ジョイスティック操作のロボットが遠隔脳卒中手術を可能に

MITのエンジニアたちが、脳卒中や動脈瘤の患者を迅速かつ遠隔で治療するための遠隔操作ロボットシステムを開発しました。改良されたジョイスティックを使用して、ある病院の外科医が別の場所にあるロボットアームを操作し、患者の命を救い脳機能を維持するための重要な時間窓において安全に手術を行うことができます。

磁気制御による血管内治療の革新

このロボットシステムは磁石によって動作が制御され、脳卒中の緊急治療である血管内治療を遠隔で支援するよう設計されています。通常、この治療では外科医が細いワイヤーを手動で血栓まで誘導し、物理的に閉塞を除去したり薬剤を投与して溶解させたりします。

アクセスの課題を解決

このような手術の大きな制約はアクセス性です。脳血管外科医は大規模医療機関に所属していることが多く、特に脳卒中発症後の「ゴールデンアワー（治療が最も効果的な発症後数時間）」において、遠隔地の患者が迅速に治療を受けることは困難でした。

地域病院への導入ビジョン

MITチームは、このロボットシステムを中小規模病院に設置し、大規模医療センターの熟練外科医が遠隔操作することを想定しています。システムには医療グレードのロボットアームと、その手首に取り付けられた磁石が含まれます。ジョイスティックとリアルタイム画像を用いて、オペレーターは磁石の向きを調整し、アームを操作して柔らかく細い磁性ワイヤーを動脈や血管内で誘導します。

実証実験での成果

研究者たちは、「ファントム（脳の複雑な動脈を再現した透明モデル）」を用いてシステムを実証しました。わずか1時間のトレーニングで、脳神経外科医たちはロボットアームを遠隔操作し、ワイヤーを血管の迷路の中から目標地点まで誘導することに成功しました。

「患者を地方から大都市へ搬送する代わりに、地元の病院で看護師がこのシステムをセットアップし、大規模医療センターの脳神経外科医がライブ映像を見ながらゴールデンアワーに手術を行う。それが私たちの描く未来です」と、MITの機械工学および土木環境工学教授である趙軒河（シュアンホー・チャオ）氏は語っています。この成果はScience Robotics誌に掲載されました。

血管内手術の専門性とロボット支援の進化

血管内手術は、体内の動脈や血管を通って標的部位まで細い医療用ワイヤーを慎重にねじりながら誘導し、血管壁を傷つけないよう操作する高度に専門化された低侵襲手術です。この手術を習得するには通常、数年の訓練が必要です。

ロボットシステムは血管内手術の支援技術として研究されてきました。これらのシステムは主にモータードライブを用いてワイヤーを前進・後退させながら体内の血管系をねじり進めるものです。

「しかし、外科医と同じレベルの洗練さでロボットをねじることは困難です」と筆頭著者のキム・ユンホ氏は述べています。「私たちのシステムは、根本的に異なるメカニズムに基づいています。」

磁気誘導ワイヤーの開発経緯

チームの新システムは、2019年の研究成果に基づいています。当時、彼らはスープ缶ほどの大きさの手持ち磁石を手動で操作し、実物大のシリコーン製脳血管モデル内で磁気制御スレッドを操縦することに成功しました。

その後、磁石を医療グレードのロボットアームの先端に固定し、マウス上の小さなジョイスティックノブで操作できるようにしました。ジョイスティックを傾けることで磁石の向きを変え、磁性ワイヤーがそれに追従するようにしています。マウスのボタンでモーター駆動のリニアドライブを制御し、ワイヤーの前進・後退を行います。

このワイヤーは従来の神経血管ガイドワイヤーと同程度の細さと柔軟性を持ち、磁場の方向に追従して曲がる柔らかい磁気応答性の先端を備えています。

臨床環境でのテストと外科医の評価

チームはマサチューセッツ総合病院のカテーテルラボ（血管内手術で使用される標準的な医療画像装置を備えた手術室）でロボットシステムをテストしました。ロボットアームと実物大のシリコーン製血管モデルをラボに設置し、ジョイスティックとモデルのライブ映像を映すモニターをコントロールルームに配置。オペレーターは映像を見ながらジョイスティックでワイヤーを遠隔操作しました。

複数の脳神経外科医を対象にロボットシステムの操作トレーニングを行ったところ、わずか1時間のトレーニング後、全員が手動ガイドワイヤーでは操作困難な複雑な血管をワイヤーで通過させることに成功しました。

模擬血栓の除去実験

チームはロボットシステムを用いて、モデル内の到達困難な領域にある模擬血栓の除去も実演しました。ガイドワイヤーを血管内で急カーブを曲がりながら血栓部位まで誘導し、標準的な血管内手法でマイクロカテーテルをワイヤーに沿って血栓部位までスレッドし、ワイヤーを抜いた後、カテーテルを用いて血栓を除去することに成功しました。

「磁気ガイドワイヤーの主目的は、標的部位へ迅速かつ安全に到達し、マイクロカテーテルなどの標準デバイスで治療薬を投与できるようにすることです。私たちのシステムは『道案内役』のようなものです」とキム氏は説明しています。

患者と医師の双方へのメリット

キム氏は、この遠隔操作システムがより多くの患者に時間クリティカルな治療を提供できることを期待しています。また、通常同じ部屋で血管手術を行う外科医がX線撮影による放射線被曝を受ける問題も解決できると指摘しています。

「神経外科医は別の部屋、さらには別の都市からロボットを操作でき、繰り返しのX線被曝を避けられます」とチャオ教授は述べています。「脳卒中は死因および長期障害の主要原因の一つであることを考慮すると、この技術がグローバルヘルスに与える潜在的影響に大きな期待を寄せています。」