12特集

日本バーチャルリアリティ学会誌第 20 巻 1 号 2015 年 3 月

3D プリンタと VR

特集 ■ 3D プリンタと VR

コンピュータ支援脳神経外科手術

渡辺英寿

益子敏弘

Watanabe Eiju

Mashiko Toshihiro

自治医科大学

1．はじめにコンピュータ支援外科という概念は脳神経外科の手術で最も早くから実用化された．1970 年台に発明された CT スキャンの出現を境に脳の病変はそれまでの 2 次元面への投射画像から一気に 3 次元データとして立ち現れた．これを手術中にも 3 次元データとして扱おうとするのは時間の問題であった．術中に観察している部位をCT や MRI 上に表示して，道を間違わないようにするという方法があみだされた．ニューロナビゲータの出現である．
2．ニューロナビゲータ
これは脳外科の手術中に操作部位を 3 次元計測し，これを座標変換して CT 画像上にポイントとして提示するものである．興味深いことに 1986 年から 3 年間で，図 1 ナビゲータの画面．現在手術している部位がカーソルで示されている．画像は CT,MRI,DTI,PET など，自由に組み合わせることが可能である．
（口絵にカラー版掲載）

私の論文 [9] も含め三つの論文が相次いで発表された．
3 次元計測する方法として，一つは機械式アームを用いる方法 [9]，一つは超音波を用いる方法 [2]，他の一つは磁気勾配を用いる方法 [3] が使用された．当時の状況ではコンピュータの性能が悪く詳細な画像処理はできな設の施設要件に組み込まれているほど，必要不可欠な手かったが，CT 断面上にカーソルで手術中の位置を提示術支援装置との評価を得ている．この技術は脳神経外科することができた．私はこの時この装置にニューロナビを中心に発達してきたが，その最大の理由は手術中は頭ゲータという名称を与え，これが現在も標準名として世部が堅固に手術台に固定されている点と頭蓋内が脳で満界的にも使用され続けている．その後 MRI の出現ととたされていて見通しが全くきかない部位であることの 2もに画像は MRI が中心となり，3 次元位置計測に関しつであると思う．頭部の固定は顕微鏡下での手術には不ては光学式が標準的となり，コンピュータ技術の広がり可欠なものなので好都合であった．また，頭蓋内の見通とともに美麗な 3 次元画像上に手術部位が表示されるよ

しが悪いためにナビゲータのような誘導装置が渇望されうになったが，基本的な機能には大きな変化はなく広くていたためでもある．しかし，問題点も残されている．

臨床で用いられている．図 1 にその画面を示す．

例えば腫瘍などを除去してゆくと次第に脳が変位してくる．したがって，術前の MRI 画像を基準にナビゲーショ

ナビゲータは近年では脳神経外科学会の専門医訓練施

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13ンを行うと必ず誤差が出る．これを回避するために，変装置の大きさは 1220mm×790mm×1400mm で重量は位をコンピュータでシミュレーションするとか，術中193 kg ある．石膏粉末の薄層にフルカラーで印刷・MRI を行って画像を更新するなど様々な試みがなされ固着したものを積層する方式で，解像度は Z 方向てきたが，完璧な手法は今のところ開発されていない．に 0.1mm，造形可能な大きさは 203mm×254mm×203

そのような問題点を乗り越え，ナビゲータは手術支援にmm である．
（2）ABS モデル用として，OPT 社製 UP! Plus 3D Printer®．

不可欠なものとして日々使用されている．

装置の大きさは 245mm×260mm×350 mm，重量 5kgと小型軽量である．260℃に加熱し融解した ABS 樹

3．3D プリンタの活用
こ こ 数 年，3D プ リ ン タ の 急 速 な 普 及 に よ り， コ ン

脂をノズルから射出することにより出力を行い，そピュータ画像上ではなく，実際の手に持てるモデルを比れを 0.15mm 厚で繰り返し積層することで立体を形較的容易に作製することが身近なものとなりつつある．

