超微細手術のための汎用プラットフォーム開発とそれを支える超精密テクノロジーの追求

2012 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 23226006
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 光石 衛 東京大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (90183110)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 藤原 一夫 岡山大学, 医歯(薬)学総合研究科, 准教授 (00346438) ; 鈴木 昌彦 千葉大学, 学内共同利用施設等, 教授 (10312951) ; 尾崎 敏文 岡山大学, 医歯(薬)学総合研究科, 教授 (40294459) ; 中島 義和 東京大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (40343256) ; 森田 明夫 日本医科大学, 医学(系)研究科(研究院), 教授 (60302725) ; 杉田 直彦 東京大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (70372406) ; 阿部 信寛 川崎医科大学, 医学部, 教授 (80284115) ; 原田 香奈子 東京大学, 工学(系)研究科(研究院), 講師 (80409672) ; 岩中 督 東京大学, 医学部附属病院, 教授 (90193755) ; 上田 高志 東京大学, 医学部附属病院, 講師 (90631573)
• Project Period (FY): 2011-05-31 – 2016-03-31
• Keywords: ロボティクス / 超微細手術 / 軟組織 / 硬組織 / 血管内

Research Abstract

（１）軟組織対応ロボット：自由度の拡張による各術野に対応した超微細マニピュレータの構築を行った．脳外科では鼻腔部より脳深部にアプローチし，顕微鏡視野の邪魔にならないロボットシステムの検討を行った．眼科では，眼底膜の剥離が可能な微細鉗子マニピュレータおよび人工モデルを開発し，小児外科では先端に3自由度を有する鉗子を開発した．
（２）硬組織対応ロボット：超精密加工技術による生体適合型切除法の構築を行った．マイクロレベルでの骨加工現象を解明することで，対象組織に適した加工方法，加工ツールを提案した．骨繊維の繊維方向，繊維の大きさが加工表面粗さに影響することが知られており，これが術後の人工関節定着に影響する可能性も指摘されている．術後の人工関節定着を最適とする骨切除法を解明した．
（３）血管内ロボット：ロボットをマイクロレベルまで極小化するには，血流内でのマイクロロボットの挙動の理解が必要となる．流体内でのロボットの挙動には揚力，浮力，重力，磁力，抗力がかかわるため，最適なロボットの大きさ・形状と磁場の設計が必要となる．平成24年度は血流内におけるマイクロ粒子の挙動モデリング及び理論を構築し，流路分岐部における制御の検討を行った．

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本研究では，（１）軟組織対応手術ロボット，（２）硬組織対応手術ロボット，（３）血管内治療用マイクロロボットの３つのプラットフォームを並行して開発する．平成24年度に現有のプロトタイプに搭載するマニピュレータの開発を行い，各手術領域に適応可能なシステムに統合した．よって，研究計画通りに進んでいる．

Strategy for Future Research Activity

（１）軟組織対応ロボット：超微細精密動作を実現する制御アルゴリズムの開発とパラメータの選定を行う．脳外科では，開発した超微細鉗子マニピュレータを用いて，脳深部にて0.3 mmの血管を吻合するための制御を開発する．ロボットには超精密かつ器用な動作の実現が求められる．眼科では直径50μmのピペットを10μmより良い精度で位置決めする制御を実現する．小児外科では先端3自由度のみを用いて血管吻合を行う．小児科特有の狭い体腔内スペースでの器用な動作を実現するアルゴリズムが必須となる．
（２）硬組織対応ロボット：ナノ加工技術と表面改質技術の融合による新デバイスの開発を行う．膝関節・股関節では，靭帯などの重要組織を避けて高精度で骨表面を加工することが治療成績に最も重要であるため，狙った表面粗さを得ることを主目的としたデバイスを開発する．一方で対象とする肩や指の骨は繊細で細く折れやすいため，適切な力で加工可能な極細径デバイスを開発する．
（３）血管内ロボット：マイクロロボットが対象とする血管内治療の例として，脳動脈瘤を想定し，脳動脈瘤モデルを用いた実験系の構築及び外部磁場制御の研究を行う．脳動脈瘤の血管は直径約2mmであるため，ロボットの大きさは1mm以下となる．脳動脈瘤周辺の3次元血管分岐と血流を再現した実験モデルを構築し，その中でのマイクロロボットの挙動を解析する．

