位置検出装置、そのプログラム、モニタリングシステム、及び気管挿管訓練装置
【課題】 撮像装置を使わずに比較的簡単な構造で直視できない部位を視認可能にする。
【解決手段】 本発明の気管挿管訓練装置１０は、舌部３６に喉頭鏡１８のブレード２５が接触した際の押圧力を測定する力センサ４７と、力センサ４７の測定値から舌表面３６Ａの位置を求める位置検出装置１５と、舌表面３６Ａの位置に基づき舌部３６の形状を視覚的に呈示する画像生成装置１６とを備えている。位置検出装置１５は、舌部３６内に仮想の構造体５６が配置されていると仮定し、構造体５６に作用する外力の大きさと舌表面３６Ａ内の各対象点Ｓの位置との関係を表す演算式が予め記憶された記憶手段５３と、力センサ４７の測定値を前記演算式に代入して各対象点Ｓの位置を求める演算手段５４とを備えている。画像生成装置１６では、所定の座標上で各対象点Ｓの位置を繋ぎ合わせることで、舌部３６の形状を表す画像を生成する。
【解決手段】 本発明の気管挿管訓練装置１０は、舌部３６に喉頭鏡１８のブレード２５が接触した際の押圧力を測定する力センサ４７と、力センサ４７の測定値から舌表面３６Ａの位置を求める位置検出装置１５と、舌表面３６Ａの位置に基づき舌部３６の形状を視覚的に呈示する画像生成装置１６とを備えている。位置検出装置１５は、舌部３６内に仮想の構造体５６が配置されていると仮定し、構造体５６に作用する外力の大きさと舌表面３６Ａ内の各対象点Ｓの位置との関係を表す演算式が予め記憶された記憶手段５３と、力センサ４７の測定値を前記演算式に代入して各対象点Ｓの位置を求める演算手段５４とを備えている。画像生成装置１６では、所定の座標上で各対象点Ｓの位置を繋ぎ合わせることで、舌部３６の形状を表す画像を生成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、弾性体の所定部位の位置を力センサの測定値から求める位置検出装置及びそのプログラムに関し、また、位置検出装置で求めた所定部位の位置から当該所定部位の形状を表す画像を生成することで、カメラ等の撮像装置を用いずに、前記弾性体の弾性変形状態や変位状態をモニタリングすることのできるモニタリングシステムに関し、更に、当該モニタリングシステムが適用された気管挿管訓練装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
病気や事故等により意識障害や心肺停止が発生し、また、手術の際に全身麻酔を行うと、それら患者の下顎内の筋肉が弛緩して舌の付根（舌根）が沈下する。その結果、当該患者の口内から肺に至る空気の通路（気道）が一部閉塞してしまい、患者の肺内に空気が供給されなくなってしまう。このような気道閉塞状態では、医師や救急救命士が患者の口から気道内に気管挿管チューブを差し込み、当該気管挿管チューブにより、患者の肺内に強制的に空気を送り込む処置が行われる。この処置は、先ず、側面視ほぼＬ字状の形状をなす喉頭鏡と呼ばれる器具を用い、その先端側に位置するブレードを口内に挿入し、沈下した舌根部分を起こして気道の閉塞部位を持ち上げ、喉頭鏡で口内の状態を確認しながら、口内から気道内に気管挿管チューブを差し込む。ここで、当該気管挿管チューブは、その最先端側に空気の吹出部が設けられたチューブ本体と、前記吹出部よりもやや後側となるチューブ本体の周囲に設けられたカフとを備えている。当該カフは、その内部に注入される空気量に応じて膨張及び収縮が可能となるバルーン状に設けられており、前記吹出部が気道中の適切な気管内位置に達したときに、外側からカフ内に空気が送り込まれて膨張し、当該カフを気管壁に接触させる。そして、この状態で、体外からの空気がチューブ本体内を通って吹出部から気管内に供給される。このとき、チューブ本体の周りにあるカフにより、当該チューブ本体の外側と気管壁との間の隙間が閉塞される。その結果、カフよりも気管内奥側に位置する吹出部から肺方向に供給された空気が、肺の逆側となる口内方向に逆流することを防止でき、併せて、口内に流出した血液や食道からの胃液等の異物が肺内に入り込むことも防止できる。
【０００３】
このような気管挿管処置の際には、一刻を争うことから、気管挿管チューブを瞬時且つ適切に気道に挿入しなければならず、そのためには、日頃からの訓練が不可欠となるが、気管挿管処置には様々な留意点があり、これら留意点を考慮した訓練が必要になる。
【０００４】
例えば、喉頭鏡を使って舌根を起こす際には、当該喉頭鏡の先端側のブレードを舌の適正部位に当てる必要があり、そこを支点として喉頭鏡を回転させることで、舌が上手く持ち上がる。ところが、初心者は、誤った部位を支点として喉頭鏡を回転してしまい、舌を上手く持ち上げられない場合があることから、喉頭鏡の回転支点となる正しい部位を正確に見つけ出して、当該部位にいち早くブレードを当てる訓練が必要になる。また、喉頭鏡で舌を持ち上げる際に、そのブレードが上顎前歯部分に接触して当該歯が折損する事故が発生する場合もあり、喉頭鏡の回転時に、ブレードで上顎前歯部分を押し付けないように訓練する必要もある。
【０００５】
更に、気管挿管チューブの出し入れ時には、当該気管挿管チューブが声帯の中央に形成された隙間を通過することになるが、このとき、気管挿管チューブが声帯に接触することで当該声帯が傷付けられる場合がある。従って、気管挿管チューブを出し入れする際には、声帯との接触に十分注意しながら行わなければならない。
【０００６】
また、気管挿管チューブの最先端側となる吹出部は、気管支よりも手前の気管内部分に配置される必要がある。つまり、吹出部が気管支から分岐した一方の気管内に達してしまうと、片方の肺内しか空気が供給されない片肺状態を招来することになる。従って、気管支の手前となる気管内の適正部分に吹出部を確実に配置する訓練も必要となる。
【０００７】
更に、カフ内に空気を注入する際に、当該カフの膨らみが少ないと、前述したような吹出部からの供給空気の逆流等が生じる。一方、カフの膨らみが多過ぎると、気管壁の粘膜が損傷し、細胞壊死が発生する虞がある。従って、カフを適正な圧力で膨らませる訓練も必要になる。
【０００８】
そこで、本出願人は、医師や救急救命士等が気管挿管訓練を行いながら、前述の様々な留意点を考慮し、気管挿管手技を客観的に評価することができる気管挿管訓練装置を提案している（特許文献１参照）。
【０００９】
この気管挿管訓練装置では、訓練者による気管挿管訓練時に、前記気管挿管チューブ及び前記喉頭鏡からなる気管挿管器具がモデル内の模擬気道に挿入されると、模擬気道内の模擬部位に接触した気管挿管器具の押圧力が力センサで測定されるとともに、気管挿管チューブの先端位置が位置検出センサで測定され、これら各センサの測定値に基づいて評価値を算出するようになっている。
【特許文献１】特開２００８−６４８２４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、前記気管挿管訓練装置では、人体を模擬している関係で、人体同様、モデルの内部に設けられた模擬気道内の状態をモデルの外側から直視できない。このため、気管挿管訓練時に気管挿管器具が模擬気道内に挿入されたときに、当該気管挿管器具の接触による前記模擬部位の弾性変形状態及び変位状態を視認することができない。例えば、前記気管挿管訓練装置では、喉頭鏡のブレードで舌部を起こす喉頭展開手技の際に、ブレードの存在により、舌部の弾性変形状態及び変位状態を直視できない部位があり、ブレードが舌部の適正位置に当たっているか否かを視覚的に確認しにくい。そこで、ブレードが舌部に当たったときの舌部の状態を完全に目視できるようにすると、訓練者の喉頭展開手技の向上に資することになる他、気管挿管訓練に立ち会う指導者にとっては、訓練者への指導が行い易くなり、総じて、気管挿管訓練の効果が更に向上すると考えられる。
【００１１】
そこで、前記気管挿管訓練装置の模擬気道内にカメラ等の撮像装置を設け、当該撮像装置で模擬気道内の状態を撮像し、当該状態を訓練者や指導者がモニタ等の表示装置で目視できるようにすることも可能である。ところが、気管挿管訓練装置は、人体に模擬して形成されているため、口から肺まで延びる模擬気道の形状が複雑で、模擬気道内の状態を完全に目視可能にするためには、多くの撮像装置を様々な角度から口内部や気管部に取り付けなければならない。従って、この場合は、模擬気道内に多くの撮像装置が表出することになり、当該撮像装置が気管挿管訓練時における気管挿管器具の挿入の邪魔になる可能性があり、人体の場合に近い気管挿管訓練が行えなくなるばかりか、装置全体が大型化、複雑化してしまい、装置の製造コストの高騰化をも招来することになる。
