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2019 年度 実施状況報告書

身体装着型ロボティック・モニタリング装置による運動時の筋骨格・臓器系の動力学解析

研究課題

研究課題/領域番号 19K21941
研究機関電気通信大学

研究代表者

小泉 憲裕  電気通信大学, 大学院情報理工学研究科, 准教授 (10396765)

研究分担者 岡田 英孝  電気通信大学, 大学院情報理工学研究科, 教授 (20303018)
東郷 俊太  電気通信大学, 大学院情報理工学研究科, 助教 (30751523)
研究期間 (年度) 2019-06-28 – 2021-03-31
キーワード医療のデジタル化 / 医デジ化 / Me-DigIT / モーションキャプチャ / 体内臓器系モーションキャプチャ / 医療・バイオ用ロボットビジョン技術
研究実績の概要

本研究では従来型の人体の筋骨格系のモーションキャプチャに加えて、超音波技術および人工知能・IoT・ロボット技術の融合により、把持・歩行運動中の体内臓器系の挙動を体表を傷つけることなく非侵襲に観察する、言わば『体内臓器系のモーションキャプチャ・システム』の構築法を確立することを目的とする。これにより、これまでは不可能であった人体の筋骨格系および体内臓器系の統合的な動力学的解析・理解を可能とする、全く新しいロボット運動学の分野を開拓することが可能となり、人体の鏡像としてのロボット学の基盤になりうるものと期待している。
体内臓器系の挙動を観察する医療・バイオ用ロボットビジョン技術については近年,深層学習をはじめとする機械学習による画像処理の分野で画期的なブレークスルーがあった。これを踏まえてわれわれの研究グループも深層学習を包含した医療・バイオ用ロボットビジョン技術に関する研究に着手、その成果もきわめて順調に積み重ねている。また、プローブと患部の接触安定性が体内臓器系の挙動を抽出・モニタリングする際に与える影響についても解明した。超音波画像を適正化するためにはプローブの位置・姿勢・接触力を適正化する必要がある。
特筆すべき成果として泌尿器画像診断・治療技術研究会(JSURT)最優秀演題賞受賞、第25回ロボティクスシンポジア(RS)学生奨励賞受賞、医学および工学分野の一流国際誌への掲載(International Journal of Hyperthermia、ROBOMECH Journal)、医療ロボティクスのトップカンファレンス等への採択(CARS、CBS)、国際ロボット展(iREX)への出展、日刊工業新聞への掲載など,体内臓器の挙動を観察する医療・バイオ用ロボットビジョン技術のパイオニアかつ中核的な存在として国内外からきわめて高い注目を集めてきている。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

本研究課題の目的は,呼吸や拍動によって互いに相互作用しながら変形・回転をともなって運動する体内臓器系(対象:心臓・肝臓・腎臓・筋肉等)を対象として,超音波技術、人工知能・IoT・ロボット技術を基盤として,身体装着型ロボティック・モニタリング装置の構築法を確立することであり,研究期間内に,把持・歩行運動時においても精度を落とすことなく頑健に体内臓器の挙動を観察するシステムを実現するとともに,これを用いて人の歩行運動時の人体の骨格および内臓・筋肉の統合的な動力学的解析を行なうことであった。
これを踏まえて今年度はまず、体内臓器系の挙動を抽出・モニタリングするための医療・バイオ用ロボットビジョン技術に関する基盤システムを構築した。また、プローブと患部の接触安定性が体内臓器系の挙動を抽出・モニタリングする際に与える影響についても解明した。超音波画像を適正化するためにはプローブの位置・姿勢・接触力を適正化する必要がある。
特筆すべき成果として、泌尿器画像診断・治療技術研究会(JSURT2019)最優秀演題賞受賞、第25回ロボティクスシンポジア(RS2019)学生奨励賞受賞が挙げられる。ほかにも医学および工学分野の一流国際誌への掲載(International Journal of Hyperthermia、ROBOMECH Journal)、医療ロボティクスのトップカンファレンス等への採択・成果発表(CARS2019および2020、IEEE CBS2019)、国際ロボット展(iREX2019)への出展、日刊工業新聞への掲載などが挙げられ、体内臓器の挙動を観察する医療・バイオ用ロボットビジョン技術のパイオニアかつ中核的な存在として我々の一連の研究は国内外からきわめて高い注目を集めてきている。

