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臓器変形最尤推定による動的腹腔鏡手術ナビゲーション

研究課題

研究課題/領域番号 23H00480
研究種目

基盤研究(A)

配分区分補助金
応募区分一般
審査区分 中区分61:人間情報学およびその関連分野
研究機関北海道大学

研究代表者

近野 敦  北海道大学, 情報科学研究院, 教授 (90250688)

研究分担者 安部 崇重  北海道大学, 医学研究院, 教授 (10399842)
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)
安孫子 聡子  芝浦工業大学, 工学部, 教授 (40560660)
辻田 哲平  防衛大学校(総合教育学群、人文社会科学群、応用科学群、電気情報学群及びシステム工学群), システム工学群, 准教授 (40554473)
陳 暁帥  弘前大学, 理工学研究科, 准教授 (40812277)
佐瀬 一弥  東北学院大学, 工学部, 准教授 (20805220)
研究期間 (年度) 2023-04-01 – 2026-03-31
研究課題ステータス 交付 (2025年度)
配分額 *注記
47,450千円 (直接経費: 36,500千円、間接経費: 10,950千円)
2025年度: 6,890千円 (直接経費: 5,300千円、間接経費: 1,590千円)
2024年度: 19,760千円 (直接経費: 15,200千円、間接経費: 4,560千円)
2023年度: 20,800千円 (直接経費: 16,000千円、間接経費: 4,800千円)
キーワード手術ナビゲーション / 腹腔鏡手術 / 動的有限要素法 / 臓器変形シミュレーション
研究開始時の研究の概要

腹腔鏡手術では内視鏡の視野が限定され,重大な医療事故へとつながる血管の誤認が起きやすい.このような誤認を軽減するためには手術ナビゲーションが有効であるが,従来の手術ナビゲーションは手術前に撮影した医用画像に基づいてナビゲーションを行うため,手術の進行と共にナビゲーションは実際の状況から乖離していくという問題があった.そこで本研究では手術器具の位置姿勢をモーションキャプチャー装置で追跡し,使用している手術器具の種類,手術器具先端と臓器の相対位置等から手術操作を推定し臓器の変位・変形を予測する.予測した臓器の状態を術中観測や術中位置合わせで補正し,最尤推定した状況を基に手術ナビゲーションを行う.

研究実績の概要

本研究は,実時間動力学シミュレーションで臓器の変形を予測し,手術中の観測情報で予測を修正しながら臓器モデルを更新し,最新の情報に基づき外科手術を支援する,リアルタイムデジタルツイン腹腔鏡手術ナビゲーションを開発することを目的とする.
研究開発項目を大きく,1手術ナビゲーションシステムの開発,2腹腔鏡手術トレーニングボックスでのシステム評価,に分け,小課題として,1-1手術器具追跡システム,1-2医用画像からの臓器モデル自動生成,1-3実時間臓器変形と内部応力計算,1-4手術器具情報に基づく手術操作推定,1-5内視鏡画像マッチングによるモデル修正,1-6手術者への情報提示インタフェース,2-1リンパ節郭清でのナビゲーション精度評価,2-2リンパ節郭清でのユーザーインタフェース評価,を設けた.
初年度の2023年度は,主に1-1~1-5の課題に取り組んだ.課題1-1に関しては,手術器具にモーションキャプチャーマーカーと慣性計測装置(IMU)を取り付け,マーカーが障害物等で隠れた場合でもIMUのデータから補正する手法を提案した(特許出願中:特願2024-026624, 2024年 2月26日).課題1-3, 1-4では,手術器具に取り付けたマーカーから手術器具を判別し,手術器具の機能,手術器具と臓器の位置関係から現在行っている手術操作を推定し,動力学シミュレーションで切開や剥離を再現する手法を開発した.また,課題1-5では,実際の手術と動力学シミュレーションによる推定との誤差が蓄積した場合,手術器具の先端で特徴点を指示することにより,実臓器と臓器モデルの位置合わせを行う手法を開発した.

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

本研究の基盤となる実時間デジタルツインを用いた腹腔鏡手術ナビゲーションの提案がIF付の国際学術雑誌に掲載された.肝臓・胆嚢・膵臓の3,225要素からなる有限要素モデルを用いた手術シミュレーションでは,1ループの変形計算時間が50 msと,目標としている33 msに近い速度となった.また,リンパ節と血管の簡易モデルに対する剥離シミュレーションにおいて,手術器具の種類とモデルとの位置関係から,切断と剥離の手術操作を精度よく推定し,シミュレーションで再現できることを確認した.さらに,課題1-1に関し特許を出願する等,当初期待した成果が出ている.