【００１２】
本発明は、このような課題に着目して案出されたものであり、その目的は、撮像装置を使わずに、比較的簡単な構造で直視できない部位を視認可能にするための位置検出装置、そのプログラム、モニタリングシステム、及び気管挿管訓練装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
（１）前記目的を達成するため、本発明は、外力が与えられると弾性変形しながら変位する弾性体に設けられた力センサの測定値から、前記弾性体の所定部位の位置を求める位置検出装置であって、
前記弾性体内に仮想の構造体が配置されていると仮定し、当該構造体に作用する外力の大きさと前記所定部位の位置との関係を表す演算式が予め記憶された記憶手段と、
前記外力の大きさとして前記力センサで測定された値を前記演算式に代入して前記位置を求める演算手段とを備える、という構成を採っている。
【００１４】
（２）また、前記構造体は、前記弾性体の実際の変位を模擬して動作可能な仮想リンクと、前記力センサの取り付け位置と前記仮想リンクの間に仮想的に配置され、前記弾性体の実際の弾性変形を模擬した仮想ばねとにより構成される、という構成を採っている。
【００１５】
（３）更に、本発明は、外力が与えられると弾性変形しながら変位する弾性体に設けられた力センサの測定値から、コンピュータを使って前記弾性体の所定部位の位置を求める位置検出装置にインストールされるプログラムであって、
前記弾性体内に仮想の構造体が配置されていると仮定し、当該構造体に作用する外力の大きさと前記所定部位の位置との関係を表す演算式が予め記憶された記憶手段と、
前記外力の大きさとして前記力センサで測定された値を前記演算式に代入して前記位置を求める演算手段として、前記コンピュータを機能させる、という構成を採っている。
【００１６】
（４）また、本発明は、前記位置検出装置と、当該位置検出装置で求めた前記弾性体の所定部位の位置に基づき、当該所定部位の形状を視覚的に呈示する画像生成装置とを備えたモニタリングシステムであって、
前記位置検出装置では、前記弾性体の表面に設定された複数の対象点の位置を求め、
前記画像生成装置では、所定の座標上で前記各対象点の位置を繋ぎ合わせることで、前記所定部位の形状を表す画像を生成する、という構成を採っている。
【００１７】
（５）更に、本発明は、気管挿管器具を使った気管挿管手技の訓練を行うための気管挿管訓練装置において、
生体の気道を模擬して前記気管挿管器具が挿入される模擬気道と、当該模擬気道内に表出する生体の模擬部位と、当該模擬部位に前記気管挿管器具が接触した際の押圧力を測定する力センサと、当該力センサの測定値に応じて気管挿管手技の評価を行う評価装置と、前記力センサの測定値から前記模擬部位の位置を求める位置検出装置と、当該位置検出装置で求めた前記模擬部位の位置に基づき、当該模擬部位の形状を視覚的に呈示する画像生成装置とを備え、
前記位置検出装置は、前記模擬部位内に仮想の構造体が配置されていると仮定し、当該構造体に作用する外力の大きさと前記模擬部位内に設定された複数の対象点の位置との関係を表す演算式が予め記憶された記憶手段と、
前記外力の大きさとして前記力センサで測定された値を前記演算式に代入して前記各対象点の位置を求める演算手段とを備え、
前記画像生成装置では、所定の座標上で前記各対象点の位置を繋ぎ合わせることで、前記模擬部位の形状を表す画像を生成する、という構成を採っている。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、別の用途で使っている力センサを併用しながら弾性体の所定部位の位置を求めることができる。例えば、気管挿管訓練装置では、模擬気道に表出する模擬部位に気管挿管器具が接触したときの押圧力を測定する力センサの測定値から、気管挿管訓練の評価値を算出するのみならず、気管挿管器具の接触によって弾性変形及び変位が生じた模擬部位の位置をも算出することができる。更には、カメラ等の撮像装置を別途配置することなく、既に別の用途で利用している力センサの測定値から模擬部位の状態を表す画像が生成されることから、簡単な装置構成で従来直視できなかった模擬部位の視認が可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００２０】
図１には、本実施形態に係る気管挿管訓練装置の概略構成図が示されている。この図において、気管挿管訓練装置１０は、医師や救急救命士等の訓練者が気管挿管器具１２を使って気管挿管訓練を行い、その訓練の結果、気管挿管手技の評価を行えるようになっている。この気管挿管訓練装置１０は、人体の上半身部分を模擬した外形を有し、気管挿管器具１２を使った気管挿管訓練が行われるモデル１３と、このモデル１３に対して行われた気管挿管手技の評価を行う評価装置１４と、モデル１３内の所定部位の位置を求める位置検出装置１５と、当該位置検出装置１５を用いて前記所定部位の形状を視覚的に呈示する画像生成装置１６とを備えて構成されている。なお、位置検出装置１５と画像生成装置１６は、弾性体によって形成されたモデル１３内の所定部位の弾性変形状態及び変位状態を視認可能にするモニタリングシステムを構成する。
【００２１】
ここで、前記気管挿管器具１２としては、公知の気管挿管チューブ１７及び喉頭鏡１８がある。
【００２２】
前記気管挿管チューブ１７は、空気が通るチューブ本体２０と、このチューブ本体２０の最先端側に設けられた空気の吹出部２１と、当該吹出部２１よりもやや後側のチューブ本体２０の周囲に設けられたカフ２２とを備えている。当該カフ２２は、その内部に外側から空気を注入できるようになっており、当該空気の注入量に応じて膨張及び収縮が可能なバルーン状に設けられている。
【００２３】
前記喉頭鏡１８は、その先端側に側面視ほぼＬ字状のブレード２５を備えている。
【００２４】
前記モデル１３は、人体の表面部分を模擬したカバー２７と、このカバー２７で周囲が被われ、気管挿管訓練に必要となる人体の部位が模擬された模擬体２８とを備えている。
【００２５】
前記模擬体２８は、人体の口部から気管支までの気道構造と口内からの食道構造とが模擬された構造となっている。具体的に、この模擬体２８は、図２に示されるように、人体の頭部に相当する頭部３０と、この頭部３０に回転可能に連なる下顎部３１と、これら頭部３０及び下顎部３１の間に設けられるとともに、図２中上部が開放する口内部３２と、頭部３０の図２中右側の上顎部３３に固定された上顎前歯部３４と、下顎部３１の図２中左側に設けられ、口内部３２内に配置される舌部３６と、この舌部３６の付け根となる口内部３２の奥側の舌根部３７付近に設けられた喉頭蓋部３９と、この喉頭蓋部３９の図２中右隣に設けられた声帯部４１と、声帯部４１を介して口内部３２に連なる気管部４３と、この気管部４３の図２中下側に配置されて口内部３２に連なる食道部４４とを備えている。ここで、口内部３２及び気管部４３の内部空間は、人体の気道を模擬した模擬気道を構成する。また、上顎前歯部３４、舌部３６、舌根部３７、喉頭蓋部３９及び気管部４３は、前記模擬気道内に表出する人体の模擬部位を構成する。
【００２６】
前記上顎前歯部３４には、口内部３２側となる表面の複数箇所に、前記評価装置１４に繋がる力センサ４６が設けられており、この力センサ４６では、上顎前歯部３４の表面に作用した外力の大きさが測定される。
【００２７】
前記舌部３６は、人間の舌に近い弾性を有する弾性体により、当該舌に近い形状に形成されており、舌表面３６Ａ側から外力が与えられると、当該外力に応じて弾性変形しながら舌根部３７側を支点にして変位可能になっている。また、舌部３６には、前記評価装置１４及び前記位置検出装置１５に繋がる力センサ４７が設けられており、この力センサ４７では、舌表面３６Ａに作用した外力の大きさが測定される。この力センサ４７は、特に限定されるものではないが、図３及び図４に示されるように、舌表面３６Ａ側の表層部分に埋設され、図４中左右方向５列に整列配置され、各列それぞれ同図中上下方向（舌部３６の前後方向）に９個ずつ固定されている。
【００２８】
前記声帯部４１には、図２に示されるように、前記評価装置１４（図１参照）に繋がる力センサ４８が設けられており、この力センサ４８では、声帯部４１に作用した外力の大きさが測定される。
【００２９】
