立石科学技術振興財団

助成研究成果集(第26号) 2017

ナビゲーション技術を応用した内視鏡下手術の作業定量評価システムの構築
Quantitative surgical task evaluation system for endoscopic surgery using
a surgical navigation technology
2167004

名古屋大学大学院 情報学研究科
研究員
研究代表者
(助成受領時：千葉大学大学院 工学研究科 博士後期課程)

杉野

貴

明

共同研究者

千葉大学大学院准教授

中村亮

一共同研究者

東京慈恵会医科大学
耳鼻咽喉科学講座

教 授

鴻信

義

工学研究科

[研 究 の 目 的]
患者に優しい医療が強く求められるようになった昨今，外科医療分野では内視鏡下手術の普及・高度化が進んでいる。しかし，一方でこうした手術の発展に伴う外科治療の複雑化・難化により，安全な治療提供が困難になってきている。こうした状況下で信頼性の高い治療を提供するためには，手術の質を大きく左右する術

図1

手術ナビゲーションシステム

者技能の向上や手術作業工程の最適化が重要となる。しかし，そのための手術作業評価や技術が重要となる。そこで，本研究では内視鏡下手指南は熟練医等の手で行われているのが現状で術での普及・適応拡大が進む手術ナビゲーショあり，技術評価・伝承における客観性の欠如やンシステムに着目した。手術ナビゲーションシ

熟練医への負担集中が懸念される。そこで，近ステムは，術具位置姿勢を医用画像上に表示す年，手術手技の習熟支援及び最適化支援のため，ることで目的部位への誘導支援を行う装置であ手術中の作業情報を基に手術作業工程を自動的る (図 1)。本研究では，本来誘導支援に利用かつ定量的に分析・評価する研究が注目されてされる手術ナビゲーションシステムを作業記録きている。

媒体として応用し，この装置に記録される医用こうした手術作業分析・評価を達成するため画像情報とログデータ (術具先端位置・姿勢情報/時間情報/術具種類情報)を用いることによには，臨床環境を考慮すると，(a) 手術環境・作業を阻害せずに詳細な作業り，上記(a)(b)の課題を同時解決する内視鏡下手術の作業定量評価システムの構築を目的と情報を自動的に計測すること(b) 人的に判断されてきた手術手技の良しする。

悪しをより具体的かつ定量的に評価す
ること
― 1 ―

立石科学技術振興財団

範囲や密度を表すログデータ分布密度・近似楕［研究の内容，成果］

円体体積を定義した [1]。
法〉

また，術者は基本的に両手の術具を同時に操1．対象術式の選定作しながら手術を進めるため，両手術具間の協〈方本研究では，ナビゲーションシステムを併用

調操作を表す指標として，両手術具間の相対速

し た 内 視 鏡 下 副 鼻 腔 手 術 (Endoscopic Sinus

度・加速度・躍度，両手術具の位置関係を表すSurgery ; ESS) を 対 象 術 式 と し て 選 定 し た。

術具間距離・角度と画面中心距離 (内視鏡鏡筒ESS は鼻副鼻腔疾患の外科的治療法の一つでの中心線から術具先端までの距離)，両手術具あり，耳鼻咽喉科の中で最も多く行われているのログデータ分布の類似性を表す相互分布密度術式である。ただし，術者が左手で内視鏡，右を定義した [2]。

手で術具を操作して行う ESS は，狭い作業空以上の分析指標を利用し，ESS の手術中に間の中，片手で患部を処置することを必要とし，おける術者の作業特徴の定量表現・比較評価を隣接する脳や眼の重要器官を損傷するリスクの行う。

