Haptic display system for a medical simulator that enhances human's and equipment's performances

• Project/Area Number: 25282156
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Partial Multi-year Fund
• Section: 一般
• Research Field: Medical systems
• Research Institution: Hiroshima University
• Principal Investigator: Kurita Yuichi 広島大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (80403591)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 辻 敏夫 広島大学, 工学研究院, 教授 (90179995) ; 惠木 浩之 広島大学, 病院(医), 講師 (20403537) ; 永田 和之 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 知能システム研究部門, 主任研究員 (10357634)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2017-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2016)
• Budget Amount: ¥18,330,000 (Direct Cost: ¥14,100,000、Indirect Cost: ¥4,230,000); Fiscal Year 2016: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2015: ¥5,850,000 (Direct Cost: ¥4,500,000、Indirect Cost: ¥1,350,000); Fiscal Year 2014: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000); Fiscal Year 2013: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000)
• Keywords: コンピュータ外科 / 触覚 / 力覚提示 / 確率共鳴 / ヒューマンインタフェース / 力覚・触覚 / 医用工学 / トレーニングシミュレータ / 人間拡張 / コンピュータ外科学 / バーチャルリアリティ

Outline of Final Research Achievements

We proposed the concept of surgical grasping forceps with enhanced sensorimotor capability based on attaching a vibrator to the forceps' grip by evoking a stochastic resonance (SR) effect. The experiments conducted with the proposed forceps showed that maintaining the noise intensity within the optimal range could improve tactile sensitivity, and confirmed the usefulness of the SR application for medical devices. We also developed a haptic display system to render the force response of a viscoelastic object that considers the applications to a laparoscopic surgery training with the HER method was developed. The results of evaluation experiments showed that the displayed force by the proposed HER method can provide closer haptic feeling to the target object than that generated by the mass-spring model.

