外科医が行なう手術には高度な技術が必要であるが、その習得・実践をサポートするのに有効なのが「コンピュータ外科学」と呼ばれる、コンピューターやロボットを活用した外科手術である。「医療用のナビゲーションシステム」の実現をめざし、患者に負担の少ない超音波を使ったナビゲーションなどの開発をおこなうのが、千葉大学フロンティア医工学センターの中村亮一准教授。研究の中心は、手術のなかでもナビゲーションが難しい柔らかい臓器に対して、超音波をつかったナビゲーションをおこなうことと，ナビゲーションを利用して医師の技術を分析することだ。今回は中村准教授に、コンピュータ外科学の現在と未来について伺った。
超音波で柔らかい臓器のナビゲーション手術を実現する
Q:まずは研究の概要について教えてください。
私が行なっているのは、「コンピュータ外科学」というものです。
といっても実はこの「コンピュータ外科学」という言葉自体、学術の中ではさほど歴史があるわけではありません。だいたい30年くらい前に出来た言葉です。
一般的に手術には、様々な医療機器が必要です。心電図を測る時の機械や体温計も医療機器ですし、手術となると人間の身体を切って治す領域ですので、ハサミやメス、ピンセットなど様々なものが必要になります。数多くの道具がある一方で、それを使ってどのように上手く手術をするかは、やはり職人さんであるお医者さんの能力で決まります。道具の質も大事ですが、基本的にはお医者さんの腕が第一であるため、「人間の能力を超えた事はできない」ということになります。
進んだ手術や今まで人間ができなかったような手術をするためには、さらに人間の能力を超えたなにかを足さなければいけないわけです。それを実現するために必要なものとなると、まず「手」や「目」が必要ですし、なにをするか考えるための「頭脳」も必要です。
こういった部分はやはりロボットや機械、あるいはコンピューターであることから、コンピューターや機械装置を中心として、お医者さんに新しい手や目、頭脳を提供する技術がでてきます。それが、「コンピュータ外科学」というわけです。
いわば、コンピューターがベースのロボットなどを使って、新しい外科手術をつくる領域です。
コンピュータ外科学は英語で「コンピューターエイデッドサージェリー(Computer Aided Surgery)」と呼ばれますが、これは僕の大学時代の師である土肥健純先生(現東京電機大学特命教授)がつくられた言葉です。
海外では「コンピューターアシステッドサージェリー」とも呼ばれますが、土肥先生は「エイデッド（Aided）」の部分にこだわりを持っています。工学・工業の分野で「CAD」というコンピューターで設計をするシステムソフトがありますが、これは「コンピューターエイデッドデザイン」の略です。他にも「コンピューターエイデッド」と付くシステムソフトは工学・工業分野でいくつかあるのですが、土肥先生は工学の人間ですので、「工学側から医療に提供する新しい技術」という部分にこだわり、まさに工学と医療が連携した領域をつくるということで、この言葉ができたのです。
手術では身体の悪い部分があれば身体を切って治すわけですが、切ること自体が身体にとって悪いことですから、体力が落ちているような人にはできない場合もありますし、切ったがために長期間入院することになったりもします。そのため、できるだけ患者さんの身体に負担を与えないことを重視しています。身体に負担を与えることを「侵襲」といいますが、あまり負担がかからないようにする「低侵襲手術」ができれば理想です。しかし、それを実現するにはやはり機械装置の助けが必要ですから、そのための技術が中心になっています。
現在使うことができている手術ロボットも、お腹や胸などの病気の低侵襲手術、いわゆる内視鏡の手術で使われるものが多いですね。内視鏡自体も優れた医療機器ですが、それを使って切らない手術をより安全で医療の品質として安定した成績が出せるように、ロボットやコンピュータの技術を入れていくことを中心としています。ここ20~30年は、「できるだけ傷を小さくする手術」が中心になっているといえますね。
