特許 7032763 手術訓練装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-03-01

(45)【発行日】2022-03-09

(54)【発明の名称】手術訓練装置

(51)【国際特許分類】

   G09B 23/32 20060101AFI20220302BHJP

   G09B 9/00 20060101ALI20220302BHJP

【ＦＩ】

G09B23/32

G09B9/00 Z

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2018123642

(22)【出願日】2018-06-28

(65)【公開番号】P2019086759

(43)【公開日】2019-06-06

【審査請求日】2020-09-30

(31)【優先権主張番号】P 2017214424

(32)【優先日】2017-11-07

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000241463

【氏名又は名称】豊田合成株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】508195545

【氏名又は名称】イービーエム株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100105957

【弁理士】

【氏名又は名称】恩田 誠

(74)【代理人】

【識別番号】100068755

【弁理士】

【氏名又は名称】恩田 博宣

(72)【発明者】

【氏名】藤原 武史

(72)【発明者】

【氏名】島田 雅俊

(72)【発明者】

【氏名】加藤 サラ

(72)【発明者】

【氏名】松田 大輔

(72)【発明者】

【氏名】朴 栄光

【審査官】比嘉 翔一

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１０－１０９１２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－０８６８６４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－１２２１３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－２０２２６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－０８５５７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２００５－５２５１７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】心臓外科手術訓練シミュレータの世界展開，産学官連携ジャーナル，2013年06月15日，Ｖｏｌ．９，Ｎ０．６，Ｐ．４－６，https://www.jst.go.jp/tt/journal/journal_contents/before2015/pdf/2013/1306-all.pdf

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０９Ｂ １／００－ ９／５６

Ｇ０９Ｂ１７／００－１９／２６

Ｇ０９Ｂ２３／００－２９／１４

Ａ６１Ｂ １／００－９０／９８

ＪＳＴＰｌｕｓ（ＪＤｒｅａｍ３）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

伸縮動作する生体組織を対象とした手術の訓練に用いられ、当該生体組織を模擬した模擬体を、当該伸縮動作を模擬した態様にて動作させる駆動装置と、前記駆動装置の駆動態様を制御する制御装置とを備えた手術訓練装置であって、
前記駆動装置は、電場応答性高分子アクチュエータを備え、
複数の前記駆動装置を備え、
前記駆動装置の各々は、前記模擬体の互いに異なる箇所に対して力を作用させる、
手術訓練装置。

【請求項2】

前記電場応答性高分子アクチュエータはシート状をなしており、
前記電場応答性高分子アクチュエータには、その面に直交する方向に沿って延びるとともに前記模擬体に対して力を作用させる出力部材が設けられている、
請求項１に記載の手術訓練装置。

【請求項3】

脈動する血管を対象とした手術の訓練に用いられ、当該血管を模擬した模擬血管を、当該脈動を模擬した態様にて動作させる駆動装置と、前記駆動装置の駆動態様を制御する制御装置とを備えた手術訓練装置であって、
前記駆動装置は、電場応答性高分子アクチュエータを備え、
複数の前記駆動装置を備え、
前記駆動装置の各々は、前記模擬血管の互いに異なる箇所に対して力を作用させる、
手術訓練装置。

【請求項4】

前記模擬血管が固定された台座を備え、
前記電場応答性高分子アクチュエータは、シート状をなしており、前記台座に固定されている、
請求項３に記載の手術訓練装置。

【請求項5】

前記電場応答性高分子アクチュエータは、柔軟なシート状をなしており、
前記模擬体は、柔軟なシート状をなしており、前記電場応答性高分子アクチュエータに重ね合わされた状態で支持されている、
請求項１に記載の手術訓練装置。

【請求項6】

前記電場応答性高分子アクチュエータの周囲が枠部材により支持されている、
請求項５に記載の手術訓練装置。

【請求項7】

前記模擬体全体が、前記電場応答性高分子アクチュエータ上に重ね合わされた状態で支持されている、
請求項５または請求項６に記載の手術訓練装置。

【請求項8】

前記電場応答性高分子アクチュエータは、誘電エラストマーからなる誘電層及び導電エラストマーからなるとともに前記誘電層を挟む電極層をそれぞれ有し、同一面上に配置された複数の駆動層と、複数の前記駆動層をそれらの厚さ方向の両側から挟むとともに複数の前記駆動層に共通の絶縁層とを備える誘電アクチュエータであり、
前記模擬体は、互いに隣り合う複数の前記駆動層に跨る態様にて前記絶縁層上に設けられている、
請求項５～請求項７のいずれか一項に記載の手術訓練装置。

【請求項9】

前記電場応答性高分子アクチュエータは、誘電エラストマーからなる誘電層と、導電エラストマーからなり、前記誘電層を挟む電極層とを有する誘電アクチュエータである、
請求項１～請求項７のいずれか一項に記載の手術訓練装置。

【請求項10】

前記誘電層は、架橋されたポリロタキサンを含有してなる、
請求項８または請求項９に記載の手術訓練装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、手術訓練装置に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、拍動下での冠動脈バイパス手術の訓練に用いられる外科手術訓練装置が開示されている。
この外科手術訓練装置は、模擬血管を含む模擬体と、模擬体を保持する保持体と、保持体を動作可能に支持する支持体と、保持体及び支持体を連結するワイヤと、保持体の動作を制御する制御ユニットとを備えている。ワイヤは、発熱により収縮可能となるＴｉ－Ｎｉ系またはＴｉ－Ｎｉ－Ｃｕ系の形状記憶合金により形成されている。制御ユニットは、ワイヤに対して供給される電流の供給状態を変化させることでワイヤの形状の変化を伴って保持体の動作制御を行う。

