完全埋没型腎腫瘍の術中位置が追跡可能な手術支援システムの構築

2022 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 22K14210
• 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): 2022-04-01 – 2026-03-31
• キーワード: 手術支援システム / 臓器変形シミュレーション / 複合現実（MR)

研究実績の概要

本研究の目的は，完全埋没型腎腫瘍の腎部分切除手術を対象として，術中の腫瘍位置を動力学シミュレーションで推定し，その情報を術者が直感的に理解しやすい形で提示する腹腔鏡下腎部分切除手術支援システムを確立することである．この「完全埋没型腎腫瘍の術中位置が追跡可能な手術支援システムの構築」を実現するために，以下の研究を実施した．
１．術中の腫瘍位置を動力学シミュレーションで推定するために，腎臓と腫瘍の3Dモデルを作成した．腎臓と腫瘍の3D モデルは，患者の医用画像から構築することを想定しているが，第一段階では簡便のため，ライフサイエンス統合データベースセンターが公開している，人体の臓器・器官3 次元モデルデータベースBodyParts3D/Anatomographyを用いて，腎臓と腎臓血管の3Dモデルを構築した．また，腎臓の内部に球状の腫瘍を生成した．
２．シミュレーションで計算した3Dモデルの変形の精度検証などのため，腎臓と腫瘍の3Dモデルに基づいて，樹脂で柔軟な腎臓ファントムを作成した．
３．モーションキャプチャシステムを用いて実際の手術器具の位置・姿勢を計測し，その計測結果から手術器具と臓器の接触を推定，接触による臓器の変位・変形を力学シミュレーションで計算した．内視鏡のスクリーンと変形した臓器の3Dモデルとを重畳表示した．手術器具の位置・姿勢を計測し，手術器具と臓器の相互作用を逐次更新し，MR技術を用いて推定した腎臓などの変形を術者に提示するシステムの確立が概ねにできた．

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

研究実施計画でR4年度で予定したを動力学シミュレーションで腎臓・血管・腫瘍の変形を推定することができた．また，R5年度で予定した手術器具の位置・姿勢を計測し，手術器具と臓器の相互作用を逐次更新し，MR技術を用いて推定した腎臓などの変形を術者に提示するMRシステムの確立を前倒して，概ねにできた．一方，R4年度で予定した鈍的剥離，鋭的剥離，縫合などの一連の動作を動力学シミュレーションで再現する内容をR5年度で実施する予定です．
以上により，研究はおおむねに順調に進展していると評価する．

今後の研究の推進方策

本研究課題の今後の推進方策について，以下のように計画している。
１．完全埋没型腎腫瘍の腎部分切除手術で必要な鈍的剥離，鋭的剥離，縫合などの一連の動作を動力学シミュレーションで再現する。
２．豚の腎臓や柔軟樹脂模型等を用いて実際の変形を測定する．実験結果とシミュレーションから得られる変形推定値を比較し，その精度を検証する．
３．内視鏡のスクリーンと変形した臓器の3Dモデルとの重畳表示ではズレが生じているため，重畳表示の精度向上の手法を考案する．

