広州の医師らが心臓手術に3つの3D技術を導入

広東省人民病院はメディアに対し、荘建院長率いるチームが複合現実技術を使って約10件の複雑な先天性心疾患の手術を支援し、心臓の茂みのような血管に「花や木を移植」して狭い「小さな標的」を見つけたと発表した。これは世界初の臨床的ブレークスルーです。さらに誇らしいのは、3Dアプリケーション支援診断技術と機器の3つすべてが中国で生まれたことです。

ブレークスルー1
3D術中ナビゲーション「移植」

生後2か月のシャオ・アン（仮名）ちゃんは、生まれたときから徐々に肺不全の兆候が見られた。呼吸が困難で、顔が紫色に変色していた。新生児は「風に逆らって成長する」はずであるが、出生体重基準を満たしていたシャオ・アンちゃんも、生後2か月の時点で体重はわずか3キロだった。彼は広東省人民病院の小児科および心臓科に送られ、そこで重篤かつ複雑な先天性心疾患である肺閉鎖症と診断されました。

3月27日、シャオ・アン君は複合現実技術の助けを借りて「心の手術」を受けた世界初の子供となった。

医師らはハイテクMR技術の助けを借りて、手術前のCTスキャンに基づいてシャオアンの仮想3次元心臓画像を再構成し、手術中にそれを手術台の上に投影した。胸部を開いた後、仮想心臓をシャオアンの胸腔内に「配置」し、実際の心臓と重ね合わせた。このようにして、画像のガイダンスに従って、混乱した側副血管を1つずつ見つけ出し、それらをあるべき場所に「移植」した。手術は通常より6時間以上短い4時間強で無事に終了しました。

シャオアンに続き、4歳の男の子レレ（仮名）も救出された。レレは肺動脈閉鎖症、大きな心室中隔欠損症、動脈管開存症、大動脈肺側副血行路形成症も患っている。顔色は青白くチアノーゼ状で、呼吸は短く速く、肺炎を何度も患っている。痩せすぎて2歳児のように見える。レレ君の両親は、多くの病院を訪れたが、どの病院もレレ君の心肺機能は非常に悪く、今も機能不全に陥っており、すぐに危篤になるかもしれないと言った。両親は治療をあきらめるよう提案し、省荘建医療チームがレレ君の家族にとって最後の希望だった。また、複合現実技術の助けを借りて、レレの肺動脈の「幹」と「枝」が修復され、心室中隔が修復され、動脈管が閉じられました。今後、彼は通常の子供と非常によく似た成長と発達を遂げるでしょう。

復号化:
省立病院小児心臓外科部長で省立小児心臓病センター副センター長の温樹生氏は、小安君や楽楽君のような肺動脈閉鎖症は非常に重篤な先天性心疾患であると指摘した。人体の肺動脈血は、木の幹のように右心室から出て、徐々に側枝に分岐して肺に入ります。体内の「使用済み」の酸素の少ない静脈血を肺に送り、呼吸を通じて酸素を補給し、二酸化炭素を除去し、鮮やかな赤色の動脈血となって全身を循環する役割を担っています。肺動脈とその緩やかな分岐がいかに重要であるかがわかります。

しかし、肺閉鎖症の子供は幹のない木のようなものです。側枝は茂みのように無秩序に成長することしかできず、弱い血管に沿って成長します。血液循環は脆弱で非効率的であり、心臓と血管も破壊されます。この状態を治療しないと、心臓と肺は徐々に機能不全になり、子供はすぐに死亡することがよくあります。

