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2015 年度 実績報告書

GPUの深度画像並列処理機能による肝臓手術ナビゲーションシステムの製作とその評価

研究課題

研究課題/領域番号 26289069
研究機関大阪電気通信大学

研究代表者

登尾 啓史  大阪電気通信大学, 総合情報学部, 教授 (10198616)

研究分担者 小枝 正直  大阪電気通信大学, 総合情報学部, 准教授 (10411232)
大西 克彦  大阪電気通信大学, 総合情報学部, 准教授 (20359855)
海堀 昌樹  関西医科大学, 医学部, 准教授 (30333199)
陳 延偉  立命館大学, 情報理工学部, 教授 (60236841)
權 雅憲  関西医科大学, 医学部, 教授 (70225605)
研究期間 (年度) 2014-04-01 – 2017-03-31
キーワード手術ナビゲーション / GPGPU / 並列処理 / デプスカメラ / Z-buffering
研究実績の概要

本研究の実績概要を項目ごとに述べる。
(項目1)の「術前にCT/MRIスキャンしたDICOMから3脈管や癌組織を抽出し、それらをSTL多面体に変換し、仮想肝臓STLと実肝臓の位置・姿勢および形状を医師が手動で合致させる。」を手動で実施した。これを自動で実施することは困難であることが実地で理解されたので、我々は現在、前述の手動ソフトウエアの完成度を高めている。
(項目2)の「実肝臓の挙動を深度カメラでリアルタイム計測し、その深度画像と仮想肝臓STLのzバッファが合致するよう、仮想肝臓STLを平行・回転・変形させる。」は、シミュレーションでの評価よりも実験での評価の方が良好な結果が得られた。
(項目3)の「肝臓表面の形状変化に伴って、肝臓内部の3脈管や癌組織のSTL多面体の頂点のZ座標を更新し、それらの多面体を独立に変形させる。」は、まだ試作の域を超えていないものの、塑性変形および弾性変形に対して、高い追従性が確認できた。
(項目4)の「メス先から3脈管および癌組織までの距離を閾値処理し、それらに過度に接近した場合、色彩・音声・振動で医師の注意を喚起する。」、および(項目5)の「直近のメス動作ベクトル、メス先端と3脈管上および癌組織上の近接2点ベクトル、およびそれらのユークリッド距離を利用することで、次に推奨されるメス動作ベクトルを実時間で医師に提示する。」は容易に実現できそうであることが理解された。
これらより、医師のメスを最適誘導するナビゲーションソフトウエアの有用性評価を開始している。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

(項目2)~(項目5)は順調に成果が出ているが、(項目1)が実用(特に、肝臓表面にオクルージョンが存在する場合)に耐えうるレベルなのかを検証することが必要なこと、(項目2)と(項目3)の平行回転移動と変形が独立ではなく同時進行する場合に対応できていないこと、および肝臓外科手術ナビゲーションシステムの実用化に不可欠な臨床実験の実施に至るまでのハードルである「研究室における豚レバーによる実験」および「豚生体実験」での研究成果確認の進捗が遅れていることから、標記の区分評価を選択しました。

今後の研究の推進方策

研究実績の概要における各項目の状況より、今後は、実際に利用できる肝臓手術ナビゲータを、特に(項目1)と(項目3)の機能を充実させながら製作していく予定である。その際、実世界での実メスと実肝臓の位置や姿勢の連動精度もあわせて確認していきながら、GPUの高速並列計算機能に基づく各要素技術のリアルタイム性と実用性などを高めていく。
また今後は、「研究室における豚レバーによる肝臓外科手術ナビゲーションシステム評価」および「豚生体実験による肝臓外科手術ナビゲーションシステム評価」へと早急にステージを高める予定である。

