顔の３Ｄ形状に基づいた呼吸ケア用マスク部品に関する研究
後藤和弘 * ・船田 昌 ***電子・情報担当・ ** 製品開発支援担当

Study on Mask Attachment for Respiratory Care based on 3D Shape of Human Face
*Kazuhiro GOTOH・**Masashi FUNADA*Electronics and Information Technology Section・**Product Design and Development Section

要旨
睡眠時無呼吸症候群など，呼吸に関する患者に対する療法のひとつとして，非侵襲的陽圧換気療法（Noninvasive Positive Pressure Ventilation：NPPV）が実施されているが，鼻や口を覆うマスクに起因する合併症やトラブルが発生する危険性がある．そこで，マスク利用者の負担軽減や合併症の抑制を目標として，
顔の 3D 形状に基づいたマスク用アタッチメントについて検討した．アタッチメントは既存のマスクと組み合わせる構造とし，鼻を覆うネーザルマスク，鼻と口を覆うフルフェイスマスクについてアタッチメントを設計した．また，シリコーンゴムの造形に対応した 3D プリンタを用いて試作を行った．

1.

はじめに

2.2

NPPV におけるマスク利用時の課題

ものづくり分野においては石膏や樹脂，金属などに対NPPV のマスクにはネーザルマスク（鼻を覆うタイプ）応した 3D プリンタを活用し，試作や設計，生産が行なわやフルフェイスマスク（鼻と口を覆うタイプ）など複数れている．近年は医療や福祉等の分野においても利用者の種類があり，治療内容などに応じて選択する（以下，に応じて補聴器や靴の中敷き，義手などをカスタマイズ

種別を限定しない場合は「マスク」と略記）．NPPV の成することや，臓器模型によって手術前の検証を行うこと

否を左右する重要なポイントはマスクの選択やフィッテなど，3D データの活用が普及してきた．

ィングであり (2)，厚生労働省などの報告においてマスク

県では東九州メディカルバレー構想のもとで医療機器の圧迫や空気モレによる皮膚障がいや不快感などの合併

関連産業の参入や研究開発，人材育成などに取り組んで症が紹介されている (3)．日本褥瘡学会はマスクなど医療おり，当センターにおいても 3D 関連技術を活用した医関連機器の圧迫で生じる皮膚障がいを「医療関連機器圧療・福祉分野への取組や，県内企業の事業化を目指して迫創傷」として調査・検討し，2016 年 5 月にベストプラいる．H27 年度は在宅の呼吸ケアなどに利用される人工クティスを発刊した (4)．文献をもとに各医療機関におけ呼吸器用マスク（ネーザルマスク）を対象とし，マスクる創傷発生に関与した機器を Table1 に示す．と組み合わせて使うことを想定した，顔の 3D 形状に基づいたマスク用アタッチメントについて検討した．
本研究では，アタッチメントの構造の再検討や，フルフェイスマスク用アタッチメントの設計，シリコーンゴムに対応した 3D プリンタによる試作を行った．

2.
2.1

NPPV におけるマスクについて

NPPV の概要

非侵襲的陽圧換気療法（NPPV）は，日本では 1990 年代以降，次第に一般的に使用されるようになってきた呼吸管理の一方法であり，1998 年に保険診療の適用とともに増加した (1)．気管挿管や気管切開など侵襲的な療法とは異なり，口や鼻に装着したマスクによって空気を肺に送り，非侵襲的に換気を行う療法である．

Table 1

創傷発生に関与した医療関連機器

表は発生頻度の多い順に記載しており，マスクによる(1)外力の大きさの減少，(2)外力の持続時間の短縮が原

創傷の発生が多く，課題解決が強く求められる．ベスト

則であり，(1)は体圧分散用具（マットなど）の利用，(2)プラクティスではこれらの他に「介護老人福祉施設およは定期的な体位の変換などが実施されている．

び介護老人保健施設」等の状況が掲載されているが，マスクによる創傷が無いため，本報告では省略した．

本研究で提案するアタッチメントは顔の 3D 形状に基づいて設計するため，体圧分散用具のように接触面積が広くなり，褥瘡予防の観点から有効だと考えられる．

3.
3.1

NPPV マスクと併用するアタッチメント
基本コンセプトとこれまでの研究

3.2

アタッチメントの構造

医療福祉分野における 3D 関連技術の適用，ならびにママスクにはネーザルやフルフェイスなど複数の種類がスク利用者の負担軽減を目指し，当初，利用者の顔形状あり，各メーカが顔と接触する箇所の部品や，顔への圧に基づいた「マスク本体」の開発を検討したが，マスク迫を軽減する機構などを工夫して，知財の提案や，さまに関する市場や知財，人工呼吸器の仕様などを調査するざまな製品の開発を行なっている．

