美容鼻形成術のワークフローへの拡張現実（AR）導入プロトコル

Amy Wang; Joaquin Austerlitz; Andreja Radevic; Alexander Barna; Michael Topf; Shiayin Yang

doi:10.3791/71617

方法論記事

美容鼻形成術のワークフローへの拡張現実（AR）導入プロトコル

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DOI:

10.3791/71617

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2026年9月25日

Amy Wang¹^,² , Joaquin Austerlitz³ , Andreja Radevic³ , Alexander Barna⁴ , Michael Topf³ , Shiayin Yang¹

¹Division of Facial Plastic and Reconstructive Surgery, Department of Otolaryngology – Head & Neck Surgery, Vanderbilt University Medical Center, ²John Sealy School of Medicine, University of Texas Medical Branch, ³Department of Otolaryngology – Head & Neck Surgery, Vanderbilt University Medical Center, ⁴Head & Neck Institute, Cleveland Clinic

この記事について

サマリー

本プロトコルでは、術中の視覚化を向上させ、外科的な意思決定を容易にするために、拡張現実（AR）と3次元ホログラフィックイメージングを美容鼻形成術のワークフローに統合する方法について解説します。

要約

美容鼻形成術では、患者が希望する審美的な結果を得るために、術中の参照画像に依存することがよくあります。しかし、これらの画像は通常2次元（2D）形式で表示されるため、3次元（3D）の鼻腔解剖学的構造が過度に単純化され、術者は手術野から注意をそらす必要があります。拡張現実（AR）技術は、患者固有の3Dホログラフィック画像を術者の視野に投影し、リアルタイムの空間可視化を提供することで、これらの限界を解消できる可能性があります。本記事では、3D顔面イメージングシステムとヘッドマウント型複合現実ディスプレイを用いて、美容鼻形成術のワークフローにARを統合するためのプロトコルについて説明します。術前に3D顔面画像を取得し、患者と共同でモーフ処理を行って希望する術後結果を再現し、それをホログラフィックモデルとして書き出した後、術中に手術野と視覚的に比較するために表示します。このプロトコルは手術ワークフローに正常に組み込まれ、術者は術前計画および術中評価において、実空間でホログラフィックモデルを操作することができました。本プロトコルは、美容鼻形成術にARを取り入れるための再現可能なワークフローを提供し、術中の可視化を向上させ、外科的な意思決定をサポートし、術前計画と術中の解剖学的構造との比較を容易にする可能性があります。

概要

患者との術前の共同意思決定は、美容鼻形成術における重要な要素であり、術式に対する患者の目標を理解しつつ、潜在的な美容的結果をシミュレーションすることが含まれます。フォトシミュレーションは、現実的に達成可能な内容を伝えながら、患者と外科医の両方が希望する手術結果を視覚化することを支援します。モーフ画像はしばしば術中に参照されますが、これらの参照画像は通常、紙に印刷されるかコンピュータ画面に表示されるという2次元（2D）形式で提示されます。これらの2D形式は、鼻の複雑な3次元（3D）解剖学的構造を過度に簡略化するだけでなく、外科医が術野から注意をそらす必要があるという問題もあります¹^,²。

拡張現実（AR）技術は、レンダリングされた3Dホログラフィック画像を外科医の視界に直接投影し、リアルタイムの空間的可視化を提供することで、これらの制限を解消できる可能性があります。ARはコンピュータ生成画像と現実世界の環境を組み合わせたものであり、術中の可視化を向上させ、外科的ワークフローを促進するために、顔面外傷の再建³^,⁴、頭蓋顎顔面外科⁵、および小耳症の再建⁶などの顔面形成外科に応用されてきました。しかし、美容鼻形成術におけるARの応用は依然として限定的です。顔面外科および鼻形成術におけるARおよび混合現実技術の新たな応用について記述した最近の研究には、症例報告や小規模なケースシリーズが含まれています⁷^,⁸^,⁹^,¹⁰。

