複雑な脊椎手術を革新するマルチモダリティ画像と3Dプリントの活用

August 25, 2026 · 論文解説

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解説対象論文: Multimodality Imaging for 3D Printing and Surgical Rehearsal in Complex Spine Surgery
Radiographics｜被引用数: 7（2026年8月25日時点）

複雑な脊椎手術において、マルチモダリティ画像と3Dプリント技術の組み合わせが、手術計画、精度、安全性、そして対象者コミュニケーションを劇的に向上させています。本記事では、最先端の医療画像インフォマティクスがどのように脊椎腫瘍の治療を革新しているのか、そのワークフローと利点を詳しく解説します。

研究サマリー（FINER & PICO）

Feasible実施可能性	既存のCT・MRI画像データから3Dモデルを作成し、熟練した専門家がワークフローを遂行可能。
Ethical倫理面	対象者ごとの個別化されたモデルを提供し、術前説明や同意形成を強化することで、対象者の理解と満足度を向上させる。
Interesting面白さ	複雑な脊椎手術の計画とリハーサルに3Dプリント技術を統合し、精度と安全性を高める革新的なアプローチ。
Novel新規性	マルチモダリティ画像を統合した3Dモデルを用いた手術計画とリハーサルは、複雑な脊椎手術において比較的新しいアプローチ。
Relevant切実さ	複雑な脊椎腫瘍手術の課題解決に貢献し、手術の質向上と対象者満足度向上に直結するため、臨床的関連性が高い。
Measurable測定可能性	3Dプリントモデル使用により、手術精度、手術時間短縮、出血量減少、術後合併症率などの改善が期待される。
Modifiable派生・改善	3Dプリントワークフローは、画像取得パラメータ、セグメンテーション手法、材料選択、品質管理システムなど、各段階で最適化・調整が可能。
Structured文章構造	画像取得、セグメンテーション、CADモデリング、3Dプリント、後処理、品質管理、手術リハーサルに至る体系化されたワークフローを提示。
PICO / PECO対象・介入・比較・結果	P(対象者): 複雑な脊椎腫瘍の対象者 I(介入): マルチモダリティ画像と3Dプリントを用いた手術計画およびリハーサル C(比較): 従来の画像診断のみを用いた手術計画 O(アウトカム): 手術の精度、安全性、対象者の転帰、コミュニケーションの改善

はじめに：複雑な脊椎腫瘍治療の進化

どうも、Beyond the Pixelです。症状のある脊椎腫瘍の治療において、手術は非常に重要な役割を果たします。機能の回復、痛みの管理、腫瘍の増殖抑制、そして対象者の生活の質の向上に寄与するためです。過去10年間にわたり、医療画像技術の進歩と3次元（3D）プリント技術の利用が組み合わさることで、脊椎腫瘍の手術的アプローチが大きく改善されました。これにより、手術の精度、正確性、安全性が著しく向上しています。複雑な脊椎手術の場合、軟部組織と骨の両方における疾患の広がりを完全に視覚化するためには、マルチモダリティ画像（CTやMRIなど複数の画像診断モダリティ）の使用が不可欠です。複数の外科専門分野が連携して手術を行う際には、これらの検査から得られる情報を統合し、手術計画に一貫性を持たせることは課題となることがあります。CTやMRIなどの画像検査から作成されるデジタル3Dモデルや3Dレンダリング、そして3Dプリントモデルは、手術計画を容易にするだけでなく、仮想的および物理的な手術面や骨切り面（骨を切る手術の面）を設定することを可能にし、手術計画とリハーサルをさらに強化します。論文では、画像取得から3Dプリントモデルの後処理、最適な材料選択、品質管理システムの組み込みに至るまで、3Dプリントワークフローに関する実践的な情報が提供されており、専門家が3Dプリントを手術計画に活用するのに役立つ内容です。さらに、手術リハーサルのプロセス、デジタル骨切り面の設定方法、および術中ナビゲーションシステムとの統合についても、具体的な症例を通して詳しく説明されています。

