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2015 年度 実施状況報告書

3次元シミュレーションを用いた関節鏡ナビゲーションシステムの開発

研究課題

研究課題/領域番号 15K10442
研究機関大阪大学

研究代表者

岡 久仁洋  大阪大学, 保健センター, 助教 (50724085)

研究分担者 田中 啓之  大阪大学, 医学(系)研究科(研究院), 助教 (00432542)
岡田 潔  大阪大学, 医学部附属病院, 講師 (40576279)
村瀬 剛  大阪大学, 医学(系)研究科(研究院), 准教授 (50335361)
研究期間 (年度) 2015-04-01 – 2018-03-31
キーワードナビゲーションシステム / 関節鏡 / 手術シミュレーション / 運動解析 / バイオメカニクス
研究実績の概要

変形性肘関節症に対する、標準的な治療は観血的もしくは関節鏡を用いて関節運動を障害している骨棘の切除が行われる。しかし、肘関節鏡は難易度の高い手術であり整形外科で上肢を専門とする医師でも一部のエキスパートのみが行える手術である。また、熟練した術者であっても2次元画像に基づいた治療計画やマニュアル操作による手術などの従来技術に頼った治療方法では、的確に骨棘を切除することは困難で骨棘の切除不足による可動域制限の残存や不適切な切除による術後関節症の再発、悪化など、その治療成績には限界があった。そこで3次元動態解析法と最新の3次元手術シミュレーション、ナビゲーションシステムを融合した新規の治療法の確立を目指し研究を進めてきた。H27年度の開発予定であった手術シミュレーション機能である、変形性肘関節症の正常関節形態を予測するプログラムの開発を行った。上腕骨の正常部位の3次元データを元に、本来の肘関節の正常形状を推定するアルゴリズムを確立した。これにより、病的肘関節の骨棘切除部位を推定することが可能となった。ナビゲーション機能においては、術前のシミュレーションデータとナビゲーションシステムを同期することができるプログラムを開発した。シミュレーションで同定した病変部位をモニターで視覚化し、術者の操作部位と切除された部位をリアルタイムに表示することが可能となった。
また、過去の変形性肘関節症のCTデータから3Dプリンターを用いて2色形成骨モデルを作成し、ナビゲーションと関節鏡を用いて模擬手術を行った。さらに臨床応用のトライアルとして2色形成モデルを実際の手術野に持ち込み手術支援材料として使用し、手術時間、術後レントゲン、術後関節可動域などの臨床症状の改善度を評価し有用性を評価し、良好な術後成績がえられた。

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

変形性肘関節症に対する骨棘切除の手術シミュレーション法の開発において、27年度に開発予定であった、患者個々の正常部分から本来の肘関節の形状を推定するプログラムを開発することができた。本技術により、病的骨棘を画像上で抽出することが可能となる。また、手術シミュレーションソフトからナビゲーションシステムに変換するためのプログラムも予定通り開発し、手術シミュレーションで同定した病変部分をナビゲーションシステムに表示することが可能となった。変形性肘関節症の3次元骨モデルを用いた模擬手術を行い、手術シミュレーションとナビゲーションを用いた手術操作が可能であるかを実験中である。実臨床においては、病変部分を視覚的に確認できる、手術支援2色成形3次元骨モデルを3次元プリンターで製造し、プレリミナリーに術中に持ち込んで、術者が手術の参考として用いて手術を行った。手術時間、術後の関節可動域、病変切除の正確性を評価した。引き続きデータを収集し、最終的には本技術との比較検討を行う予定である。

今後の研究の推進方策

変形性肘関節症の骨モデルを用いて、手術シミュレーションとナビゲーションを用いた本技術による手術法の精度を評価する。具体的には、切除部位シミュレーションで決定し、ナビゲーションシステムに表示させる。ナビゲーションに従って、模擬手術を行い、手術後の骨モデルを取り出して、CT撮影を行い、切除後の3次元骨モデルをコンピューター上で作成する。シミュレーションと術後の骨モデルを比較し、予定通り病変部位を切除できているかを確認することにより、本システムの精度を評価する。さらに、ナビゲーションメーカーと共同で、手術シミュレーション通り、操作することができるアブレーダーバーなどの開発に着手する。問題点として、ナビゲーションを肘関節で用いる場合、トラッカー(ナビゲーションに骨の位置を認識させる)を骨に設置する位置についての検討が必要である。解剖学的に橈骨神経、尺骨神経などが走行しているため、神経を損傷する可能性がなく、安全にトラッカーを設置できる場所を、カダバーを用いて検証を行う。本システムが高精度であり、安全に手術を行えることを確認したのち、臨床応用を開始する。

次年度使用額が生じた理由

プログラム開発を行うために予算を計上したハイスペックPC2台は、現在所有しているPCで対応が可能であったため、購入を見送った。3Dプリンターを用いて切除予定部位を可視化したツートンカラーの実物大3次元骨モデルを製作する費用に関しては、H27年度は他の競争的助成金にて購入可能であった。