先行研究において、我々は複合現実ヘッドマウントディスプレイ（Microsoft HoloLens 2; Microsoft Corporation, Redmond, WA, USA）を用い、遺体標本に対して2件のARガイド下鼻形成術を完遂しました。続いて、6名の患者を対象としたARガイド下美容鼻形成術の実現可能性に関する概念実証研究を行いました⁹。本プロトコルでは、術中のホログラフィックガイダンスのための視覚化プラットフォームとして、ヘッドマウント複合現実ディスプレイ（Apple Vision Pro; Apple Inc., Cupertino, CA, USA）を採用しています。以降、本デバイスをヘッドマウントディスプレイ（HMD）と表記します。本稿では、術中の視認性を向上させ、術前計画と術中の解剖学的構造との比較を容易にするために、美容鼻形成術のワークフローにARを統合するプロトコルを提示します。このARシステムは、自動レジストレーション機能を備えたARガイダンスシステムではなく、視覚的な参照として機能します。本プロトコルで述べる技術は、手術計画と術中視認性の両方に活用可能です。3Dホログラフィック画像は術中に手動で再配置できるため、ユーザー主導でAR体験をカスタマイズすることが可能です。

プロトコル

本プロトコルは、ヴァンダービルト大学医療センターの制度的レビューボード（IRB承認番号 #241657）のガイドラインに従い、同センターにて実施されました。すべての参加者は、術前のおよびモーフィングされた3Dホログラフィック画像の投影を容易にするためのAR技術の術中利用への同意を含む、書面によるインフォームドコンセントを参加前に提供しました。すべての患者データは匿名化されました。患者は、フォトリアルなレンダリング機能を備えた3D顔面イメージングシステムを用いた、標準的な術前評価および写真撮影を受けました。組み入れ基準は、美容目的の鼻形成術を受ける18歳以上の患者としました。

1. 3Dフォトキャプチャ

製造元の指示に従い、3D顔面イメージングシステムをセットアップし、キャリブレーションを行います。
関連するワークステーションで画像取得ソフトウェアを開きます。
新しい患者レコードを作成し、必要な患者識別情報を入力します。
顔面キャプチャモードを選択して、新しい3D画像取得ページを開きます。
患者を直立して座らせ、頭部をフランクフルト平面に合わせた状態で、カメラに向かせます（図 1）。
3つのカメラビューすべてに表示される緑色の基準線内に、患者の目をできるだけ正確に合わせます（図 2）。
3D顔面画像をキャプチャします。
取得した画像がレンダリング環境に自動的に読み込まれていることを確認します（図 3）。
画像を保存し、後に作成するモーフィング画像と区別できるようにファイル名を変更します。

三脚を用いた3Dスキャンのセットアップ。光学システムを使用してオブジェクトのデジタル化を行う。
図1： 三次元顔面画像システムのセットアップ。 術前の画像取得に使用される三次元顔面画像診断システム。画像撮影前に、患者は直立して座り、カメラシステムに向き合い、頭部をフランクフルト平面に合わせる必要がある。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

Vectraシステムを用いた3D顔面マッピングプロセス：正確な解析のための診断画像セットアップ。
図2： 三次元画像取得時における患者のアライメント。 画像キャプチャ前の正しい患者ポジショニングを示す代表的なアライメントインターフェース。標準化された三次元顔面画像の取得を確実にするため、すべてのカメラビューにおいて、患者の両眼がリファレンスガイド内に配置されていなければならない。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

3D顔面モデリングプロセス、Vectraソフトウェアインターフェース、デジタル再構成技術。
図3: 3次元顔面レンダリングおよびモーフィングインターフェース。術前の画像修正に使用される代表的な3次元顔面レンダリング環境。赤色の円は、ホログラム生成用に3次元モデルをエクスポートする前に、希望する美容的結果をシミュレートするために使用される鼻形成術モーフィングツールを示している。こちらのリンクをクリックして、この図の拡大版を表示してください。

2. 画像のモーフィング

レンダリング環境内で鼻形成モーフィングツールを選択します（図 3）。
患者と相談しながら、希望する美容的結果を反映するように画像をモーフィングします。
修正した画像を、固有の名前を付けて新しいファイルとして保存します。
注：顔面モーフィングソフトウェアは手術計画を目的としており、作成されたモデルはその後、実験的な3D術中可視化に使用できます。

