医療における 3D 視覚化、3D 印刷、仮想現実、拡張現実の役割に関する研究の進歩

著者: パン・ウェン、北京工業技術大学機械電気工学部

過去10年間で医学は急速に発展し、「エビデンスに基づく医療」から「標的療法」、「個別化医療」、「トランスレーショナル医療」、「統合医療」から「精密医療」まで、関連する医学用語が生み出され、再定義されました。これらの一連の新しい用語は、基礎医学の特定の分野における認識の進歩と概念の変化を表しています。医療データのデジタル化はますます注目を集めています。従来の診断および治療プロセスでは、医師は2次元断層画像に基づいて患者の病変部位の特徴を分析し、経験に基づいて病変の構造、形態、および周囲組織との関係を推定します。2次元画像では人体の内部組織や臓器の構造を提供できないため、直感性と正確性に欠けています。医用画像の3次元（3D）可視化技術、仮想現実（VR）、拡張現実（AR）、3Dプリント技術は、臨床診断と治療の精度と科学性を向上させ、精密医療の発展を促進します。本稿では、医療分野における医用画像の3D可視化、3Dプリンティング、VR技術、AR技術の役割について、医療教育、医療研究、臨床応用の3つの観点から解説します。

1概要 医用画像の3D可視化とは、コンピュータ断層撮影（CT）、磁気共鳴画像（MRI）、超音波検査（US）、電子放出コンピュータ断層撮影（PET）などの画像診断システムからデータを取得し、それを人間の視覚で認識できる3次元の医用画像に変換することです。3次元画像は操作や分析が可能です。 VR 技術は、コンピューターシミュレーションを使用して 3 次元の仮想世界を作成し、視覚、聴覚、触覚などの感覚シミュレーションをユーザーに提供して、ユーザーがその体験に没頭できるようにします。多感覚、存在感、インタラクティブ性、自律性を通じて、患者の複雑な生命システムと病気に対する医師の理解を促進します3。 AR技術はVR技術をベースに開発されたもので、コンピュータで生成された仮想物体を現実のシーンに統合し、リアルタイムで同じ空間に重ね合わせることができます。仮想と現実の融合、リアルタイムのインタラクション、補助的な強化などの特徴があります⑺。 3D プリンティング技術は、コンピュータ支援設計 (CAD)、コンピュータ支援製造 (CAM)、数値制御技術、レーザー技術、ポリマー材料などの分野を統合した新しいラピッドプロトタイピング技術です。

2医療教育アプリケーション 医療画像の3D可視化、3Dプリント、VR技術、AR技術の組み合わせは、従来の医療教育モデル、教育手段、教育方法に大きな影響を与えており、現在は主に仮想解剖学、仮想手術、仮想実験室などに使用されています。伝統的な医学教育モデルと教育方法は、主に教育図、教育モデル、実験動物、死体解剖、現場観察などの形で完成されています。これらの方法にはそれぞれ利点がありますが、ある程度の欠点もあります。ネットワーク技術の急速な発展と、物理学、生物学、統計学、医学などの分野におけるビッグデータの急速な普及を背景に、複数の教育モデルと教育方法を組み合わせて適用することが教育の主流となるでしょう⑴。医療画像の 3D 視覚化、3D プリント、VR 技術、AR 技術を総合的に応用することで、教育プロセスがより鮮明かつ具体的になり、半分の労力で 2 倍の成果を達成できます。医学と薬学における伝統的な教育方法は、主に講義、討論、インスピレーション、シナリオ、「一主三学」に基づいています。ある程度、教育プロセスにおける時間、空間、内容、手段の制限から逃れることができず、教育結果に直感性が欠けています。医療画像の3D視覚化、3Dプリント、VR技術、AR技術を総合的に活用することで、既存の教育システムの欠点を効果的に補い、教育事例の多様性を高め、教師と生徒の相互作用を改善し、生徒の制御性を高め、教育効果を向上させることができます。また、3D可視化、3Dプリント、VR技術、AR技術も、中医学、薬学、薬物分析、臨床薬学などの薬学課程の実習に大きな役割を果たしています⑴。薬学生の能動的な学習能力、情報資源の活用能力、問題解決能力の育成を強調し、現実的な仮想実験環境を通じて実習コストを削減し、実習の教育効果を向上させることができます。これら 4 つの技術を総合的に活用することで、医学および薬学教育に幅広い発展の余地がもたらされ、教育改革の深化におけるその意義と応用は深遠かつ広範囲なものとなるでしょう。

