RoboMed Lab
アドバイザー:Jaydev P. Desai、Ph.D.
ジョージア工科大学
2019 Petit Scholar, PURA Scholar, Tech Temp Research Support
2018年5月～2022年6月
小児用神経内視鏡ロボットツールの前臨床評価
2019年5月～現在
TBA!
小児用神経内視鏡用メゾスケール・ステアラブル・グラスパー
2021年1月～2022年6月
1.93 mm径のグラスパーは、小児用神経内視鏡ロボットツールに実装可能な腱付着型ステアラブル設計です。5軸CNCマイクロミル（把持リンク）とフェムト秒レーザー（伝達リンク）を用いて加工し、腱作動型グラスパーを組み立て、その把持力をテストすることができました。
特集:
- T.A. Brumfiel, K.K. Yamamoto, A. Rashid, A. Shigematsu, C. Chapman, S.N. Melkote, J.J. Chern, J.P. Desai, “Design of a Meso- Scale Grasper for Robotic Pediatric Neuroendoscope Tool”,
Hamlyn Symposium on Medical Robotics, 2022 Jun, London, UK (Link, Abstract)
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外径1.93mmのグラスパー
把持力試験
嚢胞を伴う膵臓のマルチコンポジション・ハイドロゲル・ファントムモデル
2020年6月～2021年5月
MRIで得たヒトの膵臓の型を用いて、嚢胞（赤で着色）を埋め込んだ膵臓のハイドロゲル・ファントムモデルを開発しました。.成形は2つの工程で行いました。まず、膵臓の全体の形状（約1.4KPa）を球状の押込み型で作り、嚢胞のネガティブ・スペースを作成します。硬化後、異なるハイドロゲル成分（より硬めの約1.81KPa）をネガティブ・スペースに注入し硬化させました。その結果、膵臓内の嚢胞を表す硬めのハイドロゲルが埋め込まれたヒトの膵臓のハイドロゲル・ファントムモデルが完成しました。
ハイドロゲル膵臓（前面）
ハイドロゲル膵臓（嚢胞が確認できる）
特集:
N. J. Deaton T. A. Brumfiel, M. Sheft, K. K. Yamamoto, D. Elliott, P. Patel, J.P. Desai, ”Towards Steering a High-Dose Rate Brachytherapy Needle with a Robotic Steerable Stylet," in IEEE Transactions on Medical Robotics and Bionics, doi: 10.1109/ TMRB.2023.3237861. (Link)
メゾスケール・ステアラブル・バイポーラ電気メスの先端部
2019年8月～2020年3月
神経内視鏡手術用のステアラブル手術ロボットに搭載するバイポーラ電気メスの先端を設計・製作し、組み込みました。焼灼チップは50ミクロンの絶縁ワイヤにはんだ付けされており、それがニチノール製ロボットの本体を横断しています。焼灼チップには作動用の遠位関節腱も取り付けられています。そして、この2本のワイヤは、現在手術で一般的に使われているBovie電気手術器に取り付けられ、焼灼電力を供給します。片方のワイヤはアース線で、もう片方は電流を供給します。
右の動画は、ハイドロゲル・ファントム上でバイポーラ焼灼チップを操作している様子です。ユーザーはロボットを操作して目的の場所に移動し、ペダルを踏んで焼灼を行います。ハイドロゲルの燃焼によって発生する蒸気をご覧ください。
PedNeuroロボットに搭載されたバイポーラ焼灼チップ
ハイドロゲル・ファントムの焼灼の動画
特集:
K.K. Yamamoto, J. P. Desai, “Pediatric Phantom Model and Cauterizing Tool Design for Novel Neuroendoscopic Surgical Robot Evaluation,” Georgia Tech Undergraduate Research Spring Symposium, 2021 Apr, Atlanta, GA (Link, Presentation PDF).
Y. Chitalia, S. Jeong (co-first author), K. K. Yamamoto, J. J. Chern, J.P. Desai, “Modeling and Control of a Meso-scale Multi-Joint Continuum Robot for Pediatric Neurosurgery,” in IEEE Transactions on Robotics, 2021 Apr, DOI: 10.1109/TRO.2020.3031270 (Link).