次年度使用額が生じた理由

平成26年度は、主として設備備品(GPGPU搭載ワークステーション、デプスカメラ、マーカービジョン、その他)のセットアップに時間を費やした。平成27年度は、主として手術ベッドにフレキシブルに装着できる術部計測ロボット・メカニカルシステムの製作、および目的の5項目(初期位置姿勢合わせ、平行・回転移動追従、表面変形追従、内部追従変形、メス動作自動指示)のソフトウエア試作に時間を費やした。これより、実用に耐えうる安定性を持つソフトウエアの外部委託に及んでおらず、それに関係した予算に残金が生じた。

次年度使用額の使用計画

過去2年度で研究室の実験装置がほぼ完成し、目的の5項目(初期位置姿勢合わせ、平行・回転移動追従、表面変形追従、内部追従変形、メス動作自動指示)に関して試作レベルのソフトウエアが開発され、それらにより一定の評価実験ができるようになった。これらにより、どのような安定化ソフトウエアを外部委託すればよいかがほぼ理解できた。
これより、今年度は、できるだけ早く平行・回転移動と表面変形の連動アルゴリズムを設計し、それも含めたナビゲーションのスペックを決定し、その安定化ソフトウエアを外部委託したい。

  • 研究成果

    (21件)

すべて 2016 2015 その他

すべて 雑誌論文 (7件) (うち査読あり 7件、 オープンアクセス 7件、 謝辞記載あり 7件) 学会発表 (11件) (うち国際学会 8件) 備考 (3件)

  • [雑誌論文] Comparison of GPU-based and CPU-based Algorithms for Determining the Minimum Distance between a CUSA Scalper and Blood Vessels2016

    • 著者名/発表者名
      Noborio, H., Kunii, T. and Mizushino, K.
    • 雑誌名

      The SCITEPRESS Digital Library (Science and Technology Publications, Lda)

      巻: 3 ページ: 128-136

    • DOI

      10.5220/0005634801280136

    • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Fast Surgical Algorithm for Cutting with Liver Standard Triangulation Language Format Using Z-Buffers in Graphics Processing Unit2016

    • 著者名/発表者名
      Hiroshi Noborio, Katsuhiko Onishi, Masanao Koeda, Kiminori Mizushino, Takahiro Kunii, Masaki Kaibori, Masanori Kon, Yen-Wei Chen
    • 雑誌名

      Springer Japan

      巻: 1巻 ページ: 127-140

    • DOI

      10.1007/978-4-431-55810-1_11

    • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Experimental Results of 2D Depth-Depth Matching Algorithm Based on Depth Camera Kinect v12015

    • 著者名/発表者名
      Hiroshi Noborio, Kaoru Watanabe, Masahiro Yagi, Yasuhiro Ida, Shigeki Nankaku, Katsuhiko Onishi, Masanao Koeda, Masanori Kon, Kosuke Matsui, Masaki Kaibori
    • 雑誌名

      Journal of Bioinformatics and Neuroscience

      巻: 1巻 ページ: 38-44

    • DOI

      ISSN:2188-8116

    • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Depth Camera Calibration and Knife Tip Position Estimation for Liver Surgery Support System2015

    • 著者名/発表者名
      Masanao Koeda, Akio Tsukushi, Hiroshi Noborio, Katsuhiko Onishi, Kiminori Mizushino, Takahiro Kunii, Kaoru Watanabe, Masaki Kaibori, Kosuke Matsui, Masanori Kon
    • 雑誌名

      Springer International Publishing Switzerland

      巻: 1巻 ページ: 496-502

    • DOI

      10.1007/978-3-319-21380-4_84

    • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Virtual liver surgical simulator by using Z-buffer for object deformation2015

    • 著者名/発表者名
      Katsuhiko Onishi, Hiroshi Noborio, Masanao Koeda, Kaoru Watanabe, Kiminori Mizushino, Takahiro Kunii, Masaki Kaibori, Kosuke Matsui, Masanori Kon
    • 雑誌名

      Springer International Publishing Switzerland

      巻: 1巻 ページ: 345-351

    • DOI

      10.1007/978-3-319-20684-4_34

    • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Parameter Identification of Depth-Depth-Matching Algorithm for Liver Following2015

