JP5939536B2 - Wet box and training apparatus for minimally invasive surgery using the same - Google Patents
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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。 The present invention relates to a means and apparatus for performing fine work training and skill evaluation in minimally invasive (endoscopic) surgery.
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。 Minimally invasive (endoscopic) surgery is rapidly becoming widespread in all clinical fields because it places less burden on patients, but it uses endoscopes with a narrow field of view and forceps with a low degree of freedom of operation. High technology is required. For this reason, in a laboratory level environment, training and skill evaluation using a dry box or a virtual simulator are performed. However, since these cannot use actual organs, they must use simulated organs made of silicon or the like, and this is not a wet environment close to actual surgery, so it is not realistic and practical. There was a problem that the effect was low in terms of training. In terms of training, the most effective method is training using large animals such as pigs and dogs, but special equipment is required, and in recent years it has also been implemented internationally from an ethical point of view. Has become very difficult. Similarly, regulations on small animals such as mice and rats are becoming more stringent.
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。 On the other hand, because the circulatory system of chicken is very similar to that of humans, drug testing and culture research using eggs (including chicken embryos) have recently been conducted in the medical field ( For example, Patent Documents 1 and 2) have the advantage that the ethical threshold is relatively low. However, as far as the present inventor knows, no examples of applying chicken eggs to endoscopic surgery training or the like have been known.
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。 Based on the background as described above, the present inventor used chicken eggs in order to perform training and skill evaluation of fine work in minimally invasive (endoscopic) surgery at low cost and in a laboratory environment. The present invention has been accomplished by earnest research on a desktop type, wet type training apparatus and a manufacturing method thereof.
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。 As described above, since the conventional endoscopic surgery training apparatus performs evaluation in a dry environment, it is not sufficient in terms of skill evaluation in actual surgery. In addition, since it has become difficult to conduct experiments with large animals due to recent ethical restrictions, it is strongly desired to develop a system that can easily perform training in a wet environment. In order to solve this problem, the present inventor aimed to develop a device that uses a chicken egg that is easily available and has no ethical problems as a simulated organ.
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。 In the present invention, a chicken egg (including a state of a chicken embryo until a fertilized egg becomes an individual) is formed into a wet box using an artificial transparent shell, and this is used as an imitation organ.
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。 That is, the present invention is a wet box for training of minimally invasive surgery in which a chicken embryo is housed inside a regular polyhedral container, and the side or ridge portion (hereinafter referred to as a frame) of the regular polyhedral container. Is made of biocompatible metal, plastic, ceramics or glass, and the surface portion (the surface portion excluding the frame) is made of a biocompatible oxygen permeable membrane. It is a featured wet box.
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。 The frame of the wet box must be formed of a material that has biocompatibility, does not deform even when an egg is placed, and has a high rigidity that does not cause breakage during handling. Plastics, ceramics or glass are suitable. The metal is preferably titanium or stainless steel, and the plastic is preferably a photocurable resin in terms of ease of processing. In addition, ceramics and glass can be used. If necessary, in order to ensure biocompatibility, a surface coating or a treatment for removing the toxicity of the material itself may be performed.
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。 The surface portion needs to be formed of an oxygen permeable membrane having biocompatibility and a certain degree of durability, but has a durability (viscoelasticity) that cannot be broken when a surgical instrument is inserted. It is necessary to have. A fluorine-based resin as described later and a silicon-based material such as polydimethylsiloxane (PDMS) are preferable.
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。
Another aspect of the present invention is a training apparatus for minimally invasive surgery, wherein the wet box is used as a simulated organ. In addition to the wet box (1 in FIG. 1), such a training apparatus is normally used as an endoscope, a microscope or a camera 2 attached to the training apparatus,
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。 The training device of the present invention has the greatest feature in that it can be observed from all directions and accessed with a surgical instrument by transferring eggs to a transparent artificial shell and culturing them. In addition, eggs can be preserved for a long time without requiring a special environment such as a culture solution by culturing eggs at a certain temperature while leaving yolk.
