| Project/Area Number |
23K18486
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Medium-sized Section 61:Human informatics and related fields
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
近野 敦 北海道大学, 情報科学研究院, 教授 (90250688)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
妹尾 拓 北海道大学, 情報科学研究院, 准教授 (10512113)
小水内 俊介 香川大学, 創造工学部, 准教授 (40708004)
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| Project Period (FY) |
2023-06-30 – 2026-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥6,370,000 (Direct Cost: ¥4,900,000、Indirect Cost: ¥1,470,000)
Fiscal Year 2025: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
Fiscal Year 2023: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000)
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| Keywords | デジタルツイン / 動力学シミュレーション / 手術計画立案 |
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| Outline of Research at the Start |
近年，手術支援ロボットを用いた手術が急速に普及している．現在は手術医がロボットを操作して手術を行っているが，将来は人工知能が自動的に判断して手術を行う「完全自動化手術」が期待される．完全自動化手術では手術計画生成を自動生成する必要がある．そこで本研究では，医用画像および検査データから患者のデジタルツイン（現実世界を仮想世界に再現したモデル）を生成し，過去の手術のデータベースとデジタルツインを用いた試行による最適化を用いて手術計画を自動生成することに挑戦する．
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，患者の医用画像および検査データから患者のデジタルツイン（現実世界を仮想世界に再現したモデル）を生成し，過去の手術のデータベースとデジタルツインを用いた試行による最適化を用いて手術計画を自動生成することに挑戦する．
研究開発項目を大きく，1. 腹腔鏡下腎部分切除術データベース分析，2. 患者のデジタルツインを用いた手術手順最適化，の二つに分け，小課題として，1-1 腎部分切除術データの言語化，1-2 腎部分切除術データの特徴量抽出，2-1 患者デジタルツインを用いた動力学シミュレーション，2-2 腎部分切除術データを用いた手術手順生成，2-3 手術手順，切除術の最適化，2-4 手術手順自動生成評価，を設けた．
2年目となる2024年度は，主に1-2, 2-2, 2-3の課題に取り組んだ．課題1-2に関しては，北海道大学医学部腎泌尿器科教室とともに実施したカダバー（故人の遺志により提供されたご献体）を用いた腎臓摘出手術訓練46例で手術器具の動作をモーションキャプチャー装置で記録し，その動作を解析して特徴量を抽出した．本研究の成果は，国際医学専門誌であるCurrent Problems in Surgery (IF=2.3)に掲載された．また，課題2-2, 2-3に関して，泌尿器周りの内臓の有限要素モデルを作成し，動力学シミュレーションにより手術技量を数値化する手法を開発した．
なお，課題1に関する実験は北海道大学医学研究院の医の倫理委員会の承認を得て，医療機器開発推進センターの協力のもと実施した（承認番号：医20-027）．カダバーで実際に模擬手術を行ったのは本学医学研究院腎泌尿器外科教室の医師である．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
模擬手術における手術器具の動作をモーションキャプチャー装置で記録するシステムの開発成果が，国際学術誌であるIEEE Transactions on Medical Robotics and Bionics (IF=3.7)に掲載された．また，北海道大学医学部腎泌尿器科教室とともに実施したカダバー（故人の遺志により提供されたご献体）を用いた腎臓摘出手術訓練46例で手術器具の動作をモーションキャプチャー装置で記録し，その動作を解析して特徴量を抽出し，その成果が，国際医学専門誌であるCurrent Problems in Surgery (IF=2.3)に掲載された．これらを含め合計5本の論文がインパクトファクター付きの国際学術誌に掲載され，さらに国際会議，国内会議でも多数の発表を行うなど，着実に成果が出ている．
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| Strategy for Future Research Activity |
最終年度となる2025年度は，主に課題2-2 腎部分切除術データを用いた手術手順生成，2-3 手術手順・切除術の最適化，2-4 手術手順自動生成評価，に取り組む．これまで行ってきたカダバーを用いた腎臓摘出手術訓練から初期手術手順を生成し，それを基に，これまで開発してきた動力学手術シミュレーターで手術を仮想空間で再現し，手術時間や臓器に発生する応力，手術器具の患部へのアクセスの容易さなどの指標から，最適な手術手順を生成する．
これまで行ってきたカダバーを用いた熟練医による腎摘出術を例として，自動生成した手術手順，術式，手術作用箇所等を熟練医の術式と比較検討する．評価は，腎摘出術の専門医である北海道大学医学部腎泌尿器科教室の外科医師に依頼する．
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