JP5193178B2 - 頭蓋骨切断装置 - Google Patents

Description

本発明は、人間や動物の脳手術のときに好適に用いられる頭蓋骨切断装置に関するものである。

脳内の障害部位などを手術するに際して、頭皮の切開の後に必要な部位で頭蓋骨を除去して開頭する必要がある。開頭の範囲は、疾患により異なり、脳腫瘍などでは腫瘍の存在部位によっても異なる。

代表的な開頭方法としては、特許文献１に示されているように何種類かあり、例えばその1つに、頭蓋骨の開頭範囲に沿って比較的大きな数個の穴（ Burr hole ：バーホール）を、頭蓋骨穿孔用に構成したドリルである穿孔器（ perforator ）で穿ち、かかるバーホールを結ぶように開頭器（ craniotome ）のエンドミル状の回転刃で切断する方法がある。

頭蓋骨にバーホールを穿つドリルには、自動光遮断板機能が設けられ、ドリル先端が頭蓋骨を貫通した時点で、それより深部には達しないように構成されている。このようにして穿ったバーホールに開頭器の回転刃を入れ、予め設定した回転範囲に沿って頭蓋骨を切断する。因みに、頭蓋骨を所定範囲で切断することにより、切り取られた頭蓋骨部分を、以下、簡単のために骨弁と呼ぶ場合がある。

しかして骨弁を取り除き、脳内の障害部分を手術した後は、骨弁を開頭部に戻して閉頭することとなる。かかる閉頭に際しては、骨弁が落ち込まないように、骨弁と、骨弁周囲の頭蓋骨とに、チタン製のプレートなどに構成された固定具を跨がせて、骨弁側とその周囲の頭蓋骨側との双方をねじ止めして固定する。

開頭方法としては、上記以外にも、例えば、線鋸（せんきょ）と呼ばれる頭蓋骨の切離方法もある。これはバーホール間の切断を、金属製の糸鋸で行う方法である。

また、鋸を環状に設けて、かかる環状の刃を回転させることにより、円形に頭蓋骨を切り抜くようにして切断するトレファン（ Trephine ）開頭と呼ばれる方法も知られている。
特開２００２−２３８９１１号公報

しかしながら、いずれの方法でも、ドリルなど機械的な治具を用いて開頭するため、患者の頭を専用の固定器で強く固定しておく必要がある。そのため、麻酔で意識がないとは言え、患者には大きな負担を強いることになる。

また、頭蓋骨は患者の血液などの体液で非常にすべりやすい状態となっており、しかも他の組織（特に脳）を傷つけてはならないため、頭蓋骨の穿孔作業や切断作業に際しての術者の肉体的、精神的な負荷は想像以上のものとなる。

さらに、従来の方法では削り代が大きく（例えば約３ｍｍ）、骨弁が小さくなってしまうので、閉頭のために骨弁を元に戻そうとしても、そのままでは骨弁と頭蓋骨との間に大きな隙間が生じて骨弁が落ち込んでしまうという不具合がある。これに対して現状では、高価なチタン製のプレートに形成された固定具を用いて、骨弁と頭蓋骨との双方を固定するようにしている。

本発明はかかる不具合を鑑み、頭蓋骨と脳との間に隙間があることに着目して始めてなされたものであって、開頭手術において、患者に対する負担を小さくしながら手術を安全かつ簡単に行える頭蓋骨切断装置を提供することをその主たる課題としたものである。

かかる課題を解決するために本発明は次のような手段を講じたものである。

すなわち、本発明にかかる頭蓋骨切断装置は、レーザによって頭蓋骨を切断するための頭蓋骨切断装置であって、レーザ発振器から光ファイバを介して導入されたレーザを、先端部に設けた射出口から射出するボディと、前記ボディに設けられた、頭蓋骨表面に接触又は近接させるための接触部と、前記ボディからレーザの射出方向に向かって、当該レーザの光路を避けながら延出する支持バーと、前記支持バーの先端部に支持されたものであって、前記接触部を頭蓋骨表面に接触させた状態において、当該頭蓋骨の裏面と脳表面との間に挿入され、レーザ光路に干渉してレーザのそれ以上の進行を止める光遮断板と、を備えていることを特徴とする。

前記接触部が頭蓋骨表面に接触又は近接しているか否かを検知する検知手段をさらに備えているものであれば、例えばボディが頭蓋骨表面から離間したときに、この検知手段を利用して自動的にレーザを止めるようにするなど、安全性を向上させるための種々の機構を付加することができる。

