臓器力学特性の高精細可視・可触化による次世代手術計画システムの開発

• Project/Area Number: 16680024
• Research Category: Grant-in-Aid for Young Scientists (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Field: Medical systems
• Research Institution: Nara Institute of Science and Technology
• Principal Investigator: 中尾 恵 奈良先端科学技術大学院大学, 情報科学研究科, 助手 (10362526)
• Project Period (FY): 2004 – 2005
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2005)
• Budget Amount: ¥27,560,000 (Direct Cost: ¥21,200,000、Indirect Cost: ¥6,360,000); Fiscal Year 2005: ¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000); Fiscal Year 2004: ¥22,880,000 (Direct Cost: ¥17,600,000、Indirect Cost: ¥5,280,000)
• Keywords: 手術計画システム / 手術シミュレーション / ボリュームモデリング / ボリュームレンダリング / 力学機能解析 / 有限要素法 / 医用バーチャルリアリティ / 仮想人体 / 力覚提示

Research Abstract

本研究では、人体臓器の機能・力学特性を高精度にシミュレートし、その結果を実時間で可視・可触化することによる、体感型の手術計画システムを設計、開発した。開発システムは、実測CTデータから構築される高精細臓器モデルに対し、心臓外科手術における術野構築の際の一連の手術手技を、対話的に試行できる環境を提供する。シミュレーション結果を高精細かつ高速に可視化し、グローブ型デバイスを用いて臓器に触れた際の硬さや拍動感等を可触化する。本年度は、主に次の四つのテーマに基づいてシステム機能の開発と統合を行い、構築システムの検証を行った。開発技術に関する3件の特許申請を行い、国内外において計27件の研究成果の発表を行った。
(a)ボクセル・メッシュデータ統合可視化フレームワークの開発
CT/MRI断層画像集合から三次元再構成されるボリューム像に対する手術手技の入力操作に対し、ボリューム像上にシミュレーション結果を対話的に可視化できるフレームワークを開発した。
(b)グローブ型力覚提示デバイスを用いた医療手技試行環境の構築と検証
臓器力学特性のシミュレーション結果を、グローブ型デバイスを通して複数の指に出力できる環境の構築を行った。心臓血管外科における触診や圧排などの複数指による手技を対象とし、医療手技試行環境を構築した。
(c)実測患者データからの臓器ボリュームモデルの構築
大動脈瘤症例の実測患者CTデータから手術対象部位に関する臓器領域の抽出と三次元形状の定義、力学特性パラメータの設定等により弾性臓器ボリュームモデルの構築を行った。
(d)手術計画システムへの統合と有用性の検証
開発技術を手術計画システムへと統合し、外科医の参加の元、その機能と有用性を検証した。結果、術前計画において、医師間で想定される術中視野に関する三次元情報を共有でき、より綿密な計画が可能となることが分かった。

Research Products

• [Journal Article] Volume Interaction Framework for Preoperative Surgical Simulation on Volumetric Images (2006)
  • Author(s): M.Nakao, Y.Kuroda, T.Sato, T.Kuroda, K.Minato
  • Journal Title: Computer Assisted Radiology and Surgery (CARS) (発表予定)
• [Journal Article] Study of spatial anisotropy in finger's haptic perception for advanced palpation training (2006)
  • Author(s): Y.Kuroda, M.Nakao, T.Kuroda, H.Oyama, H.Yoshihara
  • Journal Title: Computer Assisted Radiology and Surgery (CARS) (発表予定)
• [Journal Article] Interactive Authoring of Example Surgical Procedures from Recorded Physics-based Simulation (2006)
  • Author(s): M.Rissanen, N.Kume, Y.Kuroda, M.Nakao, T.Kuroda, H.Yoshihara
  • Journal Title: Computer Assisted Radiology and Surgery (CARS) (発表予定)
• [Journal Article] 力学計算に基づく分散VRシミュレーションの設計と計算量の算定 (2006)
  • Author(s): 粂直人, ミッコ・リッサネン, 黒田嘉宏, 中尾恵, 黒田知宏, 吉原博幸
  • Journal Title: システム制御情報学会大会講演論文集 (発表予定)
  • NAID: 130004667948
• [Journal Article] 力学VRシミュレーション記録の対話編集手法 (2006)
  • Author(s): ミッコ・リッサネン, 黒田嘉宏, 粂直人, 中尾恵, 黒田知宏, 吉原博幸
  • Journal Title: システム制御情報学会大会講演論文集 (発表予定)
  • NAID: 130004667952
• [Journal Article] Interaction Model between Elastic Objects for Haptic Feedback considering Collisions of Soft tissue (2005)
