チューブワイヤ駆動式小型腹腔内 移動手術補助ロボット 千葉大学 大学院工学研究科 メディカルシステム工学コース 説明： 准教授 兪 文偉 1 研究背景1 近年、患者に対してQOLが重要視され、腹腔鏡手術やNOTESのよう な低侵襲手術の発展が望まれている ・腹腔鏡手術 腹部に直径1cm程度の穴を数箇所切り、トロッカーを刺し入れてそこ から術具を挿入して行う手術 2 研究背景2 ・NOTES（Natural Orifice Translumenal Endoscopic Surgery） 外部には傷跡を残さず、口、肛門などの自然孔から術具を入れ て生体の内部を切開しながら進入させて行う手術 術具の動きに制限 術者にとっては高度な医療技術が必要 制限なく容易に操作できる新しいシス テムが求められている 鉗子などの様々な術具・カメラを搭載、 腹腔内で移動・停止が可能なロボットの開発 3 運動方式 移動面について ・機構が簡単 ・より確実な補助動作 腹壁に沿って移動 想定される動作環境 ・狭い経路を進んで腹腔内へ ・腹腔内では逆さ状態での移動、作業 ・生体の可塑変形 様々な姿勢、経路の距離を考慮した運動方式 逆さ状態での移動・静止が可能な運動方式 安定性のある運動方式 腹壁表面での運動方式 ・自重を支持および付着させる機構 ・歩行面へのキズ不可 吸盤 ・相対移動 ・垂直方向への負荷軽減 チューブ・ワイヤ チューブ・ワイヤ駆動シャクトリムシ運動方式 4 関連研究1 ・腹腔鏡下手術支援長鉗子マニピュレータシステム ［中村ら,2001］ 長鉗子の先端部に屈曲２自由度を付加した長鉗子マニピュレータ 5節リンク式腹腔鏡マニピュレータ 支点の固定がトロッカー部のため、術具に制限 5 関連研究2 診断治療用マイクロ体内ロボットの腹腔内移動に関する研究 [野方ら, 2006] 作業環境 腹腔 動作方法 強磁場(2T)を用いた移動 目的 内部の撮影 まわりの手術器具の考慮 カメラ以外の術具の搭載 6 関連研究3 The Heart Lander:A novel epicardial crawling robot for myocardial injections [N.A.Patronik et. al., 2005] 作業環境 動作方法 目的 心外膜 2つの吸盤とそれに接続している ワイヤーによる相対移動 心筋への注射 心外膜と腹壁の性質の違い 注射以外の術具の搭載 7 設計上の考慮事項、対策 • 小進入口 • 逆さ状態 • 術具搭載 • 変形歩行面 • 定位置制御 • • • • 寸法の制約 (<25mm) 自重の制約 (<20g) 荷重力条件 (>150gf) 自由度条件 (3+1 DOF) 加工上の考慮 組み立て上の考慮 歩行面にあう吸盤 制約と機能を満 たしつつコンパク トに設計 8 ロボットの構成 ワイヤ1: ロボットの旋回操作用(2自由度) ガイドチューブ1： ロボットの操作、ワイヤのガイド 空気路用チューブ： 空気路 ワイヤ2： ロボットの上下操作用(1自由度) ガイドチューブ2： ロボットの操作、ワイヤのガイド 外枠： チューブ等を仕様の外径にまとめる枠 断面図 吸盤： 腹壁への吸着 継手： 吸盤とチューブを接続する部品 鉗子： 患部に対する処置具 仕様から問題点を検討し、ロボットを設計 運動方式の実行可能性の検証 9 吸盤の有効性の検討 豚の腹壁に対し、どのくらいの力まで 支えられるかを検証 ＜結果＞ 最大吸着力：150g ロボットが腹壁で自重を支えるのに十分な吸着力 腹腔内の移動方式として吸盤は有効である 搭載部分の鉗子の重量：28g 問題点 腹壁が伸びるため、運動の障害になる可能性がある 10 機能部品の配置 角度をつけ 且つ同一平面に 11 継手の設計（１） 検討項目 ・部品（吸盤、チューブ）との合致 ・仕様の外径、チューブの関係性 ・加工の問題 → 一方向のみでのドリル加工は不可能 加工用の穴を作成することで二方向から加工可能に （穴は蓋をすることで空気漏れ回避） 12 継手の設計（２） ・全長を18.5mmとし、各部品と継手接続部の最大径が隣接 するように設計 ・材質をアクリル樹脂に変更し、軽量化に成功 高さ（mm） 重量（g） 市販 42 16.2 自作 18.5 0.6 42mm 18.5mm 左：製作した継手 