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水圧駆動遠隔手術システムの研究
(The hydraulically actuated surgery system for fetuses)

石川 純

(指導教員:生田 幸士 教授/システム情報第九研究室

研究概要

近年超音波診断の発展に伴い,出生前に胎児疾患の発見が可能となった.ところが妊娠中の外科的手術は極めてリスクが高く,従来は出生まで治療開始を遅らせることが主流であった.出生まで治療を遅らせることで病状が悪化し,深刻な後遺症が残るケースも多い.しかし出生前に手術を行うことができれば,後遺症の予防そして生活の質の向上に繋がるため,胎児医療システムが求められている. そこで本研究では,胎児外科手術に貢献する医療ロボットシステムを提案,製作し,性能評価実験を行った.具体的には,まずエンドエフェクタの把持関節機構を提案,作製し,開閉角度測定実験を行った.またエンドエフェクタの位置を制御する屈曲関節部分には,柔軟で胎児を傷つけにくい素材であるシリコンゴムを使用した,ベローズアクチュエータを開発した.本アクチュエータの物理モデルの構築及びシミュレーションを行い,ベローズを製作後その性能評価実験を実施した.屈曲角度が-20 度から40 度の範囲においてシミュレーション結果と極めて類似した実験結果を得た.そしてそれらを片手で操作できる機械式コントローラを製作し,これらを統合することで医療ロボットシステムを構築した. 最後に,水中下での保護シート貼付の手技実験を通して本システムの有効性を示した.

Abstract

With the development of ultrasonic diagnostic equipment, antenatal detection of fetal diseases becomes possible. However, medical treatment was postponed after birth because medical treatment in pregnancy suppose high risks of exacerbation of symptoms and serious aftereffects. If doctors can perform medical treatments before birth, the qualities of life of the patients should be improved. Therefore there is a growing need for minimally invasive surgery systems for fetuses. In this paper, design, fabrication, and verification of minimally invasive medical robotic system for antenatal surgical operation is reported. Firstly, gripping mechanism of the end effector was realized by actuating the gripper with a small hydraulic piston inserted directly in a tube. The relationship between the input volume and the angle of aperture was measured. Secondly wrist flexion mechanism used for positioning the end effector was realized by using a bellows actuator made of silicon rubber. The physical model of the bellows was proposed, and the relation between the bending angle and the difference of volume of the bellows was simulated. The performance of the bellows was also evaluated through experiments, and the results were in close agreement with the simulation. Furthermore, an ergonomically-designed spline curved mechanical controller for the system was developed. It was designed to be easy to handle with one hand, and the rack and pinion mechanism was embedded to move the piston. The verification of the controller was carried out by bending the wrist flexion mechanism. By integrating each parts shown above, the proposed medical robotic system has been successfully developed. In the end, verification of the system was carried out by in vitro operation to manipulate a protective sheet in water.
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