AI画像診断支援システムの構築～重篤な救急頭部疾患を診断・予測する～

• Project/Area Number: 20K16737
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 52040:Radiological sciences-related
• Research Institution: Juntendo University
• Principal Investigator: 菊田 潤子 順天堂大学, 医学部, 助教 (70613389)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥3,510,000 (Direct Cost: ¥2,700,000、Indirect Cost: ¥810,000); Fiscal Year 2023: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000); Fiscal Year 2022: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000); Fiscal Year 2021: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000); Fiscal Year 2020: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
• Keywords: 機械学習 / 頭部画像 / 頭部MRI / ディープラーニング / AI診断支援システム / 頭部CT画像 / ニューラルネットワーク / サイログラム

Outline of Research at the Start

本研究では次の3つの機能を有する人工知能（AI)画像認識・診断システムの構築を目指す。
（1）頭部のComputed Tomography （CT）検査の視覚的に認識できる病変を検出する。（2）頭部CT検査で得られる人間が視覚的に認識できないデータを含むサイノグラムから、画像化されない特徴量を抽出する。
（3）画像診断ナショナルデータベース（J-MID）にある年間378000件の日本人のデータから学習モデルを構築し、治療効果や重篤な合併症を事前に予測する。

Outline of Annual Research Achievements

2022年度はまず、頭部MRIを用いて大脳白質病変を検出する機械学習システムの構築を試みた。オープンデータベースOASIS-3から83名（平均68.94±7.77歳）のFLAIR画像2731枚を取得。Fazekas scaleを用いて大脳白質病変を視覚的評価し、手動で白質病変をラベリング後、訓練データ：テストデータ＝4:1に分割した。Windows10 ProのGPU上（NVIDIA RTX A5000）でSONYのNeural network consoleを用いて、U-Netモデルを構築。機械学習モデルと手動でラベリングした病変との一致率をDice係数を用いて評価した。手動でラベリングした白質病変の体積をFreeSurfer6.0.で測定し、Spearmanの順位相関係数を用いて白質病変の体積とDice係数との相関を調べた。この結果、平均Dice係数は0.687±0.104、大脳白質病変の体積とDice係数は有意な正相関を認めた（r=0.857, p＜0.001）。
次に、頭部MRIを用いて血管周囲腔を自動検出する機械学習モデルを構築した。公開データベースHuman Connectome Projectから健常者69名 (平均年齢28.87±4.06歳)のMRIを取得後、FMRIB Software Library (FSL) version6.0.上で血管周囲腔の描出を明瞭にするためT1強調像をT2強調像で除した画像を作成した。次に頭蓋骨、脳幹部、大脳基底核、大脳皮質を除去した大脳白質のみの画像を作成後、手動で血管周囲腔を抽出。教師データを訓練・検証データが4:1になるよう分割し、U-Netモデルを構築後、手動検出と自動検出された血管周囲腔との一致度を表すDice係数を用いて汎化能を評価した。この結果、大脳白質のみの画像のDice係数は平均値0.493±0.042、全脳画像のDice係数は平均値0.385±0.064で、大脳白質のみの画像のDice係数は全脳画像より有意に高かった (p=0.001) 。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

2022年度は頭部画像と機械学習モデルを用いた2つの研究を実施し、機械学習についての知識をより深めることができた。さらに、2023年2月に日本神経放射線学会での発表を行い、今後は論文作成および投稿を行っていく予定である。

