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早稲田大と岐阜大、「心拍補償ロボットシステム」を開発 |
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「心拍補償ロボットシステム」は、虚血性心疾患の治療法である人工心肺装置を使わない冠動脈バイパス手術への使用を目的として開発されたマスタースレーブ型のロボット。手術の際に、心臓の拍動による動きに2本の術具ロボットを追従・同期させることによって、心臓の動きがあたかも止まったかのような状態をシステム上に作り出す。この「バーチャル・スタビライゼーション」によって医師の技術的負担を減らすことができる。また心臓を器具で固定する必要がなくなるため患者の負担も減るという。
プロジェクトリーダーの1人、岐阜大学大学院医学系研究科教授の竹村博文氏は臨床現場の立場から冠動脈バイパス手術について概説した。冠動脈とは心臓表面の直径約2mm程度の血管のこと。そして狭窄して状態が悪くなった動脈を飛び越えてバイパスさせるのが冠動脈バイパス手術である。そのためには約2mm程度しかない冠動脈の血管に、「グラフト」と呼ばれる約3-4mm程度のバイパス血管を吻合する必要がある。これまでは人工心肺を使って心臓を停止させた状態で手術を行なっていたが、いまは動いたままで手術を行なうオフポンプ手術が普及しつつある。オフポンプ手術のほうが完全血行再建、心筋保護、輸血軽減、入院短縮をもたらす効果があるという。だが医師の技術的負担は高くなる。 また、心臓は胸骨と肋骨に守られているが、手術のときにはこの胸骨を割らなければならず、大きな侵襲を伴う手術となる。だが、内視鏡技術を使うことで肋骨の隙間から心臓にアクセスすることができれば患者の負担も減る。胸を開けずに細かい手術ができるようにすることもロボット技術に期待される部分だという。今回開発されたロボットでは冠動脈バイパス手術において内視鏡手術よりも繊細な吻合を行なうことを目指す。 既存のロボット手術器具は価格が3億円以上と高価であったり年間維持費も1,000万円以上かかる、使いこなすためにも高度な技術が必要であるといった課題も少なくない。だが竹村氏はロボットを使った心臓手術は数十年前から言われているような「永遠の次世代技術」ではなく、もうすぐそこまで来ている技術だと述べた。
これまで手術ロボットでは患者の負担を減らすという面が強調されてきたが、最近では医師の精神的肉体的負担を軽減することが強調されてはじめているという。医師の能力を最大限に発揮できるようにすれば、自ずと患者の負担も減るだろうという発想だ。そこで出てきたのがバーチャルスタビライズするロボットだったという。動いている心臓に対してロボットが同期して動けば、あたかも心臓が止まっているかのように見えてそこに対して操作することができる。ただ、心臓の動きは定期的に動いているように見えるが、実際には一拍ずつ違う。リアルタイムでそれを追いかけなければならない。 今回のロボットは2004年度から2008年度までに豚の心臓を使って計7回の実験を行ない、また動物の拍動の再現したロボットを使って研究を行なってきた。だが、まだ現在の追従精度は95%程度で、臨床現場に立つ竹村教授からオーケーをもらうレベル、98%以上くらいには達していないという。ただし、世界的に見てもこのような追従機能が搭載されているロボットはない。
心拍はパラレルリンクを使った拍動検出器と3次元モーションキャプチャーを使って検出する。拍動検出器は重さ30g程度で、手術を行なう部分の上に吸着させると、心臓の拍動による3次元的動きはそのままマーカーの動きとして再現される。その位置・姿勢を精度0.1mmで実時間計測できる3次元モーションキャプチャーで捉えてフィードバックする仕組み。現在は100mm秒以下で追従することができるが、医師たちから使えるものとして認められるためには遅延は30mm秒以下にしなければならないのではないかという。なお内視鏡はこの検出器に取り付けられている。心臓表面に相対的に静止しているので視野は静止する。 現在のロボットはもともとMRIのなかで使うことを前提としていたシステムを大幅改造したものなので、システム全体が大きく、また動作部分も誘電材料・磁性材料の類は使えなかった。これからはより改良を進めて、機構を単純化したり、軽量高剛性材料を使うといった改良を行なって十分な追従性能の実現を目指す。 早稲田大学 理工学術院 理工学術院 客員研究助手の豊田和孝氏、早稲田大学 先端科学・健康医療融合研究機構 生命医療工学研究所 客員講師の岡本淳氏らによれば、今後は3次元モーションキャプチャーを天井に設置して上から計測するようにしたり、スレーブアームの自由度を増やすことで心臓の裏側部分まで回り込めるようにしたり、先端の鉗子を改良するといったさまざまなアイデアを実現していく予定だという。
デモはなかなかうまく行かず、苦心するシーンもあった。藤江教授は「産業用ロボットと医療用ロボットの違い、難しさ、実際の状況を見てもらえたのではないか」と述べた。 藤江教授は最後に、厚生労働省や我々一般国民が、このような新規な機械技術に対して、リスクとベネフィットを理解することが重要だと強調した。先進医療ロボットを使えば必ず手術に成功するというわけではないからだ。今後は医学関連の学会と工学関連の学会とで共同して国に対する働きかけも行っていき、臨床試験実施や実用化を目指していくという。患者や医師に対してどのようなメリットがあるのか、そのメリットの提示や説明の仕方も重要になりそうだ。 なお文部科学省知的クラスター創成事業 岐阜・大垣地域ロボティック先端医療クラスターは5年間のプロジェクトを終えたところ。この手術ロボットは3つの大きな柱のうちの1つ「低侵襲微細手術支援・教育訓練システムの開発」というテーマの枠組みで開発されたものだが、このほかにも多くの研究成果を挙げることができたと竹村氏は紹介した。うちいくつかは本誌でもレポートしたことがある。 また藤江教授は知的クラスターでそのほか臓器の材料特性モデル、力学モデルを作って変形シミュレーションを行ない、肝臓手術を行なうロボットなどの開発も行なっている。そちらについては本誌の過去の記事を参照していただきたい。ロボットを動かしながら患者個人のデータを取ることもできるようになりつつあるという。
■URL 早稲田大学 http://www.waseda.jp/ 早稲田大学 藤江正克研究室 http://www.fujie.mech.waseda.ac.jp/ 岐阜大学 http://www.gifu-u.ac.jp/ 岐阜大学大学院医学系研究科 http://www.med.gifu-u.ac.jp/graduate/index.html 早稲田大学 先端生命医科学センター http://www.waseda.jp/advmed/ 岐阜・大垣地域ロボティック先端医療クラスター http://www.cluster-g.jp/ ■ 関連記事 ・ 「次世代ロボット共通プラットフォーム技術の確立」シンポジウムレポート 【特別講演編】（2009/03/04） ・ 東大オープンキャンパス2008開催 ～ねずみの意思で動くラットカー、先端手術ロボット、曲芸ロボットなどを公開（2008/08/26） ・ 早稲田大学と東京都心身障害者福祉センターが合同シンポジウムを開催 ～「ロボット技術を応用した福祉機器の研究開発の成果と社会への還元」（2008/03/21） ・ 日伊共同研究拠点「ロボット庵」が開業 ～「身近なロボット」シンポジウムレポート（2007/03/26）
（ 森山和道 ）
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