立石科学技術振興財団

助成研究成果集(第29号) 2020

［ 研究助成 (A) ］

脳活動の試行差と個人差に対応した手術支援ロボットの最適化設計
Optimization of surgical robot applying trial and individual difference in Brain activity
2181028

研究代表者

早稲田大学
創造理工学部

助 教

総合機械工学科

三浦智(最適解) が定まりにくい。

[研究の目的]従来研究でも医師のモーションや視線などをマスタ・スレーブ型手術支援ロボットは，低計測しモデル化されているが (Guang-Zhong

侵襲性に優れ患者の早期回復が可能であるため，Yang, 2012)，人間のバラツキに対応した実用

国内外で 300 万件以上の症例に用いられている。

的なロボットを必ずしも開発できていない。人ロボット手術は，患者体内に挿入したロボット

間の生体情報における試行毎・人毎のバラツキ(スレーブ) を医師が内視鏡の映像を見ながらに応じた設計手法が必要であるという核心的な手元のコントローラ (マスタ) で操作して手術問題がある。

するマスタ・スレーブ方式で主に行われる。医脳活動における人の試行毎・人毎のバラツキ

師は手の体性感覚によるマスタの動きと視覚では，hand-eye coordination の 認 識 の 違 い に確認したスレーブの動きを整合させて直感的によって生じると考えられる。そこで，マスタ側，操作する必要がある。この視覚と体性感覚の整

スレーブ側，ヒト側の目と手の相互的な位置関合性は hand-eye coordination と呼ばれ，眼と係を変化させたときの，脳活動の変化を光トポ

手の代わりである内視鏡と鉗子の位置決定や構グラフィで計測し，その傾向を明らかにする。

造設計などに重要視される。狭小な術空間で人実験では，モニタとマスタの位置をそれぞれ変間の身体とは異なる構造のロボットを直感的に化させ，画面内のスレーブ側の内視鏡とマニ操作するには，医師の知覚する hand-eye coor-ピュレータの位置関係は固定した。

dination を客観的・定量的に評価した設計手法が必要である。
これまで申請者は，手術支援ロボット操作者の脳活動を計測し，医師の知覚する hand-eyecoordination を評価してきた。これまでの研究成果から，ロボットが直感的に操作可能であるほど特定の脳活動が強く活性化することがわかった。よって，脳活動が最も活性化するロボットの構造の導出が望ましいが，脳活動に限らず，人間の生体情報には試行毎・人毎に応じてバラツキが生じるため，ロボットの設計案
― 1 ―

図1

VR ロボット手術時の脳活動計測

立石科学技術振興財団

助成研究成果集(第29号) 2020

仮想空間内のマニピュレータが見える場合であ[研究の内容，成果]る。これを「身体の延長化」という。一方，も実験では，仮想環境 (VR) 内で手術支援ロ

う一つは，被験者の手が仮想空間内のマニピュボットを模したマニピュレータを，磁気式位置レータを重なって見える場合である。これを計測装置を用いて，被験者は操作した。磁気式「乗り移り」という。コンソールとモニタの配位置計測装置のコイルは被験者の指先に取り付

置は，「身体の延長化」もしくは「乗り移り」けられ，被験者は指先を動かすことで，VR 内を想起させるような場合に直感的になりやすいのマニピュレータを操作することができる。磁ということがわかった。

気式位置計測装置を用いた理由は，特定のコンソールの構造に依らないで，コンソールやモニ[今後の研究の方向，課題]タの配置を導出できるためである。
操作時における被験者の脳活動を，光トポグ

