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2016 Fiscal Year Annual Research Report

A Study on sparse modeling of organ deformation and physical characteristics for intraoperative guidance

Research Project

Project/Area Number 15H03032
Research InstitutionKyoto University

Principal Investigator

中尾 恵  京都大学, 情報学研究科, 准教授 (10362526)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 浦西 友樹  大阪大学, サイバーメディアセンター, 准教授 (00533738)
佐藤 寿彦  京都大学, 医学研究科, 准教授 (40388822)
松田 哲也  京都大学, 情報学研究科, 教授 (00209561)
黒田 知宏  京都大学, 医学研究科, 教授 (10304156)
Project Period (FY) 2015-04-01 – 2019-03-31
Keywords臓器変形 / コンピュータビジョン / スパースモデリング / 手術支援 / ロボット手術
Outline of Annual Research Achievements

本研究は,外科手術で扱われる形態・力学情報のスパース性に着眼した臓器変形・力学特性のスパースモデリング理論の構築と時系列画像に基づくマーカーレス局所変位計測・推定方法の開発を目的としている.平成28年度は,理論とアルゴリズムに関する (5)~(7) の研究課題に取り組んだ.

(5) 臓器力学特性のスパースモデリング理論の構築:数理モデリング分野で広く探究されているスパース表現の考え方を有限要素モデリングへと応用し,弾性体の部分観測に基づく変形推定アルゴリズムを構築した.また,生体臓器のヤング率の空間分布の推定への応用についても検討した.30%程度の変位観測に基づいて弾性体に及ぼされる外力推定が可能であること,推定された外力に基づいて観測外領域の変形を再構成可能であることを確認した.
(6) 複数視点画像を用いた臓器変形推定アルゴリズムの開発:複数視点カメラ画像内のシルエット制約と弾性体の力学的制約に基づいて,各時刻における弾性体の三次元局所変位をリアルタイムに推定する理論的枠組みを構築した.さらに単視点画像のみを用いたとしても与えた変形量の 8%程度 の誤差で弾性体の変形を推定できることが示唆された.
(7) 内視鏡カメラ・術具の位置・姿勢計測環境の構築: 本講座で保有する光学式モーショントラッキングシステムを用いて,手術鉗子の先端位置,及び,臓器を模した3Dプリンタモデルの表面変位を 約0.5mm の精度で計測可能な実験評価環境を構築した.

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本テーマにおいて重要な位置づけとなる理論の構築やアルゴリズムの実装・評価が進んでおり,計画書に挙げた研究課題についてそれぞれ一定の成果が得られている.

Strategy for Future Research Activity

概ね順調に研究開発が進んでいることから,今後とも計画書の研究課題に基づいて理論構築とその検証を進める.京都大学医学部附属病院の肝胆膵移植外科,呼吸器外科とも共同研究を継続しており,動物実験等も実施して評価データの収集を予定している.

  • Research Products

    (36 results)

All 2017 2016 Other

All Journal Article (7 results) (of which Int'l Joint Research: 7 results,  Peer Reviewed: 7 results,  Open Access: 6 results,  Acknowledgement Compliant: 5 results) Presentation (24 results) (of which Int'l Joint Research: 7 results,  Invited: 1 results) Remarks (2 results) Patent(Industrial Property Rights) (3 results)

  • [Journal Article] Automated Planning with Multivariate Shape Descriptors for Fibular Transfer in Mandibular Reconstruction2017

    • Author(s)
      M. Nakao, S. Aso, Y. Imai, N. Ueda, T. Hatanaka, M. Shiba, T. Kirita and T. Matsuda
    • Journal Title

      IEEE Trans. on Biomedical Engineering

      Volume: 64(8) Pages: 1772-1785

    • DOI

      10.1109/TBME.2016.2621742

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] 3D CT simulation in minimally invasive thoracic surgery2017

    • Author(s)
      Toshihiko Sato, Hiroshi Date
    • Journal Title

      Journal of Visualized Surgery

      Volume: 3(3) Pages: ー

    • DOI

      10.21037/jovs.2016.12.14

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Estimation of External Forces on the Basis of Local Displacement Observations of an Elastic Body2017

