研究

ネットワーク型手術訓練システムの研究開発

　近年，医療現場において，患者への負担が軽く，日常生活への早期復帰が可能であることから，低侵襲手術が注目を集めている．しかしながら，低侵襲手術は高度な技術と熟練を要するため，技術の習得や術前のプランニングを目的とした手術シミュレータの需要が高まっている．低侵襲手術は複数人が協働で行う手術であるが，従来の低侵襲手術シミュレータは一人で訓練を行うスタンドアロン型のシミュレータであるため，複数人による協働での訓練が出来ない．また，医学生の学習内容も増加しているため，効率的に学習できる環境が求められている．
　そこで本研究では，1) 遠隔地間にいる複数ユーザが，仮想空間上の同一の柔軟物体を操作する遠隔協働作業が可能，かつ 2) １人の熟練医（先生）が，遠く離れた場所に居る複数人の医学生（生徒）に対して，触覚を伴う教示を同時に行うことが可能な，ネットワーク型の低侵襲手術シミュレータの研究開発を行っている．

• Toma Kato, Kazuyoshi Tagawa, Hiromi T. Tanaka, Yoshimasa Kurumi, Masaru Komori and Sigehiro Morikawa, "Evaluation of Haptic Teaching Approaches for Laparoscopic Surgery Training", Stud Health Technol Inform (MMVR2014), 2014.
• Kazuyoshi Tagawa, Hiromi T. Tanaka, Yoshimasa Kurumi, Masaru Komori and Sigehiro Morikawa, "A Laparoscopic Surgery Simulator Using First Person View and Guidance Force", Stud Health Technol Inform (MMVR2013), 2013.
• 田川和義，田中弘美，来見良誠，小森 優，森川茂廣：腹腔鏡下胆嚢摘出術のVR訓練システムの構築，日本コンピュータ外科学会誌，Vol. 14, No. 3, pp.340-341, 2012．
• 田川和義，田中弘美，小森 優、来見良誠、森川茂廣：一人称視点映像と誘導力提示による腹腔鏡下手術手技のVR訓練システム，日本VR医学会論文誌，Vol. 10，No. 1，pp.11-18，2012．
• Kazuyoshi Tagawa, Tatsuro Bito and Hiromi T. Tanaka, "A Method of Synchronization for Haptic Collaborative Virtual Environments in Multipoint and Multi-level Computer Performance Systems", Stud Health Technol Inform (MMVR2011), pp.638-644, 2011.
• 備藤達郎, 田川和義, 田中弘美: 多地点遠隔触覚協働環境におけるオンラインリメッシュ型ボリュームモデルの変形同期手法, 日本バーチャルリアリティ学会第15回大会抄録集, pp. CD, 2010.（学術奨励賞受賞）
• 大石達弥，田川和義，田中弘美: 一対多の教示機能を備えた遠隔触覚協働環境の構築, 日本VR医学会学術講演会抄録集, pp. CD, 2010.

臓器の異形バリエーションに対応した手術シミュレータの研究開発

　腹腔鏡下胆嚢摘出術では胆管異常走行（異形）がしばしば見られ，手術リスクの一因となっている．異形は術前のCT，MRIによる撮影で事前に検知されることが多いが，実際の術野映像から異形を認識し迅速に手術をすすめることは難しい．こうした特殊症例に対する訓練が行えることは，VR技術を用いたシミュレータの利点の1つである．特に，医学生に対する初期教育で異型を含めた解剖知識と手術手技を目と手で学べる教材として，シミュレータがより有効な手段となると考えられる．
　著書らが開発している腹腔鏡シミュレータでは，術野空間を構成する対象器官をモジュール化することで，異常走行などの複数の特殊症例を表現できる構造を採用した．このモジュール化された器官モデルの機構は他の器官での異型を表現する場合にも適用できる．

• Kazuyoshi Tagawa, Naoko Omi, Hiromi T. Tanaka, Masaru Komori, Yoshimasa Kurumi and Shigehiro Morikawa, "A Semi-Automatic Modeling Approach for Serosa and Adhesion", In Proc. of IEEE EMBC (IEEE-EMBC2013), 2013.
• Masaru Komori, Kazuyoshi Tagawa, Hiromi T. Tanaka, Yoshimasa Kurumi and Shigehiro Morikawa, "Current Status of Organ Variation 3D Model Library Construction", In Proc. of IEEE EMBC (IEEE-EMBC2013), 2013.
• 田川 和義，田中 弘美，来見 良誠，小森 優，森川 茂廣:臓器異型バリエーションの構成的多重解像度モデリング, 電子情報通信学会論文誌D, Vol.J96-D, No.5, pp.1365-1373, 2013.
• Kazuyoshi Tagawa, Hiromi T. Tanaka, Yoshimasa Kurumi, Masaru Komori and Sigehiro Morikawa, "Expression of Cystohepatic Duct Anomaly Using Modular Structured Organ Model in a Laparoscopic Surgery Simulator", International Journal of Computer Assisted Radiology and Surgery (CARS2012), 2012.

