微細マニピュレータ及び画像誘導機能を有する半自立動作性内視鏡システムの開発

2013 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 24240082
• Research Institution: Kyushu University
• Principal Investigator: 橋爪 誠 九州大学, 医学(系)研究科(研究院), 教授 (90198664)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 森 健策 名古屋大学, 情報科学研究科, 教授 (10293664) ; 高西 淳夫 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (50179462)
• Project Period (FY): 2012-04-01 – 2015-03-31
• Keywords: 低侵襲治療システム / 半自律型駆動機構 / 微細マニピュレｰション機能 / CAD/ナビゲーション連携機能 / トレーニング/評価システムの構築

Research Abstract

本研究では、自律移動が可能な小型の大腸内視鏡の開発に取り組んでいる。平成25年度は、大腸内視鏡のための移動機構について検討した。大腸内視鏡検査において最も危険な合併症は穿孔である。そこで、移動機構の検討に際しては、穿孔リスクを最小化することを最優先事項とした。このような方針にもとづいてまず、動力源の選定を行った。選定に際しては、電気アクチュエータ、空気圧・水圧アクチュエータ、伝達機構を介した体外のアクチュエータからの動力伝達の3種類が候補にあがった。そして穿孔リスクを低減するには駆動機構自体に柔軟性を持たせることが有効との考えにもとづき、空気圧・水圧アクチュエータを採用した。次に、空気圧・水圧を動力に変換する手法について検討を行った。ここでは、イソギンチャクなどの海洋生物に見られる水力学的骨格に注目し、柔軟性を持つ素材で構成された軟骨格に空気または液体を注入することで、軟骨格の剛性と形状を変化させ、動力として取り出す手法を用いることとした。このような考えにもとづき、空気圧で軟骨格を動作させて動力をとりだす機構を試作した。試作した機構を用いて実験を行ったところ、この機構によって発生される動力を特定の方向への推力として利用する場合、いくつかの問題が発生することが明らかとなった。軟骨格は、圧力が低い状態において空気の注入量に対する形状の変化に再現性がないため、推力を発生させる方向が定まらない。そこで、圧力が低い状態において形状が変化する方向を拘束するための力学的機構が必要であることが判明した。このような考えにもとづき、圧力が低い状態において形状の変形を拘束する機構を試作し、軟骨格に統合したところ、軟骨格の変形を特定の方向への推力としてとりだすことに成功した。最終年度の平成26年度、この機構の内視鏡への実装・報告に取り組む。

Current Status of Research Progress

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

Reason

Computer assisted diagnosis(CAD)およびコンピュータナビゲーションシステムを搭載した内視鏡手術システムの開発を可能にするため、本年度は１）能動内視鏡マニピュレータ、２）大腸検査支援マニピュレータの開発を行い、以下の結果を得た。１）能動内視鏡マニピュレータの開発：単孔式内視鏡下手術における術中の視点・視野の操作を目的に、汎用保持マニピュレータと外套管マニピュレータからなる能動内視鏡マニピュレータの開発を行った。外套管には圧縮コイルばねを用いて屈曲の２自由度を実現し、体内で自由に位置・姿勢が操作可 能な計６自由度の構成とした。ジョイスティックによる動作検証により、位置移動、屈曲動作が可能であることが確認された。また、内視鏡は小型化されたステレオ視をもつもので、対象物を３次元立体画像復元が可能なものを新たに開発した。今後は術具マニピュレータとの統合によるin vivo 実験を行い、システム全体の評価および改善を図っていく予定である。
２）大腸内視鏡検査における腸管短縮手技を支援するマニピュレータの開発：このマニピュレータは、4個のDCモータとそれによって駆動される4自由度リンク機構からなり、内視鏡先端に取り付けて使用する。駆動部は体外に設置され、ワイヤとアウターチューブを
介して、マニピュレータを動作させる。マニピュレータの動作は、画像処理と強化学習を統合した制御系によって、自律的に最適化される。大腸内視鏡検査トレーニング用の大腸モデルにこのマニピュレータを挿入してその有用性を検証することができ、臨床応用の可
能性が示唆された。