    • Author(s)
      R. Sakata, M. Nakao, T. Matsuda
    • Journal Title

      Advanced Biomedical Engineering

      Volume: 6 Pages: 21-27

    • DOI

      10.14326/abe.6.21

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Statistical Analysis of Interactive Surgical Planning Using Shape Descriptors in Mandibular Reconstruction with Fibular Segments2016

    • Author(s)
      M. Nakao, S. Aso, Y. Imai, N. Ueda, T. Hatanaka, M. Shiba, T. Kirita, T. Matsuda
    • Journal Title

      PLoS One

      Volume: 11(9) Pages: e0161524

    • DOI

      10.1371/journal.pone.0161524

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Augmented Endoscopic Images Overlaying Shape Changes in Bone Cutting Procedures2016

    • Author(s)
      M. Nakao, S. Endo, S. Nakao, M. Yoshida and T. Matsuda
    • Journal Title

      PLoS One

      Volume: 11(9) Pages: e0161815

    • DOI

      10.1371/journal.pone.0161815

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Reconstruction of Smoke based on Light Field Consistency", IEEJ Transactions on Sensors and Micromachines2016

    • Author(s)
      Y. Ideguchi, Y. Uranishi, S. Yoshimoto, Y. Kuroda, M. Imura, O. Oshiro
    • Journal Title

      IEEJ Transactions on Sensors and Micromachines

      Volume: 136(12) Pages: 522-531

    • DOI

      10.1541/ieejsmas.136.522

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] ライトフィールドからの煙の空間濃度分布推定2016

    • Author(s)
      井手口裕太, 浦西友樹, 吉元俊輔, 黒田嘉宏, 井村誠孝, 大城理
    • Journal Title

      映像情報メディア学会誌

      Volume: 70(7) Pages: J146-J157

    • DOI

      10.3169/itej.70.J146

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
  • [Presentation] Super pixels based deformation recognition for endoscopic images2017

    • Author(s)
      S. Wu, M. Nakao, T. Matsuda
    • Organizer
      生体医用画像研究会 第4回若手発表会
    • Place of Presentation
      大阪大学(豊中市)
    • Year and Date
      2017-03-25
  • [Presentation] 部分観測データに基づく生体臓器と治療プロセスの半自動定式化2017

    • Author(s)
      中尾 恵
    • Organizer
      バイオフィジオロジー研究会
    • Place of Presentation
      ホテル京阪京都グランデ(京都市)
    • Year and Date
      2017-03-18
    • Invited
  • [Presentation] 弾性体の部分観測によるニューラルネットワークを用いた変形推定2017

    • Author(s)
      山本 詩子, 中尾 恵, 大関 真之, 松田 哲也
    • Organizer
      情報処理学会 コンピュータビジョンとイメージメディア研究会(CVIM)
    • Place of Presentation
      京都大学(京都市)
    • Year and Date
      2017-01-19 – 2017-01-20
  • [Presentation] 弾性体の局所的な変位観測に基づく外力推定 ~ 可解性向上のための制約条件の検討 ~2017

    • Author(s)
      坂田 良平, 中尾 恵, 松田 哲也
    • Organizer
      情報処理学会 コンピュータビジョンとイメージメディア研究会(CVIM)
    • Place of Presentation
      京都大学(京都市)
    • Year and Date
      2017-01-19 – 2017-01-20
  • [Presentation] 狭帯域多波長画像ピラミッドを用いた生体マッチング方法の検討2017

    • Author(s)
      田村裕樹, 間下以大, 黒田嘉宏, 浦西友樹, 清川清, 竹村治雄
    • Organizer
      情報処理学会 コンピュータビジョンとイメージメディア研究会(CVIM)
    • Place of Presentation
      京都大学(京都市)
    • Year and Date
      2017-01-19 – 2017-01-20
  • [Presentation] 腓骨片を用いた下顎骨再建におけるスパース形状モデリング2017

    • Author(s)
      川崎李穂, 中尾 恵, 今井 裕一郎, 上田 順宏, 畠中 利英, 芝 真央, 桐田 忠昭, 松田哲也
    • Organizer
      電子情報通信学会技術報告 (MI)
    • Place of Presentation
      那覇市ぶんかテンブス館(那覇市)
    • Year and Date
      2017-01-18
  • [Presentation] カメラ画像の大域的な輝度情報に基づく弾性体の変形推定2017

