2016 Fiscal Year Annual Research Report
Advancement of Numerical Simulation of Deformed Human Abdominal Organs for Computer Aided Surgery
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16H03914
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| Research Institution | Yokohama National University |
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Principal Investigator |
山田 貴博 横浜国立大学, 大学院環境情報研究院, 教授 (40240022)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
槙山 和秀 横浜市立大学, 医学部, 准教授 (40347307)
松井 和己 横浜国立大学, 大学院環境情報研究院, 准教授 (00377110)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | バイオメカニクス / 手術支援 / モデル化 / 人腹腔 / 生体物性計測 / 計算力学 / 有限要素法 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題の目的は，より安全な手術の施行に資するものとして，腹腔鏡下・ロボット補助下の手術における患者個別シミュレーション・ナビゲーションシステムの開発を目指し，その基盤となる臨床応用可能な高精度かつ高速な腹腔内組織全体の力学シミュレーション技術を開発することである．
平成２８年度の研究においては，まず画像データと解剖学的知見に基づく膜・網組織を考慮した腹腔の力学モデル生成に取り組んだ．腹腔内の膜・網組織は薄肉の組織であることから，医療用画像から判別することは困難である．そこで，本研究課題では解剖学的知見に基づき，膜・網組織の位相的な幾何構造を再現した標準モデルを作成し，それを既に開発されている医療用画像からソリッド要素として生成される有限要素モデルにモーフィングすることで，患者固有データに対応した膜・網組織を含むモデルを作成する手法の開発を進めた．平成２８年度においては，このような問題におけるモーフィング技術として，transfinite 写像を用いる手法の検討を行った．また，三角形から構成される面に基づく有限要素法の膜モデルでは，複雑な膜・網組織の力学挙動を評価することは困難であると考え，陰関数表示された曲面で表された膜を直交格子上の自由度で表す新しい計算手法についても検討を進めた．
平成２８年度は以上に加え，手術シミュレーション・ナビゲーションシステムで用いる物性値を取得するために，手術によって摘出された直後の臓器に対して，逆解析手法により物性同定を行う手法の開発を進めた．データ取得においては，臓器に複数のパターンで力を加え，それ結果として得られる変形状態を３次元計測する手法を検討し，そのための臓器に予め定められた位置と大きさの変形を加えることができる装置を製作した．
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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
腹腔内の膜・網組織のモデル化においては，幾何学的モデルとその幾何学的モデルに基づく力学モデルを開発する必要がある．幾何学的モデルについては，transfinite写像を用いることで，膜・網組織を考慮した標準モデルから患者固有の複雑な形状のモデルへのモーフィングを行う技術を開発する見通しが立っている．また，力学モデルについては，当初は膜の挙動を表すソリッド要素の開発を念頭に置いていたが，tangential differential calculusの概念を用いて，直交格子上で膜の力学挙動を表す手法の可能性の着想を得ることができ，新しい計算手法として開発を進めている．
物性値の同定手法に関しては，臓器に変形を与える載荷装置の製作は終了した．３次元計測に関しては，3Dカメラの制御および変位計測に関して幾つか技術的課題により進捗に遅れが見られる．
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| Strategy for Future Research Activity |
膜・網組織のモデル化については，幾何モデル生成については現在開発中の手法で目的が達成できると考えている．また，力学モデルをシミュレーションする技術については，新しい計算手法の開発ではあるが，これまでの豊富な数値計算手法開発の経験を生かすことで対応できると考えている．
物性値の同定手法における３次元計測に関しては，画像に対して奥行き情報が取得可能な3Dカメラを検討しているが，3Dカメラが想定している用途とは一致していないことから，幾つかの解決すべき技術的課題に直面しているのが現状である．この点に関しては，複数カメラによる３次元計測などの代替技術についても並行して検討することで大きな遅延無く研究を進め，平成29年度中には実験の実施可能と見込んでいる．
本研究課題の当初の目標には，手術支援を目指した高速な計算アルゴリズムを開発することが含まれているが，これについては当初の予定通り平成30年度以降に取り組む予定である．
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