当研究成果は，手術支援ロボットのみに限らラフィを用いて計測した。光トポグラフィはず，遠隔で操作する多様なロボットに適用可能

fMRI のような磁場を必要とせず，EEG のようである。また，当研究で提案した脳活動を用いな体表の電位に影響されないために選択した。

た評価手法は，移動支援機器の設計開発などに計測部位は hand-eye coordination に関係のも応用可能であることを，実験から確認した。

ある部位とされる頭頂間溝である。頭頂間溝は今後，他の設計因子に対しても，最適化手法を視覚野と体性感覚野の間に位置し，視覚と体性交えて決定する予定である。

感覚の整合性を司る。光トポグラフィの分解能

また，今後の研究の方向性として，脳活動だを考慮し，頭頂間溝周辺部位の反応を測定した。

けでなく作業成績との両立を検討したうえでの実験条件は，コンソールの配置を 5 条件，モニ設計を試みる。脳活動だけでは抽象的なモデル

タの 配 置を 3×3 の 9 条 件で実 施 した。コンベースとなるが，作業成績による AI 化だけだ

ソールの配置は，指先にコイルがついているたとデータベースすぎるという双方の弱点を補うめ，磁気式位置計測装置のジェネレータの位置ためである。特に，人間の作業成績および脳活を変更した。また，モニタの配置は，被験者の動については，バラツキが生じるために，信頼目の位置に対して，高さと奥行きを変更した。

性設計理論と呼ばれる統計的な最適化手法を用

実験の結果，モニタとコンソールの配置は，いる。

ある特定の位置で有意に頭頂間溝の活動量が賦

なお，最適化においては，構造設計だけでな活した。その特定の位置には二つの傾向があっく制御手法の最適化を実施する。マニピュレー

た。一つは，被験者の手の延長線上にあたかもタの各関節の剛性・粘性を変化させることで，個々人にとって動かしやすいマニピュレータの軌道を実現する。
さ ら に，当 手 法 を 用 い て，独 自 に イ ン タフェースを開発中である。このインタフェースは多様なロコモーションロボットを操作可能な仕様になっており，力覚フィードバックなどの開発を進めている。

図2

実験の様子

― 2 ―

立石科学技術振興財団

Beach, Hawaii, USA, 15 - 19, Dec. 2019

[成果の発表，論文等]

[9]
[1]

Satoshi

Miura,

Yuki

助成研究成果集(第29号) 2020

Yokoo,

Yasutaka

Ayako Torisaka, Kohei Eguchi, Satoshi Miura,

Victor Parque, Tomoyuki Miyashita, “Runnability

Nihei,Improvement of the moon rover with leg-circle

Takeshi Ando, Yo Kobayashi, Masakatsu G. Fujie,transformable wheel”, 30th International Confer-“Determination of the Gain for a Walking Speedence on Adaptive Structures and Technologies

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Nakashima,

Yoshikazu

Ogaya,

MisatoTransactions on Human-Machine Systems, Vol. 50,[10] Satoshi Miura, Kazuya Kawamura, Masakatsu
Fujie, Shigeki Sugano, Tomoyuki Miyashita, “Devel-No. 2, pp. 154 - 164, 2020 (Impact Factor 3.332)
Ayako Torisaka, Shoichi Hasegawa. Satoshi

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spection Robot Design”, Proceedings of the Interna-Yamakawa, M. C. Natori, “Optimization and demon-tional Conference on Engineering Design (ICED),

stration of 3D self-assembly system of hierarchical

Delft, The Netherland, 5 - 8, Aug. 2019 (Top 10%[2]modular space structure using electromagnet”, Pro-

Accepted Papers Award)

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Hierarchical Concepts”, Proceedings of the InternaYotional Conference on Engineering Design (ICED),

Kobayashi, Masakatsu G. Fujie, “Using Brain Acti-Delft, The Netherland, 5 - 8, Aug. 2019 (Top 10%[3]Satoshi

Miura,

KazuyaKawamura,vation to Evaluate Arrangements Aiding Hand-Eye
Coordination in Surgical Robot Systems”, IEEE

Accepted Papers Award)[12] Kazuki Saito, Ayako Torisaka, Victor Parque,

Transactions on Biomedical Engineering, Vol. 66,

Satoshi Miura, Tomoyuki Miyashita, “A Study ofNo. 8, pp. 2352 - 2361, 2019 (Impact Factor 4.288)

