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

2015 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 26289061
• Research Institution: The University of Electro-Communications
• Principal Investigator: 小泉 憲裕 電気通信大学, 情報理工学(系)研究科, 准教授 (10396765)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 川崎 元敬 高知大学, 医歯学系, 講師 (50398054) ; 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) ; 葭仲 潔 国立研究開発法人産業技術総合研究所, その他部局等, 研究員 (90358341) ; 東 隆 東京大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (90421932)
• Project Period (FY): 2014-04-01 – 2018-03-31
• Keywords: 医療ロボット / 医デジ化 / Me-DigIT / 超音波診断・治療 / 非侵襲超音波診断・治療統合システム / 体動補償 / NIUTS / 強力集束超音波

Outline of Annual Research Achievements

本研究課題は、人体レベルで頑健かつ高精度に動作する非侵襲超音波医療診断・治療統合システムの構築法を確立することであった。具体的に、つぎの2つの診断・治療支援を対象に下記の5つの作業手順を順次遂行する。
(i) 腎がん・腎結石の診断・治療、（ii）肝臓がんの診断・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。
上記の作業ステップのうち、本年度は(3)および(4)を中心に行ない、ヒトの腎臓に対して1mm、肝臓においても1.3mmの臓器追従精度を実現した。顕微鏡は微細なものを巨視的に解析できるようにした。本システムは運動する臓器をあたかも静的なものとして観察・操作できるようにする。これにより既存の医療機器や医療技能をだれもが容易に扱うことを可能にする。
本研究課題における主要な成果については国際特許出願（PCT/JP2015/075132）を行ない、医療ロボットのトップカンファレンス（ICRA2014、IROS2014、2015、いずれも採択率30-40パーセント程度）で発表、きわめて高い評価を得てきた。また、医療ロボットのDa Vinchiで有名なIntuitive Surgical社の研究者が執筆した国際一流誌（IJMRCAS）のReview Articleに半ページにもわたって紹介、超音波分野のトップジャーナルであるIEEE TUFFCのReview articleにおいても、超音波治療のための体動補償システムの代表的研究のひとつとして筆頭で紹介されるなど、国際的に大きな着目を集めつつある。ほかにも超音波診断・治療ロボットの構築法について概説した総説が日本設計工学会の学会賞を受賞したり、日本経済新聞の科学技術面で研究紹介され、大きな反響を得た。

Current Status of Research Progress

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

Reason

本研究課題は、人体レベルで頑健かつ高精度に動作する非侵襲超音波医療診断・治療統合システムの構築法を確立することであり、つぎの2つの診断・治療支援を対象に下記の5つの研究手順を順次遂行してきた。
(i) 腎がん・腎結石の診断・治療、（ii）肝臓がんの診断・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。
本年度は上記の(3)、(4)の手順を中心に研究を遂行、実際のヒトの腎臓に対して1mm、肝臓においても1.3mmの臓器追従精度を実現した。われわれの実現したシステムは体動の実に90パーセントを補償することができ、静的な世界で診断・治療手技を行なえることから、既存の医療機器や診断・治療手技を国内のみならず海外にも普及することができるものと大きく期待されている。
本研究課題における主要な成果については国際特許出願（PCT/JP2015/075132）を行ない、医療ロボットのトップカンファレンス（ICRA2014、IROS2014、2015、いずれも採択率30-40パーセント程度）で発表、きわめて高い評価を得てきた。また、医療ロボットのDa Vinchiで有名なIntuitive Surgical社の研究者が執筆した国際一流誌（IJMRCAS）のReview Articleに半ページにもわたって紹介、超音波分野のトップジャーナルであるIEEE TUFFCのReview articleにおいても、超音波治療のための体動補償システムの代表的研究のひとつとして筆頭で紹介されるなど、国際的に大きな着目を集めつつある。ほかにも超音波診断・治療ロボットの構築法について概説した総説が日本設計工学会の学会賞を受賞したり、日本経済新聞の科学技術面で研究紹介され、大きな反響を得た。

Strategy for Future Research Activity

本研究課題は、人体レベルで頑健かつ高精度に動作する非侵襲超音波医療診断・治療統合システムの構築法を確立することであり、つぎの2つの診断・治療支援を対象に下記の5つの研究手順を順次遂行してきた。
(i) 腎がん・腎結石の診断・治療、（ii）肝臓がんの診断・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。
本年度は上記の(4)、(5)の手順を中心に研究を遂行、実際のヒトの腎臓に対して1mm、肝臓においても1.3mmの臓器追従精度を実現した。われわれが開発する，トラッキングシステムの臨床現場での応用展開とその有用性についても多くの反響が寄せられている。
上記の研究を遂行するなかで、以下の3点の課題が新規に抽出された。（課題1）画像処理アルゴリズムに関して追従精度の向上のみならず、治療にともなう患部の見え方の変化，臓器の変形・回転，ろっ骨等による音響シャドウの影響の低減，撮像断面の変化等に対して頑健に動作する患部追従・モニタリング手法の実現（課題2）機構に関して、直感的に扱いやすい手持ち型の機構の実現（課題3）制御に関して、より振動の少ないなめらかな動作の実現。
本研究では今後、下記のアプローチから上記課題の解決を図る。（解決アプローチ1）画像処理アルゴリズムにおいては、超音波画像のテクスチャのみならず形状情報を利用した追従アルゴリズムの開発を行なう。（解決アプローチ2）機構に関しては小型・軽量で医師にとって扱いやすい機構の設計・開発を行なう。（解決アプローチ3）制御に関しては、追従性を損なうことなくなめらかな動作を実現する制御手法の開発を行なう。