Research Products

• [Journal Article] A microsurigcal robot to assist vitreoretinal surgery (2012)
  • Author(s): Ida Y., Sugita N., Ueta T., Tamaki Y., Tanimoto K., Mitsuishi M.
  • Journal Title: International Journal of Computer Assisted Radiology and Surgery Volume: 7/1 Pages: 27-34
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Design and Use of a Master Manipulator for a Micro-neurosurgical System Based on Motion Analysis (2012)
  • Author(s): Takahashi,T., Baek,Y.M., Sugita,N., Morita,A., Sora,S., Mochizuki,R., Mitsuishi,M.
  • Journal Title: International Journal of Biomechatronics and Biomedical Robotics (IJBBR) Volume: 2/1 Pages: 7-17
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A novel approach to the design of a needle driver with multiple DOFs for pediatric laparoscopic surgery (2012)
  • Author(s): Fujii, M, Sugita, N, Ishimaru, T, Iwanaka, T, Mitsuishi, M
  • Journal Title: Minimally Invasive Therapy Volume: 22 Pages: 9-16
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Technologizing and Digitalizing Medical Professional Skills for a Non-Invasive Ultrasound Theragnostic System - Technologizing and Digitalizing Kidney Stone Extraction Skills - (2012)
  • Author(s): Koizumi, N, Lee, D, Seo, J, Funamoto, T, Nomiya, A, Ishikawa, A, Yoshinaka, K, Sugita, N, Matsumoto, Y, Homma, Y, and Mitsuishi, M
  • Journal Title: Journal of Robotics and Mechatronics Volume: 24/2 Pages: 379-388
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A portable arthroscopic diagnostic probe to measure the viscoelasticity of articular cartilage (2012)
  • Author(s): Sugita, N, Kizaki, T, Kanno, D, Abe, N, Yokoyama, Y, Ozaki, T, Mitsuishi, M
  • Journal Title: Journal of Robotics and Mechatronics Volume: 24/5 Pages: 782-790
• [Presentation] Study on High-intensity Focused Ultrasound Focal Position Control Using Intracorporeal Acoustic Device (2013)
  • Author(s): Harada K, Azuma T, Inoue T, Takeo T, Takagi S, Matsumoto Y, Sugita N, Mitsuishi M
  • Organizer: The First CIRP Conference on Biomanufacturing
  • Place of Presentation: 東京大学，東京
  • Year and Date: 20130304-20130306
• [Presentation] Construction Methodology for the Non-Invasive Ultrasound Theragnostic System (4th report) - Bed-Type Servoing System for Body Targets (2013)
  • Author(s): Koizumi N, Itagaki Y, Funamoto T, Tsukihara H, Nomiya A, Yoshinaka K, Sugita N, Homma Y, Matsumoto Y, Mitsuishi M
  • Organizer: The First CIRP Conference on Biomanufacturing
  • Place of Presentation: 東京大学，東京
  • Year and Date: 20130304-20130306
• [Presentation] A Mechanical System Identification Method for Non-Invasive Ultrasound Theragnostic System (2013)
  • Author(s): Koizumi N, Ota K, Nomiya A, Tsukihara T, Yoshinaka K, Azuma T, Sugita N, Homma Y, Matsumoto Y, Mitsuishi M
  • Organizer: The First CIRP Conference on Biomanufacturing
  • Place of Presentation: 東京大学，東京
  • Year and Date: 20130304-20130306
• [Presentation] 生産加工技術の医療分野への展開 (2012)
  • Author(s): 光石衛
  • Organizer: 第15回国際工作機械技術者会議
  • Place of Presentation: 東京ビッグサイト，東京
  • Year and Date: 20121102-20121103
  • Invited
• [Presentation] 非侵襲超音波診断・治療統合システムにおけるロバストテンプレートマッチング法 (2012)
  • Author(s): 小泉憲裕，舟本貴一，徐 俊浩，野宮 明，月原弘之，石川 晃，葭仲 潔，杉田直彦，本間之夫，松本洋一郎，光石 衛
  • Organizer: 日本ロボット学会第30回記念学術講演会
  • Place of Presentation: 札幌コンベンションセンター，北海道
  • Year and Date: 20120917-20120920
• [Presentation] 顕微鏡下眼科手術支援システムによるマイクロカニュレーションの定量的評価 (2012)
  • Author(s): 田中真一，原田香奈子，井田吉紀，白榮民，冨田恭平，新井史人，杉田直彦，光石衛
  • Organizer: 日本ロボット学会第30回記念学術講演会
  • Place of Presentation: 札幌コンベンションセンター，北海道
  • Year and Date: 20120917-20120920
• [Presentation] 微小加工特性に基づく骨切除工具に関する研究 (2012)
  • Author(s): 石井健太郎，渡部亨尚，杉田直彦，光石衛，本城達哉，寺島誠人
  • Organizer: 2012年度精密工学会秋季大会学術講演会
  • Place of Presentation: 九州工業大学，福岡
  • Year and Date: 20120914-20120916
• [Presentation] 多軸医用工作機械における最適開創領域の情報提示による皮膚切開の最小化に関する研究 (2012)
  • Author(s): 名和田航，横尾俊輔，杉田直彦，中島義和，加藤丈晴，阿部信寛，藤原一夫，横山裕介，尾崎敏文，鈴木昌彦，光石衛
  • Organizer: 日本機械学会2012年度年次大会
