早稲田大学大学院 先進理工学研究科
博 士 論 文 概 要
論 文 題 目
頸部血流計測用ロボットシステム に関する研究
Study on a Robotic Carotid Blood Flow Measurement System
申 請 者
中楯 龍
Ryu NAKADATE
生命理工学専攻 バイオ・ロボティクス研究
2011 年 11 月
No.1
本 論 文 で は ，医 用 超 音 波 診 断 の 一 つ で あ る Wave Intensity の 計 測 精 度 を 向 上 さ せ ，計 測 に 要 す る 時 間 を 短 縮 す る た め の ロ ボ ッ ト シ ス テ ム の 構 築 に つ い て 論 じ た ．
超 音 波 診 断 は ， 他 の 医 用 画 像 検 査 様 式 と 比 べ ， 低 浸 襲 ， 低 コ ス ト に よ る 簡 便 さ の メ リ ッ ト が あ る 一 方 ， プ ロ ー ブ と 呼 ば れ る 超 音 波 送 受 信 機 を 検 査 技 師 が 手 に 持 ち ， 検 査 部 位 に ピ ン ポ イ ン ト で 当 て る 必 要 が あ る こ と に 起 因 す る デ メ リ ッ ト が 存 在 す る ． こ れ ら の デ メ リ ッ ト は ， 以 下 の よ う に ， ロ ボ ッ ト に プ ロ ー ブ を 把 持 さ せ る こ と に 加 え て ，プ ロ ー ブ 操 作 を 自 動 化 す る こ と が 効 果 的 な 解 決 手 段 と な り う る ．
第 一 に ， 検 査 部 位 の 決 定 が 検 査 者 に 委 ね ら れ て い る た め ， 再 現 性 を 保 証 す る 手 段 が 無 い ． ロ ボ ッ ト が 自 動 的 に 検 査 部 位 を 決 定 す れ ば 計 測 再 現 性 の 向 上 が 期 待 さ れ る ． 第 二 に ，1 日 に 多 数 の 患 者 を 診 断 す る 超 音 波 検 査 は 検 査 技 師 の 身 体 的 負 担 を 強 い る も の で あ る が ， ロ ボ ッ ト が 人 に 代 わ っ て プ ロ ー ブ の 操 作 を 行 う こ と で ， こ の 負 担 を 軽 減 す る こ と が 期 待 さ れ る ． 第 三 に ， 一 部 の 超 音 波 診 断 手 法 で は 数 十 秒 か ら 数 分 間 ， 同 一 断 面 を 観 察 す る 手 技 が 求 め ら れ る が ， プ ロ ー ブ を 持 つ 検 査 者 の 手 や 患 者 の 動 き に よ り 観 察 位 置 が ず れ て し ま う こ と が あ る ． ロ ボ ッ ト が こ の ず れ を 自 動 的 に 補 正 す る 機 能 を 持 た せ る こ と に よ り 改 善 が 見 込 ま れ る ． 第 四 に ， 所 望 の 画 像 を 得 る た め に は 熟 練 し た プ ロ ー ブ 操 作 技 術 が 必 要 で あ り ， 非 熟 練 者 に よ る 検 査 は 計 測 精 度 の 低 下 と 計 測 時 間 の 長 大 化 を 招 く が ， 熟 練 者 の 技 術 を ロ ボ ッ ト の 動 作 に 移 植 す る こ と で ， 非 熟 練 者 で も 熟 練 者 と 同 様 の 検 査 が で き る こ と が 期 待 さ れ る ． 第 五 に ， 無 医 村 な ど 熟 練 技 師 の 不 在 地 域 に お い て 診 療 サ ー ビ ス を 提 供 す る た め に ， ロ ボ ッ ト に プ ロ ー ブ を 把 持 さ せ た マ ス タ ス レ ー ブ 式 の 遠 隔 診 断 の 研 究 が ， 過 去 多 数 行 わ れ て い る が ， そ こ で は 通 信 遅 延 な ど に よ る 操 作 感 の 劣 化 を 克 服 す る こ と が 主 な 課 題 と さ れ て い る ． そ の 解 決 手 段 と し て ， 遠 隔 操 縦 に よ る 診 断 の 一 部 ま た は 全 部 を 自 動 化 す る こ と は 有 効 で あ る と 考 え ら れ る ．
