VirtaMedがVRで明日の外科医を育成する方法

ヴァータメッドユニティのケーススタディ

2007年以来、VirtaMed社は最先端のバーチャルリアリティ（VR）アプリケーションを通じて外科治療の質を向上させてきた。VirtaMedのVRトレーニング環境は、特殊なハードウェア機器とデータに裏打ちされた解剖学的モデルの組み合わせを活用することで、外科医が基本的な手技を習得し、高度なインターベンションの継続的な専門能力開発を追求できるようにします。

注意：このケーススタディには、人によっては不快に感じるかもしれない医療画像が含まれています。

成果

Virtamed社のロボットシミュレータの目的は、外科医にリスクのない管理された環境を提供し、技術を練習し、完成させることである。手術で使用されるロボットシステムを再現することで、リアルで没入感のあるトレーニング体験を提供する。成果は以下の通り：

• ロボット手術の学習曲線は、従来の方法に比べて短い。
• 患者介入に必要な手術用ロボットからトレーニングを切り離すことで、重要なリソースの負担を軽減。
• ラボトレーニングの必要性が減少または排除され、コストが節約され、外科チームに繰り返しトレーニングする機会が提供される。

シミュレーションがどのように作られ、どのような課題に対処しているのか、詳しく見てみよう。

外科チームのトレーニングの課題

ロボット支援手術（RAS）は、高度な精度と制御を必要とする斬新な手技への道を開き、従来の方法では不可能な低侵襲介入に必要となっている。このような手術の需要が高まるにつれて、十分な訓練を受けた優秀な外科チームが重要になってくる。

外科手術ロボット工学のトレーニングは、従来、手術台の上に置かれた死体や医療用小道具を使って行われていた。しかし、スタッフのトレーニングは、実際の手術の妨げにならないよう、生きた患者を直接使って行われるのが一般的である。

手術シミュレーションは、医療従事者にリスクのない環境を提供し、その技術を練習し洗練させる。これらのシミュレーターを使用することで、外科医は手術室をふさぐことなく、また実際の患者を必要とすることなく練習することができる。このような利点のおかげで、新世代の手術ロボットとともに、より多くの手術シミュレーターが登場している。

シミュレーターの概要

誰のため？

ロボットシミュレーターは、主に病院内の手術チームや外科医個人によって使用される。また、医学部でのトレーニングにも利用されている。さらに、ロボットメーカーはこのシミュレーター技術を利用して、新しいロボットソリューションについて外科医を訓練・教育している。

何をするのですか？

ロボットシミュレーターは、手術トレーニング用のバーチャルリアリティプラットフォームとして機能し、ロボット器具アームの機能を忠実に再現し、手術空間を再現する。手術に使用される実際のロボットシステムを模倣して設計されており、現実的で没入感のあるトレーニング体験を提供する。シミュレータの3Dソフトウェアとハードウェアコンポーネントは、実際の手術コンソール、マスターコントローラ、ビジョンカートとほぼ同じスタンドアロンのトレーニング環境を提供するように作られています。

どの程度普及していますか？

ロボットシミュレーターの採用はかなり広範囲に及び、急速に拡大している。VirtaMed社は、医療シミュレーショントレーニングソリューションのリーディングプロバイダーであり、現在までに次世代手術ロボットメーカー4社の唯一のシミュレーターパートナーとなっている。ヴァータメッドは現在、さまざまな医療機器用の個別シミュレーターを製造する既存のパートナーシップに加え、手術スタッフ向けのトレーニング機能を拡張し、ロボット手術やデジタル支援手術の将来の進歩に対応するため、Unityを使用した新しい超現実的なVRモジュールを準備している。

なぜバーチャルリアリティ（VR）なのか？

ロボット手術トレーニングにおけるVRは、学習効果を高め、記憶力を向上させ、安全な練習環境を提供し、利用しやすくカスタマイズ可能な教育を可能にする没入型体験を提供する。反復可能でストレスの少ないトレーニング・シミュレーションは、コストのかかる実験室でのトレーニングの必要性を低減または排除することができる。さらに重要なことは、バーチャルトレーニングプログラムが手術成績を向上させ、患者が常に最善の治療を受けられるようにすることである。

どのようなハードウェアで動作するのですか？

シミュレーターのいくつかのバリエーションは、ロボットコンソールを「バックパック」に組み込んで使用し、シミュレーターはロボットコンソールに取り付ける。その他のバージョンでは、現場チームが簡単に配置できるように設計されたロボット・コンソールの機能的レプリカが使用されており、医療従事者が便利かつ迅速に処置経験を積むことができる。

どのようなトレーニング・フィードバック・ツールが含まれていますか？

VirtaMedの開発者は、学習者が各シミュレーションに習熟していると判断されるために必要な基準を定義しています。このシミュレーターは、トレーニングセッション中に計器の軌道などのデータを収集することができ、ユーザーやトレーナーにフィードバックレポート（スコア付き）を提供する。