**Table 1.** Table 1: Clinicopathologic Features, Surgical Plan, and Outcomes in Thoracic Spine Tumors with Presurgical 3D Printed Anatomic Models解説: 術前3Dプリント解剖学的モデルを用いた胸椎腫瘍の臨床病理学的特徴、手術計画、および結果をまとめた表です。各症例の診断、認識された課題、再建計画、使用された画像モダリティ、および手術病理学的所見が記載されています。

は、術前3Dプリント解剖学的モデルを用いた胸椎腫瘍の臨床病理学的特徴、手術計画、および結果をまとめた表です。

3Dプリントワークフロー：画像取得からモデル完成まで

正確な解剖学的モデルを生成するためのワークフローは、対象者固有の画像取得、セグメンテーション（画像データから特定の解剖学的構造や病変を識別し、境界を抽出するプロセス）、CAD（Computer-Aided Design）モデリング、仮想計画、3Dプリント、そして後処理から構成されます。

**Figure 1.** Figure 1. Three-dimensional printing workflow used for creating surgical models from patient data includes Digital Imaging and Communica- tion in Medicine (DICOM) data selection, segmentation, CAD modeling, virtual planning, 3D printing, postprocessing, and quality assurance (QA). QC = quality control.解説: 3Dプリントモデルを作成するためのワークフローを示しています。画像データ取得からセグメンテーション、CADモデリング、仮想計画、3Dプリント、後処理、品質保証・品質管理を経て、手術リハーサルに至る一連の工程を視覚的に解説しています。

この図は、3Dプリントモデル作成のためのワークフローを明確に示しています。これらの各ステップには、最終的な3Dプリントモデルに悪影響を及ぼす可能性のある潜在的な落とし穴が伴うため、品質管理システムが各段階でどのように統合されているかについても詳細に説明されています。

画像取得と最適な選択

脊椎疾患の対象者の画像診断には、CTやMRIのような断層撮影検査が含まれます。3Dプリントモデル作成に使用されるCTおよびMRI画像の取得パラメータは、

**Table 2.** Table 2: Thoracic Spine CT and MRI Acquisition Parameters解説: 胸椎のCTおよびMRIの画像取得パラメータをまとめた表です。CTでは管電圧、管電流、スライス厚などが、MRIでは様々なシーケンスにおけるスライス厚などが示されています。

にまとめられています。CTとMRI画像は、腫瘍の広がりに関して相補的な情報を示します。CTは、骨融解性変化や関連する石灰化を含む骨の変化を最もよく描出し、MRIは軟部組織の広がりを最もよく描出します。したがって、多くの場合、腫瘍のセグメンテーションにはCTとMRIの両方が使用されます。対象となる解剖学的構造を最もよく描写する画像シーケンスを選択することは、正確な3Dプリントモデルを作成するための重要なステップです。MRIシーケンスは、疾患と関連する解剖学的構造がよく視覚化されていることを確認するために相互参照されます。腫瘍のセグメンテーションに使用する最適な画像検査、シーケンス、およびシリーズを決定することは、正確な3Dプリント解剖学的モデルを作成するために不可欠なステップです。画像検査は、セグメント化する解剖学的構造と、それが最もよく視覚化されるシーケンスを特定するために、専用の読影ワークステーションでレビューされるべきです。画像の品質は、最終的な3Dモデルの精度に直接影響します。画像解像度は、3Dプリントモデルの生成に影響を与え、より細かいディテール、滑らかな表面、視覚的により魅力的で正確な解剖学的表現を持つ3Dプリントモデルをもたらします。これらの違いは、内部の不均一な特徴を持つ腫瘍よりも、正常な解剖学的構造で最も顕著に現れることがあります。したがって、より小さいスライス厚、高い信号対雑音比、コントラスト対雑音比、空間忠実度、およびその他のパラメータの最適化を通じて解像度を優先する画像プロトコルを使用すべきです。長さ、幅、高さが同一のアイソトロピックボクセル（立方体形状の画素）は、再構成アーチファクトを最小限に抑え、筋骨格系の異常の評価に役立ちます。

