Name: ホログラフィックヘッドマウントディスプレイと前臨床検証による軟部組織ナビゲーションのための赤外線追跡のための技術的アプローチ (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2025-09-02T14:15:00.000+00:00
Duration: 10 min 25 s
Description: 学ぶ 赤外線マーカー追跡と電磁追跡を用いた拡張現実システムの前臨床検証手法。動く臓器に対するホログラム位置合わせの精度評価とリアルタイム動作解析により、小児外科における動的解剖学的可視化の基盤を構築する。

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<ol><li>Bortot, B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Image-guided+cancer+surgery%3A+a+narrative+review+on+imaging+modalities+and+emerging+nanotechnology+strategies%5BTitle%5D)+AND+%22J+Nanobiotechnol%22%5BJournal%5D)">Image-guided cancer surgery: a narrative review on imaging modalities and emerging nanotechnology strategies.</a> J Nanobiotechnol. 21 (1), 155(2023).</li>
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</ol>

<table><tbody><tr><td>3Dスライサー(v5.6.2)</td><td>スライサー</td><td>該当なし</td><td>医用画像セグメンテーションソフトウェアであり、電磁追跡検証に必要です</td></tr><tr><td>6.4 mm (1/4 インチ) M3 マーカー赤外線マーカー</td><td>オプティトラック</td><td>該当なし</td><td>追跡のためにマーカーに取り付ける必要がある赤外線反射球&nbsp;</td></tr><tr><td>Autodesk Fusion 360(v2.0.21508)</td><td>オートデスク</td><td>該当なし</td><td>赤外線マーカーやファントムを設計するためのCADソフトウェア</td></tr><tr><td>バンブスタジオ (v01.09.07.52)</td><td>バンブラボ</td><td>該当なし</td><td>Bambu 3Dプリンター用の3Dプリントスライスソフトウェア</td></tr><tr><td>バンブ X1 カーボン</td><td>バンブラボ</td><td>該当なし</td><td>赤外線マーカーやファントムモデルに使用される3Dプリンター</td></tr><tr><td>HoloLens 2</td><td>マイクロソフト</td><td>該当なし</td><td>ARビジュアライゼーションのための拡張現実ヘッドマウントディスプレイ</td></tr><tr><td>IRTrackingOrgans_HoloLens&nbsp;</td><td>オープンソース</td><td>該当なし</td><td>IRマーカートラッキングをサポートするUnityベースのアプリケーション</td></tr><tr><td>メッシュミキサー (v3.5.0)</td><td>オートデスク</td><td>該当なし</td><td>メッシュ編集とポリゴン削減に使用</td></tr><tr><td>NDIオーロラ</td><td>ノーザンデジタル株式会社</td><td>該当なし</td><td>検証用電磁追跡システム</td></tr><tr><td>NDI Aurora 6DOF ケーブル ツール</td><td>ノーザンデジタル株式会社</td><td>該当なし</td><td>幻肢器官の動きを記録するセンサー</td></tr><tr><td>NDI オーロラ 6DOF プローブ</td><td>ノーザンデジタル株式会社</td><td>該当なし</td><td>ファントム上のランドマークの場所を識別するために使用</td></tr><tr><td>ポリ乳酸フィラメント</td><td>あらゆるメーカー</td><td>該当なし</td><td>赤外線マーカーなどの硬質部品を印刷するためのフィラメント</td></tr><tr><td>熱可塑性ポリウレタンフィラメント</td><td>あらゆるメーカー</td><td>該当なし</td><td>変形可能な腎臓ファントムを印刷するためのセミフレキシブルフィラメント</td></tr><tr><td>Unity Hub(v3.11.1)とUnity(v2019.4.22f1)</td><td>Unity テクノロジー</td><td>該当なし</td><td>ARアプリケーション開発・展開のためのゲーム開発ソフトウェア</td></tr><tr><td>ビジュアル スタジオ 2019</td><td>マイクロソフト</td><td>該当なし</td><td>Unity の統合とデプロイに必要な IDE</td></tr></tbody></table>

ホログラフィックヘッドマウントディスプレイと前臨床検証による軟部組織ナビゲーションのための赤外線追跡のための技術的アプローチ

Technical Approach for Infrared Tracking for Soft Tissue Navigation with a Holographic Head-Mounted Display and Preclinical Validation

