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

公開日2021.01.31

人類が鉄を使い始めるよりずっと昔、青銅器が主流だった太古の時代から医療機器は存在しました。紀元前2000年頃(※1)、メソポタミア文明の人々はすでに手術用のメスを発明していたといいます。 それから4000年、科学の世紀を経てテクノロジーは飛躍的に発展。レーザーや超音波、ナノテクノロジーといった先進技術により医療の分野は大幅な進化を遂げています。そして2021年のいま、注目を集めているのが医療用ロボットの台頭です。

「人を支える」という使命

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

※1 Jo Marchant, “Scalpels and skulls point to Bronze Age brain surgery” , New Scientist  参照 

※2 J.Kenneth Salisbury Jr., Ph.D., “Robotic technology in surgery: Past, present, and future” , American Journal of surgery 参照

※3 Grzegorz S. Litynski, “Mouret, Dubois, and Perissat: The Laparoscopic Breakthrough in Europe (1987-1988)” , Jornal of The Society of Laparoscopic & Robotic Surgeons 参照

※4 インテュイティブサージカル社2021年1月13日付けプレスリリース 参照 

内視鏡手術支援ロボットと腹腔鏡下による胃切除術の合併症発生件数と発生率

命と向き合う医療従事者のために

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。

メディカロイドって?

川崎重工とシスメックスが2013年に折半出資して立ち上げた、医療用ロボットの製造・販売会社。社名はMedical(医療)+Android(ロボット)を組み合わせた造語で、「人の代わり」になるのではなく、「人に仕え、人を支える」ロボットづくりを目指します。2020年8月に国産初の手術支援ロボット「hinotori™ サージカルロボットシステム」の製造販売承認を取得しました。

高まる手術支援ロボットの需要

手術時に傷口が小さく済み、出血量も少なく、回復が早いといった患者側の利点はもちろん、医師の肉体的負担を軽減できるのも手術支援ロボットの特徴。長時間無理な姿勢を強いられずにすむうえ、高精細画像により視力も補えるため、外科医の術者としての寿命を延ばすことも期待できます。米市場調査・コンサルティング会社のMarketsandMarkets社は、手術支援ロボットの市場規模は2021年から2026年にかけて17.6%拡大すると予測しています。

人間の腕以上に自由度の高いアーム

「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。

「hinotori™」のオペレーションユニットは、カート(本体下)、アームベース(同上)、ポジショナ(同下)、そしてオペレーションアームからなる。4本のアームは、1本が内視鏡、2本が剥離・縫合などの手技に用いる鉗子、1本が内蔵を押さえたり吊るしたりする際に使用する鉗子として使われる。ⓒTezuka Productions
「hinotori™」のアーム部分。8軸の動きで多様な動きにより「人の腕と同じ機能」を実現。アームの先にあるのがインストゥルメントで内視鏡や鉗子があり、インストゥルメント自身も4軸の動きを持っている
医師がロボットを操作する操作台がサージョンコックピット。3D内視鏡画像を見ながら、2本のハンドコントロール、フットスイッチなどでロボットを操作する。コックピット自体がさまざまな姿勢に追随するようにもなっている
高速通信回線を使い手術をリアルタイムにモニタリングし、トラブル発生時にリモートでサポートできるのは世界初の技術で、より高い安全性を確保している

あのオカムラが開発した「hinotori™」専用チェア

オフィス家具大手の株式会社オカムラが手掛けた「hinotori™」専用のチェアが「kumpel(クンペル)」。開発にあたっては、メディカロイドおよび神戸大学と共同し、執刀医の作業姿勢を調査。長時間の作業でも疲れにくいように、術者の骨盤を立たせて正しい姿勢をサポートするよう設計されました。フットペダルの操作を考慮し座面は5度まで前傾可能とし、奥行きを短く先端はV字形状としました。また、休息時に肩が回しやすいよう、背もたれ形状にも工夫をこらしています。※4

※4 株式会社オカムラニュースリリース「手術支援ロボット『hinotori™』用チェア『kumpel(クンペル)』を共同開発」 2020年12月20日付 参照

18兆回のシミュレーションを実施

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。

操作フィールを左右するのは“操縦桿”