前記気管部４３には、その内壁面の複数箇所に、評価装置１４に繋がる力センサ４９及び位置検出センサ５０が設けられている。ここでの力センサ４９では、気管部４３の内壁に作用した外力の大きさが測定され、位置検出センサ５０では、当該位置検出センサ５０が設けられた気管部４３内の位置に気管挿管チューブ１７の先端側の吹出部２１が存在するか否がセンシングされる。
【００３０】
前記食道部４４の内壁面には、評価装置１４に繋がる位置検出センサ５１が設けられており、この位置検出センサ５１では、気管挿管チューブ１７の食道部４４内への侵入が検出される。
【００３１】
なお、以上の各センサ４６〜５１としては、本出願人が提案した前記特許文献１に開示された構造のものが採用されているが、本発明はこれに限らず、力センサ４６〜４９については、各力センサ４６〜４９が取り付けられた部位に付加された外力の大きさを測定可能となる限りにおいて、他の圧力センサ（感圧センサ）等に代替することも可能である。また、位置検出センサ５０，５１についても、本実施形態と同様の位置検出ができる限りにおいて、他の構造のセンサに代替可能である。
【００３２】
前記評価装置１４、前記位置検出装置１５、及び前記画像生成装置１６は、一台若しくは複数台のコンピュータにより構成されており、プロセッサ、メモリ、ハードディスク、複数のプログラムモジュール及び処理回路等からなり、コンピュータを以下のように機能させるプログラムがインストールされている。
【００３３】
前記評価装置１４は、前記各力センサ４６〜４９及び各位置検出センサ５０，５１からの測定値に基づいて、予め記憶された評価関数を使って気管挿管手技の評価値を算出するようになっている。この評価値の算出は、前記特許文献１に開示された手法が採用されており、また、本発明の本質でないため、ここでは詳細な説明を省略する。
【００３４】
前記位置検出装置１５は、舌部３６に設けられた力センサ４７の測定値に基づき、舌表面３６Ａ（所定部位）の位置を求めるようになっている。すなわち、気管挿管訓練時に、訓練者は、喉頭鏡１８のブレード２５を口内部３２に差し込み、図３に示されるように、当該ブレード２５を舌表面３６Ａに当てながら舌部３６を同図中上方に持ち上げて、口内部３２側から気管部４３の開口端４３Ａを開放させる喉頭展開手技を行うが、このときに、弾性変形しながら変位した舌部３６の表面位置が位置検出装置１５で求められることになる。
【００３５】
前記位置検出装置１５は、舌部３６に設けられた４５個の力センサ４７でそれぞれ測定された外力の大きさと当該各力センサ４７が取り付けられた舌表面３６Ａの対象点Ｓの位置との関係を表す演算式が予め記憶された記憶手段５３（図１参照）と、力センサ４７の測定値を前記演算式に代入して対象点Ｓの位置を求める演算手段５４（図１参照）とを備えている。
【００３６】
前記演算式は、図４及び図５に示される仮想の構造体５６が舌部３６内に配置されていると仮定し、当該構造体５６を使って、舌部３６の対象点Ｓに作用する外力ｆと当該対象点Ｓの位置（座標）との関係を力学的に導出したものである。なお、本演算式で用いられる座標系は、所定地点を原点とする図５のｘ−ｙ座標系が用いられ、図５中紙面直交方向の座標（ｚ軸）は考慮されない。また、以下の説明の便宜上、図５中の各対象点Ｓのうち、舌部３６の最も先端側に位置する対象点Ｓを対象点Ｓ１とし、喉頭蓋部３９側となる基端側に向かって順に対象点Ｓ２〜Ｓ９とする。また、各対象点Ｓ１〜Ｓ９にそれぞれ作用する外力ｆの大きさをｆ１〜ｆ９とし、対象点Ｓの下付き数字と同一の下付き数字が付加された外力ｆが、該当する対象点Ｓに作用する外力ｆの大きさを意味する。
【００３７】
前記構造体５６は、図４中一点鎖線で示されるように、舌表面３６Ａの５箇所でそれぞれ前後方向（同図中上下方向）に延びており、各力センサ４７の下方となる舌部３６内に存在すると仮定される。
【００３８】
前記各構造体５６は、それぞれ同一の構造となっており、図５に示されるように、外力ｆが作用したときの舌部３６の変位を模擬して動作可能な構造の仮想リンク５８と、この仮想リンク５８の複数箇所に取り付けられた仮想ばね５９とを備えて構成されている。なお、構造体５６としては、必要に応じてダンパ要素を付加することもできる。
【００３９】
前記仮想リンク５８は、弾性変形しない剛体からなる第１、第２、第３及び第４の棒状体６１，６２，６３，６４と、これら第１〜第４の各棒状体６１〜６４を回転可能に連結する第１、第２及び第３の連結点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３とからなる。
【００４０】
前記第１〜第３の棒状体６１〜６３は、相互に等しい長さとされ、舌部３６の先端側から基端側となる喉頭蓋部３９側に向かって順に接続される。また、第４の棒状体６４は、喉頭蓋部３９の内部に延びるように第３の棒状体６３に接続されている。
【００４１】
前記各連結点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３では、各棒状体６１〜６４を舌部３６の上下方向（図５中紙面に沿う方向）のみに回転させるようになっており、当該回転に対して同図中矢印方向に付勢する回転用ばね６５が設けられているとする。この回転用ばね６５は、舌部３６に外力が付加されてない場合、第１〜第３の棒状体６１〜６３が相互に所定の角度で連なった初期状態になるように設定される。
【００４２】
前記仮想ばね５９は、力センサ４７が取り付けられた対象点Ｓ１〜Ｓ９と第１〜第３の棒状体６１〜６３との間にそれぞれ配置された表面連結ばね６８と、前記ｘ−ｙ座標系のｘ軸方向に沿って、第３の連結点Ｐ３から仮想固定端６９に延びる第１の支持ばね７０と、同ｙ軸方向に沿って、第３の連結点Ｐ３から仮想固定端７１に延びる第２の支持ばね７２とからなる。
【００４３】
前記表面連結ばね６８は、対象点Ｓ１〜Ｓ３から第１の棒状体６１に接続され、対象点Ｓ４〜Ｓ６から第２の棒状体６２に接続され、対象点Ｓ７〜Ｓ９から第３の棒状体６３に接続されている。ここで、対象点Ｓ１から延びる表面連結ばね６８は、第１の連結点Ｐ１までの距離が第１の棒状体６１の５／６の長さとなる第１の棒状体６１の位置に取り付けられており、対象点Ｓ２から延びる表面連結ばね６８は、第１の連結点Ｐ１までの距離が第１の棒状体６１の１／２の長さとなる第１の棒状体６１の位置に取り付けられており、対象点Ｓ３から延びる表面連結ばね６８は、第１の連結点Ｐ１までの距離が第１の棒状体６１の１／６の長さとなる第１の棒状体６１の位置に取り付けられている。同様に、対象点Ｓ４〜Ｓ６から延びる表面連結ばね６８は、第２の連結点Ｐ２までの距離が第２の棒状体６２の５／６、１／２、１／６の長さとなる第２の棒状体６２の位置にそれぞれ取り付けられている。また、対象点Ｓ７〜Ｓ９から延びる表面連結ばね６８は、第３の連結点Ｐ３までの距離が第３の棒状体６３の５／６、１／２、１／６の長さとなる第３の棒状体６３の位置にそれぞれ取り付けられている。また、各表面連結ばね６８は、第１〜第３の棒状体６１〜６３に対して全て９０度の角度で固定されているとする。
【００４４】
前記演算式は、以下の各式によって構成される。
【００４５】
先ず、図５に示されるように、第１の棒状体６１に対する第２の棒状体６２の相対角度を第１の角度θ１とし、第２の棒状体６２に対する第３の棒状体６３の相対角度を第２の角度θ２とし、ｙ軸に対する第３の棒状体６３の角度を第３の角度θ３とする。そして、各対象点Ｓ１〜Ｓ９に外力が加わっていない初期状態における第１、第２及び第３の角度θ１，θ２，θ３は、予め設定された定数Ａ１，Ａ２，Ａ３とする。
【００４６】
そして、第１〜第３の連結点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３の回りのモーメントＭ１，Ｍ２，Ｍ３と、各対象点Ｓ１〜Ｓ９に外力ｆ１〜ｆ９が作用したときにおける第１、第２及び第３の角度θ１，θ２，θ３は、次の通りである。ここで、第１〜第３の棒状体６１〜６３の長さを予め設定された一定値ｌとし、第１の連結点Ｐ１に設けられた回転用ばね６５のばね定数をｋ１、第２の連結点Ｐ２に設けられた回転用ばね６５のばね定数をｋ２、第３の連結点Ｐ３に設けられた回転用ばね６５のばね定数をｋ３とする。これらばね定数ｋ１，ｋ２，ｋ３は、予め設定された一定値とする。
【数１】
【００４７】
