MITとボストン小児病院の研究者らは、患者の心臓のMRIスキャンを取り込み、数時間のうちに、外科医が手術計画に用いることのできる実体のある物理模型に変換するシステムを開発した。
「共同研究者たちは、これが違いを生むと確信しています」と、本プロジェクトを率いたMITの電気工学・コンピュータサイエンス学部教授のポリナ・ゴラント氏は述べる。「私が耳にした表現は『外科医は手で見る』というもので、その知覚は触れることにあるというのです」
今秋、ボストン小児病院の心臓外科医7名が、この模型の有用性を評価することを目的とした研究に参加する予定だ。
ゴラント氏とその同僚らは、10月に開催される「Medical Image Computing and Computer Assisted Intervention」国際会議で、新システムについて発表する予定だ。MITの電気工学・コンピュータサイエンス学科の大学院生ダニエル・ペース氏は論文の筆頭著者であり、MRIスキャンを解析するソフトウェアの開発を主導した。ボストン小児病院の物理学者メフディ・モガリ氏は、MRIスキャンの精度を10倍に高める新たな手法を開発し、同病院の心臓専門医アンドリュー・パウエル氏は、プロジェクトの臨床面を統括している。
本研究は、ボストン小児病院と、科学的イノベーションを臨床へ迅速に移行させることを目的とするコンソーシアムであるハーバード・カタリストの双方から資金提供を受けた。
MRIデータは、三次元の対象物の断面画像の連続から成る。白黒写真のように、各断面には明暗の領域があり、その領域の境界が解剖学的構造の輪郭を示している場合もある。ただし、そうでない場合もある。
画像内の異なる対象物の間の境界を特定することは、「画像セグメンテーション」として知られる、コンピュータビジョンの中心的課題の一つである。しかし、汎用の画像セグメンテーションアルゴリズムは、手術計画に必要な極めて精密な模型を作成するほどには信頼性が高くない。
人的要因
通常、画像セグメンテーションアルゴリズムの精度を高める方法は、分割対象の物体の汎用モデルを組み込むことである。例えば、人間の心臓では、心室や血管が互いに対してほぼ同じ位置にあるのが通常である。こうした解剖学的な一貫性により、セグメンテーションアルゴリズムは、対象物の境界に関する起こりにくい結論を除外できる可能性がある。
この手法の問題は、ボストン小児病院の心臓患者の多くが、まさに心臓の解剖学的構造が不規則であるために手術を必要としている点にある。汎用モデルからの推論は、外科医にとって最も重要な特徴を覆い隠してしまうおそれがある。
これまで研究者らは、MRIスキャン上で境界を手作業で指定することにより、印刷可能な心臓模型を作成してきた。しかし、モガリ氏の高精度スキャンの一つに含まれる約200枚の断面では、この工程に8〜10時間かかることがある。
「医師たちは子どもたちを検査に連れてきて、手術の進め方を正確に計画するのに、おそらく1日か2日を費やしたいと考えています」とゴラント氏は述べる。「画像処理だけでさらに1日かかるとなると、扱いづらくなります」
ペース氏とゴラント氏の解決策は、人間の専門家に一部の断面で境界を特定してもらい、そこから先はアルゴリズムに引き継がせるというものだった。最も良好な結果は、専門家に各断面の総面積の9分の1にあたる小さな領域のみを分割してもらった場合に得られた。
その場合、14個の領域のみを分割し、残りをアルゴリズムに推定させたところ、200枚の断面全体に対する専門家による分割との一致率は90%に達した。人間が3つの領域のみを分割した場合の一致率は80%だった。
「200枚のうち8枚のスライスから心臓全体を分割できると誰かに言われても、信じなかったと思います」とゴラント氏は述べる。「これは私たちにとっても驚きでした」
サンプル領域の人手による分割と、デジタルの三次元心臓モデルのアルゴリズムによる生成を合わせると、約1時間かかる。3Dプリントの工程には、さらに2時間ほどかかる。
今後の見通し
現在、アルゴリズムは未分割の断面の領域を調べ、最も近い分割済みの断面の中で類似の特徴を探している。しかしゴラント氏は、複数の断面を斜めに横断する領域も調べれば、性能が向上する可能性があると考えている。このことを含め、アルゴリズムのさまざまな改良版が現在も研究の対象となっている。
今秋の臨床研究では、ボストン小児病院で既に治療を受けた10人の患者のMRIを用いる。7名の外科医それぞれに、10人全員のデータが提供される。中にはおそらく複数回提供されるものもある。このデータには、生のMRIスキャンと、無作為に、物理模型かコンピュータ上の三次元モデルのいずれかが含まれる。さらにそのモデルは、やはり無作為に、人手による分割かアルゴリズムによる分割のいずれかに基づく。
外科医らはこれらのデータを用いて手術計画を作成し、その計画を、各患者に実際に行われた処置の記録と比較する。本研究によって、3Dプリントした物理模型が実際に手術結果を改善しうるかどうかが明らかになることが期待されている。
「もちろん、三次元モデルは確かに役立つでしょう」と、ボストン小児病院の心臓外科医で、今回の新たな論文の共著者ではないシタラム・エマニ氏は述べる。「数人の患者にこの種のモデルを使用しており、実際に、実際の状況を再現するために心臓上で『バーチャル手術』を行いました。これは、心臓の検討と修復に費やす時間の削減という点で、実際の手術に大いに役立ちました」
「これがあれば、使用するパッチの大きさや形状をシミュレーションして計画できるため、残存病変、つまり修復の不完全さの発生率も下がると考えます」とエマニ氏は付け加える。「最終的には、このモデルに基づく3Dプリントのパッチによって、人工物を患者に合わせて調整できるようになるでしょう」
「最後に、これがあることで、解剖学的構造を分かりにくいと感じるご家族との話し合いが格段に簡単になります」とエマニ氏は述べる。「ご家族にとってより分かりやすい視覚的情報となり、多くの患者とご家族から、自身の病状をより深く理解する力を得られたという声が寄せられています」
本記事は、 Massachusetts Institute of Technology Newsとの協力により掲載されたものである。掲載は、世界経済フォーラムが見解を支持することを意味しない。
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執筆者：ラリー・ハーデスティ氏は、MITニュースのコンピュータサイエンス・技術分野のライターである。
画像：Asklepios Hospital Hamburg-Barmbekの一般外科および内臓外科の外科医たち。REUTERS/Fabian Bimmer。
