Study on a Novel Type of the Robot-assisted Endovascular Catheterization System-香川大学学術情報リポジトリ

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全文

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1 氏 名( 本 籍 ) 専 攻 学 位 の 種 類 学 位 記 番 号 学 位 授 与 の 要 件 学位 授与の年月 日 学 位 論 文 題 目 論 文 審 査 委 員 張 林帥(中華人民共和国) 知能機械システム工学専攻 博士(工学) 博甲第 134 号 学位規則第 4 条第 1 項該当者 平成 31 年 3 月 24 日

Study on a Novel Type of the Robot-assisted

Endovascular Catheterization System

(主査) 郭 書祥 (副査) 平田 英之 (副査) 鈴木 桂輔

論文内容の要旨

1. Background

According to a report from the American Heart Association (AHA), cardiovascular and cerebrovascular diseases have become one of the three major causes (heart disease, stroke and vascular diseases) of death in human beings. With the rapid development of medical technologies, vascular interventional surgery (VIS), due to its smaller incisions, quicker recovery and fewer complications, has become the common practice for diagnosing and treating various cardiac and vascular diseases. Nonetheless, some potential challenges also have been introduced in. The surgeon’s fatigue and physiological tremors will affect the success of the surgery, long radiation exposure has the risk to the surgeon’s health. What’s more, the surgeon must be highly skilled and specialized due to the high risks involved.

To solve these disadvantages mentioned above, researchers combine the robot-assisted technology with VIS to develop many kinds of robot-assisted catheter systems for endovascular procedures.

2. Challenges

1) The current system doesn’t consider the adaptive, stable and lossless clamping for the catheter/guidewire, and effective force feedback during the catheterization remains unrealized.

2) No collision protection function in the current system, thus increasing the incidence of medical accidents.

3) The current system doesn’t consider the collaborative propulsion of the catheter and guide wire. The single operation will affect operation time and success rate.

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3. Research purposes and approaches

1) Focus on the lossless clamping of the catheter and design a new force measuring unit to realize the effective force feedback.

2) Add the collision protection mechanism in the slave manipulator, so as to effectively avoid vessel puncture caused by system malfunction or human error.

3) Realize the collaborative propulsion function of the catheter and guide wire, thus reducing the operation time and improving the success rate of the task in complex surgeries.

4. Research topics

Topic 1: Design a novel type of slave side with effective force feedback.

Topic 2: Realization of the collision protection function on the slave manipulator. Topic 3: Performance evaluation of collaborative motion for the catheter and guide wire in the novel robotic catheter system.

5. Conclusions and future work

In this paper, the novel robot-assisted catheter system is developed to augment the surgeon’s actions and improve the safe operation of catheterization.

1) The novel robotic catheter system is based on two rotary encoders to transmit and feedback the motion information. The experimental results of bilateral operation show that the maximum absolute transmission error in axial and radial directions are 0.79mm and 1.7°, respectively.

2) The application of the haptic interface based on magnetorheological (MR) fluid and high-precision force sensor makes the collision warning in haptic cues possible. The accuracy of the measured force has important influence on the safety of surgeries. The results of the step response experiment show that the hysteresis for force measurement is generated, with an average value of 8.89mN. However, the hysteresis is very small in the whole load range, particularly at lower load.

3) The collision protection mechanism (CPM) based on electromagnetic braking is proposed to realize the vascular tissue protection. Based on the results of these evaluation experiments, the CPM equipped the robot-assisted catheter system has made great contribution to remit the collision trauma during the endovascular catheterization.

4) In addition, we use two slave manipulators to operate the catheter and guidewire respectively to complete the complex surgical operation, reduce the operation time and improve the success rate of the task.

For widespread use of robot-assisted endovascular catheterization systems, the development of high intelligence and high-precision robotic catheter system

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incorporating natural manipulation skills is a potential area for future research.