かつて、肺動脈閉鎖症の緩和は大手術と考えられていました。胸部の両側を切開し、絡み合った側副血管の「茂み」を見つけて個別に解放し、次に胸部の中央をもう一度切開して、解放された肺動脈に側副血管を 1 本ずつ接続する必要がありました。1 回の手術には少なくとも 10 時間以上かかりました。「朝8時か9時に舞台に上がり、夜8時か9時まで仕事をします」と温樹生さんは言う。最も時間がかかり、難しいのは側副血管を見つけることだ。ただ見つけるだけではなく、それぞれの血管の起源、方向、自由環境などを見つけなければならない。ハイブリッド MR テクノロジーは、この問題を解決するための最も重要な支援です。 ”

ブレークスルー2
3D心臓に「入り込み」、手術前に「ターゲット」を攻撃する

5歳の少女、シャオビン（仮名）も複雑な先天性心疾患の患者で、2年前に心臓手術を受けた。最近、心筋肥大と心臓内血管狭窄が進行し、少し動くだけでもひどい息切れに悩まされるようになった。成長と発育も著しく遅れており、突然死の恐れもある。州立病院の総合心臓血管外科のチームは、この子供は診断後できるだけ早く手術を受けなければならないと認識した。

医療チームはまず、CTデータに基づいて再構成した仮想の三次元小兵心臓を3Dプリントし、肥大した筋束によって引き起こされた左室流出路閉塞であり、肺動脈と右室流出路の吻合部も狭まっていることを確認した。

3月29日の手術中、チームはシャオビンさんの仮想3D心臓画像を手術台に投影した。胸部を開いた後、仮想心臓をシャオビンさんの胸腔内に「配置」し、実際の心臓と重ねた。担当外科医の岑建正教授もヘッドマウントディスプレイ（VRメガネ）を装着し、シャオビンさんの仮想心臓の中に「歩き」、血管をたどり、変形した部分や狭くなった部分を見つけ、血管の閉塞により生じた小さな肉の輪に「触れ」た。研究チームは3つの3D技術の助けを借りて、肥大筋束と狭窄部の解剖学的構造を鮮明かつ直感的に理解し、病変部位を正確に特定し、肥大筋束を正確に除去し、手術前に計画したパッチで狭窄部を広げることができ、小兵さんは救われた。

復号化:
省立病院総合心臓外科科の岑建正主任は、小氷のように2度目の手術が必要な子どもは多いと指摘。最大の問題は、手術を受けた胸腔で、もともと明確に層状だった組織が癒着していることだ。子どもの心臓はもともと小さく、病変部位を見つけるのが難しい。周囲の構造物が多いため、どこまで切るか、どのくらいの材料を使うかなど「地雷原」が多く、手術のリスクが極めて高い。

これまで、こうした子どもたちにとって、心臓血管の異常を確認するためであれ、組織を特定するためであれ、あるいは手術の具体的な内容を知るためであれ、胸を開いて何度も検査しながら手術を進め、段階的に進めるまで待つしかなかった。外科医は、常に「十分に見えない」ことを心配しなければならなかった。

「以前は、このような手術では心臓カテーテル室にとどまることしかできず、決して離れることはできませんでした」と省立病院の心臓カテーテル室主任である黄美平氏は語った。外科医は診断をはっきりと見つけることができなかったため、手術を中断し、心配して彼女に助けを求めた。CT、MRI、心臓カラー超音波のデータが交換され、検証され、手術は手術室の内外で連携して行われた。

現在、術前3Dプリント、ARによる「心臓への進入」、MRによる仮想心臓と実際の心臓の「統合」、全方位ナビゲーション手術などにより、黄美平はついに「オフサイトナビゲーション」の負担を取り除いた。

ブレークスルー3
すべての3D組み合わせは中国製です
3D プリント、AR、MR はいずれも「ブラックテクノロジー」と考えられていますが、臨床医学への応用は、ゲームをプレイするのと同じように仮想世界を体験するほど単純ではありません。

