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書き出し

医学教育のための仮想現実空間に表現した物体長計測システムの開発

片山, 礼司 KATAYAMA, Reiji カタヤマ, レイジ 九州大学

2023.09.25

概要

九州大学学術情報リポジトリ
Kyushu University Institutional Repository

Development of an Object Length Measurement
System in a Virtual Reality Space for Medical
Education
片山, 礼司

https://hdl.handle.net/2324/7157297
出版情報:Kyushu University, 2023, 博士(保健学), 課程博士
バージョン:
権利関係:Copyright, right of publication, right of reproduction and public token of all
articles printed and published in the Fukuoka Acta Medica (Fukuoka Igaku Zasshi) lies with the
Fukuoka Medical Association.



名:片山

論 文 名:

礼司

Development of an Object Length Measurement System in a Virtual Reality
Space for Medical Education
(医学教育のための仮想現実空間に表現した物体長計測システムの開発)



分:甲















仮 想 現 実 ( virtual reality, VR) 技 術 は , 胆 嚢 や 子 宮 摘 出 術 な ど の 腹 腔 鏡 手 術 を
はじめロボット支援下手術のトレーニングにも利用され,手術計画や手術手順のシ
ミ ュ レ ー シ ョ ン へ の 応 用 も 報 告 さ れ て い る .手 術 計 画 時 ,病 変 解 剖 に 対 す る 空 間 的 理
解 に は , 3 次 元 ( three dimension, 3D) 画 像 に よ る 解 剖 構 造 の 再 現 と 可 視 化 お よ び
長 さ の 計 測 が 不 可 欠 で あ る . し た が っ て , VR 技 術 に よ る 没 入 型 デ ジ タ ル 環 境 で あ る
ヘ ッ ド マ ウ ン ト デ ィ ス プ レ イ ( head-mounted display, HMD) 装 着 時 の 仮 想 現 実 空 間
に お い て , 3D の 解 剖 画 像 の 観 察 と 手 術 対 象 部 位 の 長 さ を 正 確 か つ 再 現 性 高 く 計 測 す
る道具を開発することの意義は大きいと考えた.
手 術 計 画 で 使 用 さ れ る 3D の 解 剖 構 造 を 再 現 で き る 3D プ リ ン ト モ デ ル で の 長 さ 計
測 は , ノ ギ ス や 定 規 が 利 用 さ れ る . し か し , VR 空 間 で 観 察 が 可 能 な 3D 解 剖 モ デ ル
( 以 下 ,V R 解 剖 モ デ ル )は ,H M D を 装 着 し て 現 実 空 間 を 視 界 か ら 遮 断 す る た め ,ノ ギ
ス な ど の 計 測 器 を 用 い た 直 接 的 な 計 測 は 適 用 で き な い . し た が っ て HMD 装 着 時 の VR
解剖モデルの長さの計測は,理論計算による仮想的な計測が用いられる.現在では
HMD 装 着 下 で の 仮 想 的 な 計 測 が 可 能 な 医 療 用 VR 装 置 が 販 売 さ れ て い る が , 非 常 に 高
額 で 誰 で も が 利 用 す る こ と は 困 難 で あ る . ま た , VR 解 剖 モ デ ル を 手 軽 に , し か も 現
実空間で使われているノギスのように長さを計測できるシステムやアプリケーショ
ンは見当たらない.
一 方 ,医 学 教 育 用 の 教 材 と し て 採 用 す る VR 解 剖 モ デ ル に つ い て の こ れ ま で の 研 究
で は , VR 解 剖 モ デ ル が , 人 体 に 替 わ る 学 習 用 モ デ ル と し て 遜 色 な い か ど う か に 主 眼
を 置 い た 評 価 が さ れ て お り , VR 解 剖 モ デ ル の 表 現 サ イ ズ や そ の 計 測 に 関 す る 学 習 効
果 に つ い て は 十 分 に 検 討 さ れ て い な い .ま た ,医 学 教 育 に 利 用 可 能 な V R 解 剖 モ デ ル
の大きさを正確に計測できる物理的な計測器をベースとした計測ツールは開発され
て い な い .V R 解 剖 モ デ ル の サ イ ズ 設 定 と V R 空 間 で の 表 現 結 果 の 関 係 を 自 在 に 計 測 し
評 価 で き る ツ ー ル の 開 発 は ,医 学 教 育 分 野 で の VR 解 剖 モ デ ル 利 用 に 関 す る 継 続 的 な
評価のために必要不可欠と考える.
本 研 究 で は ,H M D を 装 着 し た 状 態 で V R 空 間 に 表 現 さ れ た V R 解 剖 モ デ ル を 直 感 的 か
つ 直 接 的 に 計 測 評 価 で き る デ ジ タ ル ノ ギ ス を 用 い た VR 解 剖 モ デ ル の 物 体 長 計 測 シ ス
テムのプロトタイプを開発し,臨床現場や医学教育への適応の可能性と意義につい
て考察することを目的とした.