3科学研究への応用 医療用途では、異なるモダリティの画像が、互いに重複しない補完的な構造情報を提供します。たとえば、CT は骨の情報を提供し、MRI は軟部組織情報を提供します。論理演算を使用して、2 つの画像を合成できます。医療アプリケーションでは、3D 医用画像のレンダリングは、まず特定の診断に必要な情報を強調し、無関係な情報を無視する必要があります。次に、高度なインタラクティブ性、つまり回転、拡大、移動などの一般的な操作が必要であり、リアルタイムであるか、少なくとも許容できる応答時間内に完了する必要があります。これは、医用画像レンダリングでは、視覚化レンダリング時間が短い方法の方が実用的であり、医用画像の 3D 視覚化は科学研究の実施方法に根本的な変化をもたらす可能性があることを意味します。

臨床的には、肝胆道結石患者は再発しやすい傾向があります。肝内胆管の経路は多様で、狭窄部位は不明瞭です。手術前に患者を正確に特定することは困難です。内視鏡的逆行性胆道膵管造影（ERCP）、磁気共鳴膵胆道膵管造影（MRCP）、B超音波、CTなどの既存の検査方法では、理想的な診断を達成できません。そのため、診断と治療計画の決定に一定の困難があり、手術後の残留結石率が高くなり、複雑で複数の肝胆道狭窄と結石を持つ患者は、複数回の繰り返しの手術が必要になることが多く、患者に大きな苦痛をもたらします。この問題を解決するために、研究者は3D医療画像可視化、VR技術、AR技術を組み合わせて、結石や拡張または狭窄した胆管の高解像度画像データを取得し、肝胆道結石の手術病変をより明確にし、手術方法をより正確にしました。医師は手術前に仮想手術を練習し、正確な治療計画を立てることができ、臨床治療効果が大幅に向上しました⑴。

整形外科患者向けのパーソナライズされたインプラントの研究開発は、臨床診療における重要な開発方向です。臨床診療で一般的に使用されるプロテーゼ、プレート、ネジなどの整形外科用インプラントは標準サイズであり、ほとんどの患者のニーズを満たすことができます。ただし、一部の患者の場合、個々の解剖学的差異や疾患の特異性により、標準インプラントでは治療ニーズを満たすことができません。そのため、臨床的には、患者の個々の特性と従来の設計概念に基づき、医療画像の3D視覚化、3Dプリント、VR技術、AR技術を使用して整形外科用義肢やインプラントを開発し、患者の実際の状況と特別なニーズを参照してインプラントと受容領域の適合度を高め、解剖学と生体力学の要件を満たし、異なる性別、人種、職業、運動習慣の個々のニーズを満たすことがしばしば必要になります。パーソナライズされた整形外科用インプラントの開発は、それらの幾何学的形状の完全な適合を確保することができ、理論的には良好な安定性を確保し、骨の成長を改善し、義肢の寿命を延ばすことができます。骨腫瘍、特に悪性骨盤骨腫瘍の患者の場合、医師は病変の範囲に応じて切除と再建を行い、残存骨盤構造に合わせて個別化された半骨盤プロテーゼを開発・設計し、個別化されたプロテーゼと残存構造の完全な適合という目標を達成し、患者の術後機能の最適な再建を実現する必要があります。

医療画像の 3D 視覚化、3D プリント、VR 技術、AR 技術の現在の臨床研究の方向性は、依然として新しい外科用器具、パーソナライズされたインプラント、機能的な臓器などの開発に集中しています。臨床現場では、多くの手術器具の仕様が固定されています。例えば、泌尿器系疾患の患者の場合、使用される尿管ステントは標準化された長さであり、患者の体型に応じて分類されていないため、多くの患者がカテーテル挿入後に膀胱の不快感を経験します。医用画像の3D可視化、3Dプリント、VR技術、AR技術を活用して、患者の尿管の長さや幅に合わせた尿管ステントを開発し、臨床効果を向上させます。腎臓腫瘍の患者の場合、これら 4 つの技術を組み合わせて適用することで、腎臓腫瘍の動脈、静脈、集合システムを異なる色で表示し、病変と周囲の血液供給および集合システムとの関係を明確に示すことができ、手術による検出精度が大幅に向上します。