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。 Conventionally, there has not been realized a device capable of quantitative evaluation of training skills using actual organisms in a laboratory environment while taking ethical rules into consideration. On the other hand, in the apparatus of the present invention, it is possible to insert a small-diameter forceps into a chicken egg and perform training using tissues, blood vessels, or the like formed inside the egg. Also, by measuring the tip position of the forceps with various sensors, it is possible to efficiently perform training, and in addition, quantitative evaluation of the skill can also be performed. By using chicken eggs in this way, it is possible not only to easily build a wet environment compared to small animals such as rats, but also to greatly reduce the size of the entire device in terms of availability and breeding. It becomes possible.
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。 The wet box of the present invention is for training of minimally invasive surgery in which chicken eggs are housed inside a regular polyhedral container, and the side or ridge portion (frame) of the regular polyhedral container is It is made of biocompatible metal, plastic, ceramics or glass, and the surface portion (the surface portion excluding the frame) is made of a biocompatible oxygen permeable membrane. The inventor of the present invention pays attention to a chicken egg having a structure similar to that of a human circulatory system, and conceived that the wet box containing the egg is applied to a training apparatus for minimally invasive surgery.
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。 The frame of the wet box must be formed of a material that has biocompatibility, does not deform even when an egg is placed, and has a high rigidity that does not cause breakage during handling. Plastics, ceramics or glass are suitable. The metal is preferably titanium or stainless steel, and the plastic is preferably a photocurable resin in terms of ease of processing. The photocurable resin is not particularly limited as long as it can be cured by light such as X-rays, ultraviolet rays, or visible light. For example, acrylic resin, epoxy resin, etc. can be mentioned. The toxicity of the material itself may be removed by heat treatment or the like.
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。 The surface portion is formed of an oxygen permeable membrane having biocompatibility and a certain degree of durability. As the oxygen permeable membrane, known ones can be used, but among them, non-porous plastics that are superior in mechanical strength (shape retention) and oxygen permeability without the risk of contamination from bacteria are preferable. used. Moreover, it is necessary to have durability (viscoelasticity) that cannot be broken when a surgical instrument is inserted. Specifically, fluororesin such as polytetrafluoroethylene, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer, silicon such as polymer mainly composed of polydimethylsiloxane (PDMS) and tris (trimethylsiloxysilyl) styrene System materials are preferred.
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。 The training apparatus or simulator for minimally invasive surgery of the present invention is as shown in FIG. In this simulator, as shown in FIG. 1, a container containing a chicken egg is used as a wet type container, a surgical instrument of several millimeters is inserted, and training using tissues or blood vessels formed inside the egg is performed. Can be done. Further, by measuring the tip position and force information of the forceps using a sensor or the like, training can be performed efficiently and quantitative evaluation of the skill can also be performed. By using chicken eggs in this way, not only can we easily build a wet environment compared to small animals such as rats in terms of availability and breeding, but also the size of the entire system can be greatly reduced. It becomes possible.
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。 The advantages of the simulator according to the present invention are summarized as follows. (1) Since it is a wet type, training and technical evaluation with a high sense of reality (with sensation) can be performed using actual living organisms, even in a special environment. (2) Easy to handle. That is, it can be obtained at a low cost, and since the embryo grows using the yolk as a nutrient source, a special culture solution or the like is unnecessary, and the growth cost is low. In addition, it is easy to handle because of its fast life cycle. (3) In terms of ethics, ethical resistance is less than that of conventional large animals such as pigs and dogs, rats, etc., assuming that experiments are conducted at a stage prior to hatching. (4) The size can be reduced. That is, since eggs are used, training and the like can be performed in a desktop environment. (5) Since the outer shell is transparent, observation can be performed using a normal camera or microscope instead of using an expensive endoscope. (6) Further, in the future, it can be applied and expanded not only in the surgical field, but also in training and technical evaluation in various medical fields such as endoscopy and microsurgery.
