Mixed Reality Tele-Ultrasound over 750 km: A Feasibility Study

技術概要：750km 超の混合現実遠隔超音波検査

問題提起
超音波（US）は、非侵襲的かつ携帯可能な重要な診断ツールであるが、遠隔地および先住民コミュニティでは訓練されたソノグラファーへのアクセスが欠如していることが多い。既存の解決策には重大なトレードオフが存在する。ロボット遠隔超音波は精度が高いものの、高コスト、大型、複雑なメンテナンスが課題である。遠隔指導型超音波は安価だが、現地の専門知識に依存し、プローブの精密な制御が欠如している。また、自律型ロボット超音波は推論と安全性の面で課題を抱えている。低コストで柔軟かつ精密な解決策の必要性に応えるため、本研究は「人間遠隔操作」と呼ばれる混合現実（MR）システムを評価した。これは、遠隔の専門家が初心者の「フォロワー」をガイドしてスキャンを実行させるシステムである。この概念の以前のバージョンは存在したが、遅延を導入する大規模な距離での実現可能性、および腹部画像診断に必要な精密な動作における実現可能性は未調査であった。

方法論
本研究は、カナダのハイドラ・グワイイ島スキッドゲイトとバンクーバーの間、754km 離れた地点間で実施された 11 件の遠隔腹部超音波スキャンを含む実現可能性テストを行った。

• システムアーキテクチャ:

  • フォロワー側（遠隔）: 初心者は Microsoft HoloLens 2 ヘッドセットを装着し、動的な仮想超音波プローブをレンダリングする。フォロワーは、このホログラムに合わせて物理的な超音波プローブを物理的に位置合わせする。システムは赤外線（IR）反射マーカーを使用して物理プローブの姿勢を追跡し、差動磁気力センサーシェルを介して加えられた力を測定する。
  • 専門家側（現地）: 遠隔の専門家ソノグラファーは、3D プリントされたプローブハンドルを備えた 6 自由度の触覚デバイス（Touch X）を使用して仮想プローブを制御する。専門家はフォロワーの視点映像とリアルタイムの超音波画像フィード（Windows Phone Link を介して Philips Lumify アプリへ）を表示し、音声ガイダンスを提供する。
  • 通信: システムはピアツーピア通信に WebRTC を採用し、姿勢、力、およびビデオデータを伝送する。

• 触覚フィードバックモデル:
  通信遅延とフォロワーの遅れにもかかわらず安定した触覚フィードバックを提供するため、システムは患者の腹部表面を楕円体としてモデル化する。このモデルは、剣状突起、患者の極端な左側と右側、およびベッドのレベルという 4 つの特定点を用いて較正される。システムは、楕円体の軸が患者の解剖学的軸と一致し、楕円体がベッドに接していると仮定する。力は、仮想プローブがこの楕円体への浸透深度に基づいて、バネ・ダンパーモデルを用いて計算され、専門家へレンダリングされる。

• 研究プロトコル:
  2 人の専門家ソノグラファーが、20 歳から 60 歳以上の 10 人の初心者のフォロワーを指導し、5 つの特定のターゲット画像の取得を行った。これらは、近位大動脈（AP 径）、縦断下大静脈、左肝葉（長軸および横断）、および右門脈（横断）である。

  • データ収集: 画像の質は 2 人の放射線科医によって 6 段階の尺度で評価された。フォロワーの位置合わせ誤差（二乗平均平方根誤差、RMSE）は、物理的プローブと仮想プローブの姿勢を比較して計算された。参加者は NASA TLX タスク負荷調査と修正版システムユーザビリティ尺度（SUS）アンケートを完了した。

主な貢献

1. 長距離実現可能性: 本研究は、人間遠隔操作がネットワーク遅延に関連する課題を克服し、754km の距離を超えて遠隔腹部超音波検査を成功裡に促進できることを実証した。
2. 初心者の活用: 超音波の経験がない個人が、遠隔の専門家からのガイダンスに従って診断品質の画像を取得する「認知的ロボット」として効果的に機能することを検証した。
3. 新規触覚レンダリング: 本論文は、触覚フィードバックのための楕円体ベースの患者モデルを導入し、テストした。このアプローチは、遠隔の専門家に患者表面の安定した直感的な表現を提供し、直接的な力フィードバックの遅延によって引き起こされる不安定性を軽減する。
4. 包括的評価: 本研究は、放射線科医による画像品質評価、定量的な位置合わせ誤差分析、ならびに初心者と専門家の両方からの主観的ユーザビリティおよびタスク負荷指標を含む多面的な評価を提供した。

結果

• 画像品質: 試行された 55 枚のターゲット画像のうち、48 枚が正常に取得された。取得された画像のうち、91.7% が 2 人の放射線科医の両方から 3 点以上（最適未満から良好）のスコアを受け、31.3% が「良好」（5 点）と評価された。取得された画像の平均品質スコアは 4.28 ± 0.95 だった。
• タスク負荷とユーザビリティ: 初心者のフォロワーは、NASA TLX スケールにおいて、精神的負荷（23.3/100）、努力（18.9/100）、およびフラストレーション（16.5/100）が低く報告され、これらはすべて医療および仮想現実タスクの基準値を下回った。ユーザビリティスコアは一貫して肯定的であり、10 人のフォロワー全員がシステムは使いやすいと同意し、大多数の人がすぐに習得できると回答した。
• 位置合わせ誤差: 平均位置 RMSE は 31.94 ± 10.17 mm、平均姿勢 RMSE は 11.39 ± 3.55°だった。ただし、中心化（一定のオフセットを除去）した場合、RMSE はそれぞれ 10.06 mm および 5.81°に大幅に低下した。
• 相関: フォロワーの位置合わせ誤差（位置または姿勢）と結果としての画像品質スコアとの間に統計的に有意な相関は見られなかった。特に、最も高い位置誤差を記録したスキャン（スキャン 8）は、最も高い画像品質スコアを受け、患者の体格や、画像から真のプローブ位置を推測する専門家の能力が、絶対的なフォロワーの位置合わせ精度よりも重要であることを示唆している。

意義と主張
本論文は、人間遠隔操作が、大規模な距離や初心者のオペレーターであっても、遠隔腹部超音波画像診断を可能にする実現可能かつ効果的な手法であると主張している。本研究は、このシステムが専門家ソノグラファーに高パフォーマンスで遠隔スキャンを実行させ、成功した取得の 92% で診断品質の画像を達成することを強調している。著者らは、位置合わせ誤差と画像品質の間に相関がないことは、専門家が視覚フィードバックを解釈できる限り、システムがわずかな追跡の誤差に対して堅牢であることを示唆していると強調している。

著者らは、このアプローチが、コスト、携帯性、および現地の専門知識の欠如が障壁となっている遠隔コミュニティにとって、ロボットおよび遠隔指導型システムに対する有望な代替手段を提供すると結論づけている。彼らは控えめに、システムは実現可能であるが、将来の研究ではロボットおよび遠隔指導型アプローチとの直接比較、腎臓や大動脈全体検査などの他の解剖学的領域へのテストの拡大、そして収集された豊富なデータを用いた自律的ガイダンスのための AI 統合の探求が必要であると指摘している。