低侵襲手術において術者に課せられる様々な制約を工学的に解決するために、手術支援ロボットの開発が注目されてきた。しかしながら、現状では技術的には目的とする機能が実現しても、安全性や清潔性、装置の大型化等の課題が残され、普及には至らない。よって術中使用に適したロボット開発において考慮すべき点を明確にし、それらを踏まえた設計を行うことが肝要である。

　一方、低侵襲手術の代表ともいえる腹腔鏡下手術では、術者とは別にカメラ助手が腹腔鏡を操作していることから,手ぶれや術者の望む位置を素早く提示できないという問題がある。この問題の解決には、術者自らが腹腔鏡操作を可能とする手術支援ロボットつまり,腹腔鏡マニピュレータシステムが有効だと考えられる.

　さらに、これは広い作業範囲を要求する・術中に操作者の意図により自由に移動するといった、遠隔手術支援ロボット等の、今後盛んに研究開発が進むと予想される手術支援ロボットと共通の特長を有す。ゆえに術中使用に適した腹腔鏡マニピュレータシステムを実現することは、手術支援ロボット開発の第一段階としても非常に重要である。

　本研究では手術中使用に適したロボットの開発を行うにあたり、根元的な問題である臨床使用を考慮したロボティックシステムの設計指針を明らかにする。そのための第一段階として腹腔鏡マニピュレータシステムの開発を行い、臨床における評価を行う。

　腹腔鏡マニピュレータシステムは,腹腔鏡マニピュレータとマン・マシンインタフェースから構成される。術中使用に適したシステムの開発のために,腹腔鏡下手術の調査・分析を行い,安全性、清潔の維持,機能、手術作業との適合性、の4カテゴリに対する要求仕様を決定した。

　安全牲:手術支援ロボットにおいては、ソフトウエアの暴走時にも術者・患者を傷つけないといった安全対策が肝要であり、ハードウエア面に重点を置いて安全設計を行うべきである。具体的には、駆動範囲の機械的制限、冗長な自由度をなくす、患者/術者との空間的な分離、といった機構対策が必要である。また、マン・マシンインタフェースに関しては、ソフトウエアの誤作動と術者(操作者)よる誤入力を極力避ける。

　清潔の維持:マニピュレータの駆動機構部は極力滅菌すべきである。しかし、ベアリング等の複雑な機構部品は埃がたまりやすく、モータ等の電子部品は耐久性の問題があり滅菌には不適である。よってマニピュレータの機構部分は単純な機構で極力滅菌可能とし、電子部品部は機構部とは明確に分離する。

　機能に関する要求仕様:挿入孔を中心とした回転の2自由度と画面の拡大縮小の2自由度を要する。またその駆動範囲は調査結果を参考にし、25度を含む可変な駆動範囲とする。

　手術作業との適合性:狭い手術室内でも使用可能なように小型であること、腹腔鏡の画質に影響を及ぼさないこと、手術作業の妨げにならないために離れて設置されることとする。マン・マシンインタフェースは、操作に使用する体躯の選択、簡便かつ直感的であること、他の手術機器の操作手段との混同回避を考慮すべきである。

　ブタによる胆嚢摘出術実験を行った。本実験の目的は手術現場に極力近い環境での実験を行い、臨床使用可能性を検証することと、手術作業と並行した操作に適したインタフェースの検証である。手術は従来の腹腔鏡下胆嚢摘出術とほぼ同様の手順で行った。マニピュレータは手術台の後部に設置し、トロツカ挿入後から胆嚢摘出まで使用した(図5)。HMにおけるRA方式とSA方式において実験した結果、手術時間は、RA方式が55分、SA方式が44分となった。カメラ助手による手術の平均時間は48分である。操作時間と回数はRA方式では5.1秒・109回、SA方式は3秒・73回であり、コマンド時間・回数共にSA方式が少なかった。これにより、手術作業と平行にマニピュレータを操作した場合のSA方式の優位性が示された。また全ての手術は安全に遂行され、マニピュレータと術者との干渉はなかった。腹腔鏡の駆動範囲とズームの拡大率は十分であった。

　次に臨床応用を行った。操作は先の実験により優位性が認められたヘッドマウスのSA方式にて行った。リンクと腹腔鏡ズーム部はそれぞれ高圧蒸気滅菌法とホルマリンガス滅菌法により滅菌し、非滅菌部の駆動部と使用直前に接続した。

　マニピュレータのセットアップと片づけに合計21.3分要し、マニピュレータのセットアップ時間を合わせた合計手術時間は96.4分と従来のカメラ助手による手術時間平均よりも45分程多く時間を要した。手術時間を引き延ばす大きな原因となったセットアップでは滅菌部と非滅菌部の結合に時間を要した。また本実験において、ズームによる術野の光量不足が問題となった。このため、胆嚢頚部の処置において十分な視野が得られなかったため、手術時間を要したと考えられる。駆動範囲や術者との干渉の問題はなく、安全に手術は遂行された。

図5 動物実験

　本研究で明らかにした設計指針は他の手術支援ロボット開発への応用可能なものである。清潔の維持つまり滅菌可能部と非滅菌部との明確な分離や、手術作業の妨とならないために小型であることは、全ての手術支援ロボットにおいて必要である。しかし一方で、駆動範囲の制限や術野との分離は、全ての手術支援ロボットに応用することは困難である。例えば、汎用性を必要とする作業を行うロボットは広範囲の駆動範囲を持ち、患者に接触して初めて機能実現を行うロボットは接触部位からロボットを離れて設置することは不可能である。このような場合、駆動範囲の制限は、ある作業単位ごとに駆動範囲を制限し、これを可変とする、また術野からの分離は、作業部位では必要最小限の装置としモータ等の位置決め部は極力離すといった対策により実現可能であると考えられる。

　術中使用に適した手術支援ロボットの開発を目指し、腹腔鏡マニピュレータシステムの開発を行った。これは5節リンク機構と光学ズームを用いた腹腔鏡マニピュレータとイシジケータと駆動部からなるマン・マシンインタフェースから構成される。これにより、駆動範囲を胆嚢摘出術において要求される25度を含む可変かつ制限された駆動範囲をもつ機構を実現し、安全性と手術作業との適合性を実現した。また、操作法に関して,少ない操作コマンドで指令が可能なSA方式を提案し、Invivo experimentにより、手術時間・操作時間がそれぞれ、RA方式では55分、5秒に対し、SA方式では44分、3秒と少ない時間での手術遂行が可能であることが確認された。以上により、本研究において開発した腹腔鏡マニピュレータシステムは、安全性・手術作業との適合性を有したシステムであり、個々で明確化した腹腔鏡マニピュレータの設計指針は、今後発展していくであろう手術支援ロボットの開発の設計指針の基礎となるものであり、手術支援ロボット普及に大きく寄与するといえる。