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人工股関節全置換術
            3次元⼿術計画自動⽴案システム
            AutoImPlan

             音丸 格a,横田 太a ,鍵山 善之b,高尾 正樹c,中本 将彦c,
             多田 幸生a,菅野 伸彦c,富山 憲幸c, 佐藤 嘉伸c

            a 神⼾大学, b 山梨大学,c 大阪大学          大学院医学系研究科




Copyright © Osaka Univ., Kobe Univ. 2011
はじめに




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研究背景と目的 | コンピュータ支援整形外科⼿術



                                                            自動 3次元⼿術計画
                                                           +ロボット・ナビゲーション
                                            ⼿動 3次元⼿術計画           ⼿術
                                           +ロボット・ナビゲーション
           2次元⼿術計画                               ⼿術
          +マニュアル⼿術

        〜1990年代前半                           1990年代後半〜          2011〜

        ⼿術ロボットやナビゲーション⼿術の開発によって,
         術前に⽴案する⼿術計画が正確に再現される.
        そのため,適切な⼿術計画を⽴案することの重要性が
         増大している.
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本発表の内容
        ⼿術計画自動⽴案システム “AutoImPlan”の概要を示し,
         性能評価実験結果を報告する.

        “AutoImPlan”システムは,整形外科⼿術の一種である
         「人工股関節全置換術」を対象とする.




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研究対象 | 人工股関節全置換術
                                                 骨盤側インプラント
                                           骨盤      (カップ)




                         大腿骨                            大腿骨側
                                                     インプラント(ステム)
                                      術前        術後

        人工股関節全置換術は,病気で変形した股関節を人工股関節
         に置き換える⼿術である.
        人工股関節は,カップと呼ばれる骨盤側インプラントと,
         ステムと呼ばれる大腿骨インプラントの2つからなる.
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AutoImPlan
      による人工股関節3次元⼿術計画
      自動⽴案


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システム概要 | ⼊出⼒




      患者骨格                                 インプラントサイズ・
     3次元形状
Copyright © Osaka Univ., Kobe Univ. 2011     位置・角度
システム概要 | 本研究のアプローチ
   学習データ                                                                         …
    セット



     統計的
    ⼿術計画                                   -3   0     3
                                                    [mm]
    アトラス                                                   -3σ   Average   3σ




      患者骨格                                                                      インプラントサイズ・
     3次元形状
Copyright © Osaka Univ., Kobe Univ. 2011                                          位置・角度
システム概要 | 統計的⼿術計画アトラス
   学習データ                                                                         …
    セット



     統計的
    ⼿術計画                                   -3   0     3
                                                    [mm]
    アトラス                                                   -3σ   Average   3σ



                             関節機能正常度アトラス:
                             骨格‐インプラント統計アトラス:
                             外科医計画の解析結果から,関節機能を表す値が
                             ある骨格形状が与えられたときの,インプラントの
                             どの程度であれば正常と⾔えるかを表現
                             統計的な存在可能範囲を表現


      患者骨格                                                                      インプラントサイズ・
     3次元形状
Copyright © Osaka Univ., Kobe Univ. 2011                                          位置・角度
システム概要 | 本研究における⼿術計画⽴案
   ステップ2:
   ステップ1:
   学習データ                                                                              …
    セット
   解候補の網羅的な組み合わせから,最適な組み合わせを1つ選択
   ステム・カップ⼿術計画⽴案を独⽴に⾏ない,複数の解候補を出⼒


     統計的
    ⼿術計画                                    -3   0     3
                                                     [mm]
    アトラス                                                    -3σ   Average   3σ




                                           骨盤カップ⼿術計画
                                             自動⽴案                              最適
                                                                             組み合わせ
                                            大腿骨ステム                            の探索
                                           ⼿術計画自動⽴案
      患者骨格                                                                           インプラントサイズ・
     3次元形状
Copyright © Osaka Univ., Kobe Univ. 2011                                               位置・角度
システム概要 | 本研究における⼿術計画⽴案
   学習データ                                                                             …
    セット



     統計的
    ⼿術計画                                   -3   0     3
                                                    [mm]
    アトラス                                                   -3σ   Average   3σ




                                           カップ⼿術計画
                                             自動⽴案                             最適
                                                                            組み合わせ
                                           ステム⼿術計画                           の探索
                                             自動⽴案
      患者骨格                                                                          インプラントサイズ・
     3次元形状
Copyright © Osaka Univ., Kobe Univ. 2011                                              位置・角度
Otomaru et al.
  骨盤‐カップ統計アトラス                                         CAOS 2009




