JP5939536B2 - ウェットボックス及びそれを用いた低侵襲手術用トレーニング装置 - Google Patents

Description

本発明は、低侵襲（内視鏡）手術における微細作業のトレーニングや、スキル評価を行うための手段とその装置に関する。

低侵襲（内視鏡）手術は、患者の負担が少ないため、臨床のあらゆる領域で急速に普及しているが、視野の狭い内視鏡と操作自由度の低い鉗子を用いるので、医師には高い技術が求められる。このため、実験室レベルの環境では、ドライボックスやバーチャルシュミレータを用いたトレーニング・技量評価が行われている。しかしながら、これらは実際の臓器を用いることができないため、シリコン等で作製した模擬臓器を用いざるを得ず、これは実際の手術に近いウェットな環境ではないため、現実感に乏しく、実践的なトレーニングという点では効果が低いという問題があった。トレーニングという面において、最も効果的な方法は、ブタや犬等の大型動物を用いた訓練であるが、特殊な設備が必要であり、また、近年では、倫理的な観点から国際的にも実施が非常に難しくなってきている。同様に、マウスやラットなどの小型動物を用いた実験についても、規制が一段と厳しくなってきている。

一方、ニワトリの循環器系は人間とよく似ているため、最近では医学分野において卵（ニワトリの胚を含む）を用いた薬剤の試験や培養の研究等が行われるようになってきており（例えば、特許文献１と２）、倫理的な敷居が比較的低いという利点がある。しかしながら、ニワトリの卵を内視鏡手術のトレーニング等に応用した例は、本発明者の知る限り、これまで知られていない。

本発明者は、以上のような背景のもとに、低侵襲（内視鏡）手術における微細作業のトレーニングやスキル評価を、実験室環境で安価で簡易に行うために、ニワトリの卵を用いたデスクトップ型の、ウェットタイプのトレーニング装置とその作製方法について鋭意研究を行い、本発明に到達したものである。

特開２００５−２７８６１４号公報 特開平５−４９３６４号公報

前述したように従来の内視鏡手術のトレーニング機器は、ドライな環境で評価を行うものであったため、実際の手術における技量評価という面では十分ではなかった。また、近年の倫理面からの制約により大型動物で実験を行うことが難しくなったため、トレーニングにおいても、簡易にウェットな環境で訓練が行えるシステムの開発が強く望まれている。本発明者は、かかる課題の解決のために、入手が容易で倫理的にも問題のないニワトリの卵を、模擬臓器として用いる装置を開発することを目指した。

本発明は、ニワトリの卵（受精卵が個体になるまでのニワトリの胚の状態を含む）を、人工の透明殻を用いてウェットボックスとし、これを模造臓器として用いるものである。

即ち、本発明は、正多面体状の容器の内部にニワトリ胚を収納した、低侵襲手術のトレーニングのためのウェットボックスであって、該正多面体状の容器の辺又は稜部分（以下、フレームと言う）が、生体適合性のある金属、プラスチック、セラミックス又はガラスで形成され、面部分（前記フレームを除いた面の部分）が、生体適合性のある酸素透過性膜で形成されていることを特徴とするウェットボックスである。

前記ウェットボックスのフレームは、生体適合性を有し、かつ、卵を入れても変形せず、ハンドリングの際に破損が生じない程度の高い剛性を有する材料で形成される必要があり、金属、プラスチック、セラミックス又はガラスが適当である。金属としては、チタン又はステンレスが好ましく、プラスチックとしては、加工のし易さの点で光硬化性樹脂が好ましい。その他、セラミックスやガラスも使用できる。必要な場合には、生体適合性を担保するために、表面のコーティングや材料自体の毒性を除去する処理等を行えばよい。

前記面部分は、生体適合性を有し、かつある程度の耐久性を有する酸素透過性膜で形成されている必要があるが、手術器具を差し込んだ時に破れない程度の耐久性（粘弾性）を有していることが必要である。後述するようなフッ素系の樹脂や、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）等のシリコン系の材料が好ましい。

本発明の他の態様は、前記ウェットボックスを、模擬臓器として用いることを特徴とする低侵襲手術用トレーニング装置である。かかるトレーニング装置は、前記ウェットボックス（図１の１）の他に、図１に例示したような、通常、トレーニング装置に付帯して用いられる内視鏡や顕微鏡またはカメラ２、鉗子３、ディスプレイ４、パソコン５、その他加熱手段や外部からの流体交換装置、電気刺激装置又は機械刺激装置（図１の６）等を含むものである。

本発明のトレーニング装置では、透明な人工殻に卵を移し替えて培養することで、あらゆる方向から観察し、手術器具でアクセスできる点に最大の特徴がある。また、卵は黄身を残してある程度の温度で培養することで、培養液などの特別な環境を必要とせずに長期間その機能を保持することが可能である。

