ロボット手術はどのように機能するか

コンピュータが20世紀の後半に革命を起こしたように、ロボット工学の分野は、21世紀の私たちの生活を等しく変える可能性を秘めています。ロボットが組立ラインを合理化および高速化することにより、自動車やその他の消費財の製造をどのように変えたかはすでに見てきました。ロボット芝刈り機やロボットペットもあります。また、ロボットによって、他の惑星や海の深さなど、人間がまだ訪れることができない場所を見ることができるようになりました。

今後数十年で、人工知能を備えたロボットが登場する可能性があります。ホンダのASIMOロボットのように、人間の形に似ているものもあります。彼らは最終的に自己認識と意識になり、人間ができることは何でもできるようになるかもしれません。人間の仕事をするロボットについて話すとき、私たちはしばしば未来について話しますが、ロボット手術はすでに現実のものです。世界中の医師が洗練されたロボットを使用して患者の外科手術を行っています。

すべての手術ロボットが同じというわけではありません。ロボット手術システムには、監視制御システム、遠隔手術システム、共有制御システムの3種類があります。各システムの主な違いは、外科手術を行う際に人間の外科医がどれだけ関与しなければならないかということです。スペクトルの一端では、ロボットは外科医の直接の介入なしに外科技術を実行します。一方、医師はロボットの助けを借りて手術を行いますが、ほとんどの作業は医師が行っています[出典：ブラウン大学]。

ロボット手術システムはまだ比較的珍しいですが、世界中のいくつかの病院がロボット手術システムを購入しています。これらのシステムは、手術の安全性と有効性を向上させる可能性があります。しかし、システムにはいくつかの欠点もあります。それはまだ比較的若い科学であり、非常に高価です。一部の病院は、テクノロジーの採用を控えている可能性があります。

なぜ病院はそもそもロボット手術システムを検討するのでしょうか？次のセクションで調べてください。

名誉除隊

軍隊は、ロボット手術の進歩の多くに責任があります。これは、軍当局が、ロボット手術が医師が戦闘地帯の最前線にいる患者を危険にさらすことなく支援する方法を提供することを望んでいたためです。これまでのところ、待ち時間の問題により遠距離遠隔手術は困難ですが、民間の医師はこの技術を有効に活用しています。

コンテンツ

1. ロボット手術の利点
2. 監視制御のロボット手術システム
3. ダヴィンチ外科システム
4. 共有制御ロボット手術システム

今日の手術室には、2人か3人の外科医、麻酔科医、そして数人の看護師がいます。これらはすべて、最も単純な手術にも必要です。ほとんどの手術では、部屋に12人近くが必要です。すべての自動化と同様に、外科用ロボットは最終的に一部の人員の必要性を排除します。将来を垣間見ると、手術に必要なのは1人の外科医、麻酔科医、1人または2人の看護師だけです。このほぼ空の手術室で、医師は手術室の内外のコンピューターコンソールに座って、手術ロボットを使用して、かつては大勢の人が行っていた作業を実行します。

使用コンピュータの距離から操作を実行するためのコンソールは、アイデアの開き遠隔手術患者から繊細な手術のマイルを離れて行って医者を伴うだろう。医師が手術を行うために患者の上に立つ必要がなく、患者からわずか数フィート離れたコンピューターステーションからロボットアームを制御できる場合、次のステップはさらに離れた場所から手術を行うことです。 。コンピュータコンソールを使用してロボットアームをリアルタイムで動かすことができれば、カリフォルニアの医師がニューヨークの患者を手術することが可能になります。遠隔手術の主な障害は潜伏期でした-医師が手を動かしてロボットアームに移動し、それらの動きに応答するまでの時間遅延。現在、ロボットシステムが医師の手の動きに即座に反応するためには、医師は患者と一緒に部屋にいる必要があります。

手術室にいる人員が少なくなり、医師が患者を長距離で手術できるようにすることで、長期的な医療費を削減できます。費用対効果に加えて、ロボット手術には、精度の向上や患者への外傷の軽減など、従来の手術に比べて他にもいくつかの利点があります。たとえば、従来の心臓バイパス手術では、1フィート（30.48 cm）の長さの切開によって患者の胸を「ひび割れ」て開く必要があります。ただし、ダヴィンチシステムでは、胸部にそれぞれ長さが約1センチメートルの小さな切開を3つまたは4つ行うことで、心臓を手術することができます。外科医は胸の長さを1つ長くするのではなく、これらの小さな切開を行うため、患者は痛み、外傷、出血が少なくなります。これは、より迅速な回復を意味します。

