TED日本語 - ニコライ・ベグ: 極めて危険な一瞬を回避できる手術器具

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TED日本語 - ニコライ・ベグ: 極めて危険な一瞬を回避できる手術器具

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極めて危険な一瞬を回避できる手術器具
A tool to fix one of the most dangerous moments in surgery
ニコライ・ベグ
Nikolai Begg

内容

多くの手術は皮膚に穴をあけることから始まり、このときに体内の組織を傷つける危険が伴います。機械工学のエンジニアであるニコライ・ベグは、手術で頻繁に使われるトロッカーと呼ばれる医療器具の物理的なメカニズムに注目し、これを改良しました。日常的に行われる手術の危険性を軽減することができる発明です。

Script

The first time I stood in the operating room and watched a real surgery, I had no idea what to expect. I was a college student in engineering. I thought it was going to be like on TV. Ominous music playing in the background, beads of sweat pouring down the surgeon's face. But it wasn't like that at all. There was music playing on this day, I think it was Madonna's greatest hits. (Laughter) And there was plenty of conversation, not just about the patient's heart rate, but about sports and weekend plans. And since then, the more surgeries I watched, the more I realized this is how it is. In some weird way, it's just another day at the office. But every so often the music gets turned down, everyone stops talking, and stares at exactly the same thing. And that's when you know that something absolutely critical and dangerous is happening.

The first time I saw that I was watching a type of surgery called laparoscopic surgery And for those of you who are unfamiliar, laparoscopic surgery, instead of the large open incision you might be used to with surgery, a laparoscopic surgery is where the surgeon creates these three or more small incisions in the patient. And then inserts these long, thin instruments and a camera, and actually does the procedure inside the patient. This is great because there's much less risk of infection, much less pain, shorter recovery time. But there is a trade-off, because these incisions are created with a long, pointed device called a trocar. And the way the surgeon uses this device is that he takes it and he presses it into the abdomen until it punctures through. And now the reason why everyone in the operating room was staring at that device on that day was because he had to be absolutely careful not to plunge it through and puncture it into the organs and blood vessels below. But this problem should seem pretty familiar to all of you because I'm pretty sure you've seen it somewhere else. (Laughter) Remember this? (Applause) You knew that at any second that straw was going to plunge through, and you didn't know if it was going to go out the other side and straight into your hand, or if you were going to get juice everywhere, but you were terrified. Right? Every single time you did this, you experienced the same fundamental physics that I was watching in the operating room that day. And it turns out it really is a problem. In 2003, the FDA actually came out and said that trocar incisions might be the most dangerous step in minimally invasive surgery. Again in 2009, we see a paper that says that trocars account for over half of all major complications in laparoscopic surgery. And, oh by the way, this hasn't changed for 25 years.

So when I got to graduate school, this is what I wanted to work on. I was trying to explain to a friend of mine what exactly I was spending my time doing, and I said, "It's like when you're drilling through a wall to hang something in your apartment. There's that moment when the drill first punctures through the wall and there's this plunge. Right? And he looked at me and he said, "You mean like when they drill into people's brains?" And I said, "Excuse me?" (Laughter) And then I looked it up and they do drill into people's brains. A lot of neurosurgical procedures actually start with a drill incision through the skull. And if the surgeon isn't careful, he can plunge directly into the brain. So this is the moment when I started thinking, okay, cranial drilling, laparoscopic surgery, why not other areas of medicine? Because think about it, when was the last time you went to the doctor and you didn't get stuck with something? Right? So the truth is in medicine puncture is everywhere. And here are just a couple of the procedures that I've found that involve some tissue puncture step. And if we take just three of them -- laparoscopic surgery, epidurals, and cranial drilling -- these procedures account for over 30,000 complications every year in this country alone. I call that a problem worth solving.