Causes of Carryover

研究遂行上必要な、臓器運動を高精度に同定するための超音波診断装置のリース代金を翌年度計上する必要が生じたため。

Expenditure Plan for Carryover Budget

次年度以降、超音波診断装置のリース代金やこれに付随する消耗品等に活用する予定である。

Research Products

• [Journal Article] Focused ultrasound and Lithotripsy (2016)
  • Author(s): Teiichiro Ikeda, Shin Yoshizawa, Norihiro Koizumi, Mamoru Mitsuishi, and Yoichiro Matsumoto
  • Journal Title: Advances in Experimental Medicine and Biology (ADV EXP MED BIOL) Volume: 880 Pages: 113-129
  • DOI: 10.1007/978-3-319-22536-4_7
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] An extremely robust US based focal lesion servo system incorporating a servo recovery algorithm for a NIUTS (2015)
  • Author(s): Norihiro Koizumi, Takakazu Funamoto, Joonho Seo, Hiroyuki Tsukihara, Hiroyuki Fukuda, Hideyo Miyazaki, Kiyoshi Yoshinaka, Takashi Azuma, Naohiko Sugita, Kazushi Numata, Yukio Homma,Yoichiro Matsumoto, and Mamoru Mitsuishi
  • Journal Title: Proc. of 2015 IEEE/RSJ Int. Conf. Intelligent Robotics and Systems (IROS 2015) Volume: 1 Pages: 2625-2632
  • DOI: 10.1109/IROS.2015.7353735
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Respiratory Tracking System of Hepatocellular Carcinoma Treatment Using FUS (2015)
  • 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
  • Journal Title: Journal of Therapeutic Ultrasound (JTU) Volume: 3 Pages: 1-3
  • DOI: 10.1186/2050-5736-3-S1-P47
  • Open Access
• [Presentation] 医デジ化にもとづく超音波医療診断・治療システムの構築 (2015)
  • Author(s): 小泉憲裕, 福田浩之, 月原 弘之, 葭仲 潔, 宮嵜英世, 川﨑元敬, 牛田享宏, 沼田和司, 杉田直彦, 本間 之夫, 松本 洋一郎, 光石 衛
  • Organizer: 第14回日本超音波治療研究会 (JSTU2015)
  • Place of Presentation: 高知市文化プラザ, 高知
  • Year and Date: 2015-11-28 – 2015-11-28
  • Invited
• [Presentation] 3D Slicer と呼吸トラッキングを用いた肝癌の HIFU 治療 (2015)
  • Author(s): 福田浩之, 沼田和司, 道端信貴, 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, 栢菅 篤, 小泉憲裕, 光石 衛, 松 本洋一郎, 葭仲 潔
  • Organizer: 第14回日本超音波治療研究会 (JSTU2015)
  • Place of Presentation: 高知市文化プラザ, 高知
  • Year and Date: 2015-11-28 – 2015-11-28
  • 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'15講演会
  • Place of Presentation: 京都市勧業館, 京都
  • Year and Date: 2015-11-28 – 2015-11-28
• [Presentation] An extremely robust US based focal lesion servo system incorporating a servo recovery algorithm for a NIUTS (2015)
  • Author(s): Norihiro Koizumi, Takakazu Funamoto, Joonho Seo, Hiroyuki Tsukihara, Hiroyuki Fukuda, Hideyo Miyazaki, Kiyoshi Yoshinaka, Takashi Azuma, Naohiko Sugita, Kazushi Numata, Yukio Homma,Yoichiro Matsumoto, and Mamoru Mitsuishi
  • Organizer: Proc. of 2015 IEEE/RSJ Int. Conf. Intelligent Robotics and Systems (IROS 2015)
  • Place of Presentation: Hamburg, Germany
  • Year and Date: 2015-09-28 – 2015-10-02
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 運動・変形する臓器にロバストに追従する非侵襲超音 波診断・治療統合システム－オンライン学習による臓器追従用テンプレートの最適化－ (2015)
  • 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, 杉田直彦, 宮嵜英世, 本間之夫, 沼田和司, 松本洋一郎, 光石 衛
  • Organizer: 第33回日本ロボット学会学術講演会
  • Place of Presentation: 東京電機大学, 東京
  • Year and Date: 2015-09-03 – 2015-09-05
• [Presentation] Tissue response monitoring and solutions for motion compensation during ultrasound therapy (2015)
  • Author(s): Takashi Azuma, Norihiro Koizumi
  • Organizer: FUTURA EMBC Workshop, 37th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBS)
  • Place of Presentation: Milano, Italy
  • Year and Date: 2015-08-25 – 2015-08-25
  • Int'l Joint Research / Invited
• [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
  • Int'l Joint Research
• [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
  • Int'l Joint Research
• [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
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] 小泉 憲裕の研究ブログ
  • URL: http://blog2009nkoizumi.japanprize.jp/
• [Remarks] 電気通信大学 小泉憲裕研究室
  • URL: http://www.medigit.mi.uec.ac.jp/
• [Patent(Industrial Property Rights)] 生体内運動追跡装置 (2015)
  • Inventor(s): 小泉憲裕, 月原弘之, 東 隆, 他9名
  • Industrial Property Rights Holder: 小泉憲裕, 月原弘之, 東 隆, 他9名
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: PCT/JP2015/075132
  • Filing Date: 2015-09-03
  • Overseas
• [Patent(Industrial Property Rights)] 超音波診断システム (2015)
  • Inventor(s): 窪田直人, 小泉憲裕, 月原弘之, 他8名
  • Industrial Property Rights Holder: 窪田直人, 小泉憲裕, 月原弘之, 他8名
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 特願2015-083067
  • Filing Date: 2015-04-15