**Figure 4.** Figure 4. Thoracic spine chordoma with various imaging sequences at MRI in a 63-year-old man (corresponds to case 2 in Table 1). Axial T1-weighted (A), T2-weighted (B), and postcontrast (C) lumbar spine MR images show a T2-hyperintense enhancing mass (arrows) originating from the right L1 vertebral body and extending past the midline involving the right L1 pedicle, transverse process, anterior lamina, and facet complex. Epidural extension is present from the T12 to L1–L2 vertebrae with extension into the right T12–L1 foramen and obliteration of the L1–2 foramen.解説: 63歳男性の胸椎脊索腫における異なるMRIシーケンスの画像です。T1強調画像（A）、T2強調画像（B）、および造影後T1強調画像（C）が示されており、それぞれの画像でT2高信号性の造影される腫瘤が矢印で指し示されています。

は63歳男性の胸椎脊索腫における異なるMRIシーケンスの画像です。また、

**Figure 5.** Figure 5. Thoracic spine chondrosarcoma with various imaging sequences at MRI in a 45-year-old man (corresponds to case 4 in Table 1). Axial T1-weighted (A), T2-weighted (B), and postcontrast (C) thoracic spine MR images show various features of the left paraspinal mass (*) that abuts the esophagus ( in C) and extends into the epidural space (dashed arrow in C) and is associated with abnormal bone marrow signal intensity in the T3 vertebral body, T3 pedicle, T4 vertebral body, T4 transverse process (solid arrow) and lamina, and the left fourth rib (arrowhead).解説: 45歳男性の胸椎軟骨肉腫における異なるMRIシーケンスの画像です。軸位T1強調画像（A）、T2強調画像（B）、および造影後T1強調画像（C）で、左傍脊椎腫瘤の様々な特徴が示されており、食道との関係や硬膜外腔への伸展、異常な骨髄信号強度などが描出されています。

は45歳男性の胸椎軟骨肉腫における異なるMRIシーケンスの画像で、腫瘤の様々な特徴が示されています。

セグメンテーション：病変の正確なデジタル化

適切な画像シーケンスとシリーズがレビューされた後、DICOM（Digital Imaging and Communication in Medicine）画像上の関心のある解剖学的構造を輪郭で描くために、高度な画像処理ソフトウェアを用いたセグメンテーションが実行されます。セグメンテーションにより、ROI（関心領域）またはマスクが生成されます。CTとMRIの両方の画像が腫瘍のセグメンテーションに使用される場合、これらの検査間の解剖学的構造の整合性を確保するために、セグメンテーションの前に一連のステップが実行されます。このプロセスはレジストレーション（異なる画像データ間で対応する構造を位置合わせするプロセス）として知られています。レジストレーションは、正確な3Dプリントモデルの作成において各モダリティの利点を最大限に引き出します。各ソフトウェアプログラムは、CTおよびMRI画像のレジストレーションを独自の方式で管理しますが、一般的には、CTまたはMRIのいずれかを主検査として選択し、もう一方をそれにレジストレーションすることが求められます。この位置合わせプロセスは、PET/CT検査を視覚化する際に使用されるものと同様です。ソフトウェアは、半自動レジストレーションまたはポイントごとのレジストレーションを実行する場合があります。二次検査は主検査に重ね合わせられ、通常はカラーマップ上に表示され、その強度はレジストレーションされたCTおよびMRI画像の最適な視覚化を可能にするために操作できます。レジストレーションプロセス中にいくつかの潜在的な問題が発生する可能性があります。CTとMRI検査には、対象者の体位、吸気の状態、造影剤のタイミング、および異なる解像度の違いがあるため、画像上の対応する構造を位置合わせすることが困難になる場合があります。腫瘍と脊椎の複数のレベルでの位置合わせを最適化することは、正確なレジストレーションに必要です。