So let's take a look at some of the devices that are used in these types of procedures. I mentioned epidurals. This is an epidural needle. It's used to puncture through the ligaments in the spine and deliver anesthesia during childbirth. Here's a set of bone marrow biopsy tools. These are actually used to burrow into the bone and collect bone marrow or sample bone lesions. Here's a bayonette from the Civil War. (Laughter) If I had told you it was a medical puncture device you probably would have believed me. Because what's the difference? So, the more I did this research the more I thought there has to be a better way to do this. And for me the key to this problem is that all these different puncture devices share a common set of fundamental physics.

So what are those physics? Let's go back to drilling through a wall. So you're applying a force on a drill towards the wall. And Newton says the wall is going to apply force back, equal and opposite. So, as you drill through the wall, those forces balance. But then there's that moment when the drill first punctures through the other side of the wall, and right at that moment the wall can't push back anymore. But your brain hasn't reacted to that change in force. So for that millisecond, or however long it takes you to react, you're still pushing, and that unbalanced force causes an acceleration, and that is the plunge. But what if right at the moment of puncture you could pull that tip back, actually oppose the forward acceleration? That's what I set out to do.

So imagine you have a device and it's got some kind of sharp tip to cut through tissue. What's the simplest way you could pull that tip back? I chose a spring. So when you extend that spring, you extend that tip out so it's ready to puncture tissue, the spring wants to pull the tip back. How do you keep the tip in place until the moment of puncture? I used this mechanism. When the tip of the device is pressed against tissue, the mechanism expands outwards and wedges in place against the wall. And the friction that's generated locks it in place and prevents the spring from retracting the tip. But right at the moment of puncture, the tissue can't push back on the tip anymore. So the mechanism unlocks and the spring retracts the tip. Let me show you that happening in slow motion. This is about 2,000 frames a second, and I'd like you to notice the tip that's right there on the bottom, about to puncture through tissue. And you'll see that right at the moment of puncture, right there, the mechanism unlocks and retracts that tip back. I want to show it to you again, a little closer up. You're going to see the sharp bladed tip, and right when it punctures that rubber membrane it's going to disappear into this white blunt sheath. Right there. That happens within four 100ths of a second after puncture. And because this device is designed to address the physics of puncture and not the specifics of cranial drilling or laparoscopic surgery, or another procedure, it's applicable across these different medical disciplines and across different length scales.

But it didn't always look like this. This was my first prototype. Yes, those are popsicle sticks, and there's a rubber band at the top. It took about 30 minutes to do this, but it worked. And it proved to me that my idea worked and it justified the next couple years of work on this project. I worked on this because this problem really fascinated me. It kept me up at night. But I think it should fascinate you too, because I said puncture is everywhere. That means at some point it's going to be your problem too. That first day in the operating room I never expected to find myself on the other end of a trocar. But last year, I got appendicitis when I was visiting Greece. So I was in the hospital in Athens, and the surgeon was telling me he was going to perform a laparoscopic surgery. He was going to remove my appendix through these tiny incisions, and he was talking about what I could expect for the recovery, and what was going to happen. He said, "Do you have any questions?" And I said, "Just one, doc. What kind of trocar do you use?"

So my favorite quote about laparoscopic surgery comes from a Doctor H. C. Jacobaeus: "It is puncture itself that causes risk." That's my favorite quote because H.C. Jacobaeus was the first person to ever perform laparoscopic surgery on humans, and he wrote that in 1912. This is a problem that's been injuring and even killing people for over 100 years.

So it's easy to think that for every major problem out there there's some team of experts working around the clock to solve it. The truth is that's not always the case. We have to be better at finding those problems and finding ways to solve them. So if you come across a problem that grabs you, let it keep you up at night. Allow yourself to be fascinated, because there are so many lives to save.

