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

2023 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, 准教授 (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 / 複合現実（MR) / 臓器変形シミュレーション

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．昨年度では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．今年度は以下の研究を実施した．
１．システムの実用化に向けて，内視鏡画像と腎臓モデルを重畳表示するためのリアルタイム自動位置合わせ手法を提案した．臓器周囲の特徴点（マーカー）を基準点として，実空間の内視鏡画像と仮想空間の3Dモデルを位置合わせする．また，提案手法の精度を検証するために，重畳表示画面上の現実空間と仮想空間との誤差を評価した．
２．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，その精度を検証した．
３．完全埋没型腎腫瘍の腎部分切除手術では術中に腫瘍の情報を取得するために超音波プローブによる術中超音波検査が行われる．この超音波検査で得られた患部のエコー画像を元に，内視鏡画像と腎臓モデルとの重畳表示を補正することで，術中の操作に伴って動く腫瘍位置を推定する精度が上がると考えられる．この手法を実現するために，まず検証用のエコー画像上で腫瘍部と腎臓部の区別がつく腎臓模型を作成する方法を確定した．また，エコーで撮った腫瘍の形状は淡い2次元的な画像かつ局所的でしか描画できない．術者が臓器と腫瘍の位置関係をより直感的に体感できるように，エコー画像から仮想空間上に計測した腫瘍3Dモデルを再現し，腫瘍位置を重畳表示により提示するMRシステムの雛形を構築した．

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

R5年度で予定した「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．」を実施した．一方，予定した「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．」については，研究協力の泌尿器科の医師と相談したところ，実用化の面で優先度が低いため，方向を修正した．代わりに，完全埋没型腎腫瘍の腎部分切除手術中によく使われるエコー画像の利用を考案した．
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．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精度のさらなる向上手法を考案する．
２．超音波画像から仮想空間上に計測した腫瘍3Dモデルを再現した．今年度より，生成されたモデルの精度を向上するために画像解析法を考案し，内視鏡の映像に推定した腎腫瘍の位置を重畳表示する．

研究成果

• [雑誌論文] Proposal of simulation-based surgical navigation and development of laparoscopic surgical simulator that reflects motion of surgical instruments in real-world (2023)
  • 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(3) ページ: 262-276
  • DOI: 10.20965/ijat.2023.p0262
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Development of Machine Learning-Based Assessment System for Laparoscopic Surgical Skills Using Motion-Capture (2024)
  • 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: 2024 IEEE/SICE International Symposium on System Integration (SII2024)
  • 国際学会
• [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2023 (ROBOMECH 2023)
• [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2023 (ROBOMECH 2023)
• [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 (RSJ2023)
• [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 (RSJ2023)
• [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，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 41 回日本ロボット学会学術講演会 (RSJ2023)
• [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 (RSJ2023)
• [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（SI2023）
• [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（SI2023）
• [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（SI2023）
• [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（SI2023）
• [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（SI2023）
• [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，渋谷紗也華，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（SI2023）