この記事では、拡張現実(AR)ベースの3D再構成に基づく自動手術モジュールの設計と実装について説明します。このシステムは、外科医が再構築された特徴を検査し、手術の手の動きをあたかも近くで手術を行っているかのように再現できるようにすることで、遠隔手術を可能にします。
拡張現実(AR)は、医療用途で高い需要があります。この論文の目的は、経カテーテル大動脈弁置換術 (TAVR) に AR を使用した自動手術を提供することです。TAVRは、開心術の代替医療処置です。TAVRは、カテーテルを使用して負傷した弁を新しい弁に交換します。既存のモデルでは、遠隔指導が行われていますが、ARによる手術の自動化は行われていません。この記事では、手術環境での画像キャプチャを自動化するために、モーターに接続された空間的に整列したカメラを展開しました。カメラは、カテーテルテストベッドとともに患者の心臓の2D高解像度画像を追跡します。これらのキャプチャされた画像は、モバイルアプリを使用して、心臓病学の専門家である遠隔外科医にアップロードされます。この画像は、2D画像トラッキングからの3D再構成に利用されます。これは、ラップトップのエミュレーターのように HoloLens に表示されます。外科医は、回転やスケーリングなどの追加の変換機能を使用して、3D再構築された画像をリモートで検査できます。これらの変換機能は、手のジェスチャによって有効になります。外科医のガイダンスは手術環境に送信され、リアルタイムのシナリオでプロセスが自動化されます。手術野のカテーテルテストベッドは、遠隔外科医の手のジェスチャーガイダンスによって制御されます。開発した試作モデルは、ARによる遠隔手術指導の有効性を実証しています。
ARは、3Dモデルを現実世界の環境に重ね合わせることができます。ARに向けた技術開発は、教育1、医療2、ものづくり3、エンターテインメント4など、多くの分野でパラダイムシフトを起こしています。AR技術は、超高信頼性の低遅延通信とともに、医療分野での必然的な役割を証明しています。人体解剖学の学習段階から外科的指導まで、ARを利用したソフトウェア5,6とハードウェアを使用して学習段階を視覚化できます。ARは、外科環境7,8の医療従事者に重要で信頼性の高いソリューションを提供します。
大動脈弁狭窄症は、人類に最も多く見られる心臓弁膜症です9。この病気の根本的な原因は、貧しい食生活と日常生活の不規則なルーチンです。この疾患の症状と結果は、心臓弁の狭窄とそれに続く血流の減少です。この問題は、人間の心臓に損傷が生じる前に対処する必要があります。したがって、心臓は血流を処理するために過度の負担がかかります。したがって、損傷が発生する前に、手術を行う必要がありますが、これは最近の技術開発により、TAVR手順を使用して行うこともできます。この手順は、患者の心臓やその他の体の部分の状態に基づいて採用できます。このTAVR10,11では、カテーテルを挿入して心臓の損傷した弁を交換します。しかし、カテーテルの位置12をバルブと交換するために配置することは、施術者にとって面倒な作業である。このアイデアから、AR13,14 に基づく自動手術モデルを設計することになりました。これにより、外科医は置換プロセス中に弁を正確に配置できます。さらに、手術は、遠隔地からキャプチャされた外科医の動きをロボットアームにマッピングするモーションマッピングアルゴリズムによって実行できます。
既存の作品15、16、17では、TAVR18 の手順の視覚化が透視法を通じて監視されている。したがって、心臓弁を分析することは困難であり、交換場所を見つけるのは面倒です。これにより、カテーテルを人間の心臓に配置する際の障壁が設定されます。さらに、リモートモーションは手術野にマッピングされ、プロセスが自動化されます。しかし、この研究ギャップを克服するために、AR支援技術を用いたロボットによる弁置換術の自動化を提案します。
このプロトコルは、すべての手術環境に適用できる汎用モデルです。作業の初期段階では、手術環境全体の2D画像が、最大自由度の最大の空間分解能でキャプチャされます。これは、3D再構成19 の目的に十分な画像がキャプチャされ、続いてハンドジェスチャトラッキング20によるモーションマッピングが続くことを意味する。
既存の研究15では、X線およびCTスキャンを検査して、心臓内のカテーテルの位置を特定する。しかし、AR TAVRの置換は、3D再構成を使用した自動モデルの実装により、TAVR18の外科的処置に新たな可能性を確立します。プロトコルのセクションで述べたように、この作業には設計するための5つの段階があります。前回の研究22で提案したセク?…
The authors have nothing to disclose.
著者らは、この研究に対する資金提供がないことを認めています。
android IDE | software | https://developer.android.com/studio | software can be downloaded from this link |
Arduino Board | Ardunio Uno | Ardunio Uno | Microcontroller for processing |
arduino software | software | https://www.arduino.cc/en/software. | software can be downloaded from this link |
Human Heart phantom model | Biology Lab Equipment Manufacturer and Exporter | B071YBLX2V(8B-ZB2Q-H3MS-1) | light weight model with 3parts to the deep analysis of heart. |
mobile holder | Humble universal monopoad holder | B07S9KNGVS | To carry the mobile in surgical field |
pycharm IDE | software | https://www.jetbrains.com/pycharm/ | software can be downloaded from this link |
Robot arm | Printed-bots | B08R2JLKYM(P0-E2UT-JSOU) | arm can be controlled through control signal.it has 5 degree of freedom to access. |
servo motor | Kollmorgen Co-Engineers Motors | MG-966R | high-torque servo motor,servo pulses ranging from 500 to 2500 microseconds (µs), with a frequency of 50Hz to 333Hz. |
servomotor | Kollmorgen Co-Engineers Motors | SG-90R | 1.8 kg-cm to 2.5 kg-cm load can be applied to SG-90R servo. |
Stepper Motor | 28BYJ-48 | 28BYJ-48 | Steper motor, 5V DC, 100 Hz frequency, torque 1200 Gf.cm |
Stepper Motor | Nema 23 | Nema | Steper motor, 9V – 42 V DC, 100 Hz frequency |