(Applause)

手術室に初めて入って 実際に手術を見学するまで どんなものなのか イメージも浮かびませんでした 当時 大学の工学部の学生で テレビで見たようなものを 想像していました 不吉な音楽が流れる中で 外科医の額からは汗が噴き出している でも 実際は全く違いました そこで流れていた音楽は マドンナのベストヒットだったと思います (笑) 手術スタッフ同士で よく会話もしています 患者の心拍数などだけではなく スポーツの話とか 週末に何をするかとか それ以後 手術というものを見学する度に このようなものだと分かってきました いつも通りの日常的な風景があるだけです でも たまに 音楽が止み 突然皆が静かになって 全員が何かに注目することあります これは 何か重大で 注意を要する危険なことが 起こっているサインです

最初にそれを目撃したのは 腹腔鏡手術と呼ばれる 手術の最中でした ご存知ない方のために 簡単に説明すると 腹腔鏡手術では一般の手術のように 大きく開腹する代わりに 外科医は このような 小さな穴を 3箇所以上開け そこに この様な長くて細い器具と カメラも挿入して 患者の体内の空間で 手術を行うものです この手術の利点は 細菌感染のリスクや 痛みが大幅に減り 回復も早いことです でも欠点もあります 腹壁に小さな穴を開けるのに 先の尖った細長い 「トロッカー」という器具を使いますが これを外科医が どのように使うかというと 患者のお腹にあて 腹壁に穴が開くまで 押すわけです 手術室のスタッフ全員が この器具に注目していたのは この過程で細心の注意を払い 器具が腹壁を突き破ったときに その下にある臓器や血管まで傷つけないように する必要があったからです 日常よくある問題と同じですね (笑) 皆さんも経験ありますね? (拍手) ストローがもう少しで 突き刺さるというとき 反対側まで突き破って パックを持つ手に 突き刺さってしまうとか ジュースが ドバッと噴出するかとか 不安な気分になりましたよね? 皆さんもストローを手に 毎回 私が手術室で見たものと 物理的には同じ事を やっていたわけです 実はこれが本当に問題であることが分かりました 2003年にFDAが トロッカーの刺入が低侵襲手術の 最も危険な作業であると発表し 再び2009年にはトロッカーが 腹腔鏡手術に伴う重大な問題の 過半数以上に関係するという論文も発表されました にもかかわらず この器具は過去25年 同じものが使われているのです

そこで 大学院では これをテーマに研究することにしました 何に取り組んでいるかを 友達に解ってもらおうとして 「アパートの壁に何かを掛けるために ドリルで穴を開けていて ドリルが内壁を突き破った瞬間 刃が突然 突き抜けてしまった 経験があるだろう?」と言うと 彼は私の方を見て こう言いました 「頭蓋骨にドリルで穴を開けるときと同じだね?」 これにはビックリしました(笑) 実際調べてみると 頭の手術にはドリルを使うんです 脳神経科の手術の多くは 頭蓋骨にドリルで穴を開けることから 始まります 外科医が気をつけないと ドリルの刃が脳内に突き進んでしまいます これを知り 考え始めました 頭蓋骨に穴を開けたり 腹腔鏡手術 他にも何かあるんじゃないか? だって 医者に行けば 何かで必ず ブチッと刺されますからね? (笑) 実際 医療の現場では 刺す行為は日常的にあります 体の様々な組織を刺す医療行為を いくつか調べてみました ここでは3つだけ 見てみましょう 腹腔鏡手術 硬膜外麻酔 開頭手術ですが これらの手術だけで アメリカでは年間 3万件もの問題が 報告されています これは 何とかした方が良いと 思ったわけです

これらの処置に使用される 器具をいくつかお見せしましょう 硬膜外麻酔に 使われる針がこれです これで背骨の間から靱帯を穿刺して 出産時などの麻酔薬を注入します これは 骨髄生検に使われる器具です 骨の中に突き刺して 骨髄や骨病変のサンプルを採取します こちらは 南北戦争時代の銃剣です (笑) これが 医療器具だと紹介しても きっと誰も疑わないでしょうね 似たようなものですから 調べれば調べるほど さらに良い方法があるべきだと 思うようになりました これらの人体に穴を開ける器具に 共通の問題も見えてきました 物理的な問題です