骨弁をすり鉢状（又は逆錐形）にして、閉頭する際にその骨弁が脳内に落ち込まないようにするには、前記検知手段が、レーザの光軸がそのレーザの照射領域となる頭蓋骨の表面とほぼ垂直になっているか否かをも検知するものであり、術者がその検知手段に頼って頭蓋骨を切断できるように構成したものが望ましい。球形状の頭蓋骨をその表面に垂直な切断面でくり貫けば、骨弁は自然にすり鉢状となるからである。

頭蓋骨の厚みは、切断箇所や個人により差があるため、これに無理なく対応できるようにするには、前記支持バーを可変長に構成しておくことが望ましい。

骨を切断するための必要かつ十分なパワーを効率よく得るためには、前記ボディ内に配置した光学系を更に備え、その光学系が、少なくとも光ファイバから射出されたレーザを円偏光させる円偏光子と、レーザを収斂させる凸レンズ素子とを備えていることが好適である。

安全性を担保しつつ、レーザの頭蓋骨への照射点を目視できるようにし、より正確な切断を可能にするには、前記ボディの射出口近傍に、光拡散作用を有する半透明な素材で形成した透光領域を設けているものが好ましい。

切断時に飛散する体液や骨片から光学系を守るとともにそれらによる汚れを容易に洗い流せるようにするには、前記ボディが、ボディ本体と、そのボディ本体の先端に着脱可能に設けられた先頭部と、レーザの光軸に対して直交配置され、前記先頭部の内部空間を仕切る等厚透明な飛散防止板と、を備えたものであることが好適である。

レーザの光軸を頭蓋骨表面に垂直に維持しながら、ボディを円滑に移動させることができるようにするには、前記接触部が、前記射出口の周囲に設けられて頭蓋骨の表面に接触させるための３以上の転動部材を備え、それら各転動部材の先端が、前記光軸と垂直な仮想平面上に配置されているものであることが望ましい。

レーザ照射時の頭蓋骨への熱影響を可及的に小さくしながらも、スムーズかつ迅速に切断できるようにするには、パルスレーザが望ましい。

このような構成の本発明は、頭蓋骨と脳との間に隙間があって、そこに光遮断板を入れることができることに着目したからこそ成立するものであって、そのレーザが光遮断板によって頭蓋骨のすぐ裏側までしか進行しないため、強力なレーザを使いながらも、脳に損傷を与えることなく頭蓋骨のみを確実かつ安全に切断できる。加えて、このように大きなパワーのレーザを用いることができることから、切断速度を上げて開頭時間を短縮することもできるようになる。

また、接触部によって頭蓋骨と本装置との適切な距離、すなわちレーザの焦点が頭蓋骨となる距離、を常に維持でき、またボディが光ファイバで接続されていて操作性が非常によいことから、頭蓋骨を自在な切断線に沿って切ることが容易にできる。さらに、術者は最初に小さな孔を頭蓋骨に穿孔するだけでよく、その他では大きな力をほとんど必要としない。

こういったことから、本発明によれば、手術自体が従来に比べて非常に簡単なものとなり、加えて、患者の頭を従来のように強く固定する必要がないので、患者への負担軽減をも図れる。

また、機械的に切断するのとは違ってレーザによる切断代は細く、骨弁の外形とそれを切除した頭蓋骨の開口外形とを可及的に合致させることができることから、骨弁によって閉頭の際、使用する固定具を最小限に抑えることができる。

以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。

＜第１実施形態＞
図１は、本実施形態に係る脳外科手術で用いられる開頭システム１００を模式的に示している。この図において、符号はレーザ発振器２００、符号はレーザ発振器２００から出力されるレーザＲを伝達する光ファイバ３００、符号はそのレーザＲを利用して頭蓋骨Ｐを切断する頭蓋骨切断装置４００である。

まず簡単にレーザ発振器２００及び光ファイバ３００について説明する。レーザ発振器２００は、例えば赤外線パルスレーザＲ（波長１．０６４μｍ、Nd:YAG）を出力するものであり、ここでは平均パワーが１W〜２０W、繰り返し周波数が０．１ｋＨｚ〜２０ｋＨｚ程度のものを用いている。光ファイバ３００は、湾曲可能なもので、ここでは例えばガラスファイバを用いている。

次に頭蓋骨切断装置４００につき説明する。この頭蓋骨切断装置４００は、図１、図２に示すように、レーザ発振器２００から光ファイバ３００を介して導入されたレーザＲを、先端部に設けた射出口１ａから射出するボディ１と、前記ボディ１に設けられた接触部２と、レーザＲの射出距離を制限する制限機構３と、を備えたものである。