【0003】

このような従来の外科手術訓練装置によれば、保持体により保持された模擬体を６０～１００ＢＰＭ（Beats Per Minute）で動作させることができる。これは、一般的な成人の安静時の心拍数に対応している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２００９－１２２１３０号公報

【文献】特許第４３２６０１１号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ところで、例えば子供の心拍数は約１５０ＢＰＭと一般的な成人に比べて高いことから、子供を対象とする手術は難易度が高く、手術訓練の必要性も高い。しかしながら、特許文献１に記載の外科手術訓練装置は、保持体を動作させるアクチュエータとして、形状記憶合金により形成されたワイヤを用いているため、通電を開始してからワイヤが温度上昇するまで、あるいは通電を遮断してからワイヤが温度低下するまでに要する時間が長い。そのため、保持体の動作速度、すなわち応答性が低く、子供などの心拍数の高い患者を模擬した手術訓練に対応できない。

【0006】

なお、こうした問題は、拍動下での冠動脈バイパス手術の訓練装置に限られるものではなく、伸縮動作するその他の生体組織を対象とした手術や、脈動する血管を対象とした手術の訓練装置においても同様にして生じる。

【0007】

本発明の目的は、多用なバリエーションの手術訓練に対応可能な手術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】

【0008】

上記目的を達成するための手術訓練装置は、伸縮動作する生体組織を対象とした手術の訓練に用いられ、当該生体組織を模擬した模擬体を、当該伸縮動作を模擬した態様にて動作させる駆動装置と、前記駆動装置の駆動態様を制御する制御装置とを備えたものであり、前記駆動装置は、電場応答性高分子アクチュエータを備える。

【0009】

同構成によれば、制御装置により駆動装置への通電態様が制御されることで、駆動装置の駆動態様が制御され、模擬体の動作が制御される。
ここで、上記構成によれば、駆動装置が電場応答性高分子アクチュエータを備えているため、形状記憶合金からなる従来のアクチュエータに比べて、模擬体の動作速度、すなわち応答性を高めることができ、子供などの心拍数の高い患者を模擬した手術訓練に対応できるようになる。したがって、多用なバリエーションの手術訓練に対応することが可能となる。

【0010】

上記手術訓練装置において、複数の前記駆動装置を備え、前記駆動装置の各々は、前記模擬体の互いに異なる箇所に対して力を作用させることが好ましい。
同構成によれば、複数の駆動装置が模擬体の互いに異なる箇所に対して力を作用させるため、制御装置により各駆動装置の動作態様を互いに異ならせるようにすれば、模擬体を複雑なパターンで動作させることができるようになる。したがって、模擬体の動作を生体組織の実際の伸縮動作に近づけることができる。

【0011】

上記手術訓練装置において、前記電場応答性高分子アクチュエータはシート状をなしており、前記電場応答性高分子アクチュエータには、その面に直交する方向に沿って延びるとともに前記模擬体に対して力を作用させる出力部材が設けられていることが好ましい。

【0012】

同構成によれば、出力部材により模擬体に対して力を作用させる位置を適宜設定することにより、模擬体の動作態様を容易に変更することができる。
上記手術訓練装置において、脈動する血管を対象とした手術の訓練に用いられ、当該血管を模擬した模擬血管を、当該脈動を模擬した態様にて動作させる駆動装置と、前記駆動装置の駆動態様を制御する制御装置とを備えたものであり、前記駆動装置は、電場応答性高分子アクチュエータを備える。

【0013】

同構成によれば、制御装置により駆動装置への通電態様が制御されることで、駆動装置の駆動態様が制御され、模擬血管の動作が制御される。このため、脈動する血管を対象とした手術訓練に対応できるようになる。特に、駆動装置が電場応答性高分子アクチュエータを備えているため、模擬血管の動作速度、すなわち応答性を高めることができ、子供などの脈拍数の高い患者を模擬した手術訓練に対応できるようになる。したがって、多用なバリエーションの手術訓練に対応することが可能となる。

【0014】

上記手術訓練装置において、前記模擬血管が固定された台座を備え、前記電場応答性高分子アクチュエータは、シート状をなしており、前記台座に固定されていることが好ましい。

【0015】

同構成によれば、シート状の電場応答性高分子アクチュエータを介して台座が伸縮するとともに、台座に固定された模擬血管が伸縮するようになる。したがって、脈動を模擬した態様にて模擬血管を容易に動作させることができる。

【0016】

上記手術訓練装置において、前記電場応答性高分子アクチュエータは、柔軟なシート状をなしており、前記模擬体は、柔軟なシート状をなしており、前記電場応答性高分子アクチュエータ上に重ね合わされた状態で支持されていることが好ましい。

【0017】

模擬体が厚く、硬い場合には、動作中の模擬体の一部をピンセットで押えるなどすると、模擬体全体の動作が抑制されることとなる。そのため、模擬体の動作を生体組織の実際の伸縮運動に近づけることができないおそれがある。

