医学と工学の統合により、スマート製造が道を切り拓きます。同大学の張建華教授のチームは、最初の脊髄電極埋め込みロボットを作成した

人々の健康は国の繁栄と国力の重要な象徴です。中国共産党第20回全国代表大会は、新時代と新たな旅路における健全な中国の建設を加速するための新たな戦略的取り決めを行い、新たな任務と使命を割り当て、「人民の健康の保護を優先発展の戦略的位置に置く」ことを提案した。現在の世界の先端医療は、化学や生物学などの基礎学問を基礎とする伝統医学とは異なり、ロボット工学、ビッグデータ、新素材などの先端製造技術を融合し、医工学の進化を加速させ、「知能医療」の時代を迎えています。健康中国戦略の徹底した実施により、先進医療機器に対する大規模かつ多層的な需要が急速に高まっています。最も直感的で代表的なものは、医療分野におけるロボットのマルチシナリオ応用です。

脊椎電極埋め込みロボット動物実験

最近、当院の張建華教授のチームと北京天壇病院の何江紅院長のチームが共同で完成させた初のロボット支援脊髄電極移植動物実験が北京で成功した。この実験は、チームによって開発された最初の真の人型双腕介入ロボットが脊髄電極移植手術プロセスを完了できることを証明しました。医師はX線照射を受けておらず、手術の効果は良好で、有害事象もありませんでした。ロボット支援脊髄電極移植手術には大きな利点があり、国内の脊髄電極移植ロボット技術の応用におけるギャップを埋めます。

張建華教授のチームは、国内外のロボット工学分野の学術最前線の研究に長年注力してきました。同社は医療リハビリテーションロボットの研究を継続しており、医療手術、リハビリテーション、高齢者ケアのニーズに応えるためにロボット技術を活用することに尽力している。

▍介入手術とは何ですか?介入ロボットはどのような問題を解決できるでしょうか?

簡単に言えば、インターベンション手術には大きな利点があり、幅広い適応症があります。介入ロボットは、手術ロボットの注目分野です。具体的には、介入手術は、針の穴ほどの小さな穿刺を使用して、画像（DSAなど）の誘導下で治療器具や薬剤を患部組織に送り込み、物理的、機械的、または化学的治療を行う低侵襲技術です。この技術は、心臓、神経、末梢血管インターベンション、腫瘍インターベンション治療、門脈圧亢進症に対する血管内インターベンション、非腫瘍病変および末梢血管疾患に対する血管内インターベンション、緊急出血動脈内塞栓術、非血管内インターベンションなどのさまざまな手術で広く使用されています。

しかし、インターベンション手術では医師はX線の下で手術を行う必要があり、手術を行うには重さ約15kgの防護服を着用する必要があります。このため、医師は放射線のリスクにさらされるだけでなく、体重をかけて長時間立っている状態となり、首や腰の疾患、下肢の静脈瘤などを引き起こしやすくなります。また、連続した手術により医師の疲労が早くなり、手術の有効性や安全性に影響を与える可能性があります。

これらの問題を解決するために、多くの医療メーカーや研究機関が介入ロボットを開発しました。これらのロボットを使用することで、医師はX線から物理的に隔離され、ロボットを通じて正確な位置決めや手術が可能となり、手術の精度と安全性が向上します。現在、これらの介入ロボットは主に心臓、神経、末梢血管の介入処置に使用されています。

介入手術の利点と応用分野

▍なぜ脊椎電極移植にロボットを使用するのでしょうか?