従来は、倫理規定に配慮しつつ、実験室環境で実際の生物を用いて、トレーニング・スキルの定量評価を行えるような装置は実現されていない。これに対し、本発明の装置では、ニワトリの卵に細径鉗子を挿入し、卵の内部に形成された組織や血管等を用いたトレーニングを行うことが可能である。また、各種センサによって、鉗子の先端位置を計測することで、効率的にトレーニングを行うことができ、それに加えて技量の定量評価もできる。このようにニワトリの卵を用いることで、入手経路や飼育の面で、ラット等の小型動物と比較しても容易にウェットな環境を構築できるだけでなく、装置全体を大幅に小型化することも可能となる。

本発明の低侵襲手術用トレーニング装置の概略説明図である。 本発明のウェットボックスの一例の説明図である。 本発明のウェットボックスの作製プロセスを示す図である。

本発明のウェットボックスは、正多面体状の容器の内部にニワトリの卵を収納した、低侵襲手術のトレーニングのためのものであって、正多面体状の容器の辺又は稜部分（フレーム）が、生体適合性のある金属、プラスチック、セラミックス又はガラスで形成され、面部分（前記フレームを除いた面の部分）が、生体適合性のある酸素透過性膜で形成されているものである。そして、本発明者は、人間の循環器に似た構造を有するニワトリの卵に着目し、これを収納した前記ウェットボックスを、低侵襲手術用トレーニング装置に応用することを想到したものである。

前記ウェットボックスのフレームは、生体適合性を有し、かつ、卵を入れても変形せず、ハンドリングの際に破損が生じない程度の高い剛性を有する材料で形成される必要があり、金属、プラスチック、セラミックス又はガラスが適当である。金属としては、チタン又はステンレスが好ましく、プラスチックとしては、加工のし易さの点で光硬化性樹脂が好ましい。光硬化性樹脂は、Ｘ線、紫外線、又は可視光等の光によって硬化しうるものであれば特に限定されるものではない。例えば、アクリル系樹脂、エポキシ系樹脂等を挙げることができる。材料自体の毒性は熱処理等で除去すればよい。

前記面部分は、生体適合性を有し、かつある程度の耐久性を有する酸素透過性膜で形成さる。酸素透過性膜としては公知のものを使用できるが、中でも、細菌からの汚染の危険性がなく、機械的強度（形状保持性）と酸素透過性に優れ、かつ透明な非多孔質プラスチックが好ましく使用される。また、手術器具を差し込んだ時に破れない程度の耐久性（粘弾性）を有していることが必要である。具体的には、ポリテトラフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体等のフッ素樹脂、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）や、トリス（トリメチルシロキシシリル）スチレンを主成分とする重合体等のシリコン系の材料が好ましい。

本発明の低侵襲手術用トレーニング装置又はシュミレータは、図１にその概要を示したようなものであ。このシミュレータでは、図１に示すように、ニワトリの卵を収納した容器をウェットタイプの容器として用い、数ミリの手術器具を挿入して、卵の内部に形成された組織や血管等を用いたトレーニングを行うことが可能である。また、センサ等を用いて鉗子の先端位置や力情報を計測することで、効率的にトレーニングを行うことができ、技量の定量評価も行うことができる。このようにニワトリの卵を用いることで、入手経路や飼育の面で、ラット等の小型動物と比較しても容易にウェットな環境を構築できるだけでなく、システム全体を大幅に小型化することも可能となる。

本発明に係るシミュレータの利点をまとめると、以下に説明するような種々の利点がある。（１）ウェット型であるので、特別な環境でなくとも、実際の生物を用いて現実感の高い(力覚を伴う) 訓練・技術評価が行える。（２）取り扱いが容易である。即ち、安価に入手でき、胚が黄身を栄養源として成長するため特別な培養液などが不要であり、育成コストが小さい。また、ライフサイクルも早いため扱いが容易である。（３）倫理面では、孵化より前のステージで実験を行うことを前提とすれば、倫理的な抵抗が、従来のブタや犬などの大型動物やラットなどと比較しても少ない。（４）小型化にできる。即ち、卵を用いるため、デスクトップ環境で訓練等を行うことができる。（５）外殻が透明であるため、高価な内視鏡を用いる代わりに通常のカメラや顕微鏡を用いて観察を行うことができる。（６）更に、将来的には外科領域のみならず、内視鏡検査やマイクロサージェリ等、様々な診療分野のトレーニングや技術評価へ応用・拡張することが可能である。

