計測自動制御学会東北支部

第 316 回研究会（2018.6.22）

講演番号 316-12

ハイパーサーミア治療時における温度計測を目的とした治療支援ロボットアームの開発○井関 祐也，中野渡 功汰
○Yuya Iseki, Kota Nakanowatari
八戸工業高等専門学校 産業システム工学科 機械システムデザインコース
National Institute of Technology, Hachinohe College
キーワード：ハイパーサーミア，超音波画像，温度計測，治療支援ロボット
連絡先：〒039-1192 青森県八戸市大字田面木字上野平 16-1
TEL：0178-27-7265，E-mail：iseki-m@hachinohe-ct.ac.jp
１．はじめに針先が展開するタイプの電極の開発もされ癌温熱療法（ハイパーサーミア）は癌細胞ている 5)．

が熱に弱く，42～43℃程度で一定時間加熱さ効果的なハイパーサーミア治療のためにれると死滅する臨床事実に基づいている ．

は，加温装置の性能に加え，加温中の生体内これの加温熱エネルギー源には種々の電温度分布を把握することが重要である．しか磁波を用いたものが一般的である．臨床におしながら前述の容量結合型加温装置や針状ける代表的な加温装置として，RF（Radio電極加温装置では，これの把握に熱電対温度Frequency）容量結合型加温装置や針状電極加計を用いており，生体内の温度分布に関して温装置等があげられる．前者は一対の電極には半ば目隠し状態で治療を行っているのがよって患部を挟み込み，電極間に流れる高周現状である．近年，MRI（Magnetic Resonance

波電流によって癌を加温する．非侵襲に治療Imaging）を応用した生体内温度計測手法が注が行える長所がある反面，生体深部の癌のみ目を集めているが，計測に長時間を要するこを選択的に加温することが容易でない短所とや，低分解能などが指摘されている 7,8)．

がある．後者は，針状の電極を患部に直接刺このような背景から，本研究では超音波診入し，体外に設けた電極との間に高周波電流断装置を応用した生体内温度計測手法を提を流し治療を行う装置である．針状電極周辺

案し，その有用性について生体擬似寒天ファが確実に加温されることから，癌に針状電極ントムやブタ肝臓を用いた温度計測実験かを刺入することができれば，高い治療効果がら示してきた 7,8)．しかしながら，臨床応用を期待できる．その反面，治療効果が医師の手考えた場合，医師による超音波プローブの走腕に依存することや，加温領域が狭いなどの査は再現性が低く，温度計測精度に影響を及

1)

短所が指摘されている 2-6)．これを克服すべく， ぼすことが懸念される．本研究ではこれらの問題を解決すべく，超音波画像による温度計測時に超音波画像の撮像を支援する，治療支援ロボットアームの開発を研究目的としている．
本研究では，まず，開発した温度計測プログラムの温度計測精度の把握実験を行った．
次に，試作ロボットアームの基本性能把握実験を実施し，本ロボットアームの有用性について検討した．
２．超音波画像による温度計測の原理
超音波は伝搬する組織の温度に応じ，その速度が変化することが知られている．一方，

図1開発した温度計測プログラムのフローチャート

超音波画像診断装置は生体内の音速を一定として画像描画を行う設計であるため，ハイパーサーミアによって生体内に温度変化が生じると，その箇所の超音波画像が極わずかに変位する．この変位量を画像解析によって検出し，温度分布の可視化を行う．具体的には，式(1)を解くことによって温度計測を行っている 7,8)．
𝜕(∆𝑑)
𝜕𝑥(1)

