2023 Fiscal Year Annual Research Report
Laparoscopic surgical dynamic navigation using maximum likelihood estimation of organ deformations
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23H00480
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
近野 敦 北海道大学, 情報科学研究院, 教授 (90250688)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
安部 崇重 北海道大学, 医学研究院, 准教授 (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)
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| Project Period (FY) |
2023-04-01 – 2026-03-31
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| Keywords | 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 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
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．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
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．
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| Strategy for Future Research Activity |
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．
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[Journal Article] Mental workload during Endoscopic Sinus Surgery is associated with surgeons’ skill level2023
Author(s)
Masanobu Suzuki, Kou Miyaji, Kotaro Matoba, Takashige Abe, Yuji Nakamaru, Ryosuke Watanabe, Takayoshi Suzuki, Akira Nakazono, Atsushi Konno, Dominik Hinder, Alkis James Psaltis, Peter John Wormald, Akihiro Homma
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Journal Title
Frontiers in Medicine
Volume: 10
Pages: 1090743-1090743
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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[Presentation] Development of machine learning-based assessment system for laparoscopic surgical skills using motion-capture2024
Author(s)
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
Organizer
IEEE/SICE International Symposium on System Integration
Int'l Joint Research
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[Presentation] 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
Author(s)
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
Organizer
第56回計測自動制御学会北海道支部学術講演会
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[Presentation] Development of the Classification System for Surgical Skills in Endoscopic Sinus Surgery2023
Author(s)
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
Organizer
16th World Congress of the IFToMM
Int'l Joint Research
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[Presentation] Simulation training in urologic surgery: Our experiences2023
Author(s)
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
Organizer
第61回日本癌治療学会学術集会
Invited
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[Presentation] 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
Author(s)
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
Organizer
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
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[Presentation] 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
Author(s)
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
Organizer
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
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[Presentation] 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
Author(s)
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
Organizer
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
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[Presentation] 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
Author(s)
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
Organizer
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
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