こ の よ う に ， ロ ボ ッ ト に よ る 超 音 波 診 断 の 自 動 化 に は 様 々 な メ リ ッ ト が あ る ． し か し な が ら ， ロ ボ ッ ト で 超 音 波 診 断 を 行 う 研 究 は ， 前 述 の マ ス タ ス レ ー ブ 式 の ロ ボ ッ ト で の 遠 隔 診 断 を 目 的 と す る も の が 多 く ， 画 像 を 認 識 し な が ら 検 査 部 位 を 能 動 的 に 探 し に 行 く 手 法 を 開 発 し 生 体 に 適 用 し た 例 は こ れ ま で に 無 い ． 超 音 波 画 像 は 不 鮮 明 で ノ イ ズ が 多 く 含 ま れ る た め ， 一 般 的 な 画 像 処 理 の 技 術 を そ の ま ま 適 用 す る こ と が 難 し く ， 生 体 組 織 の 認 識 が 困 難 で あ る こ と が そ の 理 由 と し て 挙 げ ら れ る ． 本 研 究 で は ， 対 象 臓 器 で あ る 血 管 の 解 剖 学 的 な 特 徴 に 基 づ く 画 像 認 識 ア ル ゴ リ ズ ム を 構 築 し ， リ ア ル タ イ ム で 頸 動 脈 お よ び そ の 内 膜 組 織 を 検 出 す る こ と に よ り ， ロ ボ ッ ト に よ る 頸 動 脈 上 へ の プ ロ ー ブ の 自 動 位 置 決 め を 実 現 し た ． さ ら に 2 次 元 断 面 で あ る 超 音 波 画 像 情 報 を 用 い た 3 次 元 方 向 へ の 追 従 ア ル ゴ リ ズ ム を 提 案 し ， 世 界 で 初 め て 生 体 へ の 適 用 可 能 性 を 示 し た ． こ れ ら の 要 素 技 術 は ， 本 研 究 の 目 的 以 外 に も 様 々 な 応 用 が 期 待 さ れ る も の で あ る ．
超 音 波 診 断 の 様 々 な 検 査 様 式 の 中 で ， 本 論 文 で は 頸 動 脈 に お け る Wave
No.2
Intensity の 計 測 を 対 象 と す る ．Wave Intensity は 動 脈 硬 化 な ど の 循 環 器 系 疾 患 を 早 期 に 発 見 す る こ と が 期 待 さ れ て い る 指 標 で あ り ， 超 音 波 診 断 装 置 で 頸 動 脈 の 径 と 血 流 速 の 連 続 デ ー タ 約 10 秒 程 度 計 測 し ， そ れ ぞ れ の 時 間 微 分 の 積 を 取 る こ と で 算 出 さ れ る ． こ れ に よ り ， 心 臓 と 血 管 を 一 つ の シ ス テ ム と し て 分 析 が で き る 様 々 な 指 標 が 得 ら れ る ． こ の 計 測 に は 非 常 に 狭 い 計 測 点 へ プ ロ ー ブ を 一 定 時 間 当 て 続 け る 必 要 が あ り ， 検 査 者 の 手 や 患 者 の 動 き ， さ ら に 拍 動 に よ る 血 管 の 動 き が 計 測 精 度 を 低 下 さ せ る ． そ れ ゆ え 検 査 者 に は 集 中 力 が 要 求 さ れ ， 計 測 時 間 も 長 い た め ， 身 体 的 ， 精 神 的 な 負 担 が 多 い ． ま た ， 超 音 波 診 断 装 置 上 で の 設 定 項 目 が 多 く ， 非 熟 練 者 が プ ロ ー ブ の 位 置 決 め に 集 中 す る と 設 定 ミ ス が 発 生 し 易 い ． ま た ， 現 在 Wave Intensity 計 測 の 熟 練 者 数 は 限 定 的 で あ る ． こ の よ う に ， Wave Intensity 計 測 に は ロ ボ ッ ト に よ る プ ロ ー ブ 把 持 と そ の 自 動 化 が 有 効 な 前 述 の 5 点 が そ の ま ま 当 て は ま る ．
