ロボット外科医：最小限の人間介入で軟組織手術を実現

次の手術がロボットによって計画・実行されたらどうでしょうか。ジョンズ・ホプキンス大学のチームが、このアイデアを現実のものにしようとしています。

ロボット支援手術の現状と課題

ロボット支援手術の概念自体は新しくありません。すでにいくつかのシステムが開発され、患者治療に使用されています。例として「ダビンチ手術システム」があり、ロボットアームを外科医が遠隔操作する腹腔鏡デバイスです。このシステムは自律的ではありません。ロボットが手術タスクを独立して実行することはありません。

より高い自律性を持つロボットシステムも開発されています。例えば「TSolution One®」は、事前に指定された計画に従ってロボットが骨を精密に切削します。

既存の自律ロボットシステムは主に、股関節や膝関節インプラントのための骨穿孔など、硬組織を扱う手術の支援に使用されてきました。しかし、これらのシステムは軟組織手術には用いられていません。軟組織手術には、患者の呼吸に伴う予測不能な組織の動きや、手術器具のサイズ制約といった独自の課題があるためです。

STAR：自律的軟組織手術ロボット

現在は、NIBIB（国立生体医工学・バイオイメージング研究所）の助成を受けた研究者たちが、外科医の最小限の支援で腸手術を実行できる自律ロボットを開発しています。さらに、このロボットは術前モデルでの直接比較において専門外科医を上回る性能を示しました。このロボットの開発を詳述した研究（自律的腹腔鏡軟組織手術の最初の事例として知られる）が、最近Science Robotics誌に掲載されました。

「手術結果は外科医の技量と経験に大きく依存し、腸手術で一針でも縫合を逃せば内部漏出と感染を招く可能性があります」と、NIBIBのディスカバリーサイエンス&テクノロジー部門プログラムディレクター、モリア・ビットマン博士。「この臨床前研究は、外科医に依存しない、人体における自律ロボット軟組織手術の効率性と安全性向上に向けた重要な一歩です。」

「STAR（Smart Tissue Autonomous Robot：スマート組織自律ロボット）」と名付けられたこのロボットは、ジョンズ・ホプキンス大学のアクセル・クリーガー博士と同僚たちによって開発されました。これまで、外科医の監督とガイダンスの下で「腸吻合（2つの小腸断端を縫合して1つの連続した腸管にする手術）」を実行するよう開発されてきました。クリーガー博士は手順を次のように説明します：外科医が手動で組織端を露出させた後、STARが画像を撮影し、組織の形状と厚さに基づいて縫合糸配置の計画を立案。人間のオペレーターが計画を承認すると、STARが独立して組織を縫合します。組織が変形または設定閾値を超えて移動した場合、STARは外科医に新たな手術計画の作成が必要か確認します。このプロセスを手術完了まで繰り返します。

「新しい縫合ツール、画像システム、機械学習アルゴリズム、ロボット制御を組み込むことで、STARシステムは自律的腹腔鏡軟組織手術の課題を克服する装備を備えています」とクリーガー博士。「STARは手術視野を視覚化し、手術計画を生成し、高い精度と正確さでそれらを実行できます。」ただし、「STARは外科医に取って代わるものではありません。自律ロボットは外科医と共に手術ワークフローに組み込まれ、精密で反復的なタスクの性能を高め、最終的に患者間の手術一貫性を向上させるよう設計されています。」

専門外科医との性能比較

STARの性能を専門外科医と比較評価するため、研究者たちは「ファントム」腸組織をモデル系として使用しました。合成小腸をリニアステージに取り付け、前後運動をプログラムして手術中の呼吸運動をシミュレート。さらに実験中、ファントム組織をランダムに回転・変形させ、STARまたは外科医が一時停止・再調整・手術完了を繰り返す必要がある状況を作りました。STARはファントム組織で5回手術を実施。4人の外科医がそれぞれ2通りの方法（従来の手動腹腔鏡2回、別のロボット支援システム2回）で手術を行いました。

専門外科医と比較して、STARはミスが少なく、縫合間隔と深さの一貫性が高かったです。さらに、吻合後のファントム腸に粘性液体を流したところ、STARが再建した組織で最も層流（滑らかで流線的な流れ）に近い流れが観察され、専門外科医によるものより高品質な吻合であることが示されました。

大型動物モデルでの検証

最後に、大型動物モデルでSTARの性能を評価。5頭の豚で腸吻合を実施。4頭はSTARで、1頭は従来の手動腹腔鏡で実施。ファントム実験と同様に、STARは専門外科医よりミスが少なかったです。さらに、手術7日後の創傷治癒を分析したところ、両手術法間に観察可能な差はありませんでした。

「結果は、STARが縫合タスクにおいて専門外科医より一貫性と精度が高いことを示しています」とクリーガー博士。「自律手術ロボティクスが外科医療を民主化し、より予測可能で一貫した患者アウトカムをもたらす可能性を示しています。」

「多くの人が、伝統的に人間が行ってきた専門タスクを機械が行うことに躊躇を感じるかもしれません。しかしロボットシステムには医療現場で患者アウトカムを改善する可能性があります」とクリーガー博士。「クルーズコントロール、レーンキープアシスト、自動駐車など、自動車に徐々に導入された機能が最終的に自動運転車につながったように、医療ロボティクス分野でも同様の進化が見られるでしょう。」