世界初！外科用ロボットが豚の腹腔鏡手術を自律的に実施

執筆者: XT

編集者：コウ・ジェンチャオ

レイアウト: 李雪偉

近年、医療市場における外科用ロボットの需要は増加し続けています。国内外の多くの巨大企業が手術ロボット市場に参入し、ダヴィンチ手術ロボットの独占は徐々に崩れつつあります。資本の推進により、手術ロボットは新たな技術的進歩を続け、胸部手術ロボットと腹腔鏡手術ロボットの技術は徐々に成熟してきました。

腹腔鏡手術ロボットは「医療機器分野の空母」として知られており、極めて複雑なシステム、大きな技術的難易度、高い臨床的および商業的価値を備えた手術ロボット分野における現在の研究開発方向の 1 つです。特に腹部手術では、対象組織へのアクセスや視認性が制限されるほか、呼吸運動によるアーティファクトの干渉などにより、手術は極めて困難です。

最近、ジョンズ・ホプキンス大学の研究チームがインテリジェント組織自律ロボット「STAR」を設計し、人間の誘導なしに豚の軟部組織腹腔鏡手術を成功させました。

関連研究は「腸吻合のための自律ロボット腹腔鏡手術」というタイトルで科学誌「サイエンス・ロボティクス」に掲載されました。

この研究では、スマート組織自律ロボット（STAR）を使用してロボット腹腔鏡下小腸吻合術を実行するために必要な強化された自律性を達成し、腹腔鏡下で強化された完全吻合自律手術を実装することができ、人間のための完全自動化手術に向けたロボット技術の重要な前進を示しました。

図 |ロボットは人間の助けを借りずに豚の軟部組織に腹腔鏡手術を行った。

「私たちの研究結果は、手術の中で最も複雑で繊細な作業の一つである腸の両端の再接合を自動化できることを示している」と、ジョンズ・ホプキンス大学ホワイト工学部の機械工学助教授で、この研究論文の著者の一人であるアクセル・クリーガー氏は言う。 「STARは4匹の動物にこの処置を施し、同じ処置を施した医師よりも大幅に良い結果を得た。」

軟部組織の吻合を行う初の自律型外科用ロボット

手術用ロボットは長年にわたって開発されてきましたが、そのほとんどは、世界をリードするダヴィンチ手術用ロボットのように、外科医が操作して手術を支援する補助的な手術システムです。このシステムは極めて高い精度を誇りますが、自律手術を実現するには依然として大きな課題が残っています。

自律的な軟部組織手術には、手術ロボットが対象組織を検出して追跡するための正確で信頼性の高い画像システムを備えている必要があります。また、軟部組織の変形によって手術が複雑化するなどの要因も考慮する必要があり、ロボット システムに高い要求が課せられます。腹腔鏡手術は典型的な適用シナリオです。対象組織へのアクセスと可視性が限られていること、また呼吸運動によるアーティファクトの干渉により、手術は極めて困難です。

外科手術において、吻合は軟部組織手術用の自律ロボット手術システムを検査するのに適したシナリオです。この手術の目的は、軟部組織の断裂した両端をつなぎ、胃腸吻合、卵管吻合、腱吻合などの連続した生理的構造を修復することです。技術的には、空洞構造の近似と再構築を伴うため、手術の極めて高い操作性と再現性が求められます。

既存の自律型外科用ロボットは大きな進歩を遂げていますが、ほとんどのシステムは複雑なタスクにおいて依然として自律性が低く、医師に大きく依存しています。

この研究では、Axel Krieger らが、特殊な縫合ツールと最先端の画像システムを備えた、腹腔鏡手術シナリオ向けの強化された自律型 STAR システムを設計しました。この画像システムは、近赤外線マーカーを使用して対象組織の縫合プロセスの開始点と終了点を追跡し、手術中の血液や薄い組織による閉塞に対して堅牢であるため、システムの自律性と手術の精度が向上します。

図 |強化された自律型腹腔鏡軟部組織手術 (A: 医療用ロボット アーム、駆動式手術器具、デュアル チャネル近赤外線および 3 次元構造化光内視鏡画像システムを含む STAR システムのコンポーネント、B: STAR の強化された自律制御戦略の制御アーキテクチャ)