Strategy for Future Research Activity

平成24年度～平成25年度の研究実績のとおり、軟骨格の変形を特定の方向への推力としてとりだすことに成功した。平成26年度以降、この機構の内視鏡への実装に取り組む。
また、術具マニピュレータとの統合によるin vivo 実験を行い、システム全体の評価および改善を図っていく予定である。

Research Products

• [Journal Article] Image-guided placement of the Bonebridge™ without surgical navigation equipment. (2014)
  • Author(s): Byunghyuon Cho, Nozomu Matsumoto, Megumi Mori, Shizuo Komune, Makoto Hashizume
  • Journal Title: International Journal of Computer Assisted Radiology and Surgery Volume: Published online Pages: online
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Robotic surgery for hepato-biliary-pancreatic(HBP)surgery. (2014)
  • Author(s): Kenoki Ohuchida, Makoto Hashizume:
  • Journal Title: Journal of Hepato-Biliary-Pancreatic Sciences Volume: 21(1) Pages: 1-2
• [Journal Article] ロボット手術のトレーニング. (2014)
  • Author(s): 家入里志, 橋爪 誠：
  • Journal Title: 消化器外科 Volume: 37(1) Pages: 15-22
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A preregistered STAMP method for image-guided temporal bone surgery. (2014)
  • Author(s): Oka M, Cho B M, Nozomu M, Hong J, Jinnouchi M, Ouchida R, Komune S, Hashizume M:
  • Journal Title: International Journal of Computer Assisted Radiology and Surgery Volume: January;9(1) Pages: 119-126
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Surgical bedside master console for neurosurgical robotic system. (2013)
  • Author(s): Arata J, Kenmotsu H, Takagi M, Hori T, Miyagi T, Fujimoto H, Kajita Y, Hayashi Y, Chinzei K, Hashizume M:
  • Journal Title: Int J CARS Volume: 8(1) Pages: 75-86
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] New detachable occlusion balloon unit for transrectal natural orifice translumenal endoscopic surgery. (2013)
  • Author(s): Hao X, Ohdaira T, Nagao Y, Tsutsumi N, Mori M, Uemura M, Toyoda K, Ieiri S, Hashizume M:
  • Journal Title: Minimally Invasive Therapy Volume: 22(03) Pages: 136-143
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Objective Skill Evaluation for Laparoscopic Training Based on Motion Analysis. (2013)
  • Author(s): Zhuohua L, Uemura M, Zecca M, IEEE, Sessa S, Member, IEEE,Isii H, Tomikawa M, Hashizume M, Yamaguchi S, Yoshida D, Takanishi A, Member, IEEE:
  • Journal Title: IEEE Transaction on Biomedecal Engineering Volume: Apr;60(4) Pages: 977-85
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Warning navigation system using real-time safe region monitoring for otologic surgery. (2013)
  • Author(s): Cho B, Oka M, Matsumoto N, Ouchida R, Hong J, Hashizume M:
  • Journal Title: Int J CARS Volume: May;8(3) Pages: 395-405
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Three-Dimensional High-Definition Neuroendoscopic Surgery: A Controlled Comparative Laboratory Study with Two-Demensional Endoscopy and Clinical Application. (2013)
  • Author(s): Inoue D, Yoshimoto K, Uemura M, Yoshida M, Ohuchida K, Kenmotsu H, Tomikawa M, Sasaki T, Hashizume M:
  • Journal Title: J Neuril Surg A Volume: 74 Pages: 357-365
