| 研究課題/領域番号 |
21K03986
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| 研究機関 | 大阪工業大学 |
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研究代表者 |
河合 俊和 大阪工業大学, ロボティクス&デザイン工学部, 教授 (90460766)
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| 研究分担者 |
西川 敦 大阪大学, 大学院基礎工学研究科, 教授 (20283731)
西澤 祐吏 国立研究開発法人国立がん研究センター, 東病院大腸外科・クオリティマネジメント室, 室長 (50545001)
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| 研究期間 (年度) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| キーワード | 医用ロボット / マニピュレータ機構 / 遠隔中心 / ガングリップ / Mask R-CNN |
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| 研究実績の概要 |
本研究では，執刀医の補助ツールとして小型で分散できるローカル操作マニピュレータの実現を目指して，患者と共存し医師と協働するマニピュレータの機構や制御に関する基盤技術を確立すべく，内視鏡下手術支援ローカル操作助手マニピュレータの構築と評価を目的としている．本年度は，初年度の成果を生かした，新たな機構や操作系について以下の成果を得た．
（１）多段ギアトレインをラックギアに沿わせてボールねじで直動させ，出力ギアの回転角度と遠隔中心RCMであるピボット回転角度が一致する機構，およびベルト・プーリの鉗子直動機構を連動させピボットからの一定距離を保つ円運動の制御を備える3自由度の鉗子マニピュレータを開発した．位置決め精度，機構たわみなどの機構特性を計測して，医師が本マニピュレータを手動およびスイッチ操作して臓器モデルをハンドリングしながらスムーズに剥離切開できることを確認した．
（２）親指操作する平面配置した二対のボタンスイッチと，人差し指で操作するロッカスイッチを備えるガングリップ形状の操作インタフェースを考案した．また，DCサーボモータとスイッチ操作インタフェースを接続して制御システムを自動で立ち上げる，ラズベリーパイ組み込み系を構築した．タスク操作における所要時間を計測し，医師評価による提案システムの利点と要望を確認した．
（３）執刀医が操る腹壁上の鉗子のシャフト部分をMask R-CNNを用いて画像認識し，RGB画像とDepth画像から検出した鉗子シャフト領域を矩形で近似して両端点の三次元位置座標を取得するシステムを構築した．手術映像6例と模擬環境映像から作成した1000枚以上の学習データについて評価指標APが0.86であること，認識時間は300msであること，矩形近似と端点座標取得に13ms要することを確認した．深層学習と近似手法に関する知見を得て課題を明らかにした．
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
本研究の具体的な計画は，手動およびモータ駆動できる術具装着マニピュレータと，ローカル操作可能なインタフェースを創出し，制御系を構築して実験評価を行い，機構構成・操作制御・評価系の課題を明確にすることである．2022年度進捗は下記の通りであった．
（A）術具マニピュレータについて，新たに考案したラックギアとギアトレインで構成するRCM機構を試作し，医師の評価実験を通じて有用性を確認できた．
（B）操作インタフェースについては，指操作に適したガングリップ形状およびLinuxベースのラズベリーパイ組み込み系，執刀医が操る鉗子のシャフト部分をMask R-CNNを用いて画像認識した後でRGB画像とDepth画像から近似矩形の端点座標を取得するシステムを新たに考案して構築し，評価実験を実施できた．
以上より，当初の計画におおむね沿った進展となった．
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| 今後の研究の推進方策 |
2023年度は提案研究の最終年度である．これまでの研究がおおむね順調に進展していることから，引き続き，工学系研究者が構築した試作機を医学系研究者が検証するサイクルで計画を進める．内視鏡下微細手術の支援に向けて，これまでの研究成果をさらに発展させ，内視鏡や鉗子の位置決めを素早いマニュアル駆動および精密なモータ駆動で行う占有空間の小さい術具装着マニピュレータと，執刀医による直感的なローカル操作インタフェースを備えた「内視鏡下手術支援ローカル操作助手マニピュレータ」の構築と評価を実施する．具体的な推進方策は下記のとおりである．
（A）術具マニピュレータについて，これまでに試作したRCM機構に関して得た知見および明らかになった課題を基に，新たな機構を考案し，試作により機構特性を確認して，医師による模擬手術を行う．
（B）操作インタフェースについて，鉗子シャフトを画像認識して位置姿勢を取得し手術助手ロボットの制御指標とするシステムを構築する．
研究成果は，国内外の学術会議などで積極的に発表し，また，関連分野の研究者と議論した意見も真摯に取り入れ，研究分担者と協同して効率的に研究を推進する．
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| 次年度使用額が生じた理由 |
（理由）
コロナ禍での出張をできるだけ控え，Web会議で検討できることを中心に活動したため．
（使用計画）
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．2023度は出張の制限が無くなるため，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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