2017 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 / 力学モデル / 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２９年度の研究においては，平成２８年度の研究において検討した直交格子を用いた膜・網組織の力学モデルに対する新しい計算手法について，詳細な定式化と計算プログラムの作成を行い，２次元問題で基本的な特性を評価した．この手法では，膜・網組織を表す曲面形状を直交格子上で定義されるレベルセット関数を用いて表現するとともに，変位場についても直交格子で定義される空間分布を持った近似関数を用いて表すものとなっている．また，レベルセット関数を用いていることから，臓器を表すソリッド要素との接触を考慮する際にも有効であると考えられる．膜・網組織の幾何学モデルについては，医療用画像から判別することが困難であることから，解剖学的知見により位相的な幾何構造を再現した標準モデルをモーフィングし，患者固有モデルを生成する手法を検討した．平成２９年度の研究においては，モーフィングにはtransfinite写像を採用し，２次元問題における検討を行った．
平成２９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．臓器に力を加える装置は平成２８年度に作成済みであり，この装置に画像計測装置を付加するとともに，載荷と画像計測を連動するシステムを構築した．載荷前の臓器形状は３次元カメラにより取得され，変形は複数視点の画像を用いて計測される．完成した装置については，ウレタンゴムを用いて手法の妥当性の確認を行った．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
膜・網組織の力学モデルに対する直交格子を用いた新しい計算手法について，作成したプログラムを用いてその数値特性を検証した．提案した手法と従来の計算手法の結果を比較し，２次元問題において，提案手法が要求性能を満たすものであることが確認できた．また，剛体との接触解析を行い，提案手法の有効性は確認された．この点に関する研究進捗はほぼ順調である．
膜・網組織の幾何学モデルを生成するためのモーフィング手法について，２次元問題において有効性を確認した．平成２９年度の研究においては，transfinite写像を採用したが，特長点抽出や形状の表現応力の上で問題があることが明らかとなり，進捗に遅れが発生している．
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臓器の物性値を逆解析により同定する手法に関しては，製作した装置に対して，ウレタンゴムの試験体を準備し妥当性の確認を行った．物性同定における逆解析は順解析の繰り返しにより実現されることから，妥当性の確認として材料試験によって得られたウレタンゴムの物性値を用いて順解析を行い，装置で得られたの結果と比較を行った．その結果，順解析における境界条件の設定など技術的課題が明らかとなり，更なる改良が必要であり，研究進捗に遅れが見られる．
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| Strategy for Future Research Activity |
膜・網組織の力学モデルに対する直交格子を用いた新しい計算手法については，平成２９年度に開発した２次元問題に対する手法を元に３次元問題へ拡張を行う．その際の技術的課題はほぼ解決しており，この点については今後は順調に研究が進むものと考えている．
一方，膜・網組織の幾何学モデル生成手法については，モーフィングを用いる点については問題ないが，transfinite写像では適切な３次元モデルを生成することは困難であると判断している．そこで，平成３０年度からは，密度差を駆動力とする微分方程式を定義し，その解として得られる変形場でモーフィングを行う新しい手法を開発する予定である．
臓器の物性値を逆解析により同定する手法に関しては，いくつかの材料を用い，妥当性の確認を行うことが必要であると考えている．特に用いる材料の材料パラメータを適切に材料試験から求めることが必要であり，材料試験の工夫が必要である．また，臓器の境界条件の適切な設定などの問題点も解決しなければならないものと認識している．
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