実物体と仮想物体の位置と動きを同期するセンサで,現実空間のデジタルノギス
の j a w と V R 空 間 の 仮 想 j a w と を 紐 づ け ,V R 空 間 で 使 用 で き る 長 さ の 計 測 シ ス テ ム を
開 発 し た .計 測 シ ス テ ム の 評 価 は ,一 辺 が 5,10,25,50,100mm の 仮 想 キ ュ ー ブ と ,
VR で 表 現 し た 三 つ の VR 解 剖 モ デ ル ( 血 管 , 骨 格 , 臓 器 ) に 対 し て 行 っ た . キ ュ ー ブ
は 1 名 の 評 価 者 に よ る 計 測 , VR 解 剖 モ デ ル は 2 名 の 評 価 者 に よ る 計 測 を 行 い , 結 果
は , キ ュ ー ブ と VR 解 剖 モ デ ル に 対 す る 計 測 誤 差 と そ の 統 計 的 分 析 に よ り 評 価 し た .
また,評価者内の計測の信頼性と評価者間の計測の信頼性を,級内相関係数
( intraclass correlation coefficients: ICC) を 求 め 評 価 し た .
開 発 し た 計 測 シ ス テ ム は , 現 実 空 間 の デ ジ タ ル ノ ギ ス の jaw と VR 空 間 の 仮 想 jaw
が 連 動 し , HMD 装 着 下 で VR 空 間 上 に 表 現 し た 物 体 の 長 さ を 計 測 で き た . キ ュ ー ブ の
計 測 誤 差 は ,す べ て の キ ュ ー ブ サ イ ズ で 0.5mm 以 内 で あ っ た .ま た ,各 キ ュ ー ブ サ
イ ズ の 計 測 誤 差 間 に は 統 計 的 有 意 差 を 認 め な か っ た .V R 解 剖 モ デ ル の 計 測 誤 差 は す
べ て の 解 剖 部 位 で 0.3mm 以 内 で あ り ,各 VR 解 剖 モ デ ル の 計 測 誤 差 の 間 に も 統 計 的 有
意 差 を 認 め な か っ た .評 価 者 内 お よ び 評 価 者 間 の 計 測 の 信 頼 性( I C C )は と も に 0 . 9 9
と 十 分 に 高 い 値 を 示 し た .以 上 の こ と か ら , 本 研 究 は H M D 装 着 下 で V R 解 剖 モ デ ル の
直 接 的 な 計 測 評 価 が 可 能 な 長 さ 計 測 シ ス テ ム の プ ロ ト タ イ プ を 開 発 で き ,医 学・医 療
分野での活用をできる可能性があると結論づけた.

この論文で使われている画像

参考文献

limitation was not testing small structures with 5

mm or less such as nerves and vessels for

1)

microsurgery. Continued research is needed to

ensure measurement accuracy in actual clinical

use. Another limitation was VR sickness caused

by wearing the HMD. In this study, no VR

2)

sickness symptoms were observed in all raters.

However, VR sickness is an issue that requires

verification for the safe and effective use of VR

technology.

Declarations

3)

The institutional research ethics committee

was exempted from reviewing this study because

it employed anonymized CT image data included

in the OsiriX DICOM image library from a

website authorized to be used for research and

4)

educational purposes. Informed consent was

obtained from all individual participants after we

fully explained the purpose of this study and the

experiment methods.

5)

Conclusion

A prototype of the length measure system

called‹synchro-caliperŒhas developed, which

enables directly measuring and assessing the VR

6)

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(Received for publication November 16, 2022)

72

R. Katayama et al.

(和文抄録)

医学教育のための仮想現実空間に表現した物体長計測システムの開発

片 山 礼 司1)2),杜 下 淳 次3),藪 内 英 剛3)

1)

九州大学大学院 医学系学府 保健学専攻 博士後期課程

2)

久留米大学 医学部 医学教育研究センター

3)

九州大学大学院 医学研究院 保健学部門 医用量子線科学分野

【目的】本研究は,head-mounted display(HMD)装着下でバーチャルリアリティ(VR)空間に表現

した VR 解剖モデルの直接的な計測評価が可能なデジタルノギスを利用した長さ計測システムのプロ

トタイプを開発し,計測の正確さと再現性を評価することで,医学・医療分野での活用の可能性と意

義を考察することを目的とした.

【方法】実物体と仮想物体の位置・動きを同期するセンサで,現実空間のデジタルノギスの jaw と VR

空間の仮想 jaw とを紐付け,VR 空間で使用できる長さの計測システムを開発した.この計測システ

ムの評価は,一辺が 5,10,25,50,100 mm の仮想キューブと,VR で表現した三つの VR 解剖モデ

ル(血管,骨格,臓器)に対して行った.キューブは 1 名の被験者による計測,VR 解剖モデルは 2 名

の被験者による計測を行い,結果は,キューブと VR 解剖モデルに対する計測誤差とその統計的分析

により評価した.また,被験者内の計測の信頼性と被験者間の計測の信頼性を,級内相関係数(intraclass correlation coefficients:ICC)を求め評価した.

【結果】開発した計測システムは,現実空間のデジタルノギスの jaw と VR 空間の仮想 jaw が連動し,

HMD 装着下で VR 空間上に表現した物体の長さを計測できた.キューブの計測誤差は,すべての

キューブサイズで 0.5 mm 以内であった.また,各キューブサイズの計測誤差間には統計的有意差を

認めなかった.VR 解剖モデルの計測誤差は,すべての解剖部位で 0.3 mm 以内で,各 VR 解剖モデ

ルの計測誤差の間にも統計的有意差を認めなかった.被験者内および被験者間の計測の信頼性(ICC)

はともに 0.99 と十分に高い値を示した.

【結論】HMD 装着下で VR 解剖モデルの直接的な計測評価が可能な長さ計測システムのプロトタイプ

を開発でき,医学・医療分野での活用の可能性がある.

キーワード:仮想現実,医学教育,手術トレーニング,解剖モデル,物体長計測システム

...

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