次に、各対象点Ｓ１〜Ｓ９に外力ｆ１〜ｆ９が作用したときに、第１〜第３の連結点Ｐ１〜Ｐ３の前記ｘ−ｙ座標系における位置は、次の通りである。ここで、第１の連結点Ｐ１の座標を（ｘ１，ｙ１）とし、第２の連結点Ｐ２の座標を（ｘ２，ｙ２）とし、第３の連結点Ｐ３の座標を（ｘ３，ｙ３）とする。また、前記初期状態における第３の連結点Ｐ３の座標は、予め設定された一定値（ａ，ｂ）とする。また、第１の支持ばね７０のばね定数をｋ４、第２の支持ばね７２のばね定数をｋ５とする。これらばね定数ｋ４，ｋ５も、予め設定された一定値とする。
【数２】
【００４８】
更に、各対象点Ｓ１〜Ｓ９に外力ｆ１〜ｆ９が作用したときに、各対象点Ｓ１〜Ｓ９と第１〜第３の棒状体６１〜６３との最短距離ｌｎ（ｎ＝１〜９の整数）は、次の通りである。ここで、各表面連結ばね６８のばね定数をＫｎ（ｎ＝１〜９の整数）とし、前記初期状態における各表面連結ばね６８の長さをＬｎ（ｎ＝１〜９の整数）とし、これらばね定数Ｋｎとばね長さＬｎは、予め設定された一定値とする。なお、ここでの下付き文字ｎは、各対象点Ｓ１〜Ｓ９の下付き数字に対応しており、例えば、対象点Ｓ１では、外力ｆ１、最短距離ｌ１、ばね定数Ｋ１、ばね長さＬ１になり、対象点Ｓ９では、外力ｆ９、最短距離ｌ９、ばね定数Ｋ９、ばね長さＬ９になるという意味である。
【数３】
【００４９】
そして、各対象点Ｓ１〜Ｓ９に外力ｆ１〜ｆ９が作用したときの各対象点Ｓ１〜Ｓ９の座標は、次の通りである。ここで、対象点Ｓ１の座標を（ｘＳ１，ｙＳ１）とし、対象点Ｓ２の座標を（ｘＳ２，ｙＳ２）とし、対象点Ｓ３の座標を（ｘＳ３，ｙＳ３）とし、対象点Ｓ４の座標を（ｘＳ４，ｙＳ４）とし、対象点Ｓ５の座標を（ｘＳ５，ｙＳ５）とし、対象点Ｓ６の座標を（ｘＳ６，ｙＳ６）とし、対象点Ｓ７の座標を（ｘＳ７，ｙＳ７）とし、対象点Ｓ８の座標を（ｘＳ８，ｙＳ８）とし、対象点Ｓ9の座標を（ｘＳ９，ｙＳ９）とする。
【数４】
【００５０】
前記演算手段５４では、各対象点Ｓ１〜Ｓ９に作用した外力ｆ１〜ｆ９が力センサ４７で測定されると、記憶手段５３に記憶された前述の数式を使って、各対象点Ｓ１〜Ｓ９の座標（ｘＳ１，ｙＳ１）〜（ｘＳ９，ｙＳ９）が求められることになる。
【００５１】
前記画像生成装置１６では、５個の各構造体５６について、位置検出装置１５により各対象点Ｓ１〜Ｓ９の座標（ｘＳ１，ｙＳ１）〜（ｘＳ９，ｙＳ９）がそれぞれ求められると、スプライン補間法等の公知の手法により、各対象点Ｓが繋ぎ合わされ、舌部３６の外形形状が推定される。そして、当該推定に基づいて舌部３６の３Ｄグラフィックス画像が形成され、当該画像が図示省略したモニタ等の表示装置に呈示される。その結果、訓練者や指導者は、訓練時における舌部３６の実際の弾性変形及び変位に相当する形状の３Ｄグラフィックス画像を目視しながら、喉頭展開手技の様子を目で確認することができる。
【００５２】
従って、このような実施形態によれば、訓練時における舌部３６の実際の弾性変形及び変位を撮像するカメラ等の撮像装置を用いなくても、気管挿管手技評価に用いる力センサ４７を併用することで、前記弾性変形及び変位に相当する３Ｄグラフィックス画像を訓練者及び指導者に呈示することができる。その結果、このような画像呈示機能を従来の気管挿管訓練装置に新たに追加しても、必要最小限の装置構成の追加で済み、装置全体の大型化や複雑化を回避することができる。
【００５３】
なお、前記実施形態では、舌部３６の３Ｄグラフィックス画像を生成したが、外力が与えられると弾性変形しながら変位する弾性体からなるその他の模擬部位についても、前記実施形態のように構造体５６を仮想的に配置し、外力が与えられたときの前記模擬部位の位置を力学的に求め、当該位置に基づき、前記模擬部位の３Ｄグラフィックス画像を生成してもよい。例えば、気管挿管チューブ１７のカフ２２が気管部４３の内壁を押圧したときに、当該内壁部分の弾性変形及び変位を表現する３Ｄグラフィックス画像の生成も可能である。
【００５４】
また、前記位置検出装置１５は、３Ｄグラフィックス画像を生成するための利用に限らず、弾性変形及び変位を伴う弾性体の位置を求める必要がある他の用途にも利用できる。
【００５５】
更に、前記位置検出装置１５及び画像生成装置１６は、気管挿管訓練装置１０への適用に限らず、単独利用若しくは他の装置への適用も可能である。
【００５６】
その他、本発明における装置各部の構成は図示構成例に限定されるものではなく、実質的に同様の作用を奏する限りにおいて、種々の変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本実施形態に係る気管挿管訓練装置の概略構成図。
【図２】模擬体の拡大断面図。
【図３】舌部の概略側面図。
【図４】舌部の概略正面図。
【図５】舌部内に仮想的に配置された構造体の構成を説明するための拡大側面図。
【符号の説明】
【００５８】
１０ 気管挿管訓練装置
１２ 気管挿管器具
１４ 評価装置
１５ 位置検出装置
１６ 画像生成装置
３２ 口内部（模擬気道）
３４ 上顎前歯部（模擬部位）
３６ 舌部（弾性体、模擬部位）
３６Ａ 舌表面（所定部位）
３７ 舌根部（模擬部位）
３９ 喉頭蓋部（模擬部位）
４１ 声帯部（模擬部位）
４３ 気管部（模擬気道）
４４ 食道部（模擬食道）
４７ 力センサ
５３ 記憶手段
５４ 演算手段
５６ 構造体
５８ 仮想リンク
５９ 仮想ばね
Ｓ 対象点
【技術分野】
【０００１】
本発明は、弾性体の所定部位の位置を力センサの測定値から求める位置検出装置及びそのプログラムに関し、また、位置検出装置で求めた所定部位の位置から当該所定部位の形状を表す画像を生成することで、カメラ等の撮像装置を用いずに、前記弾性体の弾性変形状態や変位状態をモニタリングすることのできるモニタリングシステムに関し、更に、当該モニタリングシステムが適用された気管挿管訓練装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
病気や事故等により意識障害や心肺停止が発生し、また、手術の際に全身麻酔を行うと、それら患者の下顎内の筋肉が弛緩して舌の付根（舌根）が沈下する。その結果、当該患者の口内から肺に至る空気の通路（気道）が一部閉塞してしまい、患者の肺内に空気が供給されなくなってしまう。このような気道閉塞状態では、医師や救急救命士が患者の口から気道内に気管挿管チューブを差し込み、当該気管挿管チューブにより、患者の肺内に強制的に空気を送り込む処置が行われる。この処置は、先ず、側面視ほぼＬ字状の形状をなす喉頭鏡と呼ばれる器具を用い、その先端側に位置するブレードを口内に挿入し、沈下した舌根部分を起こして気道の閉塞部位を持ち上げ、喉頭鏡で口内の状態を確認しながら、口内から気道内に気管挿管チューブを差し込む。ここで、当該気管挿管チューブは、その最先端側に空気の吹出部が設けられたチューブ本体と、前記吹出部よりもやや後側となるチューブ本体の周囲に設けられたカフとを備えている。当該カフは、その内部に注入される空気量に応じて膨張及び収縮が可能となるバルーン状に設けられており、前記吹出部が気道中の適切な気管内位置に達したときに、外側からカフ内に空気が送り込まれて膨張し、当該カフを気管壁に接触させる。そして、この状態で、体外からの空気がチューブ本体内を通って吹出部から気管内に供給される。このとき、チューブ本体の周りにあるカフにより、当該チューブ本体の外側と気管壁との間の隙間が閉塞される。その結果、カフよりも気管内奥側に位置する吹出部から肺方向に供給された空気が、肺の逆側となる口内方向に逆流することを防止でき、併せて、口内に流出した血液や食道からの胃液等の異物が肺内に入り込むことも防止できる。
【０００３】
このような気管挿管処置の際には、一刻を争うことから、気管挿管チューブを瞬時且つ適切に気道に挿入しなければならず、そのためには、日頃からの訓練が不可欠となるが、気管挿管処置には様々な留意点があり、これら留意点を考慮した訓練が必要になる。
【０００４】
例えば、喉頭鏡を使って舌根を起こす際には、当該喉頭鏡の先端側のブレードを舌の適正部位に当てる必要があり、そこを支点として喉頭鏡を回転させることで、舌が上手く持ち上がる。ところが、初心者は、誤った部位を支点として喉頭鏡を回転してしまい、舌を上手く持ち上げられない場合があることから、喉頭鏡の回転支点となる正しい部位を正確に見つけ出して、当該部位にいち早くブレードを当てる訓練が必要になる。また、喉頭鏡で舌を持ち上げる際に、そのブレードが上顎前歯部分に接触して当該歯が折損する事故が発生する場合もあり、喉頭鏡の回転時に、ブレードで上顎前歯部分を押し付けないように訓練する必要もある。
