JP7475042B2 - 空気漏れ可視化システム - Google Patents

Description

本発明は、患者の胸腔内に漏れ出す空気を可視化するための空気漏れ可視化システム及び空気漏れ可視化方法に関するものである。

胸部手術の手術中に、肺や気管支の損傷部や、肺瘻などによって空気漏れ（リーク）が起きている場合、その空気漏れの箇所を同定し、修復する必要がある。肺実質からのリークには、手術操作に伴い医原性に生じるものと、自然気胸のような肺胸膜の穿破に伴うものとがある。

手術におけるリーク制御は、手術後の入院期間の延長や合併症の増加に関係しているため、微量なリークでも検知して、修復を行うことが重要になる。手術中のリークの評価方法としては、特許文献１－３に開示されているような水封試験によるものが知られている。

水封試験は、胸腔内に生理食塩水を注入して肺を浸し、肺を膨らました際に胸膜欠損部から漏れ出る空気の泡を視認し、リークの程度を示す泡の大きさと量を定性的に判断する手法である。

特開２０１９－４１７８０号公報 特開２０１４－１３６１０４号公報 特開２０１６－９３２２７号公報

しかしながら、水封試験は、リークの程度を泡の大きさと量で主観的に判断するため、客観性に欠け、術者の技量に左右される。また、鏡視下手術の場面では、胸腔内に注入された水や飛び散る水滴によって内視鏡のカメラが汚れ、視認性が低下するとともに、カメラの清掃などに手間や時間がかかる。そして、水封試験に用いた水そのものが血液付着の医療廃棄物になるため、廃棄物処理にコストがかかる。

そこで、本発明は、微量なリークでも検知可能な視認性の高い空気漏れ可視化システム及び空気漏れ可視化方法を提供することを目的としている。

前記目的を達成するために、本発明の空気漏れ可視化システムは、患者の胸腔内に漏れ出す空気を可視化するための空気漏れ可視化システムであって、レーザ光が出射される先端が前記胸腔内に挿入されるレーザ照射装置と、前記胸腔内にトレーサを停留させるトレーサ供給装置と、前記レーザ光が前記トレーサで散乱した前記胸腔内の状態を撮影する撮像装置と、前記撮像装置によって撮影された画像を出力する出力装置とを備えたことを特徴とする。

ここで、前記レーザ照射装置は、レーザ光源部と、前記レーザ光源部を収容するとともに前記胸腔内に先端が配置される筒部と、前記筒部の先端に配置される円柱状透過体とを備えた構成とすることができる。また、前記レーザ照射装置は、前記胸腔内に先端が配置される筒部と、前記筒部の先端に配置されて出射角度が可変のレーザ光源部と、前記レーザ光源部の出射側に配置されるスリット部とを備えた構成であってもよい。

一方、前記トレーサ供給装置は、前記トレーサを発生させるトレーサ発生部と、前記トレーサ発生部で発生させた前記トレーサを前記胸腔内に誘導するガイド筒部とを備えた構成とすることができる。

そして、空気漏れ可視化方法の発明は、患者の胸腔内に漏れ出す空気を可視化するための空気漏れ可視化方法であって、前記胸腔内にトレーサを停留させるステップと、前記トレーサが停留した前記胸腔内にレーザ光を出射するステップと、前記レーザ光が前記トレーサで散乱した前記胸腔内の状態を撮影するステップとを備えたことを特徴とする。

このように構成された本発明の空気漏れ可視化システムは、レーザ光が出射される先端が胸腔内に挿入されるレーザ照射装置と、胸腔内にトレーサを停留させるためのトレーサ供給装置とを備えている。そして、レーザ光がトレーサで散乱した胸腔内の状態を撮像装置で撮影して、その画像を出力装置に出力させる。

このようにレーザ光によって空気漏れ（リーク）を可視化させる構成であれば、胸腔内の撮影環境を劣化させることがなく、微量なリークでも検知可能な視認性の高い空気漏れ可視化システムにすることができる。

また、空気漏れ可視化方法の発明は、トレーサを停留させた胸腔内にレーザ光を出射して、トレーサで散乱した胸腔内の状態を撮影する方法であるため、水封試験のように生理食塩水などによってカメラの視認性を低下させることがなく、微量なリークでも検知することができるようになる。

