共同研究・競争的資金等の研究 - 松野 隆幸
-
超高齢社会における低侵襲治療の実現に向けた岡山発の革新的医療用ロボット：基盤技術の発展
2024年06月 - 2025年02月
岡山県産業振興課 特別電源所在県科学技術振興事業 ものづくり産業の高度化・新産業の創出につながる基盤技術研究
亀川 哲志, 松野, 隆幸, 中澤篤志, 松宮潔, 松井裕輔
担当区分：研究分担者
-
CT透視下穿刺ロボットの自動化を促進する針穿刺精度向上および体動への対応
研究課題/領域番号：23K03758 2023年04月 - 2026年03月
日本学術振興会 科学研究費助成事業 基盤研究(C)
松野 隆幸
配分額：4680000円 （ 直接経費：3600000円 、 間接経費：1080000円 ）
-
岡山発の革新的医療用針穿刺ロボットの開発：IVRロボットの適用対象を拡張する機能開発
2022年06月 - 2023年02月
文部科学省 特別電源所在県科学技術振興事業 医療・福祉・健康分野
松野 隆幸，亀川 哲志, 諸岡 健一, 平木隆夫
担当区分：研究代表者 資金種別：競争的資金
配分額：8300000円 （ 間接経費：754545円 ）
-
ロボットを用いた画像ガイド下骨穿刺の実現：自動穿刺アルゴリズムの構築
研究課題/領域番号：22H03028 2022年04月 - 2025年03月
日本学術振興会 科学研究費助成事業 基盤研究(B)
平木 隆夫, 馬越 紀行, 櫻井 淳, 松宮 潔, 松野 隆幸, 松井 裕輔, 亀川 哲志, 松浦 龍太郎
配分額：17030000円 （ 直接経費：13100000円 、 間接経費：3930000円 ）
本研究の目的である「ロボットを用いた画像ガイド下骨穿刺における力センシングに基づく骨の自動穿刺アルゴリズム」を構築するために、おかやまメディカルイノベーションセンターにて生体ブタを用いた動物実験にて行った。既存の針穿刺ロボット（Zerobot）に骨穿刺用アームを取り付けて、さらにアーム先端に骨生検針を取り付けて、ブタの腸骨、脊椎、大腿骨に対してCTガイド下には穿刺試験を繰り返した。穿刺試験においては、規定の穿刺速度および針の軸周り回転速度で、また３種類の力制御アルゴリズムを用いて穿刺を行った。力制御アルゴリズムとは、ロボットアーム先端に取り付けた力センサの値が規定の値に達すると、ロボット制御機構が働き、針先にかかる力および穿刺速度を調整するものである。穿刺中のCT画像にて骨内へ針先を刺入できるかどうか、また事前に設定した標的に精確に穿刺できるかどうかを確認した。
同一骨であれば、力制御の値を大きく設定するほど、穿刺に要する時間は短くなった。また、同一の力制御アルゴリズムであれば、腸骨、脊椎、大腿骨の順で穿刺時間は短かった。この結果は主に骨の硬さを反映しているものと考えられ、硬い骨ほど力制御が早く作動し、穿刺に時間を要するものと思われた。さらに大腿骨は非常に硬く、力制御を低い値に設定すると穿刺を完遂することはできないことがあり、高い値に設定する必要があることが分かった。ただ、力制御の値があまりに高いと、穿刺はできるものの、針先が標的からずれる現象が生じ、精確な穿刺は困難であった。腸骨や脊椎においては、力制御の値により穿刺に要する時間に差はあったが、いずれのアルゴリズムにおいても精確な穿刺が可能であった。 -
岡山発の革新的医療用針穿刺ロボットの開発：次世代ロボットのための基盤技術の開発
2021年06月 - 2022年02月
文部科学省 特別電源所在県科学技術振興事業 医療・福祉・健康分野
亀川 哲志, 諸岡 健一, 松野 隆幸, 平木隆夫
担当区分：研究分担者
-
岡山発の革新的医療用針穿刺ロボットの開発：手技計画の簡便化と安全機能の強化
2020年06月 - 2021年02月