                                               統計形状
     学習データ
                                               アトラス
      セット




                                           カップ⼿術計画
                                             自動⽴案


        骨盤3次元形状                                       カップ⼿術計画

  • 骨盤の変形バリエーションとカップ位置の統計的位置関係をモデリング.
  • アトラスを骨盤形状に当てはめることで,カップ⼿術計画を推定.
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Otomaru et al.
  大腿骨‐ステム統計アトラス                                            Med. Image Anal. 2011




                                                     統計的
     学習データ
                                                     距離値
      セット
                                                     マップ
                                                           -3     0      3 mm




                                           ステム⼿術計画
                                             自動⽴案


      大腿骨3次元形状                                                  ステム⼿術計画

  • ステム表面における大腿骨との距離値分布をモデリング
  • 距離値分布が平均的傾向に近づくように,ステム⼿術計画を推定.
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システム概要 | 本研究における⼿術計画⽴案
   学習データ                                                                             …
    セット



     統計的
    ⼿術計画                                   -3   0     3
                                                    [mm]
    アトラス                                                   -3σ   Average   3σ




                                           カップ⼿術計画
                                             自動⽴案                             最適
                                                                            組み合わせ
                                           ステム⼿術計画                           の探索
                                             自動⽴案
      患者骨格                                                                          インプラントサイズ・
     3次元形状
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関節機能正常度アトラス | 構築方法
                                                 Histogram of ROM




     学習データにおける関節可動域解析結果                    Low   20 40 60 80 High


        学習データを解析することで,ある関節機能の値がどの程度
         あれば,正常と⾔えるかをモデリング.
        学習データから,関節機能のヒストグラムが得られる.
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関節機能正常度アトラス |構築方法




  Low        20 40 60 80 High              High                    Low
           関節可動域の値 [deg.]
                                            70 60 50 40 30    20
                                                  関節可動域の値 [deg.]

        ヒストグラムの値を,平均0,分散1の半ガウス関数にマッピング.
        横軸は関節機能の値,縦軸はその値における正常度に相当.
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関節機能正常度アトラス | ⼿術計画⽴案方法



                       関節機能正常度アトラス
                         (関節可動域)
                          +
                     解候補の組み合わせから
                     最も適合度が高いものを
                         選択

                        関節機能正常度アトラス
                          (左右脚⻑差)
                               +
                               …

  カップ計画・ステム計画 関節機能正常度アトラスによる                     選択された
 解候補の全組み合わせ
Copyright © Osaka Univ., Kobe Univ. 2011 適合度計算   ⼿術計画
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性能評価実験結果




Copyright © Osaka Univ., Kobe Univ. 2011
実験方法
        変形性股関節症37症例を使用し,leave‐one‐out
         交差検定によって,学習データと評価データを分離した.

        比較した⼿法
           1. 骨格‐インプラント統計アトラスのみ
           2. 骨格‐インプラント統計アトラス+関節機能正常度アトラス


           比較項目
            熟練外科医計画と比較したときの設置位置誤差
            関節機能度(カップ被覆率・脚⻑差・関節可動域)


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実験結果 |カップ位置誤差・カップ被覆率比較
    7                                             100
                                                          p = 0.006
    6                                             95

                                                  90
    5
                                                  85
    4
                                                  80
    3
                                                  75
    2
          平均値・標準偏差値が                              70
                                                                有意に改善
    1       ともに改善                                 65

    0                                             60
              最適化なし
                A                          提案⼿法
                                             B          最適化なし
                                                          A           提案⼿法
                                                                        B    外科医計画
                                                                              外科医
  カップ位置誤差(外科医計画との差) [mm]                                         カップ被覆率 [%]


                                 A:骨格‐インプラント統計アトラスのみ
                                 B:骨格‐インプラント統計アトラス+関節機能正常度アトラス
Copyright © Osaka Univ., Kobe Univ. 2011
実験結果 | 脚⻑差・関節可動域比較
                   p = 0.001
                   p = 1.0×10-6
  9                                                70
  8
                                                   60
  7
                                                   50
  6          骨格‐インプラントアトラス・
  5            外科医計画よりも                            40    全ての条件で同程度の値
  4              有意に改善                             30
  3
                                                   20
  2
                                                   10
  1

