人体に対して頑健かつ高精度に追従する非侵襲超音波医療診断・治療統合システムの構築

2014 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 26289061
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 小泉 憲裕 東京大学, 工学(系)研究科(研究院), 講師 (10396765)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 月原 弘之 東京大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (50431862) ; 牛田 享宏 愛知医科大学, 医学部, 教授 (60304680) ; 東 隆 東京大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (90421932) ; 川崎 元敬 高知大学, 医歯学系, 講師 (50398054) ; 葭仲 潔 独立行政法人産業技術総合研究所, ヒューマンライフテクノロジー研究部門, 研究員 (90358341)
• Project Period (FY): 2014-04-01 – 2018-03-31
• Keywords: 医療ロボット / 医デジ化 / 医療技能の技術化・デジタル化 / 強力集束超音波 / 超音波診断・治療統合システム / 超音波診断・治療ロボット / 超音波診断ロボット / 超音波治療ロボット

Outline of Annual Research Achievements

本研究課題の目的は，以下の(i)-(iii)の医療診断・治療を対象として，超音波技術およびIRT技術を基盤として，非侵襲超音波診断・治療統合システムの構築法を確立することであり，研究期間内に，生体に対しても精度を落とすことなく頑健に動作するシステムを実現するとともに，人体レベルでのシステムの有効性および安全性を実証する。
この研究目的を達成するために，下記の5つの作業手順を順次遂行することで，医療技能を機能として抽出，構造化し，関数としてシステムの機構・制御・画像処理アルゴリズム上に実装（医療技能の技術化・デジタル化：医デジ化）する。その際，必要ならば専門医の医療技能に啓発された全く新しいアプローチから機能を追加・実装することにより，さらなる医療の質の向上（高速・高精度化）を図る。これにあたっては，我々が開発してきた独自のコア技術を基盤として，これを発展させることで行なう。
診断・治療支援の対象：(i) 腎がん・腎結石の診断・治療，（ii）肝臓がんの診断・治療，（iii）骨腫瘍の診断・治療，作業手順：（1）医療診断・治療技能を機能として抽出・構造化，（2）機能におけるパラメータ解析，（3）機能の設計指針化，（4）機能の実装，（5）実験による機能の評価・改良。
上記のうち，当該年度は（1）医療診断・治療技能を機能として抽出・構造化，（2）機能におけるパラメータ解析のステップを中心に研究を推進した。その成果は，2014年度 日本設計工学会 The Most Interesting Readings賞を受賞，Intuitive Surgical社の研究者によるReview Articleにおいて医療ロボットの体動補償研究のパイオニアかつ中核的な研究として大きく取り上げられるなど，学会をはじめ，国内外の企業・研究者から高く評価されている。

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

本研究で提案する非侵襲超音波診断・治療統合システムとは，呼吸や拍動等により能動的に変形をともなって運動する生体患部をロバストかつ高精度に抽出・追従・モニタリングしながら，超音波を集束させてピンポイントに患部へ照射することにより，がん組織や結石の治療を患者の皮膚表面を切開することなく非侵襲かつ低負担で行なおうとするものである。
本研究では，システムを構築するにあたって医療技能の技術化・デジタル化（医デジ化）という，システム構築の方法論に基づいて行う。医デジ化とは，医療診断・治療における技能を機能として抽出，分解・再構築（構造化）し，これを定量的に解析し，さらにデジタル・機能関数としてシステムの機構・制御・画像処理・アルゴリズム上に実装，システム上で医療の質の向上（機能向上・最適化）を図ろうとするものである。
医デジ化の効果としては，医療技能をデジタル・機能関数としてシステム側に取込む方法の学問体系化・設計指針化・医療支援システムの機能向上・最適化が促進される。これにより，医療専門家にとっては医療技能の標準化による負担軽減が可能になる。具体的には，みずからの医療診断・治療技能の蓄積・改良・再利用がシステム上のデジタル・機能関数として可能になり，一方で患者にとっては標準化された質の高い医療をどこにいても享受することができるようになる。
本研究プロジェクトおよびその成果は，2014年度 日本設計工学会 The Most Interesting Readings賞の受賞，Intuitive Surgical社の研究者によるReview Articleにおいて医療ロボットの体動補償研究のパイオニアかつ中核的な研究として大きく取り上げられるなど，学会をはじめ，国内外の企業・研究者から大きな注目と高い評価を得ている。

