VirtaMed が未来の外科医を VR でトレーニングする方法

VirtaMed：Unity のケーススタディ

2007年以来、VirtaMedは最先端の仮想現実(VR)アプリケーションを通じて手術の質を高めてきました。VirtaMed の VR トレーニング環境は、専用の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、外科医が基本的な技術をマスターし、高度な治療における継続的な専門知識の育成を進めることができます。

注意：このケーススタディには、医療画像が含まれており、一部の方には不快に思われるかもしれません。

成果

Virtamed 社のロボットシミュレーターの目的は、外科医が訓練を行い、スキルを磨くために、リスクのない管理された環境を提供することです。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します。その結果、以下のことが可能になりました。

• 従来の方法と比較して、ロボット手術の学習曲線が短い。
• 患者の介入に必要な手術用ロボットのトレーニングを抽象化することで、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低減または排除され、コストが削減され、外科チームにトレーニングを繰り返す機会が提供されました。

この記事では、シミュレーションの作成方法と、シミュレーションによって解決される課題について詳しくご紹介します。

外科チームのトレーニングの課題

ロボティクス支援手術（RAS）は、高度な精度と制御を必要とする新しい手術への道を切り開き、従来の方法では実施できない低侵襲な治療に必要になりました。このような手術の需要が高まる中、十分な訓練を受けた優秀な手術チームが不可欠です。

従来、手術用ロボットのトレーニングは、手術台の上で死体や医療器具を使って行われていました。しかし、スタッフのトレーニングは、実際の手術の実施を妨げないように、実際の患者さんに直接行っていただくのが一般的です。

手術シミュレーションは、医療従事者がスキルを磨き、実践するためのリスクのない環境を提供します。これらのシミュレーターを使用することで、外科医は手術室を塞いだり、実際の患者を必要としたりすることなく、トレーニングを行うことができます。これらの利点により、新世代の手術用ロボットと並んで、より多くの手術用シミュレーターが登場しています。

シミュレーターの概要

誰を対象としていますか？

このロボットシミュレーターは、主に病院内の外科チームや個々の外科医によって使用されています。また、医学部でもトレーニング目的で活用されています。さらに、ロボットメーカーはシミュレーター技術を使用して、外科医に新しいロボットソリューションのトレーニングと教育を行っています。

機能

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、手術空間を再現します。手術で使用される実際のロボットシステムを模倣するよう設計されており、リアルで没入感のあるトレーニング体験を提供します。シミュレーターの 3D ソフトウェアとハードウェアのコンポーネントは、実際の手術コンソール、マスターコントローラー、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ために作られています。

どの程度普及していますか？

ロボットシミュレーターの導入は非常に広範で、急速に拡大しています。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です。VirtaMed 社は、さまざまな医療機器向けにカスタマイズされたシミュレーターを製造している既存のパートナーシップに加えて、現在、手術スタッフ向けの拡張トレーニング機能を開発し、ロボットやデジタル支援手術の将来の進歩に対応するために、Unity で新しい超現実的な VR モジュールを準備しています。

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の VR は、学習の質を高め、定着率を高め、安全な練習環境を提供し、アクセス可能でカスタマイズ可能な教育を可能にする没入型の体験を提供します。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により、コストのかかるラボトレーニングの必要性を軽減または排除できます。さらに重要なのは、バーチャルトレーニングプログラムによって手術成績を改善し、常に可能な限り最高の治療を受けられるようにすることです。

どのハードウェアで動作しますか？

シミュレーターのバリエーションの中には、シミュレーターがロボットコンソールにアタッチされる「バックパック」に統合されたロボットコンソールを使用するものもあります。他のバージョンでは、現場チームが簡単に導入できるように設計されたロボットコンソールの機能レプリカが使用されており、医療従事者は便利で迅速に処置の経験を積むことができます。

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

使用される Unity ソリューション

VirtaMed 氏のチームは、Unity Industry と一連のサードパーティ製パッケージユーティリティを活用して、ワークフローを簡素化し、開発をスピードアップし、堅牢なシミュレーションを構築しました。ここでは、同社のテクノロジースタックに含まれる Unity テクノロジーを簡単に紹介します。