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Development of an objective endoscopic surgical skill assessment system for pediatric surgeons: suture ligature model of the crura of the diaphragm in infant fundoplication. (2013)
  • Author(s): Ieiri S, Ishii H, Souzaki R, Uemura M, Tomikawa M, Matsuoka N, Takanishi A, Hashizume M, Taguchi T:
  • Journal Title: Pediatr Surg Int. Volume: May;29(5) Pages: 501-4
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Objective Skill Evaluation for Laparoscopic Training Based on Motion Analysis. (2013)
  • Author(s): Lin Z, Uemura M, Zecca M, Sessa S, Ishii H, Tomikawa M, Hashizume M, Takanishi A:
  • Journal Title: IEEE Trans Biomed Eng. Volume: Apr;60(4) Pages: 977-85
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Balloon-occluded retrograde transvenous obliteration is feasible for prolonged portosystemic shunts after living donor liver transplantation. (2013)
  • Author(s): Nagao Y, Akahoshi T, Uehara U, Hashimoto N, Kinjo N, Kawanaka H, Tomikawa M, Uchiyama H, Yoshizumi T, Soejima Y, Shirabe K, Maehara Y:
  • Journal Title: Surgery Today. Volume: Mar 7. Pages: Epub
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Image-guided laparoscopic surgery in an open MRI operating theater. (2013)
  • Author(s): Tsutsumi N, Tomikawa M, Uemura M, Akahoshi T, Nagao Y, Konishi K, Ieiri S, Hong J, Maehara Y, Hashizume M:
  • Journal Title: Surg Endosc. Volume: Jun;27(6) Pages: 2178-2184
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] イメージガイド下ロボット手術の現況. (2013)
  • Author(s): 橋爪 誠:
  • Journal Title: 人工臓器 Volume: 42巻1号 Pages: 14-15
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] コンピューター外科の現状と将来. (2013)
  • Author(s): 神代 竜一，橋爪 誠:
  • Journal Title: 消化器外科2013-8 Volume: Vol.36 No.9 Pages: 1363-1370
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 臨床外科領域における3Ｄ内視鏡システムの現況と今後の展望. (2013)
  • Author(s): 大内田研宙, 剣持一, 橋爪 誠:
  • Journal Title: 臨床外科 Volume: 第68巻 第8号 Pages: 952-958
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Significance of metacognitive skills in laparoscopic surgery assessed by (2013)
  • Author(s): Uemura M, Tomikawa M, Nagao Y, Yamashita N, Kumashiro R, Tsutsumi N, Ohuchida K, Ieiri S, Ohdaira T, Hashizume M:
  • Journal Title: Minimally Invasive Therapy Volume: Early Online Pages: 1-8
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 内視鏡外科手術における３Ｄシステム手術支援ロボットシステムの現況と将来動向. (2013)
  • Author(s): 大内田 研宙, 橋爪 誠:
  • Journal Title: 光技術コンタクト Volume: 51(12) Pages: 3-10
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] An augmented reality navigation sysytem for pediatric oncologic surgery based on preoperative CT and MRI images. (2013)
  • Author(s): Ryota Souzaki, Satoshi Ieiri, Munenori Uemura, Kenoki Ouchida, Morimasa Tomikawa, Yoshiaki Kioshita, Yuhki Koga, Aiko Suminoe, Kenichi Kohashi, Yoshinao Oda, Toshiro Hara, Hashizume M, Tomoaki Taguchi:
  • Journal Title: Journal of Pediatric Surgery Volume: (48) Pages: 2479-2483
