MRI・CT画像ガイド下生検を革新する低コストNIRトラッキングシステム
解説対象論文: Implementation of monocular near-infrared camera tracking in MRI and CT navigation systems
International Journal of Computer Assisted Radiology and Surgery｜被引用数: 0（2026年8月1日時点）
画像ガイド下介入（IGI）は低侵襲手技において不可欠ですが、既存のシステムはしばしば単一モダリティに特化し、高価であり、MRI互換性にも課題がありました。本研究は、これらの課題を解決するため、費用対効果の高い単眼近赤外（NIR）トラッキングシステムを開発。複数のモダリティ（CTおよびMRI）にわたるIGIにおいて、高い精度とワークフロー効率を維持する可能性を示しました。
低侵襲治療の未来を拓く：画像ガイド下介入の課題と新しい解決策
どうも、Beyond the Pixelです。医療の進化は目覚ましく、低侵襲治療は対象者の負担を軽減する重要なアプローチとして注目されています。特に、画像ガイド下介入（IGI）は、術前の画像診断と術中のリアルタイムな機器追跡を組み合わせることで、より正確で安全な手技を可能にします。しかし、現在のIGIシステムにはいくつかの課題があります。多くは特定の画像モダリティ（CTやMRIなど）にしか対応しておらず、導入コストが高額であること、そしてMRI環境下での互換性が限られていることが挙げられます。このような背景の中、本研究は、CTおよびMRIの両方に対応できる、費用対効果の高い単眼近赤外（NIR）トラッキングシステムを開発し、その精度とワークフロー効率を評価しました。この新しいシステムは、低コストでありながら既存の課題を克服し、多岐にわたる画像ガイド下介入の可能性を広げるものとして期待されています。
新システム「単眼NIRトラッキング」の仕組み
本研究で開発されたナビゲーションシステムは、レトロリフレクティブ（再帰反射性）のArUcoフィデューシャルマーカーと単眼NIRカメラを核としています。このシステムは、対象者の体の位置、画像データ、そして処置に使う器具の位置を共通の座標系に合わせることで、リアルタイムでの正確なナビゲーションを実現します。
このシステムの全体像が、ナビゲーションワークフローのブロック図として示されています。CTおよびMRIの両方に対応するため、それぞれの環境に合わせてシステムが調整されています。
CTガイド下でのセットアップと位置合わせ
CTガイド下での生検では、CT装置のテーブル上に固定されたリファレンスマーカーと、針に取り付けられたマーカーが使用されます。リファレンスマーカーは、ArUcoマーカーと高コントラストのZrO2球（二酸化ジルコニウムの球体）を組み合わせた十二面体の形状をしており、CT画像と光学式トラッキングシステムとの間の正確な位置合わせを可能にします。
このマーカーとCTガントリー内での配置、そしてカメラ視野内のサポートが示されています。まずCTスキャンでZrO2球の位置を特定し、その情報を用いて光学式トラッキングシステムとCT画像の座標系を合わせます。これにより、針の位置がCT画像上でリアルタイムに把握できるようになります。
MRIガイド下でのセットアップと位置合わせ
MRI環境では、磁性体への制約があるため、光学式トラッキングシステムはMRI装置のガントリー外に配置されます。生検の計画と視覚化システムもMRI室の外に設置されます。
MRIガイド下での生検手技のセットアップが、MRIスキャナーの正面と背面、および制御室の様子と共に示されています。MRIでの位置合わせには、高コントラストのオメガ3カプセルと、光学カメラから見えるように外部に設置された多面体のリファレンスマーカーが用いられます。これらのカプセルの位置をMRI画像で特定し、CTの場合と同様の数式を用いて、MRI画像の座標系と針マーカーの位置を合わせます。
光学式トラッキングシステムと視覚化
光学式トラッキングシステムは、赤外線リングライトを備えた単眼NIRカメラと、ArUco MIP_36_12タグを持つ十二面体マーカーで構成されます。これにより、サブミリメートルの位置精度と低遅延を実現し、周囲の光にも強く、CTとMRIの両環境で使用可能です。針の先端位置を正確に追跡するためには、ピボットキャリブレーションという手法で、マーカーと針先の固定されたオフセットを算出します。ナビゲーションの視覚化には、オープンソースの3D Slicerプラットフォーム上で開発されたカスタムモジュールが使用されます。
このモジュールが、リアルタイムでの針の可視化と、CTボリューム内での軌道計画を可能にする様子が示されています。これにより、専門家は針の現在位置、計画された軌道からの偏差、標的までの残り深度などを直感的に確認しながら手技を進められます。
ファントム研究で示された精度と効率