**Figure 8.** Figure 8. Image display following registration using CT as the primary imaging examination in a 45-year-old patient (corresponds to case 4 in Table 1). (A–C) Segmentation and resulting ROIs of various anatomy including the arteries (red), veins (blue), esophagus (teal), tumor (purple), and paraspinal vessels (pink) are reviewed on axial (A), coronal (B), and sagittal (C) CT images. (D) Once segmentation is complete, the corresponding parts are gener- ated and reviewed on a 3D rendering. (E) Axial fused image of the registered CT and MR images permits visualization of segmented anatomy regardless of the imaging modality source, allowing seamless verification of segmentation.解説: 45歳男性の対象者において、CTを主要な画像検査としてレジストレーション後に表示された画像です。動脈（赤）、静脈（青）、食道（水色）、腫瘍（紫）、傍脊椎血管（ピンク）などの様々な解剖学的構造のセグメンテーションとROIが軸位（A）、冠状位（B）、矢状位（C）のCT画像で確認できます。セグメンテーション完了後には、対応する部位が3Dレンダリングで生成され（D）、レジストレーションされたCTとMRIの軸位融合画像（E）では、画像モダリティのソースに関わらずセグメンテーションされた解剖学的構造が視覚化され、セグメンテーションのシームレスな検証が可能になります。

は、CTを主要な画像検査として使用したレジストレーション後の画像表示例で、セグメンテーションとROIの検証プロセスを示しています。

3Dプリント材料の選定とモデル設計

3Dモデルの異なる解剖学的構造を表現するための適切な材料の選択は、機能的かつ視覚的に魅力的な3Dプリントモデルを作成するためのもう一つの不可欠なステップです。色、質感、透明度は、3Dプリントモデルの材料を選択する際に考慮すべき3つの要因です。リアルな質感を達成することは、モデルが人間の解剖学的構造を正確に表現し、模倣するために重要です。臓器は異なる触覚特性を持っているため、解剖学的構造の特性に合った材料を選択することで、より良い手術リハーサル体験が得られます。例えば、骨格系を3Dプリントするために使用される材料は強く耐久性がある必要がありますが、血管系や筋肉を3Dプリントするために使用される材料は柔らかく柔軟であるべきです。選択された材料の種類は、視覚化が困難な領域における疾患の視認性を高めたり、手術操作のシミュレーション中に組織の特性を模倣したりすることができます。例えば、肋骨や椎骨などの骨を3Dプリントする際に透明またはクリアな材料を使用すると、疾患が色で描写されたときに硬膜外疾患や骨内・骨髄浸潤を視覚化できます。

**Figure 9.** Figure 9. Use of clear material for a 3D printed model in a 63-year-old man with thoracic spine chordoma (corresponds to case 2 in Table 1). Lateral (A) and cranio- caudal (B) photographs of the 3D printed model show the spine (clear) and tumor (yellow). Use of the clear material allows visualization of the intraosseous and epidural extent of the disease (arrows).解説: 胸椎脊索腫の63歳男性の3Dプリントモデルで透明な材料が使用されている例です。モデルの側面（A）と頭尾側（B）からの写真で、脊椎（透明）と腫瘍（黄色）が示されています。透明な材料の使用により、腫瘍の骨内および硬膜外への広がりが視覚化されています。

は胸椎脊索腫の3Dプリントモデルで透明な材料が使用されている例です。また、大動脈、食道、静脈などの軟部組織の解剖学的構造を異なる色の柔軟な材料で3Dプリントすることは、隣接する解剖学的構造間の明確な視覚的差別化を可能にすると同時に、生体組織の特性を模倣します。

**Figure 10.** Figure 10. Various material types to mimic anatomic properties and to allow rehearsal of surgical maneuvers before surgery (corresponds to case 4 in Table 1). Frontal (A), lateral (B), and posterior oblique (C) images of a 3D printed model show the bones (clear), tumor (*), and paraspinal vessels (arrowheads in B) as a single multicolor part printed with rigid materials. The use of clear material for the bones allows visualization of the intraosseous extent of the disease (arrows in C). Flexible material was used to mimic the anatomic properties of the aorta (pink in A and B), esopha- gus ( in A and B), and vein (red). Mixed rigid and flexible materials were used to create the trachea (yellow) and mimic its anatomic properties.解説: 手術前リハーサルのために解剖学的特性を模倣する様々な材料タイプを用いた3Dプリントモデルの例です。正面（A）、側面（B）、後斜位（C）の写真で、骨（透明）、腫瘍、傍脊椎血管が複数の色と硬質材料でプリントされています。骨に透明材料を使用することで、疾患の骨内への広がりが視覚化されます。大動脈（ピンク）、食道（星印）、静脈（赤）には柔軟な材料が使用され、気管（黄色）には硬質と柔軟な材料が混合されて、それぞれ解剖学的特性を模倣しています。