  0                                                0
            A
          最適化なし                      B
                                   提案⼿法    外科医計画
                                           外科医          最適化なし
                                                          A       提案⼿法
                                                                    B      外科医
                                                                           外科医計画

                                脚⻑差 [mm]                        関節可動域 [deg.]
                                 A:骨格‐インプラント統計アトラスのみ
                                 B:骨格‐インプラント統計アトラス+関節機能正常度アトラス
Copyright © Osaka Univ., Kobe Univ. 2011
実験結果 | 自動計画⽴案結果例
A:骨格‐インプラント
統計アトラスのみ                                        骨格インプラントアトラス・
                                                  外科医計画よりも
B:骨格‐インプラント                                        脚⻑差が改善
統計アトラス+
関節機能正常度アトラス

                               脚⻑差         8.3 mm    0.1 mm     2.5 mm


                                                 骨格インプラントアトラス
                                                よりも高く,外科医と同程度の
                                                   関節可動域を実現

                      関節可動域                19.4 度    31.9 度     29.4 度
                                            A          B        外科医
Copyright © Osaka Univ., Kobe Univ. 2011
Copyright © Osaka Univ., Kobe Univ. 2011
おわりに




Copyright © Osaka Univ., Kobe Univ. 2011
本研究のまとめ
         本研究では,人工股関節全置換術を対象とした
          ⼿術計画自動⽴案システム “AutoImPlan”の概要を示し,
          性能評価を⾏なった.

         本研究の特⻑は,熟練外科医が⽴案した⼿術計画を
          学習データセットとして,統計的な⼿術計画⽴案傾向を
          モデリングしている点である.
          1. 骨格‐インプラント統計アトラス
          2. 関節機能正常度アトラス




Copyright © Osaka Univ., Kobe Univ. 2011
考察と今後の予定
        骨格‐インプラント統計アトラスのみの場合と,
         骨格‐インプラント統計アトラス+関節機能正常度アトラスの場合
         を比較したところ,後者は有意に性能が高かった.

        骨格‐インプラント統計アトラスでは,骨盤側・大腿骨側が独⽴
         しているのに対し,関節機能正常度アトラスは,股関節全体の
         バランスを考慮しているためと考えられる.

        今後,本研究が出⼒する⼿術計画の熟練外科医による評価を
         実施し,臨床的有用性を評価する.




Copyright © Osaka Univ., Kobe Univ. 2011
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人工股関節全置換術3次元手術計画自動立案システム "AutoImPlan" (2011.12.24 SI2011@京都大学)

