スポーツ選手が試合に向けてトレーニングしたり、俳優が本番に向けてリハーサルをしたりするように、外科医も手術に向けて準備を行います。

現在、Atlas Meditech は、AI と物理的に正確なシミュレーションにより、脳外科医が手術前の準備で新たなレベルの本番さながらの体験ができるようにしています。

脳外科手術のインテリジェンス プラットフォームである Atlas Meditech は、MONAI 医用画像フレームワークや NVIDIA Omniverse 3D 開発プラットフォームなどのツールを採用し、AI を活用した意思決定支援や高い忠実度の手術リハーサル プラットフォームを構築しています。その目的は、手術結果と患者の安全性を向上させることです。

Atlas Meditech とその非営利団体 Neurosurgical Atlas の創設者である Aaron Cohen-Gadol 博士は次のように述べています。「Atlas は、脳外科医が実際の手術の前夜に頭の中で手術のリハーサルを行うためのマルチメディア ツールを提供しています。アクセラレーテッド コンピューティングとデジタル ツインによって、私たちはこの頭の中のリハーサルを、シミュレーションによる非常にリアルなリハーサルに変えたいと考えています」

Neurosurgical Atlas は、症例研究、手術ビデオ、脳の 3D モデルを 100 万人以上のオンライン ユーザーに提供しています。インディアナ大学医学部の神経外科教授でもある Cohen-Gadol 博士は、米国内の脳外科研修プログラムの 90% 以上、および他国の何万人もの脳外科医が、研修期間中および外科医としてのキャリアの初期に、重要なリソースとして Atlas を利用していると推定しています。

Atlas Meditech の Pathfinder ソフトウェアは、専門家が病変に到達するために脳内をナビゲートする安全な手術経路を提案できる AI アルゴリズムを統合しています。

また、カスタムの 3D パイプラインとメタバース アプリケーションを接続し構築するためのプラットフォームである NVIDIA Omniverse を使用して、チームは、手術のリハーサルのために個々の患者の脳にカスタマイズした仮想表現を作成することを目指しています。

人間の脳をカスタマイズした 3D モデル

Atlas Meditech の高度なシミュレーションの主な利点は、画面上または没入型のバーチャル リアリティでも、シミュレーションをカスタマイズすることで、外科医が患者の脳の大きさや形状、病変の位置に一致するバーチャルの脳を用いて練習できることです。

Cohen-Gadol 博士は次のように述べています。「すべての患者の解剖学的構造は少しずつ異なります。物理学と高度なグラフィックスを使って今できることは、患者固有の脳のモデルを作成し、それを使って腫瘍を見たり、仮想的に手術したりすることです。物理的特性の正確さは、手術中に現実世界で経験することを再現するのに役立ちます」

患者の脳のデジタル ツインを作成するために、Atlas Pathfinder ツールは MONAI Label を採用しました。MONAI Label は、MRI や CT スキャンに自動的にアノテーションを付け、正常な構造と腫瘍をセグメント化することで、放射線科医をサポートすることができます。

「MONAI Label は、重要な構造をセグメント化し、それらを保護する機会を提供してくれるので、あらゆるヘルスケア プロジェクトの入り口です。Atlas のために、我々は MONAI Label を外科医の目として機能させ、個々の患者のスキャンにおいて、何が正常な血管で何が腫瘍であるかを強調するようにトレーニングしています」と、Cohen-Gadol 博士は語りました。

患者の脳を分割して見ることで、Atlas Pathfinder はその 3D 脳モデルを患者固有の解剖学的構造に合わせて変形させ、腫瘍が脳組織の正常な構造をどのように変形させるかを捉えることができます。

Atlas Pathfinder は、放射線科医と外科医が精度を上げるために修正できる可視化に基づいて、脳の他の部分を傷つけることなく腫瘍にアクセスして除去するための最も安全な外科的アプローチを提案します。各アプローチは、手術プランのチュートリアルが含まれる Atlas のウェブサイトにリンクされています。

「AI を活用した意思決定支援は、ミリ単位が重要な非常に複雑な 3D 構造をナビゲートする上で大きな違いを生むことができます」と Cohen-Gadol 博士は述べています。

外科医のためのリアルなリハーサル環境

Atlas Meditech は、NVIDIA Omniverse を使用して、外科医をリアルな環境に没入させ、来るべき手術のリハーサルを行うことができるバーチャル手術室を開発しています。シミュレーションでは、外科医は患者や機器の配置を変更することができます。

VR ヘッドセットを使用することで、外科医はこのバーチャル環境の中で、段階を追って手術を進めながら、腫瘍に到達するための目標経路をどれだけ忠実に守っているかについてのフィードバックを受けることができます。AI アルゴリズムは、外科医が手術中に医用器具を使用する際に脳組織がどのように移動するかを予測し、その推定された移動をシミュレートされた脳に適用することができます。

Cohen-Gadol 博士は次のように述べています。「外科医がバーチャルな 3D 空間に入り、頭蓋骨の一部を切断し、患者と非常に似た物理的特性を持つシミュレーション脳で手術のリハーサルを行うことを可能にすることは、大変重要となるでしょう」

脳の物理的特性をよりよくシミュレーションするために、研究チームは NVIDIA Omniverse の一部である高度なリアルタイム物理シミュレーション エンジン、NVIDIA PhysX を採用しました。触覚デバイスを使用して、仮想環境に触覚フィードバックを追加し、脳組織を扱う感覚を模倣する実験が行えました。

手術トレーニングの未来に AI とロボティクスを描く

Cohen-Gadol 博士は、今後数年間で AI モデルが手術中にさらなる洞察を提供することで、手術をさらに向上できると考えています。例えば、外科医が作業している部位に隣接する重要な脳構造についての警告、手術中の医用器具の追跡、手術の次のステップへのガイド提供などが挙げられます。

Atlas Meditech は、こうしたリアルタイムの術中洞察を可能にするストリーミング AI アプリケーションのために、NVIDIA Holoscan プラットフォームを探求する計画です。手術中の外科医の行動に AI 分析を適用することで、外科医に手技を改善するための有益なフィードバックが提供できます。

脳と手術室のデジタル ツインは、外科医が手術のリハーサルをするのに使用されるだけでなく、Omniverse で開発されたロボティクス シミュレーション アプリケーションであるIsaac Sim を使用して、顕微鏡ロボットなどのインテリジェントな医用機器をトレーニングするのにも役立つだろうと Cohen-Gadol 博士は述べています。

NVIDIA GTC での Cohen-Gadol 博士のプレゼンテーションをご覧ください。

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