は、術前リハーサルのために解剖学的特性を模倣する様々な材料タイプを用いた3Dプリントモデルの例を示しています。組織模倣材料の利用は、手術操作のシミュレーションを可能にします。したがって、本論文の研究機関では、PolyJet（Stratasys）3Dプリンターを使用する際、骨格コンポーネントには透明な硬質レジンを、腫瘍には着色された硬質レジンを、軟部組織（大動脈、食道など）には着色された柔軟なレジンをブレンドして選択しています。

品質保証（QA）と品質管理（QC）

医療現場での3Dプリントにおいて、特に手術計画や対象者・研修者の教育に使用される解剖学的モデルの製造に関しては、品質保証（QA）、品質管理（QC）、および品質改善が極めて重要です。3Dプリント、後処理、およびQCのための標準化されたプロトコルを開発、利用、および改訂することで、正確で精密、安全で信頼性の高い解剖学的モデルの製造が可能になります。QAとQCは、ワークフローのすべてのステップで実行される必要があります。3Dプリントワークフローの複数のステップでの検証は、3Dプリントモデルと規定された手術面の精度にとって必要不可欠です。QAは、画像検査の評価から始まり、画質を判断します。画像の解像度と画像アーチファクトの存在は、3Dプリントモデルの品質と精度に直接影響します。FDA 510(k)承認を受けたソフトウェアを使用した標準化されたセグメンテーションプロトコルは、各解剖学的領域に対して確立される必要があります。セグメンテーションプロトコルは通常、閾値設定、領域拡張、平滑化フィルター、アクティブ輪郭セグメンテーションなどのセグメンテーションパラメータを指定します。プロトコルは一貫性があり、継続的に遵守される必要があります。セグメンテーションが完了したら、マスクは画像専門家または放射線専門家によって視覚的に検査され、検証される必要があります。セグメンテーションプロセス、使用されたセグメンテーションパラメータとQC対策、および検証結果を文書化することが重要です。

**Table 3.** Table 3: Roles within the 3D Printing Multidisciplinary Team解説: 3Dプリントを行う多職種チームにおける各役割と能力をまとめた表です。症例選択から画像取得、セグメンテーション精度の検証、手術面の指示、3Dプリント、後処理、モデル準備に至るまでの各ステップにおける担当者と必要な専門知識が示されています。

は、3Dプリントを行う多職種チームにおける各役割と能力をまとめた表です。

手術リハーサルと術中ナビゲーション

手術専門家との3D CADモデルの評価により、関心のある解剖学的構造とリスクのある解剖学的構造をレビューし、手術計画に役立てることができます。手術面は、手術専門家が自身の外科的アプローチ（後方、胸腔内など）と腫瘍周辺の理想的なマージンに基づいて規定します。理想的な手術マージンは、可能な限り疾患の端から2cm超えて設定されます。制限事項としては、ハードウェアを収容するスペースの不足、関節への近接、安定性と機能を損なう残存構造の不足などが挙げられます。手術専門家が理想的な手術切除経路を決定したら、線、弧、基準平面などの解析プリミティブが生成されます。平面は、交差や重なり合う平面を削除するために編集されます。次に、解析プリミティブは部品に変換されます。統合や減算などのブール演算を使用して、3Dプリントモデルに統合可能な単一の部品を作成することができます。3D CADモデルは、手術専門家に理想的な手術面を規定する機会を提供し、それを3D CADモデルおよび3Dプリントモデルに組み込むことで、手術計画とリハーサルを容易にします。これらの平面をモデルに追加することで、手術専門家は自身の手術計画を検証することができます。規定された手術面によって区画された領域内に疾患の全範囲が含まれていることは、セグメンテーションマスクとデジタル手術面をレジストレーションされたCTおよびMRI画像に重ね合わせることで検証されます。検証が完了すると、結果として得られる3D CADモデルを3Dプリントすることができます。手術面は、3D CADモデルの一部としてのみ使用することも、3Dプリントモデルに組み込むことも、3Dプリントモデル上の手動注釈として使用することも可能です。腫瘍の広がり、腫瘍の位置、および関与する外科専門分野の複雑さなどの要因が、手術面を規定する方法に影響を与えます。手術面に対応するSTL（Standard Tessellation Language）ファイルは手術ナビゲーションソフトウェアにエクスポートできるため、手術面は術中ナビゲーションソフトウェアを使用して検証することもできます。3Dプリントモデルに注釈付けされた手術面は、ナビゲーションハードウェアとソフトウェアを使用して検証することができます。