卵を用いる際の最大の問題点は、殻の外部から内部を直接観察できないことと、殻の脆弱性である。これに対して、従来より、卵の内容物を人工の透明な殻（ポリマーやガラス容器等）に移し替えて孵化させる技術が確立されているものの、殻自体の材料や剛性が術具の挿入や操作を想定して開発されていなかったため、透明で術具を挿入でき、かつ十分な剛性を有するものが無かった。本発明のウェットボックスは、生体適合性が高く、透明で剛性の高い人工物に卵の内容物を入れ替えたものである。図２に示したように、本発明の
ウェットボックスは、正多面体の容器に卵を収納したものである。かかるボックスを用いることによって、外部のカメラで内部の様子を観察して、卵中の血管や臓器を処理する際の評価を行うことが容易になるだけでなく、ボックスの姿勢を動かして任意の場所にアクセスすることができるようになる。

本発明において、ウェットボックスの容器として用いられる正多面体状の容器とは、正四面体、立方体、正八面体、正十二面体、正二十面体の形をした容器を意味する。立方体のものが、比較的作製しやすいので好ましい。

従来より、ニワトリ胚又は卵を人工の容器で育てるには、容器の酸素透過率が最も重要であることが知られている。ここで、ウェットボックスに使用する材料の酸素透過係数αは、α＝Ｖｃｈ／τＳΔｐ（式１とする）と表すことができる（Ｖｃは時間τの間に厚みｈの膜を通過するガスの総量を、標準状態の気体の体積として表したものであり、Ｓは透過有効面積、Δｐ
は膜を通過する気体の濃度差を圧力差に換算したものである）。本発明では、ボックスの要求仕様を満たすため、形成が容易で高い透明性と生体適合性を有する酸素透過性膜を用いる。

例えば、酸素透過性膜としてＰＤＭＳを用いた場合で、以下に説明する。かかる要求を満足する材料としては、形成が容易で高い透明性と生体適合性を有するＰＤＭＳがボックスの材料として用いられることが多い。ＰＤＭＳの酸素透過率はα＝３．０×１０^−１１ｃｍ^３ｃｍ／ｃｍ^２
ｓＰａ程度であり、高い酸素透過率を有することが知られている。例えば、ＰＤＭＳを用いて図２のような一辺がｌで膜の厚みｈの立方体型ボックスを作製することを考えと、ニワトリの卵は孵化までの約２１日間で約６Ｌの酸素を取り込むため、１日当たりＶｃ＝２８６ｍＬの酸素を取り込む必要があると仮定すると、Δｐ＝１０１．３３ｋＰａ、τ＝８６４００ｓである。また、卵の体積は５０ｍｌ程度であるので、余裕を設けて１辺がｌ＝４０ｍｍのボックスを作製することを考えると、その表面積Ｓは９６００ｍｍ^２となる。従って、前記式１より、厚みｈの条件は、ｈ＝ατＳΔｐ／Ｖｃが０．８８ｍｍよりも小という計算になる。なお、図２において、７はフレーム、８は面部分を示す。

一方で、酸素透過率を高くするには、できるだけ厚みを減らしたほうが望ましいが、ＰＤＭＳ自体のヤング率が１００ｋＰａオーダーと低いため、卵の内容物を含む重量を支えることできずボックス形状を維持できない。従って、本発明では、図２の７のように、十分な剛性を有する光硬化性樹脂を用いた構造体を、容器の枠を構成する辺又は稜の部分に配置するものである。例えば、稜（辺又は梁）の厚み４ｍｍの中空構造を設計すれば良い。これに伴い、酸素を透過するための表面積が４０％程度減少するため、実際の厚みの条件は最終的に、面部分８（酸素透過性膜）は、厚さｈ＜０．５５ｍｍを満たすように作成する必要がある。

容器としては、透明で剛性がある程度高く、卵の生育が行える程度の酸素透過率を有する材料を用いて構築された、姿勢をあらゆる方向に自由に変えることのできる容器を用いることが重要である。また、カンシなどの術具を挿入することが可能で、内視鏡や顕微鏡で状態を観察できることが重要である。以下、実施例により本発明を詳述する。

以下、ウェットボックス作製方法について説明する。図３にボックスの作製プロセスの一例を示す。先ず、三次元光造形機を用いて光硬化性樹脂から構成されるフレーム形状を作
製し（ａ）、ポストベイクを行って樹脂の毒性を除去する。次に、ガラス基板に酸素透過性膜を形成する樹脂、例えば、ＰＤＭＳをスピンコートし（ｂ）、厚さｈの薄膜を形成し、ベイクして硬化させる。この際、スピンコートの回転数と時間を調整することで、膜厚を制御することが可能である。次に、フレームにＰＤＭＳ薄膜を貼り付け、上部が空いた状態のボックスにする（ｃ）。その後、水を内部に満たし簡易的なリークテストを行い漏れが無いことを確認したうえで、ＵＶライトで滅菌処理を行う（ｄ）。

