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

开发生物力学模型来预先估计机器人辅助手术的组织损伤

• 批准号: 22KJ1147
• 负责人: 山本 賢蔵
• 金额: $ 1.6万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2023
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2023-03-08 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22KJ1147/
• 关键词: バイオメカニクス; 材料力学; 組織学

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。

The objective of this study is to をモデ とを the technique for controlling and controlling the nerve force of the <s:1> surgeon, and to introduce the ロボットへ into the する <s:1> とを target と て る る る る. そ の た め に reached す べ き subject と し て ま ず, living body tissue の breaking メ カ ニ ズ ム を Ming ら か に し, organization, breaking force の demean に group take り ん だ. The large artery, pulmonary artery, small intestine and と duodenum of the porpoise were examined using the と て two-order mechanics test を for った. The まず intestinal tube と artery in the gut-axis direction にそって tissue を incision まず た. For the に rectangular type <s:1> 検 body を, を is cut and is taken, the experiment of stretching is conducted at を, and the initial elasticity of the tissue を is calculated to めた. 続 い て, rectangle type 検 の center か ら axis に to か っ て cut り 込 み を into れ, ト ラ ウ ザ 検 body を ー model い て lead き crack き test を い, breaking エ ネ ル ギ ー を calculate し た. The above <s:1> experiments show that the initial elasticity of the で tissue of the で organism is に broken 壊エネ 壊エネ ギ で と と, and the related がある がある とが とが shows された. ま た, living body tissue で め た phase masato は ポ リ マ ー ハ イ ド ロ ゲ ル で shown さ れ い る phase masato と similar し て お り, living body tissue と ポ リ マ ー で mechanics between メ カ ニ ズ ム が common し て い る possibility が Ming ら か と な っ た. ま た, bowel loops (small intestine と duodenum) で は broken 壊 エ ネ ル ギ ー と 弾 の sex rate 0.5 乗 に right shoulder が り の exist linear masato is が す る matter が points か っ た. One party, the artery (artery と pulmonary artery) で は broken 壊 エ ネ ル ギ ー と 弾 sex rate に right shoulder が り の linear masato が exist し, そ の linear masato is に は insufflate に exist し な か っ た exist different part が し た. Now, artery と insufflate で め ら れ た phase masato が different な っ た reason を Ming ら か に す る Duan Jie で あ り portraits, 顕 micro mirror line analytical を の っ て い る. After the また and the second-order mechanics test, the に of each tissue were broken by パタ and <s:1> を観 and を観 were examined by た. Artery と pulmonary は に has drifted back towards &yen; weeks direction along the っ て thousand れ cutting, small intestine と duodenal で は axis に along っ て thousands cut れ る tendency が あ っ た. こ の phenomenon を histological 観 point か ら results を investigation す る と, organization に containing ま れ る 弾 sex rate high の い コ ラ ー ゲ ン フ ァ イ バ ー に along っ て organization の breaking が 発 raw し て い る と exam え ら れ, コ ラ ー ゲ ン フ ァ イ バ ー outside の 弾 sex rate low の い tectonic が broken 壊 さ れ る こ と に よ っ て organization の breaking が 発 raw し て い る と exam え ら れ る.

项目成果

Tissue damage force estimation in porcine small intestine from its elasticity

从猪小肠的弹性评估组织损伤力

• DOI: 10.1007/s11548-022-02794-x
• 发表时间: 2022
• 期刊: International Journal of Computer Assisted Radiology and Surgery
• 影响因子: 3
• 作者: Yamamoto Kenzo;Hara Kazuaki;Kobayashi Etsuko;Akagi Yuki;Sakuma Ichiro
• 通讯作者: Sakuma Ichiro

Correlation Between Tearing Energy and Elasticity in Porcine Duodenum

猪十二指肠撕裂能与弹性的相关性

• 发表时间: 2023
• 作者: Kenzo Yamamoto;Kazuaki Hara;Etsuko Kobayashi;Yuki Akagi;Ichiro Sakuma
• 通讯作者: Ichiro Sakuma

Fracture Energy Estimation in Porcine Small Intestine

猪小肠断裂能量估算

• 发表时间: 2022
• 作者: Kenzo Yamamoto;Kazuaki Hara;Etsuko Kobayashi;Yuki Akagi;Ichiro Sakuma
• 通讯作者: Ichiro Sakuma