計算解剖学モデルを応用したナビゲーション誘導下腹腔鏡下手術の自動工程分析・評価法

• Project Area: Computational anatomy for computer-aided diagnosis and therapy :Frontiers of medical image sciences
• Project/Area Number: 24103704
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Chiba University
• Principal Investigator: 中村 亮一 千葉大学, フロンティア医工学センター, 准教授 (30366356)
• Project Period (FY): 2012-04-01 – 2014-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2013)
• Budget Amount: ¥7,800,000 (Direct Cost: ¥6,000,000、Indirect Cost: ¥1,800,000); Fiscal Year 2013: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2012: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000)
• Keywords: 手術ナビゲーション / 手術工程解析 / 技能評価 / 医用画像処理 / 内視鏡下手術 / クラスタリング / 統計分析 / 手術分析・評価 / 手術ワークフロー解析 / 内視鏡外科学

Research Abstract

今年度は計算解剖学モデルと術具ナビゲーションログ情報を用いた手術工程・技能分析アルゴリズムの検討として，①手術技能を定量的に評価する術者スキルレベルの推定と，②手術工程評価のための手術プロセスモデルの構築と評価について研究を実施した．今年度も内視鏡下手術で最も一般的である胆嚢摘出術を基本対象とし，ファントムと内視鏡トレーニングボックスを用いた模擬的腹腔鏡下胆嚢摘出術25例のデータを用いて研究を実施した．昨年度までに開発した術具位置ログと工程分析用臓器モデルとの干渉解析により手術作業のステージを同定し，各ステージでの鉗子作業の定量解析指標(各工程の作業時間，作業進捗度，術具先端移動速度，ログ分布近似楕円面積，ログ分布近似楕円重畳率，ログデータの分布密度)を自動抽出するアルゴリズムをベースに，以下の開発評価を行った．
①技能評価：上記の定量解析指標を用い，重回帰分析を利用して各作業工程の作業特性に応じて各解析指標が技能レベルに与える影響度を算出した．その結果を用いて各解析指標からその影響度を加味して最終的な定量的技能レベル値を算出する回帰モデルを開発した．
②工程評価：手術ワークフロー解析の基礎として手術プロセスモデルを構築・比較する手法を構築した．手術ナビゲーション情報から取得した術具先端の通過領域 a，作業進捗度 p，術具先端速度 v，術具種類 i のパラメータを用いて手術中の一連のアクティビティの配列となる手術プロセスモデルを定義し，配列アラインメントを応用して手術プロセスモデルを整列・比較した．その結果．手術プロセスモデルは作業工程中の作業動向を忠実に表していることが示唆された．