マルチレート・オンラインリメッシュとGPUとを併用した変形計算の高速化と剥離・穿刺シミュレーションへの応用

　仮想柔軟物体に対する力覚インタラクションの研究は，バーチャルリアリティ(VR)において重要な研究のうちの1つである．このようなシミュレーションは，手術シミュレーションやインターネットショッピングなど様々な分野への応用が期待される．安定的な提示のためには，柔軟物体の場合は数百Hz〜500Hz程度（力覚的実時間）で反力を更新する必要があり，変形計算を効率的に行うための手法が必要とされる．
　そこで本研究では，GPU上にてオンラインリメッシュ型変形モデルの変形計算を効率よく行うための手法を提案する．具体的には，1) ノードリストと接続表とで構成されるリロケータブルなデータ構造，2) リメッシュの際に，ノードリストと接続表を高速に更新することが可能なアルゴリズムを提案する．さらに変形計算のみならず，リメッシュの判定処理や反力計算を，GPUを併用しながら効率よく行うための方法も提案する．

• Kazuyoshi Tagawa, Takahiro Yamada and Hiromi T. Tanaka, "A Rectangular Tetrahedral Adaptive Mesh Based Corotated Finite Element Model for Interactive Soft Tissue Simulation", In Proc. of IEEE EMBC, pp.7164-7167, 2013.
• 田川和義, 中川智史, 田中弘美:直方四面体ベース・オンラインリメッシュ型非線形有限要素モデルによる効率的な変形・剥離シミュレーション, 日本バーチャルリアリティ学会論文誌, Vol.18, No.1, pp.73-80, 2013.
• Kazuyoshi Tagawa, Yasuyuki Sasaki and Hiromi T. Tanaka, "Online Re-Mesh and Multi-Rate Deformation Simulation by GPU for Haptic Interaction with Large Scale Elastic Objects", In Proc. of IEEE Haptics, pp.531-538, 2012.
• 田川和義, 佐々木康行, 田中弘美: オンラインリメッシュ型変形計算のGPUによる高速化と大規模仮想柔軟物体との力覚インタラクション, 日本バーチャルリアリティ学会論文誌, Vol.16, No.3, pp.479-487, 2011.
• Yasuyuki Sasaki, Kazuyoshi Tagawa and Hiromi T. Tanaka, "Stable Force Presentation by Fast Deformation Computation Using Online-Remesh and GPU", In Proc. of ACM Haptic and Audio Interaction Design, pp. CD, 2011.
• Kazuyoshi Tagawa and Hiromi T. Tanaka, "A Hybrid Dynamic Deformation Model for Surgery Simulation", In Proc. of Medicine Meets Virtual Reality, pp.645-649, 2011.
• 田川和義, 藤井健史, 山口哲, 田中弘美: 力覚提示を伴う高品質な穿刺シミュレーションのためのマルチレート・オンラインリメッシュ法, 日本VR医学会論文誌, Vol. 9, No. 1, pp.7-16, 2011.
• Kazuyoshi Tagawa, Satoshi Nakagawa, Hiromi T. Tanaka, Yoshimasa Kurumi, Sigehiro Morikawa and Masaru Komori, "Efficient Detachment Simulation Using Online-Remesh Deformation Models of Rectangular Tetrahedral Volume Mesh", International Journal of Computer Assisted Radiology and Surgery (CARS2011), Volume 6, Supplement 1, pp.118-120, 2011.

オンラインリメッシュとトポロジ変化に対応した埋め込み変形モデル

　臓器は，複雑な脈管分布構造や様々な力学特性を持つ組織で構成される複合材料体（非一様柔軟体）である．これらの非一様性を考慮するためには，細分割したメッシュを用いる必要があるが，計算コストが問題となる．
　複合材料体の効率的な解析手法として，従来，合板・繊維強化プラスチック等の周期的なローカル構造を持つ材料を解析する分野では，均質化法と呼ばれる方法（スケールの異なる構造体双方の物性や挙動を連成させて解く方法）が提案されてきた．この方法は，全体構造を荒いモデルで表現したグローバルモデルに，詳細構造を表現したローカルモデルの変形特性を埋め込む方法であり，計算の自由度を削減する一手法である．しかし臓器にこの手法をそのまま適用した場合，内部空洞や脈管の分岐の変形特性を正しく考慮することができない問題がある．近年では，連成方法の工夫やグローバル要素の多重化によりこれらの考慮を試みたモデル（埋め込み変形モデル）が提案されているが，切断・剥離等のトポロジ変化の考慮や，オンラインリメッシュの適用はなされていなかった．
　そこで本研究では，埋め込み変形モデルをオンラインリメッシュおよび切断・剥離等のトポロジ変化に対応させるための方法を提案する．具体的には，1) オンラインリメッシュ発生時に逆剛性マトリクスを高速に更新する方法，2) トポロジ変化時に逆剛性マトリクスおよび補間行列を高速に更新する方法を提案する．