Q:中村様自身は、コンピュータ外科学のなかでどのような研究が中心なのでしょうか。
もともと私自身、最初は土肥先生のもとで手術ロボットに関係する研究を始めました。
最初はロボットの研究から始めましたが、その後は研究分野を変えてアメリカに2年ほど留学することになりました。留学先はボストンにあるブリガムアンドウィメンズ病院の放射線科のMRIの部門でした。MRIの画像についても研究していましたが、画像を使った治療なども行なっていました。放射線科では撮った画像から病気かどうかを判断することが診療の中心でしたが、それ以外に「インターベンショナル・ラジオロジー」(Interventional Radiology，侵襲的放射線診療)や「画像誘導手術」と呼ばれる、画像を使って治療を誘導する役割も担っていました。
画像誘導手術は、技術的にいうと「医療用のナビゲーションシステム」といわれる装置を使った手術です。ナビゲーションの役割としては、カーナビをイメージしていただくとわかりやすいと思います。車の運転をする時に目的地が自分の目で見えていれば、たどり着くことは簡単だと思います。
しかし実際は自分の目で見えないくらい遠く離れた場所へ行くことになり、目的地がどの方角にあってどんな道のりで行くのかまではわからないわけです。そこで、目で見えない道のりなどを画面上に表示するシステムがカーナビです。例えば身体の中に悪い部分があったとしても、切ってみなければ位置を把握することはできません。そのため、位置を知るための地図としてCTやMRIを撮るわけです。
そのCTやMRIを見ながら手術するのは，これは運転で例えるなら、地図帳を開いて時々見ながら運転していくような「昔の運転」です。ただし、自分がその時にどちらの方角を向いているのか、あるいは自分が今地図上のどの位置にいるかがわからない場合が出てきます。例えば手術中に患者さんの身体の中の画像を出していても、悪い部分の大まかな位置はわかるものの、「1ミリの狂いもなく隣の血管を傷つけずに切る」などということはできないのです。
一方で、カーナビはいま自分がいる位置や進んでいる方角なども一目で知ることができます。手術ナビゲーションもこれと同じで、「あなたは今ここを触っています」「進行方向のすぐそばに血管があります」ということなどを表示してくれるわけです。ナビがあれば、車の運転と同じように迷うことなく的確な判断ができます。手術中に間違えて大事な血管を切ってしまった、などというミスを防ぐことにも繋がるのです。例えば脳の手術の場合、悪い腫瘍と大事な神経の束が非常に近いところにあることがあります。そういったギリギリの繊細な部分でも、狂いなくナビゲーションしてくれるわけです。
アメリカでこれら画像誘導手術の研究をし、日本に帰ってきてからは東京女子医科大学に5年ほどいました。
Q:ナビゲーションが必要なのは、おもにどんな場面でしょうか。
こういったナビゲーションが使える病気は限定されていて、まず脳の領域が挙げられます。脳以外ですと鼻や耳、腕や関節の手術などにも使われていますね。
なぜ限定されるのかというと、「そこでしか使えない」のが理由のひとつです。
たとえ正確な地図があっても、地図と患者さんの状態がぴったりと一致していなかったり、地図が間違えていたりしたらアウトです。手術中に形が変わってしまう部分は、地図と一致しなくなってしまうためナビゲーションが使えないのです。
例えば骨など硬い部分であれば、ほぼ形は変わりません。脳や耳、鼻などは、周りが頭骸骨で覆われていて形が変わることが少ないので、ナビゲーションが使えます。一方で胃の手術などでは、お腹を開いた瞬間に中の形は変わってしまっています。胃をちょっと持ち上げただけでも形は変わってしまうわけですから、周りに支えがないところや柔らかい臓器は今の段階ではナビゲーションを使うことはできないのです。