腎臓ファントムを使用して、臓器追跡用の赤外線追跡システムの性能を実証し、移動する臓器でのホログラフィック検証セットアップを検証しました。完全なワークフローの概要を 図 1 に示します。
まず、3DSlicerの閾値ツールを使用して、MRIデータに基づいて腎臓を半自動でセグメント化しました。得られた3Dモデルをエクスポートし、3D CADソフトウェアにインポートして、ポリゴン数を減らしました。2番目のモデルが保存され、球ツールを使用して5つのターゲットポイントがこのモデルに統合されました (図2)。このモデルは、ホログラフィックディスプレイの技術的検証に使用されました。ターゲット ポイントのないモデルの最初のバージョンは、Autodesk Fusion に読み込まれました。このモデルには5つのピボットポイントが統合され、EMセンサーを容易にするためにシリンダーが統合されました。3D スライス ソフトウェアを使用して、3D モデルを 3D プリント用に準備しました。印刷密度が8%のTPUを使用して、最小限の柔軟性の腎臓表面を作成しました。
標準化された赤外線マーカーが設計され、3D プリントされ、赤外線反射球 (直径 6.4 mm) が取り付けられました。この赤外線マーカーから、赤外線マーカーの座標を中心点との相関関係で測定しました。ゲーム開発ソフトウェアアプリケーション内に、赤外線マーカーの座標を含むJSONファイルがインポートされました。次に、検証目的でターゲットポイントを含む腎臓の 3D モデルがインポートされました。また、可視化の目的で、赤外線マーカーモデルをインポートし、JSONファイルで実装したポイントの位置に変換しました。3Dモデルを赤外線マーカーの中心に変換し(図3)、追加のシェーダーを適用しました。患者メニューのシーンを統合した後、アプリケーションをHMDに展開しました。
IRマーカーの配置に基づいて、HMDを使用して小児腹部ファントム内の腎臓にホログラフィック3Dモデルを視覚化します (図4)。 追跡速度は11.6Hzでした。ただし、距離が 60 cm を超えると、HMD は赤外線マーカーを追跡する機能を失います。第二に、赤外線マーキング追跡の継続的な追跡とノイズにより、ホログラフィックオーバーレイがちらつき、視覚化が不正確になります。
検証の目的で、EM追跡システムはPlusサーバーを介して3Dスライサーに接続されました。追跡のためにファントム腎臓にEMセンサーを配置しました(図2)。ポイントベースのレジストレーション後、3Dモデルは中央値0.59mmの精度でレジストレーションされ、ホログラフィック精度を検証するための正確な方法であることが証明されました(図5)。 ポイントローカリゼーション誤差の中央値は、3 人の外科医からの入力に基づいて 8.74 mm (四分位範囲: 6.38 - 10.85) でした (表 1)。
このAR追跡および視覚化システムの実装には、約45〜60分に及ぶプロトコルが含まれます。2 年の経験を持つ経験豊富な技術医が、プロトコル全体の手順を 1 回実行して、プロトコルの個々のステップの期間を決定しました。特に、特定のステップは一度だけ実行する必要があります。各患者にとって重要なステップには、セグメンテーション、ゲーム開発ソフトウェアへのモデル統合、およびシーン構成が含まれます。患者固有の症例における解剖学的構造のセグメント化には、複数の解剖学的構造が関係するため、比較的多くの時間が必要ですが、腎実質と腫瘍のセグメント化は 30 分以内に完了できます。セグメント化された3Dモデルをアプリケーションに統合し、赤外線マーカーに位置合わせするには、約5分の手動調整が必要です。正しいシーンを接続するのに5分もかかりません。ゲーム開発プロジェクトのビルド時間はハードウェアの仕様によって異なりますが、通常は約 3 分かかり、その後 HoloLens 2 へのデプロイには約 10 分かかります。全体として、検証セットアップを除いて、このプロトコルは、前臨床環境で臓器追跡を移動する方法を示しています。
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/68607/68607fig1.jpg"> 
図1:ワークフローの概略図。 ワークフローには、術前段階、ホログラフィック段階、術中段階など、ファントム設定で患者ごとに必要なステップが表示されます。術前段階は、術前の医療画像のセグメント化 (ステップ 3 を参照) で構成されます。ホログラフィックアプリケーションの準備は、3Dモデル上の赤外線マーカーの配置を仮想的に計画することで構成されます(ステップ4を参照)。術中段階では、外科医は正しい患者を選択し、ホログラフィックの視覚化と継続的な追跡のために赤外線マーカーを固定することができます。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/68607/68607fig1large.jpg" target="_blank">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。</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/68607/68607fig2.jpg"> 
図2:検証方法論で使用される腎臓ファントムの概要。 左:腎臓の3Dホログラムとターゲットポイント、および赤外線マーカーの仮想配置。中央:EMセンサーとレジストレーション用のピボットポイントを内蔵した3Dファントム。右:検証手順に使用される赤外線マーカーとEMセンサー用のシリンダーを備えた3Dプリントされたファントム。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/68607/68607fig2large.jpg" target="_blank">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。</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/68607/68607fig3.jpg"> 
図3:ゲーム開発ソフトウェアでのホログラフィックアプリケーションの準備。 腎臓モデルは赤外線マーカーに変換されます。次に、シェーダーが腎臓とターゲットポイントに適用されます。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/68607/68607fig3large.jpg" target="_blank">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。</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/68607/68607fig4.jpg"> 
図4:ファントム実験のホログラフィックビジュアライゼーション。 左:腎臓の赤外線マーカーの配置。右:ターゲットポイントを正しい順序(1から5)でホログラフィックで視覚化します。ホログラフィック視覚化の変位は、赤外線マーカー追跡のジッターによって引き起こされます。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/68607/68607fig4large.jpg" target="_blank">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。</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/68607/68607fig5.jpg"> 
