MRI誘導脊椎外科手術ロボットの工学的基盤と臨床的方法論の構築

• Project/Area Number: 14702070
• Research Category: Grant-in-Aid for Young Scientists (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Field: Biomedical engineering/Biological material science
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 波多 伸彦 東京大学, 大学院・情報理工学系研究科, 助教授 (50334256)
• Project Period (FY): 2002 – 2004
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2004)
• Budget Amount: ¥15,210,000 (Direct Cost: ¥11,700,000、Indirect Cost: ¥3,510,000); Fiscal Year 2004: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000); Fiscal Year 2003: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000); Fiscal Year 2002: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000)
• Keywords: MRI誘導手術 / 医用画像処理 / 手術ロボット / 手術ナビゲーション / 低侵襲外科 / コンピュータ外科 / 画像誘導手 / MRI / 画像誘導手術

Research Abstract

医用画像診断装置の発達に伴い、画像誘導による経皮的脊椎穿刺手術が可能となり、最小限の侵襲で患部へ到達し治療を行う手術が可能となりつつある。経皮的穿刺治療では、針を患部へ誘導するための形態画像だけでなく、治療効果の生理学的情報の可視化が強く求められているため、今後は核磁気共鳴診断画像(Magnetic Resonance Image : MRI)を誘導画像として利用するニーズが高まる。また、穿刺手術という治療空間の限られた術式では、術者の人間としての手作業では実現できない手術操作が必要となる。研究最終年度は、MRI画像の画質に影響を与えず、MRI撮影装置内の強磁場環境でも動作する手術ロボットの開発を行い、これまで開発してきた手術中の臓器の位置のトラッキングと組み合わせた、臓器運動補償型手術ロボットを完成させた。
開発したロボットは、5自由度MRI誘導手術用ロボットであり、能動駆動を行う水平駆動3軸と、受動的に動作する軸2軸を持つ。受動動作する軸にはMRI誘導下肝腫瘍マイクロ波凝固治療用のガイド針保持軸を備え付けることができる。術者がガイド針を自由に動かすと、針の到達点をMRI内で指示した腫瘍に維持するように能動駆動軸が駆動する。
さらに、開発したロボットを研究初年度から2年度にかけて開発した、MRI誘導手術用ナビゲーションソフトウェア及び、臓器動作補償アルゴリズムと組み合わせて用いる事に成功した。すなわち、医師が予めナビゲーションソフトウェア内で指定した腫瘍に、ガイド針が必ず到達するように医師を補佐するロボットを完成した。加えて、ガイド針の位置決め作業中は臓器の移動をロボットが自動的に感知し、位置ずれ補償を行う機能も実現した。開発1号機について、MRI環境内での動作を確認し、4月以降の臨床に向けてテストを進めている。

Research Products

• [Journal Article] Intraoperative tumor segmentation and volume measurement in MRI-guided glioma surgery for tumor resection rate control (2005)
  • Author(s): Nobuhiko Hata
  • Journal Title: Academic Radiology 12・1 Pages: 116-122
• [Journal Article] MRI誘導手術のためのリアルタイム臓器トラッキング/高速画像レジストレーションシステムに関する研究 (2004)
  • Author(s): 徳田淳一
  • Journal Title: 電子情報通信学会和文論文誌 D-II J87-D-II・1 Pages: 339-347
• [Journal Article] Motion tracking in MR-guided liver by using navigator echoes and projection profile matching (2004)
  • Author(s): Junichi Tokuda
  • Journal Title: Academic Radiology 11・1 Pages: 111-120
• [Journal Article] An ultrasound driven needle-insertion robot for percutaneous cholecystostomy (2004)
  • Author(s): Jae-Sung Hong
  • Journal Title: Phys Med Biol 49・3 Pages: 441-455
• [Publications] Junichi Tokuda: "Motion tracking in MR-guided liver by using navigator echoes and projection profile matching"Academic Radiology. 11・1. 111-120 (2004)
• [Publications] 徳田淳一: "MRI誘導手術のためのリアルタイム臓器トラッキング/高速画像レジストレーションシステムに関する研究"電子情報通信学会和文論文誌. D-IIJ87-D-II・1. 339-347 (2004)
• [Publications] Shigehiro Morikawa: "Advanced computer assistance for magnetic resonance-guided microwave thermocoagulation of liver tumors"Academic Radiology. 10・12. 1442-1449 (2003)
• [Publications] Shigehiro Morikawa: "New Assistive Devices for MR-guided Microwave Thermocoagulation of Liver Tumors"Academic Radiology. 10・12. 180-188 (2003)
• [Publications] 森川茂廣: "リアルタイムMR画像ガイドにおけるオフセット型穿刺補助器具の開発"日本コンピュータ外科学会誌. 4・4. 345-350 (2002)
• [Publications] 森川茂廣: "リアルタイムMRI画像ガイド下手術へのカスタマイズしたナビゲーションソフトウェアの統合"日本コンピュータ外科学会誌. 4・1. 27-33 (2002)
• [Publications] Morikawa S, Inubushi T, Kurumi Y, Naka S, Sato K, Tani T, Haque HA, Tokuda J, Hata N: "New Assistive Devices for MR-guided Microwave Thermocoagulation of Liver Tumors"Academic Radiology. 10. 180-188 (2003)
• [Publications] Hirose M, Bharatha A, Hata N, Zou KH, Warfield SK, Cormack RA, D'Amico A, Kikinis R, Jolesz FA, Tempany CMC: "Quantative MR Imaging Assesment of Prostate Gland Deformation before and during MR Imaging-guided Brachytherapy"Academic Radiology. 9(8). 906-912 (2002)
• [Publications] 大橋晃太, 波多伸彦, 松村有子, 緒方徹, 佐久間一郎, 矢作直樹, 土肥健純: "骨穿孔小型軟性ドリルを用いた骨髄移植用 造血幹細胞採取マニピュレータの開発"日本コンピュータ外科学会誌. (印刷中). (2003)