AI と 3D プリントはどのように患者を助けることができるのでしょうか?デジタル医療の専門家の意見

この投稿は Little Soft Bear によって 2017-3-29 15:04 に最後に編集されました。

人はそれぞれ独自の体を持っており、病気の原因も人によって似てはいますが異なります。診断を通じて病気がどこにあるのか、どのように起こるのか、どのように治療するのかを正確に知ることができる「精密医療」は、私たち一人ひとりが切望するものです。医学の歴史は、精度の向上に向けての絶え間ない進歩の歴史です。100年前には聴診器、3種類の従来型メス、止血鉗子がありました。80年前には肺や関節の変化を明らかにできるX線がありました。40年前にはCTに進化し、今日ではMRIカラー超音波、ロボット、PET-CT、3Dプリント技術、低侵襲手術、手術ナビゲーション、遠隔医療があります。デジタル医療がもたらす精密治療は、間違いなく新たな成長ポイントとなるでしょう。デジタル人体を持つ現在、国内のデジタル医療画像市場の中高級シェアは多国籍企業によって独占されています。山東省のデジタル医療の台頭と推進により、世界進出の始まりを迎えています。では、医師は人工知能をどのように活用して患者を診断し、治療するのでしょうか? 2017年3月15日、第1回青島大学付属病院デジタル医療と臨床3Dプリント学術セミナーが開催されました。青島大学付属病院の董千副院長、牛海濤副院長兼科学研究管理部長、李煥廷副院長兼医学部長などの専門家の司会のもと、初めてデジタル医療の応用が体系的かつ鮮明に説明されました。
デジタル医療は正確な「軍事地図」を描く
△ 陸雲（青島大学デジタル医療・コンピュータ支援手術研究所副所長、山東省デジタル医療・コンピュータ支援手術重点実験室副所長、青島大学付属病院総合外科副部長）
青島大学付属病院とハイセンスメディカルが共同開発したHisenseENDO仮想内視鏡表示システムは、CT画像データを組み合わせ、仮想内視鏡システムを通じて消化管腫瘍の3次元デジタルシミュレーション画像を作成し、消化管腫瘍発生部位の早期かつ正確な「位置決め」を実現します。同時に、大量のデータ分析を通じて、良性腫瘍と悪性腫瘍のCT画像特徴の違いをインテリジェントに比較し、臨床医がより客観的な腫瘍の定性的、さらには定量的な分析を実施できるように支援し、良性腫瘍と悪性腫瘍の自動検出と区別、良性および悪性消化管腫瘍の自動識別、および腫瘍の非侵襲的な「定性的」診断を実現し、良好な臨床結果を達成しています。陸雲教授は第12回国際胃癌会議（IGCC）から正式な招待を受けており、今年4月に開催される世界胃癌会議でこの研究に関する基調講演を行う予定です。

同時に、陸雲教授率いる研究チームは、ハイセンスCASシステムを使用して、消化管腫瘍の対応するHENLE血管の視覚的な3次元再構成とシミュレーションを行いました。手術前に腫瘍周辺の血管の経路と変化を正確に判断し、周囲の血管の詳細な3次元再構成結果に基づいて、根治的胃切除術、右半結腸切除術などの手術方法と洗浄範囲を決定することができます。これは、手術前に外科医に正確な「軍事地図」を描くようなものです。安全な切除を確実にすることを基本として、正常組織を可能な限り保存し、術中の外傷を軽減することで、正確な手術を実現し、真に「低侵襲」治療を実現し、患者の術後回復を効果的に加速します。現在、彼らのチームによる消化管腫瘍のヘンレ幹の詳細な分類は、国際的に有名な医学雑誌に掲載され、応用されています。
人工知能が精密な手術を可能にする △ 陳勇建（ハイセンス医療研究開発部副部長、医療画像研究所所長、青島大学デジタル医療・コンピューター支援手術研究所副所長）
さて、治療のために病院に行くと、病状が少し複雑な場合は、医師がレントゲン撮影をするように指示します。これらのフィルムは個々の患者の体のスクリーンショットであり、非常に抽象的です。一般的に、放射線科医は、独立した診断を行えるようになるまでに、学校で 5 年間の研修を受け、さらに病院の画像診断部門で数年間の研修を受ける必要があります。そして臨床医には、これらのフィルムを理解できることが求められています。ここで問題が浮上します。誰もが有名な医師を見つけるために有名な病院に行こうとしますが、優秀な医師のリソースは結局のところ限られています。ディープラーニングとビッグデータ分析に基づく人工知能技術は、これらの問題を完璧に解決できます。