  • 1. 人工股関節全置換術 3次元⼿術計画自動⽴案システム AutoImPlan 音丸 格a,横田 太a ,鍵山 善之b,高尾 正樹c,中本 将彦c, 多田 幸生a,菅野 伸彦c,富山 憲幸c, 佐藤 嘉伸c a 神⼾大学, b 山梨大学,c 大阪大学 大学院医学系研究科 Copyright © Osaka Univ., Kobe Univ. 2011
  • 2. はじめに Copyright © Osaka Univ., Kobe Univ. 2011
  • 3. 研究背景と目的 | コンピュータ支援整形外科⼿術 自動 3次元⼿術計画 +ロボット・ナビゲーション ⼿動 3次元⼿術計画 ⼿術 +ロボット・ナビゲーション 2次元⼿術計画 ⼿術 +マニュアル⼿術 〜1990年代前半 1990年代後半〜 2011〜  ⼿術ロボットやナビゲーション⼿術の開発によって, 術前に⽴案する⼿術計画が正確に再現される.  そのため,適切な⼿術計画を⽴案することの重要性が 増大している. Copyright © Osaka Univ., Kobe Univ. 2011
  • 4. 本発表の内容  ⼿術計画自動⽴案システム “AutoImPlan”の概要を示し, 性能評価実験結果を報告する.  “AutoImPlan”システムは,整形外科⼿術の一種である 「人工股関節全置換術」を対象とする. Copyright © Osaka Univ., Kobe Univ. 2011
  • 5. 研究対象 | 人工股関節全置換術 骨盤側インプラント 骨盤 (カップ) 大腿骨 大腿骨側 インプラント(ステム) 術前 術後  人工股関節全置換術は,病気で変形した股関節を人工股関節 に置き換える⼿術である.  人工股関節は,カップと呼ばれる骨盤側インプラントと, ステムと呼ばれる大腿骨インプラントの2つからなる. Copyright © Osaka Univ., Kobe Univ. 2011
  • 6. Copyright © Osaka Univ., Kobe Univ. 2011
  • 7. AutoImPlan による人工股関節3次元⼿術計画 自動⽴案 Copyright © Osaka Univ., Kobe Univ. 2011
  • 8. システム概要 | ⼊出⼒ 患者骨格 インプラントサイズ・ 3次元形状 Copyright © Osaka Univ., Kobe Univ. 2011 位置・角度
  • 9. システム概要 | 本研究のアプローチ 学習データ … セット 統計的 ⼿術計画 -3 0 3 [mm] アトラス -3σ Average 3σ 患者骨格 インプラントサイズ・ 3次元形状 Copyright © Osaka Univ., Kobe Univ. 2011 位置・角度
  • 10. システム概要 | 統計的⼿術計画アトラス 学習データ … セット 統計的 ⼿術計画 -3 0 3 [mm] アトラス -3σ Average 3σ 関節機能正常度アトラス: 骨格‐インプラント統計アトラス: 外科医計画の解析結果から,関節機能を表す値が ある骨格形状が与えられたときの,インプラントの どの程度であれば正常と⾔えるかを表現 統計的な存在可能範囲を表現 患者骨格 インプラントサイズ・ 3次元形状 Copyright © Osaka Univ., Kobe Univ. 2011 位置・角度
  • 11. システム概要 | 本研究における⼿術計画⽴案 ステップ2: ステップ1: 学習データ … セット 解候補の網羅的な組み合わせから,最適な組み合わせを1つ選択 ステム・カップ⼿術計画⽴案を独⽴に⾏ない,複数の解候補を出⼒ 統計的 ⼿術計画 -3 0 3 [mm] アトラス -3σ Average 3σ 骨盤カップ⼿術計画 自動⽴案 最適 組み合わせ 大腿骨ステム の探索 ⼿術計画自動⽴案 患者骨格 インプラントサイズ・ 3次元形状 Copyright © Osaka Univ., Kobe Univ. 2011 位置・角度
  • 12. システム概要 | 本研究における⼿術計画⽴案 学習データ … セット 統計的 ⼿術計画 -3 0 3 [mm] アトラス -3σ Average 3σ カップ⼿術計画 自動⽴案 最適 組み合わせ ステム⼿術計画 の探索 自動⽴案 患者骨格 インプラントサイズ・ 3次元形状 Copyright © Osaka Univ., Kobe Univ. 2011 位置・角度
  • 13. Otomaru et al. 骨盤‐カップ統計アトラス CAOS 2009 統計形状 学習データ アトラス セット カップ⼿術計画 自動⽴案 骨盤3次元形状 カップ⼿術計画 • 骨盤の変形バリエーションとカップ位置の統計的位置関係をモデリング. • アトラスを骨盤形状に当てはめることで,カップ⼿術計画を推定. Copyright © Osaka Univ., Kobe Univ. 2011
  • 14. Otomaru et al. 大腿骨‐ステム統計アトラス Med. Image Anal. 2011 統計的 学習データ 距離値 セット マップ -3 0 3 mm ステム⼿術計画 自動⽴案 大腿骨3次元形状 ステム⼿術計画 • ステム表面における大腿骨との距離値分布をモデリング • 距離値分布が平均的傾向に近づくように,ステム⼿術計画を推定. Copyright © Osaka Univ., Kobe Univ. 2011