• Kazuyoshi Tagawa, Tatsuya Oishi and Hiromi T. Tanaka, "Adaptive and Embedded Deformation Model: An Approach to Haptic Interaction with Complex Inhomogeneous Elastic Objects", In Proc. of IEEE Haptics, 2013.
• 大石達弥，田川和義，田中弘美：非一様柔軟物の適応的埋込み変形シミュレーション，第150回グラフィクスとCAD研究会，2013．
• 大石達弥，田川和義，田中弘美：非一様柔軟物との力覚インタラクションのための適応的埋込み変形モデル，第9回力触覚の提示と計算研究会抄録集，pp. CD，2012．

実対象物の計測に基づく動的変形特性の記録と再生

　計測にもとづいてインパルス応答変形モデルを獲得する手法を提案する．インパルス応答変形モデルは，インパルス的力作用に対する対象物の変形応答を，物体表面上の代表点について，網羅的に記述したものである．従来の研究ではインパルス応答はFEMシミュレーションにより計算されていた．本研究では，実物体に対する力作用にもとづいてこれを計測する．
　空気噴流によるステップ的な力作用と，ステレオカメラによるマーカー位置計測により，ステップ応答を得て，デコンボリューションによりインパルス応答を求める．この手法による実物体の計測と，力覚デバイスを用いた提示を行うことで，その実現可能性を確認した．

• 広田光一，田川和義：計測にもとづくインパルス応答変形モデルの構築, 日本バーチャルリアリティ学会論文誌, Vol.18, No.2, pp.171-180, 2013.
• Koichi Hirota, Kazuyoshi Tagawa, "Acquisition of Elastically Deformable Object Model Based on Measurement", Haptics: Perception, Devices and Scenarios, LNCS 5024 (Eurohaptics2012), 2012.
• 広田光一，田川和義：計測に基づく弾性変形モデルの構築，力触覚の提示と計算研究会抄録集，pp. CD，2012．

動的に変形・運動する柔軟物体の変形・把持操作のための高速な力覚レンダリング手法

動的な運動と変形を伴う柔軟物体に対する力覚インタラクションのためのアプローチを提案している．提案手法では，全ての自由度にインパルス的な力が作用した際の変位の時間変化を集合として物体の挙動を定義し（これをインパルス応答変形モデルと呼ぶことにする），このモデルと過去の操作力の履歴とを畳み込みことによって物体の変形を得る．この手法の特長は，操作力の計算量がモデルの複雑さに依存しないことであり，高速性が要求されるアプリケーションに有効である．

• 海外ジャーナル（査読中）．
• Kazuyoshi Tagawa, Koichi Hirota and Michitaka Hirose, "Manipulation of Dynamically Deformable Object using Impulse-Based Approach", in Book of "Advances in Haptics" (ISBN 978-953-307-093-3), 2010.
• Kazuyoshi Tagawa, Koichi Hirota, and Michitaka Hirose, "A Data Compression Method for Impulse Response Deformation Model", In Proc. of Third Joint EuroHaptics Conference and Symposium on Haptic Interfaces for Virtual Enviroments and Teleoperator Systems (WorldHaptics09), Mar. 2009.
• Kazuyoshi Tagawa, Koichi Hirora, and Michitaka Hirose, "Surface Contact Interaction with Dynamically Deformable Object", In Proc. of 6th International Conference of EuroHaptics 2008, pp.675-680, Jun. 2008.
• Kazuyoshi Tagawa, Koichi Hirora, and Michitaka Hirose, "Manipulation of Dynamically Deformable Object", In Proc. of 16th Symposium on Haptic Interfaces for Virtual Environment and Teleoperator Systems (IEEE Haptics08), pp.327-333, Mar. 2008.
• 田川和義, 広田光一, 廣瀬通孝, 「力覚インタラクションのための動的変形モデル」, 電子情報通信学会論文誌, Vol.J90-D, No.9, pp.2615-2623, Sep. 2007.
  Kazuyoshi Tagawa, Koichi Hirota, and Michitaka Hirose, "Dynamic Deformation Model for Haptic Interaction", IEICE Trans. on Information and Systems, Vol.J90-D, No.9, pp.2615-2623, Sep. 2007.
• Kazuyoshi Tagawa, Koichi Hirota, and Michitaka Hirose, "Acquiring & Representing Elasticity of Deformable Objects using Impulse Response Deformation Model", NASA Ames Research Center, Moffett Field, CA, USA, Mar. 2007.
• Kazuyoshi Tagawa, Koichi Hirota, and Michitaka Hirose, "Impulse Response Model: an Approach to Haptic Interaction with Dynamically Deformable Object", In Proc. of 14th Symposium on Haptic Interfaces for Virtual Environment and Teleoperator Systems (IEEE Haptics06), Mar. 2006.