肝胆道腫瘍の手術計画を決定するには、医師は腫瘍の境界と、腫瘍が血管を圧迫しているのか、浸潤しているのか、それとも単に血管に隣接しているのかを明確に把握する必要があります。これにより、異なる手術計画が立てられます。人工知能システムは、ビッグデータ分析の結果に基づいて、これらの抽象的な画像から、腫瘍の具体的な境界、腫瘍の体積、肝臓の体積、肝臓の境界、静脈、門脈、動脈などの周囲の血管、胆管と腫瘍の関係などを抽出し、完全に透明になったブラックボックスのようなものを医師に提示します。自動的に計算される残肝容積と肝臓の割合は、手術の要件と一致しています。これらの指標は、手術が実行可能かどうか、手術後に深刻な合併症が発生するかどうかに関連する非常に重要なパラメータです。

これは青島大学付属病院とハイセンスメディカルが共同で開発したCASコンピュータ支援システムです。いわゆる精密手術とは、人工知能に基づくコンピューター支援手術技術を使用して、医師が最適な手術経路を計画するのを支援し、患者への外傷を最小限に抑え、患者の回復を最大限に加速することです。

デジタル画像の時代が到来△徐文建（青島大学付属病院放射線科部長、山東省医師会デジタル医療支部副会長）
現在の医療検査は主に細胞が変性したり癌化した後に行われていますが、細胞が癌化する前の医療診断には、よりデジタルで精密な検査と診断が必要です。これは、デジタル医療画像時代に対する徐文建氏の期待でもある。

レントゲンのX線の発見は、放射線医学の発展の基礎を築きました。その後100年間、さまざまな新しい画像技術が継続的に登場し、改良され、放射線医学は単純なX線画像から、CT、MRI、超音波、核医学、コンピューター放射線撮影（CR）、デジタル放射線撮影（DR）などのデジタル画像技術を含む現代の画像段階へと発展しました。画像技術の向上は、思考パターン、作業プロセス、管理方法など、一連の変化と課題も引き起こしました。1970年代初頭のCTの登場は、伝統的な放射線医学が現代の画像の時代に入ったことを示す革命的な象徴となりました。その後、さまざまな画像技術が徐々に登場しましたが、根本的な進歩は画像医療のデジタル化であり、医療画像の急速な発展の時代を迎えました。

徐文建氏は、医療画像の発展と進歩により医師の診断レベルが大幅に向上し、画像に基づく予備診断は手術計画の設計に直接影響を及ぼし、予後にも関係していると述べた。しかし、現在一般的に使用されているさまざまな画像データは、異なるレベルの情報しか反映できません。さまざまな画像検査にはそれぞれ長所と短所があり、単一のモダリティ画像で正確な診断を行うことは困難です。分子イメージングに代表されるデジタルイメージング医療は、イメージングの未来であり、早期かつ正確な検出、位置決め、定性分析、ステージング、グレーディングを実現し、既存の情報をさらに掘り下げて、高感度、高特異性、高精度のイメージングを実現し、精密医療の時代を先導します。