  • Author(s): Y.Kuroda, M.Nakao, T.Kuroda, H.Oyama, M.Komori
  • Journal Title: Computer Methods and Programs in Biomedicine (Elsevier Science) 80・3 Pages: 216-224
• [Journal Article] ボリュームインタラクションのためのマスキングとその実時間処理方法 (2005)
  • Author(s): 中尾 恵, 黒田 知宏, 湊 小太郎
  • Journal Title: バーチャルリアリティ学会論文誌 10・4 Pages: 591-598
  • NAID: 110008728931
• [Journal Article] Framework for Annotation of Haptic Data in Simulated Surgical Procedures (2005)
  • Author(s): M.Rissanen, N.Kume, Y.Kuroda, M.Nakao, T.Kuroda, H.Yoshihara
  • Journal Title: Virtual Systems and Multimedia (VSMM) Pages: 647-656
• [Journal Article] Volume Interaction with Voxels by Manipulating 3D General Grids (2005)
  • Author(s): M.Nakao, T.Kuroda, K.Minato
  • Journal Title: ACM SIGGRAPH (CD-ROM内)
• [Journal Article] Design and Implementation of MVL : Medical VR Simulation Library (2005)
  • Author(s): Y.Kuroda, M.Nakao, T.Kuroda, H.Oyama, H.Yoshihara
  • Journal Title: ACM SIGGRAPH (CD-ROM内)
• [Journal Article] Advanced Volume Visualization for Interactive Extraction and Physics-based Modeling of Volume Data (2005)
  • Author(s): M.Nakao, T.Kuroda, K.Minato
  • Journal Title: The First International Conference on Complex Medical Engineering Pages: 277-282
• [Journal Article] Ablation Simulator Based on FEM Soft Tissue Destruction Model (2005)
  • Author(s): N.Kume, M.Nakao, T.Kuroda, H.Yoshihara, M.Komori
  • Journal Title: The First International Conference on Complex Medical Engineering Pages: 283-286
• [Journal Article] Sharing Tactile Information Embedded in EMR (2005)
  • Author(s): T.Ueda, M.Komori, S.Nagata, M.Nakao, T.Sato, K.Minato
  • Journal Title: 6th Asian-Pacific Conference on Medical and Biological Engineering
• [Journal Article] ボリュームマスクを用いた対話型ボリューム変形・加工システム (2005)
  • Author(s): 中尾 恵, 黒田 知宏, 湊 小太郎
  • Journal Title: システムインテグレーション部門講演会概要集 Pages: 24-24
• [Journal Article] 手術手技シミュレーションを目的とするアノテーション・フレームワーク (2005)
  • Author(s): ミッコ・リッサネン, 粂直人, 黒田嘉宏, 中尾恵, 黒田知宏, 吉原博幸
  • Journal Title: システムインテグレーション部門講演会概要集 Pages: 791-791
• [Journal Article] 手術計画支援のための対話型ボリューム変形・加工システム (2005)
  • Author(s): 中尾 恵, 黒田 知宏, 湊 小太郎
  • Journal Title: 第5回日本VR医学会学術大会抄録集 Pages: 24-24
  • NAID: 130007829140
• [Journal Article] 触診訓練を目的としたシミュレーション記録に基づく力の可視化によるアノテーション (2005)
  • Author(s): ミッコ・リッサネン, 粂直人, 黒田嘉宏, 中尾恵, 黒田知宏, 吉原博幸
  • Journal Title: 第五回日本VR医学会学術大会抄録集 Pages: 14-14
  • NAID: 130007829126
• [Journal Article] 腕の構造モデルを用いた脈動再現シミュレータ (2005)
  • Author(s): 上田 知生, 中尾 恵, 湊 小太郎, 小森 優
  • Journal Title: 第5回VR医学会大会論文集 Pages: 11-11
  • NAID: 130007829131
• [Journal Article] LiveVolume : ボリュームインタラクションフレームワーク (2005)
  • Author(s): 中尾 恵, 黒田 知宏, 湊 小太郎
  • Journal Title: 日本バーチャルリアリティ学会大会論文集 Pages: 437-440
• [Journal Article] 医用VRシミュレーションライブラリMVLによるシミュレータ構築 (2005)
  • Author(s): 黒田嘉宏, 中尾恵, 黒田知宏, 小山博史, 吉原博幸
