立石科学技術振興財団

助成研究成果集(第29号) 2020

[ 研究助成 (A) ]血管内治療中の X 線画像から事故の可能性を判断する技術
Expectation for an accident of endvascular intervention from single- plane X- ray image2191033

研究代表者

山口大学大学院創成科学研究科准教授

森浩

二バイスの変形によるひずみエネルギーの閾値を[研 究 の 目 的]推測ことができる。このような技術を使って，脳動脈瘤をはじめとする血管に関する病気に対して，細く長いワイヤー状のデバイス (直径事故の可能性を定量的に評価できることが期待できる。

長さ 1500 mm 程度) を，血管内に挿本研究では，ワイヤー状デバイスの 3 次元形入し，その先端を病変部まで誘導して治療する状を 1 枚の画像から推測する方法を提案し，そ血管内治療法が広く普及している。この治療法の推定手法の精度や特徴を調べた。また実験には，X 線画像を見ながら，指先でデバイスをおいて，実際のワイヤー状デバイスの画像から，操作するために，その技術を口頭で説明するこひずみエネルギーの推測を試みたので，これらとが難しく，経験と勘で技術を覚えなくてはいを報告する。

0.3 mm

けない。血管内治療では，まれにデバイスが大[研究の内容，成果]

きく変形 (大きなひずみエネルギーがデバイスに蓄えられる) する。それが何らかの拍子に解放されることによって，術者の意図を無視した

我々は，すでに血管内治療中の X 線画像か挙動をデバイスが示し，血管を突き破ることがら，デバイス上の 1 点についての 3 次元位置を，起こる。しかし上述のように，非常に繊細で言一定の誤差で推定する方法について提案し，そ語化しにくい技術であるために，それの対応策の精度を検証してきた。本研究では，この 1 点についても定性的なものになりがちであるといでの位置推定手法を，多点に展開することで課う問題がある。

題を克服する。この方法で，複数点のデバイス

我々の目的は，術者が手術中に行っている位置をおおよそ推定できる。デバイスは最もひ「認知 (デバイスが血管内でどんな変形をしてずみエネルギーが低い状態に落ち着くので，こいるか？)」から「判断 (このデバイス操作での大雑把に推定されたデバイス形状の候補群か事故は起きないか？)」の思考プロセスを定量ら，もっともひずみエネルギーが低くなる形状化するである。本研究では，この目的の最初のを決定すれば，実際のデバイスの 3 次元変形形段階として，2 次元の画像 (血管内治療中に撮状を推定できる。

影されている X 線画像) から，血管内でのワ最初に，デバイス上の 1 点についての 3 次元イヤー状デバイスの 3 次元形状を推測する技術位置を，一定の誤差で推定する方法について概を開発することを目指した。これを実現できれ略を説明する。撮影対象物と，それが投影されば，血管損傷事故が起こる直前のワイヤー状デた結果，得られる画像とカメラ (または X 線― 1 ―立石科学技術振興財団助成研究成果集(第29号) 2020

短い剛体の棒として離散化できる。棒 i の両端は，(i-1)番目の連結点と，i 番目の連結点を有する。この棒同士を連結するバネを仮定する。
棒同士の初期の角度からのずれが，このワイヤー状デバイスのひずみエネルギーに相当する(式(1)参照)。
 F= 

EI θ i−φLi
ΔL

ここで E と I は，ヤング率，断面二次モーメントである。それぞれの連結点は，3 次元の血管モデル内しか移動できないという制約条件が加えられる。このような制約条件下で，ひずみエネルギーを最小化する。θ i は，棒 i と棒(i+1) の連結点 i における角度，φ は初期 (無負荷状態) の角度である。ΔLi は，棒 i の長さである。これらの投影直線上にある連結点の位
図1

置を求めれば，1 枚の画像に映ったワイヤー状デバイス上の 1 点の 3 次元位置を推定する方法の概略図

デバイスの 3 次元形状を推測できる。

源) は，幾何学的な関係を有している。これをただし，このような最小化問題においては，利用すれば，画像から，血管の位置を決定でき初期値が得られる結果に影響をおよぼすことがる。血管はあらかじめ血管造影により 3 次元モ想定される。そこで乱数によって連結点 i の位デルを作成することができる。画像に映ったデ置を与えたデバイスの初期形状を 100 個作成し，バイス上の一点 (例えばデバイスの先端) とカそれらを独立に，最小化を行う。その 100 個のメラの間は，直線で結ばれる (投影直線と呼得られたデバイスの推定形状から，もっとも起ぶ)。そして，デバイスは血管内に存在するここりうると考えられるデバイスの初期形状を決とから，この投影直線は，画像とカメラ位置か定する。