    • 著者名/発表者名
      Kaoru Watanabe, Masahiro Yagi, Kento Ota, Katsuhiko Onishi, Masanao Koeda, Shigeki Nankaku, Hiroshi Noborio, Masanori Kon, Kousuke Matsui, Masaki Kaibori
    • 雑誌名

      Jurnal Teknologi, Medical Engineering

      巻: 77巻 ページ: 35-39

    • DOI

      10.11113/jt.v77.6224

    • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Image-based Initial Position/Orientation Adjustment System between Real and Virtual Livers2015

    • 著者名/発表者名
      Hiroshi Noborio, Kaoru Watanabe, Masahiro Yagi, Yasuhiro Ida, Katsuhiko Onishi, Masanao Koeda, Shigeki Nankaku, Kousuke Matsui, Masanori Kon, Masaki Kaibori
    • 雑誌名

      Jurnal Teknologi, Medical Engineering

      巻: 77巻 ページ: 41-45

    • DOI

      10.11113/jt.v77.6225

    • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
  • [学会発表] Comparison of GPU-based and CPU-based algorithms for determining the minimum distance between a CUSA scalper and blood vessels2016

    • 著者名/発表者名
      Hiroshi Noborio, Takahiro Kunii, Kiminori Mizushino
    • 学会等名
      9th International Joint Conference on Biomedical Engineering Systems and Technologies - Volume 3: BIOINFORMATICS
    • 発表場所
      Roma Italy
    • 年月日
      2016-02-21 – 2016-02-23
    • 国際学会
  • [学会発表] Knife Tip Position Estimation Using Multiple Markers for Liver Surgery Support2015

    • 著者名/発表者名
      Mayuko Doi, Daiki Yano, Masanao Koeda, Hiroshi Noborio, Katsuhiko Onishi, Masatoshi Kayaki, Kiminori Mizushino, Kosuke Matsui, Masaki Kaibori
    • 学会等名
      6th International Conference on Advanced Mechatronics (ICAM2015)
    • 発表場所
      Nishiwaseda Campus of Waseda University (Tokyo・Shinjuku)
    • 年月日
      2015-12-05 – 2015-12-08
    • 国際学会
  • [学会発表] A New 2D Depth-Depth Matching Algorithm whose Translation and Rotation Freedoms are Separated2015

    • 著者名/発表者名
      Kaoru Watanabe, Masahiro Yagi, Atsuhiro Shintani, Shigeki Nankaku, Katsuhiko Onishi, Masanao Koeda, Hiroshi Noborio, Masanori Kon, Kosuke Matsui, Masaki Kaibori
    • 学会等名
      International Conference on Intelligent Informatics and Biomedical Sciences (ICIIBMS2015), Track 3: Bioinformatics, Medical Imaging and Neuroscience
    • 発表場所
      Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (Okinawa・Onna-son)
    • 年月日
      2015-11-28 – 2015-11-30
    • 国際学会
  • [学会発表] Experimental Results of 2D Depth-Depth Matching Algorithm Based on Depth Camera Kinect v12015

    • 著者名/発表者名
      Hiroshi Noborio, Kaoru Watanabe, Masahiro Yagi, Yasuhiro Ida, Shigeki Nankaku Katsuhiko Onishi, Masanao Koeda, Masanori Kon, Kousuke Matsui, Masaki Kaibori
    • 学会等名
      nternational Conference on Intelligent Informatics and Biomedical Sciences (ICIIBMS2015), Track 3: Bioinformatics, Medical Imaging and Neuroscience
    • 発表場所
      Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (Okinawa・Onna-son)
    • 年月日
      2015-11-28 – 2015-11-30
    • 国際学会
  • [学会発表] 肝臓手術サポートシステムのための複数マーカを有するメス先端位置推定2015

    • 著者名/発表者名
      土井 万由子,矢野 大貴,小枝 正直,登尾 啓史,大西 克彦,榧木 方俊,水篠 公範,海堀 昌樹,松井 康輔,權 雅憲
    • 学会等名
      第24回日本コンピュータ外科学会大会 (JSCAS24)
    • 発表場所
      東京大学本郷キャンパス
    • 年月日
      2015-11-21 – 2015-11-23
  • [学会発表] 平行と回転の自由度を分離探索することにより仮想肝臓が実肝臓を高速追従できるアルゴリズムとその評価2015