ボディ１は、長尺状をなす中空のもので、人間が側周面を片手で把持して操作できる程度の大きさと重さを有する。その基端部には、光ファイバ３００の先端を接続するための接続ポートが設けられており、先端部には、光ファイバ３００の先端から出て内部を通ってきたレーザＲを射出するための射出口１ａが開口している。また、このボディ１の内部には、光ファイバ３００から拡開して射出されたレーザＲを平行にするコリメータレンズ４２、レーザＲの堀削深度を大きくするための円偏光子４１（ここではλ／４板）、及びレーザＲを収斂させる凸レンズ４３（ここではｆθレンズ）を、レーザ入射側からこの順で直列に配置した光学系４が設けられている。

接触部２は、ボディ射出口１ａ周辺に突出して配設されており、この接触部２を頭蓋骨Ｐの表面に、後述する所定態様で接触させることによって、レーザＲの光軸Ｃが、そのレーザＲの照射領域となる頭蓋骨Ｐの表面とほぼ垂直となり、なおかつレーザＲの焦点がほぼ頭蓋骨Ｐの厚み中心となるように頭蓋骨Ｐの表面と射出口１ａとの距離が設定される。

具体的に詳述すれば、この接触部２は、図３、図４に示すように、レーザ光軸Ｃを中心に放射状に配置され、かつそれぞれの先端を結んで形成される仮想面がレーザ光軸Ｃと直交するように配置された３以上の球状転動部材２１と、ボディ射出口１ａの周縁に取り付けられて前記球状転動部材２１を回転可能に支持する支持部材２２とを備えている。この支持部材２２は、光軸Ｃ方向にわずかに移動可能なように、例えば板バネなどの複数の弾性部材２３を介してボディ１に取り付けられている。さらにこの実施形態では、この支持部材２２が外力によってボディ１側に押し付けられ、それ以上埋没不可能になった位置である基準位置Ｕ（図４参照）になったことを検出するリミットスイッチなどの検知手段（図示しない）が設けられている。

ところで、前記所定態様とは、頭蓋骨Ｐの表面に少なくとも３つの転動部材２１が押し付けられ、支持部材２２が光軸Ｃに沿って埋没して前記基準位置Ｕとなった状態のことを言う。このことにより、前述したようにレーザ光軸Ｃが頭蓋骨Ｐの表面とほぼ垂直となり、なおかつ頭蓋骨Ｐの表面と射出口１ａとの距離が予め定めた所定距離となる。

制限機構３は、図１〜図４に示すように、前記ボディ１の先端部からレーザＲの射出方向に向かって、当該レーザＲの光路を避けながら延出する所定長さの支持バー３１と、その支持バー３１の先端に設けられて、レーザＲのそれ以上の進行を止める光遮断板３２と、を備えたものである。ここでの支持バー３１は、射出口１ａの周辺部位からレーザＲの光軸Ｃと平行に延びており、その長さは、ボディ１を前記所定態様にしたときに、先端に設けた光遮断板３２が、頭蓋骨Ｐの裏面と脳との間に位置するような長さに設定してある。頭蓋骨Ｐの厚みには個人差があるのでこの長さを若干調節できるようにしてもよい。光遮断板３２は、レーザ光軸Ｃ上に位置づけられる板状部材であり、その大きさは、この光遮断板３２上でのレーザＲの径と同じか若干大きく設定してある。また、その表面でレーザＲが拡散するように、例えば拡散加工が施してある。

さらにこの実施形態では、前記所定態様以外の状態ではレーザＲの射出を強制停止する安全機構を設けている。この安全機構は図示しないが、例えば、電気回路により構成されたもので、前記検知手段の出力信号を受信し、その出力信号内容から所定態様でないと判断される場合には、レーザ発振器２００を停止させるものである。

次に、このように構成した頭蓋骨切断装置４００の操作方法について説明する。

術者は、まず、露出させた頭蓋骨Ｐの開頭範囲の一箇所に、従来に比べ数分の１のかなり小さな孔Ｈをドリルによりあける（図５参照）。この孔Ｈの大きさは、支持バー３１とその先端の光遮断板３２が挿通できる大きさがあればよく、ここでは直径が例えば５ｍｍ程度である（ちなみに従来は直径数ｃｍのバーホールを複数開けている）。