3. 3D画像のエクスポートとファイル形式の変換

画像の書き出し
1. 患者ホーム画面で、術前のベースライン画像を選択します。
2. 左上隅にある書き出しアイコンを選択し、3D解析環境で画像を開きます。
3. ドロップダウンメニューから [File] を選択し、次に [Export] を選択します。
4. 術前の3D画像を .obj ファイルとして書き出します。
  注：画像を書き出すと、対応する .mtl ファイル1つと .jpg ファイル3つ（各カメラビューから1つずつ）が自動的に生成され、選択した書き出し先に保存されます。
5. 形態変化させた審美的目標画像についても、同様に書き出し手順を繰り返します。
  注：患者1人につき、合計10個の書き出しファイル（術前モデル用5ファイル：.obj 1つ、.mtl 1つ、.jpg 3つ、および形態変化させた審美的目標モデル用5ファイル）が必要です。すべてのファイルは、患者固有の識別子を含むフォルダに保存してください。
6. オンラインホログラム管理プラットフォームにアップロードする前に、書き出した各3Dモデルを .glb 形式に変換します。
  注：最終的な .glb ファイルのサイズは 2 MB から 10 MB の間である必要があります。同等のファイル変換ソフトウェア、または同じ出力を生成するより新しいバージョンのソフトウェアも使用可能です。
.glb 形式への変換とファイルサイズの削減
1. .obj ファイルをコンピュータ支援設計（CAD）ソフトウェアのプロジェクトにインポートします。
2. モデルを新しい .obj ファイルとして、関連する .mtl ファイルおよび3つの .jpg ファイルが含まれる同じフォルダに書き出します。
3. レガシー .obj インポートオプションを使用して、書き出した .obj ファイルをオープンソースの3Dモデリングソフトウェアプロジェクトにインポートします。
4. インポートしたオブジェクトを選択し、.glb ファイルとして書き出します。
5. 書き出し時に、[Include] 内の [Selected Objects] を有効にします。
6. 書き出し前に、[Mesh] 内で [Apply Modifiers] を有効にし、[Shape Keys] と [Animation] を無効にします。
7. その他の書き出し設定はすべてデフォルト値のままにします。
  注：書き出したファイルが 11 MB を超える場合、正しくロードされない可能性があります。
8. 必要に応じて、3Dモデリングソフトウェア内で Decimate モディファイアを適用し、ファイルサイズを削減します。
9. デシメーション比率を 0.05 から 0.2 の間に調整して、ファイルサイズを削減します。
  注：経験上、この範囲ではモデルの忠実度に顕著な影響はありませんでした。必要に応じて、より高い比率を使用しても構いません。
  注意：書き出し時の圧縮を有効にしないでください。圧縮されたモデルは HMD 内で正しくロードされない場合があります。
10. 書き出し後、ファイルを右クリックして [プロパティ] を選択し、アップロード前に最終的なファイルサイズが 2 MB から 10 MB の間であることを確認します。
オンラインホログラム管理プラットフォームへの画像のアップロード
1. オンラインホログラム管理プラットフォームにログインします。
2. [Add] アイコンを選択し、次に [New Patient] を選択して、新しいスキャンを作成します。
3. スキャン日に基づいて患者識別情報を入力します（例：YYYY-MM-DD_RHINOPLASTY）。
4. 患者の性別を選択します。
5. 新しいケースを作成し、ケースにタイトルを割り当て、対応するホログラムファイルをアップロードします。
6. アップロードされたファイルの隣にあるチェックボックスを選択し、アップロードを確認します。
  注：ランダムな患者名が自動的に生成され、アップロードされたスキャンに関連付けられます。