成する．作製できる最大の大きさは 140mm × 140mm

我々もここ数年で複数の 3D プリンタを導入し，様々な×135 mm である．

形で臨床応用を試み，それぞれの用途に想像以上の有用性を見出してきているので [10]，その一端をご紹介する．

3.1

石膏モデルを用いた頭蓋内病変のモデル

我々が使用しているのは主として石膏でモデルを作る

既に多くの利用例が報告されている標準的な使用法でZ Printer（3D-system 社）と ABS 樹脂でモデルを作る

ある [1,5,6]．我々も多くの症例でこの方法を使って術前UP!printer( オーピーティー社 ) の二つである．

シミュレーションを行ってきた [8,12]．Amira で皮膚，次に述べるように大別して 4 つの用い方をしている．

骨，脳実質，腫瘍，動脈，静脈を分離・抽出し，それぞ（1）石膏モデルを用いた頭蓋内病変のモデル

れを STL で出力し，色分けして 3D プリンタに送信する．

（2）ひと手間かけた柔らかい脳，中空で柔らかい血管モデルの設計に当たり，手術に必要な情報が可及的に得られ，かつ無駄のないモデルになるよう心がけた．図 2のモデル（3）上の二つを組み合わせた手術訓練用シミュレータにその例を示す．A は小脳テント上に乗った髄膜腫であの作成

る．正中から右側だけを造形している．テントが緑，腫（4）ABS モデルを中心にした手術用ツールの試作

瘍がピンクに，静脈が青で着色されている．B は頭蓋外（CAD/CAM として）頚椎の脇にある腫瘍である．腫瘍が緑に，動脈（赤），である．これらを順に概説する．

静脈（青）が造形されている．この例では，腫瘍を取りさて，詳細に移る前に我々の使用している画像や機器巻く重要な血管群の走行がリアルに確認できるので，手を提示する．

術中には予め危険部分の予想を立てながらの切除ができ，心理的にも安定した的確な手術が可能であった．心画像の仕様（1）T1 強調画像

MP-RAGE 法配しつつ手探りするような作業が極めて少なくなるのは（TR 9ms， TE 2.86ms，TI 800ms，大きな利点である．

voxel size ：1.1mm×0.8mm×0.8mm）（2）TOF-MRA（TR 25ms，TE 7ms，voxel size：0.9mm ×0.4mm×0.65 mm)（3）CT（Base matrix：512×512×512，slice thickness：0.8mm）
画像処理ソフト
画像処理は Amira® を用いた．CT と MRI は必要に応じて Amira で fusion し，同じ座標系に変換して合成な

図 2 標準的な石膏モデルを示す．
A：小脳テントの髄膜腫．挿図は横からの像で手術のアプロー
チのシミュレーション．
B: 頭蓋底の脊椎腫瘍．挿図は斜め横からの像で手術アプローチに近い．
( 口絵にカラー版掲載）

どを行った．
3D プリンタ（1）石膏モデル用として，3D Systems 社 Z Printer®450．

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日本バーチャルリアリティ学会誌第 20 巻 1 号 2015 年 3 月3.2

