平成26年度秋期 システムアーキテクト 午後Ⅰ 問4

問4 遠隔操作可能な手術支援システムに関する次の記述を読んで，設問1～4に答えよ。 E社は医療機器メーカであり，医師が手術室内で内視鏡からの映像を確認しながら手術ができる手術支援システムを開発し，販売している。このシステムを用いた手術では，医師の手が直接患者に触れることがないので，環境などの条件が整っていれば，離れた場所からでも遠隔操作で手術ができる。 離島，沿海地域など，陸上からのアクセスが困難な地域における医療の質を向上させるために，医療機器を装備した船舶（以下，病院船という）を巡回させて医療を提供する構想の具体化が予想される。E社は関連メーカとして，病院船に搭載することを想定した，遠隔操作可能な手術支援システム（以下，遠隔手術システムという）の実証システムを新たに開発することになった。 〔現在の手術支援システムの概要〕 最近の手術では，患者の負担を減らすために，内視鏡を用いた方法が普及している。この方法は，患者の身体の表面に小さな穴を数か所開け，内視鏡と医療器具をそれぞれ別の穴に挿入し，医師が内視鏡からの映像をモニタで確認しながら医療器具を操作して手術を行うというものである。 E社の手術支援システムは，内視鏡と医療器具の操作をマニピュレータで行う。医師は，内視鏡からの映像を表示するモニタ（以下，内視鏡モニタという）で確認しながら，マニピュレータを操作する。医師が操作する側のマニピュレータをマスタマニピュレータ，患者の身体に挿入する側のマニピュレータをスレーブマニピュレータと呼び，スレーブマニピュレータの先端部には，内視鏡，メス，鉗子などが取り付けられている。マニピュレータの操作には専門の高度な技術が必要で，操作できる医師は限定される。 〔遠隔手術システムの開発目標〕 遠隔手術システムの開発は，E社のシステムアーキテクトであるF氏が担当することになった。F氏は開発に当たり，医療機関の要望を調査・検討し，開発目標を次のようにまとめた。 ① 手術を担当する医師（以下，執刀医師という）が病院船内にいなくても，患者に対して手術ができる。 ② 病院船内の手術室にはサポートの医師，看護師，助手を配置し，通常の病院と同じように執刀医師とコミュニケーションをとりながら手術を進めることができる。 ③ より正確な手術がしやすいように，内視鏡モニタは3D化する。 ④ 映像，データなどの通信を必要とするので，病院船と地上との間は無線による通信回線を利用する。 ⑤ 執刀医師のストレスを減らすために，マニピュレータの操作が内視鏡モニタに表示されるまでの遅延時間が短くなるようにする。 ⑥ 病院船に設置するので，手術時の揺れ，振動の影響をできるだけ少なくする。 〔遠隔手術システムの概要〕 F氏は，遠隔手術システムの概要を次のように考えた。 ① 現在の手術支援システムを基に，遠隔手術システムを開発する。病院船から離れた場所（以下，遠隔オペレーション室という）でも手術ができるように，必要な装置・器具を手術室と遠隔オペレーション室に装備し，両者を連携させる。遠隔オペレーション室と連携させない場合は，手術室内だけで手術ができる。 ② 操作卓（執刀医師が使用する装置・器具を一体化したもの）は，マスタマニピュレータ，内視鏡モニタ，生体データモニタ，手術室モニタなどで構成する。内視鏡モニタは，新たに開発する3D内視鏡モニタとする。 ③ 遠隔オペレーション室には操作卓を設置する。 ④ 手術室には，ベッド，スレーブマニピュレータなどで構成する手術台及び操作卓を設置する。さらに，手術室内のスタッフが内視鏡からの映像，生体データなどを見る統合モニタも設置する。 ⑤ 手術室のスタッフと遠隔オペレーション室の執刀医師とのコミュニケーションをとるために，それぞれの室内映像と音声を相手側に送る。 ⑥ 手術室に設置された操作卓と手術台はLANで接続し，データをやり取りする。 ⑦ 遠隔オペレーション室に設置された操作卓と手術台を接続する通信回線を確保する。 ⑧ 執刀医師は，遠隔オペレーション室に設置された操作卓の3D内視鏡モニタを確認しながら，マスタマニピュレータを操作して遠隔手術を行う。手術室では，スタッフが遠隔オペレーション室の執刀医師の指示に従い，スレーブマニピュレータに器具を取り付けて患者の体内に挿入したり，患者の生体データを得るための処置を行ったりする。 ⑨ 遠隔オペレーション室の操作卓と手術室の操作卓の両方が手術台と接続されたとき，2台のマスタマニピュレータからは同時に操作できないようにする。 