聴触覚融合データの幾何学的解析による骨切り手術支援システムの開発

Research Project

Project/Area Number	21H01273
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
Allocation Type	Single-year Grants
Section	一般
Review Section	Basic Section 20010:Mechanics and mechatronics-related
Research Institution	Tokyo Institute of Technology
Principal Investigator	中野寛東京工業大学, 工学院, 准教授 (70433068)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	大井一浩金沢大学, 附属病院, 講師 (90451450)
Project Period (FY)	2021-04-01 – 2024-03-31
Project Status	Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help	¥18,200,000 (Direct Cost: ¥14,000,000、Indirect Cost: ¥4,200,000) Fiscal Year 2023: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000) Fiscal Year 2022: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000) Fiscal Year 2021: ¥14,950,000 (Direct Cost: ¥11,500,000、Indirect Cost: ¥3,450,000)
Keywords	振動モニタリング / 時系列解析 / 顎変形症手術 / 骨切削
Outline of Research at the Start	本研究では，口腔外科手術において医師が回転切削工具を用いて骨切り手術する際，切削工具が骨の硬質層から軟質層に到達する直前で手元に感じる感覚の変化を可視化し，安全に骨切り手術を行える手術支援システムを構築する．さらに，骨切り手術熟練者と非熟練者で，骨の軟質層到達直前の幾何学的特徴の変化の違いを解明することで，客観的評価指標を導出する．
Outline of Annual Research Achievements	口腔外科手術における顎変形症の治療では回転切削器具を用いて顎骨を,骨表面の硬質で密な構造の皮質骨と骨内部の軟質で疎な海綿骨に切断分割し，適切な噛み合わせ位置に調整して再接合する手術が行われている.現状,海綿骨到達の判断は,医師の手に伝わる感覚の変化で判断されており,術者の練度に依存する．海綿骨到達判断の定量的評価指標を確立することは安全に手術を行うことや,研修医の技術指導などの観点から非常に重要である. 2022年度は，ハンドピースの振動加速度のスペクトル成分の変化だけでなく、切削力の変化も複合的に考慮した海綿骨到達判断指標の有効性を調査した。昨年度構築した振動加速度のスペクトル平均による評価指標で海綿骨到達誤判定が発生する場合の改善策として,軟質層到達時,切削バー押し付け方向における切削力が急激に増加する傾向に着目し,スペクトル平均と切削力の増加を同時に考慮することで判定精度の向上を図った.また，昨年度開発した人工骨二層被削材に加えて,人の下顎骨と被削性が近いとされる豚の下顎骨を用いて実験を行い，評価指標の有効性を評価した.さらに,海綿骨に到達した瞬間を検知する電極回路を人工骨二層被削材に新たに組み込んで,術者が海綿骨到達の感覚の変化をどの段階で判断しているか調査した.2022年度に得られた成果は以下のとおりである. ・押し付け方向の切削力の増加を考慮したスペクトル平均のピーク時刻を評価指標に使用することで，人工骨二層被削材および豚の下顎骨における海綿骨到達判定精度が向上することを確認した. ・海綿骨到達の感知は軟質層に到達した瞬間ではなく,ある程度軟質層の切削を進めた段階で感じ取らていることを明らかにした.
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 2022年度の研究目標として，①実際の骨を使用した切削試験による軟質層到達判定精度の評価,②切れ刃が海綿骨に到達した時に感じる感覚の変化に関与するパラメータの調査を挙げ，研究を実施した．その結果，押し付け方向の切削力の増加を考慮したスペクトル平均評価指標を提案し、人の顎骨に近い豚の下顎骨を使用した熟練医師による切削試験結果から，医師の海綿骨到達判断時刻と本年度提案した評価指標で求めた時刻が近い値を示しており，判定精度の向上と実際の骨切削での有効性を確認した．本年度は，当初計画した実験をすべて行い，昨年度より判定精度の向上も確認することができたため，概ね順調に進展していると自己評価した．
Strategy for Future Research Activity	① 海綿骨到達評価指標の判定精度向上ハンドピースの振動加速度および切削力変化に加えて，これまでの切削試験で取得していた切削音の周波数スペクトル密度変化も考慮に入れた判定指標の判定精度を評価する． ② 熟練医師と非熟練者の切削試験データ比較検証研究分担者の所属する金沢大学の臨床医や研修医の協力を得て，熟練医師（研究分担者＋口腔外科専門臨床医）と非熟練者（研修医＋研究室学生）の様々な切削試験サンプルデータを取得し，熟練医師と非熟練者で海綿骨到達判定指標の精度を比較検証し，海綿骨到達を精確に感知するためのハンドピース操作の教師データを明らかにする． ③ 3年間の研究の総括