冠動脈バイパス術中局所冠動脈三次元超音波画像による手術支援システムの研究開発

2015 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 15K10208
• Research Institution: Tokyo Medical and Dental University
• Principal Investigator: 荒井 裕国 東京医科歯科大学, 医歯(薬)学総合研究科, 教授 (50202718)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2018-03-31
• Keywords: 冠動脈外科学 / 冠動脈バイパス術 / 手術支援システム / 高周波心外膜エコー / 三次元画像再構築

Outline of Annual Research Achievements

冠動脈バイパス術におけるグラフトや吻合予定冠動脈、およびそれらの吻合部の質や血行再建の完全性を術中評価し、周術期・遠隔期の臨床成績を向上させる新しい試みとして、本研究では小型高周波心外膜エコープローブ先端に小型三次元位置追跡センサを装着することで血管画像情報と血流情報を三次元統合し術者にリアルタイム提示する手術支援システムの構築と、それによる確実な術中評価のための臨床的評価指標の探索を進めている。初年度となる平成27年度には計測・情報提示システムの構築を行い、三次元位置追跡センサの術野環境における測定精度について検討した。
１ 計測・情報提示システムの構築
構築した計測・情報提示システムは、小型高周波心外膜エコー装置（VeriQC, MediStim）、小型三次元位置追跡センサ（3D Guidance trakSTAR, Ascension Technology Corp.）及び解析・情報提示用PCから成り、オープンソースソフトウェアの3D Slicerにてエコー画像とエコープローブ三次元位置情報の統合提示を行っている。三次元位置情報取得には通常光学式あるいは磁気式の位置センサが使われることが多いが、狭く視認困難な胸腔内領域にも適用可能な磁気式の小型三次元位置センサを選択した。
２ 術野環境における三次元位置センサの測定精度評価
使用する磁気式三次元位置センサは外科手術に多用される金属製器具の影響を受けることが懸念されるため、ステンレス製の手術台と開胸器が磁気式三次元位置センサの測定精度に与える影響を検討した。臨床応用時に想定される位置に磁場発生装置を設置し測定したところ、手術台からの距離が近いほど磁場の空間的歪みの影響を強く受け、開胸器から10cm以内の領域で3～5 mm程度の誤差が示された。これらは複数個の位置センサによる補正や術前のキャリブレーションで今後補正していく予定である。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本研究課題の成否は、高周波心外膜エコー装置と三次元位置センサから得られる血管画像情報と血流情報を高い精度で三次元再構築することに大きく依存している。このため計測・情報提示システムの構築には、様々な候補の中から充分に目的を達成可能な方式・装置を選択し、精度を確認してシステムに採用した。特に高い精度が必要な三次元位置センサの候補としては、光学式センサが最も精度が高く金属類による空間歪みの影響も無いが、狭く限られた胸腔内領域での施術や小型エコープローブによる画像取得を考慮しこれらを邪魔しない小型磁気式の三次元位置センサを選択した。磁気式のセンサは手術環境で多用される金属製器具による空間的歪みの影響を受けるため、測定精度に対するこれらの影響を充分に検討することは必須であった。
計測・情報提示システムの構築にあたっては、高周波心外膜エコー装置の本体とエコープローブ共にメーカーとの交渉により貸与を受けられることを確認し、経費の節約が可能であった。また、磁気式三次元位置センサの選定と取得により、エコー画像の取り込みとエコープローブ位置の三次元追跡が可能となった。解析・情報提示用PCでは取得したエコー画像とプローブ位置の三次元情報を統合するためにオープンソースのソフトウェアを使用して効率よくシステム構築を行うことに成功している。構築したシステムのin vitro, in vivo評価は引き続き次年度に行う予定であるが、おおむね順調に進展していると考えている。

Strategy for Future Research Activity

初年度に開発したシステムの完成度を高めるため、前年度に引き続きファントムモデルを用いたin vitro評価及び大型動物実験によるin vivo評価を行い、改良改善へのフィードバックとする。動物実験にてシステムの臨床使用に対する有用性・妥当性が確認されたら、周術期・遠隔期の臨床成績向上に資するCABG術中評価指標の探索を同時に進める。
ファントムモデルによるin vitro評価では、高周波心外膜エコープローブの周波数帯域が10-18MHz程度の範囲であることを考慮し、深さ方向で40mm程度までを対象とした三次元血管画像と血流情報からなる三次元再構成画像の精度評価を行う。
大型動物によるin vivo評価では、実験用SPFブタを用いたシステムの妥当性・有用性評価を総合的に行う。動物実験は所属機関の動物実験委員会の承認のもと適切に執り行う。動物実験評価では特に、心臓拍動下で得られる三次元再構築画像の時間的・空間的精度、情報の提示様式など、臨床使用時に有益な情報として提示できる様式を充分に評価検討する。得られる情報がより多角的になるため、臨床上必要な情報のみに適切に絞って提示できるシステムであることを確認する。
本システムを利用した吻合の質や血行再建の完全性の向上のための新しいCABG術中評価を臨床使用するための準備を進める。高周波心外膜エコー装置メーカーの協力を得て本システムの機能を装置に搭載し、臨床使用による妥当性・有効性評価の準備を整える。

Causes of Carryover

初年度の研究経費のうち、物品費として計上している3次元位置姿勢センサは、複数チャンネルを使用し術場環境における空間歪みの影響を補正することでより高い精度での三次元位置計測が可能であると考え、複数台の購入を行ったために当初の予定額(710,000円)を上回った。一方、これを補填するため、物品費として計上していた高周波心外膜エコーイメージングプローブ（1,932,000円）が、メーカーとの交渉により貸与を受けられることが確認できたので、本物品の購入を取りやめた。結果的に、これらの差し引きにより次年度使用額（604,160円）が発生した。

Expenditure Plan for Carryover Budget

初年度に引き続きファントムモデルを用いたin vitro評価及び大型動物実験によるin vivo評価を行うため、この予算として使用する。備品の購入ではなく、主にファントムモデルの構築や大型動物実験における消耗品購入のための予算として使用する。特に大型動物実験によるin vivo評価では、術場環境における金属製器具がもたらす三次元位置計測への強い影響が懸念されることが初年度の研究により明らかになった。動物実験評価を行う上で、心臓拍動下で得られる三次元再構築画像の時間的・空間的精度を詳細に計測する必要が生じることが充分予測されるため、そのための費用として使用する予定である。