小児の頭蓋骨と脳のハイドロゲル・ファントムモデル設計
2019年1月～2020年3月
この独自のプロジェクトの目的は、小児用神経内視鏡ロボットツールのファントム・モデルをテストするためにヒトの脳のリアルなモデルを作成することでした。医療画像処理技術を駆使して、非識別化した患者のCT・MRIスキャンをセグメント化し、ヒトの頭蓋骨と脳の形状を取得しました。その後、3Dサーフェスを3Dボリュームに変換し、材料を流し込むための3Dプリントが可能な臓器型を設計しました。脳の機械的特性を模倣するためにシリコンを使用して実験した後、ポリビニルヒドロゲルから望ましい機械的特性が得られることを発見しました。
さまざまなハイドロゲル成分で引張試験と押込み試験を行った後、ハイドロゲルのパラメータを調整し、文献にある灰白質に近いヤング率を持つ組成に辿り着きました。
ファントム・モデル設計のワークフロー
最終的な脳のハイドロゲル・ファントム
小児水頭症のバーチャル術前計画インターフェース
2019年5月～2020年1月
このプロジェクトの目的は、PedNeuroロボットのモデルと小児脳のソフトウェア・ファントム・モデルの両方を組み込むことでした。左の動画で描かれているように、PedNeuroの順運動学変換を用いてロボットをモデル化しました。そして、関節の値をX-boxコントローラの入力にマッピングし、ユーザーが近位と遠位の両方の関節を曲げて、ロボットを脳内に挿入・後退させることができるようにしました。バーチャル・ファントム・モデルは、水頭症の小児脳のMRIセグメンテーションから得られたポイントクラウドです。分割されたボリュームを3Dプリントが可能なSTLファイルにモデリングし、ポイントクラウドとしてMATLABにインポートしました。
術前計画のデモ
小児用神経内視鏡（PedNeuro）ロボットのワークスペース解析
2019年1月～2019年8月
小児用神経内視鏡ロボットは2自由度の腱駆動型ロボットであり、脳室内を移動することができます。内視鏡下第三脳室造影術（ETV）を行うために、ロボットが脳内の特定の目標点に到達できるかどうかを評価する作業空間解析実験を計画・実行しました。
6自由度のオーロラシステム社の電磁波（EM）トラッカーを3つ、（1）遠位端の先端（エンドエフェクタスペース）、（2）近位関節付近、（3）ロボットの基部に取り付けました。EMトラッカー3を基準とし、トラッカー1と2で近位・遠位の両関節の曲げ角度をモニタリングしました。その後、オイラー角を測定し、MATLABで3D空間にプロットしました。
これは「IEEE/ASME Transactions on Mechatronics」誌に掲載されたYash Chitalia博士の論文「Design and Kinematics Analysis of a Robotic Pediatric Neuroendoscope Tool Body（小児用神経内視鏡のツールボディの設計と運動学的解析）」を支援する指導的プロジェクトでした。
2自由度PedNeuroロボットのワークスペース解析
バーチャル・ファントムに重ねたワークスペース
大腿動脈ファントム・モデル製作の自動化システム
2018年5月～2018年12月
ロボメッド研究室での最初のプロジェクトとして、3Dプリントされた大腿動脈の押込み型の周りにシリコンのファントム・モデルを作成するプロセスの自動化システムの設計を研究しました。「ディップ・アンド・スピン」式RPR装置は、シリコンの入った槽に型を直線的に沈め、後退させた後、2つの平面回転軸を中心に回転させ、余分なシリコンを取り除きながら硬化させるものです。このプロジェクトでは、コンピューター支援設計（CAD）ソフト（SolidWorks社AutoCAD）、ラピッドプロトタイピング・マシニング技術（樹脂3Dプリント、レーザーカット、CNCミリング）のほか、ステッピングモーター、モーターコントローラー、Arduinoマイクロコントローラーを用いた回路と制御について学ぶ必要がありました。
「ディップアンドスピン」装置
大腿動脈の押し込み型
大腿動脈のシリコン型