    • 著者名/発表者名
      新谷 敦洋,八木 昌宏,小枝 正直,大西 克彦,登尾 啓史,南角 茂樹,渡辺 郁,松井 康輔,權 雅憲,海堀 昌樹
    • 学会等名
      第15回日本VR医学会学術大会
    • 発表場所
      京都大学楽友会館
    • 年月日
      2015-09-12
  • [学会発表] Parameter Identification of Depth-Depth-Matching Algorithm for Liver Following2015

    • 著者名/発表者名
      Kaoru Watanabe, Masahiro Yagi, Kento Ota, Katsuhiko Onishi, Masanao Koeda, Shigeki Nankaku, Hiroshi Noborio, Masanori Kon, Kousuke Matsui, Masaki Kaibori
    • 学会等名
      Medical Engineering Conference 2015
    • 発表場所
      Johor Bahru Malaysia
    • 年月日
      2015-08-22 – 2015-08-23
    • 国際学会
  • [学会発表] Image-based Initial Position/Orientation Adjustment System between Real and Virtual Livers2015

    • 著者名/発表者名
      Hiroshi Noborio, Kaoru Watanabe, Masahiro Yagi, Yasuhiro Ida, Katsuhiko Onishi, Masanao Koeda, Shigeki Nankaku, Kousuke Matsui, Masanori Kon, Masaki Kaibori
    • 学会等名
      Medical Engineering Conference 2015
    • 発表場所
      Johor Bahru Malaysia
    • 年月日
      2015-08-22 – 2015-08-23
    • 国際学会
  • [学会発表] Virtual liver surgical simulator by using Z-buffer for object deformation2015

    • 著者名/発表者名
      K. Onishi, H. Noborio, M. Koeda, K. Watanabe, K. Mizushino, T. Kunii, M. Kaibori, K. Matsui and M. Kon
    • 学会等名
      17th International Conference on Human-Computer Interaction (HCII2015)
    • 発表場所
      Los Angeles, CA, USA
    • 年月日
      2015-08-02 – 2015-08-07
    • 国際学会
  • [学会発表] Depth Camera Calibration and Knife Tip Position Estimation for Liver Surgery Support System2015

    • 著者名/発表者名
      M. Koeda, A. Tsukushi, H. Noborio, K. Onishi, K. Mizushino, T. Kunii, K. Watanabe, M. Kaibori, K. Matsui and M. Kon
    • 学会等名
      17th International Conference on Human-Computer Interaction (HCII2015)
    • 発表場所
      Los Angeles, CA, USA
    • 年月日
      2015-08-02 – 2015-08-07
    • 国際学会
  • [学会発表] 肝臓手術サポートのためのメス先端位置推定2015

    • 著者名/発表者名
      土井 万由子,小枝 正直,筑紫 啓雄,登尾 啓史,大西 克彦,榧木 方俊,水篠 公範,海堀 昌樹,松井 康輔,權 雅憲
    • 学会等名
      日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス講演会2015(ROBOMEC2015)
    • 発表場所
      京都市勧業館「みやこめっせ」
    • 年月日
      2015-05-17 – 2015-05-19
  • [備考] 登尾 啓史

    • URL

      https://research.osakac.ac.jp/index.php?%E7%99%BB%E5%B0%BE%E3%80%80%E5%95%93%E5%8F%B2

  • [備考] 大西 克彦

    • URL

      https://research.osakac.ac.jp/index.php?%E5%A4%A7%E8%A5%BF%E3%80%80%E5%85%8B%E5%BD%A6

  • [備考] 小枝 正直

    • URL

      https://research.osakac.ac.jp/index.php?%E5%B0%8F%E6%9E%9D%E3%80%80%E6%AD%A3%E7%9B%B4

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公開日: 2017-01-06   更新日: 2023-03-16  

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