ロボットアシスタントは、数時間続く可能性のある手術中に医師が経験する疲労感を軽減することもできます。外科医は、これらの長い手術中に疲れ果て、その結果、手の震えを経験する可能性があります。最も安定した人間の手でさえ、外科用ロボットの手に匹敵することはできません。エンジニアは、震えを補償するためにロボット手術システムをプログラムします。そのため、医師の手が震えた場合、コンピューターはそれを無視し、機械アームを安定させます。

次のセクションの監視制御システムから始めて、ロボット手術へのさまざまなアプローチを見てみましょう。

高額な値札

一部のロボット手術システムは、購入に100万ドル以上、維持に年間10万ドル以上の費用がかかります。病院は、回復期間が短いために患者の滞在期間を短縮することでコストを節約できますが、システムの費用を正当化するのに十分な節約にはならない可能性があります。

3種類のロボット手術の中で、監視制御システムが最も自動化されています。しかし、それはこれらのロボットが人間の指導なしに手術を行うことができるという意味ではありません。実際、外科医は、ロボットが動作する前に、手術患者との広範な準備作業を行う必要があります。

これは、監視制御システムが手術を行う際に特定の一連の指示に従うためです。人間の外科医はロボットにデータを入力する必要があります。ロボットは一連の制御された動作を開始し、手術を完了します。エラーの余地はありません。これらのロボットは、問題が発生した場合にリアルタイムで調整を行うことができません。外科医はロボットの動作を監視し、何かが計画どおりに進まない場合は介入する準備ができている必要があります。

外科医がそのようなシステムを使用したいと思う理由は、それらが非常に正確である可能性があるためです。これは、患者の外傷を減らし、回復期間を短くすることを意味します。これらのロボットの一般的な用途の1つは、股関節および膝関節置換術です。ロボットの仕事は、インプラントが新しい関節にぴったりとはまるように、既存の骨をドリルで開けることです。

二人がまったく同じ体の構造を持っているわけではないので、ロボットが従うための標準的なプログラムを持つことは不可能です。つまり、外科医は、ロボットが正しい方向に動くように、患者の体を完全にマッピングする必要があります。彼らは、計画、登録、ナビゲーションと呼ばれる3つのステップのプロセスでこれを行います[出典：ブラウン大学]。

計画段階では、外科医は患者の体の画像を撮影して、適切な外科的アプローチを決定します。一般的な画像診断法には、コンピューター断層撮影（CT）スキャン、磁気共鳴画像法（MRI）スキャン、超音波検査、透視室、X線スキャンが含まれます。一部の手順では、外科医は、コンピューターのマーカーまたはナビゲーションポイントとして機能するために、患者の骨にピンを配置する必要がある場合があります。外科医が患者の画像を作成したら、ロボットがたどる手術経路を決定する必要があります。

外科医は、適切な手術経路が何であるかをロボットに伝える必要があります。ロボットは、これらの決定を単独で行うことはできません。外科医がロボットをプログラムすると、指示に正確に従うことができます。

次のステップは登録です。このフェーズでは、外科医は、計画フェーズで作成された画像に対応する患者の体のポイントを見つけます。ロボットがエラーなしで手術を完了するためには、外科医はポイントを正確に一致させる必要があります。

最終段階はナビゲーションです。これには実際の手術が含まれます。外科医は、ロボットが行うすべての動きがプログラムされた経路の情報に対応するように、最初にロボットと患者を配置する必要があります。全員の準備が整うと、外科医はロボットを起動し、ロボットが指示を実行します。

次のタイプのロボットは、人間の外科医の指示の下でのみ行動することができます。次のセクションに進み、da Vinci SurgicalSystemについて学びましょう。

どうした、RoboDoc？

Integrated Surgical SystemsのRoboDocシステムは、整形外科で使用される監視制御システムの例です。人間の外科医がRoboDocの骨フライス盤を患者の正しい位置に配置すると、ロボットが引き継ぎます。整形外科インプラントに最適なサイズに骨を自動的に切断します。

IntuitiveSurgical社の製品であるdaVinci Surgical Systemは、おそらく世界で最も有名なロボット手術装置です。これは遠隔手術装置のカテゴリに分類されます。つまり、人間がロボットの動きを指示します。ある意味で、これはロボットを非常に高価なハイテクツールのセットにします。

