医療用ロボット：世界第2位のロボットの現状と今後の応用展望

医療用ロボットという用語は、監督なしで事前にプログラムされたタスクを自律的に実行する機械のイメージを思い起こさせるため、少し誤解を招く可能性があります。このようなアプリケーションは業界で人気がありますが、人間のタスクを扱う場合には人間のスキルも非常に重要です。

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一般的に医療用ロボットは医療機器であると考えられていますが、医療機器とは異なります。ロボットは医師を支援し、医師の能力を拡大し、その知能レベルは向上し続けるでしょう。同時に、医療への応用性、臨床適応性、優れたインタラクティブ性という3つの側面も満たす必要があります。

医療用ロボットはここ数十年で使用され始めたばかりですが、その存在感は劇的に高まっています。

ボストンコンサルティンググループの予測によると、医療用ロボットの年間収益は現在40億ドルで、2020年には114億ドルに達すると一部メディアが報じている。その中で最も有名な医療用ロボット企業であるインテュイティブ・サージカルは、2014年に21億ドルの収益を上げました。医療用ロボットの急速な成長により、将来的には商用ロボットが軍用ロボットに取って代わり、市場価値170億ドルの第2位のロボット市場となるでしょう。

医療業界がロボットに興味を持つ理由は数多くありますが、それは製造業界で自動化機械を導入する理由に似ています。医療用ロボットが解決する問題が同じだというわけではありませんが、その利点は間違いなく同様です。ロボットが医療業界にもたらすメリットは、主にスピード、正確性、再現性、信頼性、費用対効果など、最も専門的で勤勉な医療従事者がもたらすメリットよりも大きい可能性があります。ロボットはどれだけ長く使用しても決して疲れず、100 回目に使用しても初めて使用したときと同じように正確です。

現在、医療用ロボットは主に以下のカテゴリーに分類されます。

• 手術用ロボット: 手術画像誘導や低侵襲手術に使用できます。そのほとんどは外科医によって制御されます。医師が入力デバイスを制御し、ロボットは指示に従って患者に手術を行います。
• リハビリテーション ロボット: 高齢者、永久的または一時的な障害を持つ患者、運動能力が制限されている人々の支援と治療に使用されます。ユーザーは視覚的なフィードバックとさまざまな入力デバイスを使用してロボットを制御し、食べ物を口に入れる、本のページをめくる、立ち上がって歩くなどの簡単な作業を実行します。
• 医療サービスロボット：一般的な形態は、病院内で医薬品の受け取りや配布に使用される移動式輸送ロボットや、病院スタッフの不足の問題を解決し、重労働や退屈な作業を分担できる消毒・殺菌ロボットです。
• 研究室用ロボット: 薬物検査や HIV 検査などの反復実験を行うために使用されるロボットは、時間を節約し、人手を他の目的に割り当てます。研究室用ロボットが人気を博している主な理由は、反復作業を高速かつ確実に、疲労なく実行できることです。

もちろん、上記の分類がすべての医療用ロボットを網羅するわけではありません。認知症や認知障害の治療に役立ち、リハビリ型の在宅介護にも活用できる、伴走型の感情ロボットも存在します。

統計によると、現在、外科用ロボットの割合が最も高く、60%を超えています。これは主に早期開発によるもので、その実用性と効果は最も重要です。しかし、ロボット工学や人工知能技術の発展により、リハビリテーションやサービスロボットも追いつきつつあります。次の記事では、Leifeng.com が外科用ロボットの歴史に焦点を当てます。

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技術の起源は、多くの場合、その前身の技術の長所と短所に根ざしており、外科用ロボットの場合、その前身は腹腔鏡手術です。

腹腔鏡装置自体は触覚フィードバック（力と触覚）を提供できず、自然な手と目の協調と器用さを実現できません。また、2D ビデオ モニターを見ながら腹腔鏡器具を動かすのも、いくぶん直感に反します。また、操作中は、ディスプレイ上のターゲットと反対方向に機器を動かす必要があります。これらのことから腹腔鏡の利点を引き出すことが難しく、これらの限界を克服するために手術ロボットの開発が進められてきました。