ら位置決めされた 3 次元血管モデルの内部を通本研究では，最初に，この提案手法の有効性過する。この線分内のどこかに実際のデバイスを検証するために，数値計算で得たデバイス形の先端が存在する。先行研究では，単純に，3状と，その形状を投影した画像から，上述の提次元血管モデルの中心線と，投影直線の最近点案手法で推定したデバイス形状の比較を行った。

を，デバイス先端の位置と仮定する方法を提案数値計算は，これまで著者らが用いてきた方法した。

を使った。血管モデルは，図 3 のような形状でワイヤー状デバイスの変形は，図 2 のようにある。ここに，ガイドワイヤーを挿入した。ガイドワイヤーの材料特性は，一般的なそれを与えた。
瘤までガイドワイヤーを誘導する過程 (図4) において，20 か所でガイドワイヤーの 3 次元形状から疑似的な X 線画像を作成した。

図2

そのそれぞれの疑似的な X 線画像に映った

離散化されたワイヤー状デバイス― 2 ―立石科学技術振興財団

助成研究成果集(第29号) 2020にガイドワイヤーを挿入し，その様子をカメラで撮影した。そして得られたカメラ画像から，デバイスの 3 次元形状を推定することを試みた。
数値計算によって得られた結果と，本推定手法の比較を以下に示す。本推定手法は，制約条件下におけるひずみエネルギーの最小化を行っている。典型的な例を示すと，100 個の初期形状について，最小化されたひずみエネルギーの範囲は，平均と標準偏差が 0.594±0.0746 Nmm(最 大 値 0.910 Nmm，最 小 値 0.540 Nmm) で図3あった。得られたガイドワイヤー形状の多くの血管モデル形状とガイドワイヤー形状

ひずみエネルギーが，狭い範囲に集中していることがわかった。
それぞれのガイドワイヤーの節点の位置を，記録する。ある一つの投影直線に注目すると100 個の記録された節点は図 5 のように分布していた。ゼロは始点 (投影直線と 3 次元血管モデルの交点のうち，カメラに近い側の点) を表し，1 は終点を表している。10 個の区間に分けて，その頻度を表示している。2 つの山が出来ているのは，ひずみエネルギーが最小化された
ガイドワイヤーの形状は，2 つの種類に分けら図4れていることを意味している。ひずみエネル

挿入されたガイドワイヤーの様子

ギーが最小化されたガイドワイヤーの形状は，ガイドワイヤーの先端から (3 次元空間中で)この投影直線の 0.3 付近を通過するガイドワイ

おおよそ 35 mm に相当するガイドワイヤー部

ヤーと，0.7 付近を通過するガイドワイヤーの分について，手動で 20 か所の点を選んだ。そ2 種類が存在する。

れぞれの点に対応する投影直線を求めて，上述一例として，正解値と推定形状 A と推定形の推定方法を使ってガイドワイヤーの 3 次元形状を推定した。一般に，手動で選んだ点数を増やすほど，復元されるガイドワイヤーの 3 次元形状は，滑らかになる。そして，正解値のガイドワイヤー形状に近づくことが期待される。しかし，選ぶ点数が増えるほど，解くべき連立方程式の数が増えて，計算時間が多くなる。この研究では，これらのバランスを考慮して 20 点という数字を決定した。
また，この血管形状に相当する形状を，アクリル平板上に作製した。断面は円形ではなく，長方形である。このような簡易的な血管モデル
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図5

求められたデバイス形状の連結点位置の分布

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図7

助成研究成果集(第29号) 2020

形状推定されたデバイスのひずみエネルギーな直径が 0.3 mm 程度であることと比較すると，十分な精度を有していると言える。
図 6 に示す第一候補と第二候補のひずみエネ
ル ギ ー は，そ れ ぞ れ 0.565 Nmm と，0.554Nmm であった。この数値計算で得られた正解値のひずみエネルギーと推定形状 A のひずみ
図6エネルギーの関係を示す。図 7 のように相関関推定されたデバイス形状

