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

• 研究課題/領域番号: 18K13720
• 研究種目: 若手研究
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 小区分20020:ロボティクスおよび知能機械システム関連
• 研究機関: 弘前大学
• 研究代表者: 陳 暁帥 弘前大学, 理工学研究科, 助教 (40812277)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2022-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2021年度)
• 配分額: 4,030千円 (直接経費: 3,100千円、間接経費: 930千円); 2021年度: 390千円 (直接経費: 300千円、間接経費: 90千円); 2020年度: 260千円 (直接経費: 200千円、間接経費: 60千円); 2019年度: 520千円 (直接経費: 400千円、間接経費: 120千円); 2018年度: 2,860千円 (直接経費: 2,200千円、間接経費: 660千円)
• キーワード: くも膜小柱・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ション / 脳血管温存シミュレーション / 脳神経外科手術支援システム / 脳神経外科手術シミュレータ / 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 / 複合現実（MR）表示 / 脳実質の非線形数値計算モデル / 脳血管の非線形破壊数値計算モデル / 外科手術支援システム（AR表示） / 脳神経外科手術支援システム（AR表示） / 手術シミュレータ / 柔軟体変形 / 損傷破壊モデル / 有限要素法

研究成果の概要

脳神経外科手術では脳裂開放が基本手技の一つである．脳裂開放ではそこの血管を傷つけないようにくも膜と脳実質から切り剥がすことが成功要素である．本研究では，脳膜・くも膜小柱・脳血管・脳実質を組み込んだモデルを用いて，脳血管温存シミュレーションを行った．このシミュレーションを実現するために，安定かつ高速な脳裂結合組織・くも膜小柱・脳血管の破断モデルを構築した．また，脳裂結合組織・血管の損傷破壊に関する物性値パラメータを実験結果に基づいて同定した。ミュレーションの結果により血管温存基準の一つが膜を引っ張る速度であると確認できた．また，複合現実技術を用いて，シミュレーションの結果を直感的提示した．

研究成果の学術的意義や社会的意義

従来の研究の多くは血管や膜を省略しており，脳裂開放時の血管破断など手術時の課題が再現できていない．本研究では，脳膜・くも膜小柱・脳血管・脳実質を組み込んだモデルを用いて，安定かつ高速なくも膜小柱・脳血管の破断モデルを構築した．本手術シミュレータを利用することにより，過大な力による血管破断などの手術時に犯しやすいミスを術者が体験できる．また，脳神経外科手術の効率的な教育と手術技量の定量的評価による安全性の向上につながることが期待される．

