神経情報学研究：多カメラシステムによる神経解剖学3Dモデルの撮影

学術背景

中枢神経系の外科解剖学、特に頭蓋骨と脊柱は極めて複雑な三次元（3D）構造を持ち、学習者がそれぞれの構造間の複雑な関係を完全に理解するのは難しいです。これらの解剖学的関係を正確に理解し、3D認識を持つことは、安全な脳外科手術を行い、手術合併症を減少させるために非常に重要です。現在、教科書と図譜は人間の解剖学と脳外科を教える標準的方法となっています（Rhoton, 2023）。しかし、死体解剖は神経外科解剖学の最も現実的なモデルと見なされていますが（Sotgiu et al., 2020）、そのコストは高く、すべての神経外科および解剖学コースで普及しているわけではありません。したがって、実験室での学習にアクセスできない学生にとって、経済的で効果的な神経解剖学教育方法が切実に求められています。

論文出典

この研究論文の題名は「Photogrammetry Scans for Neuroanatomy Education - A New Multi-Camera System: Technical Note」で、André S. B. Oliveira、Luciano C. P. C. Leonel、Megan M. J. Bauman、Alessandro De Bonis、Edward R. Lahood、Stephen Graepel、Michael J. Link、Carlos D. Pinheiro-Neto、Nirusha Lachman、Jonathan M. MorrisおよびMaria Peris-Celdaによって共同執筆されました。彼らはアメリカのミネソタ州ロチェスターのMayo Clinic、ブラジルのParaíba連邦大学、イタリアのミラノにあるSan Raffaele Scientific Instituteに所属しています。この論文は2024年6月6日にSpringer Natureに掲載されました。

研究プロセス

研究対象と材料準備

すべてのサンプルはMayo Clinicの「Body Donation Program」によって提供され、機関審査委員会（IRB 17-005898）の承認を得ています。本研究では、ホルマリンに固定された脳のサンプルと乾燥した頭蓋骨を解剖およびスキャンに使用しました。

実験器具と設備

研究では5台のデジタル一眼レフカメラ（DSLR）に基づいた新しい多カメラ写真測量システムを使用して画像をキャプチャしました。サンプルはMedcreatorスキャナー（Medreality, Thyng, Chicago, IL）に配置され、3Dモデルのスキャン制作が行われました。新しいシステムには回転プラットフォームが装備されており、標本の回転中に複数の角度から画像をキャプチャできます。

写真測量プロセス

サンプルはプラットフォームに配置され、回転プラットフォームによって360度で毎回の回転時に36枚の写真が撮影されます。全プロセスは約15〜20分かかります。すべてのカメラはReality Captureソフトウェアを通じて画像をキャプチャおよび処理し、生成された3DモデルはSketchfabおよびMedrealityプラットフォームで表示され、ユーザーが自由に操作して学習できるようになっています。

データ処理とモデル表示

モデルの生成が完了した後、現実キャプチャソフトウェアによる校正と修正を通じて撮影プロセス中の影や反射の問題が排除されました。最終的な3DモデルはSketchfabおよびMedrealityプラットフォームにアップロードされ、ユーザーはあらゆる電子機器でこれらの3Dモデルを自由に操作し、学習体験を向上させることができます。

主な結果

研究は、新しいシステムが以前の三カメラシステムに比べて画像キャプチャとモデルの精度と解像度において顕著な改善を示したことを発見しました。これにより、モデル制作時間が短縮され、3Dモデルの質が向上しました。これらのプラットフォームを通じて、学生や専門家はあらゆるデバイスで無料でこれらの3Dモデルにアクセスし、操作できるようになり、神経解剖学教育に大いに役立ち、最終的には患者の手術結果が改善されると期待されます。

研究の結論と価値

本文は、多カメラシステムの3D写真測量技術が神経解剖学教育における潜在能力と重要性を証明しました。このシステムは、モデルの精度と解像度を向上させるだけでなく、モデル制作時間を短縮することで、教育と実践においてより便利で効率的な学習ツールを提供します。さらに、この技術は神経解剖学知識の普及と取得の便宜性を高め、学生や専門家の三次元空間認識能力を育成し、手術合併症を減少させ、臨床効果を向上させるのに役立ちます。

研究のハイライト

本研究は、5台のDSLRカメラを使用した多カメラシステムを革新的に採用し、3Dモデルの精度と解像度を大幅に改善し、操作プロセスを簡素化しました。この革新は、実際の教育に高精度な解剖モデルを提供するだけでなく、モデル制作時間を短縮し、教育リソースの入手可能性と使用便宜性を向上させました。

その他の重要な情報

この技術は教育と実践において多くの利点がありますが、この方法を使用して3Dモデルを制作するには高コストの実験室環境、専門設備、および技術者のサポートが必要です。モデルの教育効果を最大化するためには、ラベルや注釈を追加し、学習者が複雑な解剖構造をよりよく理解し、習得できるようにすることが推奨されます。さらに、仮想現実（VR）および拡張現実（AR）技術を使用すると、より没入感のある学習体験を提供することができます。

将来の展望

この技術をさらに最適化および普及させることで、神経解剖学の教育の質を向上させるだけでなく、他の医学分野にも高効率で低コストの3Dモデリングソリューションを提供することができます。将来的には、技術の進歩に伴い、このシステムはより広範な医療教育および臨床応用において重要な役割を果たすことが期待されます。