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力触覚提示機能を有するネットワーク型脳外科手術シミュレータの開発

Research Project

Project/Area Number 15J01452
Research Category

Grant-in-Aid for JSPS Fellows

Allocation TypeSingle-year Grants
Section国内
Research Field Intelligent mechanics/Mechanical systems
Research InstitutionHokkaido University

Principal Investigator

佐瀬 一弥  北海道大学, 情報科学研究科, 特別研究員(DC2)

Project Period (FY) 2015-04-24 – 2017-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2016)
Budget Amount *help
¥1,900,000 (Direct Cost: ¥1,900,000)
Fiscal Year 2016: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000)
Fiscal Year 2015: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000)
Keywords手術シミュレータ / 医用画像処理 / 物理シミュレーション / バーチャルリアリティ / 触覚 / 患者固有モデル / 有限要素法 / メッシュ生成 / ハプティクス / 計算力学 / 医用画像 / 並列計算
Outline of Annual Research Achievements

本研究は,力触覚提示機能を有する脳外科手術シミュレータの開発,および,脳外科手術シミュレータのネットワーク接続による遠隔ユーザ間VR環境共有の実現を目的として行われた.2016年度は,前年度に開発したメッシュ生成手法の三次元化と,力覚提示のための接触問題解法および安定化手法についての研究を行い,以下の成果を得た.
(1)医用画像に基づくメッシュ生成手法を三次元化し,脳裂の狭い溝構造が反映された有限要素メッシュの自動生成を実現した.これにより,従来より専門家の手作業が必要とされてきた患者固有モデル生成タスクの労力が削減された.この成果は国際会議MICCAI2016で発表した.
(2)前述のメッシュ生成手法は対象領域とメッシュの間で境界適合性を満たさない.この不適合性を考慮した接触判定法として,符号付き距離場を変形座標に対応付けて用いる高速な接触判定法を採用した.同手法は脳組織圧排シミュレーションに有効であることが確認されたため,日本コンピュータ外科学会誌に論文を投稿し採択された.
(3)高品質な力覚提示の実現には,安定かつ高速な接触シミュレーションの実現が必要となる.そこで,計算量削減のために接触問題をペナルティ法により定式化し,また,30ms程度の時間刻みにおいて安定性を得られるよう,陰的時間積分を適用した計算法を示した.同手法を評価しIEEE ROBIO 2016で発表した.
上記のようにシミュレータの基本機能開発は順調に進行したが,ネットワーク接続による遠隔ユーザ間VR環境共有の研究は十分に取り組むことができなかった.これは物理エンジンの開発に想定以上の時間が必要であったことと,研究過程の副産物で有用性が高かったメッシュ生成手法の成果発表を優先したためである.このように課題は残ったが,手術シミュレータの研究分野に重要な貢献を行うことができたと考えている.

Research Progress Status

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Report

(2 results)
  • 2016 Annual Research Report
  • 2015 Annual Research Report
  • Research Products

    (11 results)

All 2017 2016 2015

All Journal Article (2 results) (of which Peer Reviewed: 2 results,  Acknowledgement Compliant: 2 results,  Open Access: 1 results) Presentation (9 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results)

  • [Journal Article] Haptic Interaction with Segmented Medical Image Embedded in Finite Element Mesh2017

    • Author(s)
      Kazuya Sase, Teppei Tsujita, Atsushi Konno
    • Journal Title

      コンピュータ外科学会誌

      Volume: 印刷中

    • Related Report
      2016 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] GPU-accelerated surgery simulation for opening a brain fissure2015

    • Author(s)
      Kazuya Sase, Akira Fukuhara, Teppei Tsujita, Atsushi Konno
    • Journal Title

      ROBOMECH Journal

      Volume: 2 Issue: 1 Pages: 1-16

    • DOI

      10.1186/s40648-015-0040-0

    • Related Report
      2015 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
  • [Presentation] Haptic Rendering of Contact Between Rigid and Deformable Objects Based on Penalty Method with Implicit Time Integration2016

