拡張現実は骨盤骨癌の手術に役立つか？体外での研究

Can Augmented Reality Be Helpful in Pelvic Bone Cancer Surgery? An In Vitro Study.

• Hwan Seong Cho
• Min Suk Park
• Sanjay Gupta
• Ilkyu Han
• Han-Soo Kim
• Hyunseok Choi
• Jaesung Hong

抄録

背景:

骨盤骨がん手術への手術ナビゲーションの応用は有用であると思われるが、その採用を裏付ける研究が比較的先行していることに加え、実際のナビゲーション装置は物理的に大型であり、すでに混雑した手術室の中でかなりのスペースを占有している。この問題を解決するために、我々は、拡張現実感（AR）技術を取り入れた骨盤骨癌手術用ナビゲーションシステムを開発し、試験を行った。

BACKGROUND: Application of surgical navigation for pelvic bone cancer surgery may prove useful, but in addition to the fact that research supporting its adoption remains relatively preliminary, the actual navigation devices are physically large, occupying considerable space in already crowded operating rooms. To address this issue, we developed and tested a navigation system for pelvic bone cancer surgery assimilating augmented reality (AR) technology to simplify the system by embedding the navigation software into a tablet personal computer (PC).

質問/ポーズ:

豚骨盤モデルで模擬腫瘍と切除を用いて、我々は尋ねた。骨盤骨癌の手術において、ARを用いた切除術は、計画的な骨切りのミスを減らし、腫瘍周囲の計画的なマージンを達成する能力を向上させることができるのか？

QUESTIONS/PURPOSES: Using simulated tumors and resections in a pig pelvic model, we asked: Can AR-assisted resection reduce errors in terms of planned bone cuts and improve ability to achieve the planned margin around a tumor in pelvic bone cancer surgery?

方法:

タブレットPCで操作できる骨盤骨腫瘍手術用ARナビゲーションシステムを開発しました。ブタの骨盤内腫瘍切除シミュレーション用に36個の骨腫瘍モデルを作成し、AR支援切除群と従来の切除群にそれぞれ18個ずつ割り付けました。骨腫瘍をシミュレートするために、豚骨盤の寛骨臼ドームに骨セメントを挿入した。腫瘍切除は2つのシナリオでシミュレートした。1つ目は整形外科研修医によるAR支援切除、2つ目は整形外科腫瘍医による従来の方法による切除であった。両群ともに、骨セメントの周囲に1cmの安全マージンを確保して切除を計画した。切除マージンは、独立した整形外科医によって評価され、その整形外科医は切除の種類を盲検化した。すべての標本を2回切除した：最初は寛骨臼の内壁に平行な平面を通って、2回目は最初の平面に垂直な平面を通って切除した。切除縁から骨セメントまでの距離は、各平面の4つの異なる位置で測定した。平面上の4つの誤差のうち、最大のものを評価に採用した。したがって、各試験片は、2つの垂直な平面から収集された2つの誤差の値を有していた。切除誤差は、≦３ｍｍ、３〜６ｍｍ、６〜９ｍｍ、および＞９ｍｍまたは任意の腫瘍違反の４つの等級に分類した。両群の切除誤差の平均値を統計的に比較するためにスチューデントのt検定を用いた。

METHODS: We developed an AR-based navigation system for pelvic bone tumor surgery, which could be operated on a tablet PC. We created 36 bone tumor models for simulation of tumor resection in pig pelves and assigned 18 each to the AR-assisted resection group and conventional resection group. To simulate a bone tumor, bone cement was inserted into the acetabular dome of the pig pelvis. Tumor resection was simulated in two scenarios. The first was AR-assisted resection by an orthopaedic resident and the second was resection using conventional methods by an orthopaedic oncologist. For both groups, resection was planned with a 1-cm safety margin around the bone cement. Resection margins were evaluated by an independent orthopaedic surgeon who was blinded as to the type of resection. All specimens were sectioned twice: first through a plane parallel to the medial wall of the acetabulum and second through a plane perpendicular to the first. The distance from the resection margin to the bone cement was measured at four different locations for each plane. The largest of the four errors on a plane was adopted for evaluation. Therefore, each specimen had two values of error, which were collected from two perpendicular planes. The resection errors were classified into four grades: ≤ 3 mm; 3 to 6 mm; 6 to 9 mm; and > 9 mm or any tumor violation. Student's t-test was used for statistical comparison of the mean resection errors of the two groups.

結果:

AR支援切除群の18検体の36切除誤差の平均は1.59mm（SD、4.13mm；95％信頼区間[CI]、0.24-2.94mm）であり、従来の切除群の平均誤差は4.55mm（SD、9.7mm；95％CI、1.38-7.72mm；p＜0.001）であった。AR支援切除群ではすべての標本の誤差が6mm未満であったのに対し、従来の切除群では78％（36例中28例）の誤差が6mm未満であった。

RESULTS: The mean of 36 resection errors of 18 pelves in the AR-assisted resection group was 1.59 mm (SD, 4.13 mm; 95% confidence interval [CI], 0.24-2.94 mm) and the mean error of the conventional resection group was 4.55 mm (SD, 9.7 mm; 95% CI, 1.38-7.72 mm; p < 0.001). All specimens in the AR-assisted resection group had errors < 6 mm, whereas 78% (28 of 36) of errors in the conventional group were < 6 mm.

結論:

このin vitro模擬腫瘍モデルでは、AR補助が計画されたマージンを達成するのに役立つことを実証した。我々のモデルは概念実証のために設計されたものであり、今回の知見はヒトでの臨床試験を正当化するものではないが、生きた動物モデルでのこのシステムの継続的な研究を支持するものであり、これは我々の次の実験となるだろう。

CONCLUSIONS: In this in vitro simulated tumor model, we demonstrated that AR assistance could help to achieve the planned margin. Our model was designed as a proof of concept; although our findings do not justify a clinical trial in humans, they do support continued investigation of this system in a live animal model, which will be our next experiment.

臨床応用:

ARベースのナビゲーションシステムは、腫瘍の範囲の追加情報を提供し、より複雑で煩雑な従来のナビゲーションシステムを必要とせずに骨盤骨癌の手術中の外科医を助けることができるかもしれません。

CLINICAL RELEVANCE: The AR-based navigation system provides additional information of the tumor extent and may help surgeons during pelvic bone cancer surgery without the need for more complex and cumbersome conventional navigation systems.