次年度使用額の使用計画

現在所有しているPCで対応不可能なプログラムの開発、ナビゲーションシステムに対応したPCの購入が必要である。また、ナビゲーションの精度実験のためのツートンカラーの実物大3次元骨モデル、関節鏡に対応させるためのナビゲーション関連の備品の購入を計画している。

  • 研究成果

    (11件)

すべて 2016 2015

すべて 雑誌論文 (5件) (うち国際共著 2件、 査読あり 5件) 学会発表 (6件) (うち国際学会 3件、 招待講演 3件)

  • [雑誌論文] 1.In vivo three-dimensional elbow biomechanics during forearm rotation.2016

    • 著者名/発表者名
      Omori S, Miyake J, Oka K, Tanaka H, Yoshikawa H, Murase T.
    • 雑誌名

      J Shoulder Elbow Surg.

      巻: 25 ページ: 112-9

    • DOI

      10.1016/j.jse.2015.07.002.

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] 6.変形性肘関節症に対するコンピューター支援関節形成術 術中リファレンスツールとしての骨棘を可視化した2色造形骨モデルの有用性.2015

    • 著者名/発表者名
      信貴 厚生, 岡 久仁洋, 有光 小百合, 堀木 充, 森友 寿夫, 田中 啓之, 村瀬 剛
    • 雑誌名

      日本コンピュータ外科学会誌

      巻: 17 ページ: 229

    • 査読あり
  • [雑誌論文] 4.Volar morphology of the distal radius in axial planes: a quantitative analysis.2015

    • 著者名/発表者名
      Oura K, Oka K, Kawanishi Y, Sugamoto K, Yoshikawa H, Murase T.
    • 雑誌名

      J Orthop Res.

      巻: 33 ページ: 496-503

    • DOI

      10.1002/jor.22780.

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] 統計的機械学習を用いた肘関節屈伸回転軸の予測.2015

    • 著者名/発表者名
      大浦 圭一郎, 横田 太, 岡 久仁洋, 村瀬 剛, 吉川 秀樹, 大竹 義人, 佐藤 嘉伸.
    • 雑誌名

      日本整形外科学会雑誌

      巻: 89 ページ: 1647

    • 査読あり
  • [雑誌論文] 橈骨の正常3次元形状予測の試み.2015

    • 著者名/発表者名
      大浦 圭一郎, 横田 太, 岡 久仁洋, 村瀬 剛, 佐藤 嘉伸.
    • 雑誌名

      日本手外科学会雑誌

      巻: 32 ページ: 2

    • 査読あり
  • [学会発表] 上肢変形矯正のためのカスタムメイド骨接合プレート 開発と実用化、そして金属3Dプリンティング技術の応用2016

    • 著者名/発表者名
      岡久仁洋
    • 学会等名
      第59回日本手外科学会学術集会
    • 発表場所
      広島
    • 年月日
      2016-04-27 – 2016-04-28
    • 招待講演
  • [学会発表] 3D corrective osteotomy for malunited fractures in the upper extremity2016

    • 著者名/発表者名
      Oka K, Murase T.
    • 学会等名
      The 19th Asia Pacific Orthopaedic Assosiation Congress
    • 発表場所
      Melbourne, Australia
    • 年月日
      2016-03-29 – 2016-04-01
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 肘関節疾患の形態・動態解析で分かったこと2016

    • 著者名/発表者名
      岡 久仁洋
    • 学会等名
      第28回日本肘関節学会
    • 発表場所
      岡山
    • 年月日
      2016-02-12 – 2016-02-13
    • 招待講演
  • [学会発表] 28.小児内反肘変形に対する患者適合型手術器械を用いた3次元矯正骨切術の治療成績.2015

    • 著者名/発表者名
      岡 久仁洋、村瀬 剛,
    • 学会等名
      第26回日本小児整形外科学会学術集会
    • 発表場所
      岐阜
    • 年月日
      2015-12-04 – 2015-12-05
    • 国際学会
  • [学会発表] Three-Dimensional analysis of malunited distal radius fracture with limitation of forearm rotation.2015

    • 著者名/発表者名
      Abe S, Oka K, Murase T, Kawanishi Y, Oura K, Shigi A.
    • 学会等名
      70th Annual Meeting of the American Society for Surgery of the Hand .
    • 発表場所
      Seattle, U.S.A.
    • 年月日
      2015-09-09 – 2015-09-12
    • 国際学会
  • [学会発表] 10.交叉指変形に対する矯正骨切り術-動作解析の基づいた手術シミュレーション-.2015

    • 著者名/発表者名
      岡 久仁洋、信貴厚生、大浦圭一郎、田中啓之、村瀬 剛,
    • 学会等名
      第58回日本手外科学会
    • 発表場所
      東京
    • 年月日
      2015-04-16 – 2015-04-17

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公開日: 2017-01-06  

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