審査結果の要旨

審査申請者の博士学位論文「新型ロボット補助血管カテーテル操作用支援システムに関 する研究」(Study on a Novel Type of the Robot-assisted Endovascular Catheterization System ) について、審査委員会にて審査を行った。本論文では、特に脳神経外科手術の応 用に焦点を当て、新型カテーテル遠隔操作支援システムを提案・試作し、また、カテーテ ルを操作するために視覚と力覚を組み合わせたことにより、操作の危険を自動的に回避で きるカテーテル操作用支援システムを開発した。さらに、カテーテル衝突保護のメカニズ ムモデルを構築し、カテーテルの先端と側面の力覚情報を測定し、スレーブ側の衝突回避 の閾値により危険を自動的に回避することが実現できた。医療支援システムの構築と制御 法に関する研究として高く評価できると考えられる。 以下に本論文の特徴的な成果を要約する。 1. 医者の操作手技を模倣し、カテーテルの操作を安全に行うための新型衝突回避機能を 持つマスタースレーブカテーテル遠隔操作用支援システムの設計改良と試作を行い、 操作特性の評価実験を行った。また、新型衝突回避特性を持つ遠隔操作用支援システ ムの有効性を実証した。 2. 新型衝突回避機能を持つスレーブ側ロボットを開発し、カテーテルの先端と側方の両 方の力情報をモニタリングすることができた。また、カテーテル衝突のメカニズムモ デルを構築し、力覚フィードバックと衝突保護の効果を検証した。さらに、開発され たシステムの操作性と安全性を高めることを実証した。 3. 高精度ロータリエンコーダに基づく制御アルゴリズムが提案され、遠隔操作支援シス テムを構築した。そして、遠隔操作支援システムの有効性を検証した。 4. 可変閾値衝突警報特性を持つマスターインターフェイスの設計改良と試作を行い、安 全にカテーテルを操作する意識の感覚がある制御アルゴリズムが確立された。さらに、 マスターコントローラにフィードバックがある触覚提示により、危険を自動的に回避 することを検証した。 5. 新型衝突回避の特性を持つ遠隔操作用支援システムに対して、カテーテルとガイドワ イヤの協調動作のメカニズムを提案した。また、カテーテルの操作成功率を高めるこ と、及び医者のカテーテルインターベンション操作時間を短縮することが検証された。 これらの実験により、臨床応用の可能性と安全性の向上が実証された。

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4 本論文の脳神経外科医学分野への応用に関する技術進化への貢献は以下のようにまとめ られる。 1. 経験がない医者の操作スキルを育成するために、低侵襲カテーテル手術遠隔操作シス テムを提案し、新型衝突回避の特性を持つスレーブロボットを開発し、操作実験より、 その有効性を検証した。これらの研究成果は、脳神経外科における高度専門医の育成、 次世代のセンサー統合マイクロ能動カテーテルによる低侵襲脳外科手術の支援システ ムの確立に貢献できると考えられる。 2. カテーテルインターベンションの力測定装置を開発し、カテーテルを操作する際に、 力覚をマスター側にフィードバックでき、臨床訓練と教育ができるようなカテーテル 操作スレーブロボットを構築した。そして、適応クランピング構造とメカニズムを開 発し,異なる外径のカテーテルとガイドワイヤを操作する複雑な手術を可能にした。 3. 提案されたカテーテルの安全操作の意識がある感覚制御アルゴリズム、マスター側に 可変閾値衝突警報特性を持つマスターインターフェイスを構築することにより、カ テーテルの遠隔操作の安全性が向上された。 4. 新規なカテーテルとガイドワイヤの協調動作のメカニズムを提案し、カテーテルとガ イドワイヤの協調動作の性能評価を行い、遠隔操作ロボット支援型のカテーテル手術 の操作器用さと効率が改善された。 以上により、本論文はその新規性、発展性が高く評価され、本審査委員会は審査申請者 が香川大学大学院から博士(工学)学位授与に値するものであると判定した。 本学位論文に関する研究成果として、学会誌に英文 2 編、および国際会議論文 2 編を含む複 数の学術論文を掲載された。研究成果はいずれも独自に完成したものである。

1. Linshuai Zhang, Shuxiang Guo, Huadong Yu, Yu Song, Takashi Tamiya, Hideyuki Hirata, Hidenori Ishihara, “Design and performance evaluation of collision protection-based safety operation for a haptic robot-assisted catheter operating system”, Biomedical Microdevices, vol.20, no.2:22, 2018. SCI, Impact Factor (IF): 2.077.

