Motion analysis of laparoscopic surgical skills in experts and its use for surgical education

• Project/Area Number: 21H00893
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 09070:Educational technology-related
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: 安部 崇重 北海道大学, 医学研究院, 准教授 (10399842)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 渡辺 雅彦 北海道大学, 医学研究院, 特任教授 (70210945) ; 七戸 俊明 北海道大学, 医学研究院, 准教授 (70374353) ; 篠原 信雄 北海道大学, 医学研究院, 教授 (90250422) ; 近野 敦 北海道大学, 情報科学研究院, 教授 (90250688)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥16,640,000 (Direct Cost: ¥12,800,000、Indirect Cost: ¥3,840,000); Fiscal Year 2023: ¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000); Fiscal Year 2022: ¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000); Fiscal Year 2021: ¥7,280,000 (Direct Cost: ¥5,600,000、Indirect Cost: ¥1,680,000)
• Keywords: 腹腔鏡手術 / シミュレーショントレーニング / 鉗子動態 / 機械学習 / カダバートレーニング

Outline of Research at the Start

1.ブタ臓器を用いた腹腔鏡手術手技トレーニング（ウェットラボ）において、左右の鉗子の協調性、空間認知能、効率性、組織の愛護的操作、自動性等を定量化し、オンサイトでフィードバック出来るシステムを確立する。教育効果を評価する。
2.カダバー（ご遺体）を用いた腹腔鏡下腎摘除術シミュレーショントレーニングを開始し、より複雑な手術手技で、熟練医の鉗子動態の特徴を抽出する。また実際の手術での計測のためのカメラ設置位置/赤外線マーカーのベース部分の滅菌方法・小型化等に関する実験を行う。
3.実際の腹腔鏡手術で鉗子動態の測定を開始し、止血操作も含めた熟練医の技術の言語化・見える化に挑戦する。

Outline of Annual Research Achievements

ブタ臓器を用いた腹腔鏡手術シミュレーショントレーニングでは、鉗子動態計測値に基づく機械学習を用いた自動技術評価プログラムの検証実験を行った。49個人108件の鉗子動態データを採取した。そのほか、過去の実験(In Proc. Ebina K, Abe T et al. 23rd CISM IFToMM Symposium on Robot Design, Dynamics and Control.)で計測したリンパ節郭清タスクにおける把持鉗子の把持力・把持点データに対し、術具動態データとの複合解析を新たに実施し、上級者は効率的な組織トラクションを行っていることを定量的に明らかにした。現在、Surgery Open Science誌に論文投稿中である。また、これまでのトレーニングで取得した鉗子動態データを対象に自動特徴量計算ライブラリtsfreshとSHAPを活用した追加解析を行い、操作の振動性など新たな特徴を抽出するとともに、機械学習モデルの精度向上を図った。GOALSに基づく3群分類モデル（初級者：5 ≦ to <10, 中級者：10 ≦ to <20, 上級者：≧20）では、例えばリンパ節郭清タスクにおいては従来特徴量から構築されるモデルが75.0%の精度であったのに対し、新たな特徴量を加えたモデルで83.1%に向上した。これらの結果は現在論文作成中である。
カダバートレーニングにおける鉗子動態計測・解析・熟練者の特徴抽出については、2024年1月までに、59例の鉗子動態の計測を行った。これまでに計測データの外れ値除去、スムージングおよび移動距離、速度、加速度等の特徴量を算出するためのプログラムの作成が完了した。カダバートレーニングのvalidation studyの結果をCurrent Problems in Surgery誌に投稿し、現在はのマイナーリバイスの対応中である。