腸の両端をつなぐことは、消化器外科手術の中で最も難しいステップであり、外科医は腸を高い精度と一貫性をもって縫合する必要があります。手術中にほんのわずかな手の震えや縫合ミスが起こると、腸分泌物の漏れを引き起こし、患者にとって悲惨な合併症を引き起こす可能性があります。

研究者らはSTARを使用して、豚の小腸に対して生体内腹腔鏡下自律手術を実施した。手術前に、オペレーターはグラフィカル ユーザー インターフェイスを介して STAR を起動し、システムが自動的に縫合アルゴリズムを生成して縫合タスクを実行します。縫合プロセス中、STAR が縫合計画を実行する前に、オペレーターは GUI を通じて縫合手順を微調整しますが、ワークフローの大部分は自律的に完了します。

腹腔鏡手術中、豚の呼吸やその他の組織の動きにより手術対象組織が動いてしまい、手術が困難になることがあります。この目的のために、研究者らは、畳み込みニューラルネットワークと近赤外線カメラのフィードバックに基づく機械学習アルゴリズムを開発し、手術中の標的組織の動きを追跡しました。

「軟部組織の手術はロボットにとって特に難しい。その予測不可能な性質により、ロボットは予期せぬ障害に対処するために素早く適応する必要があるからだ」とクリーガー氏は言う。 「STAR は、外科医が行うのと同じように、手術計画をリアルタイムで調整できる新しい制御システムです。STAR が特別なのは、手術中に人間の介入を最小限に抑えながら、軟部組織で手術計画を自律的に計画、調整、実行する初のロボット システムであることです。」

外科医に匹敵する縫合技術

手術の効果を検証するため、研究者らは手術後1週間にわたって子豚の生存状況を監視し、限定的な剖検を実施した。生存率研究の結果、STAR システムは、漏れのない吻合と内腔開存性に関して熟練した外科医のパフォーマンスに匹敵し、さらに高いレベルの一致を示したことが示されました。

図 |生体内実験結果（A：STAR（n = 4）および手動腹腔鏡対照試験（n = 1）によって手術された各吻合組織の代表的な組織学的例、B）各サンプルにおける炎症の代替としてのPMN細胞。 C: STAR およびコントロール テストのために剖検時に収集された吻合の代表的な例。 ）

この研究は画期的な進歩を遂げましたが、手術技術と効果には依然として一定の限界があります。たとえば、ロボット制御アルゴリズムの実装が成功するかどうかは、特定の作業領域内での標的組織のアクセス可能性などの要因に依存します。また、STAR ロボット、手動腹腔鏡手術、遠隔操作ダヴィンチ手術の比較はファントム組織で実行されましたが、ダヴィンチベースのテストアームを使用した生体内研究は不可能です。

研究者らは、今後の研究ではマーカーフリーの組織追跡技術を統合してテストし、カメラシステムを内視鏡に簡素化し、触覚センサーを追加してシステムの自律性をさらに向上させ、ロボットが手術を完了するまでの時間を短縮する予定だと述べた。

複雑で予測不可能な外科手術のシナリオでは、人間による監督の役割を排除することはできませんが、STAR システムは、医師の医療経験や能力の個人差によって引き起こされる外科手術のリスクを効果的に軽減し、外科手術の安全性と手術結果の一貫性を向上させることができます。

医療分野が手術に腹腔鏡を用いるアプローチへと移行するにつれ、この種の手術用に設計された自動ロボットシステムを持つことが重要だとクリーガー氏は述べた。 「ロボット吻合は、外科医のスキルに関わらず、高い精度と再現性を必要とする外科手術をすべての患者に対してより正確かつ精密に実行できるようにする方法の 1 つです。これにより、患者ケアに対する外科的アプローチが民主化され、予測可能性と一貫性が向上すると私たちは考えています。」

参考文献:

https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.abj2908

https://techxplore.com/news/2022-01-robot-laparoscope-surgery-human.html

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