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) ］

生体軟組織の 2 方向切断力を計測可能なスマート術具の開発
Development of a Surgical Instrument for Measuring Biaxial Cutting Forces of Biological Soft Tissues
2181001

研究代表者

芝浦工業大学工学部 電気工学科

教 授

安孫子聡子

共同研究者

防衛大学校
システム工学群

准教授

辻哲

平

機械工学科

田

力の受感部の 2 方向へのひずみに関して，等方[研究の目的]向性を有する起歪部を提案することが本研究で本研究の目的は「生体軟組織の 2 方向切断力の大きな課題である。計測方法そのものに関しを計測可能なスマート術具の開発」である。外ては，2 枚のひずみゲージを用いて，圧縮方向

科手術における生体組織の切断は，術具先端のと曲げ方向の測定原理をもとに，計算により計刃の適切な角度・微細な力のかけ具合で，2 方測力方向を分離することを実現する。

向の力を人間の手の巧みさで制御する必要がある。したがって，熟練医師の技量を解析するた【2 軸力計測センサの設計要求】

めには，術具 (メス) に加わる 2 軸を取得する

本研究で開発する 2 軸力計測センサは，下記ことが必要である。しかしながら，2 方向の値の 5 項目の設計要求を満足することを目指す。

から計測のためには，二つのロードセルの搭載

1．形状が術具に近いことが必要となり，大型化してしまい，実際の術具

2．術具切断方向と切断方向に垂直な 2 方向とは異なるサイズ・重心になってしまうため，の力の計測が可能であること正確な解析・評価が困難となる。また，一般に3．計測解像度 0.1 N を有すること市販されているロードセルや力センサは高価で4．最大 2 N の力を計測できることある。力センサの知識が少ない素人が把持し使5．市販されている力覚センサにくらべ安価に製作可能であること

用することは，コスト面においても問題である。
そこで，本研究では，可能な限りロードセル部を小型化した，力センサ一体型術具を開発する【測定原理と計測方法】ことを目標とする。特に，術具の把持部の大き上記設計要求を満たす術具設計をめざし，本さ・形状を実術具となるべく同じとなるように研究では，単一起歪部において 2 方向の力を計し，2 方向の力を計測することを目指す。

測する手法を提案した。表 1 にひずみ測定に用いる回路と貼付方法による特性を示す。表 1 に示すように，ひずみゲージによるひずみ計測を[研究の内容，成果]行う場合，貼付方法が同じであっても，ブリッ
上記，研究目的の達成のためには，少ない計ジ回路の組み方によって計測可能なひずみが異測センサで 2 方向の力を計測する方法の提案となる。表 1 の B 2 に示す貼付方法と回路を用い― 1 ―立石科学技術振興財団

表1

ひずみゲージのブリッジ回路

図1

検証装置の概要

ε 1およびε 2と定義すると，理想的には曲げ力に

図2

検証装置の外観よるひずみε と圧縮によるひずみε は，それと，下記のように定義される。

れば，圧縮方向のひずみを除去し，曲げ方向のひずみのみを計測できる。一方，貼付方法はB 2 と同様でも，B 3 のようにブリッジ回路を組むと，曲げ方向のひずみを除去し，圧縮方向のひずみのみが計測可能となる。B 2, B 3 の貼付方法およびブリッジ回路の特性を用いることで，本研究では，曲げと圧縮の 2 方向の力の分離および計測を行い，小型かつ自由な操作性を有する術具を実現する。ここで，上下面のひずみをぞれ下記の式が成り立つと考えられる。
ε1−ε2ε1+ε2，ε=ε=22F x=wgcos θ，F =wgsin θ

(2)

(1)
最終的に 2 つのひずみ量 ε 1 および ε 2 から曲提案する 2 方向の力計測が可能な単一起歪部

げひずみε)と圧縮ひずみ(ε)が式 (1) で導にひずみゲージを実装し，ひずみ量をもとに 2出される。ここでは，下記の 3 つの検証を行い，方向の力計測を行う。ここでは，起歪部のひず式 (1) と式 (2) の関係式を導出し，単一起歪み量をデータロガーを用いて計測する。図 1 と部による 2 軸力センサの有用性を検証する。

図 2 に 2 方向の力計測に用いた実験装置の概要

1．曲げ方向の負荷のみ(F x)，および圧縮方と外観を示す。図 1 において，重さ方向と術具向の負荷のみ(F )の 1 軸方向の力とひずの角度(θ)を変化させることで，曲げ方向のみみの関係式の同定(ε)，曲げ方向と圧縮方向の 2 軸方向，圧縮2．2 軸合力とひずみの関係式の検証