本 研 究 の 目 的 は ，Wave Intensity の 計 測 精 度 を 改 善 し ， 検 査 者 負 担 を 軽 減 す る た め の シ ス テ ム を 構 築 す る こ と で あ る ．ま ず Wave Intensity 計 測 誤 差 の 発 生 要 因 を 網 羅 的 に 検 討 し た ． 血 管 を 円 筒 と 仮 定 し ， プ ロ ー ブ の 位 置 ， 角 度 等 の ず れ 量 ， 血 管 の 心 拍 に 伴 う 各 方 向 へ の 移 動 速 度 等 ， 考 え う る 誤 差 要 因 を 全 て リ ス ト ア ッ プ し ，そ れ ら が Wave Intensity の 計 測 誤 差 に 与 え る 影 響 度 を 幾 何 学 的 な モ デ リ ン グ に よ り 定 量 的 に 明 ら か に し ， 予 備 実 験 に て そ の モ デ ル を 追 認 し た ．
そ の 結 果 得 ら れ た 知 見 に 基 づ き ， ロ ボ ッ ト に 必 要 な 機 能 を 実 装 し た ． 具 体 的 に は ， 超 音 波 ビ ー ム と 頸 動 脈 の な す 角 度 ， お よ び 頸 動 脈 上 の 計 測 点 が 計 測 再 現 性 に 影 響 す る こ と か ら ， 計 測 点 ま で プ ロ ー ブ を 自 動 誘 導 す る 機 能 を 開 発 し た ． 血 管 が 深 い 位 置 に あ る 患 者 の 場 合 は 計 測 ノ イ ズ が 増 大 す る こ と か ら プ ロ ー ブ で 圧 迫 を 加 え る と い う 熟 練 者 の 手 技 を ロ ボ ッ ト に も 実 装 し た ． プ ロ ー ブ を 計 測 点 に 誘 導 後 ， 患 者 の 動 き に よ り 血 管 壁 の 輝 度 が 失 わ れ て し ま う こ と が 計 測 誤 差 に つ な が る こ と か ら ， 患 者 が 動 い て も ， 最 適 な 計 測 点 に プ ロ ー ブ を 自 動 的 に 復 帰 さ せ る 機 能 を 開 発 し た ． こ れ ら 機 能 の 有 効 性 を 評 価 試 験 で 示 し た ．
本 論 文 の 構 成 は 以 下 の 通 り で あ る ．
第 1 章 で は ， 本 研 究 の 背 景 ， 目 的 に つ い て 述 べ た ． 医 療 ロ ボ ッ ト の 先 行 研 究 例 を 挙 げ ， ロ ボ ッ ト の 自 律 性 と 人 間 の 能 力 に 対 す る 付 加 能 力 の 2 軸 で 分 類 す る こ と を 試 み ， そ の 中 で の 本 研 究 の 位 置 づ け と 意 義 を 示 し た ．
第 2 章 で は ，Wave Intensity の 定 義 や そ の 計 測 手 法 の 詳 細 を 説 明 し ，そ の 計 測 の 問 題 点 に つ い て 述 べ た ． 前 述 の と お り ，Wave Intensity 計 測 の 問 題 点 は ， 計 測 誤 差 発 生 に よ る 再 現 性 低 下 と ， 計 測 時 間 の 長 大 化 で あ る ． そ れ ら の 原 因 を 明 ら か に す る た め に ，血 管 円 筒 モ デ ル に よ り ，各 種 誤 差 要 因 が Wa ve Intensity 計 測 値 に 与 え る 理 論 的 誤 差 を 求 め ，実 験 に よ り そ の モ デ ル を 検 証 し た ．こ れ に よ り ，Wave Intensity 計 測 誤 差 ， 計 測 時 間 長 大 化 の 要 因 を 網 羅 的 に 分 析 し 明 ら か に し ， そ れ