本研究では、ファントムモデルを用いた経皮的肝生検を想定し、CTガイド下とMRIガイド下の両方で、開発されたシステムの精度とワークフロー効率を評価しました。主要な評価指標として、標的配置誤差（TPE）と針先追跡誤差（TTE）、そして手技に要した時間が定量的に測定されました。
CTガイド下研究の結果
CTガイド下の研究では、TPEが10.3 ± 3.7 mm、TTEが5.0 ± 1.3 mmでした。総手技時間は平均で62 ± 34秒と報告されています。これは約1分という短い時間で手技が行われたことを示唆しています。
MRIガイド下研究の結果
MRIガイド下の研究では、TPEが4.6 ± 1.0 mm、TTEが4.7 ± 2.3 mmという結果が得られました。総手技時間は平均で113 ± 65秒でした。MRI環境下での光学式トラッキングシステムの性能評価では、静的条件下での位置測定の二乗平均平方根誤差（RMSE）は1.1 mmから1.9 mmの範囲であり、リアルタイム画像取得中でも追跡性能の低下やMRI画像品質への電磁干渉は観察されませんでした。これは、MRIの強い磁場環境下でもシステムが安定して機能することを示しています。
これらの結果から、MRIガイド下のTPEはCTガイド下よりも優れており、これはMRIガイド下で使用された針がより短かったこと、およびMRI手技ではリファレンスが常に静止していたことが主な要因と考えられます。MRIガイド下で得られたTPEの4.6 ± 1.0 mmという値は、肝臓介入における最新の画像ガイド下システムで報告されている値と遜色ないレベルです。
今後の展望とシステムの限界
本研究は、低コストで多モダリティに対応するナビゲーションツールとしての光学式トラッキングシステムの実現可能性を強く示しました。特に、MRI対応のナビゲーションシステムが限られている現状において、本システムのMRI環境での実装は非常に重要です。しかし、臨床応用に向けてはいくつかの課題も残されています。
CTガイド下での標的配置誤差（TPE）は10.3 ± 3.7 mmであり、これはファントム実験には十分な精度であるものの、約10 mm径の小さな肝病変を臨床で確実に標的とするには、さらなるワークフローと機械的最適化が必要です。主な誤差源としては、針の長さによる角度誤差の増幅、ピボットキャリブレーションの不確かさ、位置合わせの不正確さ、マーカーのセグメンテーション（画像からの切り出し）、およびテーブルの振動などが挙げられます。
また、本研究の実験は、呼吸運動のない静的なファントムモデルで実施されました。実際の臨床現場では、対象者の呼吸運動、体動、組織の変形、病変の視認性の変動などが追加の誤差を生じさせる可能性があります。光学式トラッキングシステムはカメラとマーカー間の直接的な視線が必要となるため、MRIのような限られた空間では、専門家の動きや器具の取り扱いによってトラッキングが中断される可能性も指摘されています。
これらの限界を踏まえ、今後の研究では、機械的安定性の向上、位置合わせの堅牢性の改善、呼吸運動などの動的な条件下での検証、医療専門家によるユーザビリティテスト、既存の手技との比較、そして超音波ガイド下手技への拡張が計画されています。本システムが将来的に、より多くの画像ガイド下介入で利用される可能性を秘めていることは間違いありません。
補足図表
Figure 6
用語集
- IGI: 画像ガイド下介入の略称。術前の画像と術中の機器追跡を組み合わせて低侵襲手技を支援する。
- NIR: 近赤外の略称。本研究では、単眼NIRカメラを用いて機器の位置を追跡する。
- ArUcoフィデューシャルマーカー: 特定のパターンを持つ視覚マーカー。カメラで読み取ることで、物体（本研究では針など）の位置と向きを正確に特定できる。
- 3D Slicer: 画像ガイド下介入のためのオープンソースソフトウェアプラットフォーム。本システムではナビゲーションの視覚化と計画に用いられる。
- TPE: 標的配置誤差の略称。最終的な針の先端位置と計画された標的の位置との間の距離で、標的への到達精度を示す指標。
- TTE: 針先追跡誤差の略称。トラッキングシステムが示した針先位置と、画像で確認された針先位置との間の距離で、リアルタイム追跡の精度を示す指標。
- 経皮的生検: 皮膚を通して針を挿入し、組織の一部を採取する診断手技。画像ガイドが用いられることが多い。
- ファントム: 医療画像研究で、実際の対象者の代わりに用いられる、人体構造を模した模型。
- モダリティ: 医療画像の種類を指す。CT、MRI、超音波などが該当する。
- 再帰反射性: 光を光源の方向に反射する性質。本研究ではマーカーにこの性質が利用され、カメラによる検出が容易になる。
- ピボットキャリブレーション: 追跡されるマーカーと、そのマーカーが取り付けられた機器の機能的な先端（本研究では針先）との間の固定されたオフセットを計算する手法。
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