平成15年度日本学術振興会未来開拓学術研究推進事業研究成果報告書概要



研究推進分野名   外科領域を中心とするロボティックシステムの開発
 
研究プロジェクト名   外科手術解析プロジェクト(内臓器官系)
 
(英文名)   Research on Robotic System in General Surgery
 
研究期間   平成11年度〜平成15年度

プロジェクト・リーダー名 研究経費 総額  513,195千円
氏名・所属研究機関
所属部局・職名
橋爪 誠・九州大学
大学院医学研究院・教授
内訳 平成11年度 79,915千円
平成12年度 156,140千円
平成13年度 116,140千円
平成14年度 86,000千円
平成15年度 75,000千円

1.研究組織

氏名 所属機関・部局・職 研究プロジェクトでの役割分担
島田 光生 九州大学・大学院医学研究院・助教授 ロボット手術術式の解析
波多 伸彦 東京大学・大学院情報理工学系研究科・講師 統合システムの開発
恒吉 正澄 九州大学・大学院医学研究院・教授 自動診断装置信頼度に関する研究
本田  浩 九州大学・大学院医学研究院・教授 リアルタイム画像抽出装置に関する研究
高橋 成輔 九州大学・大学院医学研究院・教授 手術場環境に関する研究
漢那 朝雄 九州大学・大学院医学研究院・助手 手術場環境に関する研究
川中 博文 九州大学・大学院医学研究院・助手 内視鏡マニピュレータの臨床応用に関する研究
富川 盛雅 九州大学・大学病院・助手 移植肝の体積計測に関する研究
調   憲 九州大学・大学病院・講師 リアルタイム3Dエコーシステムの開発に関する研究
吉野 一郎 九州大学・大学病院・講師 CTによる腫瘍自動診断装置に関する研究
田中 真二 九州大学・大学病院・講師 鏡視下エコープローブの開発
小林郁太郎 東京大学・大学院工学系研究科・教授 血管モニタリングに関する研究
佐々木 健 東京大学・大学院新領域創成科学研究科・助教授 臓器変形計測に関する研究
正宗  賢 東京電機大学・理工学部・講師 腹腔鏡マニピュレータの臨床応用に向けた改良
小林英津子 東京大学・大学院新領域創成科学研究科・講師 腹腔鏡マニピュレータの臨床応用に向けた改良

2.研究計画の概要

本研究プロジェクトでは平成11年度から以下のテーマに沿った研究を推進している。

テーマ(1) 腹腔鏡下手術支援ロボットにおける画像誘導システムの開発
1-1)  三次元超音波を用いた腹腔鏡下手術支援実時間画像誘導システムの開発
1-2)  斜視内視鏡ナビゲーションのための仮想および実内視鏡像の連動表示システムの開発
1-3)  腹腔鏡下ラジオ波焼灼術穿刺用デバイスの開発

テーマ(2) 機能画像の開発
2-1)  3DCT 用いた肝体積測定(3D-CT Volumetry)に関する研究
2-2)  3D-Histogram解析による肝腫瘍自動診断装置の開発

テーマ(3) ロボットハンド(マニピュレータ)の開発
3-1)  マスターマニピュレータの開発
3-2)  スレーブマニピュレータの開発
3-3)  ウェッジプリズムを用いた可変視野内視鏡の開発
3-4)  5節リンク式腹腔鏡マニピュレータの開発
3-5)  超音波画像誘導型リアルタイム制御穿刺マニピュレータの開発
3-6)  多節スライダ・リンク機構を用いた内視鏡下手術用屈曲鉗子マニピュレータの開発
3-7)  赤外LEDを用いた血管透視デバイスの開発

テーマ(4) ロボティックシステム統合および遠隔操作手術場環境の整備
4-1)  分散オブジェクト技術を用いたシステム統合およびディスプレイシステムの開発
4-2)  遠隔ロボット手術環境の整備