ひと手間かけた柔らかい脳，中空で柔らかい血管特集

3D プリンタと VRのモデル
3.2.1

柔らかい脳のモデル

頭蓋内は脳が充満しているため見通しがきかない．したがって，脳外科の手術では，深部の病巣に達するためには常に手前の脳を圧排して手術操作のための通路を作ることになる．しかし，限度を超えて圧排すると脳組織に障害を作り，不要な術後後遺症を作ることになる．このため，脳の圧排には限度があり，勢い狭い隙間から奥を覗くような操作にならざるを得ない．ここに脳の手術の難しさがある．硬い石膏モデルでは脳の圧排を模擬することは不可能である．しかし，これが再現できなければ実用的なシミュレーションにはならない．一般的には
予め圧排した形で脳組織をデジタル的に削除したモデルを用いることが多いが，シミュレーションの確度を向上するため，圧排の操作までをシミュレーションできる圧排が可能な柔らかい脳モデルを考案した．実は光硬化樹脂を用いた高価なプリンタでは硬軟様々な硬さの部分をいちどきに作成できる機種も検討したが，この脳の柔らかさまでは到達できなかった．
まず上記（1）の方法で Z プリンタを用いて脳の石膏モデルを造形した．これを原型として，シリコンで鋳型を作り，これに軟質なポリウレタン（エクシールコーポ
図 3 柔らかい脳，中空の動脈などの作成方の概略（口絵にカラー版掲載）

レーション製「人肌のゲル・硬度 0」）を流し込んで脳モデルを形成した．このままでも柔軟性はあるが，マイクロスパーテルで圧排するにはまだ硬いので，感覚的に実際の小脳に似た硬さになるようにさらに内部をくりぬいた．
3.2.2

軟らかく中空の血管モデル

脳動脈瘤では血管をクリップして動脈瘤への血流を遮断して破裂を予防する手術をするが，この手術シミュレーションを目的として軟らかく中空の血管モデルが考案されている [4,14]．我々も自作の方向で検討した [7,13]．

図 4 柔らかいウレタン製の脳を圧排する．A：圧排前，B: 前頭蓋底を見るため，脳ベラで前頭葉を圧排したところ．
（口絵にカラー版掲載）

まず ABS プリンタにより動脈の ABS モデルを作製する．これに液状のシリコンを塗布し，これが硬化した後に有機溶剤で中の ABS 原型を溶解・除去すると，中空で柔らかい動脈と動脈瘤のモデルが完成する．図4 に示すようにちょうど手術で行うように，血管を圧し倒し，動脈瘤を取り巻いて走る細い動脈を押し分け排して動脈瘤のネックを展開し，これにクリップをかて動脈瘤のネックを露出できることをシミュレーショける操作までシミュレーションできる．特に，血管のンで示している．図 5C は複雑な形状の動脈瘤の例で，枝を押し広げる操作は，固いモデルでも，コンピュー術前に複数のクリップで閉鎖をなんども試み最適のク

タ上の 3D 表示でも不可能なので，柔らかいモデルの価リッピング方法（図 5 Ｄ）を試行してから実際の手術値は高い．図 5 Ａはその例である．動脈瘤を右側に少に臨むことができた．

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図 6 A: 延髄の前方にある斜台の腫瘍を示す MRI．B,C,D は小脳を透明に，腫瘍をオレンジに，動脈を赤く，静脈を紫に彩色した混合モデルを少しずつ回転して提示した．D の点線にあるように腫瘍が延髄の奥に見られ，両矢印が延髄の差し渡しを示す．B が手術の時に見る方向に近い．
( 口絵にカラー版掲載）

図 5 柔らかく中空の同ミュアクト動脈瘤のシリコンモデル．B は A の動脈瘤をマイクロスパーテルで圧排し，動脈瘤を取り巻くように走行する細い動脈と動脈瘤の間を展開している．C は複雑な形状の動脈瘤．D: のように複数のクリップでクリッピングを試みる術前シミュ
レーション．
（口絵にカラー版掲載）

3.2.3

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脳を透明に表現したモデル

透明ポリウレタンまたは透明レジンを材料としたモデルを作製した．これは，脳内腫瘍や，脳組織に隠れる部分を観察したい場合などに非常に有用であった．図 6 にその例を示す．斜台の髄膜腫で大きくはないが，後ろからのアプローチではすべてが延髄の背側部に隠れてしまうことがわかった．極力側方まで術野を展開し，摘出を行った．この際延髄は圧排して動かすことはできないの

図 7 柔らかい脳と，柔らかい動脈（ピンク），静脈（紫）で作った顕微鏡下のシミュレーションモデル．くも膜も薄いプラスチック膜で作成した（A）．脳をゆっくりと圧排して（B）その奥にある動脈瘤を露出し（C），クリッピングを行っている（D）．
（口絵にカラー版掲載）