本実施の形態の空気漏れ可視化システムの構成を模式的に示した説明図である。 レーザ照射装置を例示した図であって、（ａ）は筒部の先端でレーザ光を屈折させることでシート状に広げる構成のレーザ照射装置の説明図、（ｂ）は筒部の先端にレーザ光源部を配置する構成のレーザ照射装置の説明図である。 トレーサ供給装置を模式的に例示した説明図である。 胸腔内の撮影状態を説明するための模式図である。 空気漏れが起きている状態を撮影した画像の一例である。 漏れ出る空気の流速が速い場合の可視化状況を説明する図であって、（ａ）は撮影画像の一例、（ｂ）は画像を模式的に示した説明図である。 漏れ出る空気の流速が遅い場合の可視化状況を説明する図であって、（ａ）は撮影画像の一例、（ｂ）は画像を模式的に示した説明図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施の形態の空気漏れ可視化システム１の構成を模式的に示した説明図である。

本実施の形態の空気漏れ可視化システム１は、人（患者Ｈ）の胸腔内の状態を撮影するためのシステムである。特に、患者Ｈの胸腔Ｈ１の内部に、肺、気管支、気管などから漏れ出す空気（リーク）を可視化するのに適している。

胸部手術の手術中に、肺Ｈ２や気管支などの損傷部、肺瘻などによって空気漏れ（リーク）が起きていることがある。このような肺実質からのリークは、手術後の入院期間の延長や合併症の増加に関係しているため、微量なリークでも検知して、修復を行うリーク制御が重要になる。そこで、本実施の形態の空気漏れ可視化システム１を使用することで、空気漏れが起きている箇所を高精度に同定し、微量なリークでも検知できるようにする。

本実施の形態の空気漏れ可視化システム１は、レーザ光（ＬＳ）が出射される先端２１１が胸腔Ｈ１の内部に挿入されるレーザ照射装置２と、胸腔内にトレーサＴＲを停留させるトレーサ供給装置３と、レーザ光がトレーサＴＲで散乱した胸腔内の状態を撮影する撮像装置となる内視鏡部４と、内視鏡部４によって撮影された画像を出力するモニタ４３などの出力装置とを備えている。

図２には、レーザ照射装置２の具体例として、２つのレーザ照射装置２Ａ，２Ｂを模式的に示した図である。図２（ａ）に示したレーザ照射装置２Ａは、レーザ光源部２３と、レーザ光源部２３を収容するとともに胸腔内に先端２４１が配置される筒部２４と、筒部２４の先端２４１に配置される円柱状透過体であるガラス円柱２５とによって主に構成される。

レーザ光源部２３は、350nm－750nm程度の波長のレーザ光を出射させるユニットで、接続させる電源２２がバッテリであれば、ハンディタイプにするなど携帯性を高めることができる。例えば532nmの波長のレーザ光を出射させるＹＡＧレーザなどが使用できる。

レーザ光源部２３を収容する筒部２４は、先端２４１側が患者Ｈの体内に挿入される挿入部２１となる中空のチューブである。筒部２４は、レーザ光に対して非透過性及び非燃焼性の材料によって形成される。そして、患者Ｈの体内に挿入させずに体外に突出させる筒部２４の内空に、レーザ光源部２３が収容される。

一方、筒部２４の先端２４１の開口に隣接した位置には、ガラス円柱２５が配置される。このガラス円柱２５は、直進するレーザ光ＬＢをシート状のスクリーンＬＳに形成するためのシリンドリカルレンズである。胸腔内にシート状（膜状）のスクリーンＬＳを形成することで、流れ場の断面を可視化することができるようになる。

すなわち、レーザ光源部２３から出射された点状のレーザ光ＬＢは、ガラス円柱２５を通過して、ガラス円柱２５の軸回りの360度の方向に屈折されてシート状になる。筒部２４の先端２４１を任意の形状にカットすることにより、筒部２４の内部から外部に照射されるシート状のスクリーンＬＳの照射方向を設定することができる。

