超高精細手術顕微鏡の技術的進歩と臨床応用

 

手術用顕微鏡現代の医療分野、特に脳神経外科、眼科、耳鼻咽喉科、低侵襲手術といった高精度が求められる分野では、非常に重要な役割を果たしており、なくてはならない基本機器となっています。高い拡大機能を備え、手術用顕微鏡詳細な視野を提供することで、外科医は神経線維、血管、組織層など、肉眼では見えない細部を観察することができ、手術中に健康な組織を損傷するのを防ぐことができます。特に脳神経外科においては、顕微鏡の高倍率により、腫瘍や病変組織の正確な位置特定が可能になり、切除範囲を明確にし、重要な神経への損傷を回避できるため、患者の術後回復の質が向上します。

従来の手術顕微鏡は、通常、標準解像度の表示システムを備えており、複雑な手術ニーズをサポートするのに十分な視覚情報を提供できます。しかし、医療技術の急速な発展、特に視覚技術分野における飛躍的な進歩により、手術顕微鏡の画像品質は、手術の精度を向上させる上で徐々に重要な要素となっています。従来の手術顕微鏡と比較して、超高精細顕微鏡はより詳細な情報を提供できます。4K、8K、またはそれ以上の解像度の表示および画像システムを導入することで、超高精細手術顕微鏡は、外科医が小さな病変や解剖学的構造をより正確に識別および操作することを可能にし、手術の精度と安全性を大幅に向上させます。画像処理技術、人工知能、仮想現実の継続的な統合により、超高精細手術顕微鏡は、画像品質を向上させるだけでなく、手術に対するよりインテリジェントなサポートを提供し、手術手順をより高い精度とより低いリスクへと導きます。

 

超高精細顕微鏡の臨床応用

イメージング技術の継続的な革新により、超高解像度顕微鏡は、その非常に高い解像度、優れたイメージング品質、リアルタイムの動的観察機能により、臨床アプリケーションで徐々に重要な役割を果たしています。

眼科

眼科手術は精密な手術を必要とし、高い技術基準が求められます。眼科手術用顕微鏡例えば、フェムト秒レーザー角膜切開術では、手術用顕微鏡は高倍率で前房や眼球の中心切開を観察し、切開位置を確認することができます。眼科手術では、照明が非常に重要です。顕微鏡は、低光強度で最適な視覚効果を提供するだけでなく、特殊な赤色光の反射を生成し、白内障手術プロセス全体を助けます。さらに、光干渉断層撮影（OCT）は、眼科手術で表面下の可視化に広く使用されています。OCTは断面画像を提供できるため、正面観察のため微細組織を見ることができないという顕微鏡自体の制限を克服できます。例えば、Kapellerらは4K-3Dディスプレイとタブレットコンピュータを使用して、顕微鏡統合型OCT（miOCT）（4D-miOCT）の効果図を自動的に立体的に表示しました。ユーザーの主観的なフィードバック、定量的な性能評価、そして様々な定量的な測定に基づき、白色光顕微鏡における4D-miOCTの代替として4K-3Dディスプレイを用いることの実現可能性を実証しました。さらに、Lataらの研究では、先天性緑内障とブルズアイを伴う患者16名の症例を収集し、miOCT機能を備えた顕微鏡を用いて手術過程をリアルタイムで観察しました。術前パラメータ、手術の詳細、術後合併症、最終視力、角膜厚などの主要データを評価することで、miOCTは医師が組織構造を識別し、手術を最適化し、手術中の合併症リスクを軽減するのに役立つことを最終的に示しました。しかし、OCTは硝子体網膜手術、特に複雑な症例や新しい手術（遺伝子治療など）において徐々に強力な補助ツールになりつつあるものの、コストの高さと長い学習曲線のために、臨床効率を本当に向上させることができるのか疑問視する医師もいます。

