近赤外(near infrared : NIR)光は可視光よりも長波長の光であり, 人間の目には見えないが多くの物質に対して優れた透過性を持つことで知られている. 特に1100 nmから1350 nmの波長域では水やヘモグロビンによる光の吸収・散乱が最も小さいため, 生体深部の観察に適している. 生体深部情報を有する近赤外スペクトルを画素に割り当てて可視化する技術を近赤外ハイパースペクトラルイメージング(NIR-HSI)という. 内視鏡外科手術の一つである腹腔鏡下手術で用いる硬性内視鏡にNIR-HSIが出来る光学系を搭載することで, 生体深部にある目では見えない腫瘍や神経, 血管などを識別できる可能性がある.

本研究では国立がん研究センターと協力し, 近赤外カメラ及び光源・フィルター等の光学系の設計及び, C++やLabVIEWを使用したデバイス制御プログラムの開発, 機械学習による組織識別精度の向上等を行っている. 開発したNIR-HSI腹腔鏡デバイスを用いて, 臨床検体や動物検体での撮像を行い, 手術中の使用を目指す.

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大腸内視鏡検査は、内視鏡操作の難易度が高く、熟練の専門医でなければ患者に大きな痛みを与えてしまう可能性があります。このような現状から、大腸内視鏡挿入の自動化に向けてデバイスの開発を行っています。我々は、非医療従事者一人の操作による透明な大腸モデルの肛門から盲腸までの挿入を可能にした二重管式独立湾曲型ダブルバルーン内視鏡を開発しました。また、機械学習を用いて、デバイス先端のカメラの映像から大腸の管腔方向を認識することを可能にしました。現在、管腔方向の認識を利用したデバイスの湾曲駆動の自動化を目指して開発を進めています。

超人医療プロジェクト | 先端医療開発センター

2023

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2024

我々の研究では，体育施設機器器具メーカーであるセノー株式会社さんと協力して，体育館の床面に関する研究をしています．ウレタンの膜厚と摩擦抵抗に関する研究や，床面画像の合成に関する研究があり，現在では染色された蛍光性の綿を用いた体育館床面のささくれ傷を自動検出する装置の開発を行っています．

体育館の間違った管理方法や施設の老朽化によって，床板の劣化が進んでしまいます．そのような状態で，スポーツ中に床材からはがれた木片が体に刺さり，重症例では剥離した床材が臓器まで達するケースが報告されています．この様な床板の不具合を発見するために，現在は検査員が手作業で目視による点検が行われています．人海戦術による点検は点検結果の品質にばらつきがあり，人的，時間的なコストが発生します．

この問題について我々は，自己位置推定と環境地図を同時に作成する手法であるSLAMや自動経路生成，機械学習による検出を用いて，体育館全面を走行しささくれ傷を自動検出する装置の開発を行ってます．

本研究は競輪の補助を受けて実施しました。

2023

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糖尿病慢性合併症の一つである糖尿病神経障害の早期発見を可能とするデバイス「足裏スキャナ」の開発を行っています。開発中の足裏スキャナは、体重測定と重心動揺測定が可能で、また被験者の足裏をスキャンすることで足裏の硬度と水分量の推定を可能とします。

現在は、硬度と水分量の推定精度向上を目指して、実験では足裏スキャナと共に硬度計と水分計も用いて幅広い年齢層の被験者を対象とした測定を行っています。また、スキャンした足裏画像から抽出した複数の特徴量を使って、より測定値に近い推定値が算出できるよう画像処理や新な特徴量の思案などを行っています.

2023

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0~40 %の脳卒中患者は、片足麻痺による足関節の硬直に悩まされています。そこで、急性期の患者がベッドサイドで行えるボーデンケーブルを用いた足関節リハビリテーション装置を開発しました。

転車のブレーキに使われるボーデンケーブルを装置に応用することで、単純動作の底屈背屈、内反外反だけでなく、自然な複合動作の回内回外の実装を可能にしました。また、コントローラーによって患者一人一人の最大可動域を設定することができます。下腿三頭筋を使わずに、足関節の広い可動域の動きをサポートするので、この装置が今後、医療現場で脳卒中患者のために活躍することが期待されいています。

2023

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歯列矯正治療とは，歯並びをきれいにする治療のことである．この治療は，ワイヤなどの矯正器具を用いて，微小な力を歯に負荷させることで歯列を整える．近年，矯正治療を受ける人々が増えているが，人によっては過荷重などによる治療事故が起きてしまう可能性がある．

これは，矯正器具によってどの程度の力やモーメントが歯に負荷されるのか解明されていないためである．現在の矯正治療は力学的な評価がなされておらず，歯科医の経験や感覚に依存して治療が行われてしまっている．

先行研究にて，矯正治療を定量的に評価できる装置がいくつか開発されている．しかし，力のみでモーメントが測られていない物や，実際の治療器具の取り付けが困難な物など，測定機器として未だ不十分な物ばかりである．

そこで，本研究では矯正治療を定量的に評価することを目的とし，模擬歯列と6軸力覚センサを組み合わせることで，歯に加わる力やモーメントを計測することができる装置の開発を行っている．