中国医師会胸部循環器部門主任で広東省人民病院院長の荘建氏は、バーチャル技術が医療臨床現場に応用されつつあると指摘した。今年1月には、昨年12月に国際同僚らがAR技術を使って単純な先天性心疾患を治療したとの報道があった。術前3Dプリント、AR「心臓に入る」、MR仮想心臓と実際の心臓「の組み合わせ」という3つのバーチャル技術の組み合わせは、複雑な先天性心疾患の治療に10例近く使われており、これは世界初かつ先駆的な臨床上のブレークスルーである。

荘建がさらに誇りに思っているのは、この世界初の技術であれ設備であれ、それが我が国の完全に独立した知的財産権であるということだ。

同氏は、新しい技術は患者にとってのメリットに強く支えられているため、心臓血管疾患や先天性心疾患の治療をリードする上で非常に価値があると述べた。そのため、同省立病院は早い段階で、経験から得た「ブラックテクノロジー」を医療診断と治療に導入するリーダーになることを決意した。

臨床現場で応用された最も初期の仮想技術は3Dプリント技術である。現在までに、省立病院と珠海の企業が共同で設立した実験室では70個以上の仮想心臓をプリントし、モデリング後に術前および術中のナビゲーションを実現した。「血管は組織に覆われています。以前は、手術の途中で血管を見つけることがよくありましたが、記憶にある解剖学的構造が一致しなくなっていました。血管が見つからないため、手術場外で助けを求めなければなりませんでした」と荘建氏は語った。現在、仮想心臓ナビゲーションにより、途中での撤退や体外循環への切り替えを心配する必要がなく、手術の安全性が大幅に向上しました。

VR仮想現実技術は西安電子科技大学との共同研究で、医師が仮想患者の「心臓」に直接入り込み、複雑な内部奇形を探して観察することができる。手術中の探索で従来のように胸を開いて「ここを切って、あそこを切って」行う必要はない。「複雑な先天性心疾患のほとんどは心臓内奇形です」と荘建氏は言う。患者の心臓へのダメージが少なくなるため、これは非常に重要である。

MR複合現実技術は、省立病院と黒龍江省の企業が協力して開発したアプリケーションです。拡張現実に基づいて、患者の心臓画像を手術野の上に配置してナビゲーションしたり、仮想の心臓を実際の心臓に重ねたりすることもできます。最も細い血管や最も側副血管を探している場合でも、あちこちで組織を分離する必要がなく、位置決めが非常に正確です。

インタビューチーム
「ブラックテクノロジー」は素晴らしいが、患者には一銭もかからない

Q: 「ブラックテクノロジー」が医療に導入された場合、患者はそれに対して料金を支払う必要がありますか?

荘建：3つのバーチャル技術を臨床に応用することで、手術の安全性と精度が大幅に向上し、手術時間が3分の1以上短縮されました。現在、手術費用は時間に基づいて計算されるため、患者は間違いなく費用を節約し、安全になります。新技術の応用には、3Dプリント用の機械や材料のコストのほか、VR機器は1セットあたり約2万元、MR機器は1セットあたり約3万元かかる。これらを合計しても10万元未満であり、このような投資は患者に転嫁されない。

さらに特筆すべき点は、手術時間が大幅に短縮され、手術室の回転速度が加速され、より多くの患者がより早く治療を受ける機会を得られることです。

Q: 業界では「技術は患者の上に成り立つ」と言われています。3つの3D「ブラックテクノロジー」はこの状況を変えることができるでしょうか？

荘建：「技術は患者を通して身につく」というのは本当です。特に、病変の解剖学的構造が複雑で、外科的治療に極めて高い精度が求められる複雑な先天性心疾患の分野ではそれが当てはまります。かつては、若い医師が熟練するには、標本のシミュレーションとトレーニングを繰り返す8〜10年かかるのが普通でしたが、心臓病の標本は例外的に不足していました。たとえ手術の機会があったとしても、心臓専門医は、手術が常にB超音波、CT、MR、血管造影の結果に大きく依存していることを知っていた。それらの2次元および断層構造は、医師の解剖能力と空間位置感覚をテストします。手術前にコンピューターで3次元再構成画像を記憶していたとしても、10時間の手術の後には、記憶は当てになりません。