さらに、医用画像の3D可視化、3Dプリント、VR技術、AR技術の薬学研究への応用にも大きな展望があります⑴。 2015 年 8 月 3 日、FDA は 3D 印刷技術を使用した世界初の新薬、レベチラセタム 3D 印刷錠剤を承認しました。これは本質的には薬剤放出システムにおけるイノベーションであり、薬剤処方技術、賦形剤、薬剤送達装置、処方装置、試験装置、および包装材料におけるイノベーションの組み合わせです。新薬開発のプロセスは長く、コストがかかり、リスクも高い。3D可視化、3Dプリント、VR技術、AR技術を総合的に活用することで、活性組織や臓器をプリントし、仮想化することができる。これに基づいて新薬実験を行うことで、新薬開発サイクルを短縮し、研究開発コストを節約できるだけでなく、リスクも大幅に軽減できる。

4 臨床応用
4.1 患者の臨床診断に使用される 医療画像の3D可視化、3Dプリント、VR技術、AR技術を総合的に活用することで、病変の3次元形態を再現できるだけでなく、医師がさまざまな角度から病変の特徴を把握し、臨床診断の精度を向上させることができます。

バーチャル内視鏡検査を例にとると、医療画像の3D可視化、VR技術、AR技術を総合的に応用した非侵襲的な診断・治療法です。仮想内視鏡は、感染や出血などの副作用がなく、再利用が可能で、動的な病理分析が可能です。また、脳、内耳、脊柱管、血管など、光学内視鏡では検査できない人体組織も検査できます。仮想内視鏡は、光学内視鏡、CT、MRIなどの断層撮影の利点を組み合わせ、CT、MRI、超音波を使用して2次元断層構造データを取得し、3D視覚化処理を実行して3D視覚化画像を形成します。 VR技術とAR技術を組み合わせることで、連続した3次元臓器腔を表示し、この仮想内部腔に沿って飛行観察を実行し、従来の内視鏡検査プロセスをシミュレートできます。人体の組織構造を検出すると、仮想内視鏡で収集された画像をビデオにして継続して観察できます。心血管疾患の診断では、仮想内視鏡検査により、血管径、血流、血流速度、管腔内の様子などの測定パラメータを調べることができます。さらに、バーチャル耳鼻咽喉科、バーチャル消化器科、バーチャル気管支鏡も臨床診断において幅広い可能性を秘めています。

4.2 手術前に患者の手術計画を策定するために使用される 臨床的に複雑な手術の場合、医師は医療画像の 3D 視覚化、3D プリント、VR 技術、AR 技術を使用して、患者の病変と周囲の血管や神経との関係を完全に明らかにし、患者の個々の特性に基づいて対応する手術計画を策定できます。医師が手術前に手術計画を立てる基礎は、患者の術前評価です。医療画像の3D可視化、3Dプリント、VR技術、AR技術を総合的に応用することで、手術部位の解剖学的構造の直接的で正確な3次元物理モデルが得られ、医師がより正確な判断を下し、より詳細な手術計画を立てるのに役立ちます。さらに、医師は手術前に物理モデルを使用して手術を繰り返し練習することができ、これは個別化された手術のガイド、手術時間の短縮、手術の成功率の向上に不可欠です。

4.3 手術中のナビゲーション 臨床的に、手術中に予測不可能な状況が発生する可能性があります。整形外科患者は、照準装置、テンプレートシステム、またはX線画像に依存することがよくあります患者の内部固定はより正確であり、手術中の医師と患者の放射線曝露の時間を効果的に減らし、それにより患者の有効性を最大化することができます。さらに、整形外科手術中に上記 4 つの方法を組み合わせた術中ナビゲーションは、複雑骨折の整復、骨折の変形治癒、矯正骨切りのサイズや角度などの決定にも効果的な補助を提供します。

脳腫瘍の患者が放射線治療を受ける場合、頭蓋骨に穴を開け、放射性同位元素を頭蓋内病変の位置に正確に配置する必要があります。手術中は、同位元素放射線治療が有効であり、正常組織に損傷を与えないことを確認する必要があります。人間の脳の構造は複雑なため、頭蓋骨を開かずに上記の要件を満たすことは非常に困難です。医療画像の3D可視化、VR技術、AR技術を使用することで、人体脳の内部構造の再構成された3D画像に基づいて、頭蓋骨穿孔の位置、同位元素配置経路、配置位置、等線量線などをシミュレートし、最適な計画を設計してスクリーニングすることができます。手術中は、プロセス全体を画面で監視することもできるため、医師は「明確なアイデア」を持つことができ、手術の成功率が大幅に向上します。