脊髄電極の移植について話すときは、まず脊髄電気刺激という概念を導入する必要があります。臨床的に重要な治療法であり、慢性疼痛治療​​、意識障害の覚醒、運動障害のリハビリテーションの3分野で広く用いられています。

私の国では、慢性疼痛が一般的な問題となっており、3億人以上が罹患しており、毎年1,000万～2,000万人の新たな患者が発生しています。さらに深刻なのは、我が国には意識障害患者が100万人以上おり、これらの患者の治療費が毎年300億～500億元という驚異的な額に達していることだ。これは間違いなく患者の家族や社会全体に多大な負担をもたらしており、脊髄電気刺激はこれらの問題を軽減する大きな可能性を秘めています。

脊髄電極移植手術の概略図

脊椎電極移植についてお話しましょう。これは、脊髄内腔と硬膜外腔の間に電気刺激を与える必要がある手術です。治療には断続的な電気刺激が使用されます。

医師は X 線画像の指導の下で手術を行います (下図参照)。柔軟な電極を脊椎間隙に柔軟に通し、狭い硬膜外腔に正確に到達し、腔内のさまざまな組織の制約を克服して、長距離にわたって第 2 頸骨に到達する必要があります。

医師は X 線検査下で脊椎電極の埋め込みを行う

手術領域全体が脊髄神経に近いため、この種の手術は典型的な「危険、危険、盲目で困難な」手術です。糸を切ることは医師の健康を大きく危険にさらします。非常に敏感な手術領域は手術の「危険」を悪化させます。操作は、3 次元画像がないため、半「ブラインド」方式で実行されます。手術は非常に「難しい」。

したがって、この種の手術では、ロボットの正確な位置決め、鋭敏な知覚、正確な操作を活用して、上記のボトルネックを突破することが緊急に必要です。現在、脊髄電極埋め込み型ロボット製品や関連研究報告は世界中に存在しません。

▍最初の人型二本腕介入ロボットはどのようにして脊髄に電極を埋め込むのでしょうか?

上記の脊髄電極移植手術の臨床的問題点に対応して、Zhang Jianhua 教授のチームは、人間に似た初の両手協働脊髄電極移植ロボット システム (下の写真) を開発しました。

狭くて深い脊髄腔内で超アスペクト比の電極カテーテルとガイドワイヤーを同時に操作するという操作上の問題に直面し、Zhang Jianhua教授のチームは、医師の外科手術メカニズムの探索とバイオニクスを通じたマルチアームハンドの柔軟な連携に基づいた、柔軟性の高い電極埋め込みロボットアーキテクチャを提案しました。彼らは、マルチアームハンドシステム用の便利な術前位置決めおよび術中の安全な協調制御アルゴリズムのセットを確立し、電極カテーテルとガイドワイヤの大ストロークおよび高精度の協調操作を実現しました。同時に、バイオニックマイクロナノハイブリッド微細構造に基づいた柔軟な電極カテーテルクランプインターフェイスも設計し、電極カテーテルの非破壊的なクランプと連続的な押し込みとねじりを実現する、フロント駆動の柔軟な電極回転クランプと連続的な押し込みとねじりのオペレータを開発しました。

マスタースレーブ操作下での手術力の感知とフィードバックの問題に対応して、研究チームはファイバーグレーティングに基づく柔軟な電極の相互作用力感知方法を確立し、医師の押したりひねったりする感触を模倣した力フィードバックマスターハンドを開発し、柔軟な微小手術力の高感度モニタリングと高い臨場感の再現を実現しました。

さらに、チームは、医師の手動学習と、プッシュとツイストを組み合わせたフレキシブルワイヤーの正確で安全な運転戦略に基づいたインテリジェントな手術経路計画アルゴリズムを確立し、医師の「手、触覚、目、脳」の機能を拡張および強化し、脊髄電極移植手術の有効性と安全性を根本的に改善することを目指しました。

医学と工学の統合により、インテリジェント製造が道を切り開きます。介入医療における医療ロボットの応用は、長い学習曲線の問題を軽減するだけでなく、より正確で標準化された手術を可能にします。これには大きな臨床応用スペースと大きな開発の可能性があります。これは医学と工学の統合の典型的な応用例です。これにより、科学と工学の研究上の利点と医学の臨床ニーズの完璧な組み合わせが達成され、より多くの人々がロボット技術によってもたらされる生活の素晴らしい変化を享受できるようになります。