現在では、3D プリントされた仮想心臓、AR 仮想心臓画像、MR 複合現実画像により、経験と感覚だけに頼ることなく、病変のサイズ、位置、隣接関係をはっきりと確認しながら心臓の解剖学的構造を外科医に 1 つずつ提示できるようになりました。若い医師が十分に勤勉に標本で練習する限り、全く問題はないと言えるでしょう。

Q: 次はどんな新しい進歩が期待できますか?

荘建：まず、バーチャル技術の精度が向上します。現在、バーチャルと物理的な心臓血管システムは基本的に一致しています。次のステップは、画像データのソースを拡大することです。3次元再構成にCTデータのみに依存するのではなく、超音波画像データも統合します。

2つ目は、症例標本ライブラリの設立です。前述のように、複雑な先天性心疾患の標本は稀であり、症例が鍵となります。現在、省立病院の2万件以上の症例が欧州データベースに保存されています。今後は、独自のデータベースの構築、症例の作成と収集、仮想の物理標本の印刷に努め、臨床医師のより迅速かつ効果的なトレーニングと教育を実現します。現在、私たちは複雑な心臓手術のためのビッグデータ評価システムを検討しています。将来的には、このシステムによって、どのような病変を手術できるのか、どのような効果が得られるのか、長期的な問題をどう防ぐのかといった意思決定の判断ができるようになるでしょう。その頃には、若い医師もベテラン医師になれるでしょう。

また、3Dバーチャル技術は現在、心臓病学、脳神経外科、整形外科、呼吸器科などで試行されており、次のステップではより多くの構造的病変への応用が期待されています。

長期的には、3D プリント素材の段階的な擬人化を検討しています。一方ではバイオ人工心臓が期待でき、他方ではシミュレーションによる外科手術のトレーニングでより有用となるでしょう。「私は個人的に、金属であれ生物であれ、擬人化シミュレーション3Dインプラントソフトマテリアルも我が国の独立した知的財産権となることを望んでいます。」

用語集
複合現実技術 (MR):特殊なヘッドマウントディスプレイを通じて現実世界と仮想世界を融合し、物理的な実体と仮想情報の両方を含む新しい視覚環境を作り出し、ユーザーは仮想情報をリアルタイムで操作できます。

使用シナリオ: 複合現実メガネをかけている限り、いつでもあらゆる方向の 3 次元モデル、さらには仮想心臓の内部を観察し、手術台上でリアルタイムにナビゲートできます。コストは増加せず、手術時間を短縮し、手術結果を向上させ、合併症を減らすことができるため、コストを削減できます。

仮想現実技術 (AR):ユーザーがヘッドマウントディスプレイを装着すると、ヘッドマウントディスプレイ内の仮想世界に完全に没入し、自分自身を動かすか、対応するコントロールハンドルを使用することで、仮想世界内を移動したり回転したりできるようになります。

使用シナリオ: 無限に拡大でき、外科医は心臓の中に入り込んで観察することもできます。心臓内部の複雑な変形については、拡大して心臓の中に入り、内部の変形を詳細に観察することで、外科医は解剖学的情報をより深く理解し、手術計画を立てることができます。しかし、現実世界を同時に観察することはできないため、コストを増やさずに手術中にリアルタイムで使用することはできません。

3Dプリント技術： 2次元断層画像をリモデリング・着色することで、3Dプリンターで現状に即したモデルをワンステップで製作します。

使用シナリオ: 実際のモデルを入手し、モデル上で外科手術をシミュレートし、さらにシミュレートされた手術後にモデルを実験に送信して、シミュレートされた手術の結果を評価し、最適な解決策を決定します。しかし、3D モデルの作成には現時点ではコストがかかります。

出典：広州参考·広州日報

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