今後の研究の推進方策

本研究課題の目的は、呼吸や拍動によって互いに相互作用しながら変形・回転をともなって運動する体内臓器系(対象:心臓・肝臓・腎臓・筋肉等)を対象に超音波技術および人工知能・IoT・ロボット技術を基盤として身体装着型ロボティック・モニタリング装置の構築法を確立することであり、研究期間内に把持・歩行運動時においても精度を落とすことなく頑健に体内臓器の挙動を観察できるシステムを実現するとともに、これを用いて人の歩行運動時の人体の骨格および内臓・筋肉の統合的な動力学的解析を行なう。
この研究目的を達成するために、下記の3つのサブ課題を順次遂行することで研究を遂行する。(サブ課題 I) 体内臓器モニタリングのためのプローブ走査モデルの開発、(サブ課題 II) 身体装着型ロボティック・モニタリング装置の機構・制御の開発、(サブ課題 III) 把持・歩行運動中の体内臓器の観察・動力学的解析。
このうち、当該年度は(サブ課題 I)に加えて、(サブ課題 II)および(サブ課題 III)を含めて課題を遂行する計画である。

次年度使用額が生じた理由

当該年度は(サブ課題 I) 体内臓器モニタリングのためのプローブ走査モデルの開発研究において新規の知見をもたらす大きな進展が得られ、これを踏まえて(サブ課題 I) に関するさらなる深堀り研究が新規に生じたため、ソフトウェアに関する研究が中心となり、次年度使用額が生じた。今後、次年度使用額および翌年度分として請求した助成金とを合わせて(サブ課題 I)に加えて(サブ課題 II) 身体装着型ロボティック・モニタリング装置の機構・制御の開発、(サブ課題 III) 把持・歩行運動中の体内臓器の観察・動力学的解析研究を遂行してゆくのにともない、ハードウェアを含めて順次予算を執行してゆく計画である。

  • 研究成果

    (12件)

すべて 2020 2019 その他

すべて 雑誌論文 (5件) (うち査読あり 4件、 オープンアクセス 5件) 学会発表 (5件) (うち国際学会 5件) 備考 (2件)

  • [雑誌論文] Sagittal alignment in an MR-TRUS fusion biopsy using only the prostate contour in the axial image2020

    • 著者名/発表者名
      Riki Igarashi, Norihiro Koizumi, Yu Nishiyama, Kyohei Tomita, Yuka Shigenari, Sunao Shoji
    • 雑誌名

      ROBOMECH Journal

      巻: 7 ページ: 1-7

    • DOI

      10.1186/s40648-020-0155-9

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Use of intra-procedural fusion imaging combining contrast-enhanced ultrasound using a perflubutane-based contrast agent and auto sweep three-dimensional ultrasound for guiding radiofrequency ablation and evaluating its efficacy in patients with hepatocellular carcinomaInternational2020

    • 著者名/発表者名
      Katsuyuki Sanga, Kazushi Numata, Hiromi Nihonmatsu, Katsuaki Ogushi, Hiroyuki Fukuda, Makoto Chuma, Hiroshi Hashimoto, Norihiro Koizumi, Shin Maeda
    • 雑誌名

      Journal of Hyperthermia (IJH)

      巻: 37 ページ: 202-211

    • DOI

      10.1080/02656736.2020.1729422

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Usefulness of computer-aided diagnosis system in evaluating severity of benign prostatic hyperplasia, using a super-ellipse model to characterize changes in prostate contours2020

    • 著者名/発表者名
      Sunao Shoji, Yuka Shigenari, Izumi Hanada, Tatsuya Otaki, Takahiro Ogawa, Masayoshi Kawakami, Hakushi Kim, Masanori Hasegawa,Yoshiaki Kawamura, Norihiro Koizumi, Akira Miyajima
    • 雑誌名