高い術式として知られている。こうしたリスク

3．手術作業工程の比較手法の構築低減のため，図 2 に示すようなナビゲーション

手術手技の習熟支援・最適化支援を図る上で誘導下 ESS が実施されているが，それでもなは，手術作業中のどこでどのような問題がある

お，例年 ESS における術中副損傷の発生事例のかを特定することが重要となる。そこで本研が一定数報告されている状況にある。そこで，

究では，先に定義した分析指標のうち，時系列ESS の臨床症例を対象に，手術作業定量評価的に算出可能な指標を用いて手術作業工程を手システムの要素技術開発を行った。

術 プ ロ セ ス モ デ ル (Surgical Process Model ;2．手術作業分析指標の構築SPM) として次式により表現し，比較評価す本研究が目指す作業定量評価を実現するためることを試みた：には，まず手術作業の特徴・傾向を多角的かつ定量的に表現することが重要となる。そこで，

SPM=(ac 1, ac 2, …, ac n)

本研究では手術ナビゲーションシステムより得(ac i=(p 1i, p 2i, …, p Ni))られる情報を活用し，ESS を行う上で重要と考えられる指標を定義・構築した。図 3 に定義した分析指標の概要を示す。具体的には，術具操作のブレや急峻な動作等を表す速度・加速度・躍度，術具の方向転換を表す回転量，作業

図2

ナビゲーション誘導下内視鏡下副鼻腔手術

図3― 2 ―

分析指標

Tateisi Science and Technology Foundationac i(i=1, 2, …, n) は，N 個の時系列指標 p i にに 3 つ以上の配列間のアラインメントに対応すより得られる SPM の構成要素である。このるように開発された DTW Barycenter Averag-

SPM の生成・比較により手術作業工程の評価

ing のアルゴリズムを用い，熟練医群と非熟練が可能となるが，手術ごとに SPM の長さ (ac i

医群の SPM データセットのアラインメント及の数) は異なるため SPM 間の単純な比較は難び比較を行う手法を構築した。

しい。そのため，SPM 間で類似の作業・術具操作が行われた箇所を対応付けて比較すること〈臨床計測実験〉が望ましいといえる。そこで，動的時間伸縮法

上記手法の検証評価として，臨床のナビゲー(Dynamic Time Warping ; DTW) を 用 い，ション誘導下 ESS における作業情報の計測及SPM 間の類似箇所の探索・対応付け (アライび分析を実施した (図 5)。本研究では ESS にンメント) 及び比較を行う手法を構築した 。

おいて使用頻度の高い内視鏡，マイクロデブ

図 4 に異なる 2 つの手術データから成るリッダー，截除鉗子を計測対象術具とした。

[1]

(1)

(2)

被 験 者 は，Expert 3 名 (ESS 経 験 症 例 300(2)m=(ac , …, ac , …, ac ) 間 の DTW に よ る

例以上の熟練医) と Resident 5 名 (ESS 経験

アラインメントの概要を示す。次式で表される

症例 50 例未満の研修医) とし，左右両側の鼻スコアD i, j を用いて SPM 間の距離を表すスコ腔の治療が必要な症例 8 例を対象に，各症例にア行列を作成し，合計スコアが最小となるパス

おいて Expert と Resident が左右の鼻腔を片側を探索する：ずつ処置することで計測を実施した。特に本研

(1)
1(1)
i(1)
nSPM, SPM =(ac , …, ac , …, ac ), SPM(2)1(2)
j究では，ESS の手術作業において第 1 段階に D i1, j1(2)D i1, j
D i, j=d(ac (1)i , ac j )+min

あたる前篩骨洞 (図 6) での手技を対象とし，

D i, j1

d(ac , ac )=(1)i

作業内容に応じて次の 4 工程に分類した上で本(2)j手法による分析・評価を行った。

 (p −p ) +…+(p −p ) (1)
1i

(2)
1j

2(1)
Ni

(2)
Nj

2(1)
(2)
d(ac (1), SPM (2) を構成する要i , ac j ) は SPM(2)
素 ac (1)間の距離を表している。これによi , ac j

り得られる最小パスにしたがってアラインメン
トを行うことで，手術作業工程中の類似箇所の対 応 付 け 及 び 比 較 が 可 能 と な る。た だ し，DTW は 2 つの配列間のアラインメントにのみ対応しているため，ここでは特に，DTW を基

