研究 Research

分野横断研究によって、ロボット技術を活用した医療用ロボットの研究開発を行っています。特に小児外科、脳神経外科、眼科、病理タスクを対象としたロボットや理化学実験の支援を行うロボットの研究開発を行っています。
We conduct research and development of robots for medical applications by means of cross-disciplinary research. In particular, we research and develop robots for paediatric surgery, neurosurgery, ophthalmology and pathology, as well as robots to support scientific experiments for basic medical research.

小児外科手術支援　For pediatric surgery

共同研究・研究協力　Collaborators：東大病院小児外科教室、埼玉県立小児医療センター、九州大学、帝京大学

小児を対象としたロボット手術は困難であり、特に新生児体腔のような狭小空間でのロボット操作は極めて困難です。私達は、狭小空間でも自動でロボット同士・ロボットと生体祖組織の衝突を回避しつつ、ロボット術具を誘導する手法を開発しています。また、バーチャル・リアリティ（VR）技術を用いたシミュレータを開発し、医師の技能を定量化したり、手術ロボット操作の訓練をしたりする手法を研究しています。
Pediatric robotic surgery is challenging, especially robotic manipulation in a small space such as the neonatal body cavity. We are developing methods to automatically guide robotic surgical tools in such a small space, while avoiding collisions between tools and between tools and the surrounding tissue. We are also developing a virtual reality (VR) simulator to assess surgical skills and train surgeons to operate our surgical robot.

脳神経外科手術支援　For neurosurgery
共同研究・研究協力　Collaborators：日本医科大学、東大病院脳神経外科教室、藤田医科大学、杏林大学

脳神経外科分野における経鼻内視鏡手術や顕微鏡下超微細手術を支援するための手術ロボットを開発しています。鼻の奥深くで縫合するタスクや１㎜以下の細い血管を30 μmの糸で吻合するようなタスクは、熟練医にとっても困難であり、ロボットを活用した支援が期待されています。しかし、このような手術では、ロボットの自重による変形も影響するため、ロボットのセンサーのみでは、ロボットツール先端の位置を正しく認識することすら困難です。また、視野が極めて狭いため、ロボット術具や針、糸などの一部が見えない場合も多く、ロボットが状況を把握することが困難です。特に視野外での意図しない危険な操作を回避する必要があります。私達は、汎用的な手術ロボットSmartArmを開発し、その知能化や自動化に取り組んでいます。また、内視鏡画像処理、顕微鏡画像処理も研究しています。
SmartArmとSmartArmの評価のための患者モデルはImPACTプロジェクトで開発されました。
Surgical robots are being developed to assist in transnasal endoscopic surgery and super-microsurgery in neurosurgery. Tasks such as suturing deep inside the nose or anastomosing very small blood vessels of less than 1mm with a 30µm thread are difficult even for experienced surgeons, so robotic assistance is expected. However, for robots performing such micro-tasks, it is difficult to even detect the correct position of the robot's tool tip using only the robot's sensors, as deformation due to the robot's own weight also has a large effect. In addition, the extremely narrow field of view often prevents the robot from seeing parts of the robot tool tips, needle and thread, making it difficult for the robot to be aware of the situation. Unintended and dangerous manoeuvres, especially outside the field of view, must be avoided. We have developed a versatile surgical robot, SmartArm, and are working to increase its intelligence and automate its tasks. We are also investigating endoscopic and microscopic image processing.
The SmartArm and the patient model used to evaluate the SmartArm were developed as part of the ImPACT project.