Angular Momentum Unloading Strategy of Reaction

Satoshi Miura, Rikako Saito, Victor, Parque,

Wheel by Solar Radiation Pressure Using Mem-Tomoyuki Miyashita, “Design factors for determin-

brane Structure”, Proceedings of the 5th Interna-

ing the radula shape of Euhadra Peliomphala”, Sci-tional Symposium on Solar Sailing, Aachen (ISSS),

entific Reports, Vol. 9, No. 749, 2019 (Impact Factor

Germany, 30 July-2 August, 2019[4][13] Tsuyoshi Sakuma, Satoshi Miura, Tomoyuki

4.122)[5]

Satoshi Miura, Hidekazu Ishiuchi, Yuta Shintaku,Miyashita, Masakatsu G. Fujie, Shigeki Sugano, “De-Tomoyuki

velopment of Human-Like Driving Decision Making

Miyashita, “Enhanced frequency analysis on a

Model based on Human Brain Mechanism”, Pro-vibrated tumor with a compression cylinder”,

ceedings IEEE/SICE International Symposium on

ROBOMECH Journal, Vol. 6, No. 10, 2019

System Integrations (SII), Jan. 14 - 16, 2019

Victor[6]Parque,Ayako

Torisaka,

Satoshi Miura, Ryota Fukumoto, Yo Kobayashi,[14]

Ayako Torisaka, Kohei Ogawa, Satoshi Miura,Masakatsu G. Fujie, “Modeling optimizes the effectVictorof the vertical stripe illusion for foot clearance onYamakawa, “Study on in-plane and out-of-planeParque,

TomoyukiMiyashita,

Hiroshiupstairs”, Journal of Biomechanical Science anddeformation considering elastic plasticity of mem-Engineering (JBSE), Vol. 14, No. 1, 2019brane”, Proceedings of The American Institute of

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Victor Parque, Kohei Ogawa, Satoshi Miura,Engineering (JOE), Vol. 2019, No. 14, pp. 517 - 521,

Tomoyuki Miyashita, “Spiral Folding of Thin Films2019with Curved Surface”, Proceedings of IEEE Interna-

Ayako Torisaka, Yuta Shintaku, Satoshi Miura,tional Conference on Systems, Man, and Cybernetics

Victor Parque, Tomoyuki Miyashita, “Study on de-(SMC), Seagaia Convention Center, Miyazaki, Oct.

[8]

tection of material difference deeply buried in a soft
tissue using impact oscillation under forced displace-7 - 10, 2018[16]

Tsuyoshi Sakuma, Satoshi Miura, Tomoyukiment”, 8 th International Conference on Mechanics

Miyashita, Masakatsu G. Fujie, Shigeki Sugano, “De-of Biomaterials and Tissues (ICMOBT), Waikoloa

velopment of Driving Intention Prediction System― 3 ―立石科学技術振興財団助成研究成果集(第29号) 2020

Based on Human Cognitive Mechanism”, Proceed-Tomoyuki Miyashita, “Spiral Folded Adhesive Plas-

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ter Optimization for Laparoscopic Surgery”, Pro-Computing and Robotics (RCARʼ 18), Kandima,ceedings of the 40th Annual International Confer-Maldives, Aug. 1 - 5, 2018ence of the IEEE Engineering in Medicine and[17]Satoshi Miura, Yuta Shintaku, Hidekazu Ishiuchi,

Victor Parque, Tomoyuki Miyashita, “Enhanced
Frequency Difference of Tumor inside Vibrated

Biology Society (EMBCʼ 18), Honolulu, Hawaii, July
17-21, 2018[19]

Victor Parque, Masato Kumai, Satoshi Miura,

Tissue by a Compression Cylinder”, Proceedings ofTomoyuki Miyashita, “On Parametric Excitation forthe 40th Annual International Conference of theExploration of Lava Tubes and Caves”, Proceedings

IEEE Engineering in Medicine and Biology Societyof the International Conference on Computational(EMBCʼ 18), Honolulu, Hawaii, July 17 - 21, 2018

Science (ICCS), Jun. 11 - 13, 2018 (Acceptance rate

[18]

Satoshi Miura, Naoya Tsuda, Victor Parque,― 4 ―28%)