なかで本体の開発は困難と判断し，既存のマスクと併用

これまでに試作したアタッチメント（Fig.2）はフラッするアタッチメントを H27 年度に考案した．アタッチメ

プとクッションを有するネーザルマスクを対象として，ントの概念図を Fig.1 に示す．アタッチメントはネーザクッションを内側と外側の 2 つの壁で挟む構造としたが，ルマスク，フルフェイスマスクなど複数のタイプに適用

クッション等の形状によって対応が難しい場合がある．

可能である．このコンセプトをもとにネーザルマスク用

例えば，Fig.3(a)に示すようにフラップの開口部がクッのアタッチメントを設計・試作した（Fig.2）．

ションの開口部より小さいマスクや，Fig.3(b)のようにフラップがなく，クッションが顔の中心方向へ屈曲しているマスクでは，クッションを挟むことができない．
そこで，フラップやクッションなどを全体的に包み込む構造のアタッチメントを検討した．

Fig.1

マスク用アタッチメントの概念図(a) フラップの開口部がクッションの開口部より小さいマスク

Fig.2

ネーザルマスク用アタッチメントの設計・試作

マスク使用時の皮膚障がいは，医療関連機器圧迫創傷として検討されるように「褥瘡」という視点で捉えられ(b) フラップがなく，クッションが顔の中心方向へ屈曲しているマスク

Fig.3

クッションを挟む構造で対応困難なマスクる．そこで，アタッチメントの妥当性の検討や設計の参考とするために褥瘡の発生メカニズムや対策を調査した．
日本褥瘡学会の定義(5)

改良したアタッチメントの構造を Fig.4 に示す．昨年によると，身体に加わった外力（圧度の設計（Fig.4(a)）ではクッションを 2 つの壁で挟む力とずれ力）が軟部組織の血流を低下あるいは停止させ，ようにしており，下段の断面図のようにクッションを挟その状況が一定時間持続することによって組織が不可逆む壁の高さが等しい．以下，顔の中心部に近い側の壁を的な阻血性障害に陥り「褥瘡」となる．褥瘡の予防には，「内壁」，顔の中心部から遠い側の壁を「外壁」と呼ぶ．

マスクと組み合わせる側

顔に触れる側（a）クッションを挟む構造(a）クッションを挟む構造 (b)クッション等を包み込む構造

Fig.4

クッションと組み合わせる側の構造

本研究の改良版（Fig.4(b)）では内壁を低くし，フラップやクッションを包み込むようにすることで，Fig.3に示したマスクにも対応可能となる．改良したアタッチ
メントは内壁でクッションの端部を支持することでクッションのずれを防ぎ，マスクを安定して装着できる．まマスクと組み合わせる側

顔に触れる側（b）クッション等を包み込む構造

Fig.6

た，フラップやクッション等の形状に応じて，Fig.5 に3D プリンタによるネーザルマスク用アタッチ
メントの試作（シリコーンゴム）

示すように内壁の高さがなく，外壁から突出した突起構造でクッションを支持することもできる．さらに，外壁や内壁，突起構造がループ状に配置されるだけではなく，さまざまな形状のクッションへの対応や，造形材料や造形費用の軽減を目的として内壁や突起構造の一部が欠けた構造とすることもできる．
このアタッチメントのコンセプトはネーザルマスク，フルフェイスマスクのどちらにも対応可能であり，概念（a）クッションを挟む構造