文部科学省 特別電源所在県科学技術振興事業
松野隆幸, 亀川哲志, 平木隆夫
担当区分：研究代表者
-
岡山発の革新的医療用針穿刺ロボットの開発：治験のための新たな安全機構およびインタ フェースの開発
2019年06月 - 2020年02月
亀川哲志, 松野隆幸, 平木隆夫
担当区分：研究分担者
-
CT透視下IVR用針穿刺ロボットにおける半自動穿刺システムの開発
研究課題/領域番号：19K08174 2019年04月 - 2022年03月
日本学術振興会 科学研究費助成事業 基盤研究(C) 基盤研究(C)
小牧 稔幸, 平木 隆夫, 亀川 哲志, 松野 隆幸, 金澤 右, 櫻井 淳, 松井 裕輔
配分額：4290000円 （ 直接経費：3300000円 、 間接経費：990000円 ）
我々はCT透視ガイド下針穿刺ロボットを研究開発している。本ロボットはこれまで、術者がコントローラを操作してロボットの動きをすべて遠隔操作していた。術者による遠隔操作では、精度良く標的に穿刺できることをファントム試験、動物試験など非臨床試験で実証した。2018年度にはFirst-in-human臨床試験を実施し、本ロボットは臨床での使用も可能であることを確認した。
我々はロボットを段階的に自動化することを目指している。これまでの研究により、医師が用手で針穿刺を行う際にどのように軌道修正を行っているのかについてのデータ解析を行い、適切なフィードバックを実施するための指針を得た。また、ロボットを用いた穿刺手技のうち、針先を刺入点へと移動させるターゲティング行程、および狙った標的へ向け針を挿入する穿刺行程において、一部を自動化する半自動化穿刺システムを開発した。
半自動化のシステムでは、 CT 画像上の腫瘍、刺入点、および針先位置の認識とポインティング操作や、ロボットを動作させるタイミングを送る操作は術者の判断により行う。一方で、刺入点へ針先を移動させる制御や、標的の方向に対する現在の針先方向のずれの算出、ずれを補正するための針姿勢修正動作ならびに穿刺動作、これらに伴う逆運動学計算は、ロボット内部の計算機および操作インタフェースのソフトウェアとして実装されている。
開発したシステムの有効性や妥当性は、岡山大学病院のIVRセンターにてファントム実験を実施することで検証している。 -
遠隔操作型針穿刺ロボットを用いたCT透視ガイド下生検の臨床試験（FIH試験）
研究課題/領域番号：18K07677 2018年04月 - 2021年03月
日本学術振興会 科学研究費助成事業 基盤研究(C) 基盤研究(C)
平木 隆夫, 金澤 右, 櫻井 淳, 小牧 稔幸, 松野 隆幸, 松井 裕輔, 亀川 哲志
配分額：4420000円 （ 直接経費：3400000円 、 間接経費：1020000円 ）
本研究の目的は、我々が開発したCTガイド下IVR用針穿刺ロボット（Zerobot）を用いたCT透視ガイド下生検の臨床試験（First-in-Human試験）を実施することである。まず、試験を特定臨床研究としてjRCTに登録し（登録番号：jRCTs0621800)、その後、昨年度上旬に臨床試験を開始し、昨年度中に予定症例数10例（女性4例、男性6例；平均年齢72歳）の試験プロトコル手技を実施した。10例の病変の内訳は、腎腫瘍4例、肺腫瘍3例、副腎腫瘍1例、縦隔腫瘍1例、筋腫瘍1例であった。全例でZerobotを用いた生検導入針穿刺は実行可能であった。Zerobotの不具合はみられなかった。有害事象は8例で計11個生じた（グレードIIIa 1個、グレードI10個）。よって、Zerobotを用いた生検導入針穿刺は、人における様々な部位で安全に実行可能であることが示された。