【０００５】
更に、気管挿管チューブの出し入れ時には、当該気管挿管チューブが声帯の中央に形成された隙間を通過することになるが、このとき、気管挿管チューブが声帯に接触することで当該声帯が傷付けられる場合がある。従って、気管挿管チューブを出し入れする際には、声帯との接触に十分注意しながら行わなければならない。
【０００６】
また、気管挿管チューブの最先端側となる吹出部は、気管支よりも手前の気管内部分に配置される必要がある。つまり、吹出部が気管支から分岐した一方の気管内に達してしまうと、片方の肺内しか空気が供給されない片肺状態を招来することになる。従って、気管支の手前となる気管内の適正部分に吹出部を確実に配置する訓練も必要となる。
【０００７】
更に、カフ内に空気を注入する際に、当該カフの膨らみが少ないと、前述したような吹出部からの供給空気の逆流等が生じる。一方、カフの膨らみが多過ぎると、気管壁の粘膜が損傷し、細胞壊死が発生する虞がある。従って、カフを適正な圧力で膨らませる訓練も必要になる。
【０００８】
そこで、本出願人は、医師や救急救命士等が気管挿管訓練を行いながら、前述の様々な留意点を考慮し、気管挿管手技を客観的に評価することができる気管挿管訓練装置を提案している（特許文献１参照）。
【０００９】
この気管挿管訓練装置では、訓練者による気管挿管訓練時に、前記気管挿管チューブ及び前記喉頭鏡からなる気管挿管器具がモデル内の模擬気道に挿入されると、模擬気道内の模擬部位に接触した気管挿管器具の押圧力が力センサで測定されるとともに、気管挿管チューブの先端位置が位置検出センサで測定され、これら各センサの測定値に基づいて評価値を算出するようになっている。
【特許文献１】特開２００８−６４８２４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、前記気管挿管訓練装置では、人体を模擬している関係で、人体同様、モデルの内部に設けられた模擬気道内の状態をモデルの外側から直視できない。このため、気管挿管訓練時に気管挿管器具が模擬気道内に挿入されたときに、当該気管挿管器具の接触による前記模擬部位の弾性変形状態及び変位状態を視認することができない。例えば、前記気管挿管訓練装置では、喉頭鏡のブレードで舌部を起こす喉頭展開手技の際に、ブレードの存在により、舌部の弾性変形状態及び変位状態を直視できない部位があり、ブレードが舌部の適正位置に当たっているか否かを視覚的に確認しにくい。そこで、ブレードが舌部に当たったときの舌部の状態を完全に目視できるようにすると、訓練者の喉頭展開手技の向上に資することになる他、気管挿管訓練に立ち会う指導者にとっては、訓練者への指導が行い易くなり、総じて、気管挿管訓練の効果が更に向上すると考えられる。
【００１１】
そこで、前記気管挿管訓練装置の模擬気道内にカメラ等の撮像装置を設け、当該撮像装置で模擬気道内の状態を撮像し、当該状態を訓練者や指導者がモニタ等の表示装置で目視できるようにすることも可能である。ところが、気管挿管訓練装置は、人体に模擬して形成されているため、口から肺まで延びる模擬気道の形状が複雑で、模擬気道内の状態を完全に目視可能にするためには、多くの撮像装置を様々な角度から口内部や気管部に取り付けなければならない。従って、この場合は、模擬気道内に多くの撮像装置が表出することになり、当該撮像装置が気管挿管訓練時における気管挿管器具の挿入の邪魔になる可能性があり、人体の場合に近い気管挿管訓練が行えなくなるばかりか、装置全体が大型化、複雑化してしまい、装置の製造コストの高騰化をも招来することになる。
【００１２】
本発明は、このような課題に着目して案出されたものであり、その目的は、撮像装置を使わずに、比較的簡単な構造で直視できない部位を視認可能にするための位置検出装置、そのプログラム、モニタリングシステム、及び気管挿管訓練装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
（１）前記目的を達成するため、本発明は、外力が与えられると弾性変形しながら変位する弾性体に設けられた力センサの測定値から、前記弾性体の所定部位の位置を求める位置検出装置であって、
前記弾性体内に仮想の構造体が配置されていると仮定し、当該構造体に作用する外力の大きさと前記所定部位の位置との関係を表す演算式が予め記憶された記憶手段と、
前記外力の大きさとして前記力センサで測定された値を前記演算式に代入して前記位置を求める演算手段とを備える、という構成を採っている。
【００１４】
（２）また、前記構造体は、前記弾性体の実際の変位を模擬して動作可能な仮想リンクと、前記力センサの取り付け位置と前記仮想リンクの間に仮想的に配置され、前記弾性体の実際の弾性変形を模擬した仮想ばねとにより構成される、という構成を採っている。
【００１５】
（３）更に、本発明は、外力が与えられると弾性変形しながら変位する弾性体に設けられた力センサの測定値から、コンピュータを使って前記弾性体の所定部位の位置を求める位置検出装置にインストールされるプログラムであって、
前記弾性体内に仮想の構造体が配置されていると仮定し、当該構造体に作用する外力の大きさと前記所定部位の位置との関係を表す演算式が予め記憶された記憶手段と、
前記外力の大きさとして前記力センサで測定された値を前記演算式に代入して前記位置を求める演算手段として、前記コンピュータを機能させる、という構成を採っている。
【００１６】
（４）また、本発明は、前記位置検出装置と、当該位置検出装置で求めた前記弾性体の所定部位の位置に基づき、当該所定部位の形状を視覚的に呈示する画像生成装置とを備えたモニタリングシステムであって、
前記位置検出装置では、前記弾性体の表面に設定された複数の対象点の位置を求め、
前記画像生成装置では、所定の座標上で前記各対象点の位置を繋ぎ合わせることで、前記所定部位の形状を表す画像を生成する、という構成を採っている。
【００１７】
（５）更に、本発明は、気管挿管器具を使った気管挿管手技の訓練を行うための気管挿管訓練装置において、
生体の気道を模擬して前記気管挿管器具が挿入される模擬気道と、当該模擬気道内に表出する生体の模擬部位と、当該模擬部位に前記気管挿管器具が接触した際の押圧力を測定する力センサと、当該力センサの測定値に応じて気管挿管手技の評価を行う評価装置と、前記力センサの測定値から前記模擬部位の位置を求める位置検出装置と、当該位置検出装置で求めた前記模擬部位の位置に基づき、当該模擬部位の形状を視覚的に呈示する画像生成装置とを備え、
前記位置検出装置は、前記模擬部位内に仮想の構造体が配置されていると仮定し、当該構造体に作用する外力の大きさと前記模擬部位内に設定された複数の対象点の位置との関係を表す演算式が予め記憶された記憶手段と、
前記外力の大きさとして前記力センサで測定された値を前記演算式に代入して前記各対象点の位置を求める演算手段とを備え、
前記画像生成装置では、所定の座標上で前記各対象点の位置を繋ぎ合わせることで、前記模擬部位の形状を表す画像を生成する、という構成を採っている。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、別の用途で使っている力センサを併用しながら弾性体の所定部位の位置を求めることができる。例えば、気管挿管訓練装置では、模擬気道に表出する模擬部位に気管挿管器具が接触したときの押圧力を測定する力センサの測定値から、気管挿管訓練の評価値を算出するのみならず、気管挿管器具の接触によって弾性変形及び変位が生じた模擬部位の位置をも算出することができる。更には、カメラ等の撮像装置を別途配置することなく、既に別の用途で利用している力センサの測定値から模擬部位の状態を表す画像が生成されることから、簡単な装置構成で従来直視できなかった模擬部位の視認が可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００２０】
図１には、本実施形態に係る気管挿管訓練装置の概略構成図が示されている。この図において、気管挿管訓練装置１０は、医師や救急救命士等の訓練者が気管挿管器具１２を使って気管挿管訓練を行い、その訓練の結果、気管挿管手技の評価を行えるようになっている。この気管挿管訓練装置１０は、人体の上半身部分を模擬した外形を有し、気管挿管器具１２を使った気管挿管訓練が行われるモデル１３と、このモデル１３に対して行われた気管挿管手技の評価を行う評価装置１４と、モデル１３内の所定部位の位置を求める位置検出装置１５と、当該位置検出装置１５を用いて前記所定部位の形状を視覚的に呈示する画像生成装置１６とを備えて構成されている。なお、位置検出装置１５と画像生成装置１６は、弾性体によって形成されたモデル１３内の所定部位の弾性変形状態及び変位状態を視認可能にするモニタリングシステムを構成する。
