患者と医師を支えるテクノロジー。手術支援ロボットが起こす革命

医薬品や検体を運ぶ搬送ロボット、リハビリを支援する装着型ロボット、食事支援ロボット。現代の病院では多くのロボットたちが日々忙しく働いています。その多くは人間の労働を「代わりに行なう」のがミッションですが、人に代わるのではなく、「人を支える」ロボットとして開発されたのが手術支援ロボット「hinotori™」です。

手術支援ロボットは、医師がカメラの映像を見ながら、内視鏡と鉗子をもつロボットアームを操作して遠隔手術を行うもの。そのコンセプト自体は1970年代初頭に生まれたもので、NASAがミッション中の宇宙飛行士を治療するために考案したのがそもそものきっかけだと言われています。^※2

1980年代後半には、テレビモニターを見ながらデバイスを用いて病変部の治療を行う腹腔鏡手術がスタート。体に複数の穴を開けて管状の手術器具を挿入するため開腹の必要がなく、患者の負担を軽減する「低侵襲手術」として広く普及しました。しかし腹腔鏡手術用の鉗子の動きは直線的で柔軟性に欠け、画像も2D、かつ視野角に限界がありました。^※3

一方、多関節をもつロボットアームを用いる手術支援ロボットは動きの自由度が高く、画像も3Dで奥行きが掴みやすいため、医師は「人間の腕と手の動き」と「人間の目」に近い感覚のもとで施術を行うことが可能になりました。現在、その手術支援ロボットで、市場を独占しているのが米インテュイティブサージカル社の「ダビンチ」。1999年に発売、2000年にFDA（米国食品医薬品局）の承認を取得して以降、世界で約5,500台が稼働し、いまや年間120万件を超える施術を行っているといわれています。^※4

その巨人「ダビンチ」の牙城に挑もうとしているのが、株式会社メディカロイド（川崎重工とシスメックス株式会社が折半出資で設立）の「hinotori™ サージカルロボットシステム」。産業用ロボットのリーディングカンパニーである川崎重工と、先端医療分野における豊富な知見とネットワークをもつシスメックスがタッグを組み、2020年にリリースした国産初の手術支援ロボットです。

名前の由来は、手塚治虫氏の名著『火の鳥』。不死鳥を通じて命の尊さと向き合い続けた手塚氏のように、命と向き合う医療従事者を支援したいという想いを込めて命名されました。

器用に動く腕（マニピュレーター）と高度なセンサー、そして優れた操作性を備えたロボットづくりは川崎重工の得意分野。1969年に日本初の産業用ロボットを発表して以来、50年以上にわたりトップランナーとして走り続けてきました。徹底的にクリーンであることが求められる半導体製造や製薬工程向けのロボットも多数取り扱っており、基盤の確かさはお墨付きです。

かくして、「hinotori™」の開発は2015年にスタート。カワサキロボットの担い手である精鋭の技術者たちが満を持して取り組んだロボットが「一粒のブドウの皮をむける」ほどの手技を実現するまでに、長く時間はかかりませんでした。しかし、実際の現場で手術を行う医師からの言葉に、技術者たちは戸惑うことになります。「執刀医の感覚を開発者に理解してもらうのが難しかった」 と、泌尿器科医としてロボット手術に豊富な経験をもつ神戸大学医学部附属病院 国際がん医療・研究センター（ICCRC）の山口雷藏 副センター長は振り返ります。

手術支援ロボットのあるべき姿について、山口氏がたとえにしたのが「ヘリコプター」と「スポーツカー」でした。「産業用ロボットは異常が発生したら止めればいい。ではヘリコプターはどうか。トラブルが発生してもギリギリまで操縦者の思い通りに動くようにするべきであり、手術支援ロボットも同じだ」。 

さらに、「工学の人は、『切れすぎる包丁は危険だ』と無難さを好む。しかし外科医には切れすぎる包丁を使いこなす自信がある。高い性能を誇り、俊敏な応答性を備えるが、ドライバーの運転テクニックに応える冗長性も併せもつ高級スポーツカーのようなロボットがほしい」と指摘。この言葉が、技術者たちが解決すべき課題を明確にしました。

「hinotori™」は3つのユニットで構成されています。患者の側に控えるのがロボット台車と4本のアーム、内視鏡や鉗子といったインストゥルメントを含む「オペレーションユニット」。少し離れた場所で執刀医が座って操作するのが「サージョンコックピット」。そして高精細3D画像を映し出す「ビジョンユニット」です。

開発リーダーである、川崎重工 精密機械・ロボットカンパニー ロボットディビジョン 医療ロボット統括部 医療設計部の東條 剛史 基幹職が最終的に掲げた「hinotori™」のコンセプトは、「コンパクト性と高い安全性、そして意のままに操れる操作性」の3つ。比較的狭い日本の病院の手術室に合わせて小型化し、アームの太さも人間の腕と同程度に設計されています。それにより、患者に恐怖感を与えないという効果も生まれました。しかし、このコンパクト性というのが、開発における大きな壁となりました。

ロボットといっても、「hinotori™」がひとりでに自律動作を行うことはありません。4本のアームとインストゥルメントは、あくまで執刀医の「見る」「潜り込む」「つかむ」「切る」「縫う」を代行するツール。1本のアームは8軸構成となっており、一般的な産業用ロボットの6軸、人間の腕全体の7自由度（軸）よりも多くなっています。そこにインストゥルメントの4軸が加わり合計12軸となるため、滑らかで自由度の高い動作が可能となっています。

一方、コンパクトに配置された4本のアームが自由に動き回るとなれば、それだけ互いに干渉するリスクも生じます。手術中にアームがぶつかり停止してしまえば、思わぬ事故につながる可能性があるのです。アームの緻密な制御は必須要件でした。