次に、前記孔Ｈに光遮断板３２及び支持バー３１を挿通し、転動部材２１を頭蓋骨Ｐの表面に押し付ける。このときボディ１が正しく押し付けられて前記所定態様になると、検知手段がそれを感知し、例えばボディ１に設けた表示ランプ１１を点灯させる。図６に示すこの状態では、光遮断板３２は頭蓋骨Ｐの裏側であって脳Ｂの表面との間の隙間に位置することになる、

表示ランプ１１の点灯を確認した術者は、ボディ１に設けたスタートスイッチ１２を押す。このことによりレーザＲが射出口１ａから射出され、そのレーザＲで頭蓋骨Ｐが切断され始める。ところで、図７に示すように、前記円偏光子４１によってレーザＲの堀削深度を深くしており、レーザＲは、頭蓋骨程度の厚み（数ｃｍ）に亘って、その径を大きく変えることなく、進行するので、このことにより切断代を細くできる。

そして、転動部材２１を頭蓋骨Ｐの表面に押し付けたまま、予め定めた切断線に沿ってボディ１を移動させていくと、頭蓋骨Ｐが切断されていく。

しかしてこのようなものによれば、光遮断板３２によって頭蓋骨Ｐのすぐ裏側までしかレーザＲは進行せず、脳にレーザＲが届くことは決してないため、患者に対する安全性を確保できる。また、前記所定態様以外では、安全機構が作動してレーザＲが照射されないことから、例えば、ボディ１が傾斜して頭蓋骨Ｐ表面でレーザＲが反射し、術者に照射されるといった事態を回避でき、術者にとっても非常に安全性の高いものとなる。

さらに、術者は最初に小さな孔を頭蓋骨Ｐに穿孔するだけで、その他では、力をほとんどかけることなく、レーザＲでスムーズかつ迅速に頭蓋骨Ｐを切断することができるため、手術自体を従来に比べ、簡単なものにできる。さらに患者の頭を従来のように強く固定する必要がなくなるので、患者への負担軽減にもつながる。

ボディ１が光ファイバ３００で接続されていて操作性が非常によいことも、手術の簡単化に寄与する一要因となっており、このような構成から、頭蓋骨Ｐを自在な切断線で切ることも容易にできるようになる。

さらに、機械的に切断するのと違ってレーザＲによる切断代は細く、骨弁の外形とそれを切除した頭蓋骨Ｐの開口外形とを可及的に合致させることができるうえ、頭蓋骨Ｐの表面に対して切断面がほぼ垂直であることから、図７に示すように、球状をなす頭蓋骨部分であれば、骨弁Ｐ１の形状が自然に逆錐形となるため、骨弁Ｐ１を開口に戻して落ち込むことなく閉頭することができ、固定具の使用を最小限に抑えることができるようになる。

＜第２実施形態＞
次に本発明の第２実施形態について、図８を参照して説明する。なおこの実施形態で、前記実施形態に対応する部材には原則的に同一の符号を付すこととする。

この実施形態では、前記ボディ１が、ボディ本体１１と、そのボディ本体１１の先端に着脱可能に設けられた先頭部１２とから構成されている。

ボディ本体１１は、非透明な例えば円筒状をなすもので、その内部には、前記第１実施形態と同様の光学系（図８では図示していない）が設けられている。

先頭部１２は、前記ボディ本体１１の先端に螺合させるなどして着脱可能に取り付けられたもので、中空の先細り形状をなし、その先端にはレーザの射出口１ａが開口させてある。かかる先頭部１２は、光拡散作用を有する半透明な素材で形成してあり、その全体が透光領域となっている。

また、先頭部１２の内部には、レーザ光軸Ｃに対して直交配置されて、当該先頭部１２を仕切る等厚透明な飛散防止板１３が設けられている。

なお、この実施形態では、前記先頭部１２の先端が接触部２としての役割を果たしており、リミットスイッチ等の図示しない検知手段は、この接触部２が押圧されているどうかだけを検知するようにしている。すなわち、前記第１実施形態では、接触部２が押圧されているどうかのみならず、レーザ光軸Ｃ乃至ボディ１が頭蓋骨表面に垂直であることを検知するようにしていたが、この実施形態では、ボディ１が頭蓋骨表面に垂直であることまでは検知していない。図示しない安全機構もこの検知手段に連動するものであるから、接触部１が押圧されていれば、レーザの射出を妨げない。

しかしてこのような構成によれば、透光領域を介してレーザの頭蓋骨への照射点を目視できるため、より正確な切断が可能となる。また、透光領域は光拡散作用を有しているので、レーザのコヒーレンス性が失われ、目視による危険性も回避できる。