Research Progress Status

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Automatic assessment of laparoscopic surgical skill competence based on motion metrics (2022)
  • Author(s): Ebina Koki、Abe Takashige、Hotta Kiyohiko、Higuchi Madoka、Furumido Jun、Iwahara Naoya、Kon Masafumi、Miyaji Kou、Shibuya Sayaka、Lingbo Yan、Komizunai Shunsuke、Kurashima Yo、Kikuchi Hiroshi、Matsumoto Ryuji、Osawa Takahiro、Murai Sachiyo、Tsujita Teppei、Sase Kazuya、Chen Xiaoshuai、Konno Atsushi、Shinohara Nobuo
  • Journal Title: PLOS ONE Volume: 17 Issue: 11 Pages: e0277105-e0277105
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0277105
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Objective Evaluation of Laparoscopic Surgical Skills in Wet-lab Training Based on Motion Analysis and Machine Learning (2022)
  • Author(s): Koki Ebina, Takashige Abe, Kiyohiko Hotta, Madoka Higuchi, Jun Furumido, Naoya Iwahara, Masafumi Kon, Kou Miyaji, Sayaka Shibuya, Yan Limbo, Shunsuke Komizunai, Yo Kurashima, Hiroshi Kikuchi, Ryuji Matsumoto, Takahiro Osawa, Sachiyo Murai, Teppei Tsujita, Kazuya Sase, Xiaoshuai Chen, Atsushi Konno, Nobuo Shinohara
  • Journal Title: Langenbeck's Archives of Surgery Volume: - Issue: 5 Pages: 2123-2132
  • DOI: 10.1007/s00423-022-02505-9
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Development of machine learning-based assessment system for laparoscopic surgical skills using motion-capture (2024)
  • Author(s): Koki Ebina, Takashige Abe, Lingbo Yan, Kiyohiko Hotta, Madoka Highuchi, Naoya Iwahara, Jun Furumido, Masafumi Kon, Sachiyo Murai, Yo Kurashima, Shunsuke Komizunai, Teppei Tsujita, Kazuya Sase, Xiaoshuai Chen, Taku Senoo, Nobuo Shinohara and Atsushi Konno
  • Organizer: The 2024 16th IEEE/SICE International Symposium on System Integration (SII 2024)
• [Presentation] 増やそう未来の外科医！働き方改革における外科系教育 「Simulation training in urologic surgery: Our experiences」 (2023)
  • Author(s): Takashige Abe, Masafumi Kon, Madoka Higuchi, Kiyohiko Hotta, Hiroshi Kikuchi, Jun Furumido, Naoya Iwahara1, Shuhei Yamada4, Shigeru Harada1, Chihiro Kamijyo1, Sachiyo Murai1, Haruka Miyata1, Ryuji Matsumoto1, Takahiro Osawa1, Nobuo Shinohara
  • Organizer: 第61回日本癌治療学会学術集会
• [Presentation] カダバートレーニング時の鉗子動態計測による手術技量の数値化の試み (2023)
  • Author(s): 安部崇重、今雅史、堀田記世彦、樋口まどか、上條千太、宮田遥、松本隆児、大澤崇宏、篠原信雄
  • Organizer: 第37回日本泌尿器内視鏡・ロボティクス学会総会
• [Presentation] 客観的フィードバックが得られる腹腔鏡手術トレーニングモデル構築の試み (2023)
  • Author(s): 安部崇重、松本隆児、堀田記世彦、七戸俊明、倉島庸、篠原信雄
  • Organizer: 第36回日本内視鏡外科学会総会
• [Presentation] 腹腔鏡手術カダバートレーニングにおける鉗子動態解析の試み (2023)
