動作を模倣するように設計することができる。練習機は、一般的な練習では特定の技能レベルに、より具体的な練習では特定の外科手順に合わせることができる。
【００２７】
本発明のカメラナビゲーション技能訓練のためのインサートは、患者の体内で腹腔鏡又は他のカメラをナビゲートする方法を新任の外科医に教えるための有効なツールである。ユーザは、各ターゲットの正確な位置決めと共にターゲットの正確なシーケンス及び適切な位置決めが達成されて指定のターゲットが順次完了する速度に関して客観的に評価することができるような方式で、カメラを移動してモニタの視野にターゲットを配置する練習をすることができる。カメラナビゲーション技能のためのプラットフォームは、ユーザがコンピュータシミュレーションなしでカメラナビゲーション技能を練習することができるようにし、ユーザの進捗状況及び技量を簡単かつ迅速に評価するために指導者によって使用することができる簡単で受動的な練習である。例えば、ユーザが所与の制限時間内に首尾よく一連のターゲット間をナビゲートすることができた場合に、熟練度が明らかになる。
【００２８】
インサートは、カメラ動作の特定セットを視覚的な２次元媒体に符号化する。各ターゲットは、カメラ位置の４つの定義変数（挿入深度、ロール角、極半径、極角）を取り込むので、ターゲット境界を訓練機画面の縁部と一線にするこれら変数の一意のセットが１つ存在する。次に、各特定のターゲットから次のターゲットへの動作が、臨床訓練又は教育上の妥当性を有する望ましい動作を取り込むように、ターゲットの特定セットが定められる。訓練機画面の縁部とのターゲット縁部の位置合わせにより、特定のカメラ方位に到達したという明瞭な視覚的表示が指導者に与えられる。能動的な電子評価システム／ソフトウエア、コンピュータシミュレーション、スコープ配置の成功を示す仮想現実感がないので、この練習は受動的と見なされる。
【００２９】
本方法では、腹腔鏡１４に接続されたビデオモニタ３６を有する腹腔鏡訓練機１２を提供する。腹腔鏡１４は、訓練機１２のキャビティ１８内に設けられたインサート１６に向けられる。インサート１６の少なくとも一部の画像が腹腔鏡１４によって取り込まれ、ビデオモニタ３６に表示される。インサート１６は、ビデオ表示３８の画像に見えるインサート１６上に置かれた複数のターゲット３０を含む。インサート１６に対するキャビティの３次元空間における腹腔鏡の位置決めは、ビデオ表示３８上に特定の画像を生成することになる。腹腔鏡１４をキャビティ１８の３次元空間で移動すると、２次元画像が変化する。複数のターゲット３０のうちの１つをユーザが選択し、選択したターゲット３０がビデオ表示を埋めるように見えるまで腹腔鏡１４をキャビティ１８の３次元空間で移動して、選択したターゲット３０の周囲をビデオモニタ３６に結合された１又は２以上のマーカに対して位置合わせするようにする。そのマーカは、ビデオモニタ３６の表示３８の周囲／フレーム、又は表示画面の周囲／フレームの少なくとも１つの辺とすることができる。腹腔鏡１４の位置決めは、選択したターゲット３０が１又は２以上のマーカ／周囲／フレームと位置合わせするようにする。特に、ターゲット３０の辺のうちの少なくとも１つの辺が、マーカの辺のうちの少なくとも１つの辺と位置合わせされ、又はターゲット３０の辺の全てが、マーカ／周囲／フレームの辺の全てと位置合わせされる。
【００３０】
インサート１６は、カメラナビゲーション技能を訓練するために、ターゲット３０のシーケンスを使用して、カメラを使用する特定の一連の動作を通してユーザを誘導する。カメラは、腹腔鏡訓練機１２上のポート２０を通して挿入され、ターゲット３０は、訓練機１２内に嵌まるインサート１６の上に位置決めされる。
【００３１】
一変形では、当該のターゲット３０は、腹腔鏡で適正な方位から見た時に、訓練機の画面の縁部と完全に位置合わせされる四辺形／台形である。１つのターゲットから別のターゲットへの動作は、腹腔鏡カメラの挿入深度の修正、極角の修正、極半径の修正、ロール角の修正のうちのいずれか１つ又は２以上を含むことができる。
【００３２】
一変形では、１又は２以上のターゲット３０が平坦な基板材料上に設けられる。１又は２以上のターゲット３０がその基板上に印刷又は接着される。他の変形では、基板は、図１５から１９に示すように、互いに対して配置／傾斜された複数の面を含む。基板の形状を修正してより多くの面を含むか又は標準のゼロ度スコープ又は傾斜スコープを使用してユーザが角又は面を見回すことを必要とするキャビティを含むことにより、複雑さを増すことができる。