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。
The biggest problems when using eggs are the inability to observe the inside directly from the outside of the shell and the vulnerability of the shell. On the other hand, although the technology to transfer the egg contents to an artificial transparent shell (polymer, glass container, etc.) and hatch has been established, the material and rigidity of the shell itself is the insertion of the surgical tool. Because it was not developed for the purpose and operation, there was nothing transparent and capable of inserting a surgical instrument and having sufficient rigidity. The wet box of the present invention is obtained by replacing the contents of an egg with an artificial product having high biocompatibility, transparency and high rigidity. As shown in FIG. 2, the wet box of the present invention is one in which eggs are stored in a regular polyhedral container. By using such a box, it is easy not only to observe the internal state with an external camera and evaluate the blood vessels and organs in the egg, but also to change the posture of the box You will be able to access the location.
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。 In the present invention, a regular polyhedral container used as a wet box container means a container having a regular tetrahedron, cube, regular octahedron, regular dodecahedron, or regular icosahedron. A cubic material is preferable because it is relatively easy to produce.
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。
Conventionally, it is known that the oxygen permeability of a container is the most important for raising a chicken embryo or egg in an artificial container. Here, the oxygen transmission coefficient α of the material used for the wet box can be expressed as α = Vch / τSΔp (Equation 1) (Vc is the total amount of gas passing through the film of thickness h during the time τ) Is expressed as the volume of gas in the standard state, S is the effective transmission area, Δp
Is the difference in the concentration of gas passing through the membrane converted to a pressure difference). In the present invention, in order to satisfy the required specifications of the box, an oxygen permeable membrane that is easy to form and has high transparency and biocompatibility is used.
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=3.0×10−11cm3cm/cm2
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9600mm2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。
For example, the case where PDMS is used as the oxygen permeable membrane will be described below. As a material that satisfies such requirements, PDMS that is easily formed and has high transparency and biocompatibility is often used as a material for the box. The oxygen permeability of PDMS is α = 3.0 × 10 −11 cm 3 cm / cm 2
It is about spA and is known to have a high oxygen permeability. For example, considering that a cubic box with a side of l and a film thickness h as shown in FIG. 2 is produced using PDMS, a chicken egg takes in about 6 L of oxygen in about 21 days until hatching. Assuming that Vc = 286 mL of oxygen needs to be taken up per day, Δp = 101.33 kPa, τ = 86400 s. Moreover, since the volume of the egg is about 50 ml, considering that a box with one side having l = 40 mm is provided with a margin, the surface area S is 9600 mm 2 . Therefore, from the above equation 1, the condition of the thickness h is calculated that h = ατSΔp / Vc is smaller than 0.88 mm. In FIG. 2, 7 indicates a frame, and 8 indicates a surface portion.
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。 On the other hand, in order to increase the oxygen permeability, it is desirable to reduce the thickness as much as possible, but because the Young's modulus of PDMS itself is as low as 100 kPa order, the weight including the contents of the egg cannot be supported and the box shape cannot be maintained. . Therefore, in the present invention, as shown in 7 in FIG. 2, a structure using a photocurable resin having sufficient rigidity is disposed on the side or ridge portion constituting the frame of the container. For example, a hollow structure having a ridge (side or beam) thickness of 4 mm may be designed. Along with this, the surface area for permeating oxygen is reduced by about 40%, so that the actual thickness condition is finally such that the surface portion 8 (oxygen permeable membrane) satisfies the thickness h <0.55 mm. Need to be created.
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。 As a container, it is important to use a container that is transparent and has a certain degree of rigidity and is constructed using a material having an oxygen permeability that allows eggs to grow, and that can freely change its posture in any direction. . It is also important to be able to insert a surgical instrument such as a chestnut and to observe the state with an endoscope or a microscope. Hereinafter, the present invention will be described in detail by way of examples.