外科用ロボットが初めて使用されたのは 1985 年の PUMA 560 で、これにより脳神経外科の生検を正確に制御できるようになりました。 3年後の1988年に、PUMA 560は前立腺手術に使用されました。このシステムは、前立腺手術専用に設計されたシステムである PROBOT の開発にもつながりました。

PROBOT が開発されていた一方で、Integrated Surgical Supplies 社は別のロボットも開発していました。 1992 年に ROBODOC が誕生しました。このロボットは、人工股関節全置換手術を行う外科医を支援することができます。また、FDA によって承認された最初の外科用ロボットでもあります。

また、1980 年代半ばから後半にかけて、NASA エイムズ研究センターのメンバーのグループが、仮想現実技術を使用して遠隔手術を開発することに興味を持ちました。この遠隔手術の概念は、外科用ロボットの開発の主な原動力の一つにもなっています。

1990 年代初頭、エイムズ チームの科学者数名がスタンフォード研究所 (SRI) に加わりました。研究者たちは、SRI の他のロボット工学および仮想現実の専門家と協力して、手術用の器用な遠隔操作装置を開発しました。彼らの主な設計目標の 1 つは、外科医に、別の部屋ではなく患者に直接手術を行っているという感覚を与えることでした。

これらのロボットの開発中、数人の一般外科医と内視鏡医が開発チームに加わり、これらのシステムが従来の腹腔鏡手術の限界を改善する大きな可能性を秘めていることに気付きました。

一方、米軍もSRIの研究に注目し、テレプレゼンスを通じて「負傷した兵士のもとに外科医を派遣する」ことで戦時中の死亡率を低下させる可能性に興味を持っていた。研究者らは、米陸軍の資金援助を受けて、負傷した兵士をロボット手術装置を搭載した車両に乗せ、近くの移動式高度外科病院（MASH）の外科医が遠隔で手術するシステムを設計した。

大いに期待されていたこのシステムは、兵士が病院に到着する前に大量の出血を防ぐことで、戦時中の死亡率を減らす可能性がある。このシステムは動物モデルでは成功しているが、実際の戦場での負傷者の治療ではまだテストされていない。

その後、米軍向けに外科用ロボットシステムを開発した数人の外科医とエンジニアが、民間企業であるコンピューターモーション社を設立し、民間外科の分野にロボット技術を導入し始めました。注目すべきことに、同社は米軍からシード資金を受け取り、内視鏡カメラを操作する外科医制御のロボットアームである自動内視鏡最適化位置決めシステム（AESOP）を開発した。

AESOP が発売されて間もなく、Integrated Surgical Systems (現 Intuitive Surgical) が SRI Green Telepresence Surgery システムのライセンスを取得しました。その後、彼らはシステムを大幅に再設計し、最終的にダヴィンチ手術システムとなりました。 2000 年、ダヴィンチ ロボットは FDA の承認を受け、初の総合的な腹腔鏡手術ロボット システムとなりました。

ダヴィンチ外科システムは、主に外科コンソール、制御システム、ロボットアームの 3 つの部分で構成されています。医師は手術台の前に座り、コンピューターに適切な指示を与えます。カメラは人体の臓器内の対応する状態を知らせ、医師はこのフィードバック情報に基づいて手術の決定を下します。

Da Vinci の誕生から 1 年後、Computer Motion の Zeus システムも生産に入りました。その後の外科用ロボットシステムの開発は、基本的に上記2社が主導しました。その後、2003 年に Intuitive Surgical 社が Computer Motion 社を買収したため、Zeus システムは積極的に販売されなくなりました。

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外科手術の進歩と同様に、義肢や外骨格などの他の種類のロボット工学も大きな進歩を遂げています。

