成果報告書詳細
管理番号20100000002450
タイトル平成20年度~平成21年度成果報告書 インテリジェント手術機器研究開発プロジェクト 研究連携型機器開発
公開日2011/4/20
報告書年度2008 - 2009
委託先名財団法人エヌエイチケイエンジニアリングサービス 浜松ホトニクス株式会社 アロカ株式会社
プロジェクト番号P08006
部署名バイオテクノロジー・医療技術開発部
和文要約 このプロジェクトは胎児期に治療を行うための新しい手術システム・機器を開発するもので、子宮内で行われる出生前胎児治療により全体的治療成績を高め、同時に医療費の抑制につなげるものである。具体的には、HARP方式による超高感度・高精細内視鏡、超高精度3D/4D超音波診断装置、並びに超音波診断による子宮内3D情報の実空間立体表示システムを開発する。HARP方式による超高感度・高精細内視鏡、超高精度3D/4D超音波診断装置は経済産業省(Ministry of Economy, Trade and Industry)出資、超音波診断による子宮内3D情報の実空間立体表示システムは厚生労働省(Ministry of Health, Labour and Welfare)出資の共同研究体制で実施しているものである。 現行の内視鏡とCCDカメラの組み合わせでは強力な照明が必要であり胎児の目に損傷を与える危険性や熱による損傷の危険性がある。超音波診断装置は非侵襲の優れた診断装置であるが速度と解像度はトレードオフの関係にあり内視鏡のナビゲーションには不十分であった。 具体的な成果としてFEA~HARP技術に基づく内視鏡システムの開発では有効画素数480×480、画素サイズ20μm×20μmのアクティブ駆動回路内蔵スピント型FEAおよびHEED型FEA、形状の異なる2種類のネオジウム系永久磁石からなる電子ビーム磁界集束系、上記2種類のFEAそれぞれに厚さ15μmのHARP膜を適用した、厚さ13mmのスピント型FEA-HARPおよびHEED型FEA-HARPの試作に取り組み、これを完了。目標性能を満たしていることを確認した。カメラは内視鏡に接続する部分の小型化に取り組み直径10cm長さ10cmの円筒形カメラヘッドを試作した。内視鏡については内視鏡の細径化に加え照明の小型化、フィールドシーケンシャル方式によるモノクロカメラによるカラー画像取得の原理検証実験にも成功し早期実用化への期待を高めることができた。 超高精度3D/4D超音波診断装置では、単位時間当たりの超音波ビーム形成本数を市販の装置より2倍にすることにより、高分解能の、または高フレームレートの画像を得る手法を考案した。これは2方向に異なる周波数の超音波を送信し、各方向からのエコー信号から、各4本の超音波ビームを同時に形成する"2方向同時送信、8方向同時受信方式"である。さらにこの方式を実装した大規模IC(FPGA)の開発を実施し、市販の超音波診断装置内に実装することで現行装置の超音波ビーム密度を維持しながら2倍のフレームレートで3次元画像を実時間で表示する超音波診断装置の試作に世界で初めて成功した。高速に得られた2倍の情報量のエコー信号を基に実時間で3D/4Dリアルタイム描画表示するための信号処理エンジン開発については、高周波数クロックで走るCPUと画像処理専用のIC(GPU)を用いる2つの方式で試作し、前者の方法で十分に3次元画像構築が可能であることが確認できた。
英文要約Title:Intelligent Surgical Instrument Research and Development Project (Development of Equipment through Joint Research) (FY2008-FY2009) Final Report
This project is a joint undertaking with the Ministry of Economy, Trade and Industry (METI) and the Ministry of Health, Labor and Welfare (MHLW) to develop new surgical systems and equipment for improving prenatal fetal therapy within the uterus and containing healthcare costs. METI is funding the development of an ultrahigh-sensitive and high-resolution endoscope using a field emitter array - high-gain avalanche rushing amorphous photoconductor (FEA-HARP) image sensor and of ultra-precision 3D/4D ultrasonic diagnosis equipment, and MHLW is funding the development of an auto-stereoscopic visualization system for intrauterine 3D/4D ultrasonic navigation. As concrete results, we developed two kinds of 480×480 pixel, 20 mm×20 mm pixel size FEA-HARP image sensors with a thickness of 13 mm by using an active-matrix Spindt-type FEA and an active-matrix high-efficiency electron emission device (HEED)-type FEA respectively, and confirmed that the sensor met performance targets. Both sensors also included an electro-magnetic focusing system consisted of two kinds of neodymium permanent magnets and a HARP film with a thickness of 15 um. Furthermore, we succeeded in a demonstration of a color-image acquisition by using a field-sequential method in addition to miniaturizing endoscopes and lighting accessories. Then, it could raise expectations for early practical application. A new technique in the development of High Accuracy 3D/4D Ultrasound Equipment makes it possible to achieve ultrasound images high resolution or high frame rate by means of increasing the double number of simultaneously ultrasonic receiving beams per unit time in comparison with commercially available ultrasound. Called "Simultaneously ultrasonic bidirectional transmission and eight-directional reception (2T8R)," this method involves two transmitting beams at different ultrasonic frequencies and four receiving beams at each transmitting beam are included. Additionally, the development of large-scale Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) accommodating 2T8R functionality has made it possible to double the frame rates obtained in 3D/4D imaging while maintaining conventional ultrasonic beam density and without degrading conventional beam features with respect to ultrasonic transmission and receiving directivity. These are world-first achievements. In the process of developing a 3D/4D real-time rendering engine capable of processing double the echo information compared to conventional engines, two approaches were evaluated to assess real-time processing capabilities. One was the CPU approach, which adopts the double CPU clock. The other was the Graphic Processor Unit (GPU) approach, which focuses on specific graphic processing functions. Evaluations indicate that the first method offers sufficient processing power for real-time 3D rendering and is sufficient for our purposes.
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