今年度は、臨床試験の成果発表を主に行った。まず4月には横浜で開催された第78回日本医学放射線学会にて発表を行い、Gold medalを受賞した。次に欧州放射線学会の機関誌であるEuropean Radiologyに論文として発表を行った。それ以外にも多くの研究会や展示会等で本臨床試験の結果を講演内で発表してした。また、jRCTには本年1月付で終了届書を提出し、3月には実施医療機関の長である病院長に終了の報告を行った。 -
ロボットマニピュレータによる柔軟物体ハンドリングを実現する形状抽象化と操作計画法
研究課題/領域番号：18K04051 2018年04月 - 2021年03月
日本学術振興会 科学研究費助成事業 基盤研究(C) 基盤研究(C)
松野 隆幸
配分額：4290000円 （ 直接経費：3300000円 、 間接経費：990000円 ）
我々の身の回りに存在するひもや布，紙といった物体は柔らかく形状が一定に定まりにくいため不定形物体とも呼ばれる．近年，この不定形物体をロボットで操作する需要が増大している．例えば生産ラインでは産業用ロボットによって多くの作業が自動化されているが，柔軟なケーブルの配線作業やバラ積みされた部品のピックアップ等は現在も手作業で行なわれている．少子高齢化に伴う労働力の減少が危惧されている日本の生産現場ではこうした作業の自動化が求められている．人間の生活空間には食品や衣服，紙などの柔軟物が数多く存在するが，ロボットによるこれらの自在な把持操作が可能になれば，近い将来家庭用ロボットが普及するかもしれない．このようにロボットによる不定形物体の操作が実現されれば我々の生活はより豊かで便利になると期待される．しかし不定形物体の自在なマニピュレーションは困難である．その大きな要因は不定形物体の形状が様々に変化する事にあり，ティーチングプレイバック等による画一的な動作では操作することができない．そこで本研究グループでは不定形物体であるひもに着目し，ひもの結びや解きといった形状操作をロボットで実現することを目標として研究を行った．
マニピュレータを用いたひも解き操作実験に成功した．本年度の研究では操作の成功率向上のために，目標形状におけるひものセグメント長の比率を考慮したロボット操作軌道の生成法を提案した．目標形状の形状抽象化データ及び計画された操作群をもとに一回操作後の形状におけるセグメント長の比率を算出しロボットの操作軌道を生成する．本年度はスカラ型双腕マニピュレータロボットにおけるひも操作の基本機能を確認した． -
CTガイド下針穿刺ロボットを用いた3次元穿刺技術の開発
研究課題/領域番号：17K10439 2017年04月 - 2021年03月
日本学術振興会 科学研究費助成事業 基盤研究(C) 基盤研究(C)
櫻井 淳, 平木 隆夫, 亀川 哲志, 松野 隆幸, 金澤 右, 松井 裕輔, 小牧 稔幸
配分額：4550000円 （ 直接経費：3500000円 、 間接経費：1050000円 ）
2019年度には、岡山大学で開発したCT透視ガイド下穿刺ロボット（Zerobot）によって高精度な３次元穿刺が可能であることを証明した非臨床ファントム試験、動物試験の結果の解析と論文投稿を行った。研究結果の概略としては、ファントム試験において、平均の穿刺誤差角度はロボットにおいてXY平面上で0.4度、YZ平面上で0.6度、穿刺補助装置を用いた用手法においてXY平面上で3.7度、YZ平面上で0.6度であり、ロボットの方がより高精度であった。動物試験において、平均の穿刺誤差距離は穿刺中の針軸調整を加えた群で2.5mm、調整を加えない群で5.0mmであり、調整を加えない群でも高精度な結果が得られ、さらに調整を加えることで精度は向上した。本研究論文はEuropean Radiology誌に掲載された。