4. ヘッドマウントディスプレイ（HMD）の使用方法

注：手術室で使用する前に、HMDの操作に習熟しておいてください。手術中の中断を最小限に抑えるため、術前に執刀医と助手の両名でHMDのテストを行ってください。

HMD内でのホログラムの展開
1. HMDにホログラフィックモデルをインストールした後、ホログラム閲覧アプリケーションを開きます。
2. アプリケーションにログインし、ランダム化された患者名で識別される適切な患者フォルダを開いてください。
3. 術前のホログラムファイルを一度選択します。
  注意：ファイルの選択を繰り返さないでください。モデルが正常に読み込まれない可能性があります。
4. ローディングインジケーターが完了し、ファイルインジケーターが青色に変わるまで待機します。
5. 術前3D画像のホログラムが、通常は右側の視野内に表示されていることを確認してください。
  注：ファイルインジケーターが青色に変わってもホログラムがすぐに表示されない場合は、モデルが見つかるまで周囲の空間を探索してください。
6. 変形させたコスメティック目標画像のホログラムをロードする手順を繰り返します。
7. 術中での使用前に、両方のホログラムの方向およびスケールの忠実度を確認してください。
  注：モデルの読み込みに成功したにもかかわらず表示されない場合は、圧縮せずにモデルを再アップロードしてください。推奨ファイルサイズにするため、メッシュ削減のみを用いてファイル変換ステップを繰り返してください。ホログラム閲覧アプリケーションで再認証が必要な場合は、HMD内に表示される認証コードを使用してログイン手続きを完了してください。HMD着用中は、別の人物に補助を依頼するとスムーズに行えます。ユーザーがログイン状態を維持している限り、再認証は通常、初期セットアップ時にのみ必要となります。
ホログラムの操作
1. 親指と人差し指をつまむようにしてホログラムを手動でリサイズ、再配置、および回転させ、術野に対する目的の位置に配置します。
2. 必要に応じて、位置合わせを容易にするために両手での操作を行ってください。
3. 配置後、ホログラムの向き、スケール、および視界内での位置が固定されたままであることを確認してください。
  注：ホログラムは手動で調整しない限り固定されたままであり、ユーザーは拡張現実（AR）環境を任意にカスタマイズすることが可能です。
症例準備
1. 手術の前に、ホログラム閲覧アプリケーションにホログラムをロードしてください。
2. 術前およびモーフ後（修正後）の美容目標ホログラムを開き、AR（拡張現実）内に配置します。
3. 環境
4. 手順を開始する前に、ホログラムの操作、リサイズ、およびシステム全体の機能を確認してください。
5. 手術中にHMDを装着した際にすぐに利用できるよう、ホログラムを開いたままにしておいてください。
6. 術前に、HMDを外科医の目に合わせてキャリブレーションしてください。
  注：各手順の前にHMDのキャリブレーションを行ってください。術中、外科医がスクラブ状態を維持したままホログラムを確認したい場合は、助手がHMDの装着および取り外しを補助することがあります。
HMDの術中における使用
1. 手順の開始時にHMDを装着し、術前計画時に術前ホログラムおよびモーフィング済みホログラムを確認してください。
2. 鼻の美容整形手術において、必要に応じてHMDを使用してください。
3. すべての切開部位を閉じた後、再びHMDを装着し、患者の鼻とモーフ処理を施した美容的な目標状態を比較します（図4).

手術室で滅菌手袋を着用し、VRヘッドセットで拡張現実手術を行う外科医。
図 4: ヘッドマウントディスプレイの術中利用。美容鼻形成術における患者固有のホログラフィックモデルを可視化するための、ヘッドマウントディスプレイの代表的な術中利用例。外科医は、術前計画および術中評価において、手術野と比較するためにホログラフィックモデルを確認する。こちらのリンクから、この図の拡大版を表示できます。

結果

ARプロトコルは、美容鼻形成術のワークフローに正常に統合されました。ワークフローの代表的な段階を図 1、図2、図3、図4に示します。3D顔面イメージングシステムを用いて標準的な術前顔面画像を撮影し（図1）、一貫した画像取得を確実にするために、アライメントインターフェースに従って患者の位置決めを行いました（図2）。取得した画像はその後レンダリング環境にインポートされ、ホログラム生成用にエクスポートする前に、計画された美容的結果をシミュレーションするために術前顔面モデルの修正が行われました（図3）。

画像処理の後、モーフィング前後の3D顔モデルをホログラム閲覧アプリケーションを用いてHMDで表示しました。手術中、ホログラフィックモデルは手動で再配置、サイズ変更、回転が可能であり、患者の鼻とのリアルタイムな視覚的比較を、直接的な重ね合わせまたは隣接する視覚的参照として容易に行うことができました（図 4）。

HMDは最小限のトレーニングで、著者らの手術ワークフローに正常に組み込まれました。外科医からは、以前に使用していた視覚化システムと比較して、ディスプレイ解像度とインターフェースの応答性が向上したとの報告がありました。外科医を対象とした予備的なアンケート回答では、本システムが術中の手術進行度の評価および計画された美容的結果との比較に有用であることが示されました⁹。

