Proposal for new laparoscopic robot-assisted surgery using humanoid hand with haptic Interface
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23K08162
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 55020:Digestive surgery-related
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| Research Institution | Tokai University |
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Principal Investigator |
向井 正哉 東海大学, 医学部, 教授 (40229919)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
加藤 龍 横浜国立大学, 大学院工学研究院, 准教授 (70516905)
田島 隆行 東海大学, 医学部, 准教授 (80317750)
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| Project Period (FY) |
2023-04-01 – 2026-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000)
Fiscal Year 2025: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Fiscal Year 2024: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
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| Keywords | 手術支援ロボット / 触力覚 / 5指ロボットハンド / 腹腔鏡下手術 / 消化器外科手術 / 用手補助腹腔鏡下手術 / ロボットハンド / 触診 / ロボット手術 |
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| Outline of Research at the Start |
本研究では，術者の手を腹腔内に挿入して手の触覚・力覚(以後触力覚)を頼りにその状況を把握し，愛護的かつダイナミックに組織・臓器を把持・圧排しながら手術進行を効率的に行う用手補助腹腔鏡下手術HALSに着想を得て，多点・多関節での触力覚提示機能を有する5指ヒューマノイドハンドを開発し，細径化変形して20mm以下のポートから挿入して効率的な支援を行う次世代の完全腹腔鏡下ロボット支援手術の確立を行う．
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，多点・多関節での触力覚提示機能を有する5指ヒューマノイドハンドを開発し，細径化変形して20mm以下のポートから挿入して効率的な支援を行う次世代の完全腹腔鏡下ロボット支援手術の確立を行う．令和5年度の成果は以下の3点である.
A) 20mmのポートから挿入可能な腱駆動型6自由度5指ロボットハンドを開発した．本ハンドの大きさは小児サイズで，板厚4mmの3関節を有する指構造をもちかつ手掌部が縦に蛇腹折りされる構造を有し，変形して腹腔内に挿入し大きく展開して用いることで，臓器・組織に対して鉗子とは異なる人の手同様な愛護的かつ十分な把持力で操作を可能にした．
B) 鉗子のような片手での保持と多関節の5指ロボットハンドの操作を行うガングリップ型の入力デバイスを開発した．ガングリップ形状の保持部を薬指・小指で握り，保持部に接続されたリンク機構を拇指・示指・中指でそれぞれ操作し各指の関節角を計測する．また，ハンドと保持部を2関節リンクで接続し手首角度を計測する．これら制御入力としてロボットハンドをリーダーフォロワー制御により人の手の動きに合わせた操作を可能にした．また，操作者へハンドの力覚を提示するため，操作デバイスの関節にもハンド同様駆動用ワイヤを配置し，操作者の手関節角度とハンドの対応関節角度の変位差をゼロにするよう操作デバイスの把持および手首の掌背屈に対応した関節に逆トルクを作用させるバイラテル制御による力覚提示する構造の試作を行い，示指関節に最大で14.1N・cm，手首に最大で11.1N・cmの反力トルクを提示可能であること，力覚提示を行うことで,把持し持ち上げる際の状況認識確信度の向上と判断に要する時間が短縮されたことを確認した．
C) 本研究では「S字結腸の剥離」を処置の対象とし，柔軟な模擬臓器，模擬環境を作成しHALS手技の実現可能性を検証する環境を構築した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究課題について，令和5年度の研究進捗について，当初の予定どおりに研究成果が得られているため，「おおむね順調に進展している」と自己評価している．令和5年度については，20mmポートから挿入可能な小児サイズの5指ロボットハンド，触力覚を提示可能な操作インタフェースの構築が達成目標であったが，ハンドについて，当初想定した機能を有するハンドの1次試作および簡単な機能評価までは終了している．また操作インタフェースについては，当初外骨格型グローブ形状とする計画であったが，通常の医療用鉗子の形状を模したガングリップ型の形状が本研究の目的達成に対して有用だと判断し，その試作を完成させ，当初の予定に対して時間を要したがその単純な機能評価まで実施出来た．
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| Strategy for Future Research Activity |
令和6年度以降では，触覚および力覚提示機能を有したヒューマノイドハンドの完成を目指す．特に各指腹・指節前/後，手掌/手甲に超薄型ゴムライク圧力センサを配置し触圧を検出し，操作デバイスの指部に配置された薄型振動子・圧覚により振動・圧覚刺激を行うことで，把持物体の触覚を付与する触覚フィードバック手法を検討し，触力覚を多点・多関節で感じる新しい操作デバイスを実現する．
また，腹腔鏡下手術練習用シミュレータに配置した模擬臓器を実際の腹腔鏡，電気デバイス及び提案ハンドを用いて処理を行う手術擬似環境を用意し，HALSにおいて手の触力覚を用いて触診可能かを検証するため，数種類の異なる固さ・大きさの模擬臓器(臓器モデル，動脈モデル，腫瘍モデル)を用意し，触診の可否や精度測定(認識時間や把持力誤差)を被験者の主観尺度で明らかにする．さらに，模擬臓器とした鶏肉を用いて，ハンドで膜状組織(鶏皮)，実質臓器(鶏赤身)の剥離・切開を行う実験的HALSを実施する．皮の分離摘出では，ロボットハンドで皮を把持(pinch)し，圧排しながら皮を剥ぎ，押し広げて電気デバイスで切開し，最終的に1x1cm角サイズに分離，摘出する．また赤身を把持(grasp)しながら，電気デバイスで1x1cm角サイズに分離，摘出する. これら操作を各々計10回施行し，成功率や手術時間，身体疲労・主観評価などで評価する．これを，HALS/pure-LAC/daVinciとの比較，および触力覚提示の有無で比較し，その有用性を評価する．この検証を通じて，ハンドの性能や限界について十分に評価を行い，改良を実施する．実際の腹腔内手術操作，つまり従来からの手術器機同様に愛護的に臓器組織を圧排可能であること，さらにより繊細な動作，特に組織の把持拳上および牽引操作が可能となることを示す．
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Report
(1 results)
Research Products
(3 results)
