研究背景

腹腔鏡下胆嚢摘出手術のための剥離手技は従来の外科手術に比べ, 患者にかかる負担は少ないが, 術野が内視鏡の映像のみであるため, 高度な技術を要すると言われている. そこで, 若手医師への教育のための手術シミュレーションが期待されている.

研究目的

本研究は, リアルタイムにインタラクション可能な剥離手技シミュレータを構築することにある. そのために, まず, 剥離現象の特徴である作用していない箇所の破断を再現する. そして, 剥離を想定した複数層軟組織のシミュレーション実験結果から, 剪断応力の計算精度, 計算時間の検証を行い, 提案手法の高速性, 高精度性および位相変化に対する力学的ロバスト性を示す.

手法

臓器モデルには, ボリュームデータが必要であるが, 計算コストがかかるため, これをリアルタイムにインタラクションすることは困難である. そこで, 特徴量の多い領域の解像度を局所的にあげるバイナリー２分割アルゴリズムを用いる. また, ボリュームデータの変形する様子は, 質点ばねモデルにより計算する. このアルゴリズムにより, 連続体力学に基づき導出したせん断応力値が大きい部分のメッシュを再分割し, 閾値を超えればメッシュを削除する.

バイナリー２分割アルゴリズム(分割・削除)

質点ばねモデル

質点にかかるせん断

結果

剪断応力の計算精度については, ３パターンの引っ張り方向別に, 高解像度FEM, 高解像度MSM, オンラインリメッシュMSMの特定立方体要素内の応力挙動の比較を行った. その結果, 提案手法であるオンラインリメッシュMSMの特定要素が破断する時刻と、高解像度FEMの対応要素の破断時刻の誤差は最高で0.002[sec], 最低でも0.008[sec]に抑えることが出来た.

鉛直下方向に対して45°のシミュレーション

応力分布の比較

計算時間については, 高解像度FEMで120[min]のシミュレーションを, 提案手法では5[min]に短縮することが出来た. さらに, 提案手法の体積損失率は, 最大分割レベル時の要素サイズが2[mm]の場合には, 全体の2.0%にすることが出来た.

シミュレーション

下記の動画は四面体メッシュにかかる最大せん断歪が0.9以上を赤色で表示し, 0.1以下を青色で表示した結果

メンバー

PD 田川 和義

PD 山口 哲

研究業績

1. 高間康文, 辻野圭則, 堀洋介, 田中弘美: 柔軟物体の適応的四面体ボリュームメッシュのオンラインリメッシュ法; 日本バーチャルリアリティ学会論文誌, 13(1), pp69-78 (2008)
2. 高間康文, 木村彰徳, 田中弘美: ボリュームデータの適応的四面体メッシュ表現並列生成アルゴリズム; 情報処理学会論文誌, 48(SIG9), pp67-78 (2007.6)

学会発表

1. 日本バーチャルリアリティ学会第14回全国大会, 早稲田大学, 2009/9/25, オーラル発表（中川）
2. 情報処理学会第71回全国大会, 立命館大学, 2009/3/10, オーラル発表（中川）
3. 健康創造研究会, 2008/12/15, ポスター発表（中川）
4. The 1st Asian Joint Workshop on Information Technologies, 大連理工大学, 2008/11/7, ポスター発表（中川）
5. 日本バーチャルリアリティ学会第13回全国大会, 奈良先端科学技術大学院大学, 2008/9/25, オーラル発表（中川）