Strategy for Future Research Activity

本研究課題の目的は，以下の(i)-(iii)の医療診断・治療を対象として，超音波技術およびIRT技術を基盤として，非侵襲超音波診断・治療統合システムの構築法を確立することであり，研究期間内に，生体に対しても精度を落とすことなく頑健に動作するシステムを実現するとともに，人体レベルでのシステムの有効性および安全性を実証する。ただし，強力集束超音波の照射をともなう実験については，人体に対する安全面を最優先することとし，ファントムおよび動物実験レベルまでの実証にとどめる。
この研究目的を達成するために，下記の5つの作業手順を順次遂行することで，医療技能を機能として抽出，構造化し，関数としてシステムの機構・制御・画像処理アルゴリズム上に実装（医療技能の技術化・デジタル化：医デジ化）する。その際，必要ならば専門医の医療技能に啓発された全く新しいアプローチから機能を追加・実装することにより，さらなる医療の質の向上（高速・高精度化）を図る。これにあたっては，我々が開発してきた独自のコア技術を基盤として，これを発展させることで行なう。
診断・治療支援の対象：(i) 腎がん・腎結石の診断・治療，（ii）肝臓がんの診断・治療，（iii）骨腫瘍の診断・治療，作業手順：（1）医療診断・治療技能を機能として抽出・構造化，（2）機能におけるパラメータ解析，（3）機能の設計指針化，（4）機能の実装，（5）実験による機能の評価・改良。
上記のうち，今後は(3),(4),(5)のステップを順次遂行する。ここで，システムの検証→設計指針へのフィードバック→システムの改良というサイクルは，1回のみでは機能の信頼性を確保するためには不十分であることが予想される。その際は，必要に応じて同サイクルを繰り返すことで対応する。