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] カオス解析を用いた内視鏡外科手術における鉗子先端動作解析～熟練者と初心者の潜在的な動きのちがい～ (2013)
  • Author(s): 植村 宗則、富川 盛雅、苗鉄軍、家入 里志、宗崎 良太、大内田 研宙、 橋爪 誠:
  • Journal Title: 日本コンピュータ外科学会誌 Volume: 15(2) Pages: 218-219
• [Presentation] 鏡視下胃癌手術における胃膵ヒダの可動性とそのコントロールを重した膵上縁リンパ節郭清手技の工夫. (2013)
  • Author(s): 大内田研宙, 永井 英司,仲田興平,山田大輔,中村勝也,清水周次, 橋爪誠, 田中雅夫：
  • Organizer: 第２６回日本内視鏡外科学会
  • Place of Presentation: 福岡
  • Year and Date: 20131130-20131130
• [Presentation] 内視鏡外科手術における客観的消化管縫合技術評価シュミレータの開発. (2013)
  • Author(s): 富川盛雅,植村宗則,布施健一,大内田研宙,赤星朋比古,宗良太,家入里志, 是永大輔,竹中賢治, 橋爪 誠:
  • Organizer: 第２６回日本内視鏡外科学会総会
  • Place of Presentation: 福岡
  • Year and Date: 20131130-20131130
• [Presentation] シミュレーション外科学の発展. (2013)
  • Author(s): 橋爪 誠:
  • Organizer: 第23回日本シミュレーション外科学会
  • Place of Presentation: 福岡
  • Year and Date: 20131130-20131130
  • Invited
• [Presentation] 先端技術の内視鏡外科への応用 (2013)
  • Author(s): 橋爪誠：
  • Organizer: 第26回日本内視鏡外科学会総会
  • Place of Presentation: 福岡
  • Year and Date: 20131129-20131129
  • Invited
• [Presentation] 九州大学における安全な小児内視鏡外科手術普及のための小児外科医に対する教育訓練の取り組み. (2013)
  • Author(s): 家入里志, 宗良太,小幡聡,植村宗則,石井裕之,松岡紀之, 富川盛雅,池田哲夫,高西淳夫,橋爪 誠, 田口智章:
  • Organizer: 第２６回日本内視鏡外科学会総会
  • Place of Presentation: 福岡
  • Year and Date: 20131128-20131128
• [Presentation] 九州大学における肥満手術の工夫―立体映像表示システムを用いた腹腔鏡下袖状胃切除術. (2013)
  • Author(s): 富川盛雅, 神代竜一,長尾吉泰,赤星朋比古,田井耕二,大内田研宙, 家入里志,池田哲夫, 是永大輔, 竹中賢治, 橋爪 誠:
  • Organizer: 第２６回日本内視鏡外科学会総会
  • Place of Presentation: 福岡
  • Year and Date: 20131128-20131128
• [Presentation] 小児外科領域におけるReduced port surgery の導入とその課題. (2013)
  • Author(s): 小幡聡, 家入里志,宗崎良太,橋爪誠,田口智章：
  • Organizer: 第２６回日本内視鏡外科学会
  • Place of Presentation: 福岡
  • Year and Date: 20131128-20131128
• [Presentation] 低侵襲治療機器開発の現状と課題. (2013)
  • Author(s): 橋爪 誠:
  • Organizer: NEDO技術フォーラム in 中部（2013）～ものづくりと医療の連携に向けて～
  • Place of Presentation: 愛知
  • Year and Date: 20131106-20131106
  • Invited
• [Presentation] 医療機器開発における医工連携について. (2013)
  • Author(s): 橋爪 誠:
  • Organizer: 第51回日本人工臓器学会大会・第5階国際人工臓器学術大会
  • Place of Presentation: 横浜
  • Year and Date: 20130929-20130929
  • Invited
• [Presentation] What is the essential Information in Image-Guided Minimally Invasive Surgery? (2013)
  • Author(s): Hashizume M:
  • Organizer: 2nd MICCAI Workshop on Clinical Image-based Procedures: Translational Research in Medical Imaging
  • Place of Presentation: 名古屋
  • Year and Date: 20130922-20130922
  • Invited
• [Presentation] 3D Tracking of Respiratory Liver Movement by a Robot Assisted Medical Ultrasound. (2013)
  • Author(s): Nakadate R, Safwan A, Ishii H, Saito A, Takanishi A, Hashizume M:
  • Organizer: The 9th Asian Conference on Computer Aided Surgery,
  • Place of Presentation: 東京
  • Year and Date: 20130917-20130917
• [Presentation] 3D Tracking of Respiratory Liver Movement by a Robot Assisted Medical Ultrasound. (2013)
  • Author(s): Nakadate R, Safwan A, Ishii H, Saito A, Takanishi A, Hashizume M:
  • Organizer: The 9th Asian Conference on Computer Aided Surgery
  • Place of Presentation: 東京