【００２１】
ここで、前記気管挿管器具１２としては、公知の気管挿管チューブ１７及び喉頭鏡１８がある。
【００２２】
前記気管挿管チューブ１７は、空気が通るチューブ本体２０と、このチューブ本体２０の最先端側に設けられた空気の吹出部２１と、当該吹出部２１よりもやや後側のチューブ本体２０の周囲に設けられたカフ２２とを備えている。当該カフ２２は、その内部に外側から空気を注入できるようになっており、当該空気の注入量に応じて膨張及び収縮が可能なバルーン状に設けられている。
【００２３】
前記喉頭鏡１８は、その先端側に側面視ほぼＬ字状のブレード２５を備えている。
【００２４】
前記モデル１３は、人体の表面部分を模擬したカバー２７と、このカバー２７で周囲が被われ、気管挿管訓練に必要となる人体の部位が模擬された模擬体２８とを備えている。
【００２５】
前記模擬体２８は、人体の口部から気管支までの気道構造と口内からの食道構造とが模擬された構造となっている。具体的に、この模擬体２８は、図２に示されるように、人体の頭部に相当する頭部３０と、この頭部３０に回転可能に連なる下顎部３１と、これら頭部３０及び下顎部３１の間に設けられるとともに、図２中上部が開放する口内部３２と、頭部３０の図２中右側の上顎部３３に固定された上顎前歯部３４と、下顎部３１の図２中左側に設けられ、口内部３２内に配置される舌部３６と、この舌部３６の付け根となる口内部３２の奥側の舌根部３７付近に設けられた喉頭蓋部３９と、この喉頭蓋部３９の図２中右隣に設けられた声帯部４１と、声帯部４１を介して口内部３２に連なる気管部４３と、この気管部４３の図２中下側に配置されて口内部３２に連なる食道部４４とを備えている。ここで、口内部３２及び気管部４３の内部空間は、人体の気道を模擬した模擬気道を構成する。また、上顎前歯部３４、舌部３６、舌根部３７、喉頭蓋部３９及び気管部４３は、前記模擬気道内に表出する人体の模擬部位を構成する。
【００２６】
前記上顎前歯部３４には、口内部３２側となる表面の複数箇所に、前記評価装置１４に繋がる力センサ４６が設けられており、この力センサ４６では、上顎前歯部３４の表面に作用した外力の大きさが測定される。
【００２７】
前記舌部３６は、人間の舌に近い弾性を有する弾性体により、当該舌に近い形状に形成されており、舌表面３６Ａ側から外力が与えられると、当該外力に応じて弾性変形しながら舌根部３７側を支点にして変位可能になっている。また、舌部３６には、前記評価装置１４及び前記位置検出装置１５に繋がる力センサ４７が設けられており、この力センサ４７では、舌表面３６Ａに作用した外力の大きさが測定される。この力センサ４７は、特に限定されるものではないが、図３及び図４に示されるように、舌表面３６Ａ側の表層部分に埋設され、図４中左右方向５列に整列配置され、各列それぞれ同図中上下方向（舌部３６の前後方向）に９個ずつ固定されている。
【００２８】
前記声帯部４１には、図２に示されるように、前記評価装置１４（図１参照）に繋がる力センサ４８が設けられており、この力センサ４８では、声帯部４１に作用した外力の大きさが測定される。
【００２９】
前記気管部４３には、その内壁面の複数箇所に、評価装置１４に繋がる力センサ４９及び位置検出センサ５０が設けられている。ここでの力センサ４９では、気管部４３の内壁に作用した外力の大きさが測定され、位置検出センサ５０では、当該位置検出センサ５０が設けられた気管部４３内の位置に気管挿管チューブ１７の先端側の吹出部２１が存在するか否がセンシングされる。
【００３０】
前記食道部４４の内壁面には、評価装置１４に繋がる位置検出センサ５１が設けられており、この位置検出センサ５１では、気管挿管チューブ１７の食道部４４内への侵入が検出される。
【００３１】
なお、以上の各センサ４６〜５１としては、本出願人が提案した前記特許文献１に開示された構造のものが採用されているが、本発明はこれに限らず、力センサ４６〜４９については、各力センサ４６〜４９が取り付けられた部位に付加された外力の大きさを測定可能となる限りにおいて、他の圧力センサ（感圧センサ）等に代替することも可能である。また、位置検出センサ５０，５１についても、本実施形態と同様の位置検出ができる限りにおいて、他の構造のセンサに代替可能である。
【００３２】
前記評価装置１４、前記位置検出装置１５、及び前記画像生成装置１６は、一台若しくは複数台のコンピュータにより構成されており、プロセッサ、メモリ、ハードディスク、複数のプログラムモジュール及び処理回路等からなり、コンピュータを以下のように機能させるプログラムがインストールされている。
【００３３】
前記評価装置１４は、前記各力センサ４６〜４９及び各位置検出センサ５０，５１からの測定値に基づいて、予め記憶された評価関数を使って気管挿管手技の評価値を算出するようになっている。この評価値の算出は、前記特許文献１に開示された手法が採用されており、また、本発明の本質でないため、ここでは詳細な説明を省略する。
【００３４】
前記位置検出装置１５は、舌部３６に設けられた力センサ４７の測定値に基づき、舌表面３６Ａ（所定部位）の位置を求めるようになっている。すなわち、気管挿管訓練時に、訓練者は、喉頭鏡１８のブレード２５を口内部３２に差し込み、図３に示されるように、当該ブレード２５を舌表面３６Ａに当てながら舌部３６を同図中上方に持ち上げて、口内部３２側から気管部４３の開口端４３Ａを開放させる喉頭展開手技を行うが、このときに、弾性変形しながら変位した舌部３６の表面位置が位置検出装置１５で求められることになる。
【００３５】
前記位置検出装置１５は、舌部３６に設けられた４５個の力センサ４７でそれぞれ測定された外力の大きさと当該各力センサ４７が取り付けられた舌表面３６Ａの対象点Ｓの位置との関係を表す演算式が予め記憶された記憶手段５３（図１参照）と、力センサ４７の測定値を前記演算式に代入して対象点Ｓの位置を求める演算手段５４（図１参照）とを備えている。
【００３６】
前記演算式は、図４及び図５に示される仮想の構造体５６が舌部３６内に配置されていると仮定し、当該構造体５６を使って、舌部３６の対象点Ｓに作用する外力ｆと当該対象点Ｓの位置（座標）との関係を力学的に導出したものである。なお、本演算式で用いられる座標系は、所定地点を原点とする図５のｘ−ｙ座標系が用いられ、図５中紙面直交方向の座標（ｚ軸）は考慮されない。また、以下の説明の便宜上、図５中の各対象点Ｓのうち、舌部３６の最も先端側に位置する対象点Ｓを対象点Ｓ１とし、喉頭蓋部３９側となる基端側に向かって順に対象点Ｓ２〜Ｓ９とする。また、各対象点Ｓ１〜Ｓ９にそれぞれ作用する外力ｆの大きさをｆ１〜ｆ９とし、対象点Ｓの下付き数字と同一の下付き数字が付加された外力ｆが、該当する対象点Ｓに作用する外力ｆの大きさを意味する。
【００３７】
前記構造体５６は、図４中一点鎖線で示されるように、舌表面３６Ａの５箇所でそれぞれ前後方向（同図中上下方向）に延びており、各力センサ４７の下方となる舌部３６内に存在すると仮定される。
【００３８】
前記各構造体５６は、それぞれ同一の構造となっており、図５に示されるように、外力ｆが作用したときの舌部３６の変位を模擬して動作可能な構造の仮想リンク５８と、この仮想リンク５８の複数箇所に取り付けられた仮想ばね５９とを備えて構成されている。なお、構造体５６としては、必要に応じてダンパ要素を付加することもできる。
【００３９】
前記仮想リンク５８は、弾性変形しない剛体からなる第１、第２、第３及び第４の棒状体６１，６２，６３，６４と、これら第１〜第４の各棒状体６１〜６４を回転可能に連結する第１、第２及び第３の連結点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３とからなる。
【００４０】
前記第１〜第３の棒状体６１〜６３は、相互に等しい長さとされ、舌部３６の先端側から基端側となる喉頭蓋部３９側に向かって順に接続される。また、第４の棒状体６４は、喉頭蓋部３９の内部に延びるように第３の棒状体６３に接続されている。
【００４１】