  • Journal Title: 日本バーチャルリアリティ学会大会論文集 Pages: 536-537
• [Journal Article] 力学計算に基づく力覚応答が可能な大規模分散シミュレーションシステムの設計 (2005)
  • Author(s): 粂直人, 黒田嘉宏, 中尾恵, 黒田知宏, 吉原博幸, 小森優
  • Journal Title: 日本バーチャルリアリティ学会大会論文集 Pages: 221-222
• [Journal Article] 医療手手技訓練のための手による弾性体操作習熟環境 (2005)
  • Author(s): 平井真, 黒田嘉宏, 中尾恵, 黒田知宏, 吉原博幸
  • Journal Title: 日本バーチャルリアリティ学会大会論文集 Pages: 391-392
• [Journal Article] 触診スキルにおける指操作と知覚精度に関する考察 (2005)
  • Author(s): 黒田嘉宏, 中尾恵, 黒田知宏, 小山博史, 吉原博幸
  • Journal Title: ヒューマンインタフェースシンポジウム論文集 Pages: 101-104
• [Journal Article] 三次元メッシュを用いた対話的な曲面操作によるボクセルデータ修正法 (2005)
  • Author(s): 黒田嘉宏, 渡邉孝和, 中尾恵, 黒田知宏, 吉原博幸
  • Journal Title: 日本医用画像工学会大会抄録集
• [Journal Article] 間接形状知覚の実験を目的とした仮想環境における摩擦力提示手法 (2005)
  • Author(s): 黒田嘉宏, 中尾恵, 黒田知宏, 小山博史, 吉原博幸
  • Journal Title: システム制御情報学会大会講演論文集 Pages: 653-654
  • NAID: 130006980860
• [Journal Article] グローブ型力覚提示装置を用いた触診VRシミュレータの試作 (2005)
  • Author(s): 平井真, 粂直人, 黒田嘉宏, 中尾恵, 黒田知宏, 吉原博幸
  • Journal Title: システム制御情報学会大会講演論文集 Pages: 651-652
  • NAID: 130006980858
• [Journal Article] Advanced Volume Visualization for Interactive Extraction and Physics-based Modeling of Volume Data (2005)
  • Author(s): M.Nakao, T.Kuroda, K.Minato
  • Journal Title: The First International Conference on Complex Medical Engineering (発表予定)
• [Journal Article] Interaction Model between Elastic Objects for Haptic Feedback considering Collisions of Soft tissue (2005)
  • Author(s): Y.Kuroda, M.Nakao, T.Kuroda, H.Oyama, M.Komori
  • Journal Title: Computer Methods and Programs in Biomedicine (Elsevier Science) (掲載予定)
• [Journal Article] Shape Perception with Friction Model for Indirect Touch (2005)
  • Author(s): Y.Kuroda, M.Nakao, T.Kuroda, H.Oyama, H.Yoshihara
  • Journal Title: IEEE World Haptics Conference (発表予定)
• [Journal Article] Interactive 3D Region Extraction of Volume Data Using Deformable Boundary Object (2005)
  • Author(s): M.Nakao, T.Watanabe, T.Kuroda, H.Yoshihara
  • Journal Title: Proc.Medicine Meets Virtual Reality 13 Pages: 349-352
• [Journal Article] FEM-Based Soft Tissue Destruction Model for Ablation Simulator (2005)
  • Author(s): N.Kume, M.Nakao, T.Kuroda, H.Yoshihar, M.Komori
  • Journal Title: Proc.Medicine Meets Virtual Reality 13 Pages: 263-269
• [Journal Article] MVL : Medical VR Simulation Library (2005)
  • Author(s): Y.Kuroda, M.Nakao, T.Kuroda, H.Oyama, H.Yoshihara
  • Journal Title: Proc.Medicine Meets Virtual Reality 13 Pages: 273-276
• [Journal Article] 3D Interactive Clipping for Flexible Visualization and Extraction of Volume Data (2004)
  • Author(s): M.Nakao, T.Watanabe, T.Kuroda, H.Yoshihara
  • Journal Title: Proc.10th International Conference Virtual Systems of MultiMedia Pages: 225-231
• [Journal Article] Haptic Rendering Method of Friction Forces for Indirect Shape Perception (2004)
  • Author(s): Y.Kuroda, M.Nakao, T.Kuroda, H.Oyama, H.Yoshihara