【００３３】
一変形では、動作通路は、基板上のターゲットの順次レイアウトによって予め決められる。特定のシーケンスは、番号、記号、文字などをターゲットに配置し、又は色を使用し、又はターゲットをインサートに描かれた線で接続することにより、ユーザに通知される。練習するに当たり、ユーザは、練習を首尾よく終えるために、予め決められた動作通路に従うように要求される。望ましい動作通路に沿う複数の位置が選択され、一意のターゲットが各位置に設けられる。動作通路に沿う各位置に対して、一意のターゲットが構築される。その場合に、ターゲットを通る連続的な動作は、特定の臨床／教育の目標又は成果のために概念的な動作通路に関する元の設計意図を表現する。
【００３４】
ターゲット境界が訓練機画面の縁部の少なくとも１つと位置合わせするように特定のカメラ方位を要求する方式でターゲット３０を生成し、それらを配置することにより、ユーザが辿るターゲットからターゲットへの動作通路を明示的に設計することができる。ターゲット３０は、特定のカメラ方位を明示的に定めるために使用することもできる４つのパラメータで定められるので、１つのターゲットから別のターゲットへの動作は、カメラに対する特定の動作通路を明示的に定める。これらの動作は、４つの変数のいずれか、及び／又はカメラ方位の４つの定義変数の組合せに対する変化を含むことができる。言い換えれば、各ターゲットは、完全に定められた一意のカメラ方位の具体例を表している。その場合に、動作通路は、一連の対応するターゲットに符号化された完全に規定されたカメラ方位セットによって完全に定めることができる。
【００３５】
ターゲット縁部が画面の縁部と位置合わせしたという視覚的な表示により、カメラナビゲーションの成功事象であるＨＩＴが定められる。ユーザによりＨＩＴが達成されて評価を目的に測定及び採点が可能になるまで時間が経過する。視覚的なＨＩＴは、ユーザの進捗状況及び技量を評価するための基礎を指導者に与える。同じくＨＩＴは、定められたナビゲーション目標をユーザに提供する。本発明以前は、カメラナビゲーション技能訓練のための客観的な評価マーカは存在しなかった。個人は、臓器モデル、生きている患者、死体などを使用して「自由様式」でカメラをナビゲートすることができるのに、カメラナビゲーションの技能を測定して評価する客観的な方法がない。対照的に、本発明は、評価に使用される場合に、ターゲット境界が画面の縁部に適切に位置合わせされた時を決定するために指導者の決定に頼る。本発明による技能インサート及び練習は、カメラ方位、適切な挿入深度、シーケンスによるナビゲーションなどを維持するか又は調整する機能を含めて、カメラナビゲーションの様々な学習要件の客観的な評価を容易にするように設計されている。
【００３６】
ここで図２０に移ると、４つの入力変数の概略図が示されている。図２０は、特定のカメラ方位を定めるために本発明のカメラナビゲーション練習に使用される４つの変数、すなわち、挿入深度、ロール角、極半径、極角に加えて、腹腔鏡が挿入されるポート点５２とインサート１６上のターゲット点５０とを示している。ターゲット３０は、この幾何学的配置に基づいて構築される。ターゲット点５０は、平面インサート１６上のあらゆる点とすることができ、又は解剖学的／外科的な重要度を有する臨床的に関連付けられた点とすることができる。臓器は、平面インサート上に描写することができ、特定のターゲット点５０は、例えば、肝臓の場所に対応することができる。図中のターゲット点５０は、インサート１６に描かれる最終ターゲット３０の中心である。極角及び極半径に使用される極座標系の原点５４も示されている。直交座標を採用する場合に、同じ原点５４を使用することができる。原点５４は、典型的にインサート１６の平面５８に位置付けられる。一変形では、原点５４は、ポート点５２のすぐ下に位置付けられる。
【００３７】
ここで図２１に移ると、ポート点５２で挿入された腹腔鏡１４が示されている。腹腔鏡１４は、長手スコープ軸線５６を含む。ポート点５２は、ポート点５２の下方に位置付けられるインサートに対して固定され、腹腔鏡に４つの動作自由度を与える。特に、インサート１６がＺ軸を垂直方向としてＸ−Ｙ平面を定める場合に、腹腔鏡１４は、Ｘ軸上で左右に傾斜してＹ軸上で前後に傾斜することを含む回転包絡面を有し、ポート点５２が支点として機能する２つの動作自由度を有する円錐形の作業空間を定める。第３の動作は、挿入／ポート点５２を通してその長手軸線に沿ってスコープを並進させることにより与えられるＺ軸に沿うスコープの上下の並進である。第４の動作自由度は、スコープをＺ軸上で左右に回すような長手軸線周りのスコープの回転である。腹腔鏡は、ポート点が固定されているので、Ｘ軸に関する左右の移動とＹ軸に関する前後の移動とが制限される。すなわち、ポート点５２は動かず、従って支点にあるスコープは動かない。