  • Year and Date: 20130917-20130917
• [Presentation] Assessment of the Accuracy of PMP-Based Surface Matching Registration for Image-Guided Otologic Surgery. (2013)
  • Author(s): Cho B, Lee H, Matsumoto N, Komune S, Hashizume M:
  • Organizer: The 9th Asian Conference on Computer Aided Surgery
  • Place of Presentation: 東京
  • Year and Date: 20130917-20130917
• [Presentation] Current State of Image-guided Mininally Invasive Surgery (2013)
  • Author(s): 橋爪 誠：
  • Organizer: 第22回日本コンピュータ外科学会
  • Place of Presentation: 東京
  • Year and Date: 20130916-20130916
  • Invited
• [Presentation] 内視鏡トレーニングセミナーの有用性―受講者に対するアンケート結果を加味した解析 (2013)
  • Author(s): 富川盛雅, 植村宗則, 神代竜一, 森 恩, 宗崎良太, 大内田研宙, 赤星朋比古, 家入里志, 大平 猛, 池田哲夫, 橋爪 誠:
  • Organizer: 第22回日本コンピュータ外科学会
  • Place of Presentation: 東京
  • Year and Date: 20130915-20130915
• [Presentation] 内視鏡外科手術における客観的消化管縫合技術評価シミュレータの開発～第2報：縫合技術評価における最適条件の検討～ (2013)
  • Author(s): 山下 実, 植村宗則, 神代竜一, 家入里志, 大内田研宙, 布施健一, 三宅章郁, 富川盛雅, 橋爪 誠:
  • Organizer: 第22回日本コンピュータ外科学会
  • Place of Presentation: 東京
  • Year and Date: 20130915-20130915
• [Presentation] カオス解析を用いた内視鏡外科手術における鉗子先端動作解析～熟練者と初心者の潜在的な動きの違い～ (2013)
  • Author(s): 植村宗則, 富川盛雅, 苗 鉄軍, 家入里志, 宗崎良太, 大内田研宙, 橋爪 誠:
  • Organizer: 第22回日本コンピュータ外科学会
  • Place of Presentation: 東京
  • Year and Date: 20130915-20130915
• [Presentation] 血管の逃げと潰れを考慮した中心静脈穿刺手法の検討 (2013)
  • Author(s): 山崎 望, 小池卓慎, 張 博, 小林 洋, 豊田和孝, 植村宗則, 家入里志, 富川盛雅, 橋爪 誠, 藤江正克:
  • Organizer: 第22回日本コンピュータ外科学会
  • Place of Presentation: 東京
  • Year and Date: 20130915-20130915
• [Presentation] 画像処理を用いた視点変更技術による手術支援ロボットのhand-eye coordinationの向上 (2013)
  • Author(s): 是枝祐太, 三浦 智, 西尾祐也, 小林 洋, 川村和也, 家入里志, 富川盛雅, 橋爪 誠, 藤江正克:
  • Organizer: 第22回日本コンピュータ外科学会
  • Place of Presentation: 東京
  • Year and Date: 20130914-20130914
• [Presentation] 手術支援用マスタ・スレーブにおける身体所有感転移に基づく操作性向上に関する基礎研究 (2013)
  • Author(s): 荒田純平, 服部将士, 市川翔平, 坂口正道, 橋爪 誠:
  • Organizer: 第22回日本コンピュータ外科学会
  • Place of Presentation: 東京
  • Year and Date: 20130914-20130914
• [Presentation] より安全な外科医療のための基礎研究-内視鏡外科手術基本主義の定量的分析と効果的なトレーニング法の開発-. (2013)
  • Author(s): 富川盛雅, 植村宗則, 神代竜一, 宗崎良太, 大内田研宙, 赤星朋比古, 石井裕之, 家入里志, 大平 猛, 橋爪 誠:
  • Organizer: 第68回日本消化器外科学会総会
  • Place of Presentation: 宮崎
  • Year and Date: 20130719-20130719
• [Presentation] 鏡視下胃癌手術における郭清組織の可動性とそのコントロールを重視したリンパ節郭清手技の工夫. (2013)
  • Author(s): 大内田研宙, 永井英司, 仲田興平, 前山 良, 中村勝也, 清水周次, 橋爪 誠, 田中雅夫:
  • Organizer: 第68回日本消化器外科学会総会
  • Place of Presentation: 宮崎
  • Year and Date: 20130717-20130717
• [Presentation] イメージガイド下コンピュータ外科手術の発展. (2013)
  • Author(s): 橋爪 誠：
  • Organizer: 第2回御茶ノ水消化器外科フォーラム
  • Place of Presentation: 東京
  • Year and Date: 20130706-20130706
  • Invited
• [Presentation] Minimally invasive surgery assisted by computer science. (2013)
  • Author(s): Hashizume M, Marescaux J:
  • Organizer: Computer Assisted Radiology and Surgery 27th International Congress and Exhibition
  • Place of Presentation: Heideibelg, Germany
  • Year and Date: 20130627-20130627