今後の研究の推進方策

2年目となる2024年度は,前年度に引き続き,課題1-3実時間臓器変形と内部応力計算,1-4手術器具情報に基づく手術操作推定,1-5内視鏡画像マッチングによるモデル修正,に取り組む.課題1-4では,実手術に極めて近いカダバーを用いた手術訓練での手術器具の動作から手術操作を推定する技術の開発に挑戦する.また2024年度に新たに1-6手術者への情報提示インタフェース,2-1リンパ節郭清でのナビゲーション精度評価,の課題に取り組む.課題1-6では,手術者への直感的理解が容易な情報提示手法として,モニタへの表示,患者へのプロジェクションマッピング,ヘッドマウントディスプレイへの表示等を試みて,その効果を比較する.課題2-1はこれまで開発してきた腹腔鏡手術ナビゲーションの効果を腹腔鏡手術トレーニングボックスでの模擬手術で評価するもので,2024年度ではナビゲーションの精度の評価を行う.

報告書

(2件)
  • 2023 審査結果の所見   実績報告書
  • 研究成果

    (27件)

すべて 2024 2023

すべて 雑誌論文 (3件) (うち国際共著 1件、 査読あり 3件、 オープンアクセス 2件) 学会発表 (23件) (うち国際学会 2件、 招待講演 3件) 産業財産権 (1件)

  • [雑誌論文] 脳神経外科手術模擬のためのくも膜下腔3Dモデルの作成手法の提案2024

    • 著者名/発表者名
      陳暁帥, 高橋優里, 加藤萌喜, 須田智輝, 澁谷紗也華, 佐瀬一弥, 辻田哲平, 岡和彦, 近野敦
    • 雑誌名

      計測自動制御学会論文集

      巻: 60

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Proposal of Simulation-Based Surgical Navigation and Development of Laparoscopic Surgical Simulator that Reflects Motion of Surgical Instruments in Real-World2023

    • 著者名/発表者名
      Sayaka Shibuya, Noriyuki Shido, Ryosuke Shirai, Kazuya Sase, Koki Ebina, Xiaoshuai Chen, Teppei Tsujita, Shunsuke Komizunai, Taku Senoo, and Atsushi Konno
    • 雑誌名

      International Journal of Automation Technology

      巻: 17 号: 3 ページ: 262-276

    • DOI

      10.20965/ijat.2023.p0262

    • ISSN
      1881-7629, 1883-8022
    • 年月日
      2023-05-05
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Mental workload during endoscopic sinus surgery is associated with surgeons’ skill levels2023

    • 著者名/発表者名
      Suzuki Masanobu、Miyaji Kou、Matoba Kotaro、Abe Takashige、Nakamaru Yuji、Watanabe Ryosuke、Suzuki Takayoshi、Nakazono Akira、Konno Atsushi、Hinder Dominik、Psaltis A. J.、Wormald P. J.、Homma Akihiro
    • 雑誌名

      Frontiers in Medicine

      巻: 10 ページ: 1090743-1090743

    • DOI

      10.3389/fmed.2023.1090743

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [学会発表] Development of machine learning-based assessment system for laparoscopic surgical skills using motion-capture2024

    • 著者名/発表者名
      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
    • 学会等名
      IEEE/SICE International Symposium on System Integration
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 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2024

    • 著者名/発表者名
      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
    • 学会等名
      第56回計測自動制御学会北海道支部学術講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Development of the Classification System for Surgical Skills in Endoscopic Sinus Surgery2023

    • 著者名/発表者名
      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
    • 学会等名
      16th World Congress of the IFToMM
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] バーチャルリアリティにおけるやわらかな触覚提示2023

    • 著者名/発表者名
      佐瀬一弥
    • 学会等名
      第 66 回自動制御連合講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Simulation training in urologic surgery: Our experiences2023

    • 著者名/発表者名
      Takashige Abe, Masafumi Kon, Madoka Higuchi, Kiyohiko Hotta, Hiroshi Kikuchi, Jun Furumido, Naoya Iwahara, Shuhei Yamada, Shigeru Harada, Chihiro Kamijyo, Sachiyo Murai, Haruka Miyata, Ryuji Matsumoto, Takahiro Osawa, Nobuo Shinohara
    • 学会等名
      第61回日本癌治療学会学術集会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 精巣癌に対する開腹後腹膜リンパ節郭清術 ロボット時代の手術教育についてわたくしが今思うこと2023