さらに、飛散防止板１３によって、切断時に飛散する体液や骨片から光学系を守ることができ、しかもその飛散によって先頭部１２が汚れても、これのみをボディ本体から取り外し、洗浄したり交換したりすることができ、利便性に富むものとなる。

また、この実施形態では、接触部２を頭蓋骨Ｐに接触さえさせておけば、ボディ１をある程度自在な角度にして切断できるので、切断自由度が高く、例えば表面が平らな部分をくり貫くときに、切断面を頭蓋骨表面に対して斜めにし、骨弁をすり鉢状にするといったこともできるようになる。

なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。例えば動物にも用いることができる。検知手段はリミットスイッチ等のように機械的なもののみならず、光学的なものや電磁的なものを用いてもよいし、接触部の対象（頭蓋骨）に対する近接を検知するようにしたものでもかまわない。

その他、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で、種々変形が可能である。

本発明の第１実施形態における開頭システムを示す模式的全体図である。 同実施形態における頭蓋骨切断装置の内部構造を示す模式的縦端面図である。 同実施形態における接触部が自然位置にある状態を示す拡大部分端面図である。 同実施形態における接触部が基準位置にある状態を示す拡大部分端面図である。 同実施形態の頭蓋骨切断装置を用いて手術する場合を示す手術説明図である。 同実施形態の頭蓋骨切断装置を用いて頭蓋骨を切断している状態を断面で示す手術説明図である。 同実施形態の頭蓋骨切断装置を用いて切除した骨弁を戻す場合を示す手術説明図である。 本発明の第２実施形態における頭蓋骨切断装置の先端内部構造を部分的に示す模式的縦端面図である。

符号の説明

２００・・・レーザ発振器
３００・・・光ファイバ
４００・・・頭蓋骨切断装置
１・・・ボディ
１１・・・ボディ本体
１２・・・先頭部
１ａ・・・射出口
２・・・接触部
２１・・・転動部材
３１・・・支持バー
３２・・・光遮断板
４・・・光学系
４１・・・円偏光子
４２・・・ビームエキスパンダ
４３・・・凸レンズ素子
Ｒ・・・レーザ
Ｐ・・・頭蓋骨
Ｃ・・・レーザ光軸

Claims (9)

1. レーザによって頭蓋骨を切断するための頭蓋骨切断装置であって、
   レーザ発振器から光ファイバを介して導入されたレーザを、先端部に設けた射出口から射出するボディと、
   前記ボディの前記射出口の周辺に突出して配設され、頭蓋骨表面に接触する接触部と、
   前記ボディからレーザの射出方向に向かって、当該レーザの光路を避けながら延出する支持バーと、
   前記支持バーの先端部に支持されたものであって、前記接触部を頭蓋骨表面に接触させた状態において、当該頭蓋骨の裏面に接触しないように当該頭蓋骨の裏面と脳表面との間に挿入され、レーザ光路に干渉してレーザのそれ以上の進行を止める光遮断板と、を備えている頭蓋骨切断装置。
2. 前記接触部が頭蓋骨表面に接触又は近接しているか否かを検知する検知手段をさらに備えている請求項１記載の頭蓋骨切断装置。
3. 前記検知手段が、レーザの光軸がそのレーザの照射領域となる頭蓋骨の表面とほぼ垂直となっているか否かをも検知するものである請求項２記載の頭蓋骨切断装置。
4. 前記支持バーが可変長のものである請求項１記載の頭蓋骨切断装置。
5. 前記ボディ内に配置した光学系を更に備え、その光学系が、少なくとも光ファイバから射出されたレーザを円偏光させる円偏光子と、レーザを収斂させる凸レンズ素子とを備えたものである請求項１記載の頭蓋骨切断装置。
6. 前記ボディの射出口近傍に、光拡散作用を有する半透明な素材で形成した透光領域を設けている請求項１記載の頭蓋骨切断装置。
7. 前記ボディが、ボディ本体と、そのボディ本体の先端に着脱可能に設けられた先頭部と、レーザの光軸に対して直交配置され、前記先頭部の内部空間を仕切る等厚透明な飛散防止板と、を備えたものである請求項１記載の頭蓋骨切断装置。
8. 前記接触部が、前記射出口の周囲に設けられて頭蓋骨の表面に接触させるための３以上の転動部材を備えたものであり、それら各転動部材の先端が、前記光軸と垂直な仮想平面上に配置されている請求項３記載の頭蓋骨切断装置。
9. レーザがパルスレーザである請求項１記載の頭蓋骨切断装置。

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