Research Products

• [Int'l Joint Research] ジョージア工科大学(米国)
• [Journal Article] Unpowered sensorimotor-enhancing suit reduces muscle activation and improves force perception (2017)
  • Author(s): Yuichi Kurita, Jumpei Sato, Takayuki Tanaka, Minoru Shinohara, and Toshio Tsuji
  • Journal Title: IEEE Transactions on Human-Machine Systems Volume: 印刷中
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] 人機一体を実現するためのヒューマンロボットインタラクション技術 (2017)
  • Author(s): 栗田雄一
  • Journal Title: 技術総合誌オーム Volume: 104(2) Pages: 25-27
• [Journal Article] Surgical Grasping Forceps with Enhanced Sensorimotor Capability via the Stochastic Resonance Effect (2016)
  • Author(s): Yuichi Kurita, Yamato Sueda, Takaaki Ishikawa, Minoru Hattori, Hiroyuki Sawada, Hiroyuki Egi, HidekiOhdan, Jun Ueda, and Toshio Tsuji
  • Journal Title: IEEE/ASME Transactions on Mechatronics Volume: 21(6) Issue: 6 Pages: 2624-2634
  • DOI: 10.1109/tmech.2016.2591591
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Stiffness display by muscle contraction via electric muscle stimulation (2016)
  • Author(s): Yuichi Kurita, Takaaki Ishikawa, and Toshio Tsuji
  • Journal Title: IEEE Robotics and Automation Letters Volume: 1(2) Issue: 2 Pages: 1014-1019
  • DOI: 10.1109/lra.2016.2529689
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 骨格筋電気刺激による力覚感提示 (2016)
  • Author(s): 栗田雄一
  • Journal Title: 電気学会誌 Volume: 136(10) Pages: 674-677
  • NAID: 130005597987
• [Journal Article] Stochastic resonance enhanced tactile feedback in laparoscopic surgery. (2015)
  • Author(s): Sawada H, Egi H, Hattori M, Suzuki T, Mukai S, Kurita Y, Yasui W, Ohdan H.
  • Journal Title: Surg Endosc. Volume: 29 Issue: 12 Pages: 3811-8
  • DOI: 10.1007/s00464-015-4124-y
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] 力覚重畳呈示技術を利用した腹腔鏡下手術用トレーニングシミュレータ (2014)
  • Author(s): 栗田雄一，永田和之，恵木浩之，辻敏夫
  • Journal Title: 化学工業 Volume: 65 Pages: 48-53
• [Journal Article] Wearable Haptics (2014)
  • Author(s): Yuichi Kurita
  • Journal Title: Wearable Sensors Volume: - Pages: 45-63
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Wearable Sensorimotor Enhancer for Fingertip using Stochastic Resonance Effect (2013)
  • Author(s): Yuichi Kurita, Minoru Shinohara, and Jun Ueda
  • Journal Title: IEEE Transactions on Human-Machine Systems Volume: 43 Pages: 333-337
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 感覚／運動機能をアシストする工学技術 (2016)
  • Author(s): 栗田雄一
  • Organizer: 第7回 広島大学病院スポーツ医科学センター地域交流講演会
  • Place of Presentation: 広島
  • Year and Date: 2016-12-12
  • Invited
• [Presentation] HMDへのリアルタイム全天球画像提示による腹腔鏡手術支援システム (2016)
  • Author(s): 笠原拓也，服部稔，恵木浩，大段秀樹，辻敏夫，栗田雄一
  • Organizer: 第25回計測自動制御学会中国支部学術講演
  • Place of Presentation: 広島
  • Year and Date: 2016-11-26
• [Presentation] 感覚運動機能を向上させるウェアラブルスーツ:SEnS －第五報：腹腔鏡外科手術を支援するスーツの評価－ (2016)
  • Author(s): 栗田雄一，小池祐輝，田中孝之，辻敏夫
  • Organizer: 第34回日本ロボット学会学術講演会
  • Place of Presentation: 山形
  • Year and Date: 2016-09-07
• [Presentation] 興奮性神経ネットワークモデルを用いた確率共鳴現象による触覚知覚感度向上効果の考察 (2016)
  • Author(s): 栗田雄一
  • Organizer: LIFE2016（第32回ライフサポート学会大会，第16回日本生活支援工学会大会，日本機械学会福祉工学シンポジウム2016）
  • Place of Presentation: 宮城
  • Year and Date: 2016-09-05
• [Presentation] 感覚・運動機能を拡張するウェアラブルアシストデバイス (2016)
  • Author(s): 栗田雄一
  • Organizer: 第8回テレイグジスタンス研究会
  • Place of Presentation: 東京
  • Year and Date: 2016-06-29
• [Presentation] 主観は制御できるか？- 物理量と感覚量を繋げる工学技術 - (2016)
  • Author(s): 栗田雄一
  • Organizer: 日本認知心理学会第１４回大会 産学連携公開シンポジウム
  • Place of Presentation: 広島
  • Year and Date: 2016-06-18
  • Invited
• [Presentation] 全天球カメラを利用した腹腔鏡下手術支援システム (2016)
  • Author(s): 笠原 拓也, 辻 敏夫, 栗田 雄一
  • Organizer: 日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス講演会2016
  • Place of Presentation: 神奈川
  • Year and Date: 2016-06-08
• [Presentation] 感覚運動機能を向上させるアシストスーツ:SEnS －第四報：腹腔鏡外科医師向けスーツの試作－ (2016)
  • Author(s): 栗田 雄一，小池 祐輝, 田中 孝之, 辻 敏夫
  • Organizer: 日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス講演会2016
  • Place of Presentation: 神奈川
  • Year and Date: 2016-06-08
• [Presentation] Palpation force display by enhancing the force response of a surgical training phantom (2015)
  • Author(s): Yoshihide Otsuru, Yuichi Kurita, Koji Kawaguchi, Minoru Hattori, Hiroyuki Egi, Hideki Ohdan, Kazuyuki Nagata and Toshio Tsuji
  • Organizer: International Conference on Advanced Mechatronics (ICAM2015)
  • Place of Presentation: Tokyo
  • Year and Date: 2015-12-05
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Influence of visual and tactile feedback on haptic sensation by muscle electric stimulation (2015)
  • Author(s): Takaaki Ishikawa, Yuichi Kurita and Toshio Tsuji
  • Organizer: International Conference on Advanced Mechatronics (ICAM2015)
  • Place of Presentation: Tokyo