図5:移動する臓器のホログラフィック視覚化のためのEM追跡検証プロトコルからのセットアップ。 緑、赤、青は、検証に必要なEMツールの変換を視覚化します。黄色と緑は、ヘッドマウントディスプレイ(HMD)に関する変換を視覚化します。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/68607/68607fig5large.jpg" target="_blank">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。</a>
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>参加者</td>
			<td>測定</td>
			<td>GT-X(mm)</td>
			<td>GT-Y(mm)</td>
			<td>GT-Z(mm)</td>
			<td>ポイント-X(mm)</td>
			<td>ポイント-Y(mm)</td>
			<td>ポイントZ(mm)</td>
			<td>PLE (mm)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>外科医1</td>
			<td>1</td>
			<td>-67.02</td>
			<td>7.88</td>
			<td>297.50</td>
			<td>-76.72</td>
			<td>8.97</td>
			<td>295.49</td>
			<td>9.97</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>2</td>
			<td>-46.77</td>
			<td>4.78</td>
			<td>249.67</td>
			<td>-55.71</td>
			<td>-0.26</td>
			<td>243.61</td>
			<td>11.91</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>3</td>
			<td>-3.21</td>
			<td>-12.36</td>
			<td>244.46</td>
			<td>-9.99</td>
			<td>-3.03</td>
			<td>244.83</td>
			<td>11.54</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>4</td>
			<td>-15.06</td>
			<td>1.16</td>
			<td>273.72</td>
			<td>-20.00</td>
			<td>2.71</td>
			<td>272.70</td>
			<td>5.27</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>5</td>
			<td>-39.00</td>
			<td>5.40</td>
			<td>281.25</td>
			<td>-46.82</td>
			<td>6.91</td>
			<td>277.75</td>
			<td>8.70</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>外科医 2</td>
			<td>1</td>
			<td>-67.02</td>
			<td>7.88</td>
			<td>297.50</td>
			<td>-63.60</td>
			<td>8.02</td>
			<td>292.12</td>
			<td>6.38</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>2</td>
			<td>-46.77</td>
			<td>4.78</td>
			<td>249.67</td>
			<td>-45.94</td>
			<td>2.73</td>
			<td>246.98</td>
			<td>3.48</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>3</td>
			<td>-3.21</td>
			<td>-12.36</td>
			<td>244.46</td>
			<td>-5.43</td>
			<td>-10.70</td>
			<td>244.27</td>
			<td>2.78</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>4</td>
			<td>-15.06</td>
			<td>1.16</td>
			<td>273.72</td>
			<td>-11.87</td>
			<td>0.80</td>
			<td>267.51</td>
			<td>7.00</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>5</td>
			<td>-39.00</td>
			<td>5.40</td>
			<td>281.25</td>
			<td>-35.54</td>
			<td>5.82</td>
			<td>273.28</td>
			<td>8.70</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>外科医 3</td>
			<td>1</td>
			<td>-67.02</td>
			<td>7.88</td>
			<td>297.50</td>
			<td>-62.97</td>
			<td>7.87</td>
			<td>287.43</td>
			<td>10.85</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>2</td>
			<td>-46.77</td>
			<td>4.78</td>
			<td>249.67</td>
			<td>-44.59</td>
			<td>-0.42</td>
			<td>242.70</td>
			<td>8.96</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>3</td>
			<td>-3.21</td>
			<td>-12.36</td>
			<td>244.46</td>
			<td>2.23</td>
			<td>-20.32</td>
			<td>253.48</td>
			<td>13.20</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>4</td>
			<td>-15.06</td>
			<td>1.16</td>
			<td>273.72</td>
			<td>-10.73</td>
			<td>1.33</td>
			<td>266.14</td>
			<td>8.74</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>5</td>
			<td>-39.00</td>
			<td>5.40</td>
			<td>281.25</td>
			<td>-34.95</td>
			<td>5.93</td>
			<td>271.74</td>
			<td>10.35</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>
表1: 各測定値について、ターゲットランドマークのグラウンドトゥルース(GT)座標、対応するポイント位置座標、およびすべての外科医に対して測定されたPLEが提供されます。

