2023 Fiscal Year Research-status Report
Automatic generation of surgical plans using the patient's digital twin
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23K18486
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
近野 敦 北海道大学, 情報科学研究院, 教授 (90250688)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
妹尾 拓 北海道大学, 情報科学研究院, 准教授 (10512113)
小水内 俊介 香川大学, 創造工学部, 准教授 (40708004)
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| Project Period (FY) |
2023-06-30 – 2026-03-31
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| Keywords | デジタルツイン / 手術計画立案 / 動力学シミュレーション |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，患者の医用画像および検査データから患者のデジタルツイン（現実世界を仮想世界に再現したモデル）を生成し，過去の手術のデータベースとデジタルツインを用いた試行による最適化を用いて手術計画を自動生成することに挑戦する．
研究開発項目を大きく，1. 腹腔鏡下腎部分切除術データベース分析，2. 患者のデジタルツインを用いた手術手順最適化，の二つに分け，小課題として，1-1 腎部分切除術データの言語化，1-2 腎部分切除術データの特徴量抽出，2-1 患者デジタルツインを用いた動力学シミュレーション，2-2 腎部分切除術データを用いた手術手順生成，2-3 手術手順，切除術の最適化，2-4 手術手順自動生成評価，を設けた．
初年度の2023年度は，主に1-1, 2-1, 2-2の課題に取り組んだ．課題1-1に関しては，北海道大学医学部腎泌尿器科教室とともに実施したカダバー（故人の遺志により提供されたご献体）を用いた腎臓摘出手術訓練53例で，使用する手術器具すべてにマーカーを取り付け，モーションキャプチャー装置でその動作を記録した．また，腎臓摘出手術を，(1) 下行結腸（または上行結腸）の受動（剥離すること）と膵臓脾臓の受動，(2) 腎血管の止血・切断・処理，(3) 残りの組織の処理，の3工程に分け，それぞれの工程で，使われている手術器具，手術器具の動作特徴量を抽出した．課題2-1では，「埋め込み(embedding)」と呼ばれる手法で肝臓・胆嚢・膵臓の有限要素モデルを作成し，3,225要素1,663ノードのモデルでは動力学シミュレーションの1ループが50 msと，ほぼ実時間でのシミュレーションを実現した．埋め込みの最大の利点は，オンラインで要素のサイズを変更できる点である．課題2-2では，課題1-1と関連し，これまで行った腎臓摘出手術訓練21例で手術工程の分類を行った．
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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
北海道大学医学部腎泌尿器科教室とともに，カダバーを用いた腎臓摘出手術訓練を，43名に対して53回実施し（43人中10名が2度実施），そこで使われる全ての手術器具の動作を記録してきた．約2時間にも及ぶ腎臓摘出術を三つの工程に分け，そのうち第二工程である腎血管の止血・切断・処理について，手術器具の動作データから特徴量を抽出し，熟練者，中級者，初級者の違いを解析した．このデータをまとめ，医学専門誌であるCurrent Problems in Surgery（IF = 4.4 (2022)）に投稿中である．第一回目の査読結果はMinor Revisionとなり，現在修正原稿を作成中である．また，国際会議，国内会議でも多数の発表を行うなど，着実に成果が出ている．
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| Strategy for Future Research Activity |
2年目となる2024年度は，1-1 腎部分切除術データの言語化，1-2 腎部分切除術データの特徴量抽出，2-2 腎部分切除術データを用いた手術手順生成，2-3 手術手順，切除術の最適化，の課題に取り組む．
課題1-1と1-2では，2023年度で解析した腎摘出術カダバートレーニングで計測したデータを用いて，言語化した手術工程とその手術行程中の手術器具動作特徴量を機械学習し，新たなカダバートレーニングにおいて，手術器具の動作特徴量から手術工程を推定する手法を開発する．これにより，手術器具の動作特徴量と手術工程を結びつける言語化を達成する．
課題2-2，2-3では，手術データベースから初期手術手順を生成し，その手順に従い動力学シミュレーションを行い，臓器に発生する応力，手術時間，手術器具交換回数等の指標から最適な手術手順を生成する手法を開発する．課題1-1, 1-2の成果を取り入れ，手術器具の位置と動作から現在行っている手術工程を推定し，それを動力学シミュレーションに反映し，血管の切断や臓器の切除といった，臓器全体のトポロジー変化をシミュレーションで再現する．