や構造，製造方法，装着方法などについて，大分県発明協会や弁理士へ相談のうえ，特許を出願済である．

（b）クッション等を包み込む構造

Fig.7
Fig.5

ネーザルマスク用アタッチメントの検証

クッションの端部を支持する構造
み合わせる側は，(a)クッションを挟む構造，(b)クッシ

ネーザルマスク用アタッチメントの試作

ョン等を包み込む構造の 2 種類を試作した．また，顔にこれまでに石膏や樹脂，金属などを造形する 3D プリン

触れる側の形状はどちらも同じである．アタッチメント

タが開発されており，2016 年には国内メーカがシリコーをマスクと組み合わせて検証した結果を Fig.7 に示す．

3.3

ンゴムに対応した 3D プリンタの発売を開始した．そこで， クッションを挟む構造ではアタッチメントの内壁が顔のシリコーンゴムの造形に対応する造形サービス業者を調中心方向へ歪むように変形した（Fig.7(a)）．これはシリ査し，アタッチメントの造形を依頼した．

コーンゴムが柔らかいことや，マスクと組み合わせる側試作したアタッチメントを Fig.6 に示す．マスクと組に寸法誤差があったことが考えられる．なお，この構造

ではフラップはアタッチメントの外壁側で折り返している．一方，Fig.7(b)に示した改良版のアタッチメントは，本来，フラップが無いマスクなどを想定しており，検証したネーザルマスクではフラップが鼻に触れてしまうように大きく変形した．この構造では内壁の高さの設定がポイントで，内壁を現在よりも少し高くすることでフラップが内壁と外壁とのあいだに挟み込まれ，鼻に触れにマスクと組み合わせる側くくなると考えられる．
今回試作したシリコーンゴムは造形材料に起因する匂いがややきつく，鼻に装着するアタッチメントとして利Fig.9

顔に触れる側3D プリンタによるフルフェイスマスク用アタッチメントの試作（ABS 樹脂）用することは難しい．メーカや造形業者が対策を検討しているとのことであり，今後の改善に期待したい．
3.4

フルフェイスマスク用アタッチメントの試作

これまでは慢性期の利用者を想定し，ネーザルマスクに対応したアタッチメントを検討してきたが，専門家より急性期でフルフェイスマスクの利用者におけるニーズの可能性を指摘された．また，義歯を外している場合は(a)口周辺の動きが少ない箇所の選択とマスク形状との結合マスクの密着が困難なことがあり，マスク利用時に義歯を装着することがある (6)．その他にも小顎症（骨格が狭い）の患者ではフルフェイスマスクのフィッティングが難しい可能性がある．
設計したフルフェイスマスク用アタッチメントをFig.8 に示す．Fig.9 は ABS 樹脂に対応した 3D プリンタ
（Stratasys 製 FORTUS 360mc-S）による試作結果で，コンセプトや形状確認のために ABS で造形した．専門家よマスクと組み合わせる側

り，フルフェイスマスクでは会話による口周辺の動きなどによってマスクがずれることがあるとの指摘があり，この構造では対応が難しい．そこで，会話等の際に顔の顔に触れる側(b)設計したアタッチメントの外観

Fig.10

口周辺の動きを考慮した，フルフェイスマスク用アタッチメントの設計

皮膚の動きが少ない領域でマスクを支持する構造のアタッチメントを設計した（Fig.10）．Fig.10(a)の左図の網掛け部分が顔形状から選択した箇所である．Fig.10(a)の右図は顔形状の選択箇所とマスク形状とのあいだに面を張って結合する編集途中の図である．口の周辺に空間を設けて頬のあたりでアタッチメントを支持するようにした．設計したアタッチメントを Fig.10(b)に示す．

マスクと組み合わせる側

Fig.8

顔に触れる側フルフェイスマスク用アタッチメントの設計

マスクと組み合わせる側

顔に触れる側Fig.11 3D プリンタによるフルフェイスマスク用アタッチメントの試作（シリコーンゴム）

Fig.12 フルフェイスマスク用アタッチメントの検証（左：マスクと組み合わせたアタッチメント，右：マスクとアタッチメントを組合せて顔に装着した様子）

シリコーンゴムに対応した 3D プリンタで造形したフルフェイスマスク用アタッチメントを Fig.11 に示す．まTable 2出力データ

LED

センサ
サイズ

顔での計測

反射型

脈波

Green

小〇2反射型

Red

大△

3反射型

脈波，心拍のタイミング
脈波

小△

4反射型

脈波，心拍数，SpO2，他

大△

5透過型

心拍のタイ
ミング

Red,
IRRed,IR,Green
Red

小×No

方式

1

た，Fig.12 は試作したアタッチメントをマスクと組み合わせ，顔に装着した様子である．アタッチメントはクッションやフラップを包みこむ構造で，Fig.12(b)のように顔の広い範囲で接触する．しかし，今回の設計では鼻梁部および顎の箇所のシリコーンゴムが厚く，クッション性が弱い（触感として「堅い」）ものとなってしまった．
また，会話など顎の動きに伴って鼻梁部が下に引っ張られる感覚があり，皮膚にずれが生じると考えられる．マ