1
𝛼−𝛽(2)∆𝑇 = 𝑘𝑡𝑖𝑠𝑠𝑢𝑒
𝑘𝑡𝑖𝑠𝑠𝑢𝑒 =図2

治療支援ロボットアームの概略

検出をすることができないが，本プログラム
ではサブピクセル処理を施すことにより，10

ここで，ΔT は生体内の温度上昇，ktissue は組織分の 1 オーダーまで変位量検出を可能としてごとに異なる熱定数，Δd は画像変位量，x はいる．

深さ方向距離，α は熱膨張係数，β は音速変化係数である．組織ごとに異なる熱定数 ktissue

３．治療支援ロボットアーム

は，温度計測時にキャリブレーションのため

図 2 は本研究で開発を目指す治療支援ロボに用いる定数である．これは実験的に計測しットアームの概略図である．本ロボットアーて求めることができる．

ムは，超音波画像診断装置，ロボットアーム，図 1 は本研究において開発した温度計測プ小型カメラ，制御用 PC によって構成されてログラムのフローチャートである．本研究でいる．具体的には，超音波プローブを持たせ開発した温度計測プログラムでは，温度上昇たロボットアームに小型カメラを取り付け，に伴う超音波画像の変位量検出のために，画画像解析によって患者の体動を検知し，患者像処理の一手法であるテンプレートマッチの体動を自動追尾し，再現性のある超音波画ングを用いている．通常，テンプレートマッ像の撮像を可能とするロボットアームの開チングは 1 ピクセルオーダーでしか変位量の発を目指している．

４．実験装置
４．１．温度計測精度把握実験
図 3 は温度計測把握実験に用いた実験装置の概略図である．本実験装置は，生体擬似寒天ファントム，超音波画像診断装置，熱電対温度計，画像解析用 PC，半田ごて，変圧器によって構成されている．ハイパーサーミア加温装置に見立てた半田ごてを寒天ファント
ム中央断面に挟み込み，寒天ファントムを加図3

温度計測精度把握実験の概略

図4

温度計測精度把握実験の概略

図5

ロボットアーム精度把握実験

温し，この時の温度分布を超音波画像診断装置によって計測する．温度計測結果は，熱電対温度計およびサーモカメラによる計測結果との比較を行い，温度計測精度の評価を行った．加温時間は 5 分とした．なお，超音波画像は 1 分ごとに撮像した．図 4 は，熱電対温度計と半田ごてとの位置関係を示した概略図である．図 4 に示すように半田ごて周辺の 3 点を熱電対温度計によって計測した．
４．２．ロボットアームの精度把握実験
図 5 は，本研究に用いたロボットアームの写真である．ロボットアームに超音波プローブを持たせ，寒天ファントム内部の超音波画像を撮像し，繰り返し超音波画像を撮像した
際の画像間のずれを評価した．寒天ファント
ム内部には球状の PET 製カプセルが埋め込んであり，これをターゲットに見立てた．画像解析によってずれベクトルを検出し，X 方向に関する位置ずれの評価を行った．また，カプセルの断面積を超音波画像上で計測し，断面積の変化から Y 方向に関する評価を行った．なお，実験は 50 回連続して繰り返し行った．
５．結果と考察５．１．温度計測精度把握実験
図 6 は温度分布計測結果である．図 6(a)は加温実験直後に赤外線サーモカメラによって撮像したサーモ画像である．図 6(a)から，

(a)
図6(b)
温度分布計測結果

半田ごてによって寒天ファントムが加温さ

表 1 温度計測誤差れていることが確認できる．図 6(b)は超音波画像から温度分布を計測した結果である．図6(a)と図 6(b)を比較すると，両者はよく似た形状を呈していることがわかる．
両者の加温領域を比較すると，サーモ画像の X 方向距離が 8.8 mm，Z 方向距離が 6.3 mmであったのに対し，超音波画像によるそれは，①②③60 秒後

0.5 ℃

0.3 ℃0.7 ℃

120 秒後

0.4 ℃

0.6 ℃

0.0 ℃

180 秒後

0.1 ℃

0.4 ℃

0.1 ℃

240 秒後-0.4 ℃

0.2 ℃-0.1 ℃

300 秒後-0.7 ℃

0.0 ℃-0.2 ℃

それぞれ 7.8 mm，5.1 mm であった．以上の結果より，両者は 1 mm 程度の誤差で一致しており，高い計測精度を有していることが確認できた．表 1 に熱電対温度センサーと超音波画像による温度計測結果の誤差をまとめ(a)た．①～③は図 4 に示した熱電対の位置に対応している．この結果から，最大誤差は 1.0 ℃

(b)

(c)

