Development of next-generation arthroscopy system using Augmented Reality (AR)

2019 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 19K09547
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: 山本 美知郎 名古屋大学, 医学系研究科, 特任講師 (90528829)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 横田 秀夫 国立研究開発法人理化学研究所, 光量子工学研究センター, チームリーダー (00261206) ; 建部 将広 名古屋大学, 医学系研究科, 寄附講座准教授 (60420379) ; 栗本 秀 名古屋大学, 医学系研究科, 特任講師 (70597856) ; 平田 仁 名古屋大学, 予防早期医療創成センター(医), 教授 (80173243) ; 大山 慎太郎 名古屋大学, 医学部附属病院, 特任助教 (80768797)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: 肘関節鏡 / トレーニングシステム / 位置追跡装置

Outline of Annual Research Achievements

肘関節鏡手術は他の関節鏡手術と比較して神経血管損傷などの重大な合併症の報告が多い。狭くて立体的に複雑な関節内構造に加え、神経が近くに存在していることが合併症の要因と考えられる。本研究課題はAugmented reality(AR)を用いた次世代型関節鏡システムの開発であるが、AR肘関節鏡の倫理委員会の承認を得るまでの間に我々は肘関節鏡手術のスキル向上を目的に、まずはじめに実体モデルを用いたトレーニングシステムを開発した。位置追跡装置を用いて肘関節鏡の軌道を追跡し、肘関節鏡手術の初心者と経験者のスコープ操作の違いを4次元に解析し比較した。
健常ボランティアの肘関節MRI画像を用いて骨と神経の情報を抽出し、3Dプリンタで実体モデルを作成した。実体モデルの肘関節内に設置した4つの異物を摘出するタスクを設定し、肘関節鏡に取り付けたマーカーを光学式のポジショントラッカーが追跡し、速度、加速度と回転量を計測した。4名の肘関節鏡初心者と5名の経験者がタスクを実行した。
結果としては肘関節鏡の移動平均速度と平均加速度は初心者と経験者では差が無かったが、Y軸方向の平均回転量において経験者が有意に初心者よりも多かった。経験者は単位時間あたりにより広い視野を観察していることが確認された。
肘関節鏡手術にラーニングカーブがあることは良く知られている。効率よく手技を向上するための工夫が必要である。初心者と経験者の違いを明確にし、技術の向上を数値化することによって、医学教育の新たな分野でのエビデンスが獲得できると考えた。
2020年3月31日に名古屋大学倫理委員会において条件付きでAR肘関節鏡手術が承認されたため、実際の臨床例においてAR肘関節鏡手術を行う予定である。

Current Status of Research Progress

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

Reason

AR肘関節鏡を行う上で第一のハードルであった倫理委員会の承認が得られた。これにより実際の臨床例においてAR肘関節鏡が行える見通しがついた。適応基準に照らして十分に安全性に考慮して1例目の手術を計画する予定である。
肘関節鏡トレーニングとしても実体モデルを用いたタスクの処理を行うことによって肘関節鏡の訓練になる。術者はモニターを見ながら解剖学的な構造を頭の中でイメージしながら処置を行うことができた。今後も肘関節鏡の初心者にとって有効なスキルアップのシステムになると考える。

Strategy for Future Research Activity

AR肘関節鏡では、これまでにサルの肘関節の画像から3次元情報を得て、実際の肘関節鏡時に関節鏡モニターに神経と骨の情報を重畳表示することができている。今後、臨床例においては重畳表示の精度が最も重要な問題であり、実際の症例において精度検証を行い、改善していく予定である。
対象疾患としては変形性肘関節症または上腕骨外側上顆炎を予定している、十分なinformed consentをもとに症例を積み上げていく。

Causes of Carryover

最終年度には成果発表のため旅費や英文校正費用を要す見込みである。また、共同研究者間の打ち合わせのための費用も必要である。