例えば図２（ａ）においては、筒部２４の先端２４１は庇状に斜めにカットされている。このような形状にすることで、ガラス円柱２５により上向きに屈折したレーザ光は筒部２４の周壁で遮断され、直進から下向きのシート状に広がったレーザ光により扇状のスクリーンＬＳが形成される。

一方、図２（ｂ）に示したレーザ照射装置２Ｂは、胸腔内に先端２６１が配置される筒部２６と、筒部２６の先端２６１に配置されて出射角度が可変のレーザ光源部２７と、レーザ光源部２７の出射側に配置されるスリット部２８とによって主に構成される。

レーザ光源部２７は、上述したレーザ光源部２３と同様のレーザ光を出射させるユニットで、筒部２６を通したコード２７１によって電源２２に接続される。レーザ光源部２７を先端２６１付近に収容する筒部２６は、先端２６１側が患者Ｈの体内に挿入される挿入部２１となる中空のチューブである。

筒部２６は、上述した筒部２４とは異なり、レーザ光を通過させることがないので、様々な医療向けの材料によって形成することができる。そして、筒部２６の先端２６１には、向きを任意に変動させることができるようにレーザ光源部２７が取り付けられる。

レーザ光源部２７から胸腔内に向けて出射されるレーザ光は、スリット部２８を通過することでシート状に広がって、スクリーンＬＳが形成される。すなわち、レーザ光源部２７の角度を調整することで、任意の角度に向いたシート状のスクリーンＬＳを形成することができる。

レーザ光源部２７を任意の角度に調整できるようにすることで、観察対象部位からレーザ光源部２７の出射位置までの距離を長くして、より大きなスクリーンＬＳを作成することができるようになる。また、直進のレーザ光では影になる部位に対しても、レーザ光源部２７の角度を調整することで、レーザ光が届くようにすることができる。

図３は、トレーサ供給装置３の一例を模式図によって説明する図である。このトレーサ供給装置３は、トレーサＴＲを発生させるトレーサ発生部３１と、トレーサ発生部３１で発生させたトレーサＴＲを胸腔内に誘導するガイド筒部３２とによって主に構成される。

トレーサ発生部３１は、レーザ光を散乱させるのに適した粒子などのトレーサＴＲを発生させるユニットで、バッテリなどの電源３３に接続される。また、トレーサ発生部３１には、発生させたトレーサＴＲを排出するための吐出チューブ３１１が接続される。

ガイド筒部３２は、吐出チューブ３１１から排出されたトレーサＴＲを後端から取り込み、胸腔内に配置される先端部３２１までトレーサＴＲを搬送させるための中空のチューブで、様々な医療向けの材料によって形成することができる。

そして、胸腔内の任意の位置に配置することが可能な先端部３２１からは、トレーサＴＲが排出されて、胸腔内にトレーサＴＲを停留させることができる。胸腔内に注入されるトレーサＴＲは、人体に対して無害なものが望ましく、例えば霧状に生成された水（ミスト）や煙（スモーク）をトレーサＴＲとして使用することができる。

胸腔内に停留するトレーサＴＲとシート状のレーザ光とにより形成されるスクリーンＬＳによって、流れ場が可視化された断面として表れる。この断面（スクリーンＬＳ）に対して、正面からの撮影が可能となるように、撮像装置となる内視鏡部４を配置する。

内視鏡部４は、患者Ｈの外部から体内を観察するための装置である。内視鏡部４は、胸腔内に挿入される撮像部４１と、撮像部４１によって撮影された撮像データを処理する画像処理装置４２とを備えている。

撮像部４１は、ＣＣＤ（Charge-Coupled Device）、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）などの撮像素子を有している。この撮像素子によって胸腔内の部位の光学像を撮像すると、その光学像に応じた電気信号が出力される。

撮像部４１は、開口面がスクリーンＬＳの面に対して略平行となる位置に配置されるのが望ましい。すなわち、スクリーンＬＳの面に対して撮像部４１の光軸が略直交する正面において、撮像部４１によるスクリーンＬＳの撮影が行われる。撮像部４１が、高感度のハイスピードカメラであれば、トレーサＴＲの粒子自体を捉えることができる。