鼻から脳に刺さった箸。デジタル医療が子供を救った。 △江燕（青島大学付属病院耳鼻咽喉科・頭頸部外科部長）
2月19日夕方、莱西市の1、2歳の男の子が食事中に遊んでいるときに誤って転倒し、手に持っていた箸2本が鼻腔に刺さり、1本は鼻腔から眼窩に突き刺さり、もう1本は頭蓋骨に突き刺さった。彼は青島大学付属病院に搬送された。青島大学付属病院耳鼻咽喉科の江燕主任が患者を一晩診察したところ、右側の箸の先端は脳の前頭葉と血管に近く、左側の箸の先端は眼球から2〜3ミリ離れていることがわかった。低侵襲除去の際、箸が血管を突き刺せば極めて危険だ。

この時、三次元再構成画像と3Dプリントが役に立った。同病院は最近、半島で初めて先進的な電磁ナビゲーション装置を導入し、運用を開始したばかりだった。脳の三次元再構成技術と組み合わせることで、手術中に箸の位置を正確に特定することができ、医師が手術を成功させるのに大きく貢献した。まず、3次元再構成画像を使用して、箸が脳に挿入された場所を立体的に表示しました。血管の分布や箸の位置までもが明らかになりました。次に、3Dプリント技術を使用して患者の頭部のモデルを印刷し、医師が手術部位をより明確に観察できるようにしました。表示されたナビゲーションに従って、2本の箸を無事に取り除きました。医師は骨片を取り除き、人工組織と鼻粘膜弁を使用して患者の頭蓋底の骨欠損を修復した。その結果、子供は危険から脱した。

江燕氏の意見では、デジタル3次元再構成は頭蓋底手術に大きな進歩をもたらしました。初心者が2次元のボトルネックを克服し、3次元の空間画像を構築するのに役立ちます。医師は手術前に階層シミュレーションと多角度観察を使用して、手術計画の設計と患者とのコミュニケーションを容易にすることができます。内視鏡頭蓋底手術のトレーニング曲線を短縮することもできます。3Dプリント技術は頭蓋底の再構成も可能にします。

肋骨がなくても、3Dプリントで再建できる△ 焦文傑（青島大学付属病院胸部外科部長・博士課程指導者）「3Dプリント技術は、伝統医学を個別化、精密、低侵襲、迅速性の時代へと導いた」と焦文傑は語った。 2016年4月、唐渡病院胸部外科は、3Dプリントされたチタン合金製肋骨プロテーゼインプラントを使用した初の胸壁再建手術を成功させました。患者が入院した後、肺の右上葉の扁平上皮癌が局所胸壁に浸潤していることが確認されました。従来の外科手術では、肺腫瘍組織や浸潤した肋骨などを除去する必要がありました。手術後の胸壁の過度の欠損は、胸の虚脱や異常呼吸などの合併症を引き起こす可能性があります。肋骨の人工物をどのようにカスタマイズし、胸壁を再建するかは、解決すべき緊急の課題です。その後、病院は3Dプリントされたチタン合金の肋骨プロテーゼを使用して胸壁を再建した。手術前に、患者の3D CT再構成データと腫瘍の位置に基づいて外科的切除の範囲を決定し、胸部モデルと肋骨プロテーゼを樹脂材料で出力し、手術シミュレーションを実施しました。実現可能性を確認した後、チタン合金の肋骨プロテーゼを出力しました。正確でターゲットを絞った手術計画が詳細に策定された後、2016年4月に手術が成功しました。手術前に3Dプリントされた樹脂モデルの手術シミュレーションを行っていたため、手術計画は個人に合わせて調整され、手術中の出血量はわずか50mlでした。

