A01. 臓器物理モデルを規範とした手術支援ロボットシステム

【研究概要】

近年、世界中で高齢化が進んでおり、特に日本では2015年には4人に1人が65歳以上の高齢者になるといわれ、手術を必要とする患者数も増加することが予想されている。こうした中、肝臓がん・乳がん・肺がん等の悪性新生物に対する新たな治療法として、専用の針を穿刺し熱を加え焼灼することで局所的かつ低侵襲に治療を行うラジオ波焼灼療法が注目されている。本術式は高い根治性を有するが、医師が自身の視覚や触覚を駆使し、がんの位置を判断した上で穿刺を行い、更に経験的知見に基づき熱量を決定し焼灼を実施している。そのため、がんの位置に正確に穿刺をすること、およびがんのサイズに合った適切な熱量を供給することが困難である。以上の課題に対し、本研究室では肝臓がん・肺がん・乳がんなどの悪性新生物を対象とし、数値解析を用いたリアルタイムながん位置・焼灼サイズの把握と、ピンポイントにがんを穿刺し、がんの大きさに対して過不足ない適切な熱量を供給する知的な手術支援ロボットシステムの開発を行ってきた。ロボットの制御にあたっては、手術対象臓器の力学的・熱力学的な性質を数値シミュレーションによって解析し、その結果をロボットの「知恵」として与えることで正確・安全ながん治療を実現する臓器モデルベースド制御法を規範とした。この臓器モデルベースド制御法において,実臓器の挙動を数値シミュレーションで精度よく計算するためには、臓器物理モデルに臓器の物性パラメータ値分布が精確に設定される必要がある。しかし臓器の物性は、患者の年齢・性別・病歴・日常環境などの要素に関連して個人差がある。また、これら物性パラメータ値分布を非侵襲な方法で定量的に精度良く測定する技術は確立されていない。そのため、臓器物理モデルに設定される物性パラメータ値分布は不確かな概算値分布にとどまり、臓器物理モデルを用いた力学的な数値シミュレーション情報の精度を下げる一因になっている。この問題を解決するため、外科手術環境下において得られる観測情報を利用して臓器物理モデルに設定される物性パラメータ値分布を同定する手法に関する研究も併せて実施した。

 

【最近の研究成果】

肝臓がん・乳がん・肺がん治療用穿刺ロボットの開発

様々ながんに対し、高精度に穿刺を行うロボットシステム(図1)の開発を行った.本ロボットシステムには、がん位置を把握するための超音波プローブ、針の位置決めをするためのアクチュエータ、臓器から針が受ける反力を測定するための力センサが内蔵されている。術前に超音波プローブにてがん位置を把握し、術中にリアルタイムに取得される針の反力情報から針ががん内部に到達したことを判定し、針の動作を停止することで、がんにピンポイントで針を穿刺することが可能である。動物を用いた実験の結果、がん組織を模擬した血管に対し、高い精度で穿刺が可能であることを確認した。さらに乳がんに対する革新的な治療法として、本ロボットをベースとし触診と治療を同時に実現する、圧子と針が一体型の乳がん穿刺治療ロボットシステムを開発し、従来手技に対して高い穿刺精度が期待できることを実験より確認した。 

乳房組織の力学モデルの構築

乳がんの穿刺・焼灼治療にあたっては、術前に乳がんの良悪性を正確に判断し、治療を進める必要がある。しかし、乳房は複数の組織(腺房,乳管,乳管道等)から構成される非均質な物質であり、がん自体にも浸潤性・非浸潤性の物が存在し、がんの良悪性を判断することは極めて困難である。そこで、がんと正常組織を見分ける有効な手段として、組織の力学的な硬さに着目し、良悪性を判断する手法について検討した。粘弾性試験機を用い、乳房を構成する各組織の弾性率を実測した結果、組織に外力を付加した際には、がん組織が正常組織よりも応力に対する歪の増加率が高くなること(非線形性)が定量的に示された。この特性を応用し、上記の圧子針一体型乳がん治療ロボットシステムに組み込むことにより、今後、触診・良悪性判断・治療を一連の流れの中で実施する高効率、高精度な革新的乳がん治療形態の実現が可能である。