  • Place of Presentation: 金沢大学，石川
  • Year and Date: 20120909-20120912
• [Presentation] Robustness enhancement of motion compensation for a non-invasive ultrasound theragnostic system (2012)
  • Author(s): Koizumi,N., Funamoto,T., Seo,J., Sugita,N., Yoshinaka,K., Nomiya,A., Ishikawa,A., Homma,Y., Matsumoto,Y., Mitsuishi,M.
  • Organizer: CARS 2012
  • Place of Presentation: Pisa, Italy
  • Year and Date: 20120627-20120630
• [Presentation] Development of microsurgical skill assessment system (2012)
  • Author(s): Harada,K, Minakawa,Y, Baek,Y.M., Sora,S., Morita,A., Sugita,N., Mitsuishi,M.
  • Organizer: CARS 2012
  • Place of Presentation: Pisa, Italy
  • Year and Date: 20120627-20120630
• [Presentation] Minimum-jerk Trajectory Generation for Master-Slave Robotic System (2012)
  • Author(s): Shinichi Tanaka, Young Min Baek, Naohiko Sugita, Takashi Ueta, Yasuhiro Tamaki and Mamoru Mitsuishi
  • Organizer: The Fourth IEEE RAS/EMBS International Conference on Biomedical Robotics and Biomechatronics
  • Place of Presentation: Roma, Italy
  • Year and Date: 20120624-20120627
• [Presentation] Study on Master Manipulator Design Parameters for Robotic Microsurgery (2012)
  • Author(s): Y. Kamei, S. Tanaka, K. Harada, Y. Baek, Y. Ida, S. Sora, A. Morita, N. Sugita, and M. Mitsuishi
  • Organizer: The Fourth IEEE RAS/EMBS International Conference on Biomedical Robotics and Biomechatronics
  • Place of Presentation: Roma, Italy
  • Year and Date: 20120624-20120627
• [Presentation] Future Medical Robot (2012)
  • Author(s): Mitsuishi M
  • Organizer: IEEE International Conference on Biomedical Robotics and Biomechatronics
  • Place of Presentation: Rome, Italy
  • Year and Date: 20120624-20120627
  • Invited
• [Presentation] Technologizing and Digitalizing of Medical Professional Skills for a Non-Invasive Ultrasound Theragnostic System (2012)
  • Author(s): Norihiro Koizumi, Deukhee Lee, Joonho Seo, Takakazu Funamoto, Naohiko Sugita, Kiyoshi Yoshinaka, Akira Nomiya, Akira Ishikawa, Yukio Homma, Yoichiro Matsumoto, Mamoru Mitsuishi
  • Organizer: ASME/ISCIE International Symposium on Flexible Automation
  • Place of Presentation: Missouri, USA
  • Year and Date: 20120618-20120620
• [Presentation] 非侵襲超音波診断・治療統合システムの構築法（第４報） (2012)
  • Author(s): 小泉 憲裕，徐 俊浩，舟本 貴一，野宮 明，石川 晃，葭仲 潔，杉田 直彦，本間 之夫，松本 洋一郎，光石 衛
  • Organizer: 日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス講演会2012
  • Place of Presentation: アクトシティ浜松，静岡
  • Year and Date: 20120527-20120529
• [Presentation] 非侵襲超音波診断・治療統合システムの追従ロバスト性向上 (2012)
  • Author(s): 小泉 憲裕，舟本 貴一，徐 俊浩，野宮 明，石川 晃，葭仲 潔，杉田 直彦，本間 之夫，松本 洋一郎，光石 衛
  • Organizer: 日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス講演会2012
  • Place of Presentation: アクトシティ浜松，静岡
  • Year and Date: 20120527-20120529
• [Presentation] マスタ・スレーブシステムにおける躍度最小軌道生成 (2012)
  • Author(s): 田中 真一，白 榮民，杉田 直彦，上田 高志，玉置 泰裕，光石 衛
  • Organizer: 日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス講演会2012
  • Place of Presentation: アクトシティ浜松，静岡
  • Year and Date: 20120527-20120529
• [Presentation] 手術ロボットにおけるビジュアルサーボを用いた軌道制御方法 (2012)
  • Author(s): 白 榮民，田中 真一，原田 香奈子，杉田 直彦，森田 明夫，楚良 繁雄，光石 衛
  • Organizer: 日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス講演会2012
  • Place of Presentation: アクトシティ浜松，静岡
  • Year and Date: 20120527-20120529
• [Presentation] Full state visual forceps tracking under a microscope using projective contour models (2012)
  • Author(s): Young Min Baek, Shinichi Tanaka, Kanako Harada, Naohiko Sugita, Akio Morita, Shigeo Sora, Ryo Mochizuki, and Mamoru Mitsuishi
  • Organizer: 2012 IEEE International Conference on Robotics and Automation
  • Place of Presentation: Minnesota, USA
  • Year and Date: 20120514-20120518
• [Presentation] Computer-integrated system for bone cutting surgery (2012)
  • Author(s): Mitsuishi M
  • Organizer: 1st International Conference on Design and PROcesses for MEdical Devices
  • Place of Presentation: Brescia, Italy
  • Year and Date: 20120502-20120504
  • Invited