方向のみ(ε)の各方向に力が加わった状態を3．ひずみ量に基づく力の分離再現する。ここでは，θ=90°が曲げ方向のみ，θ=0°が圧縮方向のみの力が加わった状態とな【2 方向力計測が可能な単一起歪部の設計と基る。また，実際の術具の把持位置を想定し，60礎検証】mm を固定部とする。術具に加わる力は重さ2 方向力計測が可能な単一起歪部の設計(wkg)と角度(θ°)によって決定されるため，曲2 方向の力を計測するためには，2 方向の感げ・圧縮方向の力は，重力加速度 gm/s 2とする

度をなるべく均一とした等方性・無指向性を有― 2 ―Tateisi Science and Technology Foundation

図3

起歪部一体型術具の設計する単一起歪部構造の設計が必要である。そこで本研究では，アーチ状の起歪部を用いること(a) 曲げ方向のみで，より大きな圧縮ひずみを得ることのできる起歪部を開発した。図 3 に設計した術具を示す。
しかし，設計した術具は，主金属材料による加工が困難である。そこで，術具製作における材料はアクリル材料を用いることとした。これはアクリル材料が，主金属材料よりも加工が容易であることに加え，剛性も主金属材料よりも低いため効率的な圧縮ひずみの取得が可能という(b) 圧縮方向のみ2 つの利点があるためである。一方で，アクリ

図4ル材料は，力を加えた後の残留ひずみが大きく1 軸方向の力とひずみの関係なるという欠点が考えられる。基礎検証では，

ε1F x=939.7F x，ε2F x=−950.1F x(3)

残留ひずみにも着目した評価を行う。

ε1F =865.5F ，ε2F =853.3F (4)

単一起歪部による 2 方向力計測の基礎検証(1) 1 軸方向のみの力とひずみの関係式の同定(2) 2 軸の合力とひずみの関係式の検証

まず，曲げ方向の負荷のみ(F x)，および，圧次に，2 軸の合力とひずみの関係式を計測し縮方向の負荷のみ(F z)の力とひずみの関係式をたひずみ量と式 (3), (4) より導出される上下導出する。各軸のみに 0.2 kg, 0.1 kg, 0.05 kg,面の推定値を比較して，その妥当性を検証する。

0.02 kg のおもりをかけたときのひずみとの関2 軸合力を術具に加えるために，図 1 の角度 θ係を図 4 に，その時の同定式を式 (3), (4) にを 0°, 30°, 45°, 60°, 90°に変化させ，各角度ご示す。図 4(a) は曲げ方向のみの上下面のひずとのひずみ量を計測する。また，重さは 0.2 kgみ量，図 4(b) は圧縮方向のみの上下面のひずとした。横軸をおもりをかける角度，縦軸をひみ量を表す。図より，0.2 kg 負荷時に，圧縮，ずみ量とした時の，実験値と推定値の比較結果

曲げともに，1.6×10 以上のひずみが計測さを図 5 に示す。同図より，推定値と計測値がほれた。これは，計測アンプ等を考慮した設計要ぼ一致していることが確認できる。このことか

求を満たす。また，圧縮方向への負荷は上下面ら，開発した術具が，他の外力の影響を受けずにて同方向へのひずみ，曲げ方向への負荷は上に，2 軸の合力をひずみとして計測できている下面にて反対方向へのひずみが観測された。こことがわかる。

−3

れにより，前章で示した測定原理を満たす挙動(3) ひずみ量に基づく力の分離を示していることがわかる。また，圧縮ひずみ，最後に，ひずみの計測値から 2 軸の力を分離曲げひずみともに同程度のオーダーのひずみ量し，導出できるかを検証する。まず，(1) 1 軸が観測された。したがって，設計した単一起歪方向のみの力とひずみの関係の実験結果をもと部が有効に機能していることがわかる。に，式 (1) より，曲げひずみと圧縮ひずみを― 3 ―立石科学技術振興財団(a) 上面ひずみ(a) 曲げ方向 (F x)(b) 下面ひずみ

図52 軸方向の力とひずみの関係(b) 圧縮方向 (F z)

図6

計算し，力との関係式を導出した。その結果はひずみ量に基づく力の分離検証以下となる。
F x=11ε，F  =ε937.0865.7(5)

