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2022 Fiscal Year Annual Research Report

高速画像処理ハードウェアを基軸とした振戦抑制技術の確立と顕微鏡下手術支援への展開

Research Project

Project/Area Number 20H04158
Research InstitutionNagasaki University

Principal Investigator

柴田 裕一郎  長崎大学, 情報データ科学部, 教授 (10336183)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 上松 聖典  長崎大学, 病院(医学系), 講師 (30380843)
諸麥 俊司  中央大学, 理工学部, 准教授 (70346930)
北岡 隆  長崎大学, 医歯薬学総合研究科(医学系), 教授 (80234235)
眞邉 泰斗  長崎大学, 情報データ科学部, 助教 (90908534)
Project Period (FY) 2020-04-01 – 2023-03-31
Keywords振動抑制 / 画像処理 / マイクロサージャリー / FPGA
Outline of Annual Research Achievements

ハードウェアによる画像からの振動抽出については、単純な特徴マッチングで計算された高密度オプティカルフローと、帯域制限多重フーリエ線形結合器(BMFLC)によるブロックベースのバンドパスフィルタを組み合わせた新しいアーキテクチャを実装した。また、勾配角を量子化した回転不変勾配ヒストグラム(RIHOG)を用いることで、フレームバッファのメモリ使用量を大幅に削減し、外部メモリを用いることなく単一の小規模FPGAで720pのビデオストリームを60fpsのリアルタイム性能で処理できることを明らかにした。医療用機器で重要となる機能安全性を高めるFPGAの異種冗長設計については、制御機構の実機によるオーバークロックテストの結果、提案する設計手法を導入することで、制御の堅牢性が向上することを確認した。中央大学を中心に開発した人間の手の代わりに振動抑制装置を支持して振戦を再現する装置については、磁気式3次元位置計測システムを用いた評価実験を行った。10人の被験者の振戦を発生させたところ平均誤差は10μm程度であることを明らかにした。また、これらの機械機構と長崎大学を中心に研究を行った画像処理ハードウェア機構と結合するインタフェースの開発を行った上で、振戦抽出システムが抽出した振戦振動の逆位相振動を手術器具先端に加振する共同実験を行った。まず、振戦抽出システムの各種パラメータの定量的評価を行い、セルサイズとウィンドウサイズを大くすることで振戦の抽出精度が向上することを確認し、次に移動平均フィルタを用いたトレンド除去処理機構の評価を通じて最適タップ数を実験的に求めた。その上で、振戦再現装置を用いて再現した10Hzの定常波振動に対し抑制を行う評価実験を行い、目標の振動成分を約60%抑制できることを明らかにした。以上の成果について、電子情報通信学会論文誌等で発表した。

Research Progress Status

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

  • Research Products

    (16 results)

All 2023 2022

All Journal Article (8 results) (of which Peer Reviewed: 4 results,  Open Access: 1 results) Presentation (8 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Invited: 2 results)

  • [Journal Article] Real-Time Image-Based Vibration Extraction with Memory-Efficient Optical Flow and Block-Based Adaptive Filter2023

    • Author(s)
      Taito Manabe, Yuichiro Shibata
    • Journal Title

      IEICE Transactions on Fundamentals of Electronics, Communications and Computer Sciences

      Volume: E106.A (3) Pages: 504~513

    • DOI

      10.1587/transfun.2022VLP0009

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Helmholtzの原理に基づく曲線輪郭線検出のFPGA実装2022

    • Author(s)
      松井信太郎,・眞邉泰斗・柴田裕一郎
    • Journal Title

      電子情報通信学会技術研究報告

      Volume: 122 (60) Pages: 113-118

  • [Journal Article] FPGA implementation of HDR synthesis processing with image compression techniques2022

    • Author(s)
      Masahiro Nishimura, Yuta Imamura, Taito Manabe, Yuichiro Shibata
    • Journal Title

