Medical Robotics Laboratory (Kawai Lab.)

医療ロボティクス研究室(河合研)


Research

研究概要


















研究テーマ

人と同じ空間に存在し,共存協調して作業を行えるロボット技術(メカトロニクス)を研究しています.
現在は,執刀医1名での低侵襲な内視鏡下手術を可能とする手術支援ロボットの実現を目指して,
カメラと鉗子の助手をマニピュレータが担えるよう,医工・産学連携で取り組んでいます.

ローカル操作型ロボットLODEM(Locally Operated Detachable Endo-effector Manipulator)は,
遠隔地からのリモート操作型ロボットが大型のオールインワンシステムであるのに対して,
センシング能力に優れる人と,安定した作業に優れるロボットが補完できる,小型ロボットのインテグレーションです.
具体的には,下記の研究テーマがあります.

  (1)小型の術具マニピュレータ,
  (2)ローカル操作型インタフェース(オープンループ,マスタスレーブ),
  (3)内視鏡映像下での臓器形状や術具の画像認識に基づく半自動制御,
  (4)臓器硬さセンシング,

(1)術具マニピュレータの研究は,執刀医と共存協調して手術を行う第3の手に注目しています.
モバイルやマルチアングルなど機能性を備える新しい機構を考案して,設計試作をし,
把持・牽引力,速度,ヒステリシス(位置決め精度)などを評価することで,
ワーキングエリアを共有して人と共存できるマニピュレータの研究に取り組んでいます.

(2)操作インタフェースの研究は,患者の傍で手術をする医師(ヒト)の動きに注目しています.
術具を持った手,踏ん張る脚,モニタを見る頭,など五体の動作を対称に,非拘束なデバイスでセンシングし,
ヒトの動作を解析して,状態遷移などからインタフェースを構築したり,
ミドルウェアを介したマスタとスレーブのマルチ接続を目指すなど,
術具マニピュレータをストレスなくローカル操作する研究に取り組んでいます.

(3)画像認識の研究は,マーカーレスでの術野認識に注目しています.
臓器を牽引(カウンタートラクション)して緊張状態となった組織の三角形状を認識し,
鉗子やトロカーなど術具を検出して,これらを指標に執刀医のタイミングで視野を変える,
内視鏡ロボットを半自動制御する研究に取り組んでいます.

(4)力覚センシングの研究は,電気的なセンサを用いないアクチュエータ側での計測に注目しています.
ステッピングモータの脱調現象を利用して対象物の硬さを計測し,
市販の材料試験機と校正して相関を示し,計測結果を医師に分かりやすいよう提示し,
患部を診断したり,硬さに応じて把持力を調整できるマニピュレータの研究に取り組んでいます.

これらの研究には,学外の先生方と共同で取り組んでいます.
  国立がん研究センター東病院消化器外科   西澤先生,伊藤先生
  香川大学医学部消化器外科   藤原先生
  京都大学ウイルス再生医科学研究所   中村先生
  信州大学繊維学部   西川先生
  東京女子医科大学 先端生命医科学研究所   正宗先生.堀瀬先生
  同志社大学生命医科学部   森田先生

背景

 外科手術では排泄など機能の温存や合併症を回避するため,神経や筋肉および正常組織をできる限り残す微細作業が重要です.内視鏡下手術は低侵襲(短い時間でかつ患部以外の正常な組織にできるだけ損傷を与えない)かつ拡大視野を得られるため,開腹開胸手術と比べて微細作業に優れていることから広く行われるようになってきています.この手術は,患者にとって創痕が小さいため整容的に優れ,身体への負担が軽く,社会復帰も早期に可能です.
 しかし,外科医にとっては外径3~12mmで長さ300mmの長軸形状の術具を用いて,術具をガイドするトロカー刺入点を中心としたピボット運動による高度な手技を要求されます.すなわち,執刀医は開腹開胸手術に比べて直感的ではない操作で,自由度が少なく力覚が鈍い術具を扱い,手の振戦を抑え,さらに,内視鏡で視野を提供する助手や,鉗子で臓器を把持牽引する助手と協調する必要があります.
 また,内視鏡と術具を一つの創から体内へ刺入する,単孔式内視鏡下手術が普及しつつあります.本術式は術具刺入点を臍部など一点に集約していることから,患者にとって手術創が見分けにくい美容上の恩恵がある一方,執刀医にとっては術具や腕が互いに干渉する狭い視野と作業空間が新たな課題となっています.
 さらに,開腹開胸手術では術者の手で臓器に直接触れるため,触覚により,硬さといった機械特性を得られますが,内視鏡下手術では長軸形状の鉗子を用いることから力覚が鈍いことが課題となっています.
 これら内視鏡下手術の課題を解決すべく,執刀医のスキル向上を目指した様々なトレーニング機器が開発される一方で,ロボット技術を適用した手術支援システムへの要求が高まっています.近年,多自由度の専用術具を備える複数本のアームをマスタスレーブ制御し,手ブレ補正やモーションスケーリングと合わせて, 高精度の位置決め可能な手術支援ロボットが国内外で開発されています.これらは医師が患者から離れた場所で操作するリモート操作型です.
 外科手術では,患部周辺の状況を的確に把握して手技を進めることが重要なことから,医師とロボットが清潔野で協同してスムーズな視野展開と正確な手術手技が行える内視鏡下ソロサージェリーの実現を目指し,LODEMを中心としたローカル操作型マニピュレータシステムの研究開発を進めています.

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