  • Author(s): 晏凌波，安部崇重，海老名光希，今雅史，堀田記世彦，渡辺雅彦，七戸俊明，倉島庸，小水内俊介，辻田 哲平，佐瀬 一弥，陳 暁帥，篠原信雄，近野敦
  • Organizer: 第10回日本外科教育研究会学術集会（SES）
• [Presentation] 実践的な腹腔鏡手術訓練における鉗子動態計測による手術手技解析 (2023)
  • Author(s): 晏凌波，安部崇重，海老名光希，今雅史，堀田記世彦，渡辺雅彦，七戸俊明，樋口まどか，村井祥代，小水内俊介，辻田哲平，佐瀬一弥，陳暁帥，妹尾拓，篠原信雄，近野敦
  • Organizer: 第41回日本ロボット学会学術講演会
• [Presentation] 腹腔鏡手術訓練のためのオンサイトトレーニングシステム開発 (2023)
  • Author(s): 海老名光希，安部崇重，晏凌波，堀田記世彦，倉島庸，村井祥代，樋口まどか，今雅史，小水内俊介，辻田哲平，佐瀬一弥，陳暁帥，妹尾拓，篠原信雄，近野敦
  • Organizer: 第41回日本ロボット学会学術講演会
• [Presentation] 実践的な腹腔鏡手術訓練における機械学習を用いた術者技量評価システムの開発 (2023)
  • Author(s): 晏凌波, 安部崇重, 海老名光希, 今雅史, 堀田記世彦, 渡辺雅彦, 七戸俊明, 樋口まどか, 村井祥代, 小水内俊介, 辻田哲平, 佐瀬一弥, 陳暁帥, 妹尾拓, 篠原信雄, 近野敦
  • Organizer: 第24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
• [Presentation] 腹腔鏡手術支援のための臓器特徴点を用いた臓器モデル位置合わせ (2023)
  • Author(s): 薄井浩生, 澁谷紗也華, 海老名光希, 佐瀬一弥, 陳暁帥, 小水内俊介, 安部 崇重, 辻田哲平, 妹尾拓, 的場光太郎, 近野敦
  • Organizer: 第24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
• [Presentation] 腹腔鏡手術訓練におけるtsfreshおよびSHAPを用いた機械学習モデルに基づく技量解析 (2023)
  • Author(s): 海老名光希, 安部崇重, 晏凌波, 堀田記世彦, 樋口まどか, 古御堂純, 岩原直也, 今雅史, 倉島庸, 村井祥代, 小水内俊介, 辻田哲平, 佐瀬一弥, 陳暁帥, 妹尾拓, 篠原信雄, 近野敦
  • Organizer: 第24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
• [Presentation] 腹腔鏡手術技量向上のための機械学習を用いたオンサイトトレーニングシステムの開発 (2023)
  • Author(s): 海老名光希，安部崇重，堀田記世彦，樋口まどか，古御堂純，岩原直也，今雅史，倉島庸，菊地央，松本隆児，大澤崇宏，村井祥代，辻田哲平，小水内俊介， 佐瀬一弥，陳暁帥，妹尾拓，篠原信雄，近野敦
  • Organizer: 第10回Surgical Education Summit（2023)
• [Presentation] 実践的な腹腔鏡手術訓練技量解析のための計測データ補正処理の検討と特徴量算出 (2023)
  • Author(s): 海老名光希，安部崇重，晏凌波，堀田記世彦，今雅史，樋口まどか，古御堂純，岩原直也，小水内俊介，倉島庸，菊地央，松本隆児，大澤崇宏，村井祥代，辻田哲平，佐瀬一弥，陳暁帥，妹尾拓，篠原信雄，近野敦
  • Organizer: ロボティクス・メカトロニクス講演会2023
• [Presentation] Development and validation of a measurement system for laparoscopic surgical procedures in practical surgery training. (2023)
  • Author(s): Koki Ebina, Takashige Abe, Kiyohiko Hotta, Madoka Higuchi, Jun Furumido, Naoya Iwahara, Masafumi Kon, Shunsuke Komizunai, Yo Kurashima, Hiroshi Kikuchi, Ryuji Matsumoto, Takahiro Osawa, Sachiyo Murai, Teppei Tsujita, Kazuya Sase, Xiaoshuai Chen, Nobuo Shinohara, and Atsushi Konno
  • Organizer: 2023 IEEE/SICE International Symposium on System Integrations (SII 2023)I
• [Presentation] 篤志献体を用いた腹腔鏡下根治的腎摘除術トレーニングの経験 (2021)
  • Author(s): 安部崇重、今雅史、岩原直也、古御堂純、樋口まどか、菊地央、堀田記世彦、松本隆児、大澤崇宏、篠原信雄
  • Organizer: 第35回日本泌尿器内視鏡学会総会
• [Presentation] 機械学習を利用した鉗子動態特徴量に基づく腹腔鏡手術基本手技の技量評価 Machine Learning-based Scoring System of Laparoscopic Fundamental Surgical Skills in Wet-lab Training (2021)
  • Author(s): 安部崇重、海老名光希、堀田記世彦、古御堂純、岩原直也、今雅史、樋口まどか、小水内俊介、倉島庸、村井祥代、近野敦、篠原信雄
  • Organizer: 第109回日本泌尿器科学会総会