ロボットハンドの発明で低侵襲脳手術が前進

脳神経外科を強化するために設計された小さなロボットハンドが臨床実践に一歩近づきました。 このマイクロロボットツールは、応用科学工学部機械工業工学科准教授エリック・ディラー率いるトロント大学の研究者チームによって開発された。この装置は電磁システムによって操作され、外科医が次のようなものにアクセスできるようにする。脳の届きにくい領域を最小限の侵襲で治療できるため、患者のより迅速な治療と回復が期待できます。 「私たちは、基本的に外科医の手として機能するこのロボットハンドを駆動する機構を設計しています」とディラー氏は言う。 「また、この小さな手を動かすために磁場を使用しています。これは、これを行うための私たちの独自のアプローチです。」 同チームは、今春後半に開催される 2023 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA) で最新の研究結果を発表する予定です。 彼らの新しい会議論文では、前臨床試験の準備が整っていることを確認するために、新しく開発されたツールの実現可能性を検討しています。 「これまで、このようなワイヤレス駆動の磁気ツールを開発した人は誰もいませんでした」とディラー氏は言います。 「そのため、組織を引っ張ったり、組織を引っ込めたり、力を加えて組織に切り込むなど、外科医が行うさまざまな種類の基本的な手術要素を分類する必要がありました。」私たちは、てんかんを対象とした手術や摘出手術など、脳の手術についてはこれを分類する必要があると判断しました。 「腫瘍 – 必要な神経外科手術を行うのに十分な力を得ることができます。」 新しい研究で提示されたデザインは、病児病院の外科医長であるジェームス・ドレイク氏と共同で2021年に発表された2つの以前の論文を拡張したものです（ SickKids) であり、テマーティ大学医学部の外科教授でもあります。それ以来、チームは臨床規模の電磁コイル システムを開発しました。このシステムは、ディラーズ大学の元学生であり、テマーティ大学工学部の卒業生であるアダム ショーネヴィルによって設計および構築されました。このシステムの作業容積は成人の頭とほぼ同じで、すべての電磁石が平らな面の下に配置されていますが、外科医は患者への妨げのないアクセスを必要とするため、SickKids の Drake チームの設計要件となっています。 博士号を取得したキャメロン・フォーブリガー氏は「既存の手術ロボットはすでに手術室で多くのスペースを占めているため、私たちのシステムはできる限り目立たず、同時に作業を遂行するために必要な強さを磁場に与えたいと考えました」と語る。昨年T工科大学から卒業し、新しい論文の筆頭著者です。 「この電磁システムは、私たちの外科的アプローチの実現可能性にとって大きな前進であり、この分野の国際的な研究者からこのシステムに多くの関心が寄せられています。」 フォーブリガー氏の博士論文の重要な貢献には、ツールの磁気設計が磁場に対する応答をどのように形成するかをモデル化することが含まれていました。 そのモデルを使用すると、予測されたパフォーマンスに基づいて工具設計をランク付けすることができました。 「これにより、ツールを構築してそれがどのように動作するかを知るためにテストする必要がなくなるため、設計プロセスが加速されます。」と彼は言います。 「このモデルにより、ツールを目的の動作で動かすのに必要な最適な磁場を自動的に計算する制御戦略を開発することもできました。」 同チームはまた、ツールの位置と方向に関するリアルタイム情報の取得という、多くの手術ロボットが直面する重大な課題の克服にも取り組んでいる。 このツールを使用する外科医は、ツールを脳の経路に挿入し、それがどこにあるかを知る必要があります。 これをシミュレートするために、研究チームはゴム製の「ファントム」脳を利用し、実際の脳と同じサイズと形状のモデルに細長いツールを挿入します。 このツールの先端にあるカメラは位置情報を提供するが、視点が不十分なためフィードバックはあまり正確ではないとディラー氏は言う。 この視覚的な課題を克服するために、カンファレンス論文の 2 人目の著者である博士課程候補者エリック フレディン氏は、ツールの実用性にとって重要な機械学習を使用したコンピューター ビジョン アルゴリズムを開発しています。 コンピュータービジョンの結果は、オペレーターがツールを制御するときにツールの角度を検出できることを示しています。 臨床使用と商業化に向けた次のステップは、生きた動物の臨床試験のために電磁システムとツールをシックキッズ病院に移すことです。 「外科医は、現実的なシナリオでテストされるまで、新しい手術器具の有効性について懐疑的になる可能性があります。そしてそれは当然のことです」と、現在チューリッヒ工科大学で博士研究員を務めるフォーブリガー氏は言う。 「私たちはツールの性能を定量的に実証することに多大な努力を払ってきましたが、さらなる開発に向けて動物モデルが次の重要なステップとなる段階に到達しました。」