肝臓組織・肺組織の熱力学モデルの構築

肝臓がん、肺がんに対する穿刺・焼灼療法では、特に焼灼を行う段階で、医師が患部の加温状態を把握できないため、最適な熱量供給が行えず、がん内部に未焼灼領域を残すことが多い。未焼灼領域が残存した場合、その領域を根源として再発を起こす可能性がある。そこで肝臓、肺臓に対するラジオ波焼灼療法において、術中に患部の加温状態を可視化する温度分布シミュレータの開発に取り組んだ。具体的には、摘出したブタ肝臓、および肺臓を用い、シミュレータ精度に大きく影響する熱伝導率を非定常熱線法により取得した。実験の結果、肝臓の熱伝導率は70℃まで線形的に増加し,その後は減少する結果が得られた。また肺臓の熱伝導率は、空気量に対し依存性を持ち、空気量の増加に伴い熱伝導率が減少する結果が得られた。その後、取得した各臓器の熱物性値に基づき、有限要素法にてラジオ波焼灼療法用温度分布シミュレータを開発した(図2)。シミュレータの精度評価のため、摘出した豚肝臓を実際に針を用いて焼灼し、針周辺の温度分布についてシミュレーション値と実測を比較した結果、両者は良好に一致することを確認した。今後、本シミュレータを穿刺ロボットに付加することでがんのサイズ・形状に応じた供給熱量の最適化が可能である。

臓器物理モデルの物性パラメータ値分布同定

臓器モデルべースド制御を実際の臨床現場にて利用するためには、患者の個体差に伴う物性値の差異に応じ臓器モデルを適宜修正することが不可欠である。そこで、現在の外科医療の主要な手技の一つである穿刺をモデルケースとし、外部より観測可能な接触力情報を基に、臓器の硬さの指標であるヤング率を同定する手法を開発した。具体的には、力センサを備えたロボティックセンシングシステム、有限要素法による臓器の変形シミュレーションシステム、準ニュートン法等によるパラメータ値分布最適化システム、の3つを統合した物性パラメータ値同定手法を提案し、システム構築を行った。提案開発システムが物性値分布を同定可能か検証するため、変形に関する数値実験およびファントム実験を行った.推定パラメータは、変形現象の基礎パラメータであるヤング率とした。検証実験の結果,提案システムによって,物性値分布が同定されることが確認され、今後、臓器モデルベースド制御法を臨床利用するにあたり、本手法が実用への有用な手段となることが示唆された。

【今後の展望】

今後は、これまでに開発した穿刺ロボットに、付加機能としてがんを効率的に焼灼されるための焼灼機構を加え、最終的な統合システムとして医学的有用性を医師の指導のもと確認していく。具体的には、がんを効率的に壊死させるための焼灼機構として、従来、臓器の非線形性を考慮せず画一的に焼灼を行っていたラジオ波による治療形態を見直し、臓器ごとの癌の形態に即した最適な焼灼が可能な治療デバイスの開発に取り組む。さらに、連携を行っている医師の指導のもと実用化に向けたミーティングを実施し、医師の見解をデバイス開発に随時フィードバックすることで、最終的なシステム統合・評価プロセスの迅速化を図る。併せて、近年、社会的に注目されている乳がんに対し、ロボット技術を用いた革新的な治療方法の確立、治療精度向上を実現するため、本研究にて提案している圧子針一体型乳がん治療ロボットシステムの早急な臨床応用を目指す。

n 原著論文

1. 小林洋,岡本淳,藤江正克,“粘弾性・非線系を考慮した肝臓の材料特性のモデリング”, 日本コンピュータ外科学会誌,Vol.7, No.4, pp.559-565, 2006

2. Yo Kobayashi, Akinori Onishi, Takeharu Hoshi, Kazuya Kawamura, Makoto Hashizume, Masakatsu G. Fujie, " Development and validation of a viscoelastic and nonlinear liver model for needle insertion", International Journal of Computer Assisted Radiology and Surgery (IJCARS), Vol. 4, No. 1, pp.53-63, 2009

