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伊関 洋、佐久間一郎、多自由度超音波凝固切開マニピュレータの開発
2A1-I09 多自由度超音波凝固切開マニピュレータの開発 ―先端屈曲回転機構の開発と直感的インタフェースによるメカトロ駆動― Multi-DOFs Manipulator for Ultrasonically Activated Device -Development of bending /rotation method for tip motion and mechatronical control system with intuitive interface for surgeon○正 中村 亮一（東京女子医大） 学 蓮尾 健（東京大学） 正 小倉 玄 （東京女子医大） 正 伊関 洋 (東京女子医大) 正 佐久間一郎（東京大学） Ryoichi Nakamura, Tokyo Women’s Medical University, [email protected] Gen Ogura, Tokyo Women’s Medical University Takeshi Hasuo, The University of Tokyo Hiroshi Iseki, Tokyo Women’s Medical University Ichiro Sakuma, The University of Tokyo Ultrasonically Activated Device (USAD) can treat tissues with coagulation and cutting ability, but it has large pitfalls in surgical procedure due to its straight shape. This sometimes makes surgeons to use this device from undesirable approach that might cause complications in surgery. We developed new method to mount small USAD unit on the tip of surgical manipulator with 2 bending DOF to realize safe approaches to target tissues, and verify the characteristics of a USAD. Key Words: Surgical Manipulator, Laparoscopic Surgery, End effector 1. 背景･目的 1.1 腹腔鏡下手術 腹部外科領域において、大きな開腹を伴わずに複数の小孔 からの機器挿入により腹腔内で手術作業を行う腹腔鏡下手術 は、その低侵襲性から多くの疾患に対して応用が勧められて いる。しかしその低侵襲性の反面、腹腔鏡下手術では視野や 作業領域が大きく制限されるため、高機能術具の開発は適応 拡大および普及にとっての重要課題であるといえる。高機能 術具開発においての中心技術には、エンドエフェクタの多機 能化や、腹腔内での作業自由度を向上させるための駆動関節 の付与とコントロール、ロボット化などがある。 1.2 超音波凝固切開装置の利点と問題点 操作自由度および視野の制限の存在する腹腔鏡下手術にお いて、止血操作等で不可欠な運針・結索は最も難しい作業の ひとつであり、針糸に変わる止血・閉塞のための手術器具開 発がさまざま行われてきている。 超音波凝固切開装置(Ultrasonically Activated Scalpel、 以下 USAD) は、エンドエフェクタ部で発生する超音波振動に よる生体変性・破壊効果を利用した手術用デバイスである。 機器内部の圧電素子に高周波電圧を印加することで発生する 器械的超音波振動は機器先端の金属ブレードに伝達され、生 体組織に接触すると摩擦熱による組織の変性と器械的破壊に より組織切開の効果が得られる。USAD は既存の手術器具では 困難であった止血と切開を同時に行うことができ、同様に止 血と切開を同時に行う電気メスと比べ、組織と患者に与える 損傷が軽微であるといった利点をもち、盛んに使用されてい る[1-2]。 しかし、現在普及している USAD はすべて直線形状であり、 手術器具が腹腔上の挿入孔で拘束される腹腔鏡下手術におい ては満足な取り回しが可能であるとはいえない。