で，圧排モデルは意味が無い．そこで予め延髄を透明にしたモデルで延髄の影になっている部分を観察しながら手術を行い，延髄を触らないようにしつつ安全確実な操作をすることができた．

デジタル物作り，簡単そうでいてその意味するところ
3.3

上の二つを組み合わせた訓練用手術シミュレータ

は深い．つまりは，旋盤もドリルもなしで試作品ができ上記のように作製したモデルを適宜組み合わせて使用てしまうのだ．私が若い頃，動物実験の実験器具を作るした．例えば，開頭した頭蓋骨・軟らかい脳・動脈瘤を必要に迫られた場合，行きつけの旋盤工の作業所におし含めた軟らかい脳を組み合わせたモデルを作製し，クかけて，アクリルや真鍮で，この寸法でこの辺りにこのリッピング術のシミュレーションに用いた．図 7 にそのくらいの穴をあけて，ここにねじをきってください，な操作を示す．これを顕微鏡下で操作し，通常の手術のアどと頼んだものである．そしてその後 10 万円は下らなプローチとほぼ同様の方法で，シルビウス裂と呼ばれるい工作費用が請求されてくる．ところが 3D プリンタが脳と脳の間を左右にゆっくりと押し広げ深部にある動脈使えると，なんとこのくらいなら簡単な CAD で 1 時間

瘤を露出し，これにクリップをかけるまでの一連の操作で設計し，CAD のデータを 3D プリンタに送ると 3 時がシミュレートできる．これは中級の術者にとっては非間くらいで製品が手に入るのである．もちろん費用は材常に良い練習になることがわかった．

料費以外無料．極端ではあるが試作にはもう旋盤はいらないと言っても過言ではない．これは物作りの社会構造

3.4の変化そのものを表していて，ものづくり立国の日本にABS モデルを用いた手術用ツールの試作

CAD(computer aided design) ソフト Rhinoceros 3D® を用とってこのようなデジタル加工は人件費をかけずノウハ

いて，設計を行い，このデータから OPT プリンタで造形ウを直接迅速に反映するので，空洞化で象徴されるものした．驚くべきことに，精度強度共にそのままの状態でづくりの海外流出を国内に呼び戻す良い契機になるかも実際の手術に使用できることが可能である [11]．

しれない．時代は轟音をたてて変化している．脳外科も

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3D プリンタと VR変化しなければならない．
それらの例をお示しする．
〔第 1 例〕
従来の定位手術枠にナビゲータを取り付ける計画を練った．ナビゲータコントロールの定位脳手術枠である．
CT や MRI コンソールでの面倒くさい計算は一切不要．
MRI をフレーム無しで撮影してナビゲータに読み込む．
頭部を定位脳フレームで固定．ナビ起動．ナビゲータのカーソルを見ながら定位フレームの XYZ 軸を動かして，ナビカーソルがターゲットにあたったらそれで終了．や

図 8 定位脳手術フレームにナビゲータを装着する部品を ABS 樹
脂で作成した．B が脳手術枠で，A，C が装着部品で，それぞれの白い部品が ABS 樹脂製の 3D プリンタ出力．
（絵にカラー版掲載）

るべきことはナビと定位枠とのリンクのみである．
さてナビゲータを定位枠にどうリンクするかであるが，ナビの反射ボールを定位枠に組み込めば良いことはわかる．ナビの反射球をどうやってフレームに装着するか．テープでとめるようないい加減なことでは正確な穿刺はできない．がっちり定位枠のどこかにナビのターゲッタを固着しなくてはならない．従来なら早速機械屋さんに電話するところである．そして試作を注文し 2 ヵ
月後忘れていた頃にようやく試作品が到着．しかし，今