【0018】

この点、上記構成によれば、電場応答性高分子アクチュエータ及び模擬体が共に柔軟なシート状をなしており、且つ模擬体が電場応答性高分子アクチュエータ上に重ね合わされた状態で支持されている。このため、動作中の模擬体の一部をピンセットで押えた場合であっても、模擬体のその他の部分が柔軟なシート状をなす電場応答性高分子アクチュエータと共に動作し続けることとなる。また、模擬体をピンセットで押えた力により電場応答性高分子アクチュエータが伸びることで、模擬体に対して力が加えられる箇所が移動する。したがって、模擬体の動作を生体組織の実際の伸縮動作に近づけることができる。

【0019】

上記手術訓練装置において、前記電場応答性高分子アクチュエータの周囲が枠部材により支持されていることが好ましい。
上記手術訓練装置において、前記模擬体全体が、前記電場応答性高分子アクチュエータ上に重ね合わされた状態で支持されていることが好ましい。

【0020】

同構成によれば、模擬体のいずれの箇所をピンセットで押えた場合であっても、その他の部分が柔軟なシート状をなす電場応答性高分子アクチュエータと共に動作し続けることとなる。したがって、模擬体の動作を生体組織の実際の伸縮動作に一層近づけることができる。

【0021】

上記手術訓練装置において、前記電場応答性高分子アクチュエータは、誘電エラストマーからなる誘電層及び導電エラストマーからなるとともに前記誘電層を挟む電極層をそれぞれ有し、同一面上に配置された複数の駆動層と、複数の前記駆動層をそれらの厚さ方向の両側から挟むとともに複数の前記駆動層に共通の絶縁層とを備える誘電アクチュエータであり、前記模擬体は、互いに隣り合う複数の前記駆動層に跨る態様にて前記絶縁層上に設けられていることが好ましい。

【0022】

同構成によれば、複数の駆動層が模擬体の互いに異なる箇所に対して各別に力を作用させることが可能となる。このため、制御装置により各駆動層の動作態様を互いに異ならせるようにすれば、模擬体を複雑なパターンで動作させることができるようになる。したがって、模擬体の動作を生体組織の実際の伸縮動作に近づけることができる。

【0023】

上記手術訓練装置において、前記電場応答性高分子アクチュエータは、誘電エラストマーからなる誘電層と、導電エラストマーからなり、前記誘電層を挟む電極層とを有する誘電アクチュエータであることが好ましい。

【0024】

同構成によれば、簡単な構成により、模擬体を安定して動作させる駆動装置を具現化することができる。
上記手術訓練装置において、前記誘電層は、架橋されたポリロタキサンを含有してなることが好ましい。

【0025】

同構成によれば、誘電アクチュエータがスライドリングマテリアルにより構成されているため、誘電アクチュエータが変形する際のヒステリシスロスがほとんどない。これにより、模擬体や模擬血管の動作の再現性を向上させることができる。また、スライドリングマテリアルでは、架橋点が自由に動くことから、誘電アクチュエータの耐久性を高めることができる。したがって、各駆動装置の耐久性を向上させることができる。

【発明の効果】

【0026】

本発明によれば、多用なバリエーションの手術訓練に対応することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0027】

【図1】手術訓練装置の第１実施形態の側面図。

【図2】図１の２－２線に沿った断面図であって、同実施形態における各駆動装置の位置関係を示す図。

【図3】同実施形態における模擬体の斜視図。

【図4】同実施形態における１つの駆動装置の断面図。

【図5】同実施形態の駆動装置を構成する誘電アクチュエータの拡大断面図。

【図6】同実施形態の誘電アクチュエータの電気回路図。

【図7】同実施形態の各駆動装置及び制御装置の概略図。

【図8】第２実施形態における模擬体の斜視図。

【図9】図８の９－９線に沿った断面図。

【図10】第３実施形態における手術訓練装置の斜視図。

【図11】図１０の１１－１１線に沿った断面図。

【図12】同実施形態の誘電アクチュエータの平面図。

【図13】図１２の１３－１３線に沿った断面図。

【発明を実施するための形態】

【0028】

＜第１実施形態＞
以下、図１～図７を参照して、第１実施形態について説明する。
本実施形態の手術訓練装置は、心臓血管の吻合手術、より詳しくは、拍動下での冠動脈バイパス手術の訓練に用いられるものであり、上部に開口を有するケース（図示略）内に設けられる。

【0029】

図１に示すように、ケースの底壁４０には、支持機構１０が固定されている。
支持機構１０は、底壁４０から上方に向けて延びる筒状の脚部材１１、脚部材１１の上部に設けられた筒状の下側部材１２、下側部材１２の上部に設けられた上側部材１３、及び上側部材１３の上部に固定された平面視略正方形状の支持プレート１５を備えている。

【0030】

脚部材１１の上部は、下側部材１２の下部開口を通じてその内部に挿入されている。このことにより、下側部材１２は脚部材１１に対して昇降可能とされている。なお、下側部材１２には、脚部材１１に対して下側部材１２を固定するためのねじ（図示略）が設けられている。