心拍や脈波等を計測可能なセンサの検証

スク利用時におけるずれ力の軽減にはすべり機能つきドレッシング材など被覆保護材の利用が有効 (7)とされておその結果，顔の鼻梁部や顎，頬などにおける脈波の計り，表面の加工によってすべりやすい方向性を有する製

測に適しているのは Pulse Sensor のみであった．本稿で品もある．これをアタッチメントと併用し，顎が動く上は予備実験の実施結果について報告する．計測システム

下方向をすべりやすくすることでずれ力を軽減できる可は Fig.13 に示すように 2 つの Pulse Sensor をマイコン能性がある．アタッチメントの構造の再検討とともに，モジュール（Arduino Uno R3）の入力端子に接続し，セ被覆保護材の併用などが必要と考えられる．

ンサ出力を USB ケーブルを介して PC へ転送する．PC では統合開発環境 Processing により計測の開始／停止の4.

圧迫の検証

指示，脈波のリアルタイム表示・コンソール出力を行う．

マスク装着時の皮膚障がいの要因として圧迫による外力（圧力とずれ力）があり，測定装置を用いた接触圧の検討 (8)や，皮膚や脂肪，筋肉を考慮した頭部モデルによる応力の FEM 解析 (9)，マスク素材と被覆保護材管の摩擦力測定 (10)などの研究事例がある．昨年度は感圧センサで圧迫を検証したが，マスクのクッションや皮膚がともに柔らかく，センサで圧迫の程度を評価できなかった．
そこで，皮膚障がいは圧迫に伴う血流の阻害に起因することに着目し，心拍計測可能なウェアラブル端末などに搭載されている光学センサによる検証を試みた．

Fig.13 光学センサを用いた計測システムの構成

皮膚は表皮や真皮，皮下組織からなり，表皮直下に毛細血管，真皮や皮下組織に血管網を構成している．毛細血管の血圧はおおよそ 15ｍｍHg，皮膚細動脈の血圧は30mmHg であり，血圧を超える外力がかかると一時的に虚血に陥り，それが持続することで褥瘡となる (11)．褥瘡や創傷管理のひとつとしてエコー検査による血管の評価が可能 (12)だが，医療機関以外では導入や検証は難しい．

Fig.14 光学センサによる脈波の計測（鼻梁）

検証した光学センサは比較的安価な発光および光検出デバイスを搭載し，体内で反射（または透過）した光の顔の鼻梁部にセンサを貼付し，マスクの圧迫の有無に強度をもとに脈波や心拍数，血中酸素飽和度などを測定

おける脈波の計測結果を Fig.14 に示す．圧迫無しは比較できる．方式や出力データ，発光素子などが異なる 5 つ参照としてマスクを装着せずに 3 分間計測し，圧迫ありのセンサモジュールを入手し，圧迫の評価に利用可能か

では専門家の助言をもとにマスクの装着時間を 20 分間検証した（Table2，1. sparkfun 製 Pulse Sensor，2. 東として計測を行った．図から鼻梁部でも脈波を計測でき

京デバイセズ製 IW9PLS-MP，3．秋月電子通商製パルスオることが分かる．また，圧迫による血流の阻害を想定しキシメータ用・反射型センサ DIP 化モジュールキット，ていたが，今回の実験では「圧迫あり」で脈波の振幅が4. maxim integrated 製 MAX30101ACCEVKIT，5. Seeed 製増加した．鼻梁以外にも頬や額，顎で脈波を計測できる

Grove-Ear-clip Heart Rate Sensor）．

ことを確認しており，今後詳しく検証したい．

5.