全体として、本プロトコルは、術中の可視化および術前計画と術野との比較を容易にするために、美容鼻形成術にARを統合するための再現可能なワークフローを提示するものである。これらの知見は、HMDベースの可視化システムを美容鼻形成術のワークフローに組み込むことの実現可能性を支持している。本研究は、臨床的な有効性の評価ではなく、技術的なプロトコルと実現可能性に関するワークフローを記述したものであるが、本ワークフローに関連する客観的なアウトカム指標の調査が現在進行中である。

本原稿では、美容鼻形成術のワークフローにARを統合するためのプロトコルについて記述します。記述されたワークフローの実現可能性を裏付けるデータは、https://doi.org/10.1177/26893614261430605 で入手可能です。

ディスカッション

先行研究により、美容鼻形成術におけるAR（拡張現実）使用の実現可能性が示されており、AR技術は統合が容易で、追加の手術時間は最小限であり、術者の認知負荷を軽減することが明らかになっています⁹。また、外科的応用において、ARは解剖学的理解を深め¹¹、手術時間を短縮する¹²ことが報告されています。鼻形成術におけるAR研究では、術前計画の支援、手術精度の向上、および患者満足度の向上に対する本技術の潜在的可能性が強調されてきました⁷^,⁸^,⁹^,¹⁰。本プロトコルでは、術中の可視化をサポートするために美容鼻形成術に組み込むことができる、代替的なHMD（ヘッドマウントディスプレイ）ベースのワークフローを記述することで、先行研究を拡張します。

本プロトコールでは、患者個別の術前3D画像および形態変化させた美容的目標画像を、術中のホログラフィック視覚リファレンスとして活用することを提案します。現在のAR技術は、従来の2Dリファレンス画像に加え、術中の外科的意思決定を支援し得る追加的な3D視点を提供することで、それらを補完することが可能です。このアプローチは、美容および再建の手術において患者個別の解剖学的構造の空間的把握が重要となる、顔面形成・再建外科において有用であると考えられます。

いくつかの制限事項に留意する必要があります。主なユーザー側の制限として、術者が術中に滅菌状態を維持し、またはスクラブ状態でいたい場合、術中のHMD使用には追加の人員が必要となる点が挙げられます。HMDの装着および取り外しを補助するために、助手の手術室への待機または近傍への配置が必須となります。さらに、本プロトコルで使用した特定のHMDは他のデバイスよりも重量があり、外部コードによる電源供給が必要なため、術者はポケット付きのスクラブを着用するか、HMDの使用中に助手にバッテリーパックを持ってもらう必要があります。また、AR機器の材料コストも高額です。本プロトコルで使用したHMDの最新モデルの価格は3699 USD¹³からであり、3D画像キャプチャシステムのコストは約25,000 USDとなります。

さらなる制限事項として、術中のホログラフィック参照画像の解釈が挙げられます。ホログラムは術者が手動でサイズ変更、再配置、および回転させるため、現在のプロトコルでは自動レジストレーション、トラッキング、サーフェスマッチング、ランドマークベースのアライメント、または患者固有のアンカリングについては記述していません。しかし、美容鼻形成術の目的においては、これらの機能は必ずしも必要ではない可能性があります。技術的には、現在のシステムは自動レジストレーションを備えたARシステムではなく、ウェアラブルな3D参照ディスプレイとして機能します。手動操作により、術者はホログラムを修正可能な視覚的参照として、患者の鼻に直接重ね合わせたり、隣接して配置したりすることが可能です。ホログラムをトラッキングまたはアンカリングして配置することは、固定されたオーバーレイとして術野を遮ってしまうか、あるいは術野に固定された場合に直接的な比較を妨げるため、不利に働く可能性があります。また、術中の浮腫、軟組織の変形、切開、組織操作、牽引、外科的展開、および進行性の腫脹によって、患者の術中解剖学的構造と、術前またはモーフィングされたホログラフィックモデルとの比較に影響が出る可能性があります。これらの要因はホログラフィック参照画像の解釈を変化させる可能性がありますが、従来の2D参照画像を使用する場合でも同様に存在します。経験豊富な術者であれば、参照画像の次元数に関わらず、これらの変数を認識し考慮できるはずです。このワークフローを研究するための他のアプローチとしては、従来の2D参照画像との比較、代替のHMDの使用、レジストレーション済みオーバーレイシステムの評価、患者固有のアンカリング手法の検討、または計画された美的結果と術後の結果の定量的比較などが考えられます。本論文は技術的な実現可能性に関するプロトコルを提示するものであり、定量的な検証は現在進行中です。3Dホログラフィック画像は、従来の画像と同様に、鼻形成術における美容的目標の術中可視化を拡張できますが、あくまで参照資料としてのみ意図されています。最終的な外科的意思決定は、術者の裁量に委ねられます。本プロトコルの利用者は、無菌性を維持し、患者の安全を最優先してください。適切に使用すれば、本システムが術野および患者に及ぼすリスクは最小限であると考えられます。本プロトコルの実験的な性質を考慮し、各患者に対して本技術のリスクとベネフィットについて説明し、術中のHMD使用前にインフォームドコンセントを得る必要があります。