3.研究目的

 21世紀の外科治療学においては、患者に優しい低侵襲治療法の開発が切望されているが現在の内視鏡下外科手術は、従来の開腹手術に比べて安全性、確実性、手術操作や視野の制限などの解決すべき多くの問題点が残されている。本研究の目的はこれらの問題を解決し、さらにより安全で精密な手術を可能とするロボティックシステムを開発し、未来型外科治療を開拓することにある。現在米国製の二つのマスタースレーブ型手術支援ロボット(ダヴィンチ、ゼウス)が世界中で臨床応用されているが、それを超える機能を有し、従来の手術手技や術式の概念を変え得る、新しい発想に基づく研究開発及びその製品化を目標としている。具体的に以下の新規技術を開発する。

画像誘導装置(手術ナビゲーションシステム)
手術シミュレーション機能
力帰還(フォースフィードバック)機能を持つマスターマニピュレータ
多機能鉗子を実装する拡張性の高いスレーブマニピュレータ
遠隔手術に対応した制御機能

4.研究成果の概要

4−1 研究計画、目的に対する成果
研究成果を以下のテーマに沿って概説する。

テーマ(1) 腹腔鏡下手術支援ロボットにおける画像誘導システムの開発

1-1) 三次元超音波を用いた腹腔鏡下手術支援実時間画像誘導システムの開発
【阪大田村班と共同研究】
 小型磁気式3次元位置センサと光学式3次元位置センサを組み合わせた光磁気ハイブリッド方式により腹腔鏡下手術中に三次元超音波画像を獲得し、腹腔鏡のライブ画像に重畳表示(拡張現実感:Augmented Reality)するナビゲーションシステムを開発した。磁気式センサを用いる手法では手術台の上で歪みが生じるために大きな誤差を生じてしまうが、その磁場空間の歪みを簡便迅速に補正する方法を開発し、高精度なナビゲーションシステムの確立に成功した。

1-2) 斜視内視鏡ナビゲーションのための仮想および実内視鏡像の連動表示システムの開発
【阪大田村班と共同研究】
 腹腔鏡下に複雑な手術を行うためには、より広範囲な視野や視角が得られる斜視鏡が必要となる。 従来のナビゲーションでは直視鏡のみにしか対応できず、術式に制限があったが、我々はロータリーエンコーダを用いて斜視鏡の鏡頭回転角を検出し、斜視鏡の視野移動に対応しうる技術を開発した。

1-3) 腹腔鏡下ラジオ波焼灼術穿刺用デバイスの開発
 腹腔鏡下にて肝腫瘍を正確に穿刺するのは現状では困難である。我々はナビゲーションの開発と同時に穿刺針用アダプターを装着した腹腔鏡用 エコープローブを開発し、臨床応用している。

テーマ(2) 機能画像の開発

2-1) 3DCT用いた肝体積測定(3D-CT Volumetry)に関する研究

 生体肝移植術術前検討において、切除予定の肝容積の算出は極めて重要であり、慎重でかつ正確でなければならない。我々は3D-CTデータに基づく正確な肝容積の算出法を開発し、生体肝移植術41症例で検討し、その臨床的有用性を明らかにした。

2-2) 3D-Histogram解析による肝腫瘍自動診断装置の開発
 肝悪性腫瘍は肝硬変を背景に多発し、術前診断が困難である。我々はCT値ヒストグラムを三次元的に解析する装置を開発し、肝腫瘍を解析して 両悪性鑑別診断が可能か検討している。本年度、微小肝癌と再生結節(良性)の鑑別診断や、腫瘍の病理学的悪性度が本手法で診断できることを明 らかにした。本研究成果は将来的に自動診断装置の開発やナビゲーションへのオプションとして術中機能画像の提供につながる。

2-3) 有限要素法を用いた肝臓変形シミュレーションモデルの開発
【東大佐久間班と共同研究】
 肝臓手術術前シミュレーションや術中ナビゲーションを行うためには肝臓の変形を高速に計算する必要がある。本研究では血管を含む肝臓有限 要素モデル化及び、術中変形を想定したシミュレーションモデルを開発した。