3DCG ツールにおける設計効率化

アタッチメントの設計には 3DCG ソフト Blender

謝(13)

辞を

本研究の実施にあたり，大分大学の平成 28 年度国産医利用し，顔やマスクの 3D 形状データの編集や結合，スム療機器創出促進基盤整備等事業（個別臨床現場実習）にージングなどの処理を行った．3D データをもとに造形す

おいて大分大学医学部 呼吸器・感染症内科学講座の吉川るにはメッシュが細かいほど造形物の面が滑らかとなる

裕喜助教，山末まり特任助教よりご助言いただきました．

が，メッシュの数が多くなると手作業で編集するのは困

また，現場実習につきまして関係者の皆さまに多大なご難となる．Blender はスクリプトを記述してプログラミ支援をいただきました．心よりお礼申し上げます．

ングによる描画や 3D データの編集が可能であるため，設計に利用可能な API やパラメータ，処理フローについて参考文献調査・検討した．Fig.15 はスクリプトの記述・検証時に(1) NPPV（非侵襲的陽圧換気療法）ガイドライン（改訂おける画面である．例としてメッシュの粗さを再構築す第２版），日本呼吸器学会 NPPV ガイドライン作成委

る Remesh モディファイヤの記載例を示す．今後，このよ員会編，南江堂，(2015).

うな API を活用して設計の効率化を図る必要がある．

(2) 慢性呼吸不全に対する非侵襲的換気療法ガイドライ
ン，Therapeutic Research vol.25 no.1, 2004 別刷，
非侵襲的換気療法研究会編，(2004).
(3) 平成 25 年度在宅医療における医療機器等ニーズ調査報告書（第１回在宅医療推進のための医療機器等の実用化促進に関する検討会

配布資料），厚生労働省, (2014).
(4) ベストプラクティス

医療関連機器圧迫創傷の予防と管理，一般社団法人日本褥瘡学会編，照林社，(2016)．
(5) 褥瘡ガイドブック

第 2 版，日本褥瘡学会編，照林社，(2015)．
(6) WOC Nursing 16 年 10 月号「特集 医療関連機器圧迫Fig.15

Blender におけるスクリプト環境

創傷～発生と悪化をどう防ぐ？ 今まで気づかなかったこんな機器まで～」，Vol.4,No.10，医学出版，

例）メッシュの再構築(2016)．

bpy.ops.object.modifier_add (type='REMESH')(7) WOC Nursing 16 年 8 月号「特集 圧とずれからみた

bpy.context.object.modifiers["Remesh"].octree_depth=8

褥瘡の治療・ケア～徹底した圧とずれの排除を考え～（一部略）～る～」，Vol.4,No.8，医学出版，(2016)．

bpy.context.object.modifiers["Remesh"].mode='SMOOTH'bpy.ops.object.modifier_apply (apply_as='DATA',(8) 非侵襲的陽圧換気法におけるマスク接触圧の検討，
神戸幸司，小副川知子，土谷香，奥村誠子，日本臨
床工学技士会会誌，44 号，p.36-39，(2012)．

modifier="Remesh")(9) NPPV 用鼻マスク装着時に作用する応力の計算力学的まとめ

検討，二宮敬一，吉田祐介，半田俊弘，尾田雅文，

NPPV のマスクに起因する合併症などの軽減を目標と

原利昭，ライフサポート，21 巻，2 号，p.70-75，(2009).

して，マスクと併用するアタッチメントを検討した．ネ(10) NPPV マスク素材と被覆保護材間の摩擦力測定，下ーザルマスクおよびフルフェイスマスク用アタッチメン

田優作，横山朋大，石川 朗，日本呼吸ケア・リハビ

トの構造の再検討や設計，シリコーンゴムにおける試作，

リテーション学会誌，26(2)，p.326-331，(2016)．

検証を行うとともに，光学センサによる圧迫の評価に向(11) WOC Nursing 16 年 9 月号「特集 褥瘡を診るのに必けた予備実験，3DCG ツールによる設計の効率化などにつ要な皮膚の構造・機能とスキンケアの基礎知識」，いて調査と検証を行なった．

Vol.4,No.9，医学出版，(2016)．

6.

今後も専門家との情報交換や定量的な検証などを進め， (12) 進化を続ける！褥瘡・創傷 治療・ケア アップデー
3D 技術を活用した医療福祉分野に関する製品やサービスの事業化を目指していきたい．

ト，真田弘美，市岡 滋，溝上祐子編著，照林社，(2016)．
(13) https://blender.jp/