前記各連結点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３では、各棒状体６１〜６４を舌部３６の上下方向（図５中紙面に沿う方向）のみに回転させるようになっており、当該回転に対して同図中矢印方向に付勢する回転用ばね６５が設けられているとする。この回転用ばね６５は、舌部３６に外力が付加されてない場合、第１〜第３の棒状体６１〜６３が相互に所定の角度で連なった初期状態になるように設定される。
【００４２】
前記仮想ばね５９は、力センサ４７が取り付けられた対象点Ｓ１〜Ｓ９と第１〜第３の棒状体６１〜６３との間にそれぞれ配置された表面連結ばね６８と、前記ｘ−ｙ座標系のｘ軸方向に沿って、第３の連結点Ｐ３から仮想固定端６９に延びる第１の支持ばね７０と、同ｙ軸方向に沿って、第３の連結点Ｐ３から仮想固定端７１に延びる第２の支持ばね７２とからなる。
【００４３】
前記表面連結ばね６８は、対象点Ｓ１〜Ｓ３から第１の棒状体６１に接続され、対象点Ｓ４〜Ｓ６から第２の棒状体６２に接続され、対象点Ｓ７〜Ｓ９から第３の棒状体６３に接続されている。ここで、対象点Ｓ１から延びる表面連結ばね６８は、第１の連結点Ｐ１までの距離が第１の棒状体６１の５／６の長さとなる第１の棒状体６１の位置に取り付けられており、対象点Ｓ２から延びる表面連結ばね６８は、第１の連結点Ｐ１までの距離が第１の棒状体６１の１／２の長さとなる第１の棒状体６１の位置に取り付けられており、対象点Ｓ３から延びる表面連結ばね６８は、第１の連結点Ｐ１までの距離が第１の棒状体６１の１／６の長さとなる第１の棒状体６１の位置に取り付けられている。同様に、対象点Ｓ４〜Ｓ６から延びる表面連結ばね６８は、第２の連結点Ｐ２までの距離が第２の棒状体６２の５／６、１／２、１／６の長さとなる第２の棒状体６２の位置にそれぞれ取り付けられている。また、対象点Ｓ７〜Ｓ９から延びる表面連結ばね６８は、第３の連結点Ｐ３までの距離が第３の棒状体６３の５／６、１／２、１／６の長さとなる第３の棒状体６３の位置にそれぞれ取り付けられている。また、各表面連結ばね６８は、第１〜第３の棒状体６１〜６３に対して全て９０度の角度で固定されているとする。
【００４４】
前記演算式は、以下の各式によって構成される。
【００４５】
先ず、図５に示されるように、第１の棒状体６１に対する第２の棒状体６２の相対角度を第１の角度θ１とし、第２の棒状体６２に対する第３の棒状体６３の相対角度を第２の角度θ２とし、ｙ軸に対する第３の棒状体６３の角度を第３の角度θ３とする。そして、各対象点Ｓ１〜Ｓ９に外力が加わっていない初期状態における第１、第２及び第３の角度θ１，θ２，θ３は、予め設定された定数Ａ１，Ａ２，Ａ３とする。
【００４６】
そして、第１〜第３の連結点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３の回りのモーメントＭ１，Ｍ２，Ｍ３と、各対象点Ｓ１〜Ｓ９に外力ｆ１〜ｆ９が作用したときにおける第１、第２及び第３の角度θ１，θ２，θ３は、次の通りである。ここで、第１〜第３の棒状体６１〜６３の長さを予め設定された一定値ｌとし、第１の連結点Ｐ１に設けられた回転用ばね６５のばね定数をｋ１、第２の連結点Ｐ２に設けられた回転用ばね６５のばね定数をｋ２、第３の連結点Ｐ３に設けられた回転用ばね６５のばね定数をｋ３とする。これらばね定数ｋ１，ｋ２，ｋ３は、予め設定された一定値とする。
【数１】
【００４７】
次に、各対象点Ｓ１〜Ｓ９に外力ｆ１〜ｆ９が作用したときに、第１〜第３の連結点Ｐ１〜Ｐ３の前記ｘ−ｙ座標系における位置は、次の通りである。ここで、第１の連結点Ｐ１の座標を（ｘ１，ｙ１）とし、第２の連結点Ｐ２の座標を（ｘ２，ｙ２）とし、第３の連結点Ｐ３の座標を（ｘ３，ｙ３）とする。また、前記初期状態における第３の連結点Ｐ３の座標は、予め設定された一定値（ａ，ｂ）とする。また、第１の支持ばね７０のばね定数をｋ４、第２の支持ばね７２のばね定数をｋ５とする。これらばね定数ｋ４，ｋ５も、予め設定された一定値とする。
【数２】
【００４８】
更に、各対象点Ｓ１〜Ｓ９に外力ｆ１〜ｆ９が作用したときに、各対象点Ｓ１〜Ｓ９と第１〜第３の棒状体６１〜６３との最短距離ｌｎ（ｎ＝１〜９の整数）は、次の通りである。ここで、各表面連結ばね６８のばね定数をＫｎ（ｎ＝１〜９の整数）とし、前記初期状態における各表面連結ばね６８の長さをＬｎ（ｎ＝１〜９の整数）とし、これらばね定数Ｋｎとばね長さＬｎは、予め設定された一定値とする。なお、ここでの下付き文字ｎは、各対象点Ｓ１〜Ｓ９の下付き数字に対応しており、例えば、対象点Ｓ１では、外力ｆ１、最短距離ｌ１、ばね定数Ｋ１、ばね長さＬ１になり、対象点Ｓ９では、外力ｆ９、最短距離ｌ９、ばね定数Ｋ９、ばね長さＬ９になるという意味である。
【数３】
【００４９】
そして、各対象点Ｓ１〜Ｓ９に外力ｆ１〜ｆ９が作用したときの各対象点Ｓ１〜Ｓ９の座標は、次の通りである。ここで、対象点Ｓ１の座標を（ｘＳ１，ｙＳ１）とし、対象点Ｓ２の座標を（ｘＳ２，ｙＳ２）とし、対象点Ｓ３の座標を（ｘＳ３，ｙＳ３）とし、対象点Ｓ４の座標を（ｘＳ４，ｙＳ４）とし、対象点Ｓ５の座標を（ｘＳ５，ｙＳ５）とし、対象点Ｓ６の座標を（ｘＳ６，ｙＳ６）とし、対象点Ｓ７の座標を（ｘＳ７，ｙＳ７）とし、対象点Ｓ８の座標を（ｘＳ８，ｙＳ８）とし、対象点Ｓ9の座標を（ｘＳ９，ｙＳ９）とする。
【数４】
【００５０】
前記演算手段５４では、各対象点Ｓ１〜Ｓ９に作用した外力ｆ１〜ｆ９が力センサ４７で測定されると、記憶手段５３に記憶された前述の数式を使って、各対象点Ｓ１〜Ｓ９の座標（ｘＳ１，ｙＳ１）〜（ｘＳ９，ｙＳ９）が求められることになる。
【００５１】
前記画像生成装置１６では、５個の各構造体５６について、位置検出装置１５により各対象点Ｓ１〜Ｓ９の座標（ｘＳ１，ｙＳ１）〜（ｘＳ９，ｙＳ９）がそれぞれ求められると、スプライン補間法等の公知の手法により、各対象点Ｓが繋ぎ合わされ、舌部３６の外形形状が推定される。そして、当該推定に基づいて舌部３６の３Ｄグラフィックス画像が形成され、当該画像が図示省略したモニタ等の表示装置に呈示される。その結果、訓練者や指導者は、訓練時における舌部３６の実際の弾性変形及び変位に相当する形状の３Ｄグラフィックス画像を目視しながら、喉頭展開手技の様子を目で確認することができる。
【００５２】
従って、このような実施形態によれば、訓練時における舌部３６の実際の弾性変形及び変位を撮像するカメラ等の撮像装置を用いなくても、気管挿管手技評価に用いる力センサ４７を併用することで、前記弾性変形及び変位に相当する３Ｄグラフィックス画像を訓練者及び指導者に呈示することができる。その結果、このような画像呈示機能を従来の気管挿管訓練装置に新たに追加しても、必要最小限の装置構成の追加で済み、装置全体の大型化や複雑化を回避することができる。
【００５３】
なお、前記実施形態では、舌部３６の３Ｄグラフィックス画像を生成したが、外力が与えられると弾性変形しながら変位する弾性体からなるその他の模擬部位についても、前記実施形態のように構造体５６を仮想的に配置し、外力が与えられたときの前記模擬部位の位置を力学的に求め、当該位置に基づき、前記模擬部位の３Ｄグラフィックス画像を生成してもよい。例えば、気管挿管チューブ１７のカフ２２が気管部４３の内壁を押圧したときに、当該内壁部分の弾性変形及び変位を表現する３Ｄグラフィックス画像の生成も可能である。
【００５４】
また、前記位置検出装置１５は、３Ｄグラフィックス画像を生成するための利用に限らず、弾性変形及び変位を伴う弾性体の位置を求める必要がある他の用途にも利用できる。
【００５５】
更に、前記位置検出装置１５及び画像生成装置１６は、気管挿管訓練装置１０への適用に限らず、単独利用若しくは他の装置への適用も可能である。
【００５６】
その他、本発明における装置各部の構成は図示構成例に限定されるものではなく、実質的に同様の作用を奏する限りにおいて、種々の変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本実施形態に係る気管挿管訓練装置の概略構成図。
【図２】模擬体の拡大断面図。
【図３】舌部の概略側面図。
【図４】舌部の概略正面図。
【図５】舌部内に仮想的に配置された構造体の構成を説明するための拡大側面図。
【符号の説明】
【００５８】
１０ 気管挿管訓練装置
１２ 気管挿管器具
１４ 評価装置
１５ 位置検出装置
１６ 画像生成装置
３２ 口内部（模擬気道）
３４ 上顎前歯部（模擬部位）
３６ 舌部（弾性体、模擬部位）
３６Ａ 舌表面（所定部位）