上記、非臨床試験の結果をうけて、さらにシステムの改良、開発を進めた。高精度ターゲティングに関して開発した、ロボットの構造的なパラメータを補正するキャリブレーションの手法を用いた運動学パラメータの補正、CTガントリー平面に対するロボット設置の垂直度を取得し補正する手法、CT画像の針姿勢情報を基にロボットの初期関節角度を補正するアルゴルリズムなどの調整、改良を行った。さらに、穿刺中に生じた針のズレ修正のために開発した方法論（特許出願済み）に関しても、システム面での改良を進めた。
すでに非臨床試験で十分に高精度な穿刺精度を実現できることが示されたが、ロボット自体の機能改良などに合わせて、三次元穿刺に関わるシステムの修正や改良も合わせて実施した。 -
複眼動画像立体視認識による自律型水中ロボットの誘導嵌合制御の確立と実海域実証実験
研究課題/領域番号：16K06183 2016年04月 - 2019年03月
日本学術振興会 科学研究費助成事業 基盤研究(C) 基盤研究(C)
見浪 護, 松野 隆幸, 矢納 陽
配分額：4810000円 （ 直接経費：3700000円 、 間接経費：1110000円 ）
ROVを用いてプールや瀬戸内海牛窓の実海域での連続勘合実験を行い,(1)海水濁度レベルが低い(5FTU以下),(2)昼間の光環境,(3)海流方向に対し模擬充電ステーションの嵌合穴方向の平行を維持,が満足されれば最大90回程度(約１時間)の連続嵌合(嵌合ストローク600mm)が可能であることを実証した.さらに嵌合穴とROVの相対位置・姿勢を測定する3次元マーカーを発光型に改良し,(a)濁度レベルが12FTU程度,(b)深夜の光環境,という深海模擬環境において連続勘合が可能であることを実証した。
-
パラレルリンク機構の力学特性解析とマニピュレータ用新型エンドエフェクタへの応用
研究課題/領域番号：26820088 2014年04月 - 2017年03月
日本学術振興会 科学研究費助成事業 若手研究(B) 若手研究(B)
松野 隆幸, 渡部 知俊
配分額：2080000円 （ 直接経費：1600000円 、 間接経費：480000円 ）
小型部品同士の接触を伴う組立作業をロボットで実現する，新しい機構のエンドエフェクタを開発することが本研究の目的である．小型部品の組立作業は現在向上において自動化は重要である．そこで，デルタ型パラレルリンク機構を利用したエンドエフェクタを開発することを目的として，機能を実現するエンドエフェクタの形状と運動学，ヤコビアンの情報を基にパラレルリンク機構のリンク長に関する考察をおこなった．
-
研究課題/領域番号：25461882 2013年04月 - 2016年03月
日本学術振興会 科学研究費助成事業 基盤研究(C) 基盤研究(C)
平木 隆夫, 郷原 英夫, 金澤 右, 松野 隆幸, 藤原 寛康, 亀川 哲志
配分額：4940000円 （ 直接経費：3800000円 、 間接経費：1140000円 ）
平成25年度には、ロボットプロトタイプが完成し、ファントムを使った穿刺実験を施行した。コントローラーを用いた遠隔操作にて、術者被曝なしにファントム内の約2cm大の標的に対する穿刺に成功した。H26～27年度は、ロボットシステムの改善を行った。平成26年度には剛性不十分による動作のがたつき、穿刺力・穿刺スピードの向上、CTガントリ内をモニタするカメラの画像精度不足、ロボットを操作するインターフェイスの感度不足、術者への力覚提示などにおいて改善を行い、H27年度には、ロボットの針を把持する部分（手先部分）の小型・軽量化、針の取り付け・取り外し機構の簡略化を行った。
-
無鉛圧電セラミックスを用いたスマートアクチュエーターとその応用
研究課題/領域番号：17040018 2005年 - 2006年
日本学術振興会 科学研究費助成事業 特定領域研究 特定領域研究