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ヒトと動物，特に哺乳類の間には解剖学的，生理学的な類似性が存在しています．そのため動物で得た知見をヒトに活用する事が可能で，動物に薬剤を投与してその活動の変化から作用を評価する行動薬理学や，脳波等の情報から脳機能を解明する脳神経科学など様々な学問で非常に重要な役割を担っています．

竹村研では実験動物であるマウスの自発的な活動を予測することができるような予測モデルを開発しています．予測モデルは過去のマウスの活動から特徴を捉えることによって，まだ見ぬ未来の活動を予測（生成）することが可能です．一方でマウスも何らかの思考に基づき次の行動を決定していると考えられることから，予測モデルはマウスの「思考」を表現していると捉えることができます．予測モデルは，今まで捉えることが難しかった動物の思考を鑑みた研究が可能になるという点で多くのポテンシャルを秘めています．

2023

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動物を用いた研究は基礎研究から新薬開発などの応用研究に至るまで重要な役割を果たしている．しかし，現状では実験者の目視で観察や評価が行われることが多く，長時間の観察や目で追えない動きの解析は不可能であること，観察者の拘束時間や疲労が大きいこと，評価の客観性に欠けることなどの問題がある．また，特にマウスは古くから利用されている動物モデルであり，マウスを使った動物実験の評価の自動化が必要とされている．

既存の手法として上方から撮影した動画から特徴点を追跡するものや，モーションキャプチャシステムを利用するもの，マウスの３次元形状から手足の位置を推定するものなどがあるが，コストや手間，精度，3次元的な動きに対応していないなどの問題がある．

そこで本研究では簡易的かつ高精度なマウスの3次元姿勢推定手法を提案することを目的とし，RGB-Dカメラ1台でマウスを下方から撮影し，深層学習を使った動画上における特徴点追跡と深度情報を組み合わせることで，マウスの3次元姿勢推定を行うことのできるシステムの開発を行っている．

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近年、新型コロナウィルス感染症の影響によりテレワークが増加している。しかし、テレワークの環境として自宅で集中できる人もいればカフェなどのオープンな空間の方が集中しやすい人もいる．そのため，個々人の性格に適した環境を提供する必要がある．

既存の手法として，脳波のθ波などの周波数的特徴の波を用いる方法が多い．しかし，この手法では他の心理状態が含まれてしまう可能性や体の動きによるノイズに反応してしまう可能性もある．

本研究では，聴性定常反応というノイズに強い手法を用いて集中力を推定し，個々人の集中しやすい環境を検証している．周囲に集中している人がいる状況と逆に怠けている人がいる状況を模擬した動画で，個人の性格によってどのような環境が集中しやすいか検討している．

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この研究では脳計測により，脳卒中による運動麻痺のリハビリテーションをより効果的なものにする装置の研究を行っています．

脳卒中による運動麻痺は高齢化の進む現代では非常に重大な問題であり，回復のためのリハビリテーションが非常に重要です．そこで近年では装置を使ったリハビリなどの研究が進められています．しかし，装置を使ったリハビリは単純動作であることが多く，モチベーションの維持が課題となります．

本研究ではより良いリハビリが行えるように「主体感」という「自分が動作を生み出している」という感覚に注目して研究をしています．具体的には装置リハビリの動作時にNIRS（Near InfraRed Spectroscopy）を用いて患者の「主体感」を計測し，装置にフィードバックして動きを調整することを目指しています．この方法で，さらに「主体感」のあるリハビリ装置の提案を目標としています．

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2023

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歩行解析は医療分野で重要視されており，高精度での計測が必要な臨床現場では三次元動作解析装置（Three Dimensional Motion capture system: 3DMC）が使用されている．しかし3DMCを用いるためには広い空間が必要であることや反射マーカーの貼り付け時などに専門知識が必要となるため，簡便とはいえない．また，3DMCの代替手法として，簡易さを重視した解析を試みた先行研究は散見されるが，光の変化の影響を受けやすいこと，関節角度の推定誤差が非常に大きいこと，などの欠点がある．

そこで本研究では単一のRGBカメラを利用して，一定の精度を持ちながらも簡易な歩行解析をすることを目的としている．

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現在，乳牛一頭当たりの乳量も伸び悩んでおり，今後も全体の生産量は減少していくことが懸念されている．乳牛の栄養状態は乳量に多大な影響があると考えられており，適切な栄養状態の管理をするためのシステムの開発を早急に行う必要がある．

ボディコンディションスコア（BCS）は，体表面の形状により1～5の0.25刻みで評価される家畜の体脂肪蓄積状態を表す．特に乳牛においては，単なる肥満度の測定ではなく，泌乳の各段階に応じた適切な摂食管理のための重要な指標となる．しかし，BCSは熟練者が1つずつ手動で決定しており，牧場内全ての牛を測定するには多くの時間と労力がかかってしまう．そこで，3次元レーザースキャナを用いてBCSを自動で計測できる高精度なシステムを開発することを本研究の目的としている．

