2020 Fiscal Year Research-status Report
Development of a novel navigation system for osteosynthesis
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19K09582
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| Research Institution | Tokyo Medical University |
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Principal Investigator |
吉井 雄一 東京医科大学, 医学部, 准教授 (80617530)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
村瀬 剛 大阪大学, 医学系研究科, 准教授 (50335361)
岡 久仁洋 大阪大学, 医学系研究科, 助教 (50724085)
大竹 義人 奈良先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 准教授 (80349563)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 形状復元 / X線透視 / ３次元 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
1.X線透視画像をもとにした3D骨形態推定
被写体に平面マーカーを取り付け、被写体を回転させることで位置推定および断層復元を行うシステムを開発した。五つのマーカーを平面上に配置し、X線透視画像中でトラッキングすることにより被写体の姿勢を推定した。推定した姿勢情報をもとに、代数的再構成法を用いて断層情報を再構成した。マーカーのトラッキングと推定姿勢の再投影誤差（推定精度）には、周期的に誤差のピークがあることから誤差が生じやすい投影方向が存在することが確認できた。CTデータより作成した正解3次元画像と再構成後の3次元画像をボリュームレンダリングした。その結果、再投影誤差は平均0.76+/-0.36mmであった。再投影誤差が高いのは平面マーカーがX線検出パネルに平行である画像またはその近辺の画像であった。したがってマーカーがこれらの位置にある画像から推定される姿勢に誤差が生じ、結果として再構成画像にも影響を与えたと考えられた。また、本実験では画像の歪みを考慮しなかったが、実験に用いたX線投影装置の検出器はX-ray Image Intensifierであるため姿勢推定の精度を向上させるためには投影画像に歪み補正が必要であることが考えられた。
2. 3次元参照点をもとにした3D術前計画の再現性評価
骨折部の3次元参照点を基にした計測指標を用い、骨接合術における3D術前計画の3次元的再現性を評価する手法を確立した。橈骨遠位端骨折骨接合術の3D術前計画の再現性を臨床的に評価した。その結果、各参照点は1.9-2.2mmの誤差で再現できることがわかった。X線透視画像の3D骨形態推定画像を活用することでさらに精度の向上が期待できると考えられた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
当初予定していた3D術前計画画像と3D復元画像の対比表示の課題がまだ実現していない。3D骨位置推定システムのプログラム開発委託企業（東京）との検証実験が緊急事態宣言などの影響により、円滑に行えていない。ウェブ会議などを定期的に開催し、検証をすすめるよう努めている。検証試験などによるリアルタイムの意見交換が行えていないことが、システムの改善に時間を要する原因となっている。
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| Strategy for Future Research Activity |
骨折整復課程におけるX線透視画像から3次元骨形態・位置推定の精度向上をはかる。術前の3D画像とX線透視の位置合わせ（レジストレーション）により推定した3D形態・位置情報を、術中のX線透視画像の変化に応じて3D画像を再構成・更新していくアルゴリズムの精度向上を目指す。X線透視画像から照射装置の位置姿勢を推定するカメラトラッキング手法と断面定理を統合し、X線画像の投影像から3D骨形状を推定する。実際の骨接合術に準じた骨折部の3Dモデルを用いて精度検証する。骨接合術のそれぞれの過程 (整復、内固定設置)におけるX線透視画像から3D形態推定を行い、計測誤差を評価する。精度評価の基準としてCTデータより3D骨形態を決定する。X線透視画像から推定した骨折モデルの形態とCTによって決定した形態を比較して推定誤差を求める。令和2年度に確立した3D骨形態の再現性評価法を用いる。推定誤差の程度によってX線透視画像のコントラストの変更やアルゴリズムの修正を行う。参照点の誤差範囲2mm以内を目標値とする。
X線透視画像からの骨形態推定結果と術前に作成した3D術前計画画像の対比表示を行うシステムを完成する。3D術前計画ソフトウェアを用いて骨折の整復、内固定設置のシミュレーションを行う。シミュレーションにより骨折整復状態の3Dデータを作成する。骨折モデルのX線透視画像を描出し、骨折モデルの3次元形態・位置を推定する。推定した骨形態と術前計画のモデルのレジストレーションを行い、対比表示を実現する。
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| Causes of Carryover |
X線透視画像からの骨位置推定システムの精度向上、X線透視画像から推定した3D骨形態と3D術前計画画像との対比表示の精度検証のための骨折モデルの作成、現在執筆中の論文の英文校閲費、雑誌掲載料などのために次年度使用額が生じた。
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