〔遠隔手術システムの構成と機能〕 F氏は，遠隔手術システムの構成と機能について検討した。F氏が検討・整理した遠隔手術システムの構成を図1に，操作卓の構成と機能を表1に示す。 図1 遠隔手術システムの構成 表1 操作卓の構成と機能 ・遠隔オペレーション室には，操作卓，及び室内の映像を撮るためのカメラを設置する。執刀医師は，遠隔オペレーション室から操作する。 ・手術室には，手術台，操作卓及び統合モニタを設置する。手術台の構成と機能を表2に示す。統合モニタは，内視鏡からの映像，遠隔オペレーション室の映像，及び生体データの各モニタを一体化したものであり，手術室のスタッフが利用する。統合モニタには，手術室を撮影するカメラ，音声を入力するマイク，及び執刀医師の音声を流すスピーカも組み込まれている。 表2 手術台の構成と機能 〔通信回線の検討〕 遠隔手術で必要とする通信データの種別と内容を，表3に示す。 なお，伝送データ量については，これまでの実験結果から推定できる。 表3 通信データの種別と内容 遠隔手術は，港湾内又は陸地に近い場所に病院船を停泊させて行う。この条件に適合する通信回線の検討では，執刀医師の操作に大きく影響する［c］の伝送遅延及び操作コマンドの伝送遅延を重視した。そのため圧縮処理は，ハードウェアで行うことにする。検討結果は次のとおりである。 ・地上側で高速通信回線を利用できる場合は，屋外用無線LANブリッジを用いて病院船と対向でリンクさせることによって，数km以内での高速無線LAN接続が可能である。 ・地上側で高速通信回線を利用できない場合は，地上波の無線データ通信サービスを利用する。 ・通信速度と遅延時間に相違があるものの，いずれの通信サービスも利用できることが分かった。通信速度の相違については，圧縮方法及び圧縮率を変えないで，伝送データ量を変動させる方法も検討する。 〔3D内視鏡モニタの検討〕 内視鏡からの映像を3D化する方法を検討した。検討結果は次のとおりである。 ・左右の目に相当する二眼のカメラで撮影した左右一対の映像を，3Dモニタで見る。このとき，専用の眼鏡を使用して見る方式と裸眼で見る方式があるが，専用の眼鏡は手術に支障を来すので，裸眼方式とする。ただし，裸眼方式の3Dモニタは，見る位置が特定の距離と角度に限定される。 ・裸眼での3D化を実現するためには，映像に画像処理を行ってから3Dモニタに入力する必要がある。ハードウェアによる3D化画像処理ユニットを，データ圧縮処理ユニットとともに手術台の制御部に設置する。 〔安全性及びセキュリティ面の検討〕 緊急時にも患者の安全を確保するほか，操作卓は，第三者が容易に映像を見たり操作したりできなくする対策が必要である。 ・［d］中は，遠隔オペレーション室のマスタマニピュレータを優先する。 ・通信が中断した場合は，制御部からスレーブマニピュレータへの出力を停止して遠隔手術を止め，手術室のマスタマニピュレータの操作を有効にする。 ・緊急時には，手術室のスタッフの判断で，遠隔オペレーション室からの操作を無効にできるようにする。 ・遠隔手術では，患者の身体・健康に関する情報を通信回線上で伝送するので，情報セキュリティ対策として暗号化処理が必要である。 設問1 遠隔手術システムについて，(1)，(2)に答えよ。 (1) 表2中の［a］，［b］に入れる適切な字句を答えよ。 (2) 遠隔手術の場合，手術室内で操作する場合と比較して執刀医師の操作に影響を与えることになる要因を，40字以内で述べよ。 設問2 〔通信回線の検討〕について，(1)，(2)に答えよ。 (1) 本文中の［c］に入れる適切な字句を答えよ。 (2) 画像の伝送データ量を削減する方法として，1秒当たりのフレーム数を減らす方法と，1フレーム当たりの画素数を減らす方法を比較検討する。遠隔手術システムで用いることを考慮して，フレーム数を減らす方法の有利な点及び不利な点を，それぞれ15字以内で述べよ。 設問3 ハードウェアによる3D化画像処理ユニットを，データ圧縮処理ユニットとともに手術台に設置することにした。手術台に設置する利点を25字以内で述べよ。 設問4 〔安全性及びセキュリティ面の検討〕について，(1)，(2)に答えよ。 (1) 本文中の［d］に入れる適切な字句を答えよ。 (2) 遠隔手術の場合，手術室のマスタマニピュレータを遠隔オペレーション室のマスタマニピュレータの状態に常に追随させるようにしている。その理由を，50字以内で述べよ。