図 9 ナビゲータの部品を ABS 樹脂で試作．これを十分使用した後，形を決定して右のように金属で最終製品を作成した．
（口絵にカラー版掲載）

は・・CAD がある．あらかじめ用意しておいたボルト・ナットのデータを再利用して 1 時間で設計，4 時間で図8 のようにプリントが仕上がった．翌日にはプラズマ滅菌して実際の手術に試用した．ところが，別の構造の方が適切とわかり，別の部品を作製した．金額的な持ち出しは自分の労働力以外皆無である．これを外注して試作していたら，無駄な物に 20 万円，作業工程に 2 ヵ月がかかっただろう．
〔第 2 例〕

図 10 光トポグラフィーのプローベ固定具を試作．右のように実際の頭部の MRI データに巻きつけるようにフレーム（紫の部分）を設計し，左図のようなフレーム（白い部分）を作成した．最終的には量産できないため，3D．プリンタの出力をそのまま実用している． ( 口絵にカラー版掲載）

現在開発中の簡易型ナビゲータシステムの部品を制作．一種の治具である．試行錯誤を 3 回重ねて形状が完成した（図 9 左）．プラスチックなのでそのまま利用している．これで最終形と考え，金属で作製したところでレームを設計した（図 10 左）．出来上がった試作品をある（図 9 右 ）．試作までの費用は自分の人件費のみだから本質的に無料．効率よく金属製品が完成できた．

NIRS 検査に試用した（図 10 右）．その後，細かい仕〔第 3 例〕

様変更を数回繰り返し，デザインが固まったが，量産できるものではないので 3D プリンタの出力をそのまま

光トポグラフィのプローベホルダを頭部に簡単に堅実用している．

固に自由度を持たせて固定する，相反する仕様を一気に解決するためにヘッドギアを開発している．ラピッ4．脳外科医として 3D プリンタに関して考えること

ドプロトタイピングのまさに神髄．はじめは有り合わせの部品で試作．ここまでは完全アナログ戦略．とも昨今 3D プリンタがマスコミで大きく取り上げられ，かくだいたいの形が決まったので，コンピュータ上でなんでもできてしまうような印象がひとり歩きしてい

CAD で設計し，3D プリンタで試作した．まず平均的る．しかし所詮プラモデルである．これで車を作ってもな大きさの頭の MRI を撮像し，その表面データを CAD乗れるわけではないし，ケーキを作っても食べられるわに取り込む．この頭のデータにフィットするようにフけではない．決して夢のようなものではない．日常的に

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有用な場面がそう多くあるとは思えない．ところが，脳［7］Mashiko T, Otani K, Kawano R, Konno T, Kaneko N,

外科の日常臨床の場で使いはじめると，いたるところにIto Y, Watanabe E. Development of 3-dimensional

この技術を活かす場面が転がっていることに気づいた．

Hollow Elastic-model for Cerebral Aneurysm Clipping

今回お示ししたような術前のシミュレーション一つとっSimulation Enabling Rapid and Low-cost Prototyping.ても，様々な材質を組み合わせればかなり高度なシミュ

World Neurosurg., S1878-8750,2013

レータも自作可能である．また，実験器具づくり，手術［8］益子敏弘，楊強，金子直樹，紺野武彦，山口崇，ツールの試作なども短時間で自作できるメリットは計り

渡辺英寿，片側顔面痙攣に対する微小血管減圧術知れない．自作ということは自分で気に入るようなものの立体モデルを用いた術前シミュレーション，脳神を何度も試行錯誤できることを意味する．この方向では

経外科，43(1),41-49,2015

夢は大きく膨らんでゆく．外注も良いが，自分の手元に［9］Watanabe E, Watanabe T, Manaka, S, Mayanagi Y and3D プリンタのある生活は，かつてコンピュータがパソ

Takakura K: Three dimensional digitizer (neuro-コンとして自分で持てるようになった時と同じようなパ

navigator): A new equipment for CT guided stereotaxic

ラダイムシフトを予感させる．気楽に日常的に使えるよsurgery, Surg Neurol, 27: 543-547, 1987.

