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

2020 年度 実施状況報告書

• 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 – 2022-03-31
• 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医学および工学分野の一流国際誌（International Journal of Computer Assisted Radiology and Surgery：IJCARS)への掲載、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）、第９３回および９４回日本超音波医学会奨励賞受賞（JSUM2020、JSUM2021）２件など，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)

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医学および工学分野の一流国際誌（International Journal of Computer Assisted Radiology and Surgery：IJCARS)への掲載、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）、第９３回および９４回日本超音波医学会奨励賞受賞（JSUM2020、JSUM2021）２件などが挙げられ、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) システムの機構・制御の開発、(サブ課題 III) 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)を含めた課題を遂行する計画である。

次年度使用額が生じた理由

新規に得られた知見をもとにさらなるシステム機構・制御・画像処理アルゴリズムの改
良およびこれに関する追加の実験および研究成果発表の必要性が生じたため。

研究成果

• [雑誌論文] Correlation between alterations in blood flow of malignant lymphomas after induction chemotherapies and clinical outcomes: a pilot study utilising contrast-enhanced ultrasonography for early interim evaluation of lymphoma treatment (2021)
  • 著者名/発表者名: Mariko Kumagawa, Naoki Matsumoto, Katsuhiko Miura, Masahiro Ogawa, Hiromichi Takahashi, Yoshihiro Hatta, Ryosuke Kondo, Norihiro Koizumi, Masami Takei, Mitsuhiko Moriyama
  • 雑誌名: Clinical Radiology 巻: 2021 ページ: 1-9
  • DOI: 10.1016/j.crad.2021.02.007
  • 査読あり
• [雑誌論文] The value of hepatobiliary phase in EOB-MRI in predicting hypervascularization outcome of non-hypervascular hypointense lesions in high-risk patients for hepatocellular carcinoma (2021)
  • 著者名/発表者名: Feiqian Wang, Kazushi Numata, Makoto Chuma, Hiromi Nihonmatsu, Satoshi Moriya, Akito Nozaki, Katsuaki Ogushi, Hiroyuki Fukuda, Masahiro Okada, Litao Ruan, Wen Luo, Norihiro Koizumi, Masayuki Nakano, Masako Otani, Yoshiaki Inayama, Shin Maeda
  • 雑誌名: Abdom Radiology 巻: 2021 ページ: 1-13
  • DOI: 10.1007/s00261-020-02881-0
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Estimating 3-dimensional liver motion using deep learning and 2-dimensional ultrasound images (2020)
  • 著者名/発表者名: Shiho Yagasaki, Norihiro Koizumi, Yu Nishiyama, Ryosuke Kondo, Tsubasa Imaizumi, Naoki Matsumoto, Masahiro Ogawa, Kazushi Numata
  • 雑誌名: International Journal of Computer Assisted Radiology and Surgery 巻: 5 ページ: 1989-1995
  • DOI: 10.1007/s11548-020-02265-1
  • 査読あり
• [雑誌論文] CNNを用いた高速な超音波画像上の臓器検出手法の比較・検証 (2020)
  • 著者名/発表者名: 五十嵐 立樹, 冨田 恭平, 西山 悠, 小泉 憲裕
  • 雑誌名: 計測自動制御学会論文集 巻: 56 ページ: 560-569
  • DOI: 10.9746/sicetr.56.560
  • 査読あり
• [学会発表] Estimating 3-dimensional liver motion using deep learning and 2-dimensional ultrasound images (2020)
  • 著者名/発表者名: S. Yagasaki, N. Koizumi, Y. Nishiyama, R. Kondo, T. Imaizumi, N. Matsumoto, M. Ogawa, K. Numata
  • 学会等名: 34th International Congress and Exhibition on computer assisted radiology and surgery (CARS 2020)
  • 国際学会
• [学会発表] Contact state adjustment method to enhance organ motion compensation performance for a bed-type ultrasound diagnostic and therapeutic robot (2020)
  • 著者名/発表者名: K. Kobayashi, N. Koizumi, Y. Sasaki, T. Kobayashi, Y. Watanabe, J. Zhou, A. Otsuka, Y. Nishiyama, H.Tsukihara, N. Matsumoto, H. Miyazaki, K. Numata, H. Nagaoka, T. Iwai, H. Iijima
  • 学会等名: 34th International Congress and Exhibition on computer assisted radiology and surgery (CARS 2020)
  • 国際学会
• [学会発表] Classification of hepatic hemangiomas and blood vessels from ultrasonography by deep learning (2020)
  • 著者名/発表者名: K. Kusahara, N. Koizumi, Y. Nishiyama, T. Imaizumi, R. Saito, S. Yagasaki, N. Matsumoto, M. Ogawa
  • 学会等名: 34th International Congress and Exhibition on computer assisted radiology and surgery (CARS 2020)
  • 国際学会
• [学会発表] Development of Ultrasound Robot for Automatic Acquisition of Ultrasound Images (2020)
  • 著者名/発表者名: Jiayi Zhou, Kento Kobayashi, Yusuke Watanabe, Takumi Fujibayashi, Momoko Matsuyama, Miyu Yamada, Hiroyuki Tsukihara, Yu Nishiyama, Norihiro Koizumi
  • 学会等名: 16th Annual Asian Conference on Computer Aided Surgery (ACCAS2020)
  • 国際学会
• [学会発表] Study on automatic aquisition of diagnostic images by ultrasound diagnostic robot (2020)
  • 著者名/発表者名: Yusuke Watanabe, Norihiro Koizumi, Yudai Sasaki, Kento Kobayashi, Takahiro Kobayashi, Zhou Jiayi, Yu Nishiyama, Hiroyuki Tsukihara, Kazushi Numata, Hideyuki Iijima, Toshiyuki Iwai, Hidetoshi Nagaoka
  • 学会等名: 16th Annual Asian Conference on Computer Aided Surgery (ACCAS2020)
  • 国際学会
• [学会発表] Development of Ultrasound Robot for Automatic Acquisition of Ultrasound Images (2020)
  • 著者名/発表者名: Ryosuke Saito, Norihiro Koizumi, Yu Nishiyama, Tsubasa Imaizumi, Kenta Kusahara, Shiho Yagasaki, Masahiro Ogawa, Naoki Matsumoto, Development of Ultrasound Robot for Automatic Acquisition of Ultrasound Images
  • 学会等名: 16th Annual Asian Conference on Computer Aided Surgery (ACCAS2020)
  • 国際学会
• [学会発表] A contact state adjustment method to enhance organ motion compensation performance for a bed-type ultrasound diagnostic and therapeutic robot (2020)
  • 著者名/発表者名: Kento Kobayashi, Yusuke Watanabe, Jiayi Zhou, Takumi Fujibayashi, Momoko Matsuyama, Miyu Yamada, Hiroyuki Tsukihara Hideyuki Iijima, Norihiro Koizumi
  • 学会等名: 16th Annual Asian Conference on Computer Aided Surgery (ACCAS2020)
  • 国際学会
• [備考] 小泉 憲裕の研究ブログ
  • URL: http://blog2009nkoizumi.japanprize.jp/
• [備考] 電気通信大学 小泉憲裕研究室
  • URL: http://www.medigit.mi.uec.ac.jp/
• [産業財産権] 超音波治療診断方法、プログラムおよび患部追従評価方法 (2021)
  • 発明者名: 小泉憲裕, 大塚研秀, 西山 悠, 月原弘之, ほか３名
  • 権利者名: 小泉憲裕, 大塚研秀, 西山 悠, 月原弘之, ほか３名
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 2021-069893