そこで，合力とひずみ量からの力推定の実験をおもり 0.1 kg を用い実施する。式 (5) から算出する推定値と比較した結果を図 6 に示す。

図7

同図より，推定値と理論値を比較すると，曲げセンサ一体型術具の外観

方向，圧縮方向ともに最大で 0.06 N の誤差が向に対する残留ひずみ量の結果を示す。改良前観測された。要求分解能は，0.1 N であるため，の残留ひずみ量が約 100 μST であったのに対設計要求を満たしている。以上より，本研究でし，バネを挿入することで，約 30 μST となっ設計した単一起歪部が有用であることが確認さた。これは力に換算すると約 0.03 N を示し，れた。

設計要求の計測解像度 0.1 N を満足する。
バネ挿入術具を用いて，改めて，ひずみ量に残留ひずみとバネ挿入による起歪部の改良

先に示したセンサでは，起歪部の材料特性の基づく力の分離検証実験を実施した。ひずみとため，残留ひずみが観測された。そこで，残留力の関係式は改めて同定し実施した実験結果をひずみ量を計算することで，それと拮抗するバ

図 9 に示す。同図より，ひずみ量からの計算値

ネを起歪部内部に挿入する。図 7 に改良した術と実荷重を比較すると，曲げ方向では最大 0.06具の外観を示す。図 8 にバネ挿入前後の曲げ方

N, 圧縮方向では最大 0.05 N の誤差が観測され― 4 ―Tateisi Science and Technology Foundationた。精度として 0.1 N を設計要求としているため，検証実験においても設計要求を満たすことが示された。
【豆腐切断実験による性能評価】
上記の開発したセンサ一体型術具を用いて，より現実に近い状態での性能を評価するために，
図 10 に示すような豆腐の切断実験を実施した。
(a) バネなし

木綿豆腐の硬さは脳実質の硬さに似ているとの脳外科医の知見をいただいたため，豆腐を切断対象とした。切断実験は一定速度で実施するために，産業用ロボットアーム PA10 に固定し実施した，術具先端に刃が装着されていること，それによる物質の切断は複雑であることから，このときの力とひずみの関係は上記の基礎検証の場合と異なる。そこで，まず，刃が装着されている状態での力とひずみの関係の同定を実施(b) バネあり

図8

曲げ方向のみの時の残留ひずみした。この際に，図 10 に示すように術具根元に市販の 6 軸力覚センサを搭載し，これを真値と見なし，同定することとした。同定には，最適化問題のアルゴリズムの一つである内点法を用いた。その後，再度様々な角度にて豆腐切断(a) 曲げ方向 (F x)

図 10

豆腐の切断実験による検証

図 11

θ=82.5°の時の切断結果(b) 圧縮方向 (F z)

図9

ひずみ量に基づく力の分離検証 (バネあり)― 5 ―立石科学技術振興財団

実験を実施し，市販の力覚センサでの計測結果搬性を有するシステムとすることを目指す。と開発したセンサ一体型術具で計測した結果を比較した。図 11 にその一例を示す。同図に示すように，真値と一致する結果を開発した術具でも得ることができた。

[成果の発表，論文等][1]

M. Suzuki, S. Abiko, T. Tsujita, and K. Abe : “De-velopment of a Surgical Instrument with a Single
Strain Area for Measuring Biaxial Cutting Forces,”
Proceedings of the 2020 IEEE/ASME International[今後の研究の方向，課題]

Conference on Advanced Intelligent Mechatronics,
July 2020. (To be appered)

本研究では，単一起歪部での 2 軸方向の切断力を計測できるセンサ一体型術具の開発を実施した。基礎検証の結果，開発した術具の有効性を示すことができた。一方で，現段階では，材料はアクリル材料を用いており，耐久性等に難がある。そこで，今後はこの基本コンセプトを元に，金属材料での開発を実施する。また，計測データ送受信の無線化を行うことで，より可― 6 ―[2]

鈴木雅也，安孫子聡子，辻田哲平，阿部幸勇：“単一起歪部で 2 軸の値から計測可能なセンサ一体型術具の開発”，日本機械学会ロボティクス・メカ
ト ロ ニ ク ス 講 演 会 2020 講 演 予 稿 集，2P1-M14,
2020.
[3]

鈴木雅也，安孫子聡子，辻田哲平：“圧縮ひずみ拡大機構による 2 軸力計測可能な力センサ一体型術具の開発”，第 19 回計測自動制御学会システムイン
テグレーション部門講演会講演論文集，pp. 41-45，
香川，2019.