私が千葉大でやってきたことは、ナビゲーションを使うことが難しいとされているお腹など柔らかい部分についての研究です。ナビゲーションは今のままでもすごく役立っていますが、やはり命に関わるような重大な病気となると日本人の場合「胃がん」や「大腸がん」が多いわけです。そういった場面でも使えるナビゲーションが求められているわけです。
ナビゲーションがすごく役に立つことは、脳外科や整形外科の先生ならよく知っていることですので、それを他の外科でも使えるようにしたいです。
Q:「柔らかい」臓器にアプローチしていることは珍しいことなのでしょうか。
研究課題として皆が必要だと思っている部分ですので、競争が激しいですね。当センターでは手術方法自体も新しいことを考えています。お腹の手術の現在の主流は内視鏡を使ったもので、胃がんなどの場合は早期がんなら口から内視鏡を入れて胃の中から取って治してしまいますが、がんがもっと大きくなったらお腹に小さな穴を開けて、腹腔鏡を入れる手術になります。
手術をするための空間を作るために空気でお腹を膨らませた状態での手術になるため、その状態でナビゲーションするにはお腹を膨らませた後で手術中に，地図である画像を撮らなくてはなりません。しかも、お腹の中はすぐに形が変わってしまうので、手術中に画像を何度も撮る必要があるのです。車の渋滞情報がどんどん変わっていくような状況で、リアルタイムの地図が必要なのです。
画像を撮る方法はいくつかありまして、CTやMRI 、あとは超音波などがあります。
CTの場合、撮ることはできますが、被ばくしてしまいます。1~2回であればまだいいのですが、何回もやっていると患者さんはどんどん被ばくしていきますし、毎日その手術をしているお医者さんはもっと被ばくするのでCTは使えません。MRI は脳の領域ですごく役に立っていますが、撮るのに時間がかかるため、お腹などでは撮り終わる頃には撮った部分の形が変わってしまいます。
その中で唯一使えそうなのが、超音波です。超音波を使えば、リアルタイムに早く撮ることができます。CTやMRIほどきれいには撮れませんが、形として撮る分には問題ないです。実際に海外の研究グループなどでも、手術中に使う新しいシステムについて取り組んでいるところは、超音波を使っているところが多いですね。僕も超音波を使ったもので考えています。
お腹の手術には内視鏡を使うので、お腹を膨らませて空間をつくり、腹腔鏡という細長いものを使っていきます。この時お腹の中には空気が入っているわけですが、実は空気が入っていると空気越しに臓器を超音波で撮ることはできません。妊婦さんなどに超音波が使えるのはお腹の中に羊水があって空気がないからで、通常の手術ではお腹の外から広い範囲の超音波を撮ることは難しいわけです。
そんな中、通常なら空気で膨らませているお腹を全て水で膨らませる「水中手術」という方法を、うちにいる五十嵐辰男先生(元センター長，現特任教授)が考え出しました。
そもそもお腹の中に空気を入れることは、患者さんにとってあまり良いことではありません。人間の身体は水でできているため、その性質に近い水を入れるほうが身体に優しいだろうということで泌尿器科医でもある五十嵐先生が提唱されたのが水中手術です。一方で僕自身は、ちょうど超音波でお腹のナビゲーションをやりたいと思っていたこともあり、「これならいける」と思いました。お腹の中に水を入れた状態で身体に優しい手術をしつつ、ナビゲーションも使える新しい内視鏡手術をつくるということに取り組んでいるのがうちのグループです。
現在はまだ動物実験の段階ですが、お腹の上に3次元の超音波画像が撮れるプローブを置いてナビゲーション画像を作成し、内視鏡の手術をしています。これがもし普通の内視鏡手術であれば、空気しか入ってないためなにも撮れませんが、水が入っていることできれいに超音波の画像が撮れてナビゲーションができるわけです。
熟練医師の外科技術を、ナビゲーションで理解し再現する
Q:これから取り組んでいきたい課題はどんなことでしょうか。
手術ナビゲーションといっても今のシステムでは単純に自分がいる場所とゴールを出しているだけで、その間をどのように進むのかは出していません。これがカーナビと異なる点です。