【００３８】
図２１では、腹腔鏡１４は、ターゲット点５０がスコープ軸線５６上の点になるようにターゲット点５０に向けられている。視野は円錐６０で描かれている。インサート１６に印刷される最終的なターゲット３０は、ターゲット点５０がスコープ軸線５６上にある場合の特定の腹腔鏡カメラ方位に関する２次元表現である。特定の腹腔鏡カメラ方位は、図２１から２３に見られるように、スコープ軸線５６に垂直な平面６４にある仮想ターゲット点６２に対応する。仮想ターゲット点６２は、インサート平面５８上方の仮想物体上の点に対応するものとすることができる。例えば、仮想物体は胆嚢とすることができ、仮想ターゲット点６２が胆嚢の中心であり、スコープ軸線５６に垂直な平面６４が外科的観点から最適な観察面である。挿入深度は、スコープ１４をスコープ軸線５６に沿って移動することによって定められる。一部の事例では、カメラオペレータは、スコープの遠位端が探索のためのより大きい視野又は器具のための空間を捉えるようにスコープ１４を近位に引かなければならない場合がある。従って、ターゲット点５０及び挿入深度は、臨床目的で又は訓練練習に多様性を設けるために定められる。仮想平面形状６４は、カメラセンサのアスペクト比に対応する予め決められた周囲６６又は境界６６を有する。カメラのアスペクト比は、ビデオモニタ３６のアスペクト比と同じとすることができるが、そうではない場合もある。アスペクト比が異なる場合に、モニタ３６のアスペクト比を使用して境界／周囲６６を定める。スコープ軸線５６に垂直な平面６４、特に、スコープ軸線５６に垂直な平面形状６４の境界／境界６６は、インサート平面５８上への投影を有する。図２３に見られるように、インサート平面５８に印刷されたターゲット３０を定めるのはこの投影である。ターゲット３０を形成する投影は、インサート１６上に傾斜した周囲線を有し、これは、上述のＬＯＣＫ位置で見た時に垂直で画面に適合する周囲線を有することになる。原点と適合するターゲット点は、インサート上に垂直な線を有するターゲット３０を有することになる。一変形では、インサート平面５８は、訓練機１２のベース２４に対応する水平面である。インサート平面５８はまた、ポート点５２及び原点５４を含む線に垂直な平面として定めることができる。その場合に、特定インサートのターゲット３０の全てが単一画像にまとめられ、その画像は、一定の縮尺で印刷され、上述のように各ターゲットがターゲット境界を画面の外縁と位置合わせする１つの特定の完全に定められたカメラ方位を有する状態で訓練機に置かれる。異なる挿入ポート２０及びポート点５２に使用するために、異なるインサート１６を計算して生成／印刷することができる。同じく、カメラ／モニタのアスペクト比に基づいてターゲット設計を再構成することにより、インサート１６を修正して他の腹腔鏡カメラ及びスコープを利用することができる。
【００３９】
図２１から２３はゼロ度スコープ１４を示し、図２４は傾斜スコープ６８の概略図を示している。傾斜スコープに対してターゲットを生成するための処理及び計算は、ゼロ度スコープ１４でのようにスコープの長手軸線５６を使用する代わりに傾斜軸線７０が使用されることを除けば、上述のものと同じである。傾斜軸線７０は、傾斜スコープ６８のレンズ面に垂直である。同じ４つの入力変数がターゲットの幾何学的配置を完全に定める。しかし、図２５に見られるように、傾斜スコープを使用する場合に、ロール角はターゲット形状に対する影響を増大させる。図２５は、上辺４０に関して傾斜スコープを使用する場合に、ロール角がターゲット形状に及ぼす大きい影響を示している。第２のレベルのターゲット３０ｃへのアクセスを提供する開口部４４を有するインサート１６は、傾斜スコープに使用するのに特に適するが、それは、ゼロ度スコープを使用して見ることができない解剖学的構造を視覚化するためにカメラオペレータが傾斜スコープの使用を必要とする外科手順中に遭遇することの多い状態をそれらのターゲットが模倣しているからである。従って、本発明はまた、困難である解剖学的状況において傾斜スコープでカメラナビゲーションを練習するための有効な練習プラットフォームを提供する。