  • Journal Title: Proc.10th International Conference Virtual Systems of MultiMedia Pages: 232-238
• [Journal Article] FEM-Based Soft Tissue Destruction Model for Ablation Training Simulator (2004)
  • Author(s): N.Kume, M.Nakao, T.Kuroda, H.Yoshihara, M.Komori
  • Journal Title: Proc.10th International Conference Virtual Systems of MultiMedia Pages: 670-677
• [Journal Article] 医療手技訓練VRシミュレータの現状と展望 (2004)
  • Author(s): 中尾 恵
  • Journal Title: 計測自動制御学会 システムインテグレーション部門講演会論文集 Pages: 376-377
• [Journal Article] 高度な触診スキルの習得を目的とした摩擦力提示手法 (2004)
  • Author(s): 黒田 嘉宏, 中尾 恵, 黒田 知宏, 小山 博史, 吉原 博幸
  • Journal Title: 計測自動制御学会 システムインテグレーション部門講演会論文集 Pages: 370-371
• [Journal Article] 有限要素法に基づく軟組織変形破断モデルによる剥離表現の評価 (2004)
  • Author(s): 粂 直人, 中尾 恵, 黒田 知宏, 吉原 博幸, 小森 優
  • Journal Title: 計測自動制御学会 システムインテグレーション部門講演会論文集 Pages: 372-373
• [Journal Article] 三次元メッシュの対話操作によるボリュームデータ修正手法 (2004)
  • Author(s): 渡邉 孝和, 黒田 嘉宏, 中尾 恵, 黒田 知宏, 吉原 博幸
  • Journal Title: 計測自動制御学会 システムインテグレーション部門講演会論文集 Pages: 981-982
• [Journal Article] ボリュームデータを対象とした三次元任意領域の対話型抽出手法 (2004)
  • Author(s): 中尾 恵, 渡邉 孝和, 黒田 知宏, 吉原 博幸
  • Journal Title: 日本バーチャルリアリティ学会 Pages: 249-252
• [Journal Article] MVL:実時間医用VRシミュレーションライブラリの開発 (2004)
  • Author(s): 黒田 嘉宏, 中尾 恵, 黒田 知宏, 小山 博史, 松田 哲也, 吉原 博幸
  • Journal Title: 日本バーチャルリアリティ学会 Pages: 533-536
• [Journal Article] 形状触知を可能とする弾性体を対象とした摩擦の力覚レンダリング手法 (2004)
  • Author(s): 黒田 嘉宏, 中尾 恵, 黒田 知宏, 小山 博史, 松田 哲也, 吉原 博幸
  • Journal Title: 日本バーチャルリアリティ学会 Pages: 373-376
• [Journal Article] 境界曲面を用いた領域操作による三次元領域抽出法 (2004)
  • Author(s): 渡邉 孝和, 黒田 嘉宏, 中尾 恵, 黒田 知宏, 吉原 博幸
  • Journal Title: システム制御情報学会 Pages: 365-366
• [Journal Article] 応力分布に基づく破断箇所決定による剥離表現を可能とする軟組織変形破断モデル構築 (2004)
  • Author(s): 粂 直人, 中尾 恵, 黒田 知宏, 小森 擾, 吉原 博幸
  • Journal Title: システム制御情報学会 Pages: 371-372
• [Journal Article] Physics-Based Simulation of Surgical Fields for Preoperative Strategic Planning
  • Author(s): M.Nakao, T.Kuroda, H.Oyama, G.Sakaguchi, M.Komeda
  • Journal Title: Journal of Medical Systems (掲載予定)
• [Patent(Industrial Property Rights)] 情報処理装置、およびプログラム (2005)
  • Inventor(s): 中尾 恵, 湊 小太郎
  • Industrial Property Rights Holder: 奈良先端大
  • Industrial Property Number: 2005-257415
  • Filing Date: 2005-09-06
• [Patent(Industrial Property Rights)] 三次元の物体を表示する情報処理装置およびそのプログラム (2005)
  • Inventor(s): 中尾 恵, 湊 小太郎
  • Industrial Property Rights Holder: 奈良先端大
  • Industrial Property Number: 2005-222477
  • Filing Date: 2005-08-01
• [Patent(Industrial Property Rights)] 情報処理装置、およびプログラム (2005)
  • Inventor(s): 中尾 恵, 黒田 知宏
  • Industrial Property Rights Holder: 京都大学
  • Filing Date: 2005-08-01
• [Patent(Industrial Property Rights)] 情報処理装置およびプログラム(三次元物体の表面・内部構造の実時間変形・描画方法) (2005)
  • Inventor(s): 中尾 恵, 黒田 知宏
  • Industrial Property Rights Holder: 京都大学
  • Industrial Property Number: 2004-225388
  • Filing Date: 2005-08-02