また作動中 の USAD のブレードが目標でない組織に誤って接触した場合、 ブレードは接触した組織を損傷し重大な事故(ピットフォー ル)となる危険性が指摘されている[2]。 1.3 多自由度術具と手術ロボット 操作自由度および視野の制限の存在する腹腔鏡下手術にお いて、その操作自由度を向上することで、アプローチ可能な 領域・方向を拡大し、また操作性を向上することで操作難易 度を提言する試みがなされてきている。 生田らは高度かつ広範囲での腹腔鏡下手術の実現を目指し、 冗長自由度と高発生力の両ニーズを満たす超多自由度関節型 能動鉗子としてハイパーフィンガーシステムの開発を行って いる[3]。Intuitive Surgical 社は低侵襲な手術を実現する 高度なロボティックシステムとして da VinciTM システムを開 発している[4]。これは心臓冠動脈を扱うような高精度を要す る高度な術式での低侵襲手術の導入を容易に実現可能とする システムであり、高度な技術を要するマイクロ手術を一般外 科の開腹手術の感覚で遂行する事を可能にする非常に有用な システムである。 これらの手術マニピュレータ・ロボット開発研究は、術者 が単独で手術可能な高度医療システム構築の研究として、将 来の安全かつ高度な治療の実現を目的に進められている。 1.4 多自由度 USAD USAD は組織の凝固切開を容易に行える利点があり、広く用 いられている一方、直線形状のため手技の制限や Pitfall に よる危険性が存在する。そこで本研究では、多自由度の屈曲・ 回転関節を与え、対象組織に適切にアプローチできるマニピ ュレータの開発により、USAD の操作性と安全性の向上を図っ た。 2. 方法 2.1 小型 USAD モジュール 先行研究により、マニピュレータ先端に搭載するための小 型 USAD が開発されている(図１)。既存の USAD と比べ、出力 はやや劣るものの、非常に小型であり多自由度 USAD に搭載す ることが十分に可能と考えられる[5] 。本研究ではこの小型 [No. 07-2] Proceedings of the 2007 JSME Conference on Robotics and Mechatronics, Akita, Japan, May 10-12, 2007 2A1-I09 (1) USAD モジュールをマニピュレータに搭載し、凝固・切開特性 評価もこのモジュールについて行う。なお、USAD モジュール の把持パッド開閉はモジュール後端のロッド押し引きにより 行い、把持力とロッド引張力の間には線形の相関がある。 Fig. 1 small USAD transducer module 2.2 多自由度 USAD の要求仕様 腹腔内で屈曲先端に搭載した USAD モジュールの自由な位 置決めを行うためには、マニピュレータには先端に屈曲 2 自 由度、長軸周り回転 1 自由度が必要となる。更に USAD モジ ュールの把持パッド開閉操作行う機能、至適把持力発生機能 となる。 先端駆動のための屈曲・回転自由度配置を設計するに当た り、腹腔鏡下手術の様子を撮影した映像を観察し、術者はい かにして鉗子先端の位置、姿勢の決定を行うか、術者の操作 志向に対する考察を行った。暫定的に、術者は鉗子先端操作 において位置決め→先端回転というシーケンシャルな操作を 行う(図２)という仮説を立てた。すなわち、自由度の配置に おいて回転自由度は屈曲関節より先端に近い側で実現するこ とが重要となる。 Fig. 2 Sequential tip drive: position, rotation 2.3 屈曲機構 本研究では、ワイヤ駆動機構の省スペース大駆動範囲の利 点を追及した駆動方式を採用した。本研究では、Nishizawa ら のワイヤ拮抗配置ならびに転がり摩擦を用いた関節構造を応 用した[6]。 開発したマニピュレータには、2 つの屈曲関節(A 関節、B 関節。A 関節が先端側)があり、また小型 USAD モジュールの 把持パッド駆動のためのワイヤも存在する。屈曲関節は図３ に示すよう、ベース部(Base part) 、中間プレート(Middle plate) 、ヘッド部(Head part) の 3 パーツと、より先端の関 節と把持ロッドを駆動するワイヤ(wire3, 4) とそのガイドプ ーリ(Guide pulley1, 2)から構成される。