      The Journal of Urology

      巻: 203 ページ: e605-e606

    • DOI

      10.1097/JU.0000000000000891.07

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] 医デジ化の手法・効果と社会的インパクト2019

    • 著者名/発表者名
      小泉憲裕, 西山 悠, 江浦史生,今泉飛翔, 大塚研秀, 佐々木雄大, 重成佑香, 五十嵐立樹, 草原健太, 小林賢人, 月原弘之, 松本直樹, 小川眞広
    • 雑誌名

      精密工学会誌

      巻: 85 ページ: 749-752

    • DOI

      10.2493/jjspe.85.749

    • オープンアクセス
  • [雑誌論文] Automatic Diagnosis by Compact Portable Ultrasound Robot : State Estimation of Internal Organs with Steady-State Kalman Filter2019

    • 著者名/発表者名
      Yudai Sasaki, Fumio Eura, Kento Kobayashi, Ryosuke Kondo, Kyohei Tomita, Yu Nishiyama, Hiroyuki Tsukihara, Naoki Matsumoto, and Norihiro Koizumi
    • 雑誌名

      Proc. of 2019 IEEE Healthcare Innovations and Point of Care Technologies Conference (HI-POCT)

      巻: 2019 ページ: 29-32

    • DOI

      10.1109/HI-POCT45284.2019.8962758

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] Deep Learning Based 3-Dimensional Liver Motion Estimation Using 2-Dimensional Ultrasound Images2019

    • 著者名/発表者名
      Tsubasa Imaizumi, Ryosuke Kondo, Kenta Kusahara, Yu Nishiyama, Hiroyuki Tsukihara, Naoki Matsumoto, Kazushi Numata, Norihiro Koizumi
    • 学会等名
      2019 IEEE International Conference on Cyborg and Bionic Systems (CBS 2019)
    • 国際学会
  • [学会発表] Lesion Tracking Method Using CNN in Non-Invasive Ultrasound Diagnostic Treatment Integrated System2019

    • 著者名/発表者名
      Riki Igarashi, Kyohei Tomita, Yu Nishiyama, Yuka Shigenari, Norihiro Koizumi
    • 学会等名
      2019 IEEE International Conference on Cyborg and Bionic Systems (CBS 2019)
    • 国際学会
  • [学会発表] Development of Bed-Type Ultrasound Diagnosis and Therapeutic Robot2019

    • 著者名/発表者名
      Kento Kobayashi, Yudai Sasaki, Fumio Eura, Ryosuke Kondo, Kyohei Tomita, Takahiro Kobayashi, Yusuke Watanabe, Akihide Otsuka, Hiroyuki Tsukihara, Naoki Matsumoto, Kazushi Numata, Hidetoshi Nagaoka, Toshiyuki Iwai, Hideyuki Iijima, Yu Nishiyama, Norihiro Koizumi
    • 学会等名
      2019 IEEE International Conference on Cyborg and Bionic Systems (CBS 2019)
    • 国際学会
  • [学会発表] Matching axial images of magnetic resonance imaging and transrectal ultrasound based on deep learning2019

    • 著者名/発表者名
      Riki Igarashi, Norihiro Koizumi, Yu Nishiyama, Kyohei Tomita, Yuka Shigenari, Sunao Shoji
    • 学会等名
      33rd International Congress and Exhibition on computer assisted radiology and surgery (CARS 2019)
    • 国際学会
  • [学会発表] Segmentation of liver parenchyma in ultrasound images for automatic diagnosis of liver cirrhosis2019

    • 著者名/発表者名
      Tsubasa Imaizumi, Norihiro Koizumi, Yu Nishiyama, Naoki Matsumoto, Masahiro Ogawa
    • 学会等名
      33rd International Congress and Exhibition on computer assisted radiology and surgery (CARS 2019)
    • 国際学会
  • [備考] 電気通信大学 小泉憲裕研究室

    • URL

      http://www.medigit.mi.uec.ac.jp

  • [備考] 小泉憲裕の研究ブログ

    • URL

      http://blog2009nkoizumi.japanprize.jp

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公開日: 2021-01-27  

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