一方、卵は有性卵を恒温槽(温度３９℃、湿度９９％) で２日間培養した後、ＵＶライトで滅菌を行ったボックスに移し替える（ｅ）。なお、ニワトリ胚がある程度成長してから移し替えることも可能であるが、成長が進むと殻の内側に血管等の組織が癒着するため、移し替える際のダメージを避けるために２日間程度で移し替えを行うのが好ましい。最終的に上部を閉じることによって、密封した状態の本発明のウェットボックスが得られる（ｆ）。その後は、使用するまで恒温槽内で培養を続ければよい。なお、ボックスの下部にはスペーサを配置することで下部からも酸素が取り込まれるようにすることがより望ましい。

[ウェットボックスの評価]
作製したボックスでの長期培養可能性、及び、設計方法の妥当性の検証を行うために、膜厚を様々に変化させて卵を培養する実験を行った。また、比較のために従来のプラスチックラップを用いた実験も同様に行った。評価は、ニワトリ胚に形成される心臓の拍動を観察できた日数をカウントすることで行った。その結果、ＰＤＭＳの膜厚が大きい場合には、血管や臓器が形成されず、胚が成長しないことが確認できた。一方、適切な厚みを設定した場合には、最大１０日間の培養に成功した。なお、従来手法のプラスチックラップを用いた培養においても１０日程度は成長が進んでいることから、温度やコンタミネーションの管理などの実験条件を整えることで、さらに長期間の培養が行えると考えられる（１０日目程度であれば太い血管は０．５〜１．０ｍｍ程度に成長しているためトレーニング等を行うことは可能である）。

[低侵襲手術器具を用いた応用実験]
７日目まで培養した胚が内包されたボックス（厚みｈ＝０．４ｍｍ）を用いて実験を行った。実験ではボックスを回転させて、心臓にアクセスするための鉗子（直径２ｍｍ）挿入位置を決定した。その後、図１に示すように、上部から顕微鏡で観察して臓器を拡大観察しながら、心臓周辺の血管や組織を鉗子で操作することに成功した。なお、操作を行っている間、ボックスの膜に裂けなどが生じることなく操作を行うことができた。また、手術器具で空けた穴は、再度、ＰＤＭＳを塗布するなどして塞ぐことが可能である。

以上のように、本発明のウェットボックスを外部から観察しながら、自由に回転させ、ニワトリ胚の任意の部位に、アクセスできることを確認した。鉗子の先端軌道などを計測することで、トレーニングや評価を行うためのシステム化を行うことも可能となる。

本シミュレータではニワトリの卵又は胚を用いるため、微細血管などを処置する脳や眼球、関節の低侵襲手術のトレーニングに向いている。一方、腹腔鏡手術など比較的大きな臓器を扱う手技への応用を考えた場合には、術者とボックスの間にロボット（テレオペレーション）を介するなどして、術者にあたかも大きな臓器を扱っているように、力覚を拡大提示するような使用方法も可能である。

今後、世界的に倫理的な規制が一層厳しくなることを考えると、現状の大型動物を用いた動物実験の国内実施は困難になることは明白で、十分なトレーニング環境や定量評価を構築することは急務である。加えて、内視鏡を用いる手術は外科領域のみならず、内科、整形外科、泌尿器科、耳鼻科、産婦人科でも行われているため、基盤技術を確立すれば他の診療科にも幅広く応用することができる。将来的にはロボットと融合させることで、マイクロサージェリー装置への展開や、バイオテクノロジー分野における再生医療研究などへの応用も考えられる。

１ ウェットボックス
２ 内視鏡又は顕微鏡
３ 鉗子
４ ディスプレイ
５ パソコン
６ 他真空手段・加熱手段
７ フレーム
８ 面部分

Claims (4)

1. 正多面体状の容器の内部にニワトリ胚を収納した、低侵襲手術のトレーニングのためのウェットボックスであって、該正多面体状の容器の辺又は稜部分（以下、フレームと言う）が、生体適合性のある金属、プラスチック、セラミックス又はガラスで形成され、面部分（前記フレームを除いた面の部分）が、生体適合性のある酸素透過性膜で形成されていることを特徴とするウェットボックス。
2. 金属が、チタン又はステンレスであることを特徴とする請求項１記載のウェットボックス。
3. プラスチックが、光硬化性樹脂であることを特徴とする請求項１記載のウェットボックス。
4. 請求項１〜３のいずれか１項記載のウェットボックスを、模擬臓器として用いることを特徴とする低侵襲手術用トレーニング装置。
   
   

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