現在、青島大学付属病院胸部外科における3Dプリントの実践も実り多い成果を上げており、胸腔鏡による右上葉二重スリーブ切除術、ダヴィンチロボットによる右上葉スリーブ切除術、ダヴィンチロボットによる左全肺切除術および塞栓術に応用されている。 2015年1月以来、焦文傑氏のチームは中国で最初の古典的なロボットによる片側スリーブ肺葉切除術を完成し、気管・気管支再建の分野で豊富な経験を積んできました。2016年3月には、さらに非常に困難なダヴィンチロボットによる両スリーブ肺がん根治切除術を成功裏に完了しました。手術チームはロボットを用いた左上葉の二重スリーブ気管支肺動脈切除術を実施し、腫瘍を最大限に治癒させながら左下葉を温存することに成功した。患者は回復し、手術後6日目に退院した。これは上海胸部病院に次いで国内/世界で2番目のロボットによる両スリーブ状肺がん根治切除術であると報告されている。

脊椎手術は刃の上で踊る△ 馬雪暁（青島大学付属病院脊椎外科部長、山東省外傷整形外科研究所所長）
脊椎は骨髄に関わっており、手術が少しでもずれると、片麻痺などの重大な危険を患者に引き起こす可能性があります。そのため、脊椎手術を行うたびに、医師は手術の過程を繰り返し研究し、シミュレーションする必要があります。CAS コンピューター支援システムと 3D プリントの応用は、脊椎手術に強力な武器を提供します。馬雪暁はかつてこの技術を使って脊椎骨折の患者の手術を成功させたことがある。患者は交通事故後5日間胸部と背中に痛みを感じていました。身体検査では、脊椎の屈曲と伸展が制限されており、損傷は深刻でした。手術中に少しでもミスをすると、重度の下半身麻痺につながる可能性があるため、手術の精度は非常に高い。多くの病院は手術を推奨していないが、馬雪暁氏は患者の体内に変形した脊椎が残ることを許容できない。脊椎の損傷をあらゆる方向から観察するため、医師は患者の3Dプリントモデルを作成した。「手術中にモデルを脇に置いておくと、より鮮明な画像が得られます。」馬雪暁氏は、印刷された脊椎モデルの助けにより、手術は最終的に非常に成功したと語った。

22 歳の患者が、脊柱の錐体部とその周囲に巨大な腫瘍があると診断されました。この巨大な胸部および腰部の腫瘍を緊急に切除する必要がありましたが、従来の 2 次元画像データで得られる情報は非常に限られていました。腫瘍と円錐の関係を全方向から観察し、手術計画を立てるために、医療スタッフはCASコンピューター支援手術システムを使用して、患者の脊椎の3次元再構成と術前手術シミュレーションを行い、医師が患者の状態を正確に把握し、手術を成功裏に完了できるようにしました。馬雪暁氏は、脊椎の解剖学的構造はより複雑で、個人差が大きく、重要な組織や臓器に隣接しており、複雑な関係にあると述べた。外科手術には高度な精度と個別化が求められるため、3D プリントとコンピューター支援手術システムは、脊椎手術における新技術の開発を促進する上で非常に重要です。技術の発展と進歩に期待を寄せる馬雪暁氏は、3Dモデルプリントが整形外科手術ロボットの応用を促進し、手術の精度をさらに向上させると考えています。さらに、ガイド印刷、生体内インプラント印刷、吸収性材料印刷などの新しい印刷技術の応用がますます広がっています。

顎が醜い？デジタル医療はあなたをより美しくする
△袁栄涛（青島大学付属病院口腔顎顔面外科副部長）下顎の発育不全を患う若い女性は、口が「鳥のくちばし」のようになってしまい、とても困惑していました。青島大学付属病院は、デジタル医療技術と3Dプリント技術を使用して患者の口腔および顎顔面外科手術を行い、患者をより美しくします。袁栄涛氏は、これがデジタル医療によってもたらされた変化だと語った。 3Dプリントと組み合わせたデジタル3次元再構成は、顎顔面骨の3次元解剖学的構造と病変との空間関係を包括的、直感的、正確に表示し、下歯槽神経や上顎洞底などの重要な解剖学的構造を明確に表示できるため、口腔および顎顔面外科で広く使用されています。現在広く使用されている歯科インプラント技術を例にとると、デジタル3次元再構成により患者の下歯槽神経を明瞭に表示することができ、手術中にインプラントが神経を損傷して引き起こす下唇麻痺を効果的に回避し、精密な手術を行うことができます。さらに、3D技術は、下顎チタンプレート印刷、上顎チタンメッシュ印刷、インプラント印刷にも応用できます。

