デュークの研究者: 仮想現実は心臓血管介入を改善する可能性がある (+ ビデオを見る)
発行日:ダーラム – 患者の特定の血管系をシミュレートして、ステント配置などの決定が血流をどのように変化させ、手術の結果に影響を与えるかを正確に予測することを想像してください。
デューク大学の生物医学エンジニアが開発しているのは、細胞レベルの解像度で人間の動脈系全体の血流をモデル化できる「HARVEY」と呼ばれる大規模な血流シミュレーションツールです。
しかし、臨床導入における最大の障壁の 1 つは、あらゆる背景を持つ人々がすぐに習得できる「スムーズで直感的なインターフェース」を開発することであり、これは困難な作業です。
5月7日にJournal of Computational Scienceに掲載された新しい研究で、デューク大学の研究者らはユーザーインターフェース作成への最初の取り組みについて報告している。
彼らは、標準的なデスクトップ ディスプレイから没入型仮想現実体験に至るまで、さまざまなインターフェイスを調査し、ユーザーは標準的なマウスとキーボードの使用に満足しているかもしれないが、より未来的なインターフェイスが広く採用される鍵となる可能性があることを発見しました。
「HARVEYは現在、Cコーディングとコマンドラインインターフェースの知識を必要としており、このプログラムを使用できる人が本当に限られています」と、 アマンダ・ランドルズデューク大学のアルフレッド・ウィンボーンおよびビクトリア・ストーバー・モーデカイ生物医学科学助教授。
「この論文では、私たちが開発したHarvisというグラフィカルユーザーインターフェースを紹介しています。これにより、ステントの最適な配置を見つけようとしている外科医でも、まったく新しいタイプのステントを設計しようとしている生物医学研究者でも、誰でもHarveyを使用できるようになります。」
ランドルズ氏は、ハーバード大学ジョン・ハスブルック・ヴァン・ヴレック純粋・応用物理学教授のエフティミオス・カキシラス氏の研究グループの博士課程の学生としてこの仕事を始め、ほぼ10年にわたってHARVEYコードの開発に取り組んできました。
その間、彼女は HARVEY が患者固有の大動脈やその他の血管形状を通る血流をより長いスケールで正確にモデル化できることを実証しました。また、このプログラムが人体全体のスケールで 3D 血流をモデル化できることも示しました。
ランドルズ氏は、HARVEY を活用して、研究者が脳動脈瘤のステント治療と動脈瘤の成長について理解するのを支援しました。彼女は、末梢動脈疾患を検査し、循環する癌細胞がさまざまな組織に付着する仕組みをより深く理解するための、迅速で非侵襲的な方法を考案しました。
コードの計算能力が着実に進歩し、現実世界のアプリケーションでその有用性が実証されたことから、Randles 氏は現在、他の人がその能力を最大限に活用できるように取り組んでいます。
「心血管疾患は米国で依然として死亡原因の第 1 位であり、治療計画と治療結果を改善する能力は依然として大きな課題です」とランドルズ氏は述べました。「VR/AR デバイスが成熟し、利用可能になった今、こうしたテクノロジーがこうしたデータとのやり取りでどのような役割を果たすかを理解する必要があります。この研究は、心血管疾患と闘う将来のソフトウェア開発に非常に必要なステップです。」
新しい研究では、ランドルズ氏と彼女の生物医学工学の同僚である研究員ハーヴェイ・シー氏と大学院生ジェフ・エイムズ氏が、開発中のハービス・インターフェースをテストした。
彼らは医学生と生物医学研究者に、2つの血管の間に導管を配置する、血管のサイズを拡大または縮小する、血管内にステントを配置する、という3つの異なる状況をシミュレーションするよう依頼しました。
テスト ユーザーは、標準のマウスとコンピューター画面、「Z 空間」半没入型仮想現実デバイス、または HTC Vive ディスプレイ デバイスを使用した完全没入型仮想現実エクスペリエンスのいずれかを使用して、これらのタスクに挑戦しました。
結果によると、学生と研究者は、標準的なマウスとキーボードのインターフェースと完全没入型 VR インターフェースを、量的にも質的にも、ほとんどの場合、同じように使用できることがわかりました。ただし、基本的にはモニターと 3D メガネを組み合わせた特殊なポインティング ツールである半没入型ディスプレイは、ユーザーが独自のハードウェア設定とコントロールに適応するのに問題があったため、他の 2 つのデバイスよりも劣る結果となりました。
この研究では、他のシミュレートされたワークフローに一般化可能な設計アーキテクチャも提示し、同様のプラットフォームに拡張できる Harvis の設計根拠の詳細な説明を示しています。
研究では、品質と効率の点で、最も没入感のあるインターフェースと最も没入感の低いインターフェースの間に大きな違いは見つかりませんでしたが、ランドルズ氏は機器に対するユーザーの反応に大きな違いがあることに気づきました。
「3D インターフェースは、参加者の楽しみを増しました」とランドルズ氏は言います。「そして、参加者が 3D インターフェースをもっと楽しめば、実際に使用する可能性も高くなります。また、血管系や血行動態に関する授業に学生を参加させる楽しい方法にもなり得ます。」
ランドルズ氏は、彼女の3D血流インターフェースが医学生が現在の基準よりも重要な知識をよりよく保持するのに役立つかどうかを確認するための実験を行う予定だと語った。
将来的には、このようなツールは、より直感的な仮想現実インターフェースを使用してステントの配置などの治療計画を支援する可能性があります。また、ランドルズ氏は、これらのタイプのツールが、パーソナライズされたフローの領域における生物医学研究を促進すると期待しています。
引用：「Harvis：血行動態の修正とシミュレーションのためのインタラクティブなバーチャルリアリティツール」、Harvey Shi、Jeff Ames、Amanda Randles。Journal of Comp. Sci.、2020年。DOI：10.1016/j.jocs.2020.101091
(c) デューク大学プラット工学部
元の記事の出典: WRAL TechWire