3. Yo Kobayashi, Akinori Onishi, Hiroki Wtanabe, Taeharu Hoshi, Kazuya Kawamura, Makoto Hashizume and Masakatsu G. Fujie, “Development of an Integrated Needle Insertion System with Image Guidance and Deformation Simulation”, in International Journal ofComputerized Medical Imaging and Graphics (CMIG), Vol.34, No.1, pp. 9-18, 2010 (Impact Factor: 1.041)

4. 小林洋,洪在成,濱野竜太郎,橋爪誠,岡田薫,藤江正克,“中心静脈カテーテルを支援する血管穿刺支援マニピュレータの開発”,電気学会論文誌 C編,Vol. 131 (2011) , No. 4, pp.870-879, 2011

5. Yo Kobayashi, Jaesung Hong, Ryutaro Hamano, Kaoru Okada, Masakatsu G. Fujie, Makoto Hashizume, “Development of a Needle Insertion Manipulator for Central Venous Catheterization”, International Journal of Medical Robotics and Computer Assisted Surgery, accepted, 2011 (impact factor: 1.376)

国際会議報告(査読あり フルペーパー)

1. Yo Kobayashi, Jun Okamoto and Masakatsu G. Fujie, “Physical Properties of the Liver for Needle Insertion Control”, inProceedings of 2004 IEEE International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS’04), pp.2960-2966, 2004

2. Yo Kobayashi, Jun Okamoto and Masakatsu G. Fujie, “Physical Properties of the Liver and the Development of an Intelligent Manipulator for Needle Insertion”, in Proceedings of 2005 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA’05), pp.1644-1651, 2005

3. Mitsuhiro Oura, Yo Kobayashi, Jun Okamoto, Masakatsu G. Fujie,” Development of MRI Compatible Versatile Manipulator for Minimally Invasive Surgery”, Proceedings of 2006 IEEE Biomedical Robotics and Biomechatronics (BioRob’06), pp.176-181, 2006

4. Yo Kobayashi, Akinori Onishi, Takeharu Hoshi, Kazuya Kawamura and Masakatsu G. Fujie, “Viscoelastic and Nonlinear Organ Model for Control of Needle Insertion Manipulator”, in Proceeding of the 29th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC’07), pp1242-1248, 20075. Takeharu Hoshi, Yo Kobayashi, Kazuya Kawamura and Masakatsu G. Fujie, “Developing an Intraoperative Methodology Using the Finite Element Method and the Extended Kalman Filter to Identify the Material Parameters of an Organ Model”, in Proceeding of the 29th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC’07), pp469-474, 2007

6. Yo Kobayashi, Akinori Onishi, Takeharu Hoshi, Kazuya Kawamura and Masakatsu G. Fujie, “Deformation Simulation using a Viscoelastic and Nonlinear Organ Model for Control of a Needle Insertion Manipulator”, in Proceedings of 2007 IEEE International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS’07), pp1801-1808, 2007

7. Yo Kobayashi, Akinori Onishi, Takeharu Hoshi, Kazuya Kawamura and Masakatsu G. Fujie,” Validation of Viscoelastic andNonlinear Liver Model for Needle Insertion from in Vivo Experiments”, The 4th International Workshop on Medical Imaging and Augmented Reality (MIAR’08), pp.50-59, 2008.

8. Yo Kobayashi, Akinori Onishi, Takeharu Hoshi, Kazuya Kawamura and Masakatsu G. Fujie, “Modeling of Conditions where a Punctures Occur during Needle Insertion with considerations of Probabilistic Distribution”, in Proceedings of 2008 IEEE International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS’08), pp.1433-1440, 2008

9. Yo Kobayashi, Akinori Onishi, Takeharu Hoshi, Kazuya Kawamura and Masakatsu G. Fujie, “In Virto Validation of a Viscoelastic and Nonlinear Liver Model for Needle Insertion”, in Proceedings of 2008 IEEE Biomedical Robotics and Biomechatronics (BioRob’08), pp.469-476, 2008

10. Hiroki Watanabe, Yo Kobayashi and Masakatsu G. Fujie, “Modeling the Temperature Dependence of Thermal Conductivity: Developing a System for Robot-Assisted RFA Therapy”, in Proceedings of 2008 IEEE Biomedical Robotics and Biomechatronics (BioRob’08), pp.483-488, 2008