  • 15. システム概要 | 本研究における⼿術計画⽴案 学習データ … セット 統計的 ⼿術計画 -3 0 3 [mm] アトラス -3σ Average 3σ カップ⼿術計画 自動⽴案 最適 組み合わせ ステム⼿術計画 の探索 自動⽴案 患者骨格 インプラントサイズ・ 3次元形状 Copyright © Osaka Univ., Kobe Univ. 2011 位置・角度
  • 16. 関節機能正常度アトラス | 構築方法 Histogram of ROM 学習データにおける関節可動域解析結果 Low 20 40 60 80 High  学習データを解析することで,ある関節機能の値がどの程度 あれば,正常と⾔えるかをモデリング.  学習データから,関節機能のヒストグラムが得られる. Copyright © Osaka Univ., Kobe Univ. 2011
  • 17. 関節機能正常度アトラス |構築方法 Low 20 40 60 80 High High Low 関節可動域の値 [deg.] 70 60 50 40 30 20 関節可動域の値 [deg.]  ヒストグラムの値を,平均0,分散1の半ガウス関数にマッピング.  横軸は関節機能の値,縦軸はその値における正常度に相当. Copyright © Osaka Univ., Kobe Univ. 2011
  • 18. 関節機能正常度アトラス | ⼿術計画⽴案方法 関節機能正常度アトラス (関節可動域) + 解候補の組み合わせから 最も適合度が高いものを 選択 関節機能正常度アトラス (左右脚⻑差) + … カップ計画・ステム計画 関節機能正常度アトラスによる 選択された 解候補の全組み合わせ Copyright © Osaka Univ., Kobe Univ. 2011 適合度計算 ⼿術計画
  • 19. Copyright © Osaka Univ., Kobe Univ. 2011
  • 21. 実験方法  変形性股関節症37症例を使用し,leave‐one‐out 交差検定によって,学習データと評価データを分離した.  比較した⼿法 1. 骨格‐インプラント統計アトラスのみ 2. 骨格‐インプラント統計アトラス+関節機能正常度アトラス  比較項目  熟練外科医計画と比較したときの設置位置誤差  関節機能度(カップ被覆率・脚⻑差・関節可動域) Copyright © Osaka Univ., Kobe Univ. 2011
  • 22. 実験結果 |カップ位置誤差・カップ被覆率比較 7 100 p = 0.006 6 95 90 5 85 4 80 3 75 2 平均値・標準偏差値が 70 有意に改善 1 ともに改善 65 0 60 最適化なし A 提案⼿法 B 最適化なし A 提案⼿法 B 外科医計画 外科医 カップ位置誤差(外科医計画との差) [mm] カップ被覆率 [%] A:骨格‐インプラント統計アトラスのみ B:骨格‐インプラント統計アトラス+関節機能正常度アトラス Copyright © Osaka Univ., Kobe Univ. 2011
  • 23. 実験結果 | 脚⻑差・関節可動域比較 p = 0.001 p = 1.0×10-6 9 70 8 60 7 50 6 骨格‐インプラントアトラス・ 5 外科医計画よりも 40 全ての条件で同程度の値 4 有意に改善 30 3 20 2 10 1 0 0 A 最適化なし B 提案⼿法 外科医計画 外科医 最適化なし A 提案⼿法 B 外科医 外科医計画 脚⻑差 [mm] 関節可動域 [deg.] A:骨格‐インプラント統計アトラスのみ B:骨格‐インプラント統計アトラス+関節機能正常度アトラス Copyright © Osaka Univ., Kobe Univ. 2011
  • 24. 実験結果 | 自動計画⽴案結果例 A:骨格‐インプラント 統計アトラスのみ 骨格インプラントアトラス・ 外科医計画よりも B:骨格‐インプラント 脚⻑差が改善 統計アトラス+ 関節機能正常度アトラス 脚⻑差 8.3 mm 0.1 mm 2.5 mm 骨格インプラントアトラス よりも高く,外科医と同程度の 関節可動域を実現 関節可動域 19.4 度 31.9 度 29.4 度 A B 外科医 Copyright © Osaka Univ., Kobe Univ. 2011
  • 25. Copyright © Osaka Univ., Kobe Univ. 2011
  • 26. おわりに Copyright © Osaka Univ., Kobe Univ. 2011
  • 27. 本研究のまとめ  本研究では,人工股関節全置換術を対象とした ⼿術計画自動⽴案システム “AutoImPlan”の概要を示し, 性能評価を⾏なった.  本研究の特⻑は,熟練外科医が⽴案した⼿術計画を 学習データセットとして,統計的な⼿術計画⽴案傾向を モデリングしている点である. 1. 骨格‐インプラント統計アトラス 2. 関節機能正常度アトラス Copyright © Osaka Univ., Kobe Univ. 2011
  • 28. 考察と今後の予定  骨格‐インプラント統計アトラスのみの場合と, 骨格‐インプラント統計アトラス+関節機能正常度アトラスの場合 を比較したところ,後者は有意に性能が高かった.  骨格‐インプラント統計アトラスでは,骨盤側・大腿骨側が独⽴ しているのに対し,関節機能正常度アトラスは,股関節全体の バランスを考慮しているためと考えられる.  今後,本研究が出⼒する⼿術計画の熟練外科医による評価を 実施し,臨床的有用性を評価する. Copyright © Osaka Univ., Kobe Univ. 2011
  • 29. Copyright © Osaka Univ., Kobe Univ. 2011