物理的に何が起こっているのでしょう? 再び壁に穴を開けるのを見てみましょう ドリルで壁に対して力をかけていますね? ニュートンの法則によれば この時 壁が押し返す力は 同じ強さで逆向きです 穴を開ける過程では この2つの力は釣り合っています でも ドリルの刃が 壁を貫通した瞬間 壁はもう押し返す力が無くなります でも その変化に人間が反応できないため ほんのミリ秒間 反応が起こるまで ドリルを押し続けることになり その一方的な力によって 刃が突っ込んでしまうわけです でも もし貫通の瞬間に ドリルの刃を引っ込められたら 加速的に前進するのを 避けられるでしょうか? これを研究の課題にしました

組織に穴を開けるための 先の尖った器具があるとします その先端を引っ込める 最も簡単な方法は何でしょう? 私はバネだと思いました バネが伸びながら 器具の先端が出るようにして 組織を貫通する直前に バネが先端を引っこめるという仕組みです 穴が開く瞬間まで 引っ込まないようにするには こんな仕掛けを使いました 器具の先端が組織に押し当てられていると この仕掛けは外側に広がって 壁との間に生まれた摩擦から 固定されバネが器具の先端を 引き戻すのを防ぎます でも穴が貫通した瞬間 組織が先端部を押し返せなくなり このメカニズムが解除され バネが先端部を引っ込めます これをスロー再生しておみせします 毎秒2000フレームで撮影しました 映像の下の方に見える器具の先端が 穴を開けるところです 穴が貫通した途端 このようにロックが解除され 先端が引き戻されます もう一度 クローズアップ映像を お見せします 尖った刃の先端が見えますが ゴムの膜をやぶった瞬間に 刃は白い鞘の中に引っ込んでしまいます 見えますね 貫通の後これに要する時間は100分の4秒 しかも このデバイスは一般的な 「突き破り」防止のデザインで 頭蓋骨に穴を開けたり 腹腔鏡手術専用ではないので 様々な医療の現場で使えます スケールを変えることもできます

でも これは改良を重ねた結果です これは最初の試作品で そう アイスキャンディーの棒で作りました (笑) 上にあるのは輪ゴムです 30分ほどでこれを作って 上手くいくと分かったので このアイデアを使って 2年間 このプロジェクトに 取り組むことを決めました この研究のきっかけは この問題が頭を離れず 夜も眠れなかったからです でも 誰でも気になることだと思います 刺される機会はそこら中にありますから いつ この問題に遭遇するかわかりません 手術を初めて見学したあの日 自分がトロッカーのお世話になるとは 思いもしませんでした 去年のことですが ギリシャ旅行中に盲腸になり アテネの病院に入院しました そこで 執刀医に 「腹腔鏡手術を行う」とを告げられました 小さな穴から盲腸を取り出すのです 回復にどのくらいかかるかや 予後などの説明を受けた後 何か質問はあるかと訊かれ 唯一 尋ねたのは 「 どんなトロッカーをお使いですか?」 ということでした

腹腔鏡手術を うまく言い表した言葉があります H. C. ヤコビウスという医者の言葉で 「危険なのは穴を開けること自体だ」 なぜこの言葉が印象的かというと 人間に初めて腹腔鏡手術を行った H. C. ヤコビウスによって 1912年に書き残された言葉だからです この問題が100年もの間 患者を傷つけたり 殺したりしてきたわけです

この世にある様々な問題には 専門家が日夜休まず 努力をしているはずだと思うものですが 実はそうとは限らないのです このような問題を見つけ 解決できるように努めるべきなのです ですから 何か気になる問題に遭遇して 夜も寝られなかったら その問題にのめりこんでみて下さい 沢山の人の命を救えるかもしれません

(拍手)

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品詞分類

  • 主語
  • 動詞
  • 助動詞
  • 準動詞
  • 関係詞等

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