超音波関節鏡を併用した次世代型関節鏡ARシステムの開発

Research Project

Project/Area Number	22K09374
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
Allocation Type	Multi-year Fund
Section	一般
Review Section	Basic Section 56020:Orthopedics-related
Research Institution	Nagoya University
Principal Investigator	山本美知郎名古屋大学, 医学系研究科, 教授 (90528829)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	横田秀夫国立研究開発法人理化学研究所, 光量子工学研究センター, チームリーダー (00261206) 建部将広名古屋大学, 医学系研究科, 特任教授 (60420379) 大山慎太郎名古屋大学, 未来社会創造機構, 准教授 (80768797)
Project Period (FY)	2022-04-01 – 2025-03-31
Project Status	Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help	¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000) Fiscal Year 2024: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000) Fiscal Year 2023: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000) Fiscal Year 2022: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
Keywords	Augmented reality / 肘関節鏡 / 末梢神経 / motion tracking / アラーム / MRI
Outline of Research at the Start	関節鏡手術は整形外科の標準的治療となっている。近年ではモニターの画質が改善し機器の小径化も進み視認性や操作性は向上しているが、今なお医原性神経損傷が発生している。我々が開発しているAugmented realityを用いた次世代型肘関節鏡手術システムを用いることで、術者は関節鏡単独では視認困難な神経の位置情報を術中に得ることが可能になる。肘関節鏡ARにおいて重要な課題として術中リアルタイムでの重畳表示精度の検証がある。肘関節鏡ARに超音波内視鏡を併用することで、ARによる重畳表示の術中誤差を計測し補正することが可能になる。今研究により超音波関節鏡を用いた関節鏡ARシステムを開発する。
Outline of Annual Research Achievements	肘関節周囲を走行する正中神経、尺骨神経、橈骨神経と骨の情報を関節鏡画像に重畳表示するAugmented reality (AR)を臨床応用に向けて様々な取り組みを行った。まず名古屋大学医学部附属病院手術室にAcuity社から購入したOptitrackのmotion tracking systemを用いてマーカーをシームレスに追跡可能であるかの実験を行った。Optitrackのカメラ6台を手術室に取り付けて実験を行い、死角無しに位置情報を得ることが可能であった。 Motion tracking systemの変更に伴い、ARのプログラムを修正した。ソフトウエアRhinocerosを用いてOverlayするが、鉗子やシェーバーなどのinstrumentsが神経に近づいた場合にアラームが鳴るような設定を加えた。肘関節鏡ARにおいては個々の患者での術前CTとMRI画像から神経と骨の情報を抽出するが、今後、多くの症例に対応するために、肘関節周辺を走行する神経の3次元解剖のvariationを調査している。これまでに健常成人１５名に対して肘関節を０度（伸展位）、４５度屈曲位、９０度屈曲位でMRIを撮影し、正中・橈骨・尺骨神経の３次元情報と骨の情報を抽出した。３次元空間にて神経走行の解剖学的variationを解析している。健常人の肘関節周辺の神経の３次元解剖のvariationが誤差1cm以内であれば、今後は個々の患者のデータから神経と骨の情報を抽出せずに、予めストックされた肘関節周辺の神経の3次元情報を重畳表示することで、実際の臨床において簡便にARを使用することが可能になると考えている。２０２４年５月下旬に新しいARシステムでの１例目の臨床試験を行う予定である。それらの結果は次回報告する。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 肘関節鏡ARについては概ね順調に開発が進んでいる。新たに導入したOptitrackのmotion tracking systemで使用するマーカーが滅菌により変質が生じたが、滅菌可能で代替できるマーカーを探して見つけることができている。マーカーを関節鏡に取り付けるためのデバイスも制作した。令和６年度中に臨床例でのAR肘関節鏡手術が進む見込みである。その結果、AR肘関節鏡の有用性と臨床使用時の問題点がもしあれば明らかになる。 AR肘関節鏡手術中にエコープローベを滅菌ドレープでカバーして術野で超音波を使用する予定にしている。重畳表示した神経の走行と術中エコーでの精度検証を行う。
Strategy for Future Research Activity	臨床例での肘関節鏡ARを導入して、case seriesとして報告する。同時に肘関節周囲を走行する神経の3次元解剖を統計学的に解析し、神経の走行の誤差範囲を検討する。肘関節周囲を走行する神経に対し、３肢位でMRIを撮影しており、０度から９０度までの肘関節の屈伸に伴う神経動態についても解析を進めている。この技術をAR肘関節鏡に付与することで、肘関節鏡中に肘関節の動きに合わせた重畳表示が将来的に可能になる。現在は肘関節周辺の神経の３次元解剖を手作業で抽出している。ここに多大な時間と労力を費やしている。この技術をＡＩを用いて行う試みも進めている。術前に既定の撮影方法による肘関節ＭＲＩ画像があれば神経の3次元情報をコンピュータが作成できるようになる。