なお、簡単のため に図では把持ロッド駆動用のワイヤ 4 は省略する。 中間プレートによって、根元側のプーリ(Guide pulley1) と 鉗子先端側のプーリ(Guide pulley2) の各中心軸 Shaft1 と Shaft2 の軸間距離が一定に保たれている。またそれぞれのプ ーリは転がり接触の関係にある(Rolling Contact Part)。こ の接触部分は歯車状になっているため滑りのない転がりが可 能である。ワイヤ 1、2 は中間プレートに固定されており、中 間プレートを駆動することで当該関節の首振り状の動作を実 現する。ワイヤ 3 はこの関節の先に配置され、中心軸周りに 90 度傾けて取り付けられた同様の関節構造である A 関節駆動 用のワイヤである。ここには記載しないが、把持ロッド駆動 用のワイヤ 4 もワイヤ 3 と同様に配置されている。ワイヤ 3、 4 はガイドプーリ 1、 2 の転がり接触部を交差するように通り、 先端の A 関節を介しガイドプーリ 2、1 の順に戻る。そのため、 A 関節と B 関節、把持パッドの動作は互いに干渉することがな い。 以上のように、この関節構造は省スペースで大きな屈曲範 囲、さらに他の軸に非干渉の駆動を実現している。多自由度 USAD ではこの関節構造を 2 自由度分用い、コンパクトかつ駆 動範囲の広い関節を目指した。 Fig. 3 Bending motion of Joint B; (a: Left) before bending (b: Right) after bending 2.4 軸周り回転機構 要求仕様（2.2 節）で述べたとおり、USAD 先端部の回転自 由度は、屈曲関節より先のエンドエフェクタ部が独立して回 転することが望ましい。しかし、機構の複雑さや先端部のサ イズ制限の観点から、小型回転機構を先端部に実装すること は困難さを伴う。そこで本研究では、軸周り回転機構は屈曲 関節よりも手元側に近い部分に設置し、鉗子部回転に伴う軸 周り回転入力時に屈曲先端の方向を維持するよう屈曲関節を 協調動作させ行う擬似先端回転を行うこととした。 本試作での軸周り回転機構は、術者が手に持つグリップ部 と、多自由度鉗子本体部分とを着脱可能となるようにし、グ リップ上で鉗子全体が軸回りに回転することで実現した。 2.5 把持機構と把持力提示 把持機構の駆動には、把持パッド閉動作は把持ロッドに固 定したワイヤを引き、開動作はばねの復元力を用いる方法を 採る。動作の様子を図４に示す。本機構は、駆動時の摩擦が 小さく、ワイヤ張力をダイレクトに把持ロッドに伝達できる、 部品点数が少なく、小型化が期待できる、といった利点をも つ。 把持機構は一本のワイヤの引張動作で駆動され、ワイヤ張力 とロッド引張力の関係はほぼ線形になると考えられる。従っ て、把持系統のワイヤ張力を何らかの方法でセンシングする と、USAD モジュールが発生している把持力を容易に推定でき る。USAD の使用では、組織を振動ブレードに押し付ける力(把 持力)は凝固切開の状態を決める重要な因子であることが現 在までの実験的検討により明らかになっている[5]。 [No. 07-2] Proceedings of the 2007 JSME Conference on Robotics and Mechatronics, Akita, Japan, May 10-12, 2007 2A1-I09 (2) Fig. 4 Grasping rod driving mechanism of 2nd prototype 把持力測定において、術具先端部にセンサ類を導入するこ とは避けるべきであり、またサイズの面からも難しいことか ら、本試作では、術者手元に近い部分にロッド引張力測定セ ンサを導入した。センサで取得された信号値は、試作機を用 いての重錘測定により得たキャリブレーションデータを元に 把持力に変換した。 術者への把持力提示は、当初 PC ディスプレイ状に表示され るカラーバーの長さと、把持力に応じた高さの音を鳴らす 2 通りの方法を実装したが、術者にとっては提示される情報が 増え、また至適把持力を把持ブリップの操作で維持するのは 煩雑であった。本試作では、誰もが最適な処置を行えるよう にするという手術支援工学の基本的な立場に回帰し、把持機 能としては至適把持力での処置のみを実現するものとした。 