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変形性足関節症は，日常生活に支障が出るほどの痛みを伴う足首の関節症である．変形性足関節症の病態の解明のためには，足の2本の骨（脛骨と腓骨）の相対的位置関係を分析しなければならない．

近年，変形性足関節症患者のこれらの骨の関係を調べる研究が報告されている．それらの研究ではCTやX線などの医用画像を使用して骨の関係を分析している．しかし，これらの医用画像は2次元画像であり画像正面方向の変位量を算出することができない．3次元的に解析すれば正面方向の変位量が算出可能である．

以上を踏まえ，本研究では骨を3次元モデル化することで、変位量を測定する研究を進めている．また，この技術を活かし外反母趾の研究も行っている．

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高齢者介護施設では人手不足が問題となっており，介助行為や見守りを行っていない状況下での事故が多く発生している．また，見守りセンサなどが実用化されつつあるが既存のものは転倒を検出するなどの単純な機能がついているだけのものが多いのが現状である．

効率的で適切な介護を行い，事故を未然に防ぐためには,高齢者の日常の行動を細かく把握する必要があり，これを介護職員,高齢者の負担を増やさないように自動で行えるシステムが必要とされている．

本研究では，実際の介護施設の個室に一台のRGBDセンサを設置し，得られた個室内の3次元データと高齢者の骨格情報から，高齢者の行動を把握するための分析手法を開発する．ベッド，タンスなどの個室内に設置された家具と高齢者の関係から，高齢者の行動を把握した．

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近年，自律移動ロボットは搬送・清掃・警備などのサービスを目的に開発されている．日常生活空間ではエレベーターやドアなどの踏破のために移動以外のタスクを要する瞬間がある．それらの踏破のため，自律移動ロボットにマニピュレータを搭載する方法がある．

自律移動ロボットに搭載するマニピュレータはコンパクトさと複数のタスクが可能で障害物に干渉しない自由度の高さを持つマニピュレータが必要になる．しかし多くのタスクや自由度の高さを想定するにしたがってマニピュレータのコンパクトさがなくなってしまう．

そこで本研究では直動運動可能な関節を用いてそれらの両立が可能なマニピュレータの製作と制御法の提案をし，自律移動に必要なタスクの踏破を目指している．

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近年，自閉症スペクトラム障害（ASD）のような発達障害特性を持つ人は多く存在していると考えられています．しかし，自身が発達障害特性を持っているとは知らずに生活し，社会生活に支障をきたす事例が多く存在します．そのため，正確な診断からASDの特性を正確に把握し，対策することが重要であると考えられます．

また，ASD特性を持つ人は，相手の動きを観察し，他人の意図を予測することが得意でないと言われています．

そのため，本研究の目的は，相手の動きの方向を予測し，避ける必要がある「すれ違い動作」における特性の違いを脳科学的アプローチから解明することです．今後は，写真のような簡易脳波計を用い，ASD特性に関する知見を明らかにしたいと考えています．

2023

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高齢者介護施設では人手不足が問題となっており，高齢者一人ひとりの生活を十分に把握することが出来ていない．特に，居室の中といった環境での生活は把握が難しい環境である．人手に頼らずに室内の生活状況を把握するシステムが必要とされている．

本研究では，高齢者が生活する環境に一台のRGBDセンサであるKinectV2を設置し，得られた環境内の3次元データと高齢者の骨格情報から，高齢者の行動を把握するための分析手法を開発する．ベッド，タンスなどの環境内に設置された物体や，玄関といった空間と高齢者の関係から，高齢者の行動を把握した．

2023

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現在，自律移動機能を有するロボットの研究開発・商品化が盛んに進められている．掃除ロボットや自動アシスト機能付きの自動車は，ロボットの自律移動技術を製品に落とし込んだ例で，製品化され普及している．一般的にロボットの自律走行のために事前知識として環境の三次元地図が与えられる．

事前地図の作成にはSLAM (Simultaneous Localization And Map-ping)と呼ばれる手法が用いられるが，SLAMは逐次移動量を推定し軌跡を作成するため，原理上誤差が累積することが課題である．特に，屋外などの大規模の地図をSLAMによって作成する場合，誤差累積によって大きな歪みが生じる．

本研究の目的は，ロボットの自律移動における経路計画・目的地生成に電子地図情報を利用し，観測範囲によらず電子地図に一致した3次元地図を作成し精度の良い自己位置推定を目指す．

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生物組織の働きを理解するうえでその組織の構造を合わせて把握することは重要であり，生物の組織構造を十分に理解するには電子顕微鏡を用いて3次元観察を行うことが求められている．

しかし，現在商用で販売されている電子顕微鏡内で3次元観察を行う装置は大型で，この装置を搭載可能な電子顕微鏡は制限されている．このことを踏まえ，汎用な電子顕微鏡にも搭載可能な小型の切削装置の開発が求められている．

そこで本研究はで電子顕微鏡を用いて3次元観察を行う小型の装置の開発と改善を行っている．この装置は観察試料の切削と観察を連続して行うことで3次元観察を行う．この切削装置は電子顕微鏡内で観察試料を数十ナノメートル単位の切削が可能である．

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