世界で最も精巧な頭部３次元ＣＧデータを開発

2019-01-112021-06-07

脳神経外科医の解剖学的知識を可視化

2018/01/11 東京大学,科学技術振興機構,内閣府政策統括官（科学技術・イノベーション担当）

ポイント

ヒトの頭部を精巧に再現した３次元コンピューターグラフィックス（３ＤＣＧ）モデルを開発し、非商用、かつ研究もしくは教育用途に限り、そのデータの無償提供を開始しました。
ヒトの解剖所見や教科書を参考にして作成された世界で最も精巧な頭部３ＤＣＧモデルであり、そのデータは今後も随時アップデートされる予定です。
本３ＤＣＧモデルは、自由に使用でき、そのまま３Ｄプリンターで造形することもできます。また、いくつかの研究機関で開発に利用されるなど、高い拡張性を有しています。

東京大学医学部附属病院脳神経外科の齊藤延人　教授と金太一　助教らの研究グループは、最先端のコンピューターグラフィックス技術を用い、ヒトの頭部の解剖学的構造を精巧に再現した３次元コンピューターグラフィックス（３ＤＣＧ^注１））モデルを開発し（図１）、このたびその無償提供を開始しました。

本３ＤＣＧモデルは、内閣府総合科学技術・イノベーション会議が主導する革新的研究開発推進プログラム（ＩｍＰＡＣＴ）の「バイオニックヒューマノイドが拓く新産業革命」（プログラム・マネージャー：原田香奈子）の研究の一環として開発されたもので、バイオニックヒューマノイド^注２）の基礎設計図となっています。

人体の高精細な３ＤＣＧ作成には、高度なＣＧ技術と医学的知識、そして高い開発費を要するため、その開発は困難でした。本研究グループは、最先端のコンピューターグラフィックス技術と脳神経外科医の知見を集約し、医療の現場に必要な解剖情報を３ＤＣＧとして作製しました。

今回開発した頭部３ＤＣＧモデルは１，０００パーツ以上に及び、世界で最も精巧なものです。このたび専用のホームページ（https://brain-3dcg.org/）（図２）を開設し、全てのパーツを無償で提供しています。

ダウンロードした３ＤＣＧモデルは、非商用で、かつ研究もしくは教育用途であれば自由に使用できます。本３ＤＣＧパーツは、いくつもの研究機関で開発に利用されるなど、その拡張性は高く、さまざまな分野で活躍することが見込まれます。世界最高レベルの精巧な頭部３ＤＣＧを普及させることによって、医療や教育、研究開発など広い分野への貢献が期待されます。

本成果は、以下のプログラム・研究開発課題によって得られました。

内閣府革新的研究開発推進プログラム（ＩｍＰＡＣＴ）

プログラム・マネージャー：原田香奈子

研究開発プログラム：バイオニックヒューマノイドが拓く新産業革命

研究開発課題：バイオニックヒューマノイド頭部モデルを対象とした評価システムの開発

研究開発責任者：齊藤延人

研究期間：平成２７年度～平成３０年度

本研究開発課題では、臨床データをもとに、脳神経外科領域における手術戦略や手技を構造化し、要素間の関係を整理してプログラム全体の研究開発へフィードバックします。そのための補助ツールとして、仮想空間上における脳の超高精細医用シミュレーターの開発に取り組んでいます。

＜原田香奈子　プログラム・マネージャーのコメント＞

本プログラムでは、センサーを内蔵した精巧な人体モデル「バイオニックヒューマノイド」を使って感覚的な表現を定量的に理解し、試行錯誤をなくすことで、技術シーズを早く社会に届けることを提案しています。今回の成果は、特に脳神経外科手術用バイオニックヒューマノイドに必要な頭部の解剖構造の３Ｄデータ化に成功したものです。世界で最も高精細なこの頭部解剖構造を無償提供することにより、医療現場だけでなくさまざまな教育・研究開発分野への大きな貢献が期待されます。

＜研究の背景＞

本研究は、ＩｍＰＡＣＴプログラム「バイオニックヒューマノイドが拓く新産業革命」の一環として実施されました。同プログラムでは、高感度センサーを内蔵した精巧な人体モデル「バイオニックヒューマノイド」を開発し、ヒトや実験動物の代替とすることで革新的技術の定量的な評価、ひいては同技術の早期社会実装の実現を目指しています。今回の成果物である「東京大学脳神経外科頭部３ＤＣＧモデル」は「バイオニックヒューマノイド」の“設計図”としての役割を担っています。

