背景

"まず、危害を加えるな"。ヒポクラテスがこの言葉を書いたのは2000年以上も前のことだが、この言葉は今日でも通用する。ミクロン単位の誤差が不可逆的な脳損傷をもたらしかねない脳神経外科では、低侵襲手術への注目が高まっている。メスやレーザーに頼るのではなく、外科医は現在、ますます精巧になったロボットを使って手術を行っている。

EUが資金提供するEDEN2020プロジェクトにおいて、インペリアル・カレッジ・ロンドンの研究者たちは、脳腫瘍に直接薬剤を投与できるロボットカテーテルを開発している。プロジェクトの初期段階で、研究者たちは、カテーテルを操縦するロボット・システム用に、コンパクトで低EMI、高性能のモーション・コントローラーとドライブを必要としていた。彼らはMotion Control社にそれを見出した。

このケーススタディを読むと、以下のことがわかる：

  • Elmo低EMIサーボ・ドライブが安全で信頼性の高いロボット脳神経外科手術にもたらすメリット
  • 適切なコントローラで多軸技術の高性能を実現する方法
  • Elmo独自の高速・ソフトスイッチング技術（FASST）により、99％以上の効率と無視できるEMIを実現

 

機械要件

EDEN2020システムのステアラブル針は、プログラマブル・ベベルチップ針（PBN）をベースにしており、術前のMRIスキャンと術中の超音波画像を用いて脳内を高速かつ正確に移動し、経路指令を生成して組織損傷を最小限に抑えることができる柔軟な針である。PBNが腫瘍に到達すると、化学療法のペイロードを直接組織に送り込む。PBNは4つの連結した縦長のプラスチックセグメントからなり、各セグメントは薬物送達チャネルを内蔵し、その遠位端でアイアンレスモーターによって駆動される。チャンネルには、形状感知に使われる光ファイバーケーブルも入っている。つのセグメントを前方に押して他のセグメントの上をスライドさせることにより、このシステムは針の先端を大きく湾曲させることができ、針は脳構造を通過して深く埋め込まれた腫瘍をもターゲットにすることができる。

ロボットカテーテルを脳内で操作することは、高い性能が要求される野心的な目標である。4軸システムには高い同期性と精度が要求され、誤差が生じると取り返しのつかないことになりかねないからだ。低レベルの制御範囲では、システムは10μmの精度で動作する必要がある。

性能は課題の一部に過ぎない。手術室では、部品は小さく、静かで、他の重要な手術器具の画像や信号を妨げない必要がある。

Elmo Motion control ソリューション

サーボドライブ

安全性が最大の関心事であったため、インペリアル・カレッジのチームは、市場で入手可能な最小のSTO（SIL-3）認証ドライブであるElmo （G-TWI）サーボ・ドライブを選択しました。わずか35 mm x 30 mmのこのサーボ・ドライブは、ポータブル手術ステーションの設置面積を最小限に抑え、効率的なパルス幅変調（PWM）スイッチング・プロセスによりEMIが極めて低く、EMIフィルタなどの外部装置を使用せずにIEC61800-3およびIEC61326-3-1の国際規格を満たしています。伝導および放射エミッションも非常に低いため、医療用アプリケーションに適しています。

コントローラーソリューション

このシステムには、クローズドループフィードバックと、MRIと超音波診断装置からの入力に基づいて経路を計画する高性能モーションコントローラが必要である。インペリアルカレッジのチームは、Platinum Maestro (P-MAS)を選択しました。Platinum Maestro 、すべてのドライブへの簡単な相互接続、モーションアルゴリズムのライブラリ、EtherCAT、マスター（完全な冗長性をサポート）、EtherCATスレーブネットワークを含む自動拡張フィールドバスサポートなどの機能により、モーション統合を合理化する市販のモーションコントローラです。すべてのドライブパラメータを制御し、メンテナンス作業を簡素化し、ダウンタイムを最小限に抑えます。Platinum Maestro 、Imperialプロジェクトで250 µsの速度でのEtherCATサイクルを含む、強化されたフィールドバスサポートも備えています。

結果

EDEN2020プロジェクトは野心的な目標を掲げており、高性能でEMIを最小限に抑えた小型で信頼性の高いコンポーネントを必要としています。Motion Control Gold Twitter Platinum Maestro 、コンパクトでEMIの少ないソリューションで高い性能と信頼性を実現しました。使いやすさを追求した特別な機能は、統合を簡素化し、貴重なエンジニアリングリソースを節約しました。Motion Control 中核的な利点に加え、このプロジェクトに制御ソリューションを選択した主な要因は、開発時間の短縮でした。

EDEN2020のプロジェクト・コーディネーターであるフェルディナンド・ロドリゲス・イ・バエナ教授は、次のように付け加えている："このシステムは、比類のない精度、正確さ、更新速度で、術中に連続的に変形する脳の解剖学的構造を感知し、認識することができるようになります。"