耳鼻科

耳鼻咽喉科手術も手術用顕微鏡を用いる外科分野の一つです。顔面には深い空洞や繊細な構造物が存在するため、拡大と照明は手術結果に極めて重要です。内視鏡は狭い手術部位をより鮮明に観察できる場合もありますが、超高解像度手術用顕微鏡顕微鏡は奥行き知覚を提供し、蝸牛や副鼻腔などの狭い解剖学的領域を拡大することを可能にし、中耳炎や鼻茸などの症状の治療で医師を支援します。たとえば、Dundarらは、2010年から2020年の間に手術を受けた耳硬化症と診断された84人の患者からデータを収集し、耳硬化症の治療におけるアブミ骨手術に対する顕微鏡と内視鏡の方法の効果を比較しました。手術前後の空気骨伝導差の変化を測定指標として使用し、最終結果は、両方の方法が聴力改善に同様の効果があったが、手術用顕微鏡の方が操作が簡単で、習得曲線が短いことを示しました。同様に、Ashfaqらが実施した前向き研究では、研究チームは2020年から2023年の間に耳下腺腫瘍の患者70人に対して顕微鏡支援耳下腺切除術を行い、顔面神経の識別と保護における顕微鏡の役割を評価することに焦点を当てました。結果は、顕微鏡が術野の鮮明度向上、顔面神経の主幹と枝の正確な識別、神経牽引の軽減、止血において大きな利点を持つことを示しており、顔面神経温存率の向上に重要なツールとなっています。さらに、手術がますます複雑かつ精密になるにつれて、ARと様々な画像モードを手術顕微鏡に統合することで、外科医は画像誘導手術を実施できるようになります。

脳神経外科

超高精細の応用脳神経外科における手術用顕微鏡手術技術は、従来の光学観察からデジタル化、拡張現実（AR）、インテリジェント支援へと移行しています。例えば、Draxingerらは、顕微鏡と自社開発のMHz-OCTシステムを組み合わせて、1.6MHzの走査周波数で高解像度の3次元画像を提供し、腫瘍と健常組織をリアルタイムで区別し、手術の精度を高めることに成功しました。Hafezらは、実験的な脳血管バイパス手術において、従来の顕微鏡と超高解像度顕微手術画像システム（Exoscope）の性能を比較し、顕微鏡の方が縫合時間は短かったものの（P<0.001）、縫合糸の分布に関してはExoscopeの方が優れていることを発見しました（P=0.001）。さらに、Exoscopeはより快適な手術姿勢と共有視界を提供し、教育上の利点をもたらしました。同様に、Calloniらは、脳神経外科レジデントのトレーニングにおけるExoscopeと従来の手術顕微鏡の応用を比較しました。研修医16名が、両機器を用いて頭蓋模型上で反復的な構造認識課題を実施しました。その結果、両機器の全体的な手術時間に有意差は見られませんでしたが、Exoscopeは深部構造の識別において優れた性能を示し、多くの参加者からより直感的で快適であると評価され、将来的にはExoscopeが主流となる可能性が示されました。4K高解像度ディスプレイを搭載した超高解像度手術顕微鏡は、すべての参加者に高品質の3D手術画像を提供し、手術コミュニケーション、情報伝達、そして教育効率の向上に貢献できることは明らかです。

脊椎手術

超高精細手術用顕微鏡脊椎手術において、手術用顕微鏡は極めて重要な役割を果たしています。高解像度の3次元画像を提供することで、外科医は神経、血管、骨組織といった微細な部分を含む脊椎の複雑な解剖学的構造をより鮮明に観察することができ、手術の精度と安全性を高めることができます。脊柱側弯症矯正においては、手術用顕微鏡は手術視野の鮮明さと微細操作性を向上させ、医師が狭い脊柱管内の神経構造や病変組織を正確に特定するのを支援し、安全かつ効果的に除圧・安定化処置を完了するのに役立ちます。

Sunらは、頸椎後縦靭帯骨化症の治療において、顕微鏡支援前方頸椎手術と従来の開腹手術の有効性と安全性を比較した。60人の患者を顕微鏡支援群（30例）と従来の手術群（30例）に分けた。その結果、顕微鏡支援群は、従来の手術群と比較して、術中出血量、入院期間、術後疼痛スコアが優れており、合併症率は顕微鏡支援群の方が低かった。同様に、脊椎固定術において、Singhatanadgigeらは、低侵襲経椎間孔腰椎固定術における整形外科手術用顕微鏡と手術用拡大鏡の適用効果を比較した。この研究には100人の患者が含まれており、術後疼痛緩和、機能改善、脊柱管拡大、固定率、合併症について2つのグループ間に有意差は見られなかったが、顕微鏡の方が視野が良好であった。さらに、顕微鏡とAR技術を組み合わせた技術は、脊椎手術において広く利用されています。例えば、Carlらは、手術用顕微鏡のヘッドマウントディスプレイを用いて10人の患者を対象にAR技術の有効性を確認しました。この結果は、ARが脊椎変性手術、特に複雑な解剖学的状況や研修医の教育において大きな応用可能性を秘めていることを示しました。

 