ユニティ・ソリューション

VirtaMed社のチームは、Unity Industryとファーストパーティのパッケージユーティリティ一式を活用することで、ワークフローの簡素化、開発の迅速化、堅牢なシミュレーションの構築を実現しました。ここでは、彼らの技術スタックに採用されているUnityテクノロジーを簡単に紹介しよう：

Pixyz

Pixyzは、アニメーターや3Dモデラーが70以上のファイルタイプのCADデータから忠実度の高いアセットやメッシュを取り込み、レンダリングすることを可能にします。このパイプラインは、データに裏打ちされた解剖学的モデルを組み込み、実世界の手術器具を忠実に仮想化するために不可欠だった。

Unity エディター

Visual Studio Codeやその他の統合開発環境（IDE）のビルトインサポートにより、開発とデバッグが容易になりました。また、モデリングツールの緊密な統合により、VirtaMedのテクニカルアニメーターは、3D空間で物理学に裏打ちされたワールドオブジェクトを自信を持って操作できるようになりました。

アーティキュレーション ボディ物理

手術シミュレーションでは、モデルの正確な回転と、特に特定の角度における仮想オブジェクトとメッシュ間のロバストな衝突相互作用が要求される。こうした複雑で繊細な物理シミュレーションを実現するために、VirtaMedはUnityのArticulation Bodyコンポーネントを利用して、カスタム物理階層を作成しました。

HD レンダーパイプライン（HDRP）

UnityのHDRP（High Definition Render Pipeline）は、モデラーにリアルなビジュアルとテクスチャを設定するための広範なパラメータを提供しました。シングルパスインスタンシングとマルチパスVRレンダリングを柔軟に切り替えられるので、VirtaMedのエンジニアは、CPU消費を最小限に抑えるためにレンダリングパイプラインを最適化し、より強力なGPU搭載デバイス（特定のVR周辺機器など）にシミュレーションを適応させることができます。

Shader Graph

VirtaMedのエンジニアは、カスタム・フラグメントやバーテックス・シェーダーの記述やコンパイルに悩まされることはなかった。HDRPと組み合わせて使用することで、シェーダー・グラフ・ユーティリティは、開発者が最小限の設定でシェーダー・ノード階層を実装することを可能にした。

マルチプラットフォーム展開

外科手術のトレーニングシミュレーションは、異種計算環境で動作する特殊なハードウェア入力間の低遅延触覚フィードバックに依存している。Unityのランタイム設定パラメータは、さまざまなコンピューティングプラットフォームへの展開や、特殊な医療機器とのインターフェースのプロセスを簡素化した。

ランタイム・デバッグ

VirtaMedのエンジニアは、Unityのビルトイン・パフォーマンス・プロファイラを活用し、テスト中や実行時の動作やパフォーマンスの問題をデバッグしました。これらのツールは、シミュレーションのロジックとハードウェアの設定を微調整し、ライブシミュレーションで最適化されたビジュアルパフォーマンスと最大限の応答性を確保するために不可欠でした。

自動テスト

Unityテストフレームワークを使用することで、VirtaMedのエンジニアは、ローカルの開発環境やシミュレートされた出力内で実行可能なテストを構築することができ、分野横断的なチームが優れたデザインパターンを遵守し、継続的な開発中にソフトウェアのリグレッションを未然に回避するのに役立ちました。

ユーザーの反応

VirtaMedの顧客からの評価

医療関係者が、シミュレーターによって可能になる完全デジタル化された学習の旅を評価する理由には、次のようなものがある：

• 最新のグラフィック技術を駆使したリアルなトレーニング環境。
• 実際のセンサー付き手術器具を統合し、実地シミュレーションを行う。
• 高度な触覚インターフェイスによって提供される、実物そっくりの触覚フィードバック。
• シミュレーター・プラットフォームの汎用性とモジュール性により、会議、トレーニング・センター、病院など、さまざまな環境での展開が可能になる。

ロボット・シミュレーターは、病院内で直接、外科チーム全体に次レベルのトレーニングを提供する混合現実プラットフォームを提供する。これにより、ラボでのトレーニングの必要性が減る、あるいはなくなるため、コストが下がり、繰り返しトレーニングが可能になる。VirtaMedのシミュレータは、実際のロボットに極めて近く、各人のトレーニングニーズに合わせたシームレスな体験を提供するため、外科医が手術室に入る前に技術を磨くための貴重なツールとなっている。

今後の目標

トレーニング能力の拡大

ビスタメッドは、ロボット・シミュレーター・プラットフォームを外科チームのトレーニングにさらに組み込むことで、外科手術の熟練度を高めていく計画だ。このアプローチでは、病院で直接トレーニングができる。

パートナーシップ

VirtaMedはパートナーシップを重視し、シミュレーショントレーニングは外科教育とロボット手術トレーニングに不可欠な要素であると考えています。専門家や学会との協力は、より良い患者の転帰を達成するために、世界中の外科医や医療専門家を訓練することを目的としている。製品開発 そして継続的なイノベーション

VirtaMedは、より多くの手技、症例、病態、バリエーション、合併症に対応できるよう、モジュールやその他の製品の拡充に努めています。