【0031】

上側部材１３の下端には球状部１３ａが一体に設けられており、この球状部１３ａが下側部材１２の内部において転動可能に支持されている。このことにより、上側部材１３は、下側部材１２に対して球状部１３ａを中心に傾動可能とされている。すなわち、下側部材１２及び上側部材１３によってユニバーサルジョイント１４が構成されている。なお、下側部材１２には、下側部材１２に対して上側部材１３を固定するためのねじ（図示略）が設けられている。

【0032】

図１及び図２に示すように、支持プレート１５上には、心臓の一部を模擬した模擬体５０を、心臓の伸縮動作、すなわち拍動を模擬した態様にて動作させる３つの駆動装置２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃが固定されている。

【0033】

各駆動装置２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃは、上方に向けて延びる出力軸としてのボルト２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃを備えている。
各ボルト２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃの上端には、平面視略長方形状の保持プレート１６が固定されている。この保持プレート１６の上面に上記模擬体５０が固定されている。

【0034】

図１及び図３に示すように、模擬体５０は、訓練対象となる生体組織の一部、詳しくは、冠動脈が表出する心臓表面の一部分を模擬したものである。
図３に示すように、模擬体５０は、略直方体状をなす模擬心筋５１と、模擬心筋５１の上面における幅方向の中央部に固定され、模擬心筋５１の長手方向に沿って延びる円筒状の模擬血管５２とを有している。模擬心筋５１及び模擬血管５２はいずれもシリコーンエラストマーなどの弾性部材により形成されている。

【0035】

本実施形態における冠動脈バイパス手術の訓練では、この模擬血管５２の途中部分を切開し、切開部分に他の模擬血管（図示略）の一端側を吻合する処置が行われる。
次に、本実施形態の各駆動装置２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃの構成について詳細に説明する。

【0036】

なお、各駆動装置２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃはいずれも同一の形状を有している。このため、以降においては、駆動装置２０Ａの各構成について説明するとともに、駆動装置２０Ａの各構成と同一の符号または駆動装置２０Ａの各構成の符号「２＊Ａ」の末尾「Ａ」を「Ｂ」あるいは「Ｃ」に変更した符号を付することにより、重複する説明を省略する。

【0037】

図１、図２及び図４に示すように、駆動装置２０Ａは、いずれも平面視略正方形状をなし、上下に重ね合わされた状態で互いに固定された２つの枠部材２２Ａと、支持プレート１５の上面に下端が固定されるとともに下側の枠部材２２Ａの４つの角部に上端が固定されて枠部材２２Ａを支持する４つの支持部材２１Ａとを備えている。

【0038】

図４に示すように、各枠部材２２Ａは、上下に重ね合わされた状態で互いに固定された一対の枠部材（下側枠部材２３及び上側枠部材２４）からなる。下側枠部材２３及び上側枠部材２４は共に同一の形状を有しており、平面視円形状の中心孔２３ａ，２４ａを有している。下側枠部材２３及び上側枠部材２４は共に硬質の合成樹脂材料により形成されている。

【0039】

下側枠部材２３と上側枠部材２４との間には、平面視略正方形状であり、シート状の誘電アクチュエータ３０が挟まれている。
図５に示すように、誘電アクチュエータ３０（ＤＥＡ：Dielectric Elastomer Actuator）は、誘電エラストマーからなるシート状の誘電層３１と、導電エラストマーからなり、誘電層３１をその厚さ方向の両側から挟む一対の電極層３２，３３と、電極層３２，３３をその厚さ方向の両側から挟む絶縁層３４とを有するエラストマー製圧電素子である。

【0040】

本実施形態では、誘電層３１が、架橋されたポリロタキサンを含有する誘電エラストマーにより形成されている。具体的には、誘電エラストマーは、直鎖状分子としてのポリエチレングリコールと、環状分子としてのシクロデキストリンと、封鎖基としてのアダマンタンアミンとからなる。

【0041】

また本実施形態では、各電極層３２，３３が、絶縁性高分子及び導電性フィラーを含有する導電エラストマーにより形成されている。上記絶縁性高分子としては、ポリロタキサンが用いられている。また、上記導電性フィラーとしては、ケッチェンブラック（登録商標）が用いられている。

【0042】

誘電層３１及び電極層３２，３３の厚さはいずれも数十～数百μｍである。
図４に示すように、各誘電アクチュエータ３０の中心には、貫通孔３０ａが設けられている。各貫通孔３０ａには、共通の上記ボルト２５Ａが下方から挿通されている。ボルト２５Ａのうち上側の誘電アクチュエータ３０の貫通孔３０ａから上方に突出した部分には、ナット２６が螺合されている。ボルト２５Ａの頭部と下側の誘電アクチュエータ３０との間、上下の誘電アクチュエータ３０の間、及び上側の誘電アクチュエータ３０とナット２６との間には、スペーサ２８が設けられている。このようにして、ボルト２５Ａが各誘電アクチュエータ３０に固定されている。

【0043】

また、ボルト２５Ａの基端（下端）と支持プレート１５との間には、ボルト２５Ａ（各誘電アクチュエータ３０）を下方に向けて付勢する付勢部材２７が設けられている。本実施形態では、付勢部材２７としてコイルばねを用いている。

【0044】

ここで、図４に示すように、誘電アクチュエータ３０は、電圧が印加されておらず、付勢部材２７による下方への付勢力と釣り合った状態において、フラットな状態とされている。

