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

2016 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, 大学院医歯学総合研究科, 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吻合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して血管画像情報と血流情報を三次元統合しリアルタイム提示する術中評価支援システムの構築と、それによる術中評価指標の探索を進めている。2年目となる平成28年度には、開発中の計測・情報提示システムのファントムモデル及びブタ摘出心モデルによるin vitro評価を行い、システムの妥当性評価を行った。
１ ファントムモデルによる計測・情報提示システムの評価
冠動脈血管の管腔構造を模擬したファントムモデルにブタ血液を一定流速で流し、超音波画像の取得と簡易三次元表示による管腔構造の可視化を行った。金属製器具が多用される手術室環境では磁気式センサが磁場の空間的歪みの影響を大きく受けるため、先ずは磁気式センサを用いない簡易的な三次元表示による像構築を試みた。二次元超音波画像の積層による簡易三次元表示では、ファントムモデルに起因するアーチファクトが少なからず立体像構築に影響したが、管腔構造を三次元的に構築可能であることを確認した。磁気式センサを用いた計測・情報提示システムでも同様にファントムモデルによる評価を行い、超音波プローブと超音波画像のそれぞれの座標軸統合（キャリブレーション）に精度上の課題を確認した。
２ ブタ摘出心モデルによる吻合部超音波画像データの取得と簡易三次元可視化
ブタ摘出心からグラフトとして右冠動脈を採取、左前下行枝に吻合したモデルを作成した。このグラフトにブタ血液を一定速度で流し、吻合箇所の超音波画像から簡易三次元画像を構築した。吻合部の三次元表示では管腔構造を詳細に確認できたが、吻合部遠位側の狭窄を模擬したモデルでは血流の不足に伴うアーチファクト混在のため、鮮明な像構築に課題が残された。

Current Status of Research Progress

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

Reason

初年度に引き続き計測・情報提示システムの構築を行っており、これまでにファントムモデル及びブタ摘出心によるin vitro評価を行っている。エコー画像の三次元再構築に必要な情報を提供する三次元位置センサとして、目視不可能な狭い術野での計測にも対応でき小型化されている磁気式のセンサを選択してシステム構築を進めてきているが、術野周囲の金属類による磁場空間の歪みの影響も考慮し、磁気センサを用いずにエコー画像の積層にて三次元像を得る簡易的な方法での検討も併せて行った。これはシステムの冗長性確保に役立つのみならず、取得する三次元位置情報精度の補正や必要な画像処理内容の検討に有益であり、今後のシステム構築の方向性に多くの選択肢を与えた。
ブタ摘出心の左前下行枝にグラフトとして採取した右冠動脈を吻合したバイパスモデルによるin vitro評価では、グラフトにブタ血液を一定流速で流すことで吻合箇所のエコー画像を取得し、エコー画像から三次元構築することでその管腔構造を詳細に確認することができている。吻合部遠位側を狭窄させたモデルでは、狭窄部位での血流不足に伴いエコー画像へのアーチファクト混在が見られ、明瞭な三次元像の構築は困難であった。この結果は、組織と管腔構造の三次元構築においてその境界画定にどのような画像処理手法が求められるかを明示する重要な役割を果たしており、解決すべき重要な課題を早々に表在化したものである。
システムの構築・改善、ファントムモデル・摘出心モデルによるin vitro評価を引き続き進め、今後は更に動物実験によるin vivo評価を行っていくことでシステムの妥当性・有効性評価を行える段階にあり、おおむね順調に進展していると考えている。

Strategy for Future Research Activity

これまで開発を進めてきている計測・情報提示システムのin vitro評価を引き続き進めると共に、大型動物実験によるin vivo評価を行うことで改良改善へのフィードバックとする。特に大型動物による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、動物実験に関する教育訓練を受けた動物実験実施資格を有する人員で適切に執り行う。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、臨床使用時に使い勝手の良いシステムとして機能し、有効な情報をリアルタイム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も併せて確認する。H28年度の検討により、血管及びグラフト吻合部管腔構造の三次元像構築においてその描画が不明瞭になる課題が明らかとなった。組織と管腔構造の境界画定を明確に行うための画像処理フィルタの選定や適用も随時検討していく予定である。
In vitro, in vivoでの評価を充分に行い、臨床評価に耐えうる基本性能を有していることが確認できれば、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術中評価を臨床にて検討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及び日本販売代理店の協力を得て本システムの機能を装置に搭載することを検討し、臨床使用による妥当性・有効性評価のための準備を整える。

Causes of Carryover

平成28年度における研究の進捗は、主にファントムモデルやブタ摘出心モデルを用いた簡易式三次元画像表示システムによる評価が中心であった。このために前年度から繰り越した費用を含め、磁気式センサを用いない超音波画像の単純積層による簡易式三次元画像表示システムの構築に主に費やした。当初の予定では初年度に超音波画像計測のためのプローブ購入予算を計上していたがこれを代替品でまかなうこととし、簡易式三次元画像表示システムの構築のために予算を費やしたために、次年度への繰り越しが発生した。

Expenditure Plan for Carryover Budget

次年度は、ヒトと同程度の大きさの心臓及び冠動脈を有する大型動物によるシステム評価実験を計画しており、そのための実験動物代金や薬品・輸液等を含め各種消耗品の費用が必要となる。平成28年度に構築した、簡易式の超音波画像積層による三次元画像構築システムによる評価と、磁気式センサから得られる三次元位置情報を考慮した三次元画像構築するステムによる評価を同時にin vitro, in vivoにて行うための予算として使用する予定である。