回転型多視点ディスプレイ

我々は，新たな回転型多視点ディスプレイを2つ提案した．1つ目は，指向性の強い平面ディスプレイパネルを回転させることで多視点に異なる映像を提示することのできる多視点ディスプレイである．もう1つは，2軸で回転する指向性の強い鏡とDLPプロジェクタで構成される多視点ディスプレイである．

• Yusuke Doyama, Tomohiro Tanikawa, Kazuyoshi Tagawa, Koichi Hirota and Michitaka Hirose, "CAGRA: Optimal Parameter Setting and Rendering Method for Occlusion-capable Automultiscopic Three-Dimensional Display", In Proc. of IEEE Virtual Realiry 2010 (IEEE-VR2010), Mar. 2010.
• Yusuke Doyama, Tomohiro Tanikawa, Kazuyoshi Tagawa, Koichi Hirota and Michitaka Hirose, "CAGRA: Occlusion-capable Automultiscopic 3D Display with Spherical Coverage", In Proc. of 18th International Conference on Artificial Reality and Telexistence (ICAT08), pp.36-42, Dec. 2008.
• Koichi Hirora, Kazuyoshi Tagawa, and Yasuhiro Suzuki, "Automultiscopic Display by Revolving Flat-panel Displays", In Proc. of IEEE Virtual Realiry 2008 (IEEE-VR08), pp.161-168, Mar. 2008.

真空実験を用いた布挙動シミュレーションの評価・改良

　布挙動シミュレーションはComputer Graphicsの分野や繊維工学の分野で様々な手法が提案されているものの，着衣シミュレーションで要求される精度にはまだ至っていない．
　本研究では，理想的な環境である真空条件下にて布挙動を計測し，布挙動シミュレーションとの間で比較を行うことで，布挙動シミュレーションのみの純粋な評価を行った．真空実験を用いた段階的接近法を提案し，引っ張り・曲げ・せん断それぞれ単独の変形もしくは複合的な変形について，難易度を上げながら布の物理モデルのパラメータ推定やモデル自体の改良を段階的に行っていくための手法を提案した．

• Kazuyoshi Tagawa, Hirotaku Hayashi, and Ryugo Kijima, "Empirical Evaluation of Cloth Behavior Simulation", In Proc. of Int. Conf. on VSMM '04, Int. Soc. On VSMM, 2004.
• Kazuyoshi Tagawa, Hirotaku Hayashi, and Ryugo Kijima, "Evaluation of Cloth Behavior Simulation", In Proc. of Symposium on Computer Graphics and Animation, ACM Siggraph / Eurographics, 2004.
• 田川和義, 林 宏卓, 木島竜吾, 「布挙動のシミュレーションと真空実験による評価」, 日本バーチャルリアリティ学会論文誌、vol. 8, no. 3, pp. 263-270, VRSJ, 2003.
  Kazuyoshi Tagawa, Hirotaku Hayashi, and Ryugo Kijima, "Dynamic Cloth Simulation and its Evaluation Experiments in Vacuum", Transaction of Virtual Reality Society of Japan, vol. 8, no. 3, pp.263-270, 2003. [PDF]
• 競争的外部資金: 研究代表者 田川和義, 財団法人日本科学財団 笹川研究科学助成, 2003年度 1年間（終了）．

布挙動シミュレーションとバーチャルファッションシステムの構築

高速で安定的に計算可能な布挙動シミュレーション，人と布との高速な干渉計算，モーションキャプチャシステム，大画面スクリーン，仮想鏡への等身大表示等で構成されるバーチャルファッションシステムの構築により，仮想的な衣服の試着を実現した．

• 田川和義，垣見友和，小鹿丈夫，木島 竜吾, 「バーチャルファッションシステムにおける布の形状の動的シミュレーションの研究」，岐阜大學工學部研究報告，pp.93-100, 1999.
  Kazuyoshi Tagawa, Tomokazu Kakimi, Ryugo Kijima, and Takeo Ojika, "Dynamic Cloth Simulation Method using an Elastic Model on the Virtual Fashion System", In Research reports of the Faculty of Engineering, Gifu University, pp.93-100, 1999.
• Kazuyoshi Tagawa, Tomokazu Kakimi, Ryugo Kijima, and Takeo Ojika, "A Method for Dynamic Cloth Simulation and Application in a Virtual Fashion System", In Proc. of Int. Conf. on VSMM '98, Int. Soc. On VSMM, 1998.

その他

現在研究中です．