要約と展望

従来の手術顕微鏡と比較して、超高解像度手術顕微鏡は、多様な倍率オプション、安定した明るい照明、精密な光学系、長い作動距離、人間工学に基づいた安定したスタンドなど、数多くの利点を備えています。さらに、高解像度の視覚化オプション、特に様々な撮影モードやAR技術との統合により、画像誘導手術を効果的にサポートします。

手術用顕微鏡には多くの利点がある一方で、依然として大きな課題に直面しています。超高精細手術用顕微鏡は、その大型化により、手術室間の移動や術中のポジショニングに一定の操作上の難しさがあり、手術の継続性と効率性に悪影響を及ぼす可能性があります。近年、顕微鏡の構造設計は大幅に最適化され、光学キャリアと双眼レンズ鏡筒は広範囲の傾斜および回転調整をサポートすることで、機器の操作柔軟性が大幅に向上し、外科医はより自然で快適な姿勢で観察・操作を行うことができます。さらに、ウェアラブルディスプレイ技術の継続的な発展は、顕微手術中に外科医に人間工学に基づいた視覚的サポートを提供し、手術疲労の軽減、手術精度の向上、そして外科医の持続的なパフォーマンス能力の向上に貢献しています。しかしながら、支持構造がないため、頻繁な再焦点調整が必要となり、ウェアラブルディスプレイ技術の安定性は従来の手術用顕微鏡に比べて劣っています。もう一つの解決策は、機器構造の小型化とモジュール化を推進し、様々な手術シナリオに柔軟に対応できるようにすることです。しかし、容積の縮小には精密機械加工や高価な光学部品の統合が必要となることが多く、機器の実際の製造コストは高額になります。

超高解像度手術顕微鏡のもう一つの課題は、高出力照明による皮膚火傷です。特に複数の観察者やカメラが存在する状況で明るい視覚効果を提供するためには、光源から強い光を放射する必要があり、患者の組織に火傷を負わせる可能性があります。また、眼科手術顕微鏡は眼表面や涙液膜に光毒性を引き起こし、眼細胞の機能低下につながる可能性も報告されています。そのため、手術顕微鏡では、倍率や作動距離に応じてスポットサイズと光量を調整し、光管理を最適化することが特に重要です。将来的には、光学イメージングにパノラマイメージングや3次元再構成技術が導入され、視野が拡大し、手術部位の3次元レイアウトを正確に復元できるようになるかもしれません。これにより、医師は手術部位の全体像をよりよく理解し、重要な情報を見逃すことがなくなります。しかし、パノラマイメージングや3次元再構成には、高解像度画像のリアルタイム取得、位置合わせ、再構成が必要となり、膨大なデータが生成されます。これにより、画像処理アルゴリズム、ハードウェアの計算能力、ストレージ システムの効率に対する要求が非常に高くなり、特にリアルタイムのパフォーマンスが重要な手術時には、この課題がさらに顕著になります。

医用画像、人工知能、計算光学などの技術の急速な発展に伴い、超高精細手術顕微鏡は、手術の精度、安全性、そして手術体験の向上に大きな可能性を秘めていることが実証されています。今後、超高精細手術顕微鏡は、以下の4つの方向に発展していくと考えられます。(1) 機器製造においては、小型化とモジュール化を低コストで実現し、大規模な臨床応用を可能にすること。(2) 長時間手術による光損傷の問題に対処するため、より高度な光管理モードを開発すること。(3) 機器の計算性能要件を満たす、高精度かつ軽量なインテリジェント補助アルゴリズムを設計すること。(4) ARとロボット手術システムを高度に統合し、遠隔連携、精密操作、自動化プロセスのためのプラットフォームサポートを提供すること。まとめると、超高精細手術顕微鏡は、画像強調、インテリジェント認識、インタラクティブフィードバックを統合した包括的な手術支援システムへと進化し、将来の手術のためのデジタルエコシステムの構築に貢献するでしょう。

本稿では、超高精細手術顕微鏡の共通キーテクノロジーの進歩を概観し、特に外科手術における応用と発展に焦点を当てます。解像度の向上に伴い、超高精細顕微鏡は脳神経外科、眼科、耳鼻咽喉科、脊椎外科などの分野で極めて重要な役割を果たしています。特に、低侵襲手術における術中精密ナビゲーション技術の導入は、これらの手術の精度と安全性を向上させています。今後、人工知能（AI）やロボット技術の進歩に伴い、超高精細顕微鏡はより効率的でインテリジェントな手術支援を提供し、低侵襲手術の進歩と遠隔連携を促進し、手術の安全性と効率性をさらに向上させるでしょう。