顕微手術ロボットの開発にモデルベースアプローチを適用

顕微手術の技術とツールにより、外科医は神経、血管、人体の組織の微細構造に対して、非常に高い精度で複雑な手術を行うことができます。顕微手術は患者の転帰改善に大きな期待が寄せられていますが、サブミリメートル規模の厳しい制限のある作業空間内で手術を行うには並外れた安定性と器用さが必要です。熟練した外科医は、直径 0.3 ～ 0.8 ミリメートル (mm) の血管を接続することができます。しかし、外科医の手の避けられない生理的震えにより、このような吻合手術の有効性は制限されます。さらに、限られた解剖学的構造における作業スペースと運動学上の課題により、複数回の設計の反復が必要になる可能性があり、時間とコストがかかります。

顕微手術ロボットは、外科医が狭い作業スペース、手の震え、疲労などによる制限を克服するのに役立ちます。しかし、これらのロボットの設計には新たな課題が伴います。まず、外科医が新しいツールを習得するのにかかる時間を短縮するために、ロボットは 1 つの手術だけでなく、さまざまな種類の手術を支援できる必要があります。第二に、人間が近くにいない作業スペースで使用される産業用ロボットとは異なり、顕微手術用ロボットは人間に直接使用されるため、患者の安全を最優先に設計する必要があります。最後に、組織の損傷を最小限に抑え、回復時間を短縮するために、ロボットは最小限の侵襲性、つまり単一の小さな切開で動作する必要があります。

多くの設計上の決定は、外科医が手術を効果的に行うために十分な自由度を確保しながら、侵襲性を最小限に抑えることにかかっています。このトレードオフの問題に対する万能の答えは存在せず、その結果、顕微手術ロボットの設計チームは試行錯誤のアプローチに大きく依存することが多くなりました。要件を指定し、その要件を満たす設計を作成し、プロトタイプを組み立てる必要があります。設計チームはプロトタイプをテストして要件をさらに絞り込み、このサイクルを繰り返します。多くの場合、このサイクルを複数回繰り返す必要があり、各反復でハードウェア プロトタイプを構築または再構築する必要があるため、サイクル時間が遅くなります。

浙江大学では、同僚たちと私が、ロボット支援による低侵襲手術システムの開発に、設計中心のモデルベースのアプローチを適用してきました。このアプローチを使用して、私たちは最近、平行四辺形構造に基づいた吻合および眼科手術用のロボットマニピュレーターを設計しました。Simulink^®とSimscape Multibody™を使用して計算解析とシミュレーションテストを行い、マニピュレータのエンドエフェクタの軌跡を可視化し、設計が安全性と手術操作性の要件を満たしていることを確認しました（図1）。このアプローチにより開発がスピードアップし、ハードウェア プロトタイプの構築に時間とリソースを投入する前に、多くの設計上の問題を特定して解決できるようになります。

機械構造の設計

私たちは、顕微手術マニピュレータの要件と設計目標を定義することから設計プロセスを開始しました。これらには、例えば、先端の精度目標を 10 マイクロメートル未満にすること、動作範囲を 20 x 20 x 20 mm にすること、システムのエンドエフェクタを素早く交換して外科医が手術中に器具を交換できるようにするクイックチェンジ機構などが含まれています。

システムの主要な設計要素の一つは、リモートセンターオブモーション（RCM）機構です。これは、器具の自由度（DOF）を、切開部周辺の3つの回転自由度（ψ, ϕ, および θ）と、器具挿入方向の1つの並進自由度（Z）に制限します。エンドエフェクタが作業空間内で移動できるようにするために、ψ: ±45°；ϕ: ±75°；θ: 360°; Z: 32 mm の動作範囲を持つ二重平行四辺形構造を設計しました。まず第一原理に基づく数学モデルでこの構造を分析した後、SolidWorks ^®でCADアセンブリを作成しました（図2）。

Simscape Multibodyでのシミュレーションベースの解析の実行

次のステップでは、 Simscape Multibody Link プラグインを使用して SolidWorks から CAD アセンブリをエクスポートし、結果の XML マルチボディ記述ファイルをSimscape Multibodyにインポートして、設計のSimscape™モデルを作成しました (図 3)。動作制御のために ϕ、ψ、Z ジョイントにモーターを追加し、位置センサーを使用してエンドエフェクタの位置と動作を追跡する複数のシミュレーションを実行しました。

これらのシミュレーション結果をMATLAB^®で解析しプロットすることで、吻合手術のための立方体空間内および眼科手術のための球状空間内でのエンドエフェクタの範囲を可視化しました（図4）。これは、手術中に解剖学的構造のすべてのポイントに到達できるようにすることで、患者の安全と手術の成功率を高めるためです。この評価には、ロボットの運動学を使用してポイントクラウドを作成し、従来の外科的介入で見られる軌跡を評価する必要があります。

図 4. 眼科手術 (1 番目) と吻合手術 (2 番目) の作業スペースの複数のビュー。

また、エンドエフェクタの動きと軌道を追跡するシミュレーションも実行し、設計が眼の表面での弧を描く動きという外科的要件を満たしていることを確認しました (図 5)。

モデルベースアプローチの主な利点

私たちの研究では、採用したモデルベースのアプローチにいくつかの重要な利点があることがわかりました。最も価値のあることの 1 つは、物理的な実装に移行する前に、設計を迅速に反復して、デジタル領域で完全に機能することを確認できることです。紙や CAD ソフトウェアで設計を作成し、それが理論的には機能するはずであることはわかっていますが、 SimulinkとSimscapeを使用したシミュレーションを通じて仮想環境で動作しているのを確認すると、必然的に設計を改善するためのさらなる洞察が得られます。

モデルベースアプローチではデジタルモデルがすぐに利用できるため、シミュレーション解析と組み合わせてロボット機構のラピッドプロトタイピングに 3D プリント技術を使用することで、開発リードタイムをさらに短縮できます。モデルベースのアプローチから導き出された設計のハードウェア テストでは、プロトタイプが患者の目の上の RCM ポイントを正常に維持することが示されています (図 6)。

さらに、 SimulinkとSimscapeで作業することで、私たちのチームで作業する多くの学生が、迅速に対応し、努力を調整しやすくなります。学生は卒業するまでにプロジェクトを次々と経験し、モデルベースのアプローチによって、自分が行ったことを他の人に伝えることができます。モデルは説明や理解が容易なので、次のグループが前のチームの作業を拡張または一般化したい場合、どこから始め、何をすればよいかがわかります。

最後に、機械設計の実現可能性を実証したので、制御システムの開発を開始する準備が整い、その過程で構造をさらに最適化していきます。MATLABとSimulinkを使用したモデルベースデザインは、これら両方の取り組みに役立ち、シミュレーションを通じてシステム全体の安全性を検証し、全体的な開発サイクルを短縮することができます。