研究成果

• [雑誌論文] Basic Experiments Toward Mixed Reality Dynamic Navigation for Laparoscopic Surgery (2022)
  • 著者名/発表者名: Xiaoshuai Chen, Daisuke Sakai, Hiroaki Fukuoka, Ryosuke Shirai, Koki Ebina, Sayaka Shibuya, Kazuya Sase, Teppei Tsujita, Takashige Abe, Kazuhiko Oka, and Atsushi Konno
  • 雑誌名: Journal of Robotics and Mechatronics 巻: 34(6) ページ: 1253-1267
  • DOI: 10.20965/jrm.2022.p1253
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Moving Particle Semi-Implicit and Finite Element Method Coupled Analysis for Brain Shift Estimation (2022)
  • 著者名/発表者名: Akito Ema, Xiaoshuai Chen, Kazuya Sase, Teppei Tsujita, and Atsushi Konno
  • 雑誌名: Journal of Robotics and Mechatronics 巻: 34(6) ページ: 1306-1317
  • DOI: 10.20965/jrm.2022.p1306
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Automatic assessment of laparoscopic surgical skill competence based on motion metrics (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 Lingbo, Shunsuke Komizunai, Yo Kurashima, Hiroshi Kikuchi, Ryuji Matsumoto, Takahiro Osawa, Sachiyo Murai, Teppei Tsujita, Kazuya Sase, Xiaoshuai Chen, Atsushi Konno, and Nobuo Shinohara
  • 雑誌名: PLOS ONE 巻: 17(11) ページ: e0277105
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0277105
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Numerical Calculation Method for Brain Shift Based on Hydrostatics and Dynamic FEM (2022)
  • 著者名/発表者名: Xiaoshuai Chen, Ryosuke Shirai, Ken Masamune, Manabu Tamura, Yoshihiro Muragaki, Kazuya Sase, Teppei Tsujita, and Atsushi Konno
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Medical Robotics and Bionics 巻: 4(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 Lingbo, 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: 407(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
• [学会発表] Development and validation of a measurement system for laparoscopic surgical procedures in practical surgery training (2023)
  • 著者名/発表者名: Ebina Koki, Takashige Abe, Kiyohiko Hotta, Madoka Higuchi, Jun Furumido, Naoya Iwahara, Masafumi Kon, Shunsuke Komizunai, Yo Kurashima, Hiroshi Kikuchi, ryuji Matsumoto, Takairo Osawa, Sachiyo Murai, Teppei Tsujita, Kazuya Sase, Xiaoshuai Chen, Nobuo Shinohara, and Atsushi Konno
  • 学会等名: 2023 IEEE/SICE International Symposium on System Integrations (SII2023)
  • 国際学会
• [学会発表] 脳神経外科手術のためのくも膜を考慮した脳モデルを用いた脳変形シミュレーション (2022)
  • 著者名/発表者名: 髙橋優里，陳暁帥，佐瀬一弥，辻田哲平，近野敦，岡和彦
  • 学会等名: 第 23 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（SI2022）
• [学会発表] 仮想空間での血管吻合時の手技再現のための針による血管の変形シミュレーション (2022)
  • 著者名/発表者名: 須田智輝，陳暁帥，近野敦，佐瀬一弥, 辻田哲平, 岡和彦
  • 学会等名: 第 23 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（SI2022）
• [学会発表] 内視鏡下副鼻腔手術の技量評価手法の検討 (2022)
  • 著者名/発表者名: 山田海俊, 鈴木正宣, 宮路洸, 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, 本間明宏, 近野敦
  • 学会等名: 第 23 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（SI2022）
• [学会発表] 実践的な腹腔鏡手術訓練技量評価のための手技計測システム開発と検証 (2022)
  • 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，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: 第 23 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（SI2022）
• [学会発表] 手術ナビゲーションのための臓器重畳表示位置合わせシステムの開発 (2022)
  • 著者名/発表者名: 澁谷紗也華，佐瀬一弥，陳暁帥，辻田哲平，小水内俊介，妹尾拓，近野敦
  • 学会等名: 第 23 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（SI2022）
• [学会発表] HoloLens 2 を用いた血管吻合時の手技記録と仮想空間での再現 (2022)
  • 著者名/発表者名: 庄司大朗，陳暁帥，近野敦，辻田哲平，佐瀬一弥，岡和彦
  • 学会等名: 第 40 回日本ロボット学会学術講演会予稿集 (RSJ2022)
• [学会発表] 脳腹腔鏡手術トレーニングのための機械学習を用いた技能別スコア評価システムの開発 (2022)
  • 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，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，篠原信雄，近野敦
  • 学会等名: 第 40 回日本ロボット学会学術講演会予稿集 (RSJ2022)
• [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肝臓モデルの重畳表示 (2022)
  • 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概要集 2022 (ROBOMECH2022)
• [学会発表] 腹腔鏡手術ナビゲーションのための臓器把持・剥離動作の複合現実シミュレーション (2022)
  • 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概要集 2022 (ROBOMECH2022)