福田 敏男, 松野 隆幸, 加藤 一実
配分額：11600000円 （ 直接経費：11600000円 ）
圧電アクチュエータは,小型,高出力,高精度,高応答性を有するため,自動車,家電製品,マイクロ・ナノデバイス等の様々な部品へ応用されている.しかしながら,既存の圧電アクチュエータでは,小型,低コスト,かつ変位と力を両立したアクチュエータは実現困難であった.我々は,2枚のバイモルフ型圧電素子を両端支持で組み合わせ,それらを積層することにより,これらの要件を満たす新たな積層圧電アクチュエータを開発し,TAMPA(Tailor-made Multilayer Piezoelectric Actuator)と名付けた.本年度は,前年度に引き続きTAMPAの改良を行い,特に,現在問題となっている圧電セラミックス(PZT)中の鉛による環境問題に取り組むため,無鉛圧電セラミックスを用いたTAMPAの無鉛化アクチュエータを作製し,動作・特性と解析を実験的に確認した.さらに,作製したTAMPAをマイクロデバイスへ応用を試みた.本年度の成果として,下記の通り,積層圧電アクチュエータのデバイス応用および積層圧電アクチュエータの無鉛化としてまとめる.
・積層圧電アクチュエータのデバイス応用
本アクチュエータは,小型,低コスト,かつ変位と力を両立したアクチュエータであるので,マイクロバルブやマイクロステージ等の様々なデバイスへ応用可能である.今年度は,マイクロバルブへの応用を行い,マイクロチャネル内のマイクロ二層流の混合用デバイスとして応用を試みた結果,マイクロ二層流の混合及びマイクロチャネル内の濃度勾配の生成に成功した.
・積層圧電アクチュエータの無鉛化
圧電セラミックス(PZT)中の鉛が環境問題となっているので,無鉛圧電セラミックスの調査を行った.実際に,無鉛圧電セラミックス((K,Na)(Nb,Ta)O_3)を用いてアクチュエータを作製し,特性評価・解析を行った.(776字) -
不定形物体マニピュレーションのためのマルチモデルを用いた異常検出に関する研究
研究課題/領域番号：17760203 2005年 - 2006年
日本学術振興会 科学研究費助成事業 若手研究(B) 若手研究(B)
松野 隆幸
配分額：1900000円 （ 直接経費：1900000円 ）
人間が身の回りに所有する変形の大きい定まった形を持たない不定形物体は紙,布,ロープなど数限りない.その不定形物体をロボットで自由に操る要求は大きい.しかし,ロボットでこれらの不定形物体を自在に操るのは容易ではない.その理由として変形と応力の関係にヒステリシスが含まれ正確なモデル化が困難であることが挙げられる.ゆえに不定形物体の操作を誤る可能性は否定できない.それゆえ不定形物体の操作にはエラーリカバリ動作が必要となる.まず,複雑な形状に変形するロープをハンドリングするために,ロープの形状をトポロジカルなモデルを用いて記述する方法を提案し,ブラケット多項式およびジョーンズ多項式の2つの結び目不変量を組み合わせて利用することにより,ロープの構造を判別するアルゴリズムを提案した.また,トポロジカルなモデルを取得するために必要な,交点付近の輝度分布の不偏分散を用いて交点におけるロープの重なりの上下判別を行うアルゴリズムを提案し,その有効性を確認した.次に柔軟物体がマニピュレータによって与えられる外力や加速度によってどのような変形を起こすかという予測を実現するために挙動を再現するための線状柔軟物体のシミュレーションプログラムを作成した.これはワイヤーやロープのような線状の物体を小さい要素同士がバネで結合していると仮定し,それぞれの要素間で変形による反力と外力が釣り合う形状になることを計算したものである.重力や移動に伴う加速度によってどのように変形するかを再現できた.