図7

位置ずれのベクトル表示図

図8

左右方向に関する位置ずれ以下であり，本温度計測手法によって，非侵襲的に高い精度で生体内温度計測が可能であることが確認できる．
５．２．ロボットアームの精度把握実験
図 7 は，超音波画像を繰り返し撮像した際の画像間のずれをベクトルによって表している．図 7 に 50 回の繰り返し試験のうち，特徴的な画像を示した．具体的には，図 7(a)～(c)はそれぞれ，6 回目，22 回目，39 回目をと繰り返し回数との関係示している．いずれのベクトルも左方向にベクトルが検出されていることが確認できる．
このことより，プローブを寒天ファントムに再接触させた際に，ロボットアームに対してわずかに手間方向にプローブ位置がずれていることがわかる．検出されたベクトルの平均と繰り返し回数との関係を図 8 に示した．
縦軸に位置ずれの平均距離を，横軸に繰り返し回数を示している．位置ずれ距離 0.3 付近の実線は，先行研究によって明らかになった， 図 9
温度計測のために許容される位置ずれ距離

プローブ奥行き方向に関する位置ずれと繰り返し回数との関係の上限値である．すなわちこのラインよりも上側では位置ずれの影響が温度計測に影響は最大 0.7mm 程度であり，ある程度の位置決を及ぼす可能性がある．図 8 より，位置ずれめ精度を有していることが確認できるが，要求される位置決め精度を安定的に得られてdistribution for brain tumor hyperthermia

いないことが確認できる．

using the two dimensional finite element

図 9 はターゲットの断面積から Y 方向に関するずれを計測した結果である．
図 9 より，

method. Jpn J Hyperthermia Oncol, 11: 356364, 1995. (Japanese)

繰り返し回数を重ねるごとにずれが大きく

3) Shindo Y., Iseki Y., Nakane K., Mimoto N.,

なっていることがわかる．これの原因として，

Kubo M., Kato K., Takahashi H., Uzuka T.,

プローブに塗布した超音波ジェルの影響に

Fujii Y.: A support system in virtual reality forより寒天ファントム上面でプローブが滑っeffective hyperthermia treatments: heatingてしまうことが考えられる．

properties of needle applicator for brain tumors,

今後，プローブを接触させる際のロボットアームの動作を変更し，検討を進める予定である．

Thermal Med, 27: 79-87, 2011.
4) Kubo M., Mimoto N., Kanazawa Y., Shindo Y.,
Kato K., Takahashi H., Uzuka T., Fujii Y.:
SAR analysis of a needle type applicator made６．まとめ
本研究では超音波画像による温度計測時に，再現性のある超音波画像を撮像するための治療支援ロボットアームの開発について述べた．

from a shape memory alloy using 3-D
anatomical human head model, Thermal Med,
25: 105-114, 2009.
5) Shindo Y., Shibafuji K., Iseki Y., Kato K.,
Takahashi H., Uzuka T., Takeuchi A.:

温度計測プログラムは 1 mm 以下の温度分

Development of Coaxial Needle Applicator

布計測精度，1.0 ℃以下の温度計測精度を有Made of Shape Memory Alloy, Thermal Med,していることを実験的に示した．ロボットア

30: 27-40, 2014.

ームについては，一定の再現性はあるもの，

6) Kato K., Sato K., Matsuda J., Saitoh Y.:

回数を重ねるごとに精度が低下する傾向にAnalysis of RF Capacitive Heating byあることを確認した．ただし，本ロボットア

Computer Simulation, Jpn. J. Hyperthermicームの使用用途を考えると，多くの繰り返し

Oncol, 8: 29-43, 1992.

回数は不必要であることから，現状でも一定の効果は期待できるものと考えられる．
今後，画像処理によって患者の体動を自動

7) Iseki Y., Nakamura K., Anan D., Kato K.:
Development of ultrasound-guided resonantcavityapplicatorsystem–Noninvasive

追尾し，安定的な超音波画像を撮像可能なシ

measurement of temperature distributions-,ステムを構築することを予定している．

Thermal Med, 31: 13-26, 2015.
8) Iseki Y., Anan D., Saito T., Shindo Y., Ikuta F.,

７．参考文献1)

Takahashi

K.,

Kato

K.:

Non-invasive

日本ハイパーサーミア学会編、ハイパー

measurement of temperature distributions

サーミアがん温熱療法ガイドブック、during

2008 年

ultrasound B-mode images. Thermal Med, 32:2) Takahashi H., Tanaka R., Watanabe M.,
Nakajima T., Kakinuma K., SudaT., TakahashiS., Masuda H., Matsuda J., Kato K., Kubo N.,
Kato A.: Computer simulation of temperature

hyperthermia

17-30, 2017.

treatmentsusing