内視鏡部４には、胸腔内に挿入する部分が曲がる軟性内視鏡と、曲がらない硬性内視鏡とがある。軟性内視鏡を使用する場合は、先端のＣＣＤなどで撮像された撮像データが、電気的に画像処理装置４２を介してモニタ４３まで導かれて表示される。硬性内視鏡を使用する場合は、先端からレンズ系を繋いで体外の接眼部まで導き、接眼部にカメラヘッドなどを接続することで撮像データを取得することになる。

画像処理装置４２では、胸腔内を撮影した撮像データの信号処理を行う。ここで、信号処理とは、撮像部４１によって入力される胸腔内を撮像した撮像データである電気信号を、映像信号に変換して出力する処理をいう。

また、画像処理装置４２にトレーサＴＲの粒子を追跡するソフトウェアを実装させることによって、粒子の運動方向や速度を算出することができるようになる。すなわち、漏れ出す空気の量（リーク量）を算出することができるようになる。例えば、粒子イメージ流速計(ＰＩＶ:Particle Image Velocimetry)となるソフトウェアが実装されていれば、粒子によって可視化された流れ場のイメージから速度と方向を同時に解析することができる。

撮像データから変換された映像信号は、モニタ４３に動画の映像として表示される。また、撮像データから変換された映像信号は、ハードディスクドライブやソリッドステートドライブ（SSD : Solid State Drive）等の大容量記憶媒体、フラッシュメモリ等の不揮発性メモリなどの記憶部に記録される。

内視鏡部４は、図示しない操作部や制御部などを備えていて、術者などが撮像の開始と終了の操作をしたり、画像処理装置４２による変換の調整をしたりすることができる。また、撮像データに基づく映像をモニタ４３に映し出したり、記憶部への記録と停止の操作をしたりすることができる。

次に、本実施の形態の空気漏れ可視化システム１を使用して行われる空気漏れ可視化方法について説明する。
まず、図１に示すように、空気漏れ可視化システム１を構成するレーザ照射装置２、トレーサ供給装置３、内視鏡部４、モニタ４３などを準備する。

患者Ｈの体には、レーザ照射装置２の挿入部２１を通すための小さな穴Ｂ１と、トレーサ供給装置３のガイド筒部３２を通すための小さな穴Ｂ２と、内視鏡部４の撮像部４１を通すための小さな穴Ｂ３を開ける。

ここで、レーザ照射装置２の挿入部２１は、先端２１１を胸腔内に挿入したり抜去したり、あるいは４方に動かしたりが自由にできるように、固定はされない。また、携帯性に優れた形態であることが好ましい。

図４は、胸腔Ｈ１の内部の撮影状態を説明するための模式図である。胸壁Ｈ３には、挿入部２１を通すための穴Ｗ１と、ガイド筒部３２を通すための穴Ｗ２と、撮像部４１を通すための穴Ｗ３が開けられる。

患者Ｈの胸腔内に漏れ出す空気を可視化する空気漏れ可視化方法では、まず胸腔内にトレーサＴＲを停留させる。すなわち、ガイド筒部３２の先端部３２１からミストをトレーサＴＲとして胸腔内に注入し、撮影したい肺Ｈ２の近傍にトレーサＴＲを停留させる。

続いて、トレーサＴＲが停留した胸腔内に、挿入部２１の先端２１１からレーザ光を出射することで、スクリーンＬＳが形成される。このスクリーンＬＳを形成する位置も、撮影したい肺Ｈ２の部位の近傍となる。

スクリーンＬＳでは、照射されたレーザ光がトレーサＴＲで散乱して、胸腔内の粒体の流れ場の状態が視認できるようになる。この可視化された状態を、撮像部４１によって撮影する。すなわち、撮像部４１とスクリーンＬＳとの間に、撮影したい肺Ｈ２の部位（孔ＨＬ）がくるようにする。

このように、撮像部４１を撮影したい肺Ｈ２の近傍を挟んでスクリーンＬＳの正面に配置することで、肺Ｈ２に空いた孔ＨＬからの空気の流れＦＬを撮影することができるようになる。