    • Author(s)
      齋藤 陽, 中尾 恵, 浦西 友樹, 松田 哲也
    • Organizer
      電子情報通信学会技術報告 (MI)
    • Place of Presentation
      那覇市ぶんかテンブス館(那覇市)
    • Year and Date
      2017-01-18
  • [Presentation] カーネル法を用いた弾性体の部分観測情報に基づく変形推定2017

    • Author(s)
      山本 詩子, 中尾 恵, 大関 真之, 松田 哲也
    • Organizer
      第56回日本生体医工学会大会
  • [Presentation] 光線収束性を用いた透明物体表面の五次元推定の高精度化2016

    • Author(s)
      井手口裕太, 浦西友樹, 吉元俊輔, 黒田嘉宏, 大城理
    • Organizer
      情報処理学会 コンピュータビジョンとイメージメディア研究会(CVIM)
    • Place of Presentation
      九州大学(福岡市)
    • Year and Date
      2016-11-09 – 2016-11-10
  • [Presentation] Automatic GrabCut based Lung Extraction from Endoscopic Images with an Initial Boundary2016

    • Author(s)
      S. Wu, M. Nakao and T. Matsuda
    • Organizer
      13th IEEE International Conference on Signal Processing (ICSP)
    • Place of Presentation
      京都大学(京都市)
    • Year and Date
      2016-11-06 – 2016-11-10
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Estimation of External Forces on the Basis of Local Displacement Observation of an Elastic Body2016

    • Author(s)
      R. Sakata, M. Nakao and T. Matsuda
    • Organizer
      生体医工学シンポジウム
    • Place of Presentation
      大雪クリスタルホール国際会議場(旭川市)
    • Year and Date
      2016-09-17 – 2016-09-18
  • [Presentation] Deformable Resection Process Map を用いた肝切除ナビゲーション2016

    • Author(s)
      内田 雄一郎, 田浦 康二朗, 中尾 恵, 上本 伸二
    • Organizer
      第11回肝癌治療シミュレーション研究会
    • Place of Presentation
      大阪国際会議場(大阪市)
    • Year and Date
      2016-09-17
  • [Presentation] 下顎骨再建術における腓骨移植計画の定式化の試み2016

    • Author(s)
      中尾 恵, 麻生 晋併, 今井 裕一郎, 上田 順宏, 畠中 利英, 芝 真央, 桐田 忠昭, 松田 哲也
    • Organizer
      第16回VR医学会学術大会
    • Place of Presentation
      横浜情報文化センター(横浜市)
    • Year and Date
      2016-09-03
  • [Presentation] Sparse shape model for fibular transfer planning in mandibular reconstruction2016

    • Author(s)
      R. Kawasaki, M. Nakao, Y. Imai, N. Ueda, T. Hatanaka, M. Shiba, T. Kirita, T. Matsuda
    • Organizer
      38th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC)
    • Place of Presentation
      Orlando(USA)
    • Year and Date
      2016-08-16 – 2016-08-20
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Deformable resection process map for intraoperative cutting guides2016

    • Author(s)
      M. Nakao, K. Taura, T. Matsuda
    • Organizer
      38th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC)
    • Place of Presentation
      Orlando(USA)
    • Year and Date
      2016-08-16 – 2016-08-20
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 3D Reconstruction of Cochlea Using Optical Coherence Tomography2016

    • Author(s)
      Tuukka Matias Karvonen, Yuki Uranishi, Tatsunori Sakamoto, Yosuke Tona, Kazuya Okamoto, Hiroshi Tamura, Tomohiro Kuroda
    • Organizer
      38th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC)
    • Place of Presentation
      Orlando(USA)
    • Year and Date
      2016-08-16 – 2016-08-20
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Deformation Estimation of Elastic Bodies Using Multiple Silhouette Images for Supporting Endoscopic Surgery2016

    • Author(s)
      A. Saito, M. Nakao, Y. Uranishi and T. Matsuda
    • Organizer
      38th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC)
    • Place of Presentation
      Orlando(USA)
    • Year and Date
      2016-08-16 – 2016-08-20
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Estimation of External Forces Based on Local Displacement Observations of an Elastic Body2016