研究成果

• [雑誌論文] Numerical Calculation Method for Brain Shift Based on Hydrostatics and Dynamic FEM (2022)
  • 著者名/発表者名: Chen Xiaoshuai、Shirai Ryosuke、Masamune Ken、Tamura Manabu、Muragaki Yoshihiro、Sase Kazuya、Tsujita Teppei、Konno Atsushi
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Medical Robotics and Bionics 巻: 4 号: 2 ページ: 368-380
  • DOI: 10.1109/tmrb.2022.3168075
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Objective Evaluation of Laparoscopic Surgical Skills in Wet-lab Training Based on Motion Analysis and Machine Learning (2022)
  • 著者名/発表者名: Koki Ebina, Takashige Abe, Kiyohiko Hotta, Madoka Higuchi, Jun Furumido, Naoya Iwahara, Masafumi Kon, Kou Miyaji, Sayaka Shibuya, Yan Limbo, Shunsuke Komizunai, Yo Kurashima, Hiroshi Kikuchi, Ryuji Matsumoto, Takahiro Osawa, Sachiyo Murai, Teppei Tsujita, Kazuya Sase, Xiaoshuai Chen, Atsushi Konno, Nobuo Shinohara
  • 雑誌名: Langenbeck's Archives of Surgery 巻: - 号: 5 ページ: 2123-2132
  • DOI: 10.1007/s00423-022-02505-9
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] A Nonlinear and Failure Numerical Calculation Method for Vessel Preservation Simulations Based on Subarachnoid Space Structure Considerations (2020)
  • 著者名/発表者名: Chen Xiaoshuai、Sase Kazuya、Tsujita Teppei、Konno Atsushi
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Medical Robotics and Bionics 巻: 2 号: 3 ページ: 356-363
  • DOI: 10.1109/tmrb.2020.3009521
  • 査読あり
• [雑誌論文] Development and Validation of a Measurement System for Laparoscopic Surgical Procedures (2020)
  • 著者名/発表者名: Ebina Koki、Abe Takashige、Komizunai Shunsuke、Tsujita Teppei、Sase Kazuya、Chen Xiaoshuai、Higuchi Madoka、Furumido Jun、Iwahara Naoya、Kurashima Yo、Shinohara Nobuo、Konno Atsushi
  • 雑誌名: SICE Journal of Control, Measurement, and System Integration 巻: 13 号: 4 ページ: 191-200
  • DOI: 10.9746/jcmsi.13.191
  • 査読あり
• [雑誌論文] Motion analysis for better understanding of psychomotor skills in laparoscopy: objective assessment-based simulation training using animal organs (2020)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: Surgical Endoscopy 巻: - 号: 8 ページ: 4399-4416
  • DOI: 10.1007/s00464-020-07940-7
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] 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)
  • 著者名/発表者名: 佐瀬 一弥、陳 暁帥、辻田 哲平、近野 敦
  • 雑誌名: 日本バーチャルリアリティ学会論文誌 巻: 25 ページ: 366-373
  • NAID: 130007960936
  • 査読あり
• [学会発表] 腹腔鏡下手術支援システムを目指した複合現実技術による柔軟組織の重畳表示 (2021)
  • 著者名/発表者名: 小笠原 健太, 陳 暁帥, 佐瀬 一弥, 辻田 哲平, 近野 敦
  • 学会等名: 日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス講演会
• [学会発表] 実空間と連動する腹腔鏡手術圧排操作シミュレータの開発と評価 (2021)
  • 著者名/発表者名: 澁谷 紗也華, 佐瀬 一弥, 陳 暁帥, 小水内 俊介, 辻田 哲平, 近野 敦
  • 学会等名: 日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス講演会
• [学会発表] 腹腔鏡手術支援システム開発のための肝臓3Dモデルプロジェクションマッピング (2021)
  • 著者名/発表者名: 髙橋 優里, 近野 敦, 佐瀬 一弥, 辻田 哲平, 陳 暁帥
  • 学会等名: 日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス講演会
• [学会発表] Surgical Skill Analysis Based on the Way of Grasping Organs with Forceps in Dissection Procedure of Laparoscopic Surgery (2020)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: CISM IFToMM Symposium on Robot Design, Dynamics and Control (RoManSy2020)
  • 国際学会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 澁谷紗也華, 佐瀬一弥, 陳暁帥, 小水内俊介, 辻田哲平, 近野敦
  • 学会等名: 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
• [学会発表] 鼻腔内視鏡手術手技計測システムの開発 (2020)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 計測自動制御学会北海道支部学術講演会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス講演会
• [学会発表] A Simple Deformation and Reaction Force Numerical Calculation Method for Nonlinear Brain Tissues (2019)
  • 著者名/発表者名: Xiaoshuai Chen, Kazuya Sase, Teppei Tsujita, Atsushi Konno
  • 学会等名: Proceedings of the 2020 IEEE/SICE International Symposium on System Integration (SII2020)
  • 国際学会
• [学会発表] Vessel Dissection Simulation for Neurosurgery Simulators Considering Subarachnoid Space Structure (2019)
  • 著者名/発表者名: Xiaoshuai Chen, Mio Hashimoto, Kazuya Sase, Teppei Tsujita, Atsushi Konno
  • 学会等名: Proceedings of the 2019 IEEE International Conference on Cyborg and Bionic Systems (CBS2019)
  • 国際学会
• [学会発表] A Hepato-Biliary-Pancreatic Deformable Model for a Simulation-Based Laparoscopic Surgery Navigation (2019)
  • 著者名/発表者名: Atsushi Konno, Noriyuki Shido, Kazuya Sase, Xiaoshuai Chen, Teppei Tsujita
  • 学会等名: Proceedings of the 2020 IEEE/SICE International Symposium on System Integration (SII2020)
  • 国際学会
• [学会発表] AR Brain-Shift Display for Computer-Assisted Neurosurgery (2019)
  • 著者名/発表者名: Shirai Ryosuke, Chen Xiaoshuai, Sase Kazuya, Komizunai Shunsuke, Tsujita Teppei, Konno Atsushi
  • 学会等名: IEEE Conference Proceedings 2019 (SICE2019)
  • 国際学会
• [学会発表] A Measurement System for Skill Evaluation of Laparoscopic Surgical Procedures (2019)
  • 著者名/発表者名: Ebina Koki, Abe Takashige, Komizunai Shunsuke, Tsujita Teppei, Sase Kazuya, Chen Xiaoshuai, Higuchi Madoka, Furumido Jun, Iwahara Naoya, Kurashima Yo, Shinohara Nobuo, Konno Atsushi
  • 学会等名: IEEE Conference Proceedings 2019 (SICE2019)
  • 国際学会
• [学会発表] 腹腔鏡手術技量評価のための手技計測システム開発 (2019)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 第20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
• [学会発表] 剛性変動物体に対する安定な力覚インタラクションのためのオンラインメッシュ切り替え (2019)
  • 著者名/発表者名: 佐瀬一弥，辻田哲平，陳暁帥，近野敦
  • 学会等名: 第20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
• [学会発表] Numerical Model of Connective Tissue for Splitting Brain Fissure Simulation (2018)
  • 著者名/発表者名: Xiaoshuai Chen, Kazuya Sase, Teppei Tsujita, and Atsushi Konno
  • 学会等名: Proceedings of the 2019 IEEE/SICE International Symposium on System Integration
  • 国際学会
• [学会発表] Presenting a Simple Method of Brain Shift Estimation for Neuronavigations and Considering its Practicality (2018)
  • 著者名/発表者名: Xiaoshuai Chen, Ryosuke Shirai, Ken Masamune, Manabu Tamura, Yoshihiro Muragaki, and Atsushi Konno
  • 学会等名: Proceedings of the 2019 IEEE/SICE International Symposium on System Integration
  • 国際学会
• [学会発表] Development of a Surgical Simulator for Training Retraction of Tissue with an Encountered-type Haptic Interface Using MR Fluid (2018)
  • 著者名/発表者名: Teppei Tsujita, Kazuya Sase, Xiaoshuai Chen, Masashige Tomita, Atsushi Konno, Masano Nakayama, Atsuhiro Nakagawa, Koyu Abe and Masaru Uchiyama
  • 学会等名: IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics
  • 国際学会
• [学会発表] 脳神経外科手術支援ブレインシフトAR表示 (2018)
  • 著者名/発表者名: 白井亮輔, 陳暁帥, 佐瀬一弥, 小水内俊介, 辻田哲平, 近野敦
  • 学会等名: 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
• [学会発表] ARを用いた実時間ブレインシフト可視化 (2018)
  • 著者名/発表者名: 白井亮輔, 陳暁帥, 佐瀬一弥, 辻田哲平, 近野敦
  • 学会等名: 日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス講演会