SOUND

令和４年度研究助成 【サウンド技術振興部門】より人工知能およびロボット技術を援用した
身体にやさしい革新的な超音波がん治療システムの確立
電気通信大学大学院情報理工学研究科
小泉憲裕研究室
准教授

小泉 憲裕

合システムとは、呼吸や拍動等により能動的に１.はじめに運動する患部を抽出・追従・モニタリングしな

本研究の目的は、人工知能およびロボット

がら、超音波を集束させてピンポイントに患部技術を援用した医療技能の技術化・デジタルへ照射することにより、がん組織の治療を患者化により、超音波技術を用いた身体にやさしの皮膚表面を切開することなく非侵襲（非観血）い革新的ながん局在診断・局所治療統合シスかつ低負担で局所的に行なおうとするものであテム（図1）の構築法を確立することである。

る。

本研究で提案するがん局在診断・局所治療統図1

本研究の学術的背景としては、下記の2点ががん局在診断・局所治療統合システム

9SOUND

図2挙げられる。1点めは、人工知能およびロボッ

強力集束超音波治療

ト技術を援用してプロの世界観を含めて人間の熟練した技能を再構築する、言わば“技能のデジタル化”がテクノロジーの発達とともに可能療を実現することが期待されている。
2点めは、強力集束超音波（High Intensityになりつつあることである。
すでに製造業分野では、人間では不可能な高Focused Ultrasound：HIFU）による非侵襲治精度の作業がロボットによって実現されてい療の顕著な発達である。これは、球面型の超音る。高度な技能を要求される医療分野において波振動子を用いて超音波を集束させることによも医療診断・治療ロボットの開発により、熟練り、人の手が直接届かない体内の狭い領域にエした専門医のように人体に対して安全・安心・ネルギーを集中させるというものであり、体表安定的に思いやりをもって動作するとともに、や周囲の正常組織を損傷させることなく患部の人間の能力を超える、高速・高精度な診断・治みを局所的に治療することができる（図2）。

図310

医デジ化

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２.医デジ化

図4

遠隔超音波診断システム

本研究プロジェクトでは、超音波がん局在診断・局所治療統合システムを構築するにあたっより能動的に運動する生体患部をロバストかつて『医デジ化』という、独自のシステム構築論高精度に抽出・追従・モニタリングすると同時に基づいて行なう。著者らの提案する医デジ化に超音波を集束させてピンポイントに患部へ照（Me-DigIT）とは、医療のデジタル化（Medical射することにより、がん組織や結石の治療を体DigITalization）の略称で医療診断・治療にお表を傷つけることなく非侵襲かつ低負担で行なける技能を機能として抽出、分解・再構築（構う超音波診断・治療支援システムの構築法を研造化）し、これを定量的に解析し、さらに関数究してきた。

としてシステムの機構・制御・画像処理アルゴ能動的に運動する生体患部を抽出・追従・モリズム上に実装することで医療支援システムのニタリングしながら、超音波を集束させてピン開発に利用しようとするものである（図3）。

ポイントに患部へ照射するというコンセプトは患者に皮膚切開を加えることなく、ピンポイ申請者らが世界で初めて提案したものであるントで臓器内に埋め込まれ、局所的な広がりをが、これに追随するプロジェクトが近年立ち上もつ患部を局在診断・局所治療することができがってきている。その一つとしてヨーロッパにる強力集束超音波を用いた医療診断・治療技術

おけるFUTURAプロジェクトではロボティクは既存の開腹手術や低侵襲手術の代替としてきスと非侵襲的な超音波モニタリングと治療とをわめて有望であり、近年、多くの研究が報告さ融合した革新的な診断・治療機器開発プロジェれている。

クトを進めている。

このような強力集束超音波を利用した既存のシステムに共通する主要な問題点の一つとして

３.今後の展開

呼吸・拍動等による臓器の運動（変位・変形・患者の生死に関わる主要血管、横隔膜、消化回転）に対する補償が行なわれていないことが管、etc.を損傷しないようモニタリングしながあげられる（図4）。このため例えば、呼吸をら、呼吸等により能動的に変位・変形・回転を制御した状態で治療を行なう必要があり、患者ともなって運動する、臓器内に埋め込まれ、局や医師にとって大きな負担となる。

所的な広がりをもつ患部（腫瘍・結石）を抽出・上記を踏まえて申請者らは、呼吸・拍動等に追従・モニタリングできることが本システムに11SOUND求められている。当該研究を進める中で、申請者らは上記のモニタリングおよび精度を実現するためのアプローチ法として超音波技術・人工知能技術・ロボット技術を基盤とする医療技能

図5

強力集束超音波治療の課題と解決策のデジタル化（医デジ化）のコンセプトを提案してきた。
この、医デジ化という概念は共同研究者の専再現・再構築をも包含した研究計画を策定する。

門医のみならず、他の医学系および工学系研究

本研究の基盤となる先行研究として、著者ら者からもその有用性が指摘され、医デジ化を推によるマスタ・スレーブ方式の遠隔超音波診断進するためのコア技術のさらなる強化の必要性システムの構築法に関する研究があり、2001年が強く期待されている。そこで申請者らは以下に透析肩を対象とする世界初の遠隔超音波臨床の5つを医療技能の技術化・デジタル化のため診断実験を行ない、通常の診断と同等の診断がのコア基盤技術（医デジ化コア基盤技術）と位可能であることを示すなど、ハイインパクトな置づけ、その強化を加速・進展させることで我成果を得てきた（図5）。しかしながら、医師が国の医療インフラをより強固でスマートなもの動作を遠隔地にただ単に伝達するというアプのとする。

ローチのみでは通常診断と同等の診断が限界で（コア技術Ⅰ）
機能に応じた機構設計技術、（コあった。今後さらなる医療の質の向上を図るたア技術Ⅱ）医療診断・治療技能における機能のめには近年、進展が目覚ましい人工知能技術を抽出・構造化技術、（コア技術Ⅲ）患者に対す援用・展開して医療専門家の医療技能をプロのるロボットの安全・安心動作技術、（コア技術世界観まで含めて機能として抽出し、機能の分Ⅳ）診断・治療タスクに応じたシステム動作技解・再構築（構造化）を行ない、システムの機術、（コア技術Ⅴ）リアルタイム医用画像処理

構・制御・画像処理アルゴリズム上で機能の高アルゴリズム技術。

度化を図ることにより、熟練した医療専門家のとりわけ（コア技術Ⅴ）リアルタイム医用画ように人体に対して安全・安心・安定的に思い像処理技術については近年、深層学習をはじめやりをもって動作するとともに人間の能力を超とする機械学習による画像処理の分野で画期的える高速・高精度な診断を行なう医療支援シスなブレークスルーがあった。これを踏まえて今テムの実現が必須であると考えるに至った。

回の研究提案では医療専門家のプロの世界観の12

遠隔超音波診断システムを開発した当時の技

SOUND図6

診断画像の自動獲得・維持・適正化

術水準については機構および制御技術に関して医用画像処理アルゴリズムが開発されたことに一定の水準に達してはいたものの、画像処理よる。本研究では上記を踏まえて超音波技術、アルゴリズム技術については圧倒的に乏しい人工知能技術、ならびにロボット技術を基盤と状況であった。このような状況が打開された

して超音波診断画像を自動で獲得・維持・適正のは、2015年に前述の150層を超える深層での化できる世界初の技術を開発する（図6）。こ

高速・高精度な学習技術が開発されたことおよれにより、だれもが簡便かつ高精度に超音波局

び U-Netと呼ばれる臓器抽出における強力な在診断・局所治療を行うことを強力に支援する。

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