【００４０】
図２６は、挿入深度、ロール角、及び極角が一定であり、異なる極半径を有するターゲット３０間の差を示している。このために、これらのターゲット３０は、図に示すようにスコープ１４の極半径だけを修正するようにユーザを誘導する。
【００４１】
図２７は、極半径、ロール角、及び極角が一定であり、異なる挿入深度を有するターゲット３０間の差を示している。このために、これらのターゲット３０は、図に示すように段階１から３に向けてスコープ１４の挿入深度の修正だけを行うようにユーザを誘導する。
【００４２】
図２８は、挿入深度、ロール角、及び極半径が一定であり、異なる極角を有するターゲット３０間の差を示している。このために、これらのターゲット３０は、図に示すように段階１から３に向けてスコープ１４の極角の修正だけを行うようにユーザを誘導する。
【００４３】
図２９は、挿入深度、極半径、及び極角が一定であり、異なるロール角を有するターゲット３０間の差を示している。このために、これらのターゲット３０は、図に示すようにスコープ１４のロール角の修正だけを行うようにユーザを誘導する。
【００４４】
ここで図３０から３２に移ると、本発明によるインサート１６の他の変形が示されている。インサート１６は、平坦な平面上面２６と、対向配置された底面２８とを含む。インサート１６は、訓練機１２のベース２４のフレームに受け入れられるようなサイズにされ、かつそのように構成される。インサート１６の上面２６は、複数のナビゲーションターゲット３０を含む。ターゲット３０は、四辺形、特に台形、特に等脚台形であるように示されているが、本発明は、そのように限定されず、ターゲットは多角形、円形のような別の形状とすることができる。例えば、各ターゲット３０は、１又は２以上の曲線又は線で相互接続された少なくとも１つの真っ直ぐな辺又は線を有する。
【００４５】
各ターゲット３０は、番号のようなシーケンスマーカ３２を含む。シーケンスマーカ３２は、ターゲット３０をカメラの視野に入れて表示と位置合わせする順番を示している。総合的に考えると、各ターゲット３０のサイズ、形状、及び方位と組み合わせてシーケンスマーカ３２によって表示されるターゲットのシーケンスは、訓練の意義に加えて臨床的な意義を有することができる。例えば、各ターゲット３０の変化するサイズは、ユーザがカメラのズームイン／アウト技能を訓練するのに役立ち、一方、複数のターゲット３０のシーケンスは、特定の外科手順で定められる通路である場合がある。
【００４６】
各ターゲット３０はまた、追加の方位マーカを含むことができる。図３０から３２において、ターゲット３０の内側に位置付けられる番号３２は、複数のターゲット３０間のシーケンス表示としても、各個別のターゲット３０に対する方位マーカとしても機能する。方位マーカは、画面表示に対してターゲット３０をどのように向けるかをユーザに示している。例えば、ユーザは、番号が読みやすいように、番号が逆さまにならないように、番号を正しい上下関係に向けるように要求される。方位マーカの別の例は、ターゲット３０の適正な方位に関する混乱を軽減するために、ターゲット３０のどの辺がターゲット３０の底部であるかを示す、例えば、表示の底部と位置合わせするためのターゲット３０の底部に位置付けられた特定の有意な厚みの線である。方位マーカは、それぞれのターゲットにフォーカスする時にユーザが取るべき方位を示している。
【００４７】
上面２６は、必要に応じて、通路マーカ３４とも呼ぶ方向マーカ３４を更に含むことができる。方向マーカ３４ａの一例は、上面２６に描かれた線と矢印である。線と矢印は、２の隣接するターゲット３０の間に位置付けられる。ユーザがカメラ視野でズームアウトすると、矢印の基部がユーザに見えるようになり、その時点でユーザはシーケンス内で次のターゲット３０への矢印に従うことを知ることになる。２次的な方向マーカ３４ｂもユーザに提供することができる。２次的な方向マーカ３４ｂの例は、ターゲット３０の辺境界の凹み又は不連続部である。凹み又は不連続部は矢印の形状であり、ターゲットから離れるように延びる延長部又はターゲット３０内への矢印のような形状の凹みとして現れる。２次的な方向マーカ３４ｂは、ターゲット３０を表示フレームと位置合わせした後にカメラを移動する方向をユーザに与える。