制御手法を担当した川崎重工 精密機械・ロボットカンパニー ロボットディビジョン 医療ロボット統括部 医療設計部の山守 啓文 課長はこう語ります。「体に開けた穴の位置はずらさずに手術に必要な領域にアームを到達させようとすると、広い動作範囲が必要になります。『1本のアームを真っ直ぐに動かす』としても他のアームの位置や関節の状態も考慮しなければならず、制御は実に複雑になります」。

 1本のアームにとっては最適な動きであっても、4本全体の動きとしては最適ではない場合もあります。互いに干渉せず、かつそれぞれをスムーズに動かす制御手法を確立するべく、実際の手術を見学して執刀医の腕や手の動きを観察したり、執刀医の評価をもらったりしながらトライアンドエラーを繰り返しました。さらにコンピュータによるシミュレーションも実施。最適なルールを見つけ出すまでに繰り返したシミュレーションの数は、18兆回に達したといいます。

小型化にあたって、メカ設計の面でも難題が生じました。「コンパクトなサイズにするためにアームを細くすれば、それだけ先端は揺れやすくなります。動作範囲が広くなればより長い部品が必要になりますが、細さ故に支えきれなくなる。メカとしての対応とソフト制御で最適化を求める擦り合わせの連続でした」。 そう語るのは川崎重工 精密機械・ロボットカンパニー ロボットディビジョン 医療ロボット統括部 医療設計部の圡井 航 基幹職。

そこで役立ったのが、部品メーカーと新たに開発した高出力モーターと減速機の組み合わせでした。結果的に実現できたコンパクトな設計は「手術台回りの動線や手元スペースを大きく取れるなど、執刀医だけでなく、手術チーム全体に貢献するメリット」（東條基幹職）となりました。

執刀医が操作するサージョンコックピットには、指で動かすハンドコントロールが備わっています。いわば自動車におけるステアリングホイールであり、航空機における操縦桿であり、まさに“意のままに操れる操作性”に直結する部分です。医師からリクエストされたのは「何もないぐらい、浮いているような操作感」。それを工学的にどう実現するか。圡井基幹職は頭を抱えました。

ポイントは減速比にありました。モータと減速機の摩擦が大きくなれば、それだけ感触が重くなります。そこで減速機の減速比を低くすることで摩擦を減らすとともに、ソフトウェアによる感覚補正も追加。メカの設計とソフトの制御、その両方を組み合わせることで最適な操作感を作り込んでいきました。

もうひとつの開発コンセプト、安全性については二重の動作監視安全システムを導入。3Dビューワのセンサーが「執刀医が覗き込んでいる」と検知しない限り、ロボットが動作しない仕組みとしました。さらに、アーム同士が干渉した場合は、執刀医にアラーム音で通知するよう設定。仮にアーム同士が干渉したり、アームの動作範囲限界に到達したりしても、熟練した執刀医による細やかな操作により手術を継続できるシステムに仕上げました。

2020年12月14日、ICCRCの一室で記者会見が行われました。国産初の手術支援ロボット「hinotori™」を使った初めての手術が成功したのです。

前立腺の全摘出手術を執刀した神戸大学医学研究科長（現・神戸大学学長）の藤澤 正人 氏は、「hinotori™」の開発アドバイザーも務めてきました。4時間超の手術を終えた藤澤氏は報道陣に向けて、「手技そのものは100点満点と言っていいでしょう」と評価し、新しい医療機器を社会に実装できたことに「感無量」と語りました。

そして2021年4月には、2施設目となる和歌山県立医科大学、そして3施設目の徳島大学病院での手術も成功。着実に実績を重ねつつある「hinotori™」は、果たしてこれからどこへ羽ばたこうとしているのでしょうか。

東條基幹職に聞くと、「CT画像を取り込んで仮想空間内で術前シミュレーションができたり、一部の単純な縫合作業を自動化したり、ベテランの技を継承するなど、まだまだ課題は多い」と、これからの可能性を展望しました。

山口氏は、今後の進化については「3つのナビゲーションがカギになる」と語ります。「術野に蛍光色素を注入し、より正確に患部の状態を見えるようにして施術の精度を上げるナビゲーション。ロボット手術の成果を蓄積して匠の技を工学的に実現するナビゲーション。そして5G、6Gの高速通信回線による遠隔手術も重要なナビゲーションです」。 現在、5G通信を使って8K映像をリアルタイム伝送する実証実験は各団体で積極的に進められています。次世代高速通信網が普及すれば、離れた場所同士でもタイムラグなしに遠隔手術ができるようになるでしょう。

メディカロイドは、それを証明する第一歩として2021年4月16日に「世界初の商用5Gを介した国産手術支援ロボットの遠隔操作実証実験」の開始を発表しています。ドコモの商用5Gとクラウドサービスを用いて高精細な3D手術映像とロボットの制御信号をリアルタイムに伝送する仕組みを通じ、まずは離れた場所にいる熟練のロボット外科医の操作支援を受けながら、実際の執刀医が手術支援ロボットを用いて施術する「遠隔手術支援」の実現を目指します。

5Gと「hinotori™」が作り出そうとしているのは、誰もが等しく良質な医療を享受できる社会。手術支援ロボットが広く社会に実装されれば、専門医が常駐していない街でも、海を隔てた辺境の地でも、高度な手術を受けることができます。その時もしも月面旅行が当たり前になっていたら、旅行会社のパンフレットにはこんな宣伝コピーが躍っているかもしれません。月面で具合が悪くなっても、地球上にいるドクターが治療してくれるのでどうぞ皆さまご安心を−−。