Current Status of Research Progress

Reason

25年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

25年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Surgical task analysis of simulated laparoscopic cholecystectomy with a navigation system (2014)
  • Author(s): Takaaki Sugino, Hiroshi Kawahira, Ryoichi Nakamura
  • Journal Title: International Journal of Computer Assisted Radiology and Surgery Volume: OnlineFirst Issue: 5 Pages: 825-836
  • DOI: 10.1007/s11548-013-0974-8
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Surgical workflow analysis during laparoscopic cholecystectomy using surgical navigation system as a record medium (2013)
  • Author(s): T. Sugino, H. Kawahira, R. Nakamura
  • Journal Title: Int J of CARS Volume: 8(Supplement) Issue: S1 Pages: 173-174
  • DOI: 10.1007/s11548-013-0866-y
  • NAID: 10031120396
• [Journal Article] Surgical Navigation with Distance Sensation Using Force Feedback for Robotic Surgery (2013)
  • Author(s): Marina Kobayashi
  • Journal Title: Journal of Medical Imaging and Helthcare Informatics Volume: 3 Pages: 120-124
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Automatic surgical workflow estimation method for brain tumor resection using surgical navigation information (2012)
  • Author(s): Ryoichi Nakamura
  • Journal Title: Journal of Robotics and Mechatronics Volume: 24 Pages: 791-801
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 手術ナビゲーションシステムにおける「近接覚」提示誘導法の提案と評価 (2012)
  • Author(s): 中村亮一
  • Journal Title: 日本コンピュータ外科学会誌 Volume: 14 Pages: 63-69
  • NAID: 10031026043
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 術具一記録を用いた手術ナビゲーションシステムの効用・影響に対する客観的評価手法の開発 (2013)
  • Author(s): 本多有芽
  • Organizer: 日本生体医工学会専門別研究会 第5回医療機器に関するレギュラトリーサイエンス研究会
  • Place of Presentation: 東京
  • Year and Date: 2013-03-02
• [Presentation] Medical Image Processing for Intuitive Navigation and Surgical Workflow Analysis (2013)
  • Author(s): Ryoichi Nakamura
  • Organizer: ICC Chiba Color Experts' day 2013
  • Place of Presentation: Chiba
  • Year and Date: 2013-02-02
  • Invited
• [Presentation] Quantitative Surgical Workflow Analysis and Evaluation of Laparoscopic Surgery Using Surgical Navigation System (2013)
  • Author(s): Takaaki Sugino, Ryoichi Nakamura
  • Organizer: The 9th Asian Conference on Computer Aided Surgery (ACCAS2013)
  • Place of Presentation: Tokyo
• [Presentation] Surgical workflow analysis during laparoscopic cholecystectomy using surgical navigation system as a record medium (2013)
  • Author(s): T. Sugino, H. Kawahira, R. Nakamura
  • Organizer: 27th International Congress on Computer Assisted Radiology and Surgery (CARS2013)
  • Place of Presentation: Heidelberg, Germany
• [Presentation] ナビゲーション装置を応用した内視鏡下手術の手術工程解析による定量的作業評価手法の開発 (2013)
  • Author(s): 杉野貴明，川平洋，中村亮一
  • Organizer: 第26回日本内視鏡外科学会総会
  • Place of Presentation: 福岡
• [Presentation] 子宮内及び等張液充填環境における革新的情報誘導内視鏡外科の創成 - WaFLES技術による高速3Dリアルタイムナビゲーションと手術工程分析 - (2012)
  • Author(s): 中村亮一
  • Organizer: オーガナイズドセッション「実学としての医工融合研究と医工ものづくりシステム」，第13回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(SI2012)
  • Place of Presentation: 福岡
  • Year and Date: 2012-12-18
• [Presentation] Wafles環境とナビゲーション技術による次世代情報誘導内視鏡下手術への挑戦 (2012)
  • Author(s): 中村亮一
  • Organizer: 第25回日本内視鏡外科学会総会 特別ワークショップ「手術ナビゲーションはどこまで進化したか？」
  • Place of Presentation: 横浜
  • Year and Date: 2012-12-08
  • Invited
• [Presentation] 手術ナビゲーションを作業記録装置として利用した腹腔鏡下胆嚢摘出術の手術工程解析法の提案と評価 (2012)
  • Author(s): 杉野貴明
  • Organizer: 第25回日本内視鏡外科学会総会
  • Place of Presentation: 横浜
  • Year and Date: 2012-12-06
• [Presentation] 匠の技の定量化：ナビゲーション医療機器の手術環境評価への可能性 (2012)
  • Author(s): 中村亮一
  • Organizer: 第21回日本コンピュータ外科学会 シンポジウム「匠の技と先端技術の融合-医工連携の問題点-」
  • Place of Presentation: 徳島
  • Year and Date: 2012-11-02
• [Presentation] 手術ナビゲーションシステムを記録媒体として用いた腹腔鏡下胆嚢摘出術の工程解析法 (2012)
  • Author(s): 杉野貴明
  • Organizer: 第21回日本コンピュータ外科学会
  • Place of Presentation: 徳島
  • Year and Date: 2012-11-02
• [Presentation] Evaluation of surgical navigation system with “distance sensation” for laparoscopic surgery (2012)
  • Author(s): Y. Honda
  • Organizer: 26th International Congress on Computer Assisted Radiology and Surgery (CARS2012)
  • Place of Presentation: Pisa, Italy
  • Year and Date: 2012-06-27
• [Presentation] Navigation-based intuitive guidance and analysys for robotics in minimally invasive surgery (2012)
  • Author(s): Ryoichi Nakamura
  • Organizer: Workshop on Future trends on Medical Robotics, IEEE International Conference on Biomedical Robotics and Biomechatronics (BioRob2012)
  • Place of Presentation: Rome, Italy
  • Year and Date: 2012-06-24
  • Invited
• [Presentation] Analysis of the Surgical Workflow during Laparoscopic Cholecystectomy using Surgical Navigation Information (2012)
  • Author(s): Takaaki Sugino
  • Organizer: The 8th Asian Conference on Computer Aided Surgery
  • Place of Presentation: Beijing, China
  • Year and Date: 2012-05-27
• [Presentation] Method for End Time Prediction of Brain Tumor Resections Using Analysis of Surgical Navigation Information and Tumor Size Characteristics (2012)
  • Author(s): R. Nakamura
  • Organizer: 2012 the World Congress on Medical Physics and Biomedical Engineering (WC2012)
  • Place of Presentation: Beijing, China
  • Year and Date: 2012-05-26
• [Presentation] 手術ナビゲーション情報を用いた手術手技・環境の自動計測・分析・予測手法の開発 (2012)
  • Author(s): 中村亮一
  • Organizer: 第51回日本生体医工学会大会 シンポジウム「低侵襲治療技術・生活支援技術とコンピュータ支援技術の現状と将来」
  • Place of Presentation: 福岡
  • Year and Date: 2012-05-10
• [Presentation] ナビゲーション情報を利用した手術工程解析：腹腔鏡下胆嚢摘出術への応用 (2012)
  • Author(s): 杉野貴明
  • Organizer: 第51回日本生体医工学会大会
  • Place of Presentation: 福岡
  • Year and Date: 2012-05-10
• [Presentation] 内視鏡下手術における情報の可視化・分析法と高機能術具の開発
  • Author(s): 中村亮一
  • Organizer: 第1回テニュアトラック教員による創発型シンポジウム -異分野交流による次世代技術/学術領域の創成を目指して-
  • Place of Presentation: 九州工業大学
  • Invited
• [Remarks] 手術情報収集と術式工程解析・進捗情報分析
  • URL: http://www.tms.chiba-u.jp/̃nakamura/surg_info/proc_analy.htm
• [Remarks] 計算解剖学モデルを応用したナビゲーション誘導下腹腔鏡下手術の自動工程分析・評価
  • URL: http://goo.gl/i0ycRv
• [Remarks] 手術情報収集と術式工程解析・進捗情報分析
  • URL: http://www.tms.chiba-u.jp/~nakamura/surg_info/proc_analy.htm
• [Patent(Industrial Property Rights)] 手術工程解析プログラム (2013)
  • Inventor(s): 中村亮一，杉野貴明
  • Industrial Property Rights Holder: 中村亮一，杉野貴明
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2013-017956
  • Filing Date: 2013-01-31