図4

DTW による SPM アラインメント

― 3 ―

図5

臨床計測実験環境

図6

篩骨洞の解剖構造

立石科学技術振興財団

Stage 1

鼻茸の除去

変えて広い視野を確保し，より柔軟かつ大きなStage 2

鉤状突起の除去

動きでマイクロデブリッダー・截除鉗子を操作Stage 3

篩骨胞の除去する傾向があることを表す。こうした傾向は臨Stage 4

第Ⅲ基板の除去床医の見解と合致することから，本研究で構築

なお，本計測は，東京慈恵会医科大学との共同研究 (研究課題名：内視鏡トラッキング装置

した分析指標が ESS における作業特徴の定量分析に有用であることが示された。

を用いた内視鏡下鼻副鼻腔手術における術者のまた，本研究ではさらに，まずは内視鏡操作手術技量の定量解析への試み) により，同大学に着目し，速度・加速度・回転量の分析指標をの倫理委員会の承認 (受付番号：27-131(8016))

基に SPM の生成・比較を行った。SPM デーを得た上で実施されたものである。

タ セ ッ ト の ア ラ イ ン メ ン ト 後，Expert 群 とResident 群でそれぞれ平均化した SPM を比較〈結果及び考察〉した結果を図 7 に示す。図中の黒の網掛け部分

臨床計測を通じて得られた作業情報を基に，
表1

分析指標の算出及び Expert 群/Resident 群での 2 群間比較を行った。マンホイットニーのU 検定より有意差のあった指標 (p<0.05) を表1 に示す。Resident と比べて Expert は，内視術具内視鏡分析指標の 2 群間比較結果
工程全体を通じて有意差あり回転量

一部工程で有意差あり
速度，加速度，躍度，分布密度，楕円体体積きいという結果である一方，右手術具操作では速度，加速度，マイクロデブリッダー 躍度，回転量，分布密度

楕円体体積全指標で大きい値を示した。さらに両手術具操

截除鉗子

作では，相対速度・加速度・躍度の指標が顕著

速度，加速度，回転量

内視鏡−マイクロデ 相対速度，相対加ブリッダー速度，相対躍度

鏡操作では速度・動作範囲が小さく回転量は大に大きい値であった。以上の結果は，Expertが内視鏡先端のブレを抑えた上で鏡筒の向きを

図7

内視鏡−截除鉗子

SPM の 2 群間比較結果― 4 ―楕円体体積相対速度，相対加速度，相対躍度，画面中心距離

Tateisi Science and Technology Foundation

は Expert と Resident の SPM 未対応箇所，すフィードバックする手法の構築が必要になるとなわち Resident の冗長な作業箇所を表してい考えられる。

る。図 7 の結果から，特に Expert と Residentの内視鏡操作の差が大きい工程 (Stage 3) や［成果の発表，論文等］

各工程の前半部分に Resident の冗長な作業箇[1] Takaaki Sugino, Akihito Kuboki, Nobuyoshi

所の集中が観察されるなど，本手法が手技中のOhtori, Osamu Honda, Masashi Yamamoto, Ryoichi

問題点の特定に有用である可能性が示唆された。

Nakamura, “Quantitative analysis of a camera
operation for endoscopic sinus surgery using anavigation information : clinical study,” Journal of[今後の研究の方向，課題］

Japanese Society of Computer Aided Surgery, Vol.
19, No. 1, pp. 17-25, 2017.

本研究により本手法が ESS における手技定[2] 本多理，杉野貴明，鴻信義，久保木章仁，中村亮
一，“手術ナビゲーション情報に基づく内視鏡下鼻量評価に有用である可能性は示されたが，今後内副鼻腔手術の手技技能解析”，日本生体医工学会

はより多くの計測データを用いた更なる検証評

関東支部若手研究者発表会 2016，埼玉，2016 年 11

価，そして分析・評価結果を医師に効果的に月．

― 5 ―