Augmented Reality (AR) has the potential to enhance surgical guidance by superimposing three-dimensional (3D) anatomical information directly onto the ...

technical-approach-for-infrared-tracking-for-soft-tissue-navigation

Research

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ここでは、3次元の機能的および分子的なイメージングのための新しく開発されたハンドヘルド光音響(光音響)システムを用いたイメージングのための実験プロトコルの詳細な説明を提供します。実証された強力な性能と汎用性は、前臨床研究および臨床診療における光音響技術の新たな応用分野を定義する可能性があります。...

ディープティシュ人間血管造影および機能前臨床研究のためのユニバーサルハンドヘルド三次元光音響イメージングプローブリアルタイムで

侵襲医療機器の正確かつ効率的な可視化は、非常に多くの超音波ガイド下の低侵襲で重要です。ここでは、超音波イメージング用プローブに対する針先端の位置で空間をローカライズする方法が表示されます。...

三次元超音波針の先端光ファイバー超音波受信機と追跡

神経活動の異常に伴う精神神経疾患の病態解明を目指し、高い時空間分解能で神経活動を可視化・評価・操作できる2光子ホログラフィック顕微鏡を開発しました。...

2光子ホログラフィック顕微鏡を用いた神経活動の評価と操作

拡張現実(AR)ヘッドマウントディスプレイ「Magic...

ブタモデルにおける拡張現実ヘッドマウントディスプレイを用いた椎弓根スクリュー配置

経頭蓋超音波刺激法(TUS)は、音響シミュレーションと熱シミュレーションの慎重な計画を必要とする新しい非侵襲的神経調節技術です。この方法論は、ヒトTUS実験のための効率的でユーザーフレンドリーで合理化された計画のための画像処理および超音波シミュレーションパイプラインを説明しています。...

経頭蓋超音波ニューロモデュレーション実験のヒトにおける計画と実行のためのパイプライン

このプロトコルは、機能的磁気共鳴画像法 (fMRI) 中に投与される局所経頭蓋直流刺激 (tDCS) のための神経ナビゲート電極配置の方法を説明しています。...

機能的磁気共鳴画像法中に投与される神経ナビゲートされた焦点化経頭蓋直流刺激

ここでは、nTMSと拡散テンソルイメージング(DTI)に基づく皮質脊髄路(CST)再建を組み合わせた運動マッピングの標準化プロトコルを説明します。このプロトコルは再現性が高く、臨床的に実現可能であり、日常的な臨床ワークフローに容易に統合できるため、運動経路評価、神経可塑性研究、リハビリテーション計画のための堅牢で価値ある枠組みを提供します。...

ナビゲーション経頭蓋磁気刺激を用いた機能的運動マッピングの標準化プロトコル

学ぶ 赤外線マーカー追跡と電磁追跡を用いた拡張現実システムの前臨床検証手法。動く臓器に対するホログラム位置合わせの精度評価とリアルタイム動作解析により、小児外科における動的解剖学的可視化の基盤を構築する。

ホログラフィックヘッドマウントディスプレイと前臨床検証による軟部組織ナビゲーションのための赤外線追跡のための技術的アプローチ

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