4.4 医師と患者のコミュニケーションの有効性を向上させる 医師と患者のコミュニケーションの鍵は、患者やその家族が医師の治療計画選択の根拠を理解できるようにすることです。医療画像の3D可視化、3Dプリント、VR技術、AR技術を総合的に活用することで、医師と患者間の術前コミュニケーションが容易になり、患者の病状や手術計画に対する理解が大幅に向上します。医師と患者とのコミュニケーション内容の多くは、CTやMRIの検査結果、手術計画の選択の根拠など、専門性が高いものです。医師が患者に非常に詳細にコミュニケーションや紹介をしたとしても、患者の理解度は依然として非常に低いものです。上記の技術を総合的に活用することで、患者の病変の大きさや、病変と周囲の組織や血管との関係を非常に正確な方法で患者に示すことができます。これにより、医師は手術の成功に対する自信が高まるだけでなく、計画されている手術切除範囲、避けるべき血管、手術の難しさなどを患者に説明するのに役立ちます。患者の病状や手術計画に対する理解を深め、医師と患者のコミュニケーションの効率を高めることにもつながります。治療や手術中に発生する可能性のある特定の合併症に対する患者の理解が向上し、医療紛争の発生が軽減または回避されます。 4.5 遠隔医療は、通信技術、コンピューター、ネットワーク環境を利用して、医療機関間でCT、MRI、超音波などの画像データの遠隔伝送と共有を実現します。医療画像の3D視覚化、VR技術、AR技術を総合的に応用することで、遠隔かつインタラクティブな指導、検査、診断、治療などの医療相談コンテンツを実現し、最終的には遠隔放射線計画と治療、遠隔手術、遠隔医療トレーニングなどの遠隔医療の目的を達成できます。これは特に、遠隔地の重病患者や戦争での傷病者の治療に適しています。地元の医療状況が時間内に処理できない場合、この方法は患者の一連の医療問題を解決します。

現在、医療画像の 3D 可視化、VR 技術、AR 技術は、分散型共同可視化の方向に発展しています。分散型共同可視化により、外科専門家と現場の外科医が共同でインタラクティブな操作を実行し、医療の 3D モデルを分析し、遠隔共同手術を完了できるようになります。遠隔医療システムにおけるインタラクティブな操作は比較的複雑であるため、医療画像の 3D 視覚化と表示にはより高い技術要件が課せられます。具体的な実装としては、並列分散ネットワークコンピューティングアーキテクチャの下でサーバークライアントモデル構造を採用し、JAVA、VRML、OpenGLなどのプログラミングツールを使用して、Webベースの医療画像の3D視覚化を実現することが考えられます。遠隔医療における分散型共同視覚化の応用例としては、TelelnViV があります。このシステムは、TCP/IP ポイントツーポイント通信プロトコルをサポートしています。TelelnViVo は、インターネットネットワーク環境を使用して、CT、MRI、PET などのデータに対してリアルタイムの共同視覚化操作を実行し、最終的には遠隔放射線計画と治療、遠隔手術、遠隔医療トレーニングなどの遠隔医療の目的を達成します。さらに、米軍は、医療画像の3D可視化、VR技術、AR技術などのサポートを受けて、高度な外傷治療技術シミュレーション訓練システム、天然痘予防接種シミュレーション訓練システム、胸部外傷治療シミュレーション訓練システム、輪状甲状間膜切開シミュレーション訓練システム、VRデモ精神運動技術訓練システムを開発し、遠隔医療訓練、医療実験などの遠隔医療コンテンツを実現しました。

5. まとめ 我が国の医療改革の継続的な深化と医療技術の継続的な発展に伴い、医療画像の3D視覚化、3Dプリント、VR技術、AR技術は、医療・薬学教育、科学研究、日常業務でより広く利用されるようになるでしょう。現在、我が国の医療画像の3D可視化、3Dプリント、VR技術、AR技術の医学・薬学の各分野への応用は依然として模索段階にあり、政府、医療機関、医療従事者、患者などの多者参加・連携モデルを確立する必要があります。これにより、既存の医療資源を最大限に活用し、医療資源の地域的制約を打ち破るだけでなく、医学・薬学教育、科学研究、臨床実践の3つの側面から精密医療の発展を促進し、我が国の医療サービスシステムをさらに構築・改善することができます。

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