2000年7月11日、米国食品医薬品局（FDA）は、腹腔鏡下手術用のda Vinci Surgical Systemを承認し、米国の手術室で許可された最初のロボットシステムになりました。da Vinciは、人間の外科医が人間の視覚が許すよりも手術部位に近づき、従来の手術が許すよりも小規模で作業できるようにする技術を使用しています。150万ドルのdaVinciシステムは、次の2つの主要コンポーネントで構成されています。

da Vinciを手術に使用する場合、人間の外科医は患者の腹部に3つまたは4つの切開（モデルの腕の数に応じて）を行います（鉛筆の直径以下）。これにより、外科医は3つを挿入できます。または4本のステンレス鋼棒。ロボットアームがロッドを所定の位置に保持します。ロッドの1つには、立体画像を提供する2つの内視鏡カメラがあり、他のロッドには、組織を解剖して縫合できる手術器具があります。従来の手術とは異なり、医師はこれらの手術器具に直接触れません。

外科医は、手術台から数フィート離れたコントロールコンソールに座って、ファインダーを調べ、患者の体内のカメラから送信される3D画像を調べます。画像は、手術部位と、手術用ロッドの先端に取り付けられた2つまたは3つの手術器具を示しています。外科医は、画面の下にあるジョイスティックのようなコントロールを使用して、手術器具を操作します。外科医がジョイスティックの1つを動かすたびに、コンピューターが電子信号を器具の1つに送信します。この信号は、外科医の手の動きと同期して動きます。外科医とロボットが協力することで、大きな切開を必要とせずに完全な外科手術を行うことができます。手術が完了すると、外科医は患者の体からロッドを取り外し、切開を閉じます。

ロボット手術装置の最後のカテゴリーは、共有制御システムです。この種のロボットについては、次のページで詳しく説明します。

神話と伝説

昔々、Intuitive Surgical da VinciSystemには競合他社がいました。Computer Motionと呼ばれるハイテク医療会社は、ギリシャ神話、伝説、学者にちなんで名付けられた、いくつかのロボット手術装置を製造しました。彼らの最も有名なシステムには、ゼウス、イソップ、ソクラテス、エルメスが含まれていました。2003年、IntuitiveSurgicalはComputerMotionと合併し、以前の競合他社のデザインの多くを自社製品に組み込みました。

共有制御ロボットシステムは、手術中に外科医を支援しますが、ほとんどの作業は人間が行います。他のロボットシステムとは異なり、外科医は自分で手術器具を操作する必要があります。ロボットシステムは、外科医のパフォーマンスを監視し、アクティブな制約を通じて安定性とサポートを提供します。

アクティブな制約は、患者の領域を4つの可能性の1つとして定義することに依存する概念です：安全、閉じる、境界、または禁止。外科医は、安全な領域を手術の主な焦点として定義しています。たとえば、整形外科手術では、安全な領域は患者の股関節の特定の部位である可能性があります。安全な領域は軟組織に隣接していません。

整形外科では、近い領域は軟組織に隣接する領域です。整形外科用手術器具は軟組織に多くの損傷を与える可能性があるため、ロボットは外科医が手術できる領域を制限します。これは、フォースフィードバックとしても知られる触覚応答を提供することによって行われます。外科医が軟組織に近づくと、ロボットは外科医の手に押し戻します。

外科医が軟組織に近づくと、器具は境界領域に入ります。この時点で、ロボットはより多くの抵抗を提供し、外科医がその領域から離れる必要があることを示します。外科医が軟組織に向かって切断を続けると、ロボットは所定の位置にロックされます。それ以降は禁止区域です。

これまで見てきた他のロボットと同様に、共有制御システムのロボットは、安全な領域と禁止された領域の違いを自動的に認識しません。外科医は、最初に患者と一緒に計画、登録、およびナビゲーションの段階を経る必要があります。その情報をロボットのシステムに入力して初めて、ロボットはガイダンスを提供できます。

3種類のロボット手術システムの中で、遠隔手術アプローチが最も注目されています。da Vinci Surgical Systemの成功は、医師とメディアの両方の注目を集めました。将来的には、共有制御および監視制御システムの例が増える可能性があります。

外科用ロボットは人間の手に比べていくつかの利点がありますが、自律型ロボットが人間の介入なしに人を操作する日からはまだ遠いです。しかし、コンピューターの能力と人工知能の進歩により、今世紀、科学者は人体の異常を見つけて分析し、人間の指導なしにそれらの異常を修正するために動作するロボットを設計する可能性があります。

ロボット、医学、および関連トピックの詳細については、次のページのリンクをご覧ください。

アビー誰か

共有制御システムの潜在的な将来のアプリケーションの1つは、脳神経外科です。2005年の脳神経外科の巻では、医師は脳外科のためのロボットシステムを提案しています。ロボットには、複数のピボットポイントを持つ単一のアームがあります。外科医は、肘をロボットの腕に乗せることができます。ロボットアームはまた、手術器具を安定させます。外科医が器具の動きを制御している間、ロボットアームは震えを制御し、各動きを安定させます[出典：Nathoo、Narenda etal。]。

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