肺Ｈ２、気管支、気管などから空気が漏れ出ると、それによりトレーサＴＲ（粒子）が動くことになるため、この粒子の動きでもって、空気漏れの箇所を検知し、空気漏れの程度を評価（診断）することができるようになる。空気漏れの箇所は、どこに存在するかは診断前にはわからないため、レーザ照射装置２の挿入部２１、内視鏡部４の撮像部４１及びトレーサ供給装置３のガイド筒部３２は、術者が所望する位置に容易に移動させることができる構成となっている。

図５は、肺Ｈ２に空気漏れが起きている状態を胸腔内に見立てて撮影した画像の一例である。平面状に形成されたレーザ光によるスクリーンＬＳでは、スモークやミストやドライアイスなどの微粒子のトレーサＴＲが可視化状態になる。すなわち、レーザ光がトレーサＴＲにより反射されて、粒子の動きを映像として捉えることができるようになる。

図５の画像は、摘出ブタ肺の肺瘻からの空気漏れ（リーク）を撮影した画像である。摘出ブタ肺の周囲には水のミストを停留させ、532nmの波長のレーザ光によってスクリーンＬＳを形成した。ブタ肺には20G針で穴を開け、肺を膨らませて、穴からのリークを撮影した。

撮像部４１によって撮影されるスクリーンＬＳにおいては、微粒子（トレーサＴＲ）の密度に比例して、得られる像に濃淡が表れることになる。粒子の密度が高い領域は明るく映り、粒子の密度が低い領域は暗く映り、空気の流れにより層状の像が形成される。

ここで、空気漏れの箇所から漏れ出た空気自体は粒子を含まないため、レーザ光で反射されない無構造領域として認識できるようになる。すなわち、図５の中央に黒い筋の煙のように立ち上る無構造帯から、空気漏れの箇所を同定することができる。

また、肺Ｈ２から胸腔内に漏れ出た空気は、その周囲の空気を押し出したり、巻き込んだりして乱流を生じさせるため、粒子濃度の濃淡による層状の画が崩れることになる。この現象から、その原因となる空気漏れの箇所が近くにあると判断することができる。

図６は、漏れ出る空気の流速が速い場合の可視化状況を説明する図である。図６（ａ）は胸腔内に見立てて撮影した画像の一例を示し、図６（ｂ）は図６（ａ）の画像を模式的に示して説明を加えた図である。図６（ａ）の画像も、摘出ブタ肺を使用して撮影された画像である。

レーザ光で可視化した粒子は、さらに画像処理により鮮明に捉えることができるようになる。例えば、画像処理装置４２にインストールされたプログラムで画像処理した映像をモニタ４３に出力させる。

肺Ｈ２から漏れ出る空気の流速が速い場合は、漏れ出る空気によって線状の無構造領域が形成される。肺Ｈ２から胸腔内に噴出する空気に向かい、周囲の空気が引き込まれていく様子（コアンダ効果）も捉えることができる。

一方、図７は、漏れ出る空気の流速が遅い場合の可視化状況を説明する図である。図６（ａ）は胸腔内に見立てて撮影した画像の一例を示し、図７（ｂ）は図７（ａ）の画像を模式的に示して説明を加えた図である。図７（ａ）の画像も、摘出ブタ肺を使用して撮影された画像である。

肺Ｈ２から漏れ出る空気の流速が遅い場合は、周囲の粒子は乱れないが、その画像の中に粒子を含まない空気を無構造領域として認識することができる。この無構造領域が、空気漏れの箇所として検知（判定）される。

こうした空気漏れの箇所の判定（評価又は診断）は、術者がモニタ４３を見ながら行うことができる。また、画像処理装置４２に空気漏れの箇所の判定プログラムを実装させておくことで、自動的に検知させて、その検知結果をモニタ４３に画像とともに出力させることもできる。

判定プログラムには、例えば人工知能（ＡＩ:Artificial Intelligence）技術によるディープラーニングなどの機械学習などによって構築された学習成果を利用することができる。例えば、画像処理装置４２に実装された粒子イメージ流速計（ＰＩＶ）の計測値から算出される漏れ出す空気のリーク量を蓄積しておき、その蓄積されたデータに基づいて機械学習や統計処理を行わせることで判定モデルを構築することができる。あるいは、空気漏れの箇所が映し出された画像データを含むタグ付き学習用データを教師データとして、ディープラーニングを行わせることで、学習済み判定モデルを構築することもできる。