「バイオニックヒューマノイド」の実現には、人体の形状情報を３次元のデータとして再現することが重要な要素の１つとして挙げられます。正確かつ精密な形状データの実現には、高度なグラフィック技術と深い解剖学的知識はもちろん、臨床医療の観点からみた正確性と有用性を見据える必要があります。しかしながら、現在市場に流通している人体の形状データは、特に頭部においてその正確性および精密性に課題がありました。また、精巧な３ＤＣＧモデルはコストの面からも開発もしくは入手することが困難であり、教育や研究の分野では比較的単純なモデルを使用することが多いため、研究の発展、事業化、医療および教育への応用などの面で課題となっています。このため、「バイオニックヒューマノイド」の研究開発のみでなく、医学教育や脳神経外科手術の医療現場においても、複雑な脳の微細組織を３次元的かつ高精細に視覚化する必要がありました。

＜開発内容＞

本研究は、東京大学医学部附属病院脳神経外科の齊藤延人　教授と金太一　助教らの研究グループにより実施されました。今回の成果物である「東京大学脳神経外科頭部３ＤＣＧモデル」は、市場に流通する人体形状データや医用画像には描写されないような微細な組織を中心に、最先端のコンピューターグラフィックス技術を用いて開発しました（図３）。例えば、三叉神経は顔面の感覚をつかさどる重要な脳神経の１つですが、図３左のように通常の医用画像ではその一部しか確認できません。これに対し本研究で開発した３ＤＣＧモデルでは、図３右のように三叉神経末梢部の詳細な構造のみでなく、多くの複雑な微細な血管組織まで再現しています。このような正確な情報を医師が認識することにより、安全に手術を行うことができます。

またこのたび、開発した３ＤＣＧモデルの無償提供を開始しました。

本３ＤＣＧモデルには、以下のような特徴があります。

実際の人体の解剖所見や教科書を参考にして、複数の脳神経外科医が直接３ＤＣＧを編集することによって作成されています。医用画像では確認できない脳実質内の神経線維、硬膜、微小血管などが精密に再現されています。
膨大な３ＤＣＧに対して、リトポロジーなどの最新のＣＧ技術を使うことによって、データの軽量化や最適化を達成しています。
ヒトの頭部の解剖構造が１，０００パーツ以上の３ＤＣＧモデル（ＳＴＬフォーマット^注３））で構成されています。用途に応じて必要なパーツだけをダウンロードして利用することが可能です。
３Ｄプリントに対応できるように設計しており、ダウンロードした各パーツのデータを３Ｄプリンターでそのままプリント造形することも可能です。

＜社会的意義＞

質の良いデータは現代社会において最も重要な資源の１つです。今回のような精巧な３ＤＣＧモデルは、高度なコンピューターグラフィックス技術と医学的知識、および高い開発費を要するため、容易に開発もしくは入手できるものではありませんでした。開発した３ＤＣＧモデルを社会へ広く還元することによって、医学的知識の普及、医学教育や研究開発の促進、ひいては医療の質向上が見込まれます。

＜その他＞

本３ＤＣＧモデルは、「東京大学脳神経外科頭部３ＤＣＧデータベース」ホームページ（https://brain-3dcg.org/）へアクセスし、利用規約に同意すれば全ての３ＤＣＧモデルを無償でダウンロードすることができます。非商用で、かつ研究もしくは教育用途であればそのまま使用していただくことはもちろん、編集・加工も自由です。医学講義や解剖学実習での活用、研究開発での活用、論文や著書などへの添付、スナップショットをウェブに公開するなど、当ホームページに記載されている規約を守っていただく限り自由に使用することができます。商用使用を目的とする場合や判断に迷われた場合には、お問い合わせください。

＜参考図＞

図１　「東京大学脳神経外科頭部３ＤＣＧデータベース」からダウンロード可能な３ＤＣＧの例

図２　「東京大学脳神経外科頭部３ＤＣＧデータベース」のホームページ（https://brain-3dcg.org/）

規約を守り会員登録すれば、全ての３ＤＣＧがダウンロードできる。

図３　医用画像と今回開発した３ＤＣＧとの比較

上の２つの画像は脳幹の前面で、部位と向きは同じ。三叉神経の末梢部（矢印）、界面静脈洞や脳底静脈叢（青色の血管）を始め、多くの組織は医用画像では確認できない。

＜用語解説＞

注１）３ＤＣＧ: ３次元コンピューターグラフィックスの略。コンピューター内の３次元空間で表示される仮想モデルのこと。
注２）バイオニックヒューマノイド: ヒトや実験動物の代わりとなる、センサー付きの精巧な人体モデルのこと。内閣府総合科学技術・イノベーション会議が主導する革新的研究開発推進プログラム（ＩｍＰＡＣＴ）の「バイオニックヒューマノイドが拓く新産業革命」（プログラム・マネージャー：原田香奈子）で開発している。
注３）ＳＴＬフォーマット: ３ＤＣＧモデルの代表的なフォーマットの１種。