係 が 認 め ら れ る。こ の こ と か ら X 線 画 像 に状 B の形状を図 6 に示す。推定形状 A は，得映ったガイドワイヤーのひずみエネルギーの変られた 100 個のデバイス形状の中で，もっとも化の様子を，提案する形状推定手法は X 線画確からしいと判断されたデバイス形状である。

像から推測できることがわかる。

推定形状 B は，その推定形状 A と，もっとも異なると判断された推定形状である。

この技術を利用すれば，術者は，実際のガイドワイヤーに，ひずみエネルギーが蓄えられてX 線は，Z 軸の正の方向から負の方向に向いく様子を，適切に把握できる。現在，この形かって照射されていると仮定している。正解値

状推定したいガイドワイヤー長さと，投影直線の形状は，X 線の照射方向 (Z 方向) に大きくの数の関係について調査を行っている。

曲がっている。しかしそれは X 線画像 (XY

この適切な範囲を明らかにできれば，一枚の平面のグラフ) からは分からない。しかし実施

画像から，デバイスの 3 次元形状が分かるだけ

例では，そのような状況下においても，ガイドではなく，そのひずみエネルギーの大きさを見ワイヤーの変形形状を再現出来ている。特に第積もることが可能になり，デバイスが，ジャン一候補では，屈曲の方向を正しく推定できていプ直前であるか？否か？の評価が可能になるとる。本研究で扱った 20 か所のデバイスの形状考えている。

推定において，デバイスの先端の位置推定精度
は，血管の軸方向について 0.0473 mm±0.0731[今後の研究の方向，課題]

mm，血管断面内における半径方向について0.110 mm±0.142 mm，位 相 に つ い て 20.9 度

本研究では，この後，実験を実施し，取得し±20.1 度の精度で求めることができた。血管のた血管モデル内に挿入されたガイドワイヤーの軸方向と，血管断面内における半径方向の位置画像から，ガイドワイヤー形状の推定，および推定精度については，ガイドワイヤーの一般的ひずみエネルギーの推定を行った。ガイドワイ― 4 ―立石科学技術振興財団

ヤー先端が，血管モデルの途中で引っかかり，助成研究成果集(第29号) 2020

[成果の発表，論文等]

その後，それが解消する (先端が血管内で大き[ 1 ] 三宅亮太，森浩二，高嶋一登，当麻直樹，門脇くジャンプする) プロセスの画像に対して，本弘子，齊藤俊：1 枚の画像からガイドワイヤー先端手法を適用したが，想定とは異なるひずみエネの 3 次元位置推定手法の提案，日本機械学会第 32

ルギーの変化が得られた。
詳細に調査を進めたところ，注目するガイド回バイオエンジニアリング講演会，2E21，2019 年
12 月 21 日，金沢市石川県[2]中川賀文，森浩二，高嶋一登，当麻直樹，門脇ワイヤーの長さの範囲と，投影直線の関係には弘子，齊藤俊：血管内治療デバイスの挿入操作に関適切な値が存在することが明らかになってきた。

する応答性の評価方法の提案，日本機械学会第 32

特にひずみエネルギーの見積もりにおいては，

回バイオエンジニアリング講演会，2E22，2019 年
12 月 21 日，金沢市石川県

この関係が，影響していることが分かってきた。

[ 3 ] 菊地斐子，森浩二，高嶋一登，当麻直樹，門脇上述の数値計算での推定精度検証では，偶然，弘子，齊藤俊：回転操作が与えられたガイドワイ適切な範疇に収まっていたと推察される。繰り返しになるが，推定したいガイドワイヤー長さと，投影直線の数の適切な範囲を明らかにする

ヤーの血管内での挙動，日本機械学会

中国四国学生会第 50 回学生員卒業研究発表講演会，01c5，広島県東広島市，2020/03/05[4]

李 和信，森浩二，高嶋一登，当麻直樹，門脇弘子，齊藤俊：3 次元血管モデルの位置合わせがデバことが，今後の課題である。

イスの 3 次元位置推定の精度に及ぼす影響，日本機械学会 中国四国支部第 58 期総会・講演会，01a3，広島県東広島市，2020/03/06― 5 ―