２次的な方向マーカ３４ｂは、方向マーカが２つの隣接するターゲット３０間に位置付けられる矢印を有する場合のように、カメラでズームアウトし過ぎることなく、シーケンス方向の通知をユーザに与える。通路／方向マーカ３４も、ターゲット３０のシーケンスをユーザに示している。方向マーカ３４の点線も回転方向を誘導する。方位マーカ３２はまた、どのようにして表示フレーム内で正しい上下関係に向けるかをユーザが知ることになる単語、文字、記号、又は絵とすることができる。ターゲット３０のシーケンスは、ターゲット３０上に示すような記号、単語、又は絵の対応するセットを有する順序付けられた又はランダムなフラッシュカードのセットを使用して決定することができる。指導者は複数のカードからカードを引くことができ、次にユーザは、記号／絵を表示で視野に持ってくることにより、インサート１６上の記号／絵をスコープで探し出そうとすることになる。一変形では、ターゲット３０上の記号／絵は、インサート上のそれらの相対位置に関して解剖学的構造と互いに関係がある。
【００４８】
上述のように、ユーザは、周縁の１又は２以上を表示モニタのフレームの１又は２以上の周縁と位置合わせする。図３０から３２に示す変形では、インサート１６は、ターゲット多角形の周囲／境界に加えて位置合わせマーカ７８を含む。位置合わせマーカ７８は、ターゲットの外縁／周囲から内側に距離を置いて設けられた１又は２以上のかぎ括弧、線、又は線の組合せを含む。特に、図３０から３２のかぎ括弧は、矩形表示画面のコーナの１つに位置合わせするためのコーナを形成するために交差する２本の線を有する。図３０から３２に示す変形では、位置合わせマーカ７８は、表示画面の４つのコーナと位置合わせするために各々が１つのコーナを有する４つのかぎ括弧を含む。２次的な位置合わせマーカ７８は、ターゲット３０の外周／境界によって定められる位置合わせマーカに追加される。この配置により、ユーザは、ターゲットの少なくとも１つの境界／周囲を表示画面の周囲と位置合わせするか、又はかぎ括弧の少なくとも１つを表示画面の少なくとも１つのコーナと位置合わせするか、又は少なくとも１つのかぎ括弧と、対応する周囲／境界のコーナとの間の空間を位置合わせする。インサート１６は、様々なレベルの技能及び器用さを有する様々なユーザに適応させることを目的とするので、１次的及び２次的な位置合わせマーカの組合せは、有利なことに、各技能レベルに対して許容誤差を確立する。例えば、新米のユーザは、ターゲット境界／周囲を表示のフレームと位置合わせするように命令される。より熟練したユーザは、かぎ括弧を表示のフレームと位置合わせするように命令されることになる。かぎ括弧は相互接続されていないので、ユーザの目は、より長い距離を移動し、又は迅速で正確なカメラナビゲーションのために周辺視野と増強された認識とを行使しなければならない。最初に周囲／境界を位置合わせした後で、かぎ括弧を表示画面に位置合わせするために比較的困難であるズームインを行う２段階の命令をユーザに与えることができる。図３０から３２の変形では、ユーザは、４つのかぎ括弧７８全てを表示画面の４つのコーナ全てと位置合わせしようと試みる。
【００４９】
インサート１６の底面２８は、上面２６のパターンとは異なるターゲット３０の別のパターン又は配置を設けることができるので、ターゲット３０の異なる配置のためにインサート１６をひっくり返すことができる。他の変形例では、インサート１６の底面２８は、インサート１６を用いた設定及び訓練のための命令を含む。各ターゲット３０が四辺形／台形である変形では、各四辺形／台形は、上辺４０ａ、下辺４０ｂ、左辺４０ｃ、及び右辺４０ｄを有する。ターゲット３０は、特定のスコープ／カメラ１４と共に使用するように構成される。インサート１６は、図１に示すように訓練機１２のベース２４の上に置かれる。インサート１６の側面は、訓練機１２にインサート１６を位置決めする助けになるように切欠き４２を含むことができる。インサート１６が訓練機１２のベース２４上に位置決めされた後に、ユーザは腹腔鏡カメラを訓練機の中央ポートに位置決めするように命令される。ターゲット３０のサイズ及び形状は、固定されたカメラポート点５２に基づいている。ユーザは、ターゲット番号１から始めて訓練機のカメラ／スコープを使用して各ターゲット３０のかぎ括弧コーナを画面の外縁と位置合わせし、最後まで順番に進むように命令される。かぎ括弧を色付けして、色の対比に応じて練習をより困難に又はより容易にすることができる。例えば、明るい色のかぎ括弧は、その背景との色対比の小さいかぎ括弧に比べてより容易に位置合わせすることができる。
