Image-guided bone needle insertion with a robot: development of automatic insertion algorithm

2023 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 22H03028
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Institution: Okayama University
• Principal Investigator: 平木 隆夫 岡山大学, 医歯薬学域, 教授 (50423322)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 馬越 紀行 岡山大学, 大学病院, 助教 (10780885) ; 櫻井 淳 岡山大学, 大学病院, 教授 (30444657) ; 松宮 潔 岡山理科大学, 工学部, 講師 (40396792) ; 松野 隆幸 岡山大学, 環境生命自然科学学域, 教授 (50377842) ; 松井 裕輔 岡山大学, 医歯薬学域, 准教授 (50614351) ; 亀川 哲志 岡山大学, ヘルスシステム統合科学学域, 准教授 (80432623) ; 松浦 龍太郎 岡山大学, 保健学域, 助教 (80772392)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2025-03-31
• Keywords: 骨穿刺 / ロボット

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的である「ロボットを用いた画像ガイド下骨穿刺における力センシングに基づく骨の自動穿刺アルゴリズム」を構築するために、前年度に引き続いておかやまメディカルイノベーションセンター（OMIC）にて生体ブタを用いた動物実験にて行った。既存の針穿刺ロボット（Zerobot）に骨穿刺用の試作アームを取り付けて、さらにアーム先端には骨生検針を取り付けて、ブタの腸骨、脊椎、大腿骨に対してCTガイド下には穿刺を繰り返し行った。穿刺試験においては、規定の穿刺速度および針の軸周り回転速度で、また３種類（弱、中、強）の力制御アルゴリズムを用いて穿刺を行った。力制御アルゴリズムとは、ロボットアーム先端に取り付けた力センサで穿刺中に針先にかかる力をモニタリングし、規定の力に達すると、ロボット制御機構が働き、穿刺速度を調整することで針先にかかる力を調整するものである。穿刺中のCT画像にて骨内へ針先を刺入できるかどうか、また事前に設定した標的に精確に穿刺できるかどうかを確認した。腸骨や椎体では弱の力制御アルゴリズムで骨内へ針先を難なく刺入でき、標的に精度良く穿刺が可能であった。一方大腿骨では弱の力制御アルゴリズムでは骨内へ針先を刺入できないことがあった。強の力制御アルゴリズムでは骨へ刺入する際に針先の滑りが生じた。弱の力制御アルゴリズムではじめ、針先が数mm進んだときに中に変更すると針先が滑ることもなくうまく刺入できた。
穿刺を行った腸骨、脊椎、大腿骨の硬さを調べるための穿刺試験も行った。骨の硬さは同一の穿刺条件で針先にかかる力をみること推定でき、腸骨と椎体はほぼ同じ程度の硬さで、大腿骨は腸骨、椎体よりも硬いことが分かった。

Current Status of Research Progress

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

Reason

自動穿刺アルゴリズムの構築に近づいているため

Strategy for Future Research Activity

今後も最適な自動穿刺アルゴリズムを構築するために生体ブタの骨に対する穿刺試験を繰り返す。最適な自動穿刺アルゴリズムとは、短い時間で針先を骨内に刺入でき、また針先が滑ることなく精度良く標的に刺入できるアルゴリズムである。2023年度の試験で最適なアルゴリズムは穿刺する骨の種類に応じてことなることが判明したので、骨の種類に応じて個別に設定する。
リスクマネジメントをJIS T 14971:2012に準拠して行う。リスクマネジメント分析シートの作成を行うが、考え得る全てのハザードを特定し、それにより発生するリスクを危害の重篤度と頻度に基づき評価する。その後、リスク低減措置を講じて可能な限りリスクを低減する。
2024年度上半期には臨床用の骨穿刺アームの仕様作成およびコンセプト設計を行い、下半期には製造を行う。また骨穿刺のソフトウェア開発も行う。