2. Linshuai Zhang, Shuxiang Guo, Huadong Yu, Yu Song, “Performance evaluation of a strain-gauge force sensor for a haptic robot-assisted catheter operating system,” Microsystem Technologies, vol.23, no.10, pp.5041-5050, 2017. SCI, Impact Factor (IF): 1.581.

3. Linshuai Zhang, Shuxiang Guo, Huadong Yu, Yu Song, Dapeng Song, “Adaptive Clamping Mechanism-based a Novel Slave Manipulator for Endovascular Catheterization”, Proceedings of 2018 IEEE International Conference on Mechatronics and Automation, pp.2358-2363, 2018. (EI)

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4. Linshuai Zhang, Shuxiang Guo, Huadong Yu, Yu Song, Dapeng Song, “Rotary Encoder-based Position Transmission and Feedback of a Novel Robotic Catheter System for Endovascular Catheterization”, Proceedings of 2018 IEEE International Conference on Information and Automation, pp.32-36, 2018. (EI)

最終試験結果の要旨

平成31 年 1 月 31 日に公聴会の開催を行った。公聴会では、審査申請者は、学位論文の 内容に関する発表を約50 分間行い、引き続き口述試験による審査委員および参加者からの 質疑に的確に回答することを求めた。また、公聴会後、口述試験により、「新型ロボット補 助血管カテーテル操作用支援システムに関する研究」(Study on a Novel Type of the Robot-assisted Endovascular Catheterization System ) に関する研究について、ロボット 補助血管カテーテル操作システムの開発経緯、スレーブ側の衝突回避特性の理論モデルと 制御アルゴリズム、評価結果及び専門知識の確認を実施し、本審査委員会において、最終 試験とした。 最終試験における学位論文に対する質疑応答の概要は以下のとおりであり、審査申請者はす べて的確に回答した。  提案したロボティックカテーテル操作システムの新規性は何か。 (回答)従来のロボティックカテーテル操作システムでは、ハンドルやジョイスティック を用いていたが、提案した新しい方法は、実際の手術用カテーテルを用いて測定するため、 機械に慣れていない医師でもすぐに扱うことができる新規性がある。カテーテル衝突保護 のメカニズムモデルを確立し、力覚フィードバックと衝突保護の効果を検証した。さらに、 開発されたシステムの操作性と安全性を高めることが実証された。  カテーテル操作支援システムの安全性をどのように保証されるか。 (回答)本研究では、安全操作の最大値を設定した。力センサーから測定した値をもとに、 フィードバック制御を行い、測定値は最大値を超えないように、安全性を確保する。  衝突保護特性を持つスレーブロボットにおいて、保護閾値はどのように設定されるか。 (回答)本研究では、曲率の大きい部分にしきい値を設定した。曲率が低い部分は、比較 的安全であり、保護閾値を設定する必要はないと考えられる。実際の手術では、保護閾値 は、外科医の経験による患者の血管の状態に応じて設定する必要がある。  提案されたカテーテルとガイドワイヤの協調操作制御は、具体的にどうやって実現し たか。

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6 (回答)本研究では、前部の側面に小さな穴があり、特製されたカテーテルを用いた。ガ イドワイヤを穴に差し込み、カテーテルと結合された。次に、Y 型コネクタを介して、カテー テルマニピュレータとガイドワイヤマニピュレータをそれぞれにクランプされ、協調運動 を行った。さらに、開発されたシステムの操作性と安全性を高めることが実証された。 本審査委員会は、提出された博士学位請求論文が博士(工学)の学位に値するものであ り、かつ審査申請者は専門領域に関する十分な学識と研究能力を有するものと判断した。 以上より、本最終試験の評価を合格とする。

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参照

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