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)。
Hereinafter, a wet box manufacturing method will be described. FIG. 3 shows an example of a box manufacturing process. First, a frame shape composed of a photocurable resin is produced using a three-dimensional stereolithography machine (a), and post-baking is performed to remove the toxicity of the resin. Next, a resin for forming an oxygen permeable film on the glass substrate, for example, PDMS is spin coated (b) to form a thin film having a thickness h, which is baked and cured. At this time, the film thickness can be controlled by adjusting the rotation speed and time of the spin coating. Next, a PDMS thin film is attached to the frame to form a box with an open top (c). Then, after filling with water and performing a simple leak test to confirm that there is no leak, sterilization is performed with UV light (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。 On the other hand, sexual eggs are cultured in a thermostat (temperature 39 ° C., humidity 99%) for 2 days, and then transferred to a box sterilized with UV light (e). It is possible to transfer the chicken embryo after it has grown to some extent, but as the growth progresses, blood vessels and other tissues adhere to the inside of the shell, so the transfer takes about 2 days to avoid damage during the transfer. It is preferable to perform the replacement. Finally, the upper part is closed to obtain the wet box of the present invention in a sealed state (f). Thereafter, the culture may be continued in a thermostatic chamber until use. In addition, it is more desirable to arrange oxygen in the lower part of the box so that oxygen is also taken in from the lower part.
[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)。
[Evaluation of wet box]
In order to verify the possibility of long-term culturing in the produced box and the validity of the design method, experiments were conducted in which eggs were cultured with various changes in film thickness. For comparison, an experiment using a conventional plastic wrap was performed in the same manner. The evaluation was performed by counting the number of days in which the heart beat formed in the chicken embryo could be observed. As a result, when the film thickness of PDMS was large, it was confirmed that blood vessels and organs were not formed and embryos did not grow. On the other hand, when an appropriate thickness was set, the culture was successful for a maximum of 10 days. In addition, since the growth using the plastic wrap of the conventional method has progressed for about 10 days, it is considered that the culture can be performed for a longer period by adjusting the experimental conditions such as temperature and contamination management. (If it is about the 10th day, a thick blood vessel has grown to about 0.5 to 1.0 mm, so training or the like can be performed).
[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。
[Applied experiments using minimally invasive surgical instruments]
The experiment was performed using a box (thickness h = 0.4 mm) containing embryos cultured until the seventh day. In the experiment, the box was rotated to determine the insertion position of forceps (2 mm diameter) to access the heart. Thereafter, as shown in FIG. 1, the blood vessels and tissues around the heart were successfully manipulated with forceps while observing the organ with a microscope from above and magnifying the organ. During the operation, the operation could be performed without tearing the box membrane. Moreover, the hole opened by the surgical instrument can be closed again by applying PDMS or the like.
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。 As described above, while observing the wet box of the present invention from the outside, it was confirmed that it was possible to access any part of the chicken embryo by freely rotating it. By measuring the tip trajectory and the like of the forceps, it is possible to implement a system for performing training and evaluation.
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。 Since this simulator uses chicken eggs or embryos, it is suitable for training for minimally invasive surgery of the brain, eyeballs, and joints for treating microvessels and the like. On the other hand, when considering application to procedures involving relatively large organs, such as laparoscopic surgery, the operator treats large organs by using a robot (teleoperation) between the operator and the box. As described above, it is possible to use the haptic sense in an enlarged manner.
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。 Considering that ethical regulations will become stricter globally in the future, it is clear that it will be difficult to conduct domestic animal experiments using large animals, and a sufficient training environment and quantitative evaluation should be established. Is an urgent need. In addition, surgery using endoscopes is performed not only in the surgical field, but also in internal medicine, orthopedics, urology, otolaryngology, and obstetrics and gynecology. Can be applied. In the future, by combining with robots, it can be applied to microsurgery devices and regenerative medicine research in the biotechnology field.
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
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Wet box 2 Endoscope or
Claims (4)
A training apparatus for minimally invasive surgery, wherein the wet box according to any one of claims 1 to 3 is used as a simulated organ.
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