2016 Fiscal Year Research-status Report
微細手術支援ローカル操作型マルチアングルマニピュレータ
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15K05917
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| Research Institution | Osaka Institute of Technology |
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Principal Investigator |
河合 俊和 大阪工業大学, 工学部, 准教授 (90460766)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
西川 敦 信州大学, 学術研究院繊維学系, 教授 (20283731)
中村 達雄 京都大学, ウイルス・再生医科学研究所, 准教授 (70227908)
西澤 祐吏 国立研究開発法人国立がん研究センター, 東病院, 医員 (50545001)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | ローカル操作 / マニピュレータ / オフセット / 操作インタフェース / 単孔式内視鏡下手術 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
複数の術具を臍など一ヵ所から刺入する単孔式内視鏡下手術が行われている．整容性に優れる一方，執刀医は自由度の少ない術具を扱い，手の振戦を抑え，内視鏡や鉗子を操る助手と協調し，術具同士が干渉した狭い視野と作業範囲で手術を行う必要がある．これらの課題を解決すべく，滅菌領域で小型ロボットを統合しローカル操作する手術支援システムの実現を目指している．
広い視野と作業範囲でマニピュレータを動作するには，刺入した他の術具から離れた位置にピボット点を形成して屈曲動作することが求められる．そこで，本システムの実現に不可欠な，複数の階段形状コマによるオフセットとボールジョイントによる屈曲鉗子で構成するマルチアングルマニピュレータの研究を進めた．
鉗子で臓器を取り回す時には，オフセット位置が変化しにくい機構剛性が必要となる．すなわち，オフセットに負荷をかけた状態での機構たわみが小さいことが求められる．また，術具交換時はマニピュレータ本体を腹腔内から抜かないことが望ましい．そこで，複数コマを機構的に回転接続して連結し，術具を挿入可能な内孔を設けるオフセットを考えた．
また，ツールマウント型インタフェースを用いた直感的な操作には，操作者の手指の寸法に応じたスイッチ配置が必要である．すなわち，計測した操作者の手指の寸法に基づいてスイッチを配置し速やかに作成することが求められる．そこで，簡易に手指の寸法を計測して指先位置モデルに基づきスイッチを配置したインタフェースを3Dプリンタで作成することを考えた．
本研究の目的は，回転連結コマ機構によるワイヤ駆動式マルチアングルマニピュレータ機構の開発，および，手指の寸法計測に基づきスイッチ配置可能な操作インタフェースの提案である．本年度は，マニピュレータ機構と操作インタフェースの改良設計と試作を行い，評価実験を通して基本性能と限界を明らかにし，改良方策を検討した．
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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
平成27年度に明らかになった機構・操作系の課題解決を中心に，下記のとおり着手した．制御・評価系は，昨年度の課題に対する解決策を検討した．また，内視鏡映像を画像処理してマニピュレータの操作指標とする研究にも着手した．以上より，当初の計画におおむね沿った進展となった．
マニピュレータ機構は，湾曲方向に段差を設けたコマの接続部に直径1.8 mmの凹凸形状の回転部を設けて，内径5.4mmで外径10mmのコマを8個連結して最大湾曲角度120度となる湾曲部を2箇所備える距離61mmのオフセットを設計試作し，また，段違いプーリとテンショナーを備えるワイヤ巻取り機構および挿入術具固定機構を設計試作した．コマの連結部に凹凸の回転接続部がないオフセット機構を試作して，両試作機に負荷1 Nをかけて動作軌跡を計測したところ，湾曲方向に対する位置決め精度は各々，約2 mmと26 mmであったことから，オフセット位置が変化しにくい機構剛性を確認できた．
操作インタフェースは，医師による予備実験を経て，示指で操作する2軸同時入力可能なアナログパッド1つと中指および薬指で操作する小型スイッチ2つの配置位置を水平面内で調節できる形状を設計し，鉗子ハンドルを握る手指の形状と寸法から指先位置を決めるモデルを作成した．手指の寸法を簡易計測する赤外線カメラモーションセンサを検討して外骨格リンクを作成し，大学生4名を対象として計測した手指の寸法に基づく操作インタフェースを試作した．試作した大小2種類のインタフェースを用いて，手の寸法の大小により4名ずつ2群に分けた操作者でタスク実験を行って所要時間を比較したところ，定量的な有意差は得られなかったが，アンケートで実験後の疲労に関する意見を得た．このとこから，操作者の手指の寸法にあったスイッチ配置の有用性を確認できた．
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| Strategy for Future Research Activity |
平成28年度に明らかになった機構・操作系の課題の解決を中心に着手する．機構については現在の外径10mmからの細径化に取り組み，外径8mmの実現を目指す．操作系はさらに簡便な入力方式を考案し，操作スイッチの数を減らし配置を工夫することで簡略化を図る．
制御・評価系は，検討してきた課題の解決に着手する．制御系は持ち運びなどを考慮してシステムの小型軽量化を図り，現在のPCI制御ボードを用いたFAシステムから，PC/104系など組み込みシステムの構築を目指す．評価系は動物in vivo実験の実施場所と方法を検討し，施設数が限られていることから，分担研究者以外の協力も得て実施方法も含め，新たなスキームを検討して実現を目指す．
さらに，H27年度に明らかになった，本マニピュレータの腹壁上への設置方法が難しいという新たな課題に対して，継続してガイディングマニピュレータの研究にも取り組む．また，H28年度に実施した，新たな操作指標である内視鏡映像の画像処理にも継続して取り組み，本システムの研究展開を試みる．
以上の内容は多岐にわたるため，研究分担者と協同して効率的に推進する．
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| Causes of Carryover |
評価実験に係る旅費と消耗品費を抑制できたため．
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
マニピュレータ機構や操作インタフェースの設計試作，および制御系構築と評価実験の実施に関し，機械電子の部品や材料，手術機材などの物品費に充当する．また，研究の打合せや成果発表など旅費に充当する．繰越し予算はとくに評価実験の充実に活用する．
スピード感を持って本研究を推進するため，上記以外の経費が生じた場合にも，研究計画に変更が出ないよう対応する．
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