脳膜・脳血管・脳実質モデルを組み込んだ脳裂開放手術ハプティックシミュレータ

2020 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 18K13720
• Research Institution: Hirosaki University
• Principal Investigator: 陳 暁帥 弘前大学, 理工学研究科, 助教 (40812277)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: 脳裂にある結合組織の損傷破壊数値計算モデル / 脳血管の損傷破壊数値計算モデル / 脳神経外科手術シミュレータ / 脳神経外科手術支援システム / 複合現実（MR）表示

Outline of Annual Research Achievements

本研究は、「脳膜・脳血管・脳実質モデルを組み込んだ脳裂開放手術ハプティックシミュレータ」を開発することを目的とする。実現するために、これまで、脳実質や脳血管について変形や損傷破壊の数値計算モデルを開発した。本年度は以下の研究を実施した。
1.提案した脳血管の非線形的な損傷破壊数値計算モデルをくも膜小柱に応用した。脳血管温存技術においては、くも膜下腔構造のメインな部分であるくも膜小柱の対処が術技成功の鍵である。脳血管に加えて、くも膜小柱の損傷破壊数値計算モデルを構築することで、くも膜下腔構造を考慮した血管の温存シミュレーションを行うことができた。（業績【雑誌論文】1）
2.くも膜下腔構造を考慮した血管の温存シミュレーションを様々な条件（例えば、くも膜の引張速度、引張ひずみなど）で行い、脳血管の損傷破壊状況を調べた。これによって、脳血管温存の成功条件を探り出した。（業績【雑誌論文】1）
3.構築したシミュレーションの結果をニューロナビゲーションなどに応用するため、複合現実（Mixed Reality）システムを構築した。脳神経外科手術の内視鏡手術を想定した。内視鏡や術具の位置姿勢をモーションキャプチャーシステムで追跡し、術具と柔軟体との相互作用をシミュレーションで同時に計算し、内視鏡の画像にシミュレーションの結果を重なることで実際の内視鏡手術で見えないところに損傷が発生することを防げることを期待する。

Current Status of Research Progress

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

Reason

昨年度まではくも膜下腔構造を考慮した非線形的な脳血管の損傷破壊数値計算モデルを構築した。今年度では脳血管温存術技においてもう一つ重要な生体組織であるくも膜小柱に対して、非線形的な損傷破壊数値計算モデルを適用し、くも膜下腔を考慮した血管の温存シミュレーションを構築した。これで、「脳膜・脳血管・脳実質モデルを組み込んだ脳裂開放手術ハプティックシミュレータ」の核心的な部分である数値計算モデルの構築が完了した。この研究成果は1件の学術雑誌論文が掲載された。
また、当初予定しなかった複合現実（MR）システムを構築した。
以上により、研究はおおむねに順調に進展していると評価する。

Strategy for Future Research Activity

最終年度となる2021年度は、これまで開発してきた数値計算モデルを応用し、脳膜・脳血管・脳実質モデルを組み込んだ脳裂開放手術シミュレーションを構築する。また、ハプティックデバイスを用いて、シミュレーションで計算した反力を感じさせるシステムを構築する。これで、本研究のテーマである「脳膜・脳血管・脳実質モデルを組み込んだ脳裂開放手術ハプティックシミュレータ」が完成する。ユーザがこのシミュレータを用いて、脳裂開放術技を体験できることを目標にする。

Research Products

• [Journal Article] A Nonlinear and Failure Numerical Calculation Method for Vessel Preservation Simulations Based on Subarachnoid Space Structure Considerations (2020)
  • Author(s): Chen Xiaoshuai、Sase Kazuya、Tsujita Teppei、Konno Atsushi
  • Journal Title: IEEE Transactions on Medical Robotics and Bionics Volume: 2 Pages: 356～363
  • DOI: 10.1109/TMRB.2020.3009521
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Development and Validation of a Measurement System for Laparoscopic Surgical Procedures (2020)
  • Author(s): Ebina Koki、Abe Takashige、Komizunai Shunsuke、Tsujita Teppei、Sase Kazuya、Chen Xiaoshuai、Higuchi Madoka、Furumido Jun、Iwahara Naoya、Kurashima Yo、Shinohara Nobuo、Konno Atsushi
  • Journal Title: SICE Journal of Control, Measurement, and System Integration Volume: 13 Pages: 191～200
  • DOI: 10.9746/jcmsi.13.191
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Motion analysis for better understanding of psychomotor skills in laparoscopy: objective assessment-based simulation training using animal organs (2020)
  • Author(s): Ebina Koki、Abe Takashige、Higuchi Madoka、Furumido Jun、Iwahara Naoya、Kon Masafumi、Hotta Kiyohiko、Komizunai Shunsuke、Kurashima Yo、Kikuchi Hiroshi、Matsumoto Ryuji、Osawa Takahiro、Murai Sachiyo、Tsujita Teppei、Sase Kazuya、Chen Xiaoshuai、Konno Atsushi、Shinohara Nobuo
  • Journal Title: Surgical Endoscopy Volume: - Pages: 18 pages
  • DOI: 10.1007/s00464-020-07940-7
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] 柔軟物体の力覚提示に対応したゲームエンジンプラグインNamakoの開発 (2020)
  • Author(s): 佐瀬 一弥、陳 暁帥、辻田 哲平、近野 敦
  • Journal Title: 日本バーチャルリアリティ学会論文誌 Volume: 25 Pages: 366～373
  • DOI: 10.18974/tvrsj.25.4_366
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Surgical Skill Analysis Based on the Way of Grasping Organs with Forceps in Dissection Procedure of Laparoscopic Surgery (2020)
  • Author(s): Koki Ebina, Takashige Abe, Shunsuke Komizunai, Teppei Tsujita, Kazuya Sase, Xiaoshuai Chen, Madoka Higuchi, Jun Furumido, Naoya Iwahara, Yo Kurashima, Nobuo Shinohara, and Atsushi Konno
  • Organizer: CISM IFToMM Symposium on Robot Design, Dynamics and Control (RoManSy2020)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 手術ナビゲーションのための弾性体リアルタイム接触変形シミュレーションシステムの開発 (2020)
  • Author(s): 澁谷紗也華, 佐瀬一弥, 陳暁帥, 小水内俊介, 辻田哲平, 近野敦
  • Organizer: 日本バーチャルリアリティ学会ハプティクス研究委員会
• [Presentation] 鼻腔内視鏡手術手技計測システムの開発 (2020)
  • Author(s): 宮路洸, 鈴木正宣, 中丸裕爾, 佐瀬一弥, 陳暁帥, 辻田哲平, 小水内俊介, 本間明宏, 近野敦
  • Organizer: 計測自動制御学会北海道支部学術講演会
• [Presentation] 腹腔鏡手術剥離操作における鉗子把持力・把持位置の技量分析 (2020)
  • Author(s): 海老名光希, 安部崇重, 小水内俊介, 辻田哲平, 佐瀬一弥, 陳暁帥, 樋口まどか, 古御堂純, 岩原直也, 倉島庸, 篠原信雄, 近野敦
  • Organizer: 日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス講演会