2.6 屈曲回転操作インタフェースとメカトロ制御 要求仕様で述べた術者のシーケンシャルな操作の仮説に従 うと、多自由度 USAD の先端駆動において、先端位置決め、USAD モジュール軸周り回転それぞれに対応するインタフェースを 用意し、それを操作することは術者の志向に近く、直感的操 作が可能であると考えられる。また、多自由度 USAD では屈曲 先端が比較的長いため、屈曲関節を見ながら先端の駆動を行 うことは難しい。 以上より、本試作では USAD モジュールの位置決めを ① 長軸部と屈曲関節の駆動による USAD モジュール位置決め 操作 ② 屈曲関節先端で USAD モジュールが軸周りに回転する操作 (擬似先端回転) の二つの操作により実現を図る。これらの操作において術 者の作業の妨げにならぬよう直感的かつ簡便に実現するため に、マニピュレータをモータ駆動し、各軸を協調的に駆動す るメカトロ制御系を実装することで直感的操作を図った。屈 曲関節については各軸をモータ駆動化するが、長軸周り回転 軸は、システム簡素化、軽量化、小型化のため、モータ駆動 化を行わなかった。 術者が入力を行う部分は、インタフェース部のジョイステ ィック、鉗子部全体の回転、把持パッド駆動のためのボタン スイッチである。①の屈曲関節の操作はジョイスティックの 入力方向に屈曲先端を駆動し、②の擬似先端回転は鉗子部回 転に伴う軸周り回転入力時に屈曲先端の方向を維持するよう 屈曲関節を協調動作させ行う。この実現のために、屈曲 2 自 由度の駆動は逆運動学問題の解に従い、常にインタフェース 座標系、すなわち術者手元の座標系に従い屈曲先端を駆動す るようにし、直感的操作が可能となるようにした。また、軸 周り回転角度はインタフェース部に小型ポテンショメータを 実装して測定した。 2.8 試作システムと構成 以上の機構・インタフェースを実装した試作機を図５に、 システム構成を図６に、動力伝達系とワイヤ機構について図 ７に示す。 清潔性を考慮し、USAD モジュールを搭載するエンドエフェ クタ部、モータ部、インタフェース部はそれぞれ容易に着脱 可能とした。モータ部には屈曲 2 軸、 把持軸を駆動する計 3 軸 のコアレス DC サーボモータを収める。モータの制御について、 屈曲軸モータはパルス入力位置制御、把持軸は実験的検討で 明らかにした把持力を出力できるよう電圧入力トルク制御を 導入した。 Fig.5 Prototype of Multi-DOFs Manipulator for USAD Fig. 6 System configuration of prototype Fig. 7 Wire mechanism and power transfer system 3. 評価実験 3.1 機構の評価 屈曲関節の屈曲方向と水平に固定した試作機について、屈 曲ダイヤルを駆動し屈曲関節の動作角度を計測した(n=5)。結 果を図８に示す。最大位置決め誤差は A 関節±1.4deg，B 関 節±0.6deg であった．これは振動ブレード先端の位置決めに 換算するとそれぞれ±1.8mm、 ±0.6mm に相当する。把持パッ ドに開いたとき、パッドとブレードのギャップが 13[mm]なの で、実用上十分な精度と言える。 3.2 in vivo 実験 本試作機を用いて、腹腔鏡下手術を模した in vivo 実験を 行った。腸間膜を処置している様子を図９ に示す。関節が屈 曲した状態で組織にアプローチし、擬似先端回転を使用しパ ッドの向きを画像奥側へ調整していることが分かる。図１ [No. 07-2] Proceedings of the 2007 JSME Conference on Robotics and Mechatronics, Akita, Japan, May 10-12, 2007 2A1-I09 (3) 推定した値としたが、実際の機構に組んだ状態でキャリブレ ーションを行うべきである。また処置中に出血した例もあり、 把持力と凝固切開能力の関係について今後調査と考察を深め る必要性が伺えた。 ０ 4. 結論 Fig. 8 Experimental results of bending hysterisis: left: A joint, right: B joint 本研究では、実験的検討に基づき小型 USAD モジュールの至 適凝固切開状態を決定した。また、多自由度 USAD 試作機を製 作し、USAD 特有の問題であるピットフォール回避のマニピュ レータへの実装を行い、屈曲先端の駆動方法、インタフェー スについて提案を行い、有用性を実証した。