さて、整形外科などで骨を切る時は、手術前に「こうやって切る」という計画をつくってナビゲーションに載せます。しかし柔らかい組織の手術では、手術中に絶えず変わる臓器の状況に応じて手術の計画を変えなければならず，それは手術前に出来ないので，ナビゲーションといいながらも現在地とゴールを示すだけで、その中間はナビゲートしてくれないのです。
こうした理由から、手術を上手くやるために、その工程をどうするかを示す新しいガイドシステムが必要になります。中間も含むガイドが入ってこそ、ようやく真のナビゲーションになると考えています。
今うちの研究室で中心的に行なっているメインテーマは「情報分析」です。手術の工程を明らかにして、それにきちんと沿った形でやっているかを調べてあげるというシステムをつくっています。情報として分析しているのが、手術の工程、そして技術です。上手い人のやり方はどんなもので、それに近づくためにはどうしたらいいのかというところを知るわけです。
例えば工業の分野では、工場などで生産工程がきっちり決まっているなど、管理が行き届いています。しかし、職人さんの世界では、職人さんの頭の中には経験で培った工程があると思いますが，きっちりと生産システムとしての品質管理はしていない部分があります。工芸など手作業をしている方々の技術もそうですし、手術室での技術もお医者さんまかせで細かい部分まで品質管理されているわけではないので、そういったところに情報分析の考え方を入れられないかと取り組んでいます。
具体的には、「お手本となる人と比べて、あなたはこのくらいのレベルです」と点数化してあげたり、具体的にどの部分をどう直せばいいのかというアドバイスを与えたり、などがあります。
忙しい人間のお医者さんが指導者として全ての手術のアドバイスを一つ一つ行うのは、現実的に無理なことです。そこで人間の代わりにコンピューターが悪い点をピックアップし、スコアシートを出したり数分のビデオにまとめたりすることで振り返りも楽になるのです。
もちろんお医者さんもみずから日々技術を上げる努力をしていますが、多忙ゆえ手術を振り返る時間をたくさん取れるわけではありません。そこをコンピューターの技術でフォローすることで、ある程度の技術レベルまで上げていければと考えています。
Q:ガイドシステムは、どの程度実用化ができそうでしょうか。
手術に影響を与えるので医療機器になるのですが、医療機器にするためには国の審査など様々なことがあるので、すぐにというわけにはいきません。逆にいえば、医療機器でなければすぐ使うことができます。医療機器でなくても使えるところとなると、患者さんがいないところ、つまりトレーニングですね。患者さんがいない練習では、こういった技術を使うことで「まだまだだな」という部分をコンピューターが自動的に審査してくれるのです。このソフトを現在つくっていて、早ければ今年中には製品として出せるかなというところまできています。
将来的にはそれを手術中にも導入して、毎回の手術で改善点を出してあげるというところまで考えています。ただ、自分の仕事に毎回点数をつけられるのは結構なストレスの可能性もあるので、使い方についてはまだ考えなければいけないですね。
Q:研究室にはどんな学生がいらっしゃいますか。
千葉大の工学部、総合工学科医工学コースという医療機器を扱うコースの教育を担当しています。そのため、大学1~4年生まですべての学生の医工学教育を担当します。3年の後期から演習で研究室に所属し，4年生から研究を行ないます。教育内容としては機械工学や電気電子工学，情報工学などについてですが、医工学コースですので完全に医療専門です。「自分の周りに医療従事者がいる」とか「家族が病気を患ったことをきっかけに医療技術の分野の重要性を感じた」などの理由で入学する学生が多いですね。僕の両親ももともと薬剤師で薬局をしていたこともありますので、どちらかといえばこのパターンに近いかもしれません。
