2018 Fiscal Year Annual Research Report
軟組織を対象とした手術ナビゲーションのための臓器位置・変形計測に関する研究
| Project/Area Number |
16H03191
|
|---|
| Research Institution | Tokyo Medical and Dental University |
|---|
Principal Investigator |
中島 義和 東京医科歯科大学, 生体材料工学研究所, 教授 (40343256)
|
|---|
| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
小山 博史 東京大学, 大学院医学系研究科(医学部), 教授 (30194640)
斎藤 季 東京大学, 大学院医学系研究科(医学部), 特任助教 (00646466)
金 太一 東京大学, 医学部附属病院, 助教 (90447392)
中冨 浩文 東京大学, 医学部附属病院, 准教授 (10420209)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2021-03-31
|
| Keywords | 臓器変形トラッキング / 手術支援 / 形状計測 / 非接触計測 / ブレインシフト |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
高精度な手術ナビゲーションを実現するためには，術中における臓器移動の補正に加え，脳外科手術中に生じるブレインシフト（脳の変形）や外科手術中に生じる肝臓など軟組織の変形を補正することが求められる．手術ナビゲーションシステムは，術中における患部の移動量を補正するため，随時，患部の位置を計測し更新するが，現在，臨床に導入されている手術ナビゲーションシステムでは，計測方式に関わらず，位置計測用のマーカを臓器の対象部位に固定・留置する必要がある．臓器へのマーカの固定は，皮膚や筋肉組織の切開などの外科的な侵襲を伴うだけでなく，時にマーカが術野の一部を覆ってしまい手術行為を妨げる要因になり得る．また，マーカを固定する方法は，脳や肝臓など柔らかく変形を生じる組織に対しては，固定が困難であり，さらに変形量の捕捉には多くのマーカを空間配置する必要があることから，適しているとは言い難い．これら軟組織に対しては，非接触計測が有効である．
我々は，軟組織表面を対象とし，非接触でかつマーカを使わない移動量ならびに変形量の計測手法を確立した．まず，臓器表面をスキャンし3次元形状を得る．同時に，texture（模様）を取得し，textured形状を生成する．Textureは，変形量計算における対応点探索に利用して変形量推定の安定化ならびに高精度化を図る．脳，皮膚ならびに腹腔内臓器の多くはその表面にtextureを有している．形状に加えてtextureを利用することで，安定にかつ高精度に移動量と変形量を推定できる．本手法は，軟組織を対象とした移動・変形計測を実現する手法であり，軟組織手術ナビゲーションを実用化に導くものである．平成30年度は，システムの改良と性能評価に加え，国際会議での発表を行い，設計にフィードバックした．
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
Textured形状計測について，レーザ光デバイスと高速カメラによるステレオ位相差形状計測と，多焦点計測による形状計測について，生体計測の実現を目指して改良を加えるとともに，性能評価を進めた．レーザ光デバイスと高速カメラによるステレオ形状計測では，位相差計測法を中心に動物実験ならびに全臨床試験に向けて実装を進めるとともに，性能を評価した．
まず，計測デバイスについて，当研究チームが開発した既存のプロトタイプからさらに計測精度を高めるため，一昨年度実施したハードウェアの改良に加えた．さらに，形状推定アルゴリズムの改良とソフトウェアへの実装を進めた．脳表面形状ならびにテクスチャの計測について，一定の成果を得た．Intel RealSense を導入したシステムも構築し，それらデバイスと当方で開発を進めているデバイスとの性能を，空間分解能，誤差ならびに応答速度の観点で比較検討した．応答速度に関しては，商品化されているデバイスに及ばなかったが，空間分解能ならびに誤差については提案手法は安定して優位性を示した．
3次元再構成計算においては，高速化のため，高性能並列演算を可能にする技術であるCUDAを利用するなどプログラムの並列処理化を昨年度に引き続いて進めた．さらに，その上に臓器形状再構成ソフトウェアを実装し，処理の高速化を図った．
手術プロジェクションマッピング（PM）システムへの実装では，脳や肝臓の臓器モデルを用いて移動，および変形の追跡精度について，高分子材料を使ったファントムを使って検証した．ファントムはヤング率などの力学特性を脳に合わせて作製し，術中の脳圧変化や組織切開等により生じる脳変形（ブレインシフト）で実験を行い，提案手法における変形追従の安定性向上や誤差の大幅低減を確認した．また，脳表面におけるPM（レーザ光での描画）についてパラメータを最適化した．
|
| Strategy for Future Research Activity |
Textured形状計測，臓器移動・変形追跡を術具位置姿勢誘導のための立体PMシステムの安定性と情報視認性をさらに向上させる．まず，脳テクスチャの空間分解能を向上させるため，赤外光を用いた脳表毛細血管の画像計測，ならびにそれを用いたトラッキング法を検討する．現時点で，脳形状ならびにテクスチャは可視光で計測している．現時点で数 mm の分解能と精度を得ているが，計測誤差の分布は一様ではなく，さらなる安定化のためにはテクスチャの空間分解能を向上させる必要がある．光学計測系を赤外線に対応させる改良を加えることで，太い血管だけでなく毛細血管まで含めた脳表血管テクスチャの計測を行い，計測の安定化と高精度化を目指す．さらに，形状再構成アルゴリズムにサブサンプリングと信号補間最尤推定を導入し，さらなる安定化と高精度化を図る．
また，昨年度の成果において，3D空間の2Dプロジェクション系では誤差が計測系の空間配置に特徴的な分布を示すことがわかってきた．そこで，形状計測系ならびにプロジェクションマッピング系の安定化のため，システムパラメータの最適化と，使用条件の定量評価ならびに定式化についても，研究を進める．
システム評価については，今年度は東京医科歯科大学 医歯学総合研究科と連携して，動物実験による生体での性能評価など，実用化に向けた取り組みを進める．実験では，腹部手術を想定し，手術具など実際の手術に近い環境下で性能評価を行う．
|
Research Products
(6 results)
