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Sptatiotemporal statistical model for predicting temporal changes in medical images

Research Project

Project/Area Number 19K20291
Research Category

Grant-in-Aid for Early-Career Scientists

Allocation TypeMulti-year Fund
Review Section Basic Section 61010:Perceptual information processing-related
Research InstitutionTokyo University of Agriculture and Technology

Principal Investigator

斉藤 篤  東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (10781445)

Project Period (FY) 2019-04-01 – 2021-03-31
Project Status Discontinued (Fiscal Year 2020)
Budget Amount *help
¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
Fiscal Year 2020: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
Fiscal Year 2019: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
Keywords時空間統計モデル / 深層学習 / 生成モデル / 解剖学 / 計算機支援診断 / 医用画像
Outline of Research at the Start

人工知能を用いた医用画像の支援診断においては、人体の統計モデル、すなわち個体間での臓器形状などの「空間的」ばらつきを説明する数理モデルが不可欠である。しかしながら、実際には人体の解剖は「時間的」にも変化する。各個体の時間変化を説明可能な「時空間統計モデル」の構築法は、これまで十分に研究されていない。医用画像においては、同一個体に対して繰り返し撮影された「縦断的データ」に基づく解析は、データ収集の観点から困難である。そこで本研究では、深層学習をはじめとする機械学習技術に基づき、症例間の対応のない大量の「横断的データ」の蓄積から、個人の解剖構造の時間変化を予測可能な時空間統計モデルの構築を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

医用画像を対象とした多くのコンピュータ支援診断技術において「人体の統計モデル」,すなわち個体間での臓器形状やテクスチャの「空間的」ばらつきを説明する数理モデルが不可欠である.しかしながら,ヒト胚子や小児など,発生や成長を伴う対象を扱う場合,それらの時間的変化が無視できない.本研究では,特定の時点での「空間的」変動だけでなく,各個体が「時間的」にどのように変化するかを説明可能な「時空間統計モデル」の構築法の開発および診断支援への応用を目的とする.成果の概要は以下のとおりである。
①時空間統計モデル構築手法の開発(2019年度):3次元の肝臓形状とCT画像における肺野テクスチャそれぞれに対して,深層学習に基づいた生成モデルを提案し,従来の生成モデルよりも優れていることを明らかにした.また,ランドマークの発生に対応可能な,ヒト胚子の点群に対する時空間統計モデル構築法を提案した.
②時空間統計モデルの応用(2020年度):時空間統計モデルの画像セグメンテーションへの応用に取り組んだ.具体的には,臓器セグメンテーション用のニューラルネットワークの学習において,時空間統計形状モデル(日齢を条件とする条件付き統計形状モデル)を用いた正則化手法を提案し,その有用性を実証した.その他,時空間統計解析技術を応用し,ヒトの胎児期の顔面骨格に対する3次元形態解析にも貢献した.
③評価用データセットの構築(2019~2020年度):国際小児病院(米国)の協力のもとで,高解像度かつ縦断的に撮影された小児の時系列MR画像を収集し,肝臓領域の正解ラベルを作成した.時刻間での非線形画像位置合わせを用いた半自動セグメンテーションによる作業の効率化を図り,全被検者に対する肝臓の正解ラベルの作成を完了した.これにより,時空間統計モデルの「経時変化の予測モデル」としての性能を定量的に評価する準備が整った.

Report

(2 results)
  • 2020 Annual Research Report
  • 2019 Research-status Report
  • Research Products

    (8 results)

All 2021 2020 2019 Other

All Int'l Joint Research (2 results) Journal Article (1 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 1 results,  Open Access: 1 results) Presentation (5 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results)

  • [Int'l Joint Research] Children's National Medical Center(米国)

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Int'l Joint Research] Children's National Medical Center(米国)

    • Related Report
      2019 Research-status Report
  • [Journal Article] A 3D Analysis of Growth Trajectory and Integration During Early Human Prenatal Facial Growth2021

    • Author(s)
      Katsube M, Yamada S, Vora S, Takahashi N, Yamaguchi Y, Takakuwa T, Yamamoto A, Imai H, Saito A, Morimoto N.
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: in press Issue: 1 Pages: 6867-6867

    • DOI

      10.1038/s41598-021-85543-5

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Presentation] Liver segmentation from pediatric CT volumes using fully convolutional network with shape regularization by conditional statistical shape model2020

    • Author(s)
      Yumiko Tanaka, Atsushi Saito, Marius George Linguraru, Akinobu Shimizu
    • Organizer
      Computer Assisted Radiology and Surgery
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Liver segmentation from pediatric CT volumes using fully convolutional network with shape regularization by conditional statistical shape model2020

    • Author(s)
      Yumiko Tanaka, Atsushi Saito, Marius George Linguraru, Akinobu Shimizu
    • Organizer
      Computer Assisted Radiology and Surgery (CARS)
    • Related Report
      2019 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] ヒト胚子の解剖学的ランドマークの統計モデルの改良2020

    • Author(s)
      新城葵,斉藤篤,高桑徹也,山田重人,本谷秀堅,松添博,宮内翔子,諸岡健一,清水昭伸
    • Organizer
      医用画像研究会(MI)
    • Related Report
      2019 Research-status Report
  • [Presentation] Spatiotemporal statistical model of anatomical landmarks on a human embryonic brain2019

    • Author(s)
      Aoi Shinjo, Atushi Saito, Tetsuya Takakuwa, Shigehito Yamada, Hidekata Hontani, Hiroshi Matsuzoe, Shoko Miyauchi, Ken'ichi Morooka, Akinobu Shimizu
    • Organizer
      MICCAI 2019 Workshop on Clinical Image-based Procedures (CLIP)
    • Related Report
      2019 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] サイクル損失を用いた3次元胸部CT像の超解像2019

    • Author(s)
      河合良亮,斉藤篤,木戸尚治,稲井邦博,木村浩彦,清水昭伸
    • Organizer
      第38回日本医用画像工学会大会
    • Related Report
      2019 Research-status Report

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Published: 2019-04-18   Modified: 2022-12-28  

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