  • Year and Date: 2015-12-05
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 骨格筋電気刺激による仮想力覚提示 －押し込み量による刺激量の変化－ (2015)
  • Author(s): 石川敬明，辻敏夫，栗田雄一
  • Organizer: 情報処理学会研究報告グラフィクスとCAD(CG)
  • Place of Presentation: 広島
  • Year and Date: 2015-06-30
• [Presentation] 力覚重畳呈示技術を用いた腹腔鏡手術用トレーニングシステム －心拍の再現－ (2015)
  • Author(s): 大鶴佳秀，川口孝二，服部稔，惠木浩之，大段秀樹，永田和之，辻敏夫，栗田雄一
  • Organizer: 情報処理学会研究報告グラフィクスとCAD(CG)
  • Place of Presentation: 広島
  • Year and Date: 2015-06-30
• [Presentation] Haptic force augmentation on a 3D printed surgical training phantom (2015)
  • Author(s): Yuichi Kurita, Yoshihide Otsuru, Masahiro Kiyooka, Toshio Tsuji, Kazuyuki Nagata, Koji Kawaguchi, Minoru Hattori, Hiroyuki Egi, Hideki Ohdan
  • Organizer: 50th Golden Anniversary Congress of the European Society for Surgical Research
  • Place of Presentation: Liverpool, UK
  • Year and Date: 2015-06-10
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Vibrating forceps enhances laparoscopic urgical skills (2015)
  • Author(s): Hiroyuki Sawada, Hiroyuki Egi, Minoru Hattori, Takashi Suzuki, Syouichiro Mukai, Yuichi Kurita and Hideki Ohdan
  • Organizer: 50th Golden Anniversary Congress of the European Society for Surgical Research
  • Place of Presentation: Liverpool, UK
  • Year and Date: 2015-06-10
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 骨格筋電気刺激による仮想力覚提示 (2015)
  • Author(s): 石川敬明，辻敏夫，栗田雄一
  • Organizer: 日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス講演会2015講演論文集
  • Place of Presentation: 京都
  • Year and Date: 2015-05-17
• [Presentation] 力覚重畳呈示技術を用いた腹腔鏡手術用トレーニングシステム－三次元補助物体 への力覚重畳－ (2015)
  • Author(s): 大鶴佳秀，辻敏夫，栗田雄一
  • Organizer: 日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス講演会2015講演論文集
  • Place of Presentation: 京都
  • Year and Date: 2015-05-17
• [Presentation] 力覚重畳呈示を用いた腹腔鏡下手術用トレーニングシステム -モックアップ臓器の利用- (2014)
  • Author(s): 大鶴佳秀，辻敏夫，栗田雄一
  • Organizer: 第19回日本バーチャルリアリティ学会大会論文集
  • Place of Presentation: 名古屋
  • Year and Date: 2014-09-19
• [Presentation] Haptic rendering of tissue stiffness by the haptic enhanced reality method (2014)
  • Author(s): Yoshihide Otsuru, Toshio Tsuji and Yuichi Kurita
  • Organizer: EuroHaptics 2014
  • Place of Presentation: Versailles, France
  • Year and Date: 2014-06-24 – 2014-06-26
• [Presentation] 力覚重畳呈示技術を用いた腹腔鏡手術用トレーニングシステム (2014)
  • Author(s): 大鶴佳秀，辻敏夫，栗田雄一
  • Organizer: 日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス講演会2014講演論文集
  • Place of Presentation: 富山
  • Year and Date: 2014-05-28
• [Presentation] Haptic rendering of needle penetration by enhancing the real force response of a base object (2014)
  • Author(s): Yuichi Kurita, Hiroyuki Ohtsuka, Kazuyuki Nagata, and Tosho Tsuji
  • Organizer: Haptics Symposium
  • Place of Presentation: Houston, TX, USA
• [Presentation] Improvement of tactile sensitivity by stochastic resonance effect - Applications to surgical grasping forceps - (2013)
  • Author(s): Yamato Sueda, Minoru Hattori, Hideki Ohdan, Hiroyuki Egi, Hiroyuki Sawada, Jun Ueda, Toshio Tsuji and Yuichi Kurita
  • Organizer: 35th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society
  • Place of Presentation: Osaka, Japan
• [Presentation] 力覚拡張呈示を用いたなぞり感呈示 (2013)
  • Author(s): 清岡 雅弘，辻 敏夫，栗田 雄一
  • Organizer: 第14回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
  • Place of Presentation: 兵庫
• [Presentation] 確率共鳴現象を利用した触覚知覚感度の向上効果に関する考察 (2013)
  • Author(s): 栗田雄一，末田大和，上田淳，辻敏夫
  • Organizer: 電子情報通信学会技術報告
  • Place of Presentation: 鹿児島
• [Presentation] 確率共鳴現象を利用した触覚知覚感度向上に関する研究－加算ネットワークモデルに基づく知覚向上効果の考察－ (2013)
  • Author(s): 栗田雄一, 末田大和, 辻敏夫, 服部稔, 澤田紘幸, 惠木浩之, 大段秀樹, 竹村裕, 上田淳
  • Organizer: 日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス講演会
  • Place of Presentation: 茨城
• [Presentation] 補助物体の反力に力覚デバイスの仮想力を重畳する力覚拡張呈示に関する研究 (2013)
  • Author(s): 清岡雅弘, 永田和之, 辻敏夫, 栗田雄一
  • Organizer: 日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス講演会
  • Place of Presentation: 茨城
• [Book] Human Modeling for Bio-Inspired Robotics (2016)
  • Author(s): Jun Ueda and Yuichi Kurita
  • Total Pages: 358
  • Publisher: Academic Press, Elsevier
• [Remarks] 栗田グループの研究紹介ページ
  • URL: http://www.bsys.hiroshima-u.ac.jp/~kurita/work.html
• [Remarks] 力覚の重畳技術を利用したハプティックデバイス
  • URL: http://www.bsys.hiroshima-u.ac.jp/~kurita/work_j_her.html
• [Remarks] Medical applications of haptic modeling
  • URL: http://www.bsys.hiroshima-u.ac.jp/~kurita/work_e_medical.html
• [Remarks] 力覚の重畳技術を利用したハプティックデバイス
  • URL: http://www.bsys.hiroshima-u.ac.jp/~kurita/work_j_her.html
• [Patent(Industrial Property Rights)] 補助スーツ (2015)
  • Inventor(s): 田中孝之，栗田雄一
  • Industrial Property Rights Holder: 田中孝之，栗田雄一
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2015-218662
  • Filing Date: 2015-11-06