テーマ(3)ロボットハンド(マニピュレータ)の開発

3-1)マスターマニピュレータの開発
 本研究では内視鏡下で複雑な動作を実現する手術ロボットを操作するための手術用マスターマニピュレータを開発した。本マスターマニピュレータの特徴は、術者の直感的な動作入力が可能であること、術者の技能拡張のための強調した力帰還が可能であることにある。これらの機能を東京-富士宮間の遠隔手術(ブタ胆嚢摘出術)により確認した。

3-2) スレーブマニピュレータの開発
【東大佐久間班と共同研究】
 本研究では、プロジェクト全体の目標でもある小型かつ拡張性の高いマスタースレーブロボットシステムを実現することを目的とし、従来の外科医の手の模倣に終わらない高機能手術器具に対応しうる拡張性を有するスレーブロボットシステムを開発した。

3-3) ウェッジプリズムを用いた可変視野内視鏡の開発
【東大佐久間班と共同研究】
 本研究では、ロボットシステムに用いる新しい内視鏡として、腹腔鏡本体を動かすこと無く視野移動が可能な、ウェッジプリズムを用いた視野可変腹腔鏡の開発を行った。

3-4) 5節リンク式腹腔鏡マニピュレータの開発
【東大佐久間班と共同研究】
 平成12年度までに内視鏡を保持し術者の望む方向へ駆動する5節リンク式腹腔鏡マニピュレータを開発し、九州大学にて臨床評価を行ってきた。平成14年度に日立製作所より製品化され、我が国発の手術支援ロボット(内視鏡把持装置Naviot®)として医療用具認定を受けた。Naviotは全国の医療施設で使用されており本年3月までに臨床適応が106例に達した。

3-5) 超音波画像誘導型リアルタイム制御穿刺マニピュレータの開発
 肝癌のRFAなどの低侵襲治療は今後ますます普及すると考えられるが、特に経皮的穿刺手においては穿刺対象の呼吸性移動などが正確な穿刺の妨げになる。この問題に対処するために超音波画像上で対象物や穿刺針を認識して正確に目標へ誘導する実時間制御型穿刺マニピュレータを開発している。本年度試作機が完成し、ブタによる検証実験を行った。

3-6) 多節スライダ・リンク機構を用いた内視鏡下手術用屈曲鉗子マニピュレータの開発
【東大佐久間班と共同研究】
 従来の内視鏡下手術用鉗子や電気メスに新たな自由度を付加したマニピュレータを開発している。多節スライダ・リンク機構を用いて2自由度屈曲が可能で、術者の手元で先端を自由にコントロールできる屈曲鉗子マニピュレータを制作し評価実験を行った。

3-7)赤外LEDを用いた血管透視デバイスの開発
 手術の安全性を向上させる新しい目として、赤外LEDを用いて脂肪固有組織に埋没した血管を透見しうるデバイスを開発した。

テーマ(4) ロボティックシステム統合および遠隔操作手術場環境の整備

4-1) 分散オブジェクト技術を用いたシステム統合およびディスプレイシステムの開発
 分散オブジェクト技術CORBA(Common Object Request Broker Architecture)に注目し、異種環境のネットワーク統合を行い、術者の意思によって多くの画像を一元的に扱えるディスプレイを開発した。本研究により異なる研究室で開発されたマスタースレーブロボット機構やナビゲーションシステムの統合が実現した。

4-2) 遠隔ロボット手術環境の整備
 本プロジェクトで開発するシステムは遠隔手術への対応が特徴の一つである。本研究では試作したマスタースレーブ型ロボットで遠隔手術を行い、情報伝送と遅延の関係を明らかにし、遠隔手術に必要なネットワークインフラを検討した。


4−2 研究計画、目的外の成果
 5年間のプロジェクトを通じて医工連携、産学連携研究の方法論、実践方法が確立した。
また、新分野として専門学会や社会における認知度が向上した。
展望は4-3に述べる。


