立命館大学修士論文予稿集(2015 年 2 月) 多様な VR 術野構築のための漿膜および結合組織モデリング 立命館大学大学院 情報理工学研究科 近江 奈帆子（指導教員：田中弘美，田川和義） 我々は，脈管の走行異常等の異形も考慮可能なシナ 1．はじめに リオ可変型手術シミュレータの構築を行っている．各 腹腔鏡下胆嚢摘出術では脈管（胆嚢管や血管等）の 脈管の異形の組み合わせや管の厚み等のバリエーショ 走行異常がしばしば見られ，手術リスクの一因となっ ンは多岐に渡り，モデリングに要するコストが問題と ている．図1に示すように，胆嚢管・総肝管・肝臓下 なる．そこで，脈管の各種異形バリエーションをモ 部で囲まれる三角形はCalot三角と呼ばれ，この領域 ジュール化して保持しておき，シナリオに応じて任意 に走行異常が出現することが多い．胆嚢管と総肝管の の異形を組み合わせた術野構築を行うための手法を開 合流部だけでも，走行異常の出現率は35%程度である 発している[3]．しかしながら，動脈の異形への対応 といわれている[1]．この三角形内には，胆嚢管，総 化および脈管を覆っている漿膜および結合組織の生成 肝管，胆嚢動脈が走っているが，それぞれの管ごとに への対応化が行われていない問題点があった． 実際の手術では，この脈管および漿膜・結合組織に 多種多様な走行パターンが報告されている（図2）． 脈管の走行異常は，術前のCT・MRIによる撮影で 対する処置が多くの時間を占め，高度な技術を要する． 事前に検知されることが多いが，実際の術野映像で見 このため，これらのシミュレータでの再現は必須であ ると迅速に手術をすすめることは難しい．こうした特 ると考えられる．そこで本論文では，胆嚢管や胆嚢動 殊症例に対する訓練が可能であることは，VR技術を 脈の走行異常バリエーションを考慮可能な，多様な 用いたシミュレータの利点のうちの1つである．しか VR術野の半自動構築を実現するための手法を提案す しながら，現在市販されている手術シミュレータでは る． 上記の多様な異形バリエーションに対応していない． 2．提案手法 本章では，脈管の走行異常のような複雑形状の臓器 に対応した，漿膜・結合組織のモデル生成方法を提案 する． 図 3（左）に示すように，胆嚢管および胆嚢動脈が 図1 Calot 三角 [1] どのような異形であっても，周辺の漿膜・結合組織は T 字型の膜形状となっている．そこで，本手法では， 脈管モデルの周りに T 字型の弾性膜モデルを配置し， 収束条件を満たすまで弾性膜モデルを収縮させるアプ ローチを取る． 以下では，まずは初期モデルの生成方法について述 べ，続けて初期モデルの収縮変形について述べる． 図 3 胆嚢管および胆嚢動脈を覆う漿膜・結合組織 図 2 異形（脈管の走行異常）の例 [2] 1 立命館大学修士論文予稿集(2015 年 2 月) 2.1 初期モデルの生成方法 管モデル，図 5(b)右はその脈管に対する収縮後の漿 まず，図 3（右）に示す，胆嚢管および胆嚢動脈周 膜・結合組織モデルを示す．各走行パターンに応じた 辺の漿膜・結合組織を模擬した T 字型プリミティブ 漿膜・結合組織モデルの生成が可能であることがわか モデル（Altair 社製 HyperMesh を使用して作成）を用 る． 意する． 次に，この T 字型プリミティブモデルを，脈管の 形 状 に 沿 っ た 形 状 に 変 形 さ せ る ． ま ず ， Vascular Modeling Toolkit (http://www.vmtk.org)を用いて各脈管 の中心線および外接球の半径を求める．そして，これ らの平均中心線を求めるとともに，各脈管の外接球を (a) 管・漿膜のモデル (b) 管・漿膜モデル さらに外接する球の半径を求める．最後に，T 字型プ （標準） （前方螺旋形） 図 5 漿膜・結合組織モデルの生成結果 リミティブモデルの中心線を，上記の平均中心線に合 うように局所的に回転させ，T 字型プリミティブモデ 4．おわりに ルの半径を上記の半径に設定することで，初期モデル 本論文では，胆嚢管や胆嚢動脈の走行異常のような の作成が完了する． 2.2 初期モデルの収縮変形 複雑形状の臓器に対応した，漿膜・結合組織モデルの 漿膜・結合組織等の生体膜の表面形状は滑らか，か 半自動生成手法を提案した． つ膜内部の応力は小さいという仮定に基づき，配置し 今後は，手術訓練システムに組み込むことで，多様 た T 字型プリミティブモデル（図 4(a)）を次第に収縮 な術野での腹腔鏡下胆嚢摘出術の訓練が可能なシステ させながら，弾性エネルギーおよび曲げエネルギーの ムを実現し，外科医の評価によりその有効性を明らか 和が最小となる変形を逐次求めていく．胆嚢管・胆嚢 にしていく． 動脈モデルに接触したノードについては，以降変形計 参考文献 算を行わない．同時に，内部の応力を常時監視し，あ らかじめ設定された閾値を超えたノードについても収 [1] 松本純夫（編）：動画でわかる腹腔鏡下胆嚢摘出 術，中山書店，2008. [2] 松野正紀 (監修), 畠山勝義 (編), 佐々木巖 (編), 兼松隆之 (編)：消化器外科手術のための解剖学 -小腸・大腸，肛門部疾患，肝臓・胆嚢・胆道系， 膵臓・脾臓，2007. [3] 田川和義，田中弘美，来見良誠，小森優，森川 茂廣：臓器異型バリエーションの構成的多重解 像度モデリング，電子情報通信学会論文誌， Vol.J96-D, No.5, pp.1365-1373, 2013. 縮変形を終了する．全てのノードの計算が完了するま で上記の処理を繰り返すことで，モデル生成が完了す る（図 4(b)）． (a) 初期モデル (b) 収縮後のモデル 図 4 初期モデルの収縮変形（断面） 3．実験 提案手法を用いて漿膜・結合組織モデルの生成を 行った．図 5(a)左は一般的な走行の脈管モデル，図 5(a)右はその脈管に対する収縮後の漿膜・結合組織モ デルを示す．図 5(b)左は走行異常（前方螺旋形）の脈 2
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