うにしておけば，今後の臨床にきっと役立つと確信して［10］渡辺 英寿 ,3D プリンターによるデジタルものづくり入門

いる．

( その 1) 話題の 3D プリンターを脳外科臨床にフル活
用 , 脳神経外科速報 ,23 巻 9 号 Page1014-1016,2013［11］渡辺 英寿 ,3D プリンターによるデジタルものづくり入門

参考文献［1］Cristian Gragnaniello, Remi Nader, Tristan van( その 2) デジタルものづくりの実際 , 脳神経外科速Doormaal, Mahmoud Kamel, F.R.C.S., Eduard H. J.

報 ,23 巻 10 号 ,Page1142-1145,2013

Voormolen, Giovanni Lasio, Emad Aboud, Luca Regli,［12］渡辺 英寿 ,3D プリンターによるデジタルものづくり入門

C o r n e l i u s A . F. T u l l e k e n , a n d O s s a m a A l -( その 3)

M e f t y. S k u l l b a s e t u m o r m o d e l - L a b o r a t o r y

経外科速報 ,23 巻 12 号 ,Page1396-1398,2013

investigation. J Neurosurg 113:1106-1111, 2010［13］渡辺 英寿 , 益子 敏弘 , 手術シミュレーション［2］Friets EM, Strohbehn W, Hatch JF, Roberts DW: A

手術症例に応じた 3D モデルの作製 , 脳神

3D プリンターによるデジタルものづくり入門 ( そframeless stereotactic operating microscope forの 4)

neurosurgery. IEEE Trans BME, 36:608-617,1989.

速報 24 巻 1 号 Page90-93,2014［3］Kato A, Yoshimine T, Hayakawa T, Tomita Y, Ikeda T,

動脈瘤・血管モデルと脳モデル , 脳神経外科［14］Wurm G, Tomancok B. Pogady P, Holl K, M.Trenkler J.

Mitomo M, Harada K and Mogami H, A frameless,

Cerebrovascular stereolithographic biomodeling forarmless navigational system for computer-assisted

aneurysm surgery. J Neurosurg. 100(1):139?145,2004

neurosurgery. J Neurosurg ,74: 845-849, 1991.
［4］Kimura T, Morita A, Nishimura K, et al. Simulation【略歴】of and training for cerebral aneurysm clipping with渡辺英寿 (WATANABE Eiju)

3-dimensional models. Neurosurgery. 65(4):719-726,2009

自治医科大学

脳神経外科教授［5］Makoto Oishi, Masafumi Fukuda, Naoki Yajima, Kenzo

1976 年，東京大学医学部卒業，1980 ～ 1985 年，東京大Yoshida, Machiko Takahashi, Tetsuya Hiraishi, Tetsuro

学助手，1985 ～ 1987 年，西ドイツ・エルランゲン大学

Takao, Akihiko Saito, and Yukihiko Fujii. Interactive

留学．1988 ～ 2004 年，東京警察病院，2004 年より現職．

presurgical simulation applying advanced 3D imaging

専門は脳神経外科とコンビュータ支援外科．

and modeling techniques for skull base and deep tumors.
J Neurosurg. 2013 119:94-105

益子敏弘（MASHIKO［6］Makoto Oishi, Masafumi Fukuda, Tetsuya Hiraishi,

自治医科大学Toshihiro）

脳神経外科

准教授

Naoki Yajima, Yosuke Sato, and Yukihiko Fujii.

1985 年，自治医科大学医学部卒業．1985 年から 10 年間，

Interactive virtual simulation using a 3D computer

栃木県職員として地域医療に従事．1995 年，自治医科大graphics model for microvascular decompression surgery.

学脳神経外科，2003-2005 年，Albert Einstein 医科大学留J Neurosurg 117:555?565, 2012

学（博士研究員）を経て，2010 年より現職．博士（医学）．

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