No.3
ら を 改 善 す る た め の ロ ボ ッ ト の 要 求 仕 様 を 示 し た ．
第 3 章 で は ，本 研 究 で 使 用 す る ロ ボ ッ ト WTA-2R の ハ ー ド ウ ェ ア に つ い て 述 べ た ． 本 ロ ボ ッ ト は 超 音 波 診 断 装 置 の プ ロ ー ブ を 把 持 し て 微 小 な 位 置 決 め を 行 う こ と を 目 的 に 開 発 さ れ た ． エ ン ド エ フ ェ ク タ に お け る 剛 性 ， 動 作 精 度 を 確 保 す る た め ， マ ニ ピ ュ レ ー タ 部 は 能 動 6 自 由 度 を 直 動 パ ラ レ ル リ ン ク 機 構 で 構 成 さ れ ， そ の 最 適 化 設 計 に は 遺 伝 的 ア ル ゴ リ ズ ム が 用 い ら れ た ． 本 研 究 の 目 的 は こ の ロ ボ ッ ト を 自 動 制 御 で 動 作 さ せ る こ と で あ る が ， 例 外 に 対 応 で き る よ う ，MEMS セ ン サ を 用 い た 6 自 由 度 の 入 力 が 可 能 な コ ン ト ロ ー ラ を 装 備 し ， 遠 隔 操 作 方 式 の 操 作 を 可 能 と し た ． 内 製 の モ ー タ ド ラ イ バ ， 力 セ ン サ に つ い て 触 れ ， 医 療 ロ ボ ッ ト に お い て 特 に 重 要 な 安 全 対 策 に つ い て も 記 し た ． 本 ロ ボ ッ ト を 用 い た 位 置 決 め 精 度 実 験 に お い て ，0.06[mm]の 精 度 を 達 成 し た ．
第 4 章 で は 本 ロ ボ ッ ト に よ る プ ロ ー ブ 位 置 決 め の 自 動 化 に つ い て 述 べ た ．Wave Intensity の 計 測 点 は 超 音 波 画 像 中 の 複 数 の 特 徴 を 用 い て 確 認 さ れ る た め ， そ れ ら の 特 徴 に 応 じ た 個 別 の 画 像 認 識 ア ル ゴ リ ズ ム が 必 要 で あ る ． 具 体 的 に は 頸 動 脈 長 軸 断 面 ， 内 膜 ， 頸 動 脈 の 角 度 等 の 画 像 認 識 ア ル ゴ リ ズ ム を 開 発 し た ． ま た ， 計 測 点 を 探 す た め の プ ロ ー ブ 軌 道 を 設 計 し た ． サ ン プ ル 画 像 51 枚 に 対 し ， 頸 動 脈 の 認 識 率 は 前 壁 93 %， 後 壁 100％ ， 内 膜 長 さ の 自 動 認 識 と 目 視 計 測 の 相 関 計 数 は 前 壁 で 89%， 後 壁 で 93%を 達 成 し た ．
第 5 章 で は ， 患 者 の 動 き に 追 従 す る ア ル ゴ リ ズ ム の 開 発 に つ い て 述 べ た ． 超 音 波 画 像 の 法 線 方 向 へ の 追 従 動 作 を 実 現 す る た め に ， 追 従 直 前 に ロ ボ ッ ト で 頸 部 を ス キ ャ ン す る こ と で 取 得 し た ３D 画 像 デ ー タ 内 で 現 画 像 の マ ッ チ ン グ を 行 う こ と で 現 在 位 置 を 推 定 す る 手 法 を 提 案 し, 実 験 に よ り そ の 有 効 性 と WI 計 測 へ の 適 用 の 限 界 を 示 し た ．
