Robotic Tele-Operation for Upper Aerodigestive Tract Microsurgery: System Design and Validation

技術要約：上気道・食道部微細手術のためのロボット・テレオペレーション

問題提起
経口レーザー微細手術（TLM）は、腫瘍やポリープなどの上気道・食道部（UADT）疾患を治療するための標準的な術式である。TLMでは、レーザーマイクロマニピュレーターを介してレーザービームを用いて標的組織を切除するが、組織の操作（鉗子を用いた組織の把持、固定、再配置）は依然として主に手動で行われている。この手動によるアプローチは、特に長時間の介入において、手の震え、把持の不安定性、および術者の疲労といった重大な制限をもたらす。さらに、喉頭鏡の開口部によって定義される限定的な作業空間は、器具の動きに対して非常に敏感であり、わずかな偏差であっても高倍率の外視鏡ビューにおける視覚的な閉塞を引き起こす可能性がある。この領域における現在のロボットソリューションは、鉗子制御のための専用エンドエフェクタを欠いているか、あるいは臨床ワークフローとシームレスに統合できていないことが多い。

手法
著者らは、TLMにおける手動の鉗子操作を代替するために設計された、新しいテレオペレーション・システムを提案している。システムのアーキテクチャは、リーダー（術者）側とフォロワー（患者）側で構成され、リモートセンター・オブ・モーション（RCM）フレームワーク内に統合されている。

• システム・ハードウェア:

  • フォロワー側: Franka Emika Pandaロボットマニピュレータが、カスタムアルミニウム製エンドエフェクタ（約20 cm、2.1 kg）を支持する。このエンドエフェクタは、Karl Storz社製の外科用鉗子を保持するように設計されている。一方のハンドルは固定されており、もう一方はインターロッキング機構を介してMaxonモーターに接続され、鉗子の顎の開閉を制御する。モーターは、Robot Operating System（ROS）と互換性のあるMaxon EPOS4ポジションコントローラによって駆動される。
  • リーダー側: 術者は、Force Dimension社製のOmega.7ハプティックデバイス（7自由度：6自由度の運動 ＋ 1自由度のグリッパー）を使用して操作を行う。このデバイスは、ロボットの運動のためのデカルト速度（Cartesian twist）コマンドと、鉗子の顎への把持コマンドを提供する。
  • 安全インターフェース: ロボットの動作は、意図しない動きを防ぐための安全層として、2つの安全フットスイッチが同時に押されている場合にのみ有効となる。

• 制御アーキテクチャ:

  • RCM制約: 視覚的な閉塞を防ぎ、喉頭鏡の開口部を尊重するため、システムは器具の挿入点におけるソフトウェアベースのRCMを強制する。
  • 速度マッピング: コントローラは、ハプティックデバイスからの術者の入力ツイスト（$v_{in}$）を、アプリケーションフレーム（$C$）へとマッピングする。
  • ピボッティング運動: 鉗子先端における並進コマンドは、RCMを中心とした角速度へと変換される。これにより、2D内視鏡ビューにおける横方向の動きが、シャフトを並進させるのではなく、固定されたR解（RCM）の周りで器具を回転させることによって生成される。
  • ドリフト補償: 挿入点の横方向のドリフトを防ぐために、RCMを固定位置に保つ補正項が並進速度に適用される。
  • 変換: 最終的な制約付きツイストは、Franka Pandaの速度コントローラによって実行されるエンドエフェクタフレームへと変換される。

主な貢献
本論文は、主に以下の3つの貢献を述べている。

1. 新規エンドエフェクタ: 標準的な外科用鉗子を取り付け、専用モーターを介してその顎を駆動できる、コンピュータ制御の鉗子操作用エンドエフェクタの設計。
2. RCMテレオペレーション・パイプライン: 視覚的な閉塞を最小限に抑えるために、術者の入力をピボッティング運動へとマッピングし、リモートセンター・オブ・モーション制約を強制する完全なテレオペレーション制御パイプラインの開発。
3. 実験的検証: シリコン製声帯ファントムを用いた、10名の参加者によるパイロットユーザー研究を含む広範な検証研究を行い、提案システムとフリーハンド操作を比較した。

結果
システムは、3つの実験研究を通じて評価された。

• コントローラ分析（安定性）: NDI Auroraトラッキングシステムを使用し、把持タスク中の加速度ノルムの平方根平均（RMS）を測定した。テレオペレーション・システムは、速度スケーリングおよび把持中のロボットアームの不動化能力により、フリーハンド操作と比較して振動の大幅な減少を示した。
• ユーザーの労力（sEMG）: 参加者の前腕から表面筋電図（sEMG）を記録した。結果は、把持に関連する筋群（チャンネル2〜5）において、テレオペレーション条件下での中央値RMS値が低いことを示しており、これは筋肉の活性化が減少していることを示唆している。さらに、中央値周波数（MDF）は一般にテレオペレーション条件下で高く、これはフリーハンド操作と比較して筋肉の疲労が軽減されていることを示している。
• ユーザビリティ評価: 参加者はシステムユーザビリティスケール（SUS）およびユーザーエクスペリエンス調査（UEQ）に回答した。システムは、学習容易性、使用意図、および明快さにおいて高い評価を得ており、概ね肯定的なスコアを獲得した。ユーザーは快適さと自信を感じたと報告している。しかし、一部の参加者は知覚された複雑さとさらなるトレーニングの必要性を指摘しており、否定的な項目は、時折の不整合や非効率性を示唆していた。

意義と主張
本論文は、提案されたアプローチが、TLMの運用および空間的要件を満たしながら、操作の安定性を効果的に向上させ、術者の労力を軽減することを主張している。カスタムエンドエフェクタと市販の医療グレードロボティクスを組み合わせることで、システムは臨床への移行を容易にし、ハードウェアの複雑さを軽減することを目指している。

著者らは、本研究を初期開発段階にあるシステムの予備的な検証として控えめに位置づけている。彼らは、参加者に提供されたトレーニング時間の限定や、現在のプロトタイプにおける3D可視化や力フィードバックの欠如といった限界を認めている。結論として、本システムはUADT微細手術の向上に有望であることを示しているが、今後の課題として、ハプティックフィードバックの組み込み、喉頭鏡の閉塞をさらに防ぐための運動制約の精緻化、およびより長いトレーニングセッションを通じたユーザーの学習効果の調査が必要であるとしている。本システムは、成熟した臨床ソリューションではなく、UADT処置におけるエルゴノミクスと精度を向上させるための一歩として提示されている。