【0045】

図２に示すように、各駆動装置２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃのボルト２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃにより、模擬体５０の互いに異なる箇所に対して力が作用されるようになっている。
図６及び図７に示すように、各駆動装置２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃには、これらの駆動態様を制御する制御装置６０が電気的に接続されている。すなわち、図６に示すように、各誘電アクチュエータ３０の正電極層３２には、導線を介して電源６１のプラス端子６３が接続されている。また、各誘電アクチュエータ３０の負電極層３３には、導線を介して電源６１の接地端子６４が接続されている。

【0046】

図７に示すように、制御装置６０は、各誘電アクチュエータ３０の電極層３２，３３間に電源６１から例えば９００～１５００Ｖの直流電圧を印加する際の印加態様を制御する制御部６２を備えている。制御部６２は、印加電圧を０～５Ｈｚの周波数の範囲内で可変設定することにより、各誘電アクチュエータ３０を０～３００ＢＰＭ（Beats Per Minute）の範囲内で駆動する。＼ 次に、本実施形態の作用について説明する。

【0047】

本実施形態の手術訓練装置を用いた冠動脈バイパス手術の訓練に先立ち、支持機構１０を操作することにより、保持プレート１６（模擬体５０）の高さや角度を調節する。
そして、当該訓練に際しては、制御装置６０により駆動装置２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃへの通電態様が制御されることで、駆動装置２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃの駆動態様が制御され、模擬体５０の動作が制御される。

【0048】

すなわち、各駆動装置２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃの誘電アクチュエータ３０の正電極層３２と負電極層３３との間に直流電圧が印加されると、誘電アクチュエータ３０の内部においてプラスの電荷とマイナスの電荷とが近づこうとする力によって、誘電層３１が厚さ方向に圧縮されて誘電層３１の面に沿った方向に伸張するようになる。このとき、誘電アクチュエータ３０の厚さが薄くなることで誘電アクチュエータ３０の弾性力が付勢部材２７による付勢力よりも低くなり、誘電アクチュエータ３０が下方に向けて変位することとなる。

【0049】

その後、誘電アクチュエータ３０への電圧の印加が停止されると、誘電層３１の厚さが復元されることで誘電アクチュエータ３０の弾性力が回復し、誘電アクチュエータ３０が上方に向けて変位することとなる。

【0050】

特に、本実施形態では、各駆動装置２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃの誘電アクチュエータ３０に対して電圧を印加する位相を互いに異ならせるようにしている。
このようにして各駆動装置２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃの誘電アクチュエータ３０が上下動することで、各誘電アクチュエータ３０の中心部に設けられたボルト２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃが互いに位相差をもって上下動するようになる。これにより、保持プレート１６により保持された模擬体５０が心臓の伸縮動作を模擬した態様にて動作するようになる。

【0051】

本実施形態では、各駆動装置２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃが誘電アクチュエータ３０を備えているため、形状記憶合金からなる従来のアクチュエータに比べて、模擬体５０の動作速度、すなわち応答性を高めることができる。これにより、子供などの心拍数の高い患者を模擬した手術訓練に対応できるようになる。

【0052】

以上説明した本実施形態に係る手術訓練装置によれば、以下に示す作用効果が得られるようになる。
（１）手術訓練装置は、拍動下での冠動脈バイパス手術の訓練に用いられ、当該心臓の一部を模擬した模擬体５０を、心臓の伸縮動作を模擬した態様にて動作させる駆動装置２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃと、駆動装置２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃの駆動態様を制御する制御装置６０とを備える。駆動装置２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃは、誘電エラストマーからなる誘電層３１と、導電エラストマーからなり、誘電層３１を挟む電極層３２，３３とを有する誘電アクチュエータ３０を備える。

【0053】

上記構成によれば、上述した作用を奏することから、子供などの心拍数の高い患者を模擬した手術訓練に対応できるようになり、多用なバリエーションの手術訓練に対応することが可能となる。

【0054】

（２）誘電アクチュエータ３０を構成する誘電層３１が、架橋されたポリロタキサンを含有している。
こうした構成によれば、誘電アクチュエータ３０がスライドリングマテリアルにより構成されているため、誘電アクチュエータ３０が変形する際のヒステリシスロスがほとんどない。これにより、模擬体５０の動作の再現性を向上させることができる。また、スライドリングマテリアルでは、架橋点が自由に動くことから、誘電アクチュエータ３０の耐久性を高めることができる。したがって、各駆動装置２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃの耐久性を向上させることができる。

【0055】

（３）手術訓練装置は、３つの駆動装置２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃを備えており、各駆動装置２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃは、模擬体５０の互いに異なる箇所に対して力を作用させる。

【0056】

こうした構成によれば、３つの駆動装置２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃが模擬体５０の互いに異なる箇所に対して力を作用させるため、制御装置６０により各駆動装置２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃの動作態様を互いに異ならせるようにすることで、模擬体５０を複雑なパターンで動作させることができるようになる。したがって、模擬体５０の動作を実際の心臓の伸縮動作に近づけることができる。

【0057】

（４）誘電アクチュエータ３０はシート状をなしている。誘電アクチュエータ３０には、その面に直交する方向に沿って延びるとともに保持プレート１６（模擬体５０）に対して力を作用させるボルト２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃが設けられている。