3D プリントと組み合わせたデジタル 3 次元再構成は、外科手術の現場でもさまざまな用途に使用されています。別の女性患者の左下顎エナメル上皮腫も、この技術の指導のもとで無事に除去されました。手術では、患者の病変部の一部を切除し、下顎欠損部に自家腓骨を移植した。印刷された下顎模型の助けを借りて、医師は下顎欠損を修復するための二重腓骨手術を成功裏に実施しました。袁栄涛氏は、口腔外科手術における3Dプリントと組み合わせたデジタル3次元再構成の応用はますます広まっていくだろうと述べた。例えば、義歯部門では義歯の印刷に、矯正部門ではパーソナライズされたブラケットやブラケットを使用しない目に見えない矯正技術に活用できます。「将来的には4Dプリントや5Dプリントが登場するでしょう。」彼は、4Dプリントには3Dプリントに比べて時間の次元が追加されていると紹介しました。モデルと時間はソフトウェアによって設定され、変形可能な材料は設定された時間内に必要な形状に変形されます。最も重要なのは記憶合金です。5Dプリンティングでは、生物材料を印刷材料として使用します。たとえば、遺伝子印刷では人間の臓器を成長させることができ、変形するだけでなく機能を変えることもできます。

微小血管の超微細構造が病気を予測する<br /> 痛風、高血圧、糖尿病、末梢血管疾患…高齢化社会はさまざまな疾患の急増をもたらし、その病因は微小血管の超微細構造の病変につながります。では、病気の早期予測のために、微小血管の3次元超微細構造を測定できる装置を開発することは可能でしょうか?青島大学デジタル医療・コンピュータ支援外科研究所の于其悦博士は、微小血管三次元超微細構造測定システムの現在の研究開発状況を紹介した。彼らは、非侵襲性の動的微小血管三次元超微細構造測定装置の開発、微小血管超微細構造と疾患の関係の研究、そしてヒトの微小血管超微細構造と疾患の大規模データベースの構築に取り組んでいます。非侵襲的で便利な病気の予測、治療のモニタリング、臨床評価などを通じて、デジタル医療産業の発展を促進します。将来的には、微小血管の三次元超微細構造測定装置は、病気の早期予測、病気の重症度分析、診断と治療過程の検出、医療美容などに広く使用されるようになるでしょう。

3Dプリントの精度は0.05mmに達することができます<br /> 青島大学デジタル医療・コンピューター支援外科研究所の医師、夏南氏は、医療用3D再構成と3Dプリントには3つの利点があると述べた。
1 つ目は、より直感的であることです。従来の 2 次元医療画像と比較して、3 次元画像はさまざまな組織、臓器、血管、病変組織間の空間関係をより直感的に表示できるため、医師や患者は一目で病状を理解することができます。
2 つ目は、より正確であることです。医師は、患者の 3 次元画像や 3 次元印刷モデルに基づいて、個別の手術計画、手術ガイド、または特定の手術器具、インプラントなどを設計できます。
3つ目は、効率性が高いことです。術前の準備や手術ガイドの製作に3Dプリントモデルを使用すると、手術時間を節約し、手術のリスクを軽減できます。

Hisense CAS 医療用画像 3D 再構成ソフトウェアは、肝臓、腎臓などの組織や臓器、末梢動脈や静脈の 3D 再構成、腫瘍や異物などの病変部と正常組織の分離と再構成、骨折や骨欠損などの骨の 3D 再構成を行うことができます。また、Maya や Autodesk などの 3D モデリングソフトウェアと組み合わせて、ガイド、ステント、その他のパーソナライズされた手術補助機器を設計することもできます。

出典：青島イブニングニュース

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