第 6 章 で は ，本 ロ ボ ッ ト シ ス テ ム の 評 価 試 験 を 行 っ た ．1 5 名 の 被 験 者 に 対 す る Wave Intensity 計 測 を ，熟 練 技 師 お よ び 非 熟 練 技 師 が フ リ ー ハ ン ド ，ロ ボ ッ ト（ 遠 隔 操 作 モ ー ド ）， ロ ボ ッ ト （ 自 動 位 置 決 め モ ー ド ） の そ れ ぞ れ で 行 い ， 計 測 誤 差 ， 所 要 時 間 を 比 較 し た ． そ の 結 果 ， 熟 練 技 師 で は ロ ボ ッ ト に よ る 計 測 誤 差 ， 所 要 時 間 の 良 化 は 限 定 的 で あ る 一 方 ， 非 熟 練 技 師 で は 自 動 位 置 決 め モ ー ド を 使 用 し た 時 に 特 に 顕 著 に ロ ボ ッ ト に よ る 計 測 誤 差 ， 所 要 時 間 の 良 化 が 見 ら れ ， 熟 練 技 師 の フ リ ー ハ ン ド と 同 程 度 の 計 測 誤 差 ， 所 要 時 間 が 達 成 さ れ た ． こ れ ら に よ り ， 本 論 文 で 提 案 す る ロ ボ ッ ト の 自 律 化 の 有 用 性 が 示 さ れ た ．
第 7 章 で は 結 論 と し て 以 上 の 研 究 成 果 を 総 括 す る と 共 に ， 本 研 究 の 発 展 性 に つ い て 言 及 し た ．
以 上 よ り ，本 ロ ボ ッ ト シ ス テ ム が Wave Intensity の 計 測 精 度 向 上 お よ び 計 測 時 間 短 縮 に 有 用 で あ る こ と を 示 し た ．
Ｎｏ.1
早稲田大学 博士（工学） 学位申請 研究業績書
氏 名 中楯 龍 印
（２０１１年１０月 現在）
種 類 別 題名 発表・発行掲載誌名 発表・発
行年月
連名者（申請 者含む）
1.論文
○
○
○
頸部血流計測ロボットシステ ムの開発 ― 画像情報を用 いた超音波プローブの自動位 置決め・追従 ―
Development of a
Robotic-Assisted Carotid Blood Flow Measurement System
Out-of-Plane Visual
Servoing Method for Tracking the Carotid Artery with a Robot-Assisted Ultrasound Diagnostic System
Implementation of an Automatic Scanning and Detection Algorithm for the Carotid Artery by an
Assisted-Robotic Measurement System
Development of the Ultrasound Probe Holding Robot WTA-1RII and Implementation of an Automated Scanning Method based on Ultrasound Image Feedback
日本ロボット学会誌 Vol.29, No.7, pp. 626-633
Mechanism and Machine Theory, Vol. 46, No. 8, pp. 1066– 1083
Proceedings of the 2011 IEEE/RSJ International Conference on Robotics and Automation (ICRA2011), pp.
5267-5272
Proceedings of the 2010 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems
(IROS2010), pp. 313-318
Proceedings of the 18th CISM-IFToMM Symposium on Robot Design, Dynamics, and Control (RoManSy2010), pp.