眼科手術支援　For eye surgery
産業技術総合研究所

共同研究・研究協力　Collaborators：東大病院眼科教室、熊本大学

網膜硝子体手術を対象とした眼科手術支援ロボットシステムを開発しています。この手術では、眼球に複数の細い術具を挿入し、眼底の生体組織に対する操作を行います。研究では、眼科手術ロボットシステムの自動化を研究しています。開発したロボットシステムは、遠隔操作だけでなく、安全性を保障するための自動化、より正確な操作や効率的な操作を支援するための自動化を必要に応じて組み込むことができます。安全性を保障する自動化としては、術具同士の衝突を自動で回避する制御、術具先端と眼球の内側の接触を自動で回避する制御、眼球の回転量を制限する制御などがあります。正確な操作や効率的な操作を支援する制御としては、ターゲットへの自動での位置決めや照明の自動化による片手操作のための制御などが含まれます。VRシミュレーターも活用したロボット軌道の最適化の研究も行っています。
A surgical robotic system has been developed to assist in vitreoretinal surgery. In this surgery, multiple thin surgical instruments are inserted into the eye to perform operations on the fundus. Specifically, we are studying the automation of the robotic surgical tasks. The tele-robotic system can be automated in a customisable manner, by integrating automation to ensure safety and automation to enhnace accuracy and efficiency. Automation to ensuresafety includes control to automatically avoid collisions between surgical instruments, control to automatically avoid unintentional contact between the tip of the instrument and the inner wall of the eyeball, and control to limit the amount of rotation of the eyeball. Controls for accuracy and efficiency include automatic positioning to a target and control for one-handed manipulation for autonomous illumination. A VR simulator has also been developed to study optimisation of the robot's trajectory.

病理タスク支援　For pathological tasks

共同研究・研究協力　Collaborators：東大病院病理部、帝京大学、産業技術総合研究所

病理におけるタスクを支援するロボットシステムを開発していいます。術中に摘出された腫瘍などの生体組織サンプルは、最終的に顕微鏡下で観察されるまでに様々な処理が必要ですが、病理医の手作業が必要なタスクも多く含まれます。そこで、ホルマリン固定された組織サンプルをロボットで切り出すためのロボットプラットフォームを開発しました。このロボットシステムは、遠隔操作も自動化も可能であり、必要に応じて支援の程度を変えることで病理プロセスを支援することができます。

A robotics system is being developed to assist in the pathology diagnostic process. Specifically, in a tumor identification case, the tissue samples obtained during the surgical procedure must undergo various preparation steps before they can be placed under observation for the final diagnosis. However, many of the current procedures for sample preparation are highly labor-intensive and challenging, requiring significant time and expertise from the pathologist. To address the issue, we are developing a robotic platform equipped with two industrial robotics arms for processing pathology specimens. Additionally, the system has a modular design, allowing for remote operation through direct teleoperation or with various degrees of automatic assistance to reduce the needs for human intervention and streamline the pathology process.

理化学実験支援　For scientific experiments
共同研究・研究協力　Collaborators：情報理工学研究科、立命館大学、東京医科歯科大学

手術支援ロボット技術を応用することで、理化学実験を支援するロボットシステムを開発しています。ロボットを使うことで、例えば、バイオハザード環境や宇宙などでも実験が可能になりますし、熟練の科学者でも難しい顕微鏡下の微細なタスクも実現可能になります。研究室では、このようなロボットシステムとその自律化を研究しています。シミュレーション環境を公開することで、この分野の研究の加速にも貢献します。
Robotic systems are being developed to assist in scientific experiments in the life science domain by applying surgical robotic technologies. Robots would enable experiments to be carried out in biohazardous environments and in space, for example, and would also enable complex microscopic tasks that are difficult even for skilled scientists. Automation of such complex non-repetitive task is challenging, and we use the robotic systems and their simulators to collect datasets for robotic learning. By making the simulation environment available to the public, we hope to help accelerate research in this area.

2022.10.24　プレスリリースを行いました。
サイエンス探求の自律化を目指した世界初のロボット・プラットフォーム―複数のロボットアームによって精密かつ器用な実験操作を実現―
Press Release on Oct.24, 2022
World's first robotic platform for autonomous scientific exploration -Multiple robotic arms enable precise and dexterous experimental manipulation- (Available only in Japanese)

サイエンス探究AIロボットシステムのシミュレーション環境（英語のみ）
Details of the robotic system and simulation environment