【００５０】
特に図３０を参照すると、インサート１６上のターゲット３０の構成は、大まかに胆嚢摘出手術に基づいている。この配置は、この動作に専用の複数のターゲット３０を使用してズームイン及びズームアウトすることにフォーカスを当てている。この設計はまた、９０度方位でのターゲット３０を含むことにより、カメラを約１８０度カールさせるようにユーザを誘導する。
【００５１】
特に図３１を参照すると、インサート１６上のターゲット３０の構成は、右結腸が除去される右結腸切除術に大まかに基づいている。これらのターゲットはユーザにカメラをカールさせて不自然な角度で安定した画像を維持することを要求するので、この配置は困難であり、ズームイン及びズームアウトよりも、様々な軸線の周りのカメラの回転を教示することにフォーカスを当てている。
【００５２】
特に図３２を参照すると、インサート１６上のターゲット３０の構成は、大まかに腟式子宮摘出術に基づいている。この配置は、様々なタイプのカメラ移動にフォーカスを当てている。
【００５３】
ここで図３３に移ると、本発明によるインサート１６の他の変形が示されている。インサート１６は、複数のターゲット３０を含み、各ターゲットは、１本の直線を有する位置合わせマーカ７８を有する。この線は、長さと幅厚みとを有する。線が表示画面の辺の１つと位置合わせし、線の長さが表示画面の２つの平行な隣接する辺の間にある場合にＨＩＴ又はＬＯＣＫが達成されるように、線の長さはカメラのアスペクト比に対応する。ユーザは、線の２つの端点を画面の底部の２つのコーナのような２つのコーナに位置合わせすることになる。シーケンスマーカ３２は番号の形式で与えられ、これはまた、番号を正しい上下関係に向けるようにユーザに示す方位マーカとして機能する。線７８は、ターゲット１及び１０の場合のように曲線を有する形状によって相互接続される。残りのターゲット３０については、線７８は交差し、曲線形状で取り囲まれる。形状は色付けされ、線７８が位置合わせされた時に形状の大部分が表示画面内に位置付けられる方位マーカとして一般的に機能することができる。一変形では、ターゲット３０は、線７８を表示画面の４つの辺のうちの１つと位置合わせするという命令との組合せで線７８だけを有する。例えば、その命令は、ユーザがターゲット３０の線７８全てを表示画面の下辺と位置合わせすることになる。これに代えて、線７８と位置合わせすべき画面の特定の辺は、ターゲット自体に示すことができる。必要に応じて、各ターゲット３０は、シーケンスマーカ及び／又は方位マーカ及び／又は方向マーカを設けることができる。線の厚みは、約０．０６インチ、又は０．０４インチから０．０８インチ、又は０．０３インチから０．１２インチである。この値は、カメラを配置して依然として画面の下部に線が見えるようにするための小範囲の挿入深度及び角度をユーザに与える。線の厚みがより大きいか又は大きすぎると、練習が過度に単純化され、線の厚みが小さすぎると練習が難しすぎることになる。勿論、線は与えた範囲よりも大きくても小さくてもよく、本発明の範囲内である。線の縁部は、各それぞれのターゲットに関する方位の線に平行なので、画面の下縁に整列することになる。勿論、練習のいずれも、ターゲットのいずれか１つを位置合わせＬＯＣＫ又はＨＩＴ位置に保持するための継続時間命令を含むことができる。
【００５４】
インサート１６上のターゲット３０の設計、形状、配置、及びシーケンスは、カメラナビゲーションにおける熟練度の発達に重要であると確認された様々な学習要件を符号化する。極座標、挿入深度、及びロールを考慮したカメラナビゲーション練習に関する形状の幾何学的配置により、カメラナビゲーション技能の評価が容易になる。ユーザは、「画面を埋める」という定められた目的を有し、計画的な練習を通して熟練度を高めながらこの課題を実行することができる。ターゲットに関連付けられたインサート及び練習の構造は、有利なことに、複数の外科医／評価者からの技量レベルに関する様々な度合のフィードバックとは対照的に、全ての学習者に対して一貫性のある標準的な客観的評価を生成することによって価値を高める。このシステムにより、コンピュータシミュレーション、ビデオ投影などを使用せずに、非仮想的環境において手と目の協調、視覚空間認知、器用さのような基本的なカメラナビゲーション技能の練習が可能になる。