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| Causes of Carryover |
センサ付き内視鏡手術器具製作費として50万円を計上していたが，手術器具自体は購入済みのものを流用したため，使用額に差額が生じた．腹腔鏡手術器具は消耗品であるため，生じた差額については，次年度に新しい腹腔鏡手術器具を購入するために使用する．
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[Presentation] Development of machine learning-based assessment system for laparoscopic surgical skills using motion-capture2024
Author(s)
Koki Ebina, Takashige Abe, Lingbo Yan, Kiyohiko Hotta, Madoka Highuchi, Naoya Iwahara, Jun Furumido, Masafumi Kon, Sachiyo Murai, Yo Kurashima, Shunsuke Komizunai, Teppei Tsujita, Kazuya Sase, Xiaoshuai Chen, Taku Senoo, Nobuo Shinohara and Atsushi Konno
Organizer
IEEE/SICE International Symposium on System Integrations
Int'l Joint Research
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[Presentation] Development of the Classification System for Surgical Skills in Endoscopic Sinus Surgery2023
Author(s)
Kaito Yamada, Masanobu Suzuki, Kou Miyaji, Koki Ebina, Kazuya Sase, Teppei Tsujita, Xiaoshuai Chen, Takashige Abe, Shunsuke Komizunai, Yuji Nakamaru, Taku Senoo, Akihiro Homma and Atsushi Konno
Organizer
World Congress of the International Federation for the Promotion of Mechanism and Machine Science
Int'l Joint Research
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[Presentation] 腹腔鏡手術訓練におけるtsfreshおよびSHAPを用いた機械学習モデルに基づく技量解析2023
Author(s)
海老名光希, 安部崇重, 晏凌波, 堀田記世彦, 樋口まどか, 古御堂純, 岩原直也, 今雅史, 倉島庸, 村井祥代, 小水内俊介, 辻田哲平, 佐瀬一弥, 陳暁帥, 妹尾拓, 篠原信雄, 近野敦
Organizer
計測自動制御学会システムインテグレーション部門講演会
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[Presentation] 内視鏡下副鼻腔手術におけるSHAPを用いた手術技量の分析2023
Author(s)
山田海俊, 鈴木正宣, 宮路洸, 海老名光希, 佐瀬一弥, 辻田哲平, 陳暁帥, 安部崇重, 小水内俊介, 中丸裕爾, 妹尾拓, 本間明宏, 近野敦
Organizer
計測自動制御学会システムインテグレーション部門講演会
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[Presentation] 実践的な腹腔鏡手術訓練における機械学習を用いた術者技量評価システムの開発2023
Author(s)
晏凌波, 安部崇重, 海老名光希, 今雅史, 堀田記世彦, 渡辺雅彦, 七戸俊明,樋口まどか, 村井祥代, 小水内俊介, 辻田哲平, 佐瀬一弥, 陳暁帥, 妹尾拓,篠原信雄, 近野敦
Organizer
計測自動制御学会システムインテグレーション部門講演会
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[Presentation] 腹腔鏡手術支援のための臓器特徴点を用いた臓器モデル位置合わせ2023
Author(s)
薄井浩生, 澁谷紗也華, 海老名光希, 佐瀬一弥, 陳暁帥, 小水内俊介, 安部 崇重, 辻田哲平, 妹尾拓, 的場光太郎, 近野敦
Organizer
計測自動制御学会システムインテグレーション部門講演会
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[Presentation] 副鼻腔形態変化による内視鏡下副鼻腔手術トレーニング評価2023
Author(s)
藤岡樹生, 鈴木正宣, 山田海俊, 近野敦, 佐瀬一弥, 海老名光希, 辻田哲平, 陳暁帥, 安部崇重, 中丸裕爾, 妹尾拓, 小水内俊介
Organizer
計測自動制御学会北海道支部学術講演会