Causes of Carryover

システム試作にあたり，システムの仕様を策定するうえで検討すべき新たな課題が見出されたため次年度使用額が生じた。

Expenditure Plan for Carryover Budget

上記の検討が完了しだい，システムを試作，次年度使用額を順次使用する予定である。

Research Products

• [Journal Article] Evaluation of the Pain and Local Tenderness in Bone Metastasis treated with Magnetic Resonance-guided Focused Ultrasound Surgery（MRgFUS） (2015)
  • Author(s): Hirofumi Namba, Motohiro Kawasaki, Tomonari Kato, Toshikazu Tani, Takahiro Ushida, and Norihiro Koizumi
  • Journal Title: Amer Inst of Physics Volume: - Pages: -
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Construction of kidney phantom model with acoustic shadow by rib bones and respiratory organ motion (2015)
  • Author(s): Dongjun Lee, Norihiro Koizumi, Hiroyuki Tsukihara, Akira Nomiya, Kiyoshi Yoshinaka, Naohiko Sugita, Yukio Homma, Yoichiro Matsumoto, and Mamoru Mitsuishi
  • Journal Title: Amer Inst of Physics Volume: - Pages: -
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Focused ultrasound and Lithotripsy (2015)
  • Author(s): Teiichiro Ikeda, Shin Yoshizawa, Norihiro Koizumi, Mamoru Mitsuishi, and Yoichiro Matsumoto
  • Journal Title: Therapeutic Ultrasound Volume: - Pages: -
• [Journal Article] System Identification Method for Non-Invasive Ultrasound Theragnostic System Incorporating Mechanical Oscillation Part (2014)
  • Author(s): Norihiro Koizumi, Kouhei Oota, Dongjun Lee, Hiroyuki Tsukihara, Akira Nomiya, Kiyoshi Yoshinaka, Takashi Azuma, Naohiko Sugita, Yukio Homma, Yoichiro Matsumoto, and Mamoru Mitsuishi
  • Journal Title: International Journal of Automation Technology (IJAT) Volume: 8 Pages: 110-119
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Remote Ultrasound Diagnostic System (2014)
  • Author(s): Norihiro Koizumi, Takehiko Tsurumi, Takahiro Kato, Shin'ichi Warisawa, Mitsuru Nagoshi, Hiroyuki Hashizume, and Mamoru Mitsuishi
  • Journal Title: Journal of Robotics and Mechatronics (JRM) Volume: 26 Pages: 396-397
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 医デジ化にもとづく超音波医療診断・治療統合システムの構築法 (2014)
  • Author(s): 小泉憲裕, 月原弘之, 光石 衛
  • Journal Title: 設計工学会誌 Volume: 49 Pages: 6-13
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A novel redundant motion control mechanism in accordance with medical diagnostic and therapeutic task functions for a NIUTS (2014)
  • Author(s): Norihiro Koizumi, Dongjun Lee, Joonho Seo, Hiroyuki Tsukihara, Akira Nomiya, Takashi Azuma, Kiyoshi Yoshinaka, Naohiko Sugita, Yukio Homma, Yoichiro Matsumoto, and Mamoru Mitsuishi
  • Journal Title: Proc. of 2014 IEEE/RSJ Int. Conf. Intelligent Robotics and Systems (IROS 2014) Volume: 1 Pages: 2009-2016
  • DOI: 10.1109/IROS.2014.6942830
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A novel robust template matching method to track and follow body targets for NIUTS (2014)
  • Author(s): Norihiro Koizumi, Takakazu Funamoto, Joonho Seo, Dongjun Lee, Hiroyuki Tsukihara, Akira Nomiya, Takashi Azuma, Kiyoshi Yoshinaka, Naohiko Sugita, Yukio Homma, Yoichiro Matsumoto, and Mamoru Mitsuishi
  • Journal Title: Proc. of 2014 IEEE Int. Conf. Robotics and Automation (ICRA 2014) Volume: 1 Pages: 1929-1936
  • DOI: 10.1109/ICRA.2014.6907114
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Problems and solution approaches to compensate physiological motions for HIFU systems (2015)
  • Author(s): Norihiro Koizumi
  • Organizer: a half day EMBC Workshop on "Focused ultrasound therapy and robotic technology: from the concept to the bedside"
  • Place of Presentation: Milan, Italy
  • Year and Date: 2015-08-24 – 2015-08-24
  • Invited
• [Presentation] 非侵襲超音波診断・治療統合システムにおける臓器追従精度向上に関する研究 (2015)
  • Author(s): 藤井達也, 小泉憲裕, 李 東俊, 月原弘之, 福田浩之, 葭仲 潔, 東 隆, 宮嵜英世, 杉田直彦, 本間之夫, 沼田和司, 松本洋一郎, 光石 衛
  • Organizer: 日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス'14講演会
