Development of virtual reality deformable physical simulation system for surgery

虚拟现实手术可变形物理模拟系统开发

• 批准号: 19K12065
• 负责人: 宮城 智央
• 金额: $ 1.66万
• 依托单位: University of the Ryukyus
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2019
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2019-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-19K12065/
• 关键词: 手術シミュレーション; 外科手術; 脳神経外科; バーチャルリアリティ; 手術戦略; 手術訓練; 手術教育; リアルタイム物理変形性; バーチャルリアリティー; 脳神経外科手術; 手術検討

脳神経外科手術において、頭蓋骨や腫瘍の切除、脳や血管が変形する操作、止血操作が必要であり、それらの手術戦略は重要である。以上について実装したリアルタイム物理変形性脳神経外科バーチャルリアリティ(VR)シミュレーション・システムの先端技術による開発を行った。臨床症例のMRIとCTのDICOMデータからモデリングソフトにて立体メッシュモデルのFBXデータを作成した。VRのための手と頭のモーショントラッキングは市販のデバイスを使用した。リアルタイム物理変形性VRシステムは、運搬が容易なノートパソコンを用いて、プログラミングを支援する統合開発環境システムにてC♯言語にて構築した。本システムは次が可能である。1) VR手術室内を自由に歩いて座る、2) 患者の体位や手術器具の配置などの確認、3) マクロからマイクロへのシームレスな視点変化と両眼視差調整、4) 自由な部位での開頭、5) 器具による脳や血管の変形、6) 腫瘍摘出度の自動表示、7) 血管からの出血、8) 吸引管による血腫の吸引操作、9) 電気凝固器具や血管クリップによる止血操作、10) モデルの硬度に応じた振動触覚フィードバック、11) 複数人の参加、12) IPネットワークによる遠隔参加、13) VR空間のモデルと手術操作の実寸大シミュレート、14) 重力や流体などの物理シミュレート。本システムは13万円(VRデバイス3万円、ノートパソコン10万円)と安価に構築でき、DICOMデータから10-60分の短時間にて作成できた。上記の実装を全て実現したシステムは、世界初であり最高峰のなかの1つとして、脳神経外科VRを達成したと考えられた。本システムは、臨床症例の解剖構造、手術操作を適確にシミュレートしており、臨床応用として、脳神経外科医・医学生の手術戦略や臨床訓練に用いて好評を得ており、実用的であると考えられた。

在神经外科手术，头骨和肿瘤切除术，对大脑和血管变形的操纵以及止血作战是必要的，这些手术策略很重要。上述开发是使用尖端技术进行实时物理变形神经外科虚拟现实（VR）模拟系统进行的。使用来自临床病例和CT的DICOM数据的建模软件创建了三维网格模型的FBX数据。使用市售设备进行VR的手和头部运动跟踪。实时物理可变形VR系统是使用易于运输的笔记本电脑和支持编程的集成开发环境系统构建的。 This system can: 1) Freely walking and sitting in the VR operating room, 2) Checking patient position and placement of surgical instruments, 3) Seamless change in viewpoint from macro to micro and binocular parallax adjustment, 4) craniotomy at free sites, 5) deformation of brain and blood vessels by instruments, 6) automatic display of tumor removal, 7) bleeding from blood vessels, 8) aspiration manipulation of hematomas by suction tubes, 9) hemostasis manipulation using electrocoagulation instruments and vascular clips, 10) Vibration-tactile feedback according to the hardness of the model, 11) Multiple participants, 12) Remote participation via IP network, 13) Real-size simulation of models and surgical operations in the VR space, 14) Physical simulation of gravity and fluids.该系统可以以低成本为130,000日元（VR设备30,000日元，笔记本电脑100,000日元）建造，并在距DICOM数据的短时间内创建10-60分钟。人们认为，实现上述所有实现的系统是世界上第一个实现的系统，也是最佳峰之一，实现了神经外科VR。该系统准确地模拟了临床病例的解剖结构和外科手术，并已被广泛接受作为神经外科医生和医学生的外科手术策略和临床培训的临床应用，被认为是实用的。

项目成果

脳神経外科手術バーチャルリアリティ・シミュレーションシステムについての実寸大の検証

神经外科虚拟现实仿真系统全面验证

• 发表时间: 2020
• 作者: 宮城 智央;宮里 清隆;金城 雄生;小林 繁貴;上原 卓実;長嶺 英樹;外間 洋平;上 薫;宇杉 竜一;片桐 千秋;西村 正彦;菅原 健一;高木 博;石内 勝吾
• 通讯作者: 石内 勝吾

脳腫瘍摘出術における経頭蓋到達法と経鼻到達法の同時実施の有用性

同时经颅入路和经鼻入路在脑肿瘤切除术中的应用

• 发表时间: 2019
• 作者: 外間 洋平;國仲 倫史;小林 繁貴;金城 雄生;上原 卓実;長嶺 英樹;宮城 智央;菅原 健一;石内 勝吾;登坂 雅彦;上原 貴行;山下 懐;鈴木 幹男
• 通讯作者: 鈴木 幹男

術用VRシステムを自作した経験による臨床応用の実際と今後の見通し

基于手术VR系统创建经验的临床实际应用及未来展望

• 发表时间: 2021
• 作者: 宮城 智央;友利壮志;國仲倫史;金城 雄生;小林 繁貴;長嶺 英樹;外間 洋平;上 薫;片桐 千秋;西村 正彦;菅原 健一;高木 博;石内 勝吾
• 通讯作者: 石内 勝吾

多様な手術支援システムを用いた脳神経外科手術の臨床経験

使用各种手术支持系统的神经外科临床经验

• 发表时间: 2021
• 作者: 宮城 智央;友利 壮志;國仲 倫史;金城 雄生;小林 繁貴;長嶺 英樹;外間 洋平,上 薫;宇杉 竜一;片桐 千秋;西村 正彦;菅原 健一;高木 博;石内 勝吾
• 通讯作者: 石内 勝吾

リアルタイム物理変形性脳神経外科バーチャルリアリティ・シミュレーション

实时物理可变形神经外科虚拟现实模拟

• 发表时间: 2019
• 作者: 宮城 智央;國仲 倫史;金城 雄生;小林 繁貴;長嶺 英樹;外間 洋平;宇杉 竜一;片桐 千秋;西村 正彦;菅原 健一;高木 博;石内 勝吾
• 通讯作者: 石内 勝吾