結論と今後の展望

3Dプリント技術は、対象者固有の3Dプリント解剖学的モデルと手術面を作成することを可能にすることで、複雑な脊椎手術に革命をもたらす可能性があります。複雑な脊椎腫瘍の3Dプリントワークフローは、異なる技術や画像シーケンスが様々な腫瘍特徴を示し、疾患の広がりを区別する能力に影響を与えるため、多くの場合、マルチモダリティ画像検査の統合を伴います。したがって、これらの検査と様々なシーケンスのレジストレーションは、正確なセグメンテーションを達成するために不可欠です。セグメント化された解剖学的構造の検証は、最適な手術リハーサル体験を提供するために、疾患の全範囲に加えて、手術時に操作される解剖学的構造が確実に含まれていることを確認するために重要です。3Dプリントに使用される材料の選択は、硬膜外腔や髄内浸潤を伴う疾患の視覚化に影響を与えます。骨に透明またはクリアな硬質材料を使用し、腫瘍に着色材料を使用することで、疾患の広がりがよりよく描出されます。さらに、組織模倣材料を使用することで、手術操作のリハーサルが可能になります。したがって、複雑な脊椎症例の3Dプリントモデルを作成する際には、様々な引張強度を持つ多様な材料を使用することが有益です。QAステップは医療用3Dプリントにおいて極めて重要です。ワークフローのすべてのステップで実行されるQAとQCは、正確で精密、安全で信頼性の高いモデルを生み出します。手術面を規定することは、3Dプリントモデルから導き出され、統合できる手術リハーサルの追加の利点です。手術リハーサル中に検証されたデジタル手術面は、術中ナビゲーションシステムと連携して、術中の追加ガイダンスと手術結果のさらなる最適化に利用できます。これらの技術はまだ比較的新しいですが、複雑な脊椎手術を革新する大きな可能性を秘めています。

用語集

マルチモダリティ画像: 複数の異なる画像診断（例: CTとMRI）を組み合わせて情報を得る手法。
3Dプリント: 3次元デジタルデータをもとに、積層造形によって立体的な物体を作成する技術。
脊椎腫瘍: 脊椎に発生する腫瘍。原発性または転移性がある。
CT（コンピュータ断層撮影）: X線を用いて体の断面画像を撮影する検査。骨病変の描出に優れる。
MRI（磁気共鳴画像診断）: 磁気と電波を用いて体の断面画像を撮影する検査。軟部組織の病変描出に優れる。
セグメンテーション: 画像データから特定の解剖学的構造や病変を識別し、境界を抽出するプロセス。
レジストレーション: 異なる画像データ（例: CTとMRI）間で、対応する構造を位置合わせするプロセス。
ROI（関心領域）: 画像解析において、特定の分析対象として設定される領域。
CAD（Computer-Aided Design）モデリング: コンピュータを用いた設計。3Dプリント用モデルの作成に使用。
オステオトミー: 骨を切る手術手技。
術中ナビゲーションシステム: 手術中にリアルタイムで手術器具の位置を追跡し、対象者の解剖学的構造と重ねて表示するシステム。
STLファイル（Standard Tessellation Language）: 3Dプリントで広く用いられる3Dモデルのファイル形式。
アイソトロピックボクセル: 立方体形状のボクセル（画素の3次元版）。縦・横・奥行きの寸法が等しく、画像の再構成におけるアーチファクトを最小限に抑える。
品質保証（QA）: 製品やサービスの品質が要件を満たすことを確実にするための体系的な活動。
品質管理（QC）: 品質基準に合致しているかを検査し、不適合な部分を修正する活動。