３７ 舌根部（模擬部位）
３９ 喉頭蓋部（模擬部位）
４１ 声帯部（模擬部位）
４３ 気管部（模擬気道）
４４ 食道部（模擬食道）
４７ 力センサ
５３ 記憶手段
５４ 演算手段
５６ 構造体
５８ 仮想リンク
５９ 仮想ばね
Ｓ 対象点
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外力が与えられると弾性変形しながら変位する弾性体に設けられた力センサの測定値から、前記弾性体の所定部位の位置を求める位置検出装置であって、
前記弾性体内に仮想の構造体が配置されていると仮定し、当該構造体に作用する外力の大きさと前記所定部位の位置との関係を表す演算式が予め記憶された記憶手段と、
前記外力の大きさとして前記力センサで測定された値を前記演算式に代入して前記位置を求める演算手段とを備えたことを特徴とする位置検出装置。
【請求項２】
前記構造体は、前記弾性体の実際の変位を模擬して動作可能な仮想リンクと、前記力センサの取り付け位置と前記仮想リンクの間に仮想的に配置され、前記弾性体の実際の弾性変形を模擬した仮想ばねとにより構成されていることを特徴とする請求項１記載の位置検出装置。
【請求項３】
外力が与えられると弾性変形しながら変位する弾性体に設けられた力センサの測定値から、コンピュータを使って前記弾性体の所定部位の位置を求める位置検出装置にインストールされるプログラムであって、
前記弾性体内に仮想の構造体が配置されていると仮定し、当該構造体に作用する外力の大きさと前記所定部位の位置との関係を表す演算式が予め記憶された記憶手段と、
前記外力の大きさとして前記力センサで測定された値を前記演算式に代入して前記位置を求める演算手段として、前記コンピュータを機能させることを特徴とする位置検出装置のプログラム。
【請求項４】
請求項１又は２に記載された位置検出装置と、当該位置検出装置で求めた前記弾性体の所定部位の位置に基づき、当該所定部位の形状を視覚的に呈示する画像生成装置とを備えたモニタリングシステムであって、
前記位置検出装置では、前記弾性体の表面に設定された複数の対象点の位置を求め、
前記画像生成装置では、所定の座標上で前記各対象点の位置を繋ぎ合わせることで、前記所定部位の形状を表す画像を生成することを特徴とするモニタリングシステム。
【請求項５】
気管挿管器具を使った気管挿管手技の訓練を行うための気管挿管訓練装置において、
生体の気道を模擬して前記気管挿管器具が挿入される模擬気道と、当該模擬気道内に表出する生体の模擬部位と、当該模擬部位に前記気管挿管器具が接触した際の押圧力を測定する力センサと、当該力センサの測定値に応じて気管挿管手技の評価を行う評価装置と、前記力センサの測定値から前記模擬部位の位置を求める位置検出装置と、当該位置検出装置で求めた前記模擬部位の位置に基づき、当該模擬部位の形状を視覚的に呈示する画像生成装置とを備え、
前記位置検出装置は、前記模擬部位内に仮想の構造体が配置されていると仮定し、当該構造体に作用する外力の大きさと前記模擬部位内に設定された複数の対象点の位置との関係を表す演算式が予め記憶された記憶手段と、
前記外力の大きさとして前記力センサで測定された値を前記演算式に代入して前記各対象点の位置を求める演算手段とを備え、
前記画像生成装置では、所定の座標上で前記各対象点の位置を繋ぎ合わせることで、前記模擬部位の形状を表す画像を生成することを特徴とする気管挿管訓練装置。
【請求項１】
外力が与えられると弾性変形しながら変位する弾性体に設けられた力センサの測定値から、前記弾性体の所定部位の位置を求める位置検出装置であって、
前記弾性体内に仮想の構造体が配置されていると仮定し、当該構造体に作用する外力の大きさと前記所定部位の位置との関係を表す演算式が予め記憶された記憶手段と、
前記外力の大きさとして前記力センサで測定された値を前記演算式に代入して前記位置を求める演算手段とを備えたことを特徴とする位置検出装置。
【請求項２】
前記構造体は、前記弾性体の実際の変位を模擬して動作可能な仮想リンクと、前記力センサの取り付け位置と前記仮想リンクの間に仮想的に配置され、前記弾性体の実際の弾性変形を模擬した仮想ばねとにより構成されていることを特徴とする請求項１記載の位置検出装置。
【請求項３】
外力が与えられると弾性変形しながら変位する弾性体に設けられた力センサの測定値から、コンピュータを使って前記弾性体の所定部位の位置を求める位置検出装置にインストールされるプログラムであって、
前記弾性体内に仮想の構造体が配置されていると仮定し、当該構造体に作用する外力の大きさと前記所定部位の位置との関係を表す演算式が予め記憶された記憶手段と、
前記外力の大きさとして前記力センサで測定された値を前記演算式に代入して前記位置を求める演算手段として、前記コンピュータを機能させることを特徴とする位置検出装置のプログラム。
【請求項４】
請求項１又は２に記載された位置検出装置と、当該位置検出装置で求めた前記弾性体の所定部位の位置に基づき、当該所定部位の形状を視覚的に呈示する画像生成装置とを備えたモニタリングシステムであって、
前記位置検出装置では、前記弾性体の表面に設定された複数の対象点の位置を求め、
前記画像生成装置では、所定の座標上で前記各対象点の位置を繋ぎ合わせることで、前記所定部位の形状を表す画像を生成することを特徴とするモニタリングシステム。
【請求項５】
気管挿管器具を使った気管挿管手技の訓練を行うための気管挿管訓練装置において、
生体の気道を模擬して前記気管挿管器具が挿入される模擬気道と、当該模擬気道内に表出する生体の模擬部位と、当該模擬部位に前記気管挿管器具が接触した際の押圧力を測定する力センサと、当該力センサの測定値に応じて気管挿管手技の評価を行う評価装置と、前記力センサの測定値から前記模擬部位の位置を求める位置検出装置と、当該位置検出装置で求めた前記模擬部位の位置に基づき、当該模擬部位の形状を視覚的に呈示する画像生成装置とを備え、
前記位置検出装置は、前記模擬部位内に仮想の構造体が配置されていると仮定し、当該構造体に作用する外力の大きさと前記模擬部位内に設定された複数の対象点の位置との関係を表す演算式が予め記憶された記憶手段と、
前記外力の大きさとして前記力センサで測定された値を前記演算式に代入して前記各対象点の位置を求める演算手段とを備え、
前記画像生成装置では、所定の座標上で前記各対象点の位置を繋ぎ合わせることで、前記模擬部位の形状を表す画像を生成することを特徴とする気管挿管訓練装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１０−８５６８７（Ｐ２０１０−８５６８７Ａ）
【公開日】平成２２年４月１５日（２０１０．４．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２５４３２８（Ｐ２００８−２５４３２８）
【出願日】平成２０年９月３０日（２００８．９．３０）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１８〜２０年度、文部科学省 地域科学技術振興事業費補助金に係る委託研究（知的クラスター創成事業「岐阜・大垣地域ロボティック先端医療クラスター」）、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（８９９００００６８）学校法人早稲田大学 (602)
【出願人】（５９１１７９６３９）株式会社京都科学 (10)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年４月１５日（２０１０．４．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年９月３０日（２００８．９．３０）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１８〜２０年度、文部科学省 地域科学技術振興事業費補助金に係る委託研究（知的クラスター創成事業「岐阜・大垣地域ロボティック先端医療クラスター」）、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（８９９００００６８）学校法人早稲田大学 (602)
【出願人】（５９１１７９６３９）株式会社京都科学 (10)
【Ｆターム（参考）】
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