これらの知見を検証するためにはさらなる研究が必要ですが、AR技術は美容鼻形成術において患者固有の3D参照画像へのアクセスを向上させることで、顔面形成・再建外科における有用な応用可能性を秘めていると考えられます。AR技術の導入が進むことで、顔面形成・再建外科におけるさらなる応用例が特定される可能性があります。本アプローチをさらに検証するためには、手術時間、精度、審美的結果、患者の安全性、およびワークフローの効率性などの客観的なアウトカムを評価する、将来的な多施設共同研究が必要です。

開示事項

著者は開示すべき事項がないことを宣言します。

謝辞

本研究は、米国国立衛生研究所（NIH）、国立聴覚・その他のコミュニケーション障害研究所（R25DC020728）、および国立がん研究所（NCI）のK08キャリア開発アワード（5K08CA293255-02）の支援を受けて行われました。また、ビデオ制作に貢献したShreeya Bahethi氏に感謝いたします。

材料

この記事で使用された材料の一覧
名前	会社	カタログ番号	コメント
3D解析モジュール	Canfield Scientific Inc.	N/A	3次元画像ファイルのエクスポートに使用するVECTRA 3D Analysis Moduleソフトウェア。RRID: N/A
3Dキャプチャモジュール	Canfield Scientific Inc.	N/A	3次元顔画像の取得に使用するVECTRA Capture Moduleソフトウェア。RRID: N/A
3D顔画像撮影システム	Canfield Scientific Inc.	N/A	顔画像の取得に使用するVECTRA M3 3次元画像撮影システム。RRID: N/A
コンピューターワークステーション	Dell Inc.	W31C003	3次元顔画像撮影システムと共に使用するワークステーション。最小要件：Windows 11 (64-bit)、Intel Core i7以上、≥16 GB RAM、≥4 GBグラフィックスメモリ搭載の互換性のあるNVIDIAグラフィックスカード、およびUSB 2.0ポート2つ。Canfield Scientific Inc.により構成および提供。
CADソフトウェア	Autodesk Inc.	N/A	変換前の3次元モデルファイルの修復に使用するMeshmixerソフトウェア。RRID: SCR_015736
CADソフトウェア（レガシー）	Microsoft Corporation	N/A	3次元モデルファイルの修復に使用するMicrosoft 3D Builderソフトウェア（非推奨、オプションの代替品）。
フェイシャルモーフィングソフトウェア	Canfield Scientific Inc.	N/A	手術計画のための目的とする美容シミュレーションを生成するために使用するFace Sculptorソフトウェア。RRID: N/A
ヘッドマウントディスプレイ	Apple Inc.	N/A	術中可視化に使用するApple Vision Pro (M2) ミクストリアリティヘッドセット。RRID: N/A
ホログラム管理プラットフォーム	ApoQlar Medical	N/A	可視化前のホログラフィックモデルのアップロードおよび管理に使用するHoloMedicine Online Previewアプリケーション。RRID: N/A
ホログラム閲覧アプリケーション	ApoQlar Medical	N/A	ヘッドマウントディスプレイ内でホログラフィックモデルを可視化するために使用するVSI HoloMedicine Previewアプリケーション。RRID: N/A
オープンソース3Dモデリングソフトウェア	Blender Development Team	Version 4.4	3次元モデルの.glb形式への変換およびメッシュの削減に使用するBlenderソフトウェア。RRID: SCR_008606

参考文献

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