  • Place of Presentation: 京都市勧業館「みやこめっせ」, 京都
  • Year and Date: 2015-05-17 – 2015-05-19
• [Presentation] 非侵襲超音波診断・治療統合システムの構築―患部を追随して腎結石の破壊を目指す― (2015)
  • Author(s): 宮嵜英世, 小泉憲裕, 李 東俊, 藤井達也, 杉田直彦, 藤村哲也, 中川 徹, 福原 浩, 久米春喜, 松本洋一郎, 光石 衛, 本間之夫
  • Organizer: 第103回日本泌尿器科学会総会
  • Place of Presentation: 石川県立音楽堂ほか, 石川
  • Year and Date: 2015-04-17 – 2015-04-19
• [Presentation] Position and orientation input device for non-invasive ultrasound theragnostic system (NIUTS) (2015)
  • Author(s): Norihiro Koizumi, Dongjun Lee, Tatsuya Fujii, Hiroyuki Tsukihara, Hiroyuki Fukuda, Kiyoshi Yoshinaka, Takashi Azuma, Hideyo Miyazaki, Naohiko Sugita, Kazushi Numata, Yukio Homma, Yoichiro Matsumoto, and Mamoru Mitsuishi
  • Organizer: 12th International Symposium on Therapeutic Ultrasound (ISTU 2015)
  • Place of Presentation: Utrecht, Netherlands
  • Year and Date: 2015-04-15 – 2015-04-18
• [Presentation] A robust tracking method of focal lesions for US guided RFA treatments (2015)
  • Author(s): Dongjun Lee, Norihiro Koizumi, Tatsuya Fujii, Hiroyuki Fukuda, Hiroyuki Tsukihara, Takashi Azuma, Kiyoshi Yoshinaka , Nobutaka Doba, Katsuaki Tanaka, Ayako Takeda, Kazushi Numata, Naohiko Sugita, Yukio Homma, Yoichiro Matsumoto, and Mamoru Mitsuishi
  • Organizer: 12th International Symposium on Therapeutic Ultrasound (ISTU 2015)
  • Place of Presentation: Utrecht, Netherlands
  • Year and Date: 2015-04-15 – 2015-04-18
• [Presentation] HIFU treatment for hepatocellular carcinoma using respiratory motion tracking system and 3D slicer navigation system (2015)
  • Author(s): Hiroyuki Fukuda, Nobutaka Doba, Kazushi Numata, Ayako Takeda, Yoshiharu Hao, Akito Nozaki, Masaaki Kondo, Makoto Chuma, Shin Maeda, Katsuaki Tanaka, Tatsuya Fujii, Dongjun Lee, Norihiro Koizumi, Hiroyuki Tsukihara, Mamoru Mitsuishi, Yoichiro Matsumoto, Kiyoshi Yoshinaka, Akira Kobayashi, and Jun Tokuda
  • Organizer: 12th International Symposium on Therapeutic Ultrasound (ISTU 2015)
  • Place of Presentation: Utrecht, Netherlands
  • Year and Date: 2015-04-15 – 2015-04-18
• [Presentation] 肝癌のHIFU治療における3D Slicerと呼吸トラッキングの有用性 (2014)
  • Author(s): 福田浩之, 沼田和司, 道端信貴, 竹田彩子, 羽尾義輝, 野崎昭人, 中馬誠 近藤正晃, 前田 慎, 田中克明, 伊藤龍, 貝沼 修, 山口武人, 竜 崇正, 小林 暁, 徳田淳一, 李 東俊, 小泉憲裕, 光石 衛, 松本洋一郎, 葭仲 潔
  • Organizer: 第13回日本超音波治療研究会
  • Place of Presentation: 仙台情報・産業プラザ, 宮城
  • Year and Date: 2014-11-15 – 2014-11-15
• [Presentation] 非侵襲超音波医療診断・治療システムのための位置・姿勢入力デバイス (2014)
  • Author(s): 小泉憲裕, 李 東俊, 藤井達也，月原弘之, 福田浩之, 葭仲 潔, 東 隆, 宮嵜英世, 杉田直彦, 本間之夫, 松本洋一郎, 光石 衛
  • Organizer: 日本コンピュータ外科学会
  • Place of Presentation: 大阪大学コンベンションセンター, 大阪
  • Year and Date: 2014-11-08 – 2014-11-09
• [Presentation] 超音波ガイド下RFA治療のためのロバストな患部追跡手法 (2014)
  • Author(s): 李 東俊, 小泉憲裕, 藤井達也，福田浩之，月原弘之, 東 隆, 葭仲 潔, 道端信貴, 田中克明, 竹田彩子, 沼田和司, 杉田直彦, 本間之夫, 松本洋一郎, 光石 衛
  • Organizer: 日本コンピュータ外科学会
  • Place of Presentation: 大阪大学コンベンションセンター, 大阪
  • Year and Date: 2014-11-08 – 2014-11-09
• [Presentation] Respiratory Tracking System of Hepatocellular Carcinoma Treatment Using FUS (2014)
  • Author(s): Hiroyuki Fukuda, Nobutaka Doba, Kazushi Numata, Ayako Takeda, Yoshiharu Hao, Akito Nozaki, Masaaki Kondo, Makoto Chuma, Shin Maeda, Tatsuya Fujii, Dongjun Lee, Norihiro Koizumi, Hiroyuki Tsukihara, Mamoru Mitsuishi, Yoichiro Matsumoto, and Katsuaki Tanaka
  • Organizer: Focused Ultrasound 2014 - 4th International Symposium
  • Place of Presentation: Washington D.C., USA
  • Year and Date: 2014-10-12 – 2014-10-14
• [Presentation] A novel redundant motion control mechanism in accordance with medical diagnostic and therapeutic task functions for a NIUTS (2014)
  • Author(s): Norihiro Koizumi, Dongjun Lee, Joonho Seo, Hiroyuki Tsukihara, Akira Nomiya, Takashi Azuma, Kiyoshi Yoshinaka, Naohiko Sugita, Yukio Homma, Yoichiro Matsumoto, and Mamoru Mitsuishi
