Development of a Biomechanical Model to Preemptively Estimate Tissue Damage for Robotic-Assisted Surgery

本研究の目的は術者の力制御の技術をモデル化し、手術ロボットへ導入することを目標としている。そのために達成すべき課題としてまず、生体組織の破断メカニズムを明らかにし、組織破断力の定式化に取り組んだ。豚の大動脈、肺動脈、小腸と十二指腸を用いて二段階力学試験を行った。まず腸管と動脈の軸方向にそって組織を切り開いた。次に長方形型の検体を切り取り、引張り試験を行い、組織の初期弾性率を求めた。続いて、長方形型検体の中心から軸方向に向かって切り込みを入れ、トラウザー型検体を用いて引き裂き試験を行い、破断エネルギーを算出した。以上の実験で生体組織の破壊エネルギーと初期弾性率に相関性があることが示された。また、生体組織で求めた相関はポリマーハイドロゲルで示されいる相関と類似しており、生体組織とポリマー間で力学メカニズムが共通している可能性が明らかとなった。また、腸管（小腸と十二指腸）では破壊エネルギーと弾性率の-0.5乗に右肩上がりの線形関係が存在する事が分かった。一方、動脈（大動脈と肺動脈）では破壊エネルギーと弾性率に右肩上がりの線形関係が存在し、その線形関係には腸管に存在しなかった異方性が存在した。現在、動脈と腸管で求められた相関が異なった理由を明らかにする段階であり、顕微鏡画像の解析を行っている。また、二段階力学試験後に各組織の破断パターンを観察した。大動脈と肺動脈は円周方向に沿って千切れ、小腸と十二指腸では軸方向に沿って千切れる傾向があった。この現象を組織学的観点から結果を考察すると、組織内に含まれる弾性率の高いコラーゲンファイバーに沿って組織の破断が発生していると考えられ、コラーゲンファイバー以外の弾性率の低い構造が破壊されることによって組織の破断が発生していると考えられる。

本研究の目的は術者の力制御の技術をモデル化し、手術ロボットへ導入することを目標としている。そのために達成すべき課題としてまず、生体組織の破断メカニズムを明らかにし、組織破断力の定式化に取り組んだ。豚の大動脈、肺動脈、小腸と十二指腸を用いて二段階力学試験を行った。まず腸管と動脈の軸方向にそって組織を切り開いた。次に長方形型の検体を切り取り、引張り試験を行い、組織の初期弾性率を求めた。続いて、長方形型検体の中心から軸方向に向かって切り込みを入れ、トラウザー型検体を用いて引き裂き試験を行い、破断エネルギーを算出した。以上の実験で生体組織の破壊エネルギーと初期弾性率に相関性があることが示された。また、生体組織で求めた相関はポリマーハイドロゲルで示されいる相関と類似しており、生体組織とポリマー間で力学メカニズムが共通している可能性が明らかとなった。また、腸管（小腸と十二指腸）では破壊エネルギーと弾性率の-0.5乗に右肩上がりの線形関係が存在する事が分かった。一方、動脈（大動脈と肺動脈）では破壊エネルギーと弾性率に右肩上がりの線形関係が存在し、その線形関係には腸管に存在しなかった異方性が存在した。現在、動脈と腸管で求められた相関が異なった理由を明らかにする段階であり、顕微鏡画像の解析を行っている。また、二段階力学試験後に各組織の破断パターンを観察した。大動脈と肺動脈は円周方向に沿って千切れ、小腸と十二指腸では軸方向に沿って千切れる傾向があった。この現象を組織学的観点から結果を考察すると、組織内に含まれる弾性率の高いコラーゲンファイバーに沿って組織の破断が発生していると考えられ、コラーゲンファイバー以外の弾性率の低い構造が破壊されることによって組織の破断が発生していると考えられる。