右：市販の継手(SMC社製；ZPR-S4) 前部と後部の継手 吸盤との接続 13 ロボットの設計のまとめ ・重さ 前部ボディの重さ（前）・・・4.8g 後部ボディの重さ（後）・・・4.7g 14.5mm 33.5mm 24mm ・ 寸法 横幅：24mm 進行方向の長さ：14.5mm ボディ部高さ（外枠）：21.5mm 吸盤の高さ：12mm 合計で33.5mmになってしまう 吸盤を自作する事で 吸盤の高さを抑える事が可能 （12mm→3.5mm） 14 運動の制御 -前進運動の位相遷移 (Phase.0) 前・後とも吸着（待機状態） チューブ チューブ × (Phase.3) 後を開放し、チューブを押し出す × 後方 吸盤 前方 吸盤 × × ワイヤー 吸着；赤 開放；青 (Phase.1) 前を開放し、ワイヤーを押し出す Ｆ × Ｆ × チューブ チューブ × × 後方 吸盤 前方 吸盤 × × (Phase.2) 前を吸着させる チューブ チューブ × Ｆ × Ｆ × チューブ × × 後方 吸盤 前方 吸盤 × × チューブ (Phase.4) 後を吸着させる チューブ × × 後方 吸盤 前方 吸盤 × × チューブ (Phase.5) Phase.1 へ戻る × 後方 吸盤 前方 吸盤 × × 15 運動の制御 -旋回と上下運動 ・旋回運動の方法 旋回（右進・左進）は、チューブ・ワイヤの長さに左右差をつけることで可能 Ｆ × チューブ × × 後方吸盤 チューブ × 左右差 前方吸盤 × ・上下運動の方法 ワイヤ・チューブを押し引きすることで、前部・後部ボディの上下運動が可能 前部上方向運動 •前部下方向運動 16 運動制御システム概要 吸着制御 PC 電圧 電子バルブ （吸着センサ） エアーコンプレッサ ロボット 電子バルブ 空気圧 コンプレッサ PC 制御用基板 ロボット ガイドチューブ モーター タクトスイッチ 吸盤 力 力 ワイヤー ガイドワイヤー 力 チューブ 筐体 人 システム全体図 相対移動制御 ブロック図 17 実験1．運動動作の検証 -おもりを搭載分銅50gを搭載して前進 電圧[V] 10 吸着スイッチ（前部吸盤） 吸着スイッチ（後部吸盤） タクトスイッチ 5 開放 吸着 開放 0 75 電圧[V] 10 80 phase.1 5 85 90 95 100 phase.2 phase.3 phase.4 吸着 開放 105 吸着 0 75 80 85 90 時間[s] 95 100 105 おもりを搭載しての移動は可能である 鉗子を搭載して移動可能 18 実験2．運動動作の検証 -斜面斜面を前進 電圧[V] 10 吸着スイッチ（前部吸盤） 吸着スイッチ（後部吸盤） タクトスイッチ 5 開放 0 30 40 吸着 50 60 電圧[V] phase.1 phase.3 10 phase.2 5 吸着 70 開放 80 phase.4 90 開放 100 吸着 0 30 40 50 60 70 時間[s] 80 90 100 約10度 角度のついた面を移動可能である 吸着により伸びた腹壁や平坦でない面でも移動可能 19 実験3．運動動作の検証 左進 前進 後退 右進 上下 想定した運動動作を実現することができた 20 実用化に向けた課題 小型化 移動の自動制御 吸盤吸着特性の改善 手術時の固定機構 動物実験による運動検証 生体内使用のための材質の考慮 21 想定される用途 腹腔内において、術具やセンサーの把持や誘導が可 能な腹腔鏡手術、NOTES手術補助機器システム 体内留置によって、腹腔内の長時間観察 企業への期待 小型装置の詳細設計、小型部品の加工 生体親和性材料の選択、加工 吸盤などの空気駆動用部品の開発 22 本技術に関する知的財産権 発明の名称 ：腹腔鏡手術支援用ロボット 出願番号 ：2009-020770 出願人 ：千葉大学 発明者 ：兪 文偉、立川順一、大野諭、関根雅 23 お問い合わせ先 千葉大学産学連携・知的財産機構 産学連携統括推進部 産学連携コーディネーター 阿草一男 TEL 043-290-3565 FAX 043-290-3519 e-mail [email protected] 24
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