4−3 研究成果の展望
 4−1に述べたように、テーマ別の要素技術の開発においては充分な成果を得られ「コンピュータ外科学(CAS:Computer Aided Surgery)」という 新しい学問が大きく発達した。 本プロジェクトの研究成果は今後のこの分野の発展のコア技術となることが期待できる。
 外科治療学の変革の観点からは、画像誘導手術の導入が大きなインパクトを持っている。近い将来に画像診断機器の発達や、悪性腫瘍の遺伝子、細胞レベルの検出技術などとの融合により、画像誘導による超低侵襲治療学が実現すれば、癌治療成績向上、手術侵襲のさらなる低減、安全性の向上など、の低減、そのもたらされるメリットは計り知れない。

 本プロジェクト全体の最終目標であるシステム全体の製品化は達成されていない。これは個々の研究テーマ産物のプロトタイプが出揃ったのが昨年度であり、システム統合作業の充分な時間がなかったのが原因である。しかしながら研究当初より製品化を目的としたことにより、医工連携、産学連携研究の方法論が確立できたことも本プロジェクトの重要な成果である。製品化に至るまでにはシステムの統合や安全性と有効性の充分な検討が必要であるが、研究推進の環境整備が進んだこともあり、今後はさらに研究効率が高まってくるものと考えられる。

 平成14年、研究開発、臨床応用、教育訓練の3部門から構成される「九州大学病院 先端医工学診療部」が発足した。本診療部では「ロボット手術 トレーニングセミナー」を定期的に開催している。 これによりロボット手術の社会的認知度が高まり、本研究分野の学術的裾野の拡大、医療の変革、医療費の削減、新しい周辺市場の開拓、などの大きな刷新が期待できる。


4−4 本事業の趣旨に鑑み、果たした役割
 本プロジェクト「外科手術解析プロジェクト(内臓器官系)」は「外科領域を中心とするロボティックシステムの開発」における5つのプロジェクトの一つとして位置づけられている。このプロジェクトは医工連携、工学系での異分野連携(画像工学、機械工学、制御技術など)の多くの連携体制により、基盤開発と同時に製品化という明確な目標を掲げて推進されてきた。 特に、試作したマスタースレーブマニピュレータを用いて約150km離れた東京-静岡間の遠隔手術(ブタ胆嚢摘出術)に4回成功したこと、5節リンク式腹腔鏡マニピュレータがNaviotとして日立製作所から製品化され、手術支援ロボットとしては我が国で初めて医療機器の認可を受けたのは大きな進歩であった。このように形成された研究体制は引き続き維持されることにより、今後の研究はこれまで以上に円滑に進むことが予想される。

 本プロジェクト開始後は医学系、工学系双方の関連学会で「外科領域を中心とするロボティックシステム」を中心的なトピックに据えたシンポジウムが複 数開会され、多くの議論の場が生まれてきている。
 平成16年4月に大阪で開催された第104回日本外科学会定期学術総会においても特別企画「サイバーサージェリー」として多くの参加者を認めた。このように学会内や社会的な認知度が上がることにより本研究分野のさらなる発達、コンピュータ外科関連の市場の拡大などの多くの効果が期待できる。

5.キーワード

(1)Naviot (2)ロボット手術 (3)コンピュータ外科学
(4)画像誘導手術 (5)医工連携 (6)産学連携
(7)手術シミュレーション (8)遠隔手術 (9)低浸襲手術

6.研究成果発表状況

A.学術雑誌論文(Journal Papers)
全著者名 論文名
Etsuko Kobayashi, Ichiro Sakuma, Kozo Konishi, Makoto Hashizume and Takeyoshi Dohi A robotic wide-angle view endoscope using wedge prisms
学術雑誌名 ページ 発行年
Surgical Endoscopy ??? ??? ??? 2004(in press)