    • 著者名/発表者名
      安部崇重、宮田遥、松本隆児、大澤崇宏、菊地央、篠原信雄
    • 学会等名
      第88回日本泌尿器科学会 東部総会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 機械学習を用いた内視鏡下副鼻腔手術の技量評価2023

    • 著者名/発表者名
      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
    • 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
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 実践的な腹腔鏡手術訓練技量解析のための計測データ補正処理の検討と特徴量算出2023

    • 著者名/発表者名
      海老名光希,安部崇重,晏凌波,堀田記世彦,今雅史,樋口まどか,古御堂純,岩原直也,小水内俊介,倉島庸,菊地央,松本隆児,大澤崇宏,村井祥代,辻田哲平,佐瀬一弥,陳暁帥,妹尾拓,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
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] MR流体を用いた遭遇型力覚提示装置における接触開始可能範囲の拡張2023

    • 著者名/発表者名
      渡邊弘毅, 佐瀬一弥, 辻田哲平, 安孫子聡子
    • 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
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 腹腔鏡手術技量向上のための機械学習を用いたオンサイトトレーニングシステムの開発2023

    • 著者名/発表者名
      海老名光希,安部崇重,堀田記世彦,樋口まどか,古御堂純,岩原直也,今雅史,倉島庸,菊地央,松本隆児,大澤崇宏,村井祥代,辻田哲平,小水内俊介, 佐瀬一弥,陳暁帥,妹尾拓,篠原信雄,近野敦
    • 学会等名
      Surgical Education Summit
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 腹腔鏡手術カダバートレーニングにおける鉗子動態解析の試み2023

    • 著者名/発表者名
      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,倉島庸,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
    • 学会等名
      Surgical Education Summit
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 腹腔鏡手術訓練のためのオンサイトトレーニングシステム開発2023

    • 著者名/発表者名
      海老名光希,安部崇重,晏凌波,堀田記世彦,倉島庸,村井祥代,樋口まどか,今雅史,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
    • 学会等名
      第41回日本ロボット学会学術講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 実践的な腹腔鏡手術訓練における手術器具動態計測による手術手技解析2023

    • 著者名/発表者名
      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,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
    • 学会等名
      第41回日本ロボット学会学術講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 腹腔鏡手術ナビゲーションの開発を目的とした臓器重畳表示のための自動位置合わせ2023

    • 著者名/発表者名
      小林吉文,陳暁帥,近野敦,佐瀬一弥,辻田哲平,小水内俊介,岡和彦
    • 学会等名
      第 41 回日本ロボット学会学術講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 内視鏡下副鼻腔手術におけるtsfreshを用いた機械学習による技量評価2023

    • 著者名/発表者名
      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
    • 学会等名
      第 41 回日本ロボット学会学術講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] MR流体遭遇型力覚提示装置における道具操作に対する非接触時追従性評価2023

    • 著者名/発表者名
      渡邊弘毅,佐瀬一弥,辻田哲平,安孫子聡子
    • 学会等名
      第 41 回日本ロボット学会学術講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] HMD 装着時における MR 流体を用いた遭遇型力覚提示2023

    • 著者名/発表者名
      渡邊弘毅、佐瀬一弥、辻田哲平、安孫子聡子
    • 学会等名
      第24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
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 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

    • 著者名/発表者名
      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
    • 学会等名
      第24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
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 血管吻合訓練における手の動作解析と熟練度の判別2023

    • 著者名/発表者名
      庄司大朗,陳暁帥,小渡亮介,近野敦,辻田哲平,佐瀬一弥,小水内俊介,岡和彦
    • 学会等名
      第24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
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 超音波医用画像を用いた手術支援システムのための腫瘍を伴った腎臓ファントムの製作に関する検討2023

    • 著者名/発表者名
      加藤萌喜,陳暁帥,佐瀬一弥,辻田哲平,小水内俊介,近野敦,岡和彦
    • 学会等名
      第24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
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 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

    • 著者名/発表者名
      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
    • 学会等名
      第24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
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 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

    • 著者名/発表者名
      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
    • 学会等名
      第24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
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 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

    • 著者名/発表者名
      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
    • 学会等名
      第24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
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [産業財産権] 内部アクセス装置、位置姿勢推定システム、位置姿勢推定方法、及びプログラム2024

    • 発明者名
      11.近野敦,海老名光希,安部崇重
    • 権利者名
      11.近野敦,海老名光希,安部崇重
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      2024-026624
    • 出願年月日
      2024
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書

URL: 

公開日: 2023-04-13   更新日: 2025-06-20  

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