【0058】

こうした構成によれば、ボルト２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃにより模擬体５０に対して力を作用させる位置を適宜設定することにより、模擬体５０の動作態様を容易に変更することができる。

【0059】

＜第２実施形態＞
以下、図８及び図９を参照して、第２実施形態について説明する。
図８及び図９に示すように、本実施形態の模擬体１５０は、第１実施形態の模擬体５０と同様、冠動脈が表出する心臓表面の一部分を模擬したものである。以下、第１実施形態の模擬体５０との相違点を中心に説明する。なお、第１実施形態と同一または対応する構成については、第１実施形態の構成の符号に対して「１００」を加算した符号を付すことにより重複する説明を省略する。

【0060】

模擬体１５０は、模擬心筋１５１と、模擬血管１５２とを有している。模擬心筋１５１は、いずれも略直方体状をなす上側台座１５３及び下側台座１５４を有している。上側台座１５３の上面に模擬血管１５２が固定されている。模擬心筋１５１、上側台座１５３及び下側台座１５４は、いずれもシリコーンエラストマーなどの弾性部材により形成されている。

【0061】

上側台座１５３と下側台座１５４との間には、シート状の誘電アクチュエータ１３０が接着剤により固定されている。なお、誘電アクチュエータ１３０は、第１実施形態において例示した誘電アクチュエータ３０と同様な構成を有している。

【0062】

誘電アクチュエータ１３０には、誘電アクチュエータ１３０の駆動態様を制御する制御装置１６０が電気的に接続されている。
次に、本実施形態の作用について説明する。

【0063】

制御装置１６０により誘電アクチュエータ１３０への通電態様が制御されることで、誘電アクチュエータ１３０の駆動態様が制御され、模擬血管１５２の動作が制御される。
すなわち、シート状の誘電アクチュエータ１３０を介して上側台座１５３が伸縮するとともに、上側台座１５３に固定された模擬血管１５２が伸縮するようになる。このため、模擬血管１５２を脈拍に応じて脈動させることができる。

【0064】

以上説明した本実施形態に係る手術訓練装置によれば、第１実施形態の効果（２）に加えて、新たに以下に示す効果が得られるようになる。
（５）手術訓練装置は、脈動する人体の血管を対象とした手術の訓練に用いられ、当該血管を模擬した模擬血管１５２を、当該脈動を模擬した態様にて動作させる駆動装置としての誘電アクチュエータ１３０と、誘電アクチュエータ１３０の駆動態様を制御する制御装置１６０とを備える。

【0065】

こうした構成によれば、冠動脈バイパス手術のような脈動する血管を対象とした手術訓練に対応できるようになる。特に、駆動装置が誘電アクチュエータ１３０であるため、模擬血管１５２の動作速度、すなわち応答性を高めることができ、子供などの脈拍数の高い患者を模擬した手術訓練に対応できるようになる。したがって、より多くのバリエーションの手術訓練に対応することが可能となる。

【0066】

（６）模擬血管１５２が固定された上側台座１５３を備えている。誘電アクチュエータ１３０は、シート状をなしており、上側台座１５３に固定されている。
こうした構成によれば、シート状の誘電アクチュエータ１３０を介して上側台座１５３が伸縮するとともに、上側台座１５３に固定された模擬血管１５２が伸縮するようになる。したがって、脈動を模擬した態様にて模擬血管１５２を容易に動作させることができる。

【0067】

＜第３実施形態＞
以下、図１０～図１３を参照して、第３実施形態について、第１実施形態との相違点を中心に説明する。第１実施形態では、模擬体５０を下方に向けて変位させる駆動力として主として付勢部材２７（コイルばね）の付勢力を利用しているのに対し、本実施形態では上記駆動力として模擬体に働く重力のみを利用している点で相違している。なお、第１実施形態と同一または対応する構成については、第１実施形態の構成の符号に対して「２００」を加算した符号を付すことにより重複する説明を省略する。

【0068】

図１０及び図１１に示すように、駆動装置２２０は、いずれも平面視正方形板状をなし、上下に重ね合わされた状態で互いに固定された下側枠部材２２３及び上側枠部材２２４からなる枠部材２２２を備えている。

【0069】

枠部材２２３，２２４は、平面視角丸正方形状の中心孔２２３ａ，２２４ａを有している。
下側枠部材２２３の４つの角部には、下方に向かって延在する４つの支持部材２２１が設けられている。

【0070】

図１０に示すように、上側枠部材２２４の中心孔２２４ａの内周縁のうち上側枠部材２２４の正方形の対角上に位置する一対の隅部には、一対の凹部２２４Ａ，２２４Ｂが設けられている。

【0071】

また、下側枠部材２２３の中心孔２２３ａの内周縁のうち下側枠部材２２３の正方形の対角上であって、上側枠部材２２４の一対の凹部２２４Ａ，２２４Ｂが位置する対角上とは異なる対角上に位置する一対の隅部には、一対の凹部（図示略）がそれぞれ設けられている。

【0072】

図１０及び図１１に示すように、下側枠部材２２３と上側枠部材２２４との間には、平面視略正方形の柔軟なシート状の誘電アクチュエータ２３０の周縁部が接着剤を介して固定されている。