    • Author(s)
      R. Sakata, M. Nakao, and T. Matsuda
    • Organizer
      38th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC)
    • Place of Presentation
      Orlando(USA)
    • Year and Date
      2016-08-16 – 2016-08-20
  • [Presentation] Estimation of Lighting Direction Based on Structural Coloration2016

    • Author(s)
      Yuki Uranishi and Masataka Imura
    • Organizer
      第19回画像の認識・理解シンポジウム
    • Place of Presentation
      アクトシティ浜松(浜松市)
    • Year and Date
      2016-08-01 – 2016-08-04
  • [Presentation] 5D Estimation of Transparent Object based on Light Field Convergency2016

    • Author(s)
      Yuta Ideguchi, Yuki Uranishi, Shunsuke Yoshimoto, Yoshihiro Kuroda and Osamu Oshiro
    • Organizer
      第19回画像の認識・理解シンポジウム
    • Place of Presentation
      アクトシティ浜松(浜松市)
    • Year and Date
      2016-08-01 – 2016-08-04
  • [Presentation] Application of a feature-based tracking algorithm to kV X-ray fluoroscopic images toward marker-less real-time tumor tracking2016

    • Author(s)
      M. Nakamura, M. Nakao, H. Iramina, Y. Iizuka, T. Mitsuyoshi, K. Yokota, Y. Matsuo, T. Mizowaki, M. Hiraoka
    • Organizer
      AAPM
    • Place of Presentation
      Denver(USA)
    • Year and Date
      2016-07-31 – 2016-08-04
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] オプティカルフローとグラブカットを統合することによる連続的な肺内視鏡画像のセグメンテーションに関する研究2016

    • Author(s)
      武 淑瓊, 中尾 恵, 松田 哲也
    • Organizer
      第35回日本医用画像工学会大会
    • Place of Presentation
      千葉大学(千葉市)
    • Year and Date
      2016-07-21 – 2016-07-23
  • [Presentation] Deformable resection process map for estimating local appearance of vascular structures in cutting procedures2016

    • Author(s)
      M. Nakao, K. Taura, T. Matsuda
    • Organizer
      Computer Assisted Radiology and Surgery
    • Place of Presentation
      Heidelberg(Germany)
    • Year and Date
      2016-06-22 – 2016-06-25
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Statistical analysis of interactive surgical planning using shape descriptors for vascularized fibular transfer in mandibular reconstruction2016

    • Author(s)
      M. Nakao, S. Aso, K. Imanishi, Y. Imai, N. Ueda, T. Hatanaka, M. Shiba, T. Kirita, T. Matsuda
    • Organizer
      Computer Assisted Radiology and Surgery
    • Place of Presentation
      Heidelberg(Germany)
    • Year and Date
      2016-06-22 – 2016-06-25
  • [Remarks] Research Home

    • URL

      http://www.bme.sys.i.kyoto-u.ac.jp/~meg/publication.html

  • [Remarks] biGAKU 下顎骨再建術計画システム

    • URL

      http://www.bigakuapp.com/

  • [Patent(Industrial Property Rights)] 情報処理装置、情報処理方法及びプログラム2017

    • Inventor(s)
      中尾 恵
    • Industrial Property Rights Holder
      中尾 恵
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Industrial Property Number
      特願2017-002641
    • Filing Date
      2017-01-11
  • [Patent(Industrial Property Rights)] 切離プロセス推定装置,切離プロセスナビゲーションシステム及び切離プロセス事例データベース2016

    • Inventor(s)
      中尾 恵, 陳 豊史
    • Industrial Property Rights Holder
      中尾 恵, 陳 豊史
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Industrial Property Number
      特願2016-155925
    • Filing Date
      2016-08-08
  • [Patent(Industrial Property Rights)] 情報処理装置、情報処理方法及びプログラム2016

    • Inventor(s)
      中尾 恵, 松田 哲也, 森田 充樹
    • Industrial Property Rights Holder
      中尾 恵, 松田 哲也, 森田 充樹
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Industrial Property Number
      特願2016-254752
    • Filing Date
      2016-12-28

URL: 

Published: 2018-01-16  

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