今後は制御法の 改良、凝固切開条件の検討が必要である。 謝辞 本研究の一部は、成育医療研究委託事業１６－公３「成育医療にお ける低侵襲外科治療法の開発に関する研究」の助成を受けた。試作機 の評価には九州大学 橋爪誠教授、田上和夫助教授、小西晃造助手、 東京工科大学 篠原一彦教授、埼玉医科大学 橋本大定教授を始め多く Fig. 9 Safe approach using pseudo tip rotation の臨床医の協力をいただいた。 文 [1] [2] [3] Fig. 10 Safe approach to Left gastro-epiploic artery に左胃大網動脈の脾門部近傍を処置している様子を示す。当 該部位は血管など組織が密集しておりピットフォールに注意 が必要な部位であるが、屈曲関節の駆動により安全なアプロ ーチが可能であった。これら一連の動作について、術者から は操作に違和感はないという意見を得た。 本試作機の先端駆動方法を術者は違和感なく操作し、ピッ トフォールを回避し組織を処置することができ、多自由度 USAD の操作インタフェースとして有用であると言える。一連 の先端駆動方法について、USAD 以外の機器、バイポーラ電気 メス鉗子など、組織へのアプローチ方向が重要であり、かつ 電源ケーブルなどがあり屈曲先端に軸周り回転関節を導入が 難しい多自由度マニピュレータにおいては、本試作の自由度 配置や操作方法などは有効に適用できると考えられる。さら に本方法は、屈曲先端 3 自由度を有するマニピュレータと同 等の先端駆動を 2 軸のモータ動力で行っており、システムの 簡素化という面でも有利である。 擬似先端回転を行うときしばしば屈曲関節が駆動せず、屈 曲先端が長軸回りに回転し小型 USAD モジュールの方向が維持 できなくなる現象が起こった。これはワイヤ機構のヒステリ シスの補正を行っていないことが原因と考えられ、精確な動 作のためにはヒステリシス補正など制御法の改良が必要であ る。一定把持力発生機能について、生体の血管の処置(閉塞と 切離)を行ったが、切開に想定よりもかなり長い時間を必要と した結果が多く見られた。その原因には所望の把持力が発生 できていないこと、および把持力と凝固切開能力の関係につ いて十分な実験的検討達成されていないことが推測された。 本実験では把持モータのトルクをワイヤ径路の摩擦を考慮し [4] [5] [6] 献 Amaral JF 、“ The experimental development of an ultrasonically activated scalpel for laparoscopic use”、Surg Laparosc Endosc 、vol.4、 pp.92-99、1994 金平永二 他、 “55.5kHz 超音波凝固切開装置の安全性に関する基 礎実験と腹腔鏡下胃手術への応用”、JSES、vol.2-3、pp.239-244、 1997 生田幸士, 東川文博, 題府慎一, 千田進幸、 “遠隔腹腔内手術用ハ イパーフィンガーの研究(第 3 報)小型臨床モデルの製作と動物実 験” 、日本コンピュータ外科学会誌、vol.2-3、 pp.153-154、2000 Tommaso Falcone、Jeffrey M. Goldberg、 “Robotic Surgery”、Clinical Obstetrics and Gynecology、vol.46-1、pp.37-43、2003 中村亮一、小倉 玄、村垣善浩、高倉公朋、伊関 洋、“小型振動 子を用いた多自由度超音波凝固切開装置の開発-(第 2 報) 新型 振動子と把持機構の開発-”、日本コンピュータ外科学会誌、 vol.6-3、 pp.193-194、2004 Koji Nishizawa、Kosuke Kishi、 “Development of interference-Free Wire Driven Joint Mechanism for Surgical Manipulator Systems”、 Journal of Robotics and Mechatronics、vol.16-2、pp.116-121、2004 [No. 07-2] Proceedings of the 2007 JSME Conference on Robotics and Mechatronics, Akita, Japan, May 10-12, 2007 2A1-I09 (4)