評価者は、有利なことに、ユーザの成功を客観的に評価する方法と、更に同じく評価全体の一貫性及び異なる評価者間の一貫性とを提供する。ＨＩＴ又はＬＯＣＫ位置決めにおける位置合わせは非常に精密であり、恐らくは必要以上に精密であるので、本発明のシステムは、有利なことに、学習者でのより高い精度を強いるものである。例えば、図１５から１９に示すように、画面を内側ターゲット３０ｂ又は外側ターゲット３０ａに、又は内側ターゲット３０ｂと外側ターゲット３０ａ間の位置に位置合わせすることは、例えば、モデル臓器などを使用するあらゆる他のカメラナビゲーション訓練システムの場合のように単にターゲット点５０を画面上の視野に持ってくるよりも高い精度を必要とする。本発明のシステムは、カメラナビゲーション技能を評価する方法を提供する。技能発達は、インサート毎の順次的ターゲット進捗状況、並びに次第に困難である又は異なる技能レベル又は符号化された技能のインサートのセットにわたって符号化することができる。更に、システムは、再利用可能であり、かつ容易に可搬である。
【００５５】
本明細書に開示する実施形態に対して様々な修正が可能であることは理解される。従って、以上の説明を限定として解釈すべきではなく、むしろ好ましい実施形態の単なる例示として解釈しなければならない。当業者は、本発明の開示の範囲及び精神内で他の修正を想起するであろう。
【符号の説明】
【００５６】
１０  カメラナビゲーション訓練システム
１２  腹腔鏡訓練機
１４  腹腔鏡
１６  インサート
２０  挿入ポート
【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】
2020519951.tif 000007
【図６】
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【図７】
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【図８】
2020519951.tif 000010
【図９】
2020519951.tif 000011
【図１０】
2020519951.tif 000012
【図１１Ａ】
2020519951.tif 000013
【図１１Ｂ】
2020519951.tif 000014
【図１２】
2020519951.tif 000015
【図１３】
2020519951.tif 000016
【図１４Ａ】
2020519951.tif 000017
【図１４Ｂ】
2020519951.tif 000018
【図１５】
2020519951.tif 000019
【図１６】
2020519951.tif 000020
【図１７】
2020519951.tif 000021
【図１８】
2020519951.tif 000022
【図１９】
2020519951.tif 000023
【図２０】
2020519951.tif 000024
【図２１】
2020519951.tif 000025
【図２２】
2020519951.tif 000026
【図２３】
2020519951.tif 000027
【図２４】
2020519951.tif 000028
【図２５Ａ】
2020519951.tif 000029
【図２５Ｂ】
2020519951.tif 000030
【図２６Ａ】
2020519951.tif 000031
【図２６Ｂ】
2020519951.tif 000032
【図２７Ａ】
2020519951.tif 000033
【図２７Ｂ】
2020519951.tif 000034
【図２８Ａ】
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【図２８Ｂ】
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【図２９Ａ】
2020519951.tif 000037
【図２９Ｂ】
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【図３０】
2020519951.tif 000039
【図３１】
2020519951.tif 000040
【図３２】
2020519951.tif 000041
【図３３】
2020519951.tif 000042
【国際調査報告】
2020519951.tif 000043
2020519951.tif 000044