  • Organizer: 2014 IEEE/RSJ Int. Conf. Intelligent Robotics and Systems (IROS 2014)
  • Place of Presentation: Chicago, USA
  • Year and Date: 2014-09-14 – 2014-09-18
• [Presentation] 非侵襲超音波診断・治療統合システムにおけるロバスト性向上のための追従状態自動復帰法 (2014)
  • Author(s): 小泉憲裕, 舟本貴一，李 東俊, 月原弘之, 福田浩之，東 隆, 野宮 明, 葭仲 潔, 杉田直彦, 本間之夫, 松本洋一郎, 光石 衛
  • Organizer: 第32回日本ロボット学会学術講演会
  • Place of Presentation: 九州産業大学, 福岡
  • Year and Date: 2014-09-04 – 2014-09-06
• [Presentation] 非侵襲超音波診断治療統合システムにおける臓器変形に対するロバスト性向上に関する研究 (2014)
  • Author(s): 李 東俊, 小泉憲裕, 月原弘之, 福田浩之，東 隆, 野宮 明, 葭仲 潔, 杉田直彦, 本間之夫, 松本洋一郎, 光石 衛
  • Organizer: 第32回日本ロボット学会学術講演会
  • Place of Presentation: 九州産業大学, 福岡
  • Year and Date: 2014-09-04 – 2014-09-06
• [Presentation] Problems in motion tracking for body targets by PD control and their solutions (2014)
  • Author(s): Norihiro Koizumi, Dongjun Lee, Hiroyuki Tsukihara, Akira Nomiya, Takashi Azuma, Kiyoshi Yoshinaka, Naohiko Sugita, Yukio Homma, Yoichiro Matsumoto, and Mamoru Mitsuishi
  • Organizer: CARS 2014 Computer Assisted Radiology and Surgery
  • Place of Presentation: Fukuoka, Japan
  • Year and Date: 2014-06-25 – 2014-06-28
• [Presentation] A novel robust template matching method to track and follow body targets for NIUTS (2014)
  • Author(s): Norihiro Koizumi, Takakazu Funamoto, Joonho Seo, Dongjun Lee, Hiroyuki Tsukihara, Akira Nomiya, Takashi Azuma, Kiyoshi Yoshinaka, Naohiko Sugita, Yukio Homma, Yoichiro Matsumoto, and Mamoru Mitsuishi
  • Organizer: 2014 IEEE Int. Conf. Robotics and Automation (ICRA 2014)
  • Place of Presentation: Hongkong, China
  • Year and Date: 2014-05-31 – 2014-06-05
• [Presentation] 医療技能の技術化・デジタル化に関する研究－肋骨を避けて超音波撮像するために必要なプローブ操作機構－ (2014)
  • Author(s): 小泉憲裕, 板垣雄太郎, 李 東俊, 月原弘之, 東 隆, 野宮 明, 葭仲 潔, 杉田直彦, 本間之夫, 松本洋一郎, 光石 衛
  • Organizer: 日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス'14講演会
  • Place of Presentation: 富山市総合体育館, 富山
  • Year and Date: 2014-05-25 – 2014-05-28
• [Presentation] Construction of kidney phantom model with acoustic shadow by rib bones and respiratory organ motion (2014)
  • Author(s): Dongjun Lee, Norihiro Koizumi, Hiroyuki Tsukihara, Akira Nomiya, Kiyoshi Yoshinaka, Naohiko Sugita, Yukio Homma, Yoichiro Matsumoto, and Mamoru Mitsuishi
  • Organizer: 11th International Symposium on Therapeutic Ultrasound (ISTU 2014)
  • Place of Presentation: Las Vegas, USA
  • Year and Date: 2014-04-02 – 2014-04-05
• [Presentation] Servoing performance enhancement for body targets for NIUTS (2014)
  • Author(s): Norihiro Koizumi, Dongjun Lee, Hiroyuki Tsukihara, Akira Nomiya, Kiyoshi Yoshinaka, Motohiro Kawasaki, Naohiko Sugita, Takahiro Ushida, Yukio Homma, Yoichiro Matsumoto, and Mamoru Mitsuishi
  • Organizer: 11th International Symposium on Therapeutic Ultrasound (ISTU 2014)
  • Place of Presentation: Las Vegas, USA
  • Year and Date: 2014-04-02 – 2014-04-05
• [Remarks] 小泉 憲裕の研究ブログ
  • URL: http://blog2009nkoizumi.japanprize.jp/
• [Remarks] 小泉憲裕，博士（工学）の研究業績リスト
  • URL: http://www.niuts.sakura.ne.jp/nkoizumi/
• [Remarks] Norihiro Koizumi's Citations (Google scholar)
  • URL: https://scholar.google.co.jp/citations?user=twToQOwAAAAJ&hl=en
• [Remarks] Norihiro Koizumi's Research Gate page
  • URL: https://www.researchgate.net/profile/Norihiro_Koizumi
• [Remarks] 小泉 憲裕（教員紹介）
  • URL: http://www.t.u-tokyo.ac.jp/faculty/t_meibo/en/80077915.html
• [Patent(Industrial Property Rights)] 生体内運動追跡装置 (2015)
  • Inventor(s): 小泉憲裕, 李 東俊, 藤井達也, ほか
  • Industrial Property Rights Holder: 小泉憲裕, 李 東俊, 藤井達也, ほか
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 特願2015-040453
  • Filing Date: 2015-03-02
• [Patent(Industrial Property Rights)] 超音波診断システム (2015)
  • Inventor(s): 窪田直人, 小泉憲裕, 浅野岳晴, ほか
  • Industrial Property Rights Holder: 窪田直人, 小泉憲裕, 浅野岳晴, ほか
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 特願2015-083067
  • Filing Date: 2015-04-15