    • Author(s)
      Kazuya Sase, Teppei Tsujita, Atsushi Konno
    • Organizer
      the 2016 IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics (ROBIO)
    • Place of Presentation
      Shangri-la Hotel Qingdao, Qingdao, China
    • Year and Date
      2016-12-05
    • Related Report
      2016 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Embedding Segmented Volume in Finite Element Mesh with Topology Preservation2016

    • Author(s)
      Kazuya Sase, Teppei Tsujita, Atsushi Konno
    • Organizer
      the 19th International Conference on Medical Image Computing and Computer Assisted Intervention (MICCAI)
    • Place of Presentation
      InterContinental Athenaeum Athens, Athens, Greece
    • Year and Date
      2016-10-17
    • Related Report
      2016 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 弾性体のリアルタイム接触シミュレーションと触覚提示手法(実演編)2016

    • Author(s)
      佐瀬一弥,江間章斗,小川修平,辻田哲平,近野敦
    • Organizer
      東京ゲームショウ 2016(CEDEC2016インタラクティブセッション特別展示)
    • Place of Presentation
      幕張メッセ,千葉市
    • Year and Date
      2016-09-15
    • Related Report
      2016 Annual Research Report
  • [Presentation] 領域分割された医用画像の有限要素メッシュ埋め込みにおけるトポロジ保存手法2016

    • Author(s)
      佐瀬 一弥, 辻田 哲平, 近野 敦
    • Organizer
      第34回日本ロボット学会学術講演会
    • Place of Presentation
      山形大学 小白川キャンパス,山形市
    • Year and Date
      2016-09-07
    • Related Report
      2016 Annual Research Report
  • [Presentation] 弾性体のリアルタイム接触シミュレーションと触覚提示手法(理論編)2016

    • Author(s)
      佐瀬一弥,江間章斗,小川修平,辻田哲平,近野敦
    • Organizer
      Computer Entertainment Developers Conference (CEDEC) 2016
    • Place of Presentation
      パシフィコ横浜
    • Year and Date
      2016-08-24
    • Related Report
      2016 Annual Research Report
  • [Presentation] 弾性体のリアルタイム接触シミュレーションと触覚提示手法(実演編)2016

    • Author(s)
      佐瀬一弥,江間章斗,小川修平,辻田哲平,近野敦
    • Organizer
      Computer Entertainment Developers Conference (CEDEC) 2016
    • Place of Presentation
      パシフィコ横浜
    • Year and Date
      2016-08-24
    • Related Report
      2016 Annual Research Report
  • [Presentation] 医用画像セグメンテーションに基づき脳裂構造を保持する自動有限要素メッシュ生成2016

    • Author(s)
      佐瀬一弥,辻田哲平,近野敦
    • Organizer
      電子情報通信学会技術研究報告
    • Place of Presentation
      ぶんかテンブス館(那覇市)
    • Year and Date
      2016-01-19
    • Related Report
      2015 Annual Research Report
  • [Presentation] 有限要素法を用いたインタラクティブ弾性体シミュレーション2015

    • Author(s)
      佐瀬一弥,江間章斗,福原洸,辻田哲平,近野敦
    • Organizer
      CEDEC2015(インタラクティブセッション)
    • Place of Presentation
      パシフィコ横浜(横浜市)
    • Year and Date
      2015-08-26
    • Related Report
      2015 Annual Research Report
  • [Presentation] インタラクティブ弾性体シミュレーションのための有限要素法の実装とGPUによる高速化2015

    • Author(s)
      佐瀬一弥,江間章斗,福原洸,辻田哲平,近野敦
    • Organizer
      CEDEC2015(ショートセッション)
    • Place of Presentation
      パシフィコ横浜(横浜市)
    • Year and Date
      2015-08-26
    • Related Report
      2015 Annual Research Report

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Published: 2015-11-26   Modified: 2024-03-26  

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