ゼネラル・エレクトリックは1960年代に最初の外骨格を開発しました。それはハーディマンと呼ばれ、油圧と電動のボディを備えたウェアラブルデバイスです。重すぎるため軍事用途には使えません。現在、この分野ではReWalkのような企業が次々と登場しています。

ロボット外骨格の助けにより、脳卒中患者は従来の理学療法よりも早く腕の動きを取り戻すことができます。センサーは筋力、可動範囲、脳の活動を検出し、患者の治療の進捗状況をセラピストに知らせることもできます。このような機械は、健康な部分が損傷した部分を補えるように脳を再訓練するのにも役立ちます。このロボットシステムは、患者が歩行やその他の運動能力を再学習するのにも役立ちます。

マイクロプロセッサを搭載した人工膝関節は1993年に市場に登場し始めました。 1998 年、Adaptive Prosthesis 社はマイクロプロセッサと油圧および空気圧制御を組み合わせ、義肢の歩行能力をより自然にし、歩行速度の変化に対する応答性を向上させました。同時に、1997年にデビューしたC-Legは、膝の屈曲制御をさらに強化しました。各ユーザーの個々の状況に適応し、ローラースケートやサイクリングなどのスポーツを可能にするほど洗練されたものとして開発されました。

今日では、ロボット義肢には筋肉や神経に取り付けられたセンサーも搭載されており、患者は触覚を感じたり、思考で動きをコントロールしたりすることもできる。バイオニックハンドには細かい運動能力も備わっており、書くこと、タイプすること、ピアノを弾くことなどの作業を行うことができます。

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近年、医療ロボットの応用範囲が拡大しています。ダヴィンチロボットはすでに病院で何千もの手術を行っており、ブドウの皮を縫うほどの精度も備えている。 Leifeng.com によれば、2015 年までに、ダヴィンチ手術システムによる手術件数は 60 万件以上に上った。心臓弁の修復から腫瘍の除去まで、さまざまな手術に使用できます。

しかし、医療用ロボット、特に自律手術ロボットはまだ初期段階にあることに留意する必要があります。例えば、柔軟な制御と、柔軟性によってもたらされる精密な感覚制御の問題、例えば、多重情報の統合、視覚化とセンシング、そして最も包括的な人間とコンピュータの相互作用をどのように実現するか、といった問題はまだ解決されていません。監督やアクセスにも多くの問題があります。安全性と有効性は医療機器の登録に必要な基準です。

将来の医療ロボットは、確実に外傷を軽減し、シンプルで安全、統合され、医師の手術習慣に適したものになるでしょう。将来的には、直接制御やマスタースレーブ統合も可能になり、より小型で便利なものになるでしょう。

ロボット手術は、腹腔鏡手術の限界をなくすという目標を達成したと言えるでしょう。現代医学における最新かつ最も革新的な技術でさえ、簡単に言えば「ロボット」です。

付録: 医療ロボットに関する歴史的な詳細

• 世界初の外科用ロボットは、股関節置換手術用ロボット「アースロボット」で、1983 年にカナダのバンクーバーで初めて開発され使用されました。
• 外科用ロボットが初めて使用されたのは、1985 年の PUMA 560 でした。
• インテュイティブサージカルは1995年に設立されました。
• 2003年12月、米国タンパの病院は、医師が手術用ロボットを使って誤って大血管を切断し、女性の夫が死亡したとして訴訟を起こされた。
• 2006年5月、イタリアで初の無人ロボット手術が行われました。
• 2008 年 6 月、ドイツ航空宇宙センター (DLR) は、フォースフィードバックを備えた初の低侵襲手術ロボット システムを開発しました。
• 2010 年 9 月、リュブリャナ大学医療センターはロボットによる大腿血管手術を実施しました。このとき使用されたロボットは、人間の手の動きを再現するのではなく、ボタンを押すだけで自動的に動作する、本物のロボットといえます。