全著者名 論文名
Takemasa Hashimoto, Etsuko Kobayashi, Ichiro Sakuma, Kazuhiko Shinonara, Makoto Hashizume and Takeyoshi Dohi Development of a Wide-angle View Laparoscope using Wedge Prisms
学術雑誌名 ページ 発行年
Journal of Robotics and Mechatronics ??? ??? ??? 2004(in press)

全著者名 論文名
Muragaki Y, Hashizume M, Hashimoto D, Iseki H, Takakura K A new concept of three-dimensional endoscope for endoscopic surgery
学術雑誌名 ページ 発行年
Surgical Endoscopy 17 11 1838-1839 2003

全著者名 論文名
小西晃造、橋爪 誠、中本将彦、山口鉄蔵、佐藤嘉伸、田村進一、前原喜彦 光磁気ハイブリッド三次元位置センサによる鏡視下手術 AR ナビゲーションの開発
学術雑誌名 ページ 発行年
第12回日本コンピュータ外科学会大会/第13会日本コンピュータ支援画像診断学会大会合同論文集 ??? ??? 165-166 2003

全著者名 論文名
K. Konishi, M. Hashizume, M. Nakamoto, T. Yamaguchi, Y. Sato, S. Tamura, Y. Maehara Augmented Reality Navigation System for Laparoscopic Surgery
学術雑誌名 ページ 発行年
12th The Japan Society of Computer Aided Suregry/13th Japan Society of Computer Aided Diagnosis of Medical Images ??? ??? 165-166 2003

全著者名 論文名
安永武史、橋爪 誠、奥山稔朗、起田桂志、小林英津子、小西晃造、土肥健純、佐久間一郎、島田光生、前原喜彦、宮本 潮 内視鏡把持装置 Naviot TM 58 臨床適用例の検討
学術雑誌名 ページ 発行年
第12回日本コンピュータ外科学会大会/第13会日本コンピュータ支援画像診断学会大会合同論文集 ??? ??? 137-138 2003

全著者名 論文名
T. Yasunaga, M. Hashizume, T. Okuyama, K. Okita, E. Kobayashi, K. Konishi, Y. Dohi, I. Sakuma, M. Shimada, Y. Maehara, S. Miyamoto Remote-controlled endoscope positioning system, Naviot, for endoscopic surgery
学術雑誌名 ページ 発行年
12th The Japan Society of Computer Aided Suregry/13th Japan Society of Computer Aided Diagnosis of Medical Images ??? ??? 137-138 2003

全著者名 論文名
家入里志、掛地吉弘、小西晃造、安永武史、山口将平、金城 直、津川康治、川中博文、空閑啓高、橋爪 誠 ロボット手術トレーニングの有効性
学術雑誌名 ページ 発行年
第12回日本コンピュータ外科学会大会/第13会日本コンピュータ支援画像診断学会大会合同論文集 ??? ??? 55-56 2003
全著者名 論文名

全著者名 論文名
S. Ieiri, Y. Kakeji, K. Konishi, T. Yasunaga, S. Yamaguchi, N. Kinjo, K. Tsugawa, H. Kawanaka, H. Kuga, M. Hashizume Efficacy of Surgical Skill Training on Robotic Surgery
学術雑誌名 ページ 発行年
12th The Japan Society of Computer Aided Suregry/13th Japan Society of Computer Aided Diagnosis of Medical Images ??? ??? 55-56 2003

全著者名 論文名
掛地吉弘、小西晃造、安永武史、山口将平、金城 直、津川康治、家入里志、川中博文、富川盛雅、江藤正俊、内藤誠二、水田祥代、前原喜彦、橋爪 誠 内視鏡下手術支援装置ZEUSによる腹部手術
学術雑誌名 ページ 発行年
第12回日本コンピュータ外科学会大会/第13会日本コンピュータ支援画像診断学会大会合同論文集 ??? ??? 43-44 2003