359-366
2011 年 9月
2011 年 5月
2011 年 5月
2010 年 10月
2010 年 7月
中楯 龍 Jorge Solis 小川 宏治 菅原 基晃 仁木 清美 高西 淳夫
中楯 龍 松永 宣樹 Jorge Solis 高西 淳夫 皆川 栄一 菅原 基晃 仁木 清美
中楯 龍 Jorge Solis 高西 淳夫 皆川 栄一 菅原 基晃 仁木 清美
中楯 龍 Jorge Solis 高西 淳夫 皆川 栄一 菅原 基晃 仁木 清美 斎藤 明子
中楯 龍 Jorge Solis 高西 淳夫 菅原 基晃 仁木 清美 皆川 栄一
Ｎｏ.2
早稲田大学 博士（工学） 学位申請 研究業績書
種 類 別 題名 発表・発行掲載誌名 発表・発
行年月
連名者（申請 者含む）
論文の続き
2. 講演
Workspace analysis and design improvement of a carotid flow measurement system
Development of
Assisted-Robotic System Designed to Measure the Wave Intensity with an Ultrasonic Diagnostic Device
Development of a Robotic Carotid Blood Measurement WTA-1RII:Mechanical Improvement of Gravity Compensation Mechanism and Optimal Link Position of the Parallel Manipulator based on GA
（その他1件）
頸部血流計測ロボットシステ ムWTA-2Rの開発 －臨床応用 のための安全設計－
3Dプリンタと光センサを用い た小型2軸力覚センサの開発
（その他7件）
Proceedings of Part H:
Journal of Engineering in Medicine, vol. 224, no. 11, pp. 1311-1323
Proceedings of the 2009 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems
(IROS2009), pp.510-515
Proceedings of the 2009 IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics (AIM2009), pp.717-722
第29回日本ロボット学会学術 講演会予稿集, 3C1-8
第29回日本ロボット学会学術 講演会予稿集, 3L2-1
2010 年 4月
2009 年 10月
2009 年 7月
2011 年 9月
2011 年 9月
Giuseppe Carbone 中楯 龍 Jorge Solis Marco Ceccarelli 高西 淳夫 皆川 栄一 菅原 基晃 仁木 清美
中楯 龍 宇田寿人 平野博晃 Jorge Solis 高西 淳夫 皆川 栄一 菅原 基晃 仁木 清美
中楯 龍 宇田寿人 平野博晃 Jorge Solis, 高西 淳夫 皆川 栄一 菅原 基晃 仁木 清美
中楯 龍 高西 淳夫 小川 宏治 菅原 基晃 仁木 清美
中楯 龍 高西 淳夫 小川 宏治 菅原 基晃 仁木 清美
Ｎｏ.3
早稲田大学 博士（工学） 学位申請 研究業績書
種 類 別 題名 発表・発行掲載誌名 発表・発
行年月
連名者（申請 者含む）
3.その他
（賞）
（特許）
（著書）
（論文）
（講演）
Finalist for Best Student Paper Award
超音波診断システム，超音波 診断装置用ロボット，及びプ ログラム
（その他2件）
ロボット工学テキスト 第1章8節 ”超音波診断装置 補助ロボットシステム
WTA-2”，第7章 ”シミュレー ション”担当
Development of Robot
Assisted Measurement System for Abdominal Ultrasound Diagnosis
（その他4件）
超音波診断装置による肝臓領 域の自動走査制御系の構築の 試み
（その他4件）
IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics (AIM2009)
特願2010-198404
株式会社JAPANROBOTECH
Proceedings of the 3rd IEEE/RAS-EMBS International Conference on Biomedical Robotics and Biomechatronics (BioRob 2010), pp. 367-372
第29回日本ロボット学会学術 講演会予稿集, 3C1-7
2009 年 7月
2010 年 9月
2011 年 1月
2010 年 9月
2011 年 9月
中楯 龍 宇田 寿人 平野 博晃 Jorge Solis 高西 淳夫 皆川 栄一 菅原 基晃 仁木 清美
高西 淳夫 中楯 龍 大信田 克哉 松永 宜樹 原田 裂光 小川 宏治
早 稲 田 大 学 高 西 淳 夫 研 究室，計 15 名
中楯 龍 德永 泰明 Jorge Solis 高西 淳夫 皆川 栄一 菅原 基晃 仁木 清美 斎藤 明子
石井 隆史 中楯 龍 小川 宏治 斎藤 明子 菅原 基晃 仁木 清美 高西 淳夫