      Proc. IEEE International Conference on Field-Programmable Technology

      Volume: - Pages: 1-2

    • DOI

      10.1109/ICFPT56656.2022.9974347

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] FPGA implementation of contour detection based on Helmholtz principle2022

    • Author(s)
      Shintaro Matsui, Taito Manabe, Yuichiro Shibata
    • Journal Title

      Proc. International Symposium on Computing and Networking Workshops (CANDARW)

      Volume: - Pages: 411-415

    • DOI

      10.1109/CANDARW57323.2022.00071

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] リアルタイム画像処理システムの定量的評価のためのFPGA SoCを用いた環境構築2022

    • Author(s)
      山下惠三・眞邉泰斗・柴田裕一郎
    • Journal Title

      電子情報通信学会技術研究報告

      Volume: 122 (174) Pages: 41-46

  • [Journal Article] FPGAによるHDR合成処理への画像圧縮技術の適用2022

    • Author(s)
      西村昌浩・今村優太・眞邉泰斗・柴田裕一郎
    • Journal Title

      電子情報通信学会技術研究報告

      Volume: 122 (60) Pages: 107-112

  • [Journal Article] Evaluation of Directive-based Heterogeneous Redundant Design Approaches for Functional Safety Systems on FPGAs2022

    • Author(s)
      Taichi Saikai, Kotoko Miyata, Taito Manabe, Yuichiro Shibata
    • Journal Title

      International Journal of Networking and Computing

      Volume: 12 (2) Pages: 387-405

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] 手術器具振動抑制装置の定量的評価を目的とする生理的振戦再現装置の開発2022

    • Author(s)
      田中将勝、諸麥俊司、柴田裕一郎、北岡隆、上松聖典
    • Journal Title

      電気学会電子・情報・システム部門大会論文集

      Volume: - Pages: 999-1005

  • [Presentation] FPGAと機械学習の社会応用2023

    • Author(s)
      柴田裕一郎・眞邉泰斗
    • Organizer
      電子情報通信学会非線形問題研究会
    • Invited
  • [Presentation] リコンフィギャラブルコンピューティングの課題と展望2023

    • Author(s)
      柴田裕一郎
    • Organizer
      Gfarmワークショップ2023
    • Invited
  • [Presentation] FPGA implementation of contour detection based on Helmholtz principle2022

    • Author(s)
      Shintaro Matsui, Taito Manabe, Yuichiro Shibata
    • Organizer
      International Workshop on Advances in Networking and Computing
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] FPGA implementation of HDR synthesis processing with image compression techniques2022

    • Author(s)
      Masahiro Nishimura, Yuta Imamura, Taito Manabe, Yuichiro Shibata
    • Organizer
      IEEE International Conference on Field-Programmable Technology 2022
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] リアルタイム画像処理システムの定量的評価のためのFPGA SoCを用いた環境構築2022

    • Author(s)
      山下惠三・眞邉泰斗・柴田裕一郎
    • Organizer
      電子情報通信学会リコンフィギャラブルシステム研究会
  • [Presentation] Helmholtzの原理に基づく曲線輪郭線検出のFPGA実装2022

    • Author(s)
      松井信太郎,・眞邉泰斗・柴田裕一郎
    • Organizer
      電子情報通信学会リコンフィギャラブルシステム研究会
  • [Presentation] FPGAによるHDR合成処理への画像圧縮技術の適用2022

    • Author(s)
      西村昌浩・今村優太・眞邉泰斗・柴田裕一郎
    • Organizer
      電子情報通信学会リコンフィギャラブルシステム研究会
  • [Presentation] 手術器具振動抑制装置の定量的評価を目的とする生理的振戦再現装置の開発2022

    • Author(s)
      田中将勝、諸麥俊司、柴田裕一郎、北岡隆、上松聖典
    • Organizer
      電気学会電子・情報・システム部門大会

URL: 

Published: 2023-12-25  

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