11. Takeharu Hoshi, Yo Kobayashi and Masakatsu G. Fujie, “Developing a system to identify the material parameters of an organ model for surgical robot control”, in Proceedings of 2008 IEEE Biomedical Robotics and Biomechatronics (BioRob’08), pp.730-735, 2008

12. Yo Kobayashi, Makiko Suzuki, Kozo Konishi, Makoto Hashizume and Masakatsu G. Fujie, “Development of a Novel Approach,“Palpation Based Needle Insertion,” for Breast Cancer Treatment” in 2008 IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics (Robio’08), pp. 505-511, 2008

13. Yo Kobayashi, Akinori Onishi, Hiroki Watanabe, Takeharu Hoshi, Kazuya Kawamura and Masakatsu G. Fujie, “Developing a Planning Method for Straight Needle Insertion using Probability-Based Condition where a Puncture Occurs”, in Proceedings of 2009 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA’09), pp.3482-3489, 2009

14. Yo Kobayashi, Takahiro Sato and Masakatsu G. Fujie, “Modeling of Friction Force based on Relative Velocity between Liver Tissue and Needle for Needle Insertion Simulation”, in Proceeding of the 31st Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC’09), pp.5274-5278, 2009

15. Hiroki Watanabe, Yo Kobayashi, Makoto Hashizume, and Masakatsu G. Fujie, “Modeling the Temperature Dependence of Thermophysical Properties: Study on the Effect of Temperature Dependence for RFA” in Proceeding of the 31st Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC’09), pp.5100-5105, 2009

16. Yo Kobayashi, Makiko Suzuki, Atsushi Kato, Kozo Konishi, Makoto Hashizume and Masakatsu G. Fujie, “A Robotic Palpation-Based Needle Insertion Method for Diagnostic Biopsy and Treatment of Breast Cancer”, in Proceedings of 2009 IEEE International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS’09), pp.5534-5539 , 2009

17. Hiroki Watanabe, Yo Kobayashi, Takeharu Hoshi, Kazuya Kawamura, Masakatsu G. Fujie and Makoto Hashizume, “Integrated System for RFA Therapy with Biomechanical Simulation and Needle Insertion Robot”, in Proceedings of 2009 IEEE/SICE International sympojium on system integration (SII’09), pp.54-59, 2009

18. Takeharu Hoshi, Yo Kobayashi and Masakatsu G. Fujie, “Method to Generate Distribution Maps of the Material Parameters of the Human Body Using Robotic and Dynamic Simulation Systems”, in Proceedings of 2009 IEEE/SICE International sympojium on system integration (SII’09), pp.60-66, 2009

19. Hiroki Watanabe, Nozomu Yamazaki , Yo Kobayashi, Tomoyuki Miyashita, Makoto Hashizume, Masakatsu G. Fujie, “Temperature Dependence of Thermal Conductivity of Liver Based on Various Experiments and a Numerical Simulation for RF Ablation”, inProceeding of the 32nd Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC’10), pp. 3222-3228, 2010

20. Takeharu Hoshi, Yo Kobayashi, Masakatsu G. Fujie, “Quantitative Palpation to Identify the Material Parameters of Tissues Using Reactive Force Measurement and the Finite Element Simulation”, in Proceedings of 2010 IEEE International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS’10), pp.2822-2828, 2010

21. Hiroki Watanabe, Yo Kobayashi, Masakatsu G. Fuije, “Organ Biomechanical Simulators for Model based Control of Robotic RF Ablation System”, Proceeding of the 2010 IEEE International Symposium on Micro-NanoMechatoronics and Human Science, pp.95-100, 2010

22. Maya Hatano, Yo Kobayashi, Ryutaro Hamano, Makiko Suzuki, Yasuyuki Shiraishi, Tomoyuki Yambe, Kozo Konishi, Makoto Hashizume, Masakatsu G. Fujie, “In Vitro and in Vivo Validation of Robotic Palpation-Based Needle Insertion Method for Breast Tumor Treatment”, in Proceedings of 2011 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA’11), accepted, 2011


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