• [Presentation] New evidence from information in hand motions of laparoscopic surgery - a mathematical analysis on experts and novices. (2013)
  • Author(s): Uemura M, Hashizume M, Tomikawa M, Kumashiro R, Souzaki R, Ieiri S, Ohuchida K, Miao T:
  • Organizer: Computer Assisted Radiology and Surgery 27th International Congress and Exhibition
  • Place of Presentation: Heideibelg, Germany
  • Year and Date: 20130627-20130627
• [Presentation] Design of a novel single incision Laparoscopic surgery robot with increased tissue handling force. (2013)
  • Author(s): Ji D, Cheon B, Hong J, Gezgin E, Hashizume M, Tomikawa M:
  • Organizer: Computer Assisted Radiology and Surgery 27th International Congress and Exhibition
  • Place of Presentation: Heideibelg, Germany
  • Year and Date: 20130627-20130627
• [Presentation] Catheterization for balloon-occluded retrograde transvenous obliteration guided by fly-through module of New Virtual Endoscopic System. (2013)
  • Author(s): Tomikawa M, Akahoshi T, Oda M, Kumashiro R, Uemura M, Ieiri S, Mori K, Hashizume M:
  • Organizer: Computer Assisted Radiology and Surgery 27th International Congress and Exhibition
  • Place of Presentation: Heideibelg, Germany
  • Year and Date: 20130626-20130626
• [Presentation] A real-time guidance navigation system of the distance and the directions for the important neurological structures and the tumor margin. (2013)
  • Author(s): Mukae N, Cho B, Inoue D, Kikkawa Y, Nakamizo A, Yoshimoto K, Mizoguchi M, Hashizume M, Sasaki T
  • Organizer: Computer Assisted Radiology and Surgery 27th International Congress and Exhibition
  • Place of Presentation: Heideibelg, Germany
  • Year and Date: 20130626-20130626
• [Presentation] Three-dimensional high-definition neuroendoscopic surgery: a controlled comparative study with two-dimensional endoscopy and clinical application. (2013)
  • Author(s): Inoue D, Yoshimoto K, Uemura M, Ohuchida K, Kenmotsu H, Tomikawa M, Sasaki T, Hashizume M, Yoshida M :
  • Organizer: Computer Assisted Radiology and Surgery 27th International Congress and Exhibition
  • Place of Presentation: Heideibelg, Germany
  • Year and Date: 20130626-20130626
• [Presentation] A minimally invasive registration method using PMP technique for image-guided otologic surgery. (2013)
  • Author(s): Cho B, Oka M, Matsumoto M, Hashizume M, Lee H:
  • Organizer: Computer Assisted Radiology and Surgery 27th International Congress and Exhibition
  • Place of Presentation: Heideibelg, Germany
  • Year and Date: 20130626-20130626
• [Presentation] Karl Storz Lecture: Education and Training for Minimally Invasive Surgery. (2013)
  • Author(s): Hashizume M
  • Organizer: IPEG’s 22nd Annual Congress for Endosurgery in Children
  • Place of Presentation: JW Marriott Beijing, China
  • Year and Date: 20130620-20130620
  • Invited
• [Presentation] 高画質3次元画像の医療分野における応用とその効果． (2013)
  • Author(s): 橋爪 誠:
  • Organizer: 先端メディカル・イメージング・シンポジウム2013
  • Place of Presentation: 横浜
  • Year and Date: 20130425-20130425
  • Invited