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。

試作機の評価作業の風景。試作・評価・改善が何度も地道に繰り返された

5G・6Gが拡げる「hinotori™」の可能性

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−−。

医療現場に影響を及ぼす「PCR検査」もロボットで自動化

コロナ禍で川崎重工は、シスメックス、メディカロイドと共に急ピッチで「自動PCR検査ロボットシステム」を開発。1日最大2,500検体を全自動で検査するシステムを開発しました。医療従事者の負担を大幅に軽減するとともに、約80分でスピーディな検査ができるのも特徴。40フィートコンテナに収まる省スペース対応としているため、“移動検査場”として各地のイベントなどに出張させることも可能です。

ロボットによる検査工程の流れ。一連の仕組みを40フィートコンテナに納め、簡単に設置できるよう設計されている

産業用ロボット大国である日本ですが、医療用ロボットといえば検査・診断用システムが主流で、手術支援ロボットに関しては後手に甘んじてきました。その状況を打破したのが「hinotori™」です。川崎重工が半世紀以上にわたり培ってきた産業用ロボットの技術。その基盤をもとに、日本初の手術支援ロボット「hinotori™」は誕生しました。カワサキロボットのDNAを見事に継承するコンパクトで操作性に優れた手術支援ロボットは、医療の最前線で医療従事者を支えるとともに、地域を越えて世界中の患者に“平等な医療”を実現する可能性を秘めているのです。

株式会社メディカロイド
代表取締役 社長執行役員CEO
浅野 薫

「hinotori™」に込められた理想の実現に努力を続けます

「hinotori™」の開発は、川崎重工の橋本康彦社長やシスメックスの家次恒社長などさまざまな人たちの熱意が結集して始まりました。私たちには、産業用ロボットでは世界に冠たる技術を誇りながら医療世界のお役に立てていないことに忸怩たる思いがありました。

実際、事業化調査でも多くの医師から、「既存のロボットはコストのハードルが高く、採算が取れない」「日本製のロボットならば一緒に改良を重ねていける」など前向きなご意見をたくさん頂戴しました。また開腹から腹腔鏡、そしてロボットへの低侵襲手術の進化は紛れもないもので開発を決断したのでした。

以来、川崎重工、シスメックス、そしてメディカロイドの技術者たちは、まさに寝る間も惜しまず開発を続けました。開発ではメディカロイドが神戸市の医療産業都市構想に参画しており、ポートアイランドに集結する医療施設や医療部品メーカーとも密接に連携できたことも原動力となりました。2020年8月には厚生労働省から製造・販売の承認を得、12月には初手術にも成功。私たちにとって2020年は、医療革命の最前線に立った高揚感に満ちた年になりました。

しかし、「hinotori™」の普及と技術進化のためにやるべきことはまだたくさんあります。小中規模の病院でも活用できるリース方式や実績課金などの柔軟な導入策を用意する一方、トレーニングセンターの充実やプロクター(指導役の医師)の育成にも力を注がなければなりません。ユーザークラブも組織して改善の声を開発に反映し、真に医師にフレンドリーなロボットの開発や保険適用科目の拡大にもつなげていきたい。またAIの活用による技の伝承や高速通信網を活用した遠隔手術の実現に向けた取り組みもすでに始めています。FDA(米国食品医薬品局)への承認申請の準備も進めています。

当社は手術用ロボットのほかに、既存の産業用ロボットの基本構造はそのままに医療用に応用したロボットを提供するアプライドロボティクス事業も強化しており、PCR検査用ロボットなどを展開していきます。メディカロイドと川崎重工、シスメックスの3社は、医療関係者と共に歩み、「hinotori™」の名に込められた命の尊厳の実現に努力して参ります。

神戸大学医学部付属病院
国際がん医療・研究センター(ICCRC)
副センター長・特命教授
山口 雷藏
川崎重工業株式会社
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
医療設計二課 基幹職
東條 剛史
川崎重工業株式会社
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
医療設計二課 課長
山守 啓文
川崎重工業株式会社
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
医療設計一課 基幹職
圡井 航
この記事をシェアする