Pixyz

Pixyz を使用すると、アニメーターや 3D モデラーは、70 を超えるファイルタイプの 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、レンダリングできます。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でした。

Unity エディター

Visual Studio Code およびその他の統合開発環境（IDE）のビルトインサポートにより、開発とデバッグが簡単になり、モデリングツールの緊密な統合により、VirtaMed 社のテクニカルアニメーターは物理演算に裏打ちされたワールドオブジェクトを 3D 空間で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の物理演算

手術シミュレーションでは、モデルの正確な回転と、バーチャルオブジェクトとメッシュ間の堅牢な衝突インタラクション（特に特定の角度）が必要です。このような複雑でデリケートな物理シミュレーションを実現するために、VirtaMed 社は Unity の Articulation Body コンポーネントを使用してカスタム物理演算階層を作成しました。

HD レンダーパイプライン（HDRP）

Unity の HD レンダーパイプライン（HDRP）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幅広いパラメーターを提供しました。VirtaMed 社のエンジニアは、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ため、レンダリングパイプラインを最適化して CPU 消費を最小限に抑え、シミュレーションをより強力な GPU 搭載デバイス（特定の VR 周辺機器など）に適応させることができました。

Shader Graph

VirtaMed 社のエンジニアは、カスタムフラグメントや頂点シェーダーの記述やコンパイルに頭を悩ませる必要はありませんでした。シェーダーグラフユーティリティを HDRP と組み合わせて使用すると、開発者は最小限の設定でシェーダーノード階層を実装できます。

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、異種コンピューティング環境で実行される特殊なハードウェア入力間の低レイテンシの触覚フィードバックに依存しています。Unity のランタイム設定パラメーターにより、異なるコンピューティングプラットフォームへのデプロイや特殊な医療機器とのインターフェースのプロセスが簡素化されました。

ランタイムデバッグ

VirtaMed 社のエンジニアは、Unity の組み込みのパフォーマンスプロファイラーを利用して、テスト中および実行時に動作と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、シミュレーションロジックとハードウェア設定の両方を微調整し、ライブシミュレーション中に最適化されたビジュアルパフォーマンスと最大の応答性を実現するために不可欠でした。

自動テスト

Unity Test Framework を使用して、VirtaMed 社のエンジニアは、ローカルの開発環境とシミュレートされた出力内で実行できるテストを構築しました。これにより、分野横断的なチームは、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退行を積極的に回避することができました。

ユーザーの反応

VirtaMed の顧客による評価

医療従事者がシミュレーターによって実現される完全にデジタル化された学習ジャーニーを重視する理由は以下の通りです。

• 最新のグラフィックステクノロジーを使用したリアルなトレーニング環境。
• ハンズオンシミュレーションのための実際のセンサー付き手術器具の統合。
• 高度な触覚インターフェースを介して提供される、リアルで触覚的なフィードバック。
• 汎用性とモジュール性を備えたシミュレータープラットフォームにより、会議、トレーニングセンター、病院など、多くの環境にデプロイできます。

ロボットシミュレーターは、手術チーム全体に病院内で直接トレーニングを提供する複合現実プラットフォームを提供します。これにより、ラボトレーニングの必要性が低減または排除され、コストが削減され、トレーニングを繰り返すことができます。VirtaMed 社のシミュレーターは実際のロボットに非常に近く、一人ひとり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スキルを磨くための貴重なツールとなっています。

今後の目標

トレーニング機能の拡張

VistaMed 社は、手術チームのトレーニングにロボットシミュレータープラットフォームをさらに組み込むことで、手術の習熟度を継続的に向上させる計画を立てています。このアプローチにより、病院で直接トレーニングを行うことができます。

パートナーシップ

VirtaMed 社はパートナーシップを重視しており、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の不可欠な要素であると考えています。専門家や学会との連携により、世界中の外科医や医療専門家を訓練し、患者の転帰を改善することを目指しています。製品開発と継続的イノベーション

VirtaMed 社は、より多くの手術、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取り組んでいます。