【0073】

図１２及び図１３に示すように、誘電アクチュエータ２３０は、第１実施形態の誘電アクチュエータ３０と同様なエラストマー製圧電素子である。誘電アクチュエータ２３０は、誘電層２３１及び誘電層２３１を挟む一対の電極層（正電極層２３２、負電極層２３３）をそれぞれ有し、同一面上に配置された２つの駆動層２３０Ａ，２３０Ｂと、２つの駆動層２３０Ａ，２３０Ｂをその厚さ方向の両側から挟むとともに各駆動層２３０Ａ，２３０Ｂに共通の絶縁層２３４とを備えている。なお、絶縁層２３４は透明であることから、図１０及び図１２において絶縁層２３４の内部に位置する駆動層２３０Ａ，２３０Ｂを実線にて示している。

【0074】

図１０及び図１２に示すように、駆動層２３０Ａ（２３０Ｂ）は、中心孔２２３ａの内周縁よりも内周側に位置するとともに同内周縁に沿って延在する略Ｕ字状の外周縁部２３５Ａ（２３５Ｂ）と、外周縁部２３５Ａ（２３５Ｂ）の両端Ｐ１，Ｐ２（Ｐ３，Ｐ４）間にて直線状に延在する対向縁部２３６Ａ（２３６Ｂ）とを有している。駆動層２３０Ａ，２３０Ｂの対向縁部２３６Ａ，２３６Ｂ同士は間隔をおいて対向している。

【0075】

図１３に示すように、誘電アクチュエータ２３０の外周縁部、及び駆動層２３０Ａ，２３０Ｂ同士の間の部分は、絶縁層２３４のみで構成されている。
図１０及び図１２に示すように、駆動層２３０Ａの外周縁部２３５Ａのうち上側枠部材２２４の凹部２２４Ａに対応する部分には、正電極層２３２が外周側に突出した突片２３２Ａが設けられている。また、駆動層２３０Ａの外周縁部２３５Ａのうち下側枠部材２２３の凹部（図示略）に対応する部分には、負電極層２３３が外周側に突出した突片２３３Ａが設けられている。

【0076】

駆動層２３０Ｂの外周縁部２３５Ｂのうち上側枠部材２２４の凹部２２４Ｂに対応する部分には、正電極層２３２が外周側に突出した突片２３２Ｂが設けられている。また、駆動層２３０Ｂの外周縁部２３５Ｂのうち下側枠部材２２３の凹部（図示略）に対応する部分には、負電極層２３３が外周側に突出した突片２３３Ｂが設けられている。

【0077】

各突片２３２Ａ，２３３Ａ（２３２Ｂ，２３３Ｂ）には、誘電アクチュエータ２３０の駆動態様を制御する制御装置との接点が設けられる。
図１０～図１２に示すように、誘電アクチュエータ２３０の上面の中心部には、模擬体２５０が固定されている。

【0078】

模擬体２５０は、中心孔２２３ａの内周縁よりも小さい平面視正方形の柔軟なシート状をなす模擬心筋２５１と、模擬心筋２５１の上面における幅方向の中央部に固定され、模擬心筋２５１の長さ方向に沿って延びる円筒状の模擬血管２５２とを有している。模擬心筋２５１及び模擬血管２５２はいずれもシリコーンエラストマーなどの弾性部材により形成されている。

【0079】

模擬心筋２５１全体が、互いに隣り合う２つの駆動層２３０Ａ，２３０Ｂに跨る態様にて重ね合わされた状態で支持されている。本実施形態では、模擬心筋２５１が接着剤を介して絶縁層２３４上に固定されている。模擬体２５０は、実質的に誘電アクチュエータ２３０の張力のみで支持されている。

【0080】

なお、模擬体２５０の厚さは例えば２ｍｍである。
ここで、誘電アクチュエータ２３０としては、誘電アクチュエータ２３０における模擬体２５０が配置される直径２０ｍｍの領域内に対して１０ｇの荷重を加えた場合に、当該領域の下方への変位量が１～１００ｍｍとなる弾性特性を有することが好ましい。本実施形態の誘電アクチュエータ２３０は、当該領域の下方への変位量が約１０ｍｍとなる弾性特性を有している。

【0081】

また、誘電アクチュエータ２３０のヤング率としては、１～３ＭＰａであることが好ましい。
以上説明した本実施形態に係る手術訓練装置によれば、第１実施形態の効果（１），（２）に加えて、新たに以下に示す効果が得られるようになる。

【0082】

（７）誘電アクチュエータ２３０及び模擬体２５０は共に柔軟なシート状をなしている。模擬体２５０全体が、誘電アクチュエータ２３０上に重ね合わされた状態で支持されている。

【0083】

模擬体が厚く、硬い場合には、動作中の模擬体の一部をピンセットで押えるなどすると、模擬体全体の動作が抑制されることとなる。そのため、模擬体の動作を心臓の実際の伸縮運動に近づけることができないおそれがある。

【0084】

この点、上記構成によれば、動作中の模擬体２５０のいずれの箇所をピンセットで押えた場合であっても、模擬体２５０のその他の部分が柔軟なシート状をなす誘電アクチュエータ２３０と共に動作し続けることとなる。また、模擬体２５０をピンセットで押えた力により誘電アクチュエータ２３０が伸びることで、模擬体２５０に対して力が加えられる箇所が移動する。したがって、模擬体２５０の動作を心臓の実際の伸縮動作に近づけることができる。