次に、本実施の形態の空気漏れ可視化システム１及び空気漏れ可視化方法の作用について説明する。
このように構成された本実施の形態の空気漏れ可視化システム１は、レーザ光が出射される先端２１１が胸腔内に挿入されるレーザ照射装置２と、胸腔内にトレーサＴＲを停留させるトレーサ供給装置３とを備えている。そして、レーザ光がトレーサＴＲで散乱した胸腔内の状態を内視鏡部４で撮影して、その画像を出力装置となるモニタ４３に出力させる。

このようにレーザ光によって空気漏れ（リーク）を可視化させる構成であれば、胸腔内の撮影環境を水滴などで劣化させることがなく、微量なリークでも検知可能な視認性の高い空気漏れ可視化システム１にすることができる。

また、本実施の形態の空気漏れ可視化方法は、トレーサＴＲを停留させた胸腔内にレーザ光を出射して、トレーサＴＲで散乱した胸腔内の状態を撮影する方法であるため、生理食塩水などによってカメラの視認性を低下させることがなく、微量なリークでも検知することができるようになる。また、水封試験のように多くの水を使用することがないので、血液付着の医療廃棄物の発生を最小限に抑えることができる。

このような空気漏れ可視化システム１及び空気漏れ可視化方法は、肺手術中にリーク制御を行う際に活用することができる。また、胸腔鏡手術や、ロボット手術での鏡視下手術の支援技術としても活用することができる。

以上、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳述してきたが、具体的な構成は、この実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱しない程度の設計的変更は、本発明に含まれる。

例えば、前記実施の形態では、患者Ｈの体外に設置されたトレーサ発生部３１において発生させたミストやスモークなどのトレーサＴＲを胸腔内に供給する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、レーザや電気メスなどのエネルギーデバイスによって胸腔内に発生するサージカルスモークをトレーサとするトレーサ供給装置であってもよい。

１ ：空気漏れ可視化システム
２ ：レーザ照射装置
２１１ ：先端
２Ａ ：レーザ照射装置
２３ ：レーザ光源部
２４ ：筒部
２４１ ：先端
２５ ：ガラス円柱（円柱状透過体）
２Ｂ ：レーザ照射装置
２６ ：筒部
２６１ ：先端
２７ ：レーザ光源部
２８ ：スリット部
３ ：トレーサ供給装置
３１ ：トレーサ発生部
３２ ：ガイド筒部
４ ：内視鏡部（撮像装置）
４３ ：モニタ（出力装置）
Ｈ ：患者
Ｈ１ ：胸腔
ＴＲ ：トレーサ

Claims (4)

1. 患者の胸腔内に漏れ出す空気を可視化するための空気漏れ可視化システムであって、
   レーザ光が出射される先端が前記胸腔内に挿入されるレーザ照射装置と、
   前記胸腔内にトレーサを停留させるトレーサ供給装置と、
   前記レーザ光が前記トレーサで散乱した前記胸腔内の状態を撮影する撮像装置と、
   前記撮像装置によって撮影された画像から算出される漏れ出す空気の量に基づいて空気漏れ箇所の判定をする画像処理装置と、
   前記画像を出力する出力装置とを備えたことを特徴とする空気漏れ可視化システム。
2. 前記レーザ照射装置は、レーザ光源部と、前記レーザ光源部を収容するとともに前記胸腔内に先端が配置される筒部と、前記筒部の先端に配置される円柱状透過体とを備えたことを特徴とする請求項１に記載の空気漏れ可視化システム。
3. 前記レーザ照射装置は、前記胸腔内に先端が配置される筒部と、前記筒部の先端に配置されて出射角度が可変のレーザ光源部と、前記レーザ光源部の出射側に配置されるスリット部とを備えたことを特徴とする請求項１に記載の空気漏れ可視化システム。
4. 前記トレーサ供給装置は、前記トレーサを発生させるトレーサ発生部と、前記トレーサ発生部で発生させた前記トレーサを前記胸腔内に誘導するガイド筒部とを備えたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の空気漏れ可視化システム。