一方で、医学部ではなく工学部にきているわけですから「自分で治す」のではなく「治す技術をつくって広く伝える」ことが求められます。うちは進学する学生が多く、7~8割は大学院の修士課程まではいきます。それほど多くはないですが、博士に進む学生もいますね。学部で1学年40名ほど、大学院が30名ほどなのでほぼ進学で、その後は民間の医療機器メーカーなどにいく人が多いです。特に僕の研究室は医療系メーカーに進む人が多いですが、医工学コースで学ぶ技術というと機械だったり電磁波だったり情報だったり、本当に様々なものがありますので，そういった技術に関連する別のメーカーに進んだり、中には公務員になる人もいたり様々ですね。
Q:企業との共同研究では、どのようなものがあるのでしょうか。
現在企業と一緒に取り組んでいることとして、トレーニング専用の手術機器，例えば内視鏡の手術で縫合に使う持針器というものがあります。このトレーニング専用の持針器は「not for medical use」と書いてあるように実際の手術では使えないトレーニング専用の機器ですが、性能はほとんど本物と一緒です。本物になると一本2~30万円以上しますし、両手分と考えるとその倍の金額が必要になってくるわけです。すると、若い先生が本物を買って自分で練習しようとなっても、そのためだけにこの金額はなかなか出せません。
一方でうちのものは一本22000円です。実際の患者さんに使うものとほぼ同じ品質ですが、あくまで「トレーニング用」として様々なコストカットなどをして10分の1程度の価格で販売しています。
これ以外にも、トレーニングに必要な材料やシステムをつくったりしています。新しく出そうとしているものだと、先ほどお話しした手術の分析技術を使って訓練を自動評価してくれるものがそうですね。
本当は新しいナビゲーションシステムなど治療用の医療機器を共同研究を通じて製品化したいのですが、そのためには安全性や効用を証明しなければならなかったり、厚生労働省の承認なども必要になってきます。日本は公的な保険で全てをまかなっているため、保険でお金を出してもらえるようにもしなければなりません。
これらを全てクリアしていくにはかなりの時間が必要になってきますので、企業側も新しい領域に手を出しにくいのが現状です。収益をとれるようになるまで約10年ほどかかることも普通ですし、それだけ時間をかけても収益が必ずとれるとは限らないため、結構リスキーな分野でもあります。そのため現段階ではなかなか協業はできていません。
日本の医療機器産業のマーケットはかなり大きいものですが、日本企業が強い領域となるとCTやMRI、内視鏡などの「診断機器」ばかりで、「治療用機器」となると大体はアメリカかドイツのものですね。日本の中小企業が出している職人さんの少量生産品などで優れたものもありますが、大量に出回っているものはほとんどが海外製品です。医療機器のトップメーカーもほとんど海外ですね。日本で有名な数社の企業も世界で見ると売上高は2~30位くらい、その数社の売上げを合わせても世界のトップの規模には及びません。
マーケットの大きさや成長性で強いのは治療機器ですから、やはり世界のレベルにいくには治療のための機器が必要になってくるのです。治療機器で新しいものを出すということは、日本の産業としても取り組んでいかなければならないことですので、学術側からなにかできないか、そこを考えて、日々取り組んでいます。(了)
中村 亮一
なかむら・りょういち
千葉大学 フロンティア医工学センター 准教授1998年東京大学工学部 精密機械工学科 卒業、2000年東京大学大学院工学系研究科 精密機械工学専攻 修士課程 修了
2000年より、日本学術振興会特別研究員(DC1)。2001年よりハーバード大学医学部 ブリガム&ウィメンズ病院 放射線科 研究員として留学。2003年、東京大学大学院工学系研究科 精密機械工学専攻 博士課程 修了 (学位 博士(工学))後、東京女子医科大学 先端生命医科学研究所 助手となる。
2008年、千葉大学 大学院工学研究科人工システム科学専攻 テニュアトラック准教授に着任し、2012年から同准教授(テニュア)。
2013年より現職。