低侵襲・新治療開発による個別化癌医療確立

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森川 康英

森川 康英  (もりかわ やすひで)

慶應義塾大学大学院医学研究科外科系専攻外科学(小児外科) 教授

研究成果

【概要】

内視鏡外科における二つの隘路は自由度の不足と触覚の欠如である。この解決のために本COEプログラムでは特に領域3として“MICS/surgical robotics and haptics”を設け、新規技術にもとづく実際の機器の開発をめざして研究が行われた。これらの研究は医学部、理工学部ならびに企業との共同研究であり、実際の臨床における使用を前提として薬事法における承認を得ることも一つの達成目標である。

1 マスタ・スレーブ一体型ロボット鉗子の開発

腹腔鏡手術における自由度の不足を解消するために、これまでda Vinciなどの大型の手術用マスタスレーブマニピュレータが開発され、我々も2000年に導入を行って消化器外科領域の種々の内視鏡手術に使用してきた。その過程でこれら大型の手術ロボットの問題点も明らかとなってきた。すなわち、術者が患者と離れた位置にいて、実際の鉗子挿入部などの状況がわからないこと、機器が大型でありその準備に時間がかかること、鉗子のアームの干渉により突然動きが止まってしまうこと、鉗子の挿入など比較的長い距離の移動などに対する追従性が困難なこと、機械が大型で患者さんを覆い隠すことになること、そして力覚の帰還が全くないために結紮の際に縫合糸を切ってしまうことなどが欠点として挙げられる。我々はこれらの欠点を克服したロボット鉗子の開発を行い、マスタ・スレーブ一体型のロボット鉗子を開発した。このロボット鉗子は先端のグリッパーに把持、回転、yaw(またはピッチ)の3自由度を有し、操作部と鉗子部は通常の内視鏡外科用鉗子と同様なロッドで結合されている。したがって鉗子全体の大きな動き(回転、X軸、Y軸、Z軸)は操作部を把持する術者の手によって行われる。操作部の位置検出に従ってユニラテラルコントロールによりマイクロモーターによるワイアー駆動で鉗子部分の3自由度が駆動される。外径12ミリのプロトタイプを作成後、5ミリ、3ミリタイプのこのロボット鉗子はマスタ・スレーブ一体型(Master-Slave Combined Manipulator:MCM)鉗子として、2006年に薬事法の承認を受け、さらに倫理委員会の承認を受けて臨床試験が開始された。

現在製品化を目的として、メーカー2社により鉗子部分とコントローラーの政策が行われており、改良部分についてさらに薬事法に基づく申請、承認が行われている。(図1,2)

図1 マスタ・スレーブ一体型ロボット鉗子(MCMロボット鉗子)先端部分

図2 MCM鉗子操作部

2 実世界触覚技術とHaptic鉗子の開発

力情報の帰還は内視鏡外科にとってこれまで全く実現が行われていない。VR空間におけるtactile sensationを実現するFanTomTMなどの技術は内視鏡の鉗子にそのまま搭載することは困難である。一方、strain gageなどの従来の圧測定方式は、測定機自体の変形を伴い、検出周波数域帯は10Hz程度である。ヒトの触覚の周波数域隊は数100Hzであり、これまでの技術ではリアルな触覚を実現することは不可能である。我々は触覚のもつ対象物と検出者である術者相互の双方性を確保し、さらに力制御と位置制御を同時に行うための研究を行ってきた。そして検出者と対象物の間のtransparencyを確保するために高性能のencoderにより位置検出を行いつつ、鉗子の直動をリニアモーターでおこない、マスタ/スレーブそれぞれに外乱オブザーバを適用してシステム全体をバイラテラルコントロールすることにより、加速度ベースによるリアルな触覚を鉗子のグリッパーを通じて得ることに世界で初めて成功した。さらに、2004年には遠隔地より触覚を伝達することに成功している。2005年よりこれらの新規技術を他自由度内視鏡外科用ロボットに搭載するための研究を新たに企業(日立製作所機械研究所)とともに開始した。システム設計段階で従来の制御系に用いられていたPCベース(Linux)の制御に加えて、FPGAをカスタム設計し制御系に組み込み、さらに駆動系にはrelease機構を採用してジョイントのないシステムを作成した。2006年に試作1号機、2007年に2号機が製作され現在調整段階にある。(図3)

図3 多自由度Haptic手術ロボットスレーブ部分(プロトタイプ1号機)

2007年には触覚を検知することができる一自由度の小動物用haptic鉗子を作成し、動物組織各部分におけるstiffnessの検出に成功した。ラット腹部臓器を鉗子で把持した際の触覚データを獲得すると、温度、血流ならびに臓器によりそれぞれのstiffnessが異なり、検者が区別することのできない微妙な触覚の違いを明瞭に区別することができると共に、コリン作動性物質の投与による腸管の収縮に伴うstiffnessの変化を検者は明瞭にとらえることができた。(図4)この触覚技術の開発の過程では6件の特許出願が行われており、さらにhapticsという新しい研究領域ならびにその応用領域の創出に貢献した。

図4 ラット小腸におけるACh収縮とstiffnessの変化

代表的な発表論文

  1. Iwanaka T,Arai M,Yamamoto H,Fykuzawa M,Kubota A,Kouchi K,Nio M,Satomi A,Sasaki F,Yoneda .,Ohhama Y,Takehara H,Morikawa Y,Miyano T. No incidence of port-site recurrence after endosurgical procedure for pediatric malignancies. Pediatr Surg Int 19:200-203,2003.
  2. Hirabayashi T, Matsufuji H, Yokoyama J, Hagane K, Hoshino K, Morikawa Y, Kitajima M. Colorectal motility induction by sacral nerve electrostimulation in a canine model: implications for colonic pacing. Dis Colon Rectum 46:809-817,2003.
  3. Matsuhira N, Jinno M, Miyagawa T, Sunaoshi T, Hato T, Morikawa Y, Furukawa T, Ozawa S, Kitajima M. Development of a functional model for a master-slave combined manipulator for laparoscopic surgery. Advanced Robotics 17: 523-539,2003.
  4. Shimojima N, Nakaki T, Morikawa Y, Hoshino K, Kitajima M. Imatinib blocks spontaneous mechanical activities in the adult mouse small intestine: possible inhibition of c-Kit signaling. Pharmacology. 2005 May;74 (2):95-9.

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