【0085】

（８）誘電アクチュエータ２３０は、誘電層２３１及び誘電層２３１を挟む電極層２３２，２３３をそれぞれ有し、同一面上に配置された２つの駆動層２３０Ａ，２３０Ｂと、２つの駆動層２３０Ａ，２３０Ｂをそれらの厚さ方向の両側から挟むとともに２つの駆動層２３０Ａ，２３０Ｂに共通の絶縁層２３４とを備えている。模擬体２５０は、互いに隣り合う２つの駆動層２３０Ａ，２３０Ｂに跨る態様にて絶縁層２３４上に設けられている。

【0086】

こうした構成によれば、２つの駆動層２３０Ａ，２３０Ｂが模擬体２５０の互いに異なる箇所に対して力を作用させることが可能となる。このため、制御装置により各駆動層２３０Ａ，２３０Ｂの動作態様を互いに異ならせるようにすれば、模擬体２５０を複雑なパターンで動作させることができるようになる。したがって、模擬体２５０の動作を心臓の実際の伸縮動作に一層近づけることができる。

【0087】

＜変形例＞
本実施形態は、以下のように変更して実施することができる。本実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。

【0088】

・第１実施形態では、３つの駆動装置２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃを備えた手術訓練装置について例示したが、駆動装置の数を４つ以上にすることもできるし、２つまたは１つにすることもできる。

【0089】

・付勢部材２７を省略することもできる。
・第１実施形態では、各駆動装置２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃにおいて、２枚の誘電アクチュエータ３０を、上下に間隔をおいて配置したが、３枚以上の誘電アクチュエータ３０を、上下に間隔をおいて配置することもできる。また、複数の誘電アクチュエータ３０を隙間なく多数（例えば５０枚）積層することにより駆動装置を構成すれば、付勢部材２７を省略できる。また、１枚の誘電アクチュエータ３０によって駆動装置を構成することもできる。

【0090】

・第３実施形態では、２つの駆動層２３０Ａ，２３０Ｂを備える誘電アクチュエータ２３０について例示したが、誘電アクチュエータは３つ以上の駆動層を備えるものであってもよいし、１つの駆動層を備えるものであってもよい。

【0091】

・誘電層３１，２３１を構成する誘電エラストマーはポリロタキサンに限定されるものではなく、シリコーンエラストマーやアクリルエラストマー、ウレタンエラストマーなどの他の誘電エラストマーを採用することもできる。

【0092】

・電極層３２，３３，２３２，２３３を構成する導電エラストマーの絶縁性高分子はポリロタキサンに限定されるものではなく、シリコーンエラストマー、アクリルエラストマー、ウレタンエラストマーなどの他の絶縁性高分子を採用することもできる。また、これら絶縁性高分子のうちの一種を用いてもよいし、複数種を併用してもよい。

【0093】

・電極層３２，３３，２３２，２３３を構成する導電エラストマーの導電性フィラーはケッチェンブラックに限定されるものではなく、その他のカーボンブラックや、銅や銀などの金属粒子を採用することもできる。また、これら導電性フィラーのうちの一種を用いてもよいし、複数種を併用してもよい。

【0094】

・駆動装置は、シート状の誘電アクチュエータを備えるものに限定されず、シート状の誘電アクチュエータが筒状に丸められた筒形のものであってもよい。この場合、駆動装置はその軸線方向に沿って伸縮する。

【0095】

・駆動装置は、誘電アクチュエータを備えるものに限定されない。他に例えば、イオン交換ポリマーメタル複合体（ＩＰＭＣ：Ionic Polymer Metal Composite ）などの他の電場応答性高分子アクチュエータ（ＥＰＡ：Electroactive Polymer Actuator）を採用することもできる。

【0096】

・本発明に係る手術訓練装置は、拍動下での冠動脈バイパス手術の訓練に用いられるものに限定されず、カテーテル手術など心臓以外の伸縮動作する生体組織を対象とした手術の訓練に用いることもできる。

【符号の説明】

【0097】

１０…支持機構、１１…脚部材、１２…下側部材、１３…上側部材、１３ａ…球状部、１４…ユニバーサルジョイント、１５…支持プレート、１６…保持プレート、２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２２０…駆動装置、２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ，２２１…支持部材、２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ，２２２…枠部材、２３，２２３…下側枠部材、２４，２２４…上側枠部材、２３ａ，２２３ａ，２４ａ，２２４ａ…中心孔、２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃ…ボルト（出力部材）、２６…ナット、２７…付勢部材、２８…スペーサ、３０，１３０，２３０…誘電アクチュエータ、３０ａ…貫通孔、３１，２３１…誘電層、３２，２３２…正電極層、３３，２３３…負電極層、３４，２３４…絶縁層、４０…底壁、５０，１５０，２５０…模擬体、５１，１５１，２５１…模擬心筋（伸縮動作する生体組織）、５２，１５２，２５２…模擬血管、６０，１６０…制御装置、６１…電源、６２…制御部、６３…プラス端子、６４…接地端子、２２４Ａ，２２４Ｂ…凹部、２３０Ａ，２３０Ｂ…駆動層、２３２Ａ，２３２Ｂ，２３３Ａ，２３３Ｂ…突片、２３５Ａ，２３５Ｂ…外周縁部、２３６Ａ，２３６Ｂ…対向縁部。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】