全著者名 論文名
Y. Kakeji, K. Konishi, T. Yasunaga, S. Yamaguchi, N. Kinjo, K. Tsugawa, S. Ieiri, H. Kawanaka, M. Tomikawa, M. Eto, S. Naito, S. Suita, Y. Maehara, M. Hashizume Experiences of endoscopic procedures in abdominal surgery assisted by ZEUS computer-enhanced surgical system
学術雑誌名 ページ 発行年
12th The Japan Society of Computer Aided Suregry/13th Japan Society of Computer Aided Diagnosis of Medical Images ??? ??? 43-44 2003

B.国際会議発表論文(International Conferences)
全著者名 論文名
K.Nakada,M.Nakamoto,Y.Sato,K.Konishi,M.Hashizume,and S.Tamura A Rapid Methodfor Magnetic Tracker Calibration Usinga Magneto Optic Hybrid Tracker
会議名 開催場所 論文番号 ページ 発表年
6thInternational Conference Medical Image Computing and ComputerAssisted Intervention (MICCAI 2003) Montreal,Canada InLecture Notes in Computer Science 2879 285-293 November 2003

全著者名 論文名
T.Yamaguchi, M.Nakamoto, Y.Sato, Y.Nakajima, K.Konishi, M.Hashizume, T.Nishii, N.Sugano, H.Yoshikawa, K.Yonenobu, and S.Tamura Camera Modeland Calibration Procedurefor Oblique Viewing Endoscope
会議名 開催場所 論文番号 ページ 発表年
6th International Conference Medical Image Computing and ComputerAssisted Intervention (MICCAI 2003) Montreal,Canada InLecture Notes in Computer Science 2879 373-381 November 2003

全著者名 論文名
Mitsuishi, M. Arata, J., Tanaka, K., Miyamoto, M., Yoshidome, T., Iwata, S., Warisawa, S. and Hashizume, M. Development of a Remote Minimally-Invasive Surgical System with Operational Environment Transmission Capability
会議名 開催場所 論文番号 ページ 発表年
Proceedings of the 2003 IEEE International Conference on Robotics and Automation Taipei ??? ??? 2003

全著者名 論文名
Y. Masutani, Y. Inoue, K. Ishii, N. Kumai, F. Kimura, and I. Sakuma Development of Surgical Simulator based on FEM and Deformable Volume-Rendering
会議名 開催場所 論文番号 ページ 発表年
SPIE04 Medical Imaging San Diego ??? ??? 2004 (in press)

全著者名 論文名
E.Aoki, E.Kobayashi, H.Inada, S.Omori, T.Maruyama, H.Iseki, Y.Muragaki, K.Takakura, I.Sakuma Development of an automatic focusing system for a precise laser ablation system in neurosurgery
会議名 開催場所 論文番号 ページ 発表年
Computer Assisted Radiology and Surgery (CARS 2003) London ??? 514-521 2003

全著者名 論文名
Hiromasa Yamashita, Daeyoung Kim, Nobuhiko Hata, Takeyoshi Dohi Multi-Slider Linkage Mechanism for Endoscopic Forceps Manipulator Proceeding of the 2003 IEEE/RSJ Intl. Conference on Intelligent Robots and Systems
会議名 開催場所 論文番号 ページ 発表年
Las Vegas, Nevada ??? ??? 600 2003

全著者名 論文名
Ichiro Sakuma, Yosuke Nishimura, Chee Kong chui, Etsuko Kobayashi, Hiroshi Inada, Xian Chen, Toshiaki Hisada In vitro Measurement of Mechanical Properties of Liver Tissue under Compression and Elongation using a New Test Piece Holding Method with Surgical Glue
会議名 開催場所 論文番号 ページ 発表年
MICCAI2003 Montreal ??? 284-292 2003

C.著書(Books)
全著者名 書名
Hashizume M, Sugimachi K Robot-Assisted Gastric Surgery (Editor: Inderbir S. Gill, Gyung Tak Sung, Garth. H. Ballantyne, W.B. Saunders Company, Philadelphia)
出版者名 出版場所 ISBN番号 ページ 発行年
The Surgical Clinics of North America - Robotics in Surgery 83 6 1429-1444 2003


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