Strategy for Future Research Activity

引き続き機械学習モデルについての情報収集や知識を深め、2022年度に実施した研究結果の論文作成を行う。

Research Products

• [Journal Article] Neuroimaging findings related to glymphatic system alterations in older adults with metabolic syndrome (2023)
  • Author(s): Andica Christina、Kamagata Koji、Takabayashi Kaito、Kikuta Junko、Kaga Hideyoshi、Someya Yuki、Tamura Yoshifumi、Kawamori Ryuzo、Watada Hirotaka、Taoka Toshiaki、Naganawa Shinji、Aoki Shigeki
  • Journal Title: Neurobiology of Disease Volume: 177 Pages: 105990-105990
  • DOI: 10.1016/j.nbd.2023.105990
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Glymphatic system impairment in nonathlete older male adults who played contact sports in their youth associated with cognitive decline: A diffusion tensor image analysis along the perivascular space study (2023)
  • Author(s): Morita Yuichi、Kamagata Koji、Andica Christina、Takabayashi Kaito、Kikuta Junko、Fujita Shohei、Samoyeau Thomas、Uchida Wataru、Saito Yuya、Tabata Hiroki、Naito Hitoshi、Someya Yuki、Kaga Hideyoshi、Tamura Yoshifumi、Miyata Mari、Akashi Toshiaki、Wada Akihiko、Taoka Toshiaki、Naganawa Shinji、et al.
  • Journal Title: Frontiers in Neurology Volume: 14 Pages: 1100736-1100736
  • DOI: 10.3389/fneur.2023.1100736
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Automation of a Rule-based Workflow to Estimate Age from Brain MR Imaging of Infants and Children Up to 2 Years Old Using Stacked Deep Learning (2023)
  • Author(s): Wada Akihiko、Saito Yuya、Fujita Shohei、Irie Ryusuke、Akashi Toshiaki、Sano Katsuhiro、Kato Shinpei、Ikenouchi Yutaka、Hagiwara Akifumi、Sato Kanako、Tomizawa Nobuo、Hayakawa Yayoi、Kikuta Junko、Kamagata Koji、Suzuki Michimasa、Hori Masaaki、Nakanishi Atsushi、Aoki Shigeki
  • Journal Title: Magnetic Resonance in Medical Sciences Volume: 22 Issue: 1 Pages: 57-66
  • DOI: 10.2463/mrms.mp.2021-0068
  • NAID: 130008127687
  • ISSN: 1347-3182, 1880-2206
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Feasibility of Quantitative <scp>MRI</scp> Using <scp>3D‐QALAS</scp> for Discriminating Immunohistochemical Status in Invasive Ductal Carcinoma of the Breast (2023)
  • Author(s): Amano Maki、Fujita Shohei、Takei Naoyuki、Sano Katsuhiro、Wada Akihiko、Sato Kanako、Kikuta Junko、Kuwatsuru Yoshiki、Tachibana Rina、Sekine Towa、Horimoto Yoshiya、Aoki Shigeki
  • Journal Title: Journal of Magnetic Resonance Imaging Volume: - Issue: 6 Pages: 1-8
  • DOI: 10.1002/jmri.28683
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Effects of Arterial Stiffness on Cerebral WM Integrity in Older Adults: A Neurite Orientation Dispersion and Density Imaging and Magnetization Transfer Saturation Imaging Study. (2022)
  • Author(s): Kikuta, J.; Kamagata, K.; Abe, M.; Andica, C.; Saito, Y.; Takabayashi, K.; Uchida, W.; Naito, H.; Tabata, H.; Wada, A.; Tamura, Y.; Kawamori, R.; Watada, H.; Aoki, S
  • Journal Title: American Journal of Neuroradiology Volume: 43 (12) Issue: 12 Pages: 1706-1706
  • DOI: 10.3174/ajnr.a7709
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Association of MRI Indices of Glymphatic System With Amyloid Deposition and Cognition in Mild Cognitive Impairment and Alzheimer Disease (2022)
  • Author(s): Kamagata Koji、Andica Christina、Takabayashi Kaito、Saito Yuya、Taoka Toshiaki、Nozaki Hayato、Kikuta Junko、Fujita Shohei、Hagiwara Akifumi、Kamiya Kouhei、Wada Akihiko、Akashi Toshiaki、Sano Katsuhiro、Nishizawa Mitsuo、Hori Masaaki、Naganawa Shinji、Aoki Shigeki、for the Alzheimer's Disease Neuroimaging Initiative
  • Journal Title: Neurology Volume: 99 Issue: 24
  • DOI: 10.1212/wnl.0000000000201300
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Water Diffusivity Changes Along the Perivascular Space After Lumboperitoneal Shunt Surgery in Idiopathic Normal Pressure Hydrocephalus (2022)
  • Author(s): Kikuta Junko、Kamagata Koji、Taoka Toshiaki、Takabayashi Kaito、Uchida Wataru、Saito Yuya、Andica Christina、Wada Akihiko、Kawamura Kaito、Akiba Chihiro、Nakajima Madoka、Miyajima Masakazu、Naganawa Shinji、Aoki Shigeki
  • Journal Title: Frontiers in Neurology Volume: 13 Pages: 843883-843883
  • DOI: 10.3389/fneur.2022.843883
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] An Investigation of Water Diffusivity Changes along the Perivascular Space in Elderly Subjects with Hypertension (2021)
  • Author(s): Kikuta J.、Kamagata K.、Takabayashi K.、Taoka T.、Yokota H.、Andica C.、Wada A.、Someya Y.、Tamura Y.、Kawamori R.、Watada H.、Naganawa S.、Aoki S.
  • Journal Title: American Journal of Neuroradiology Volume: 43 Issue: 1 Pages: 48-55
  • DOI: 10.3174/ajnr.a7334
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Reproducibility of diffusion tensor image analysis along the perivascular space (DTI-ALPS) for evaluating interstitial fluid diffusivity and glymphatic function: CHanges in Alps index on Multiple conditiON acquIsition eXperiment (CHAMONIX) study (2021)
  • Author(s): Taoka Toshiaki、Ito Rintaro、Nakamichi Rei、Kamagata Koji、Sakai Mayuko、Kawai Hisashi、Nakane Toshiki、Abe Takashi、Ichikawa Kazushige、Kikuta Junko、Aoki Shigeki、Naganawa Shinji
  • Journal Title: Japanese Journal of Radiology Volume: 40 Issue: 2 Pages: 147-158
  • DOI: 10.1007/s11604-021-01187-5
  • NAID: 210000187143
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 睡眠の質の低下に伴うglymphatic system機能変化 ー DTI-ALPSを用いた検討 (2023)
  • Author(s): 早川弥生 、三田剛嗣 、菊田潤子、鎌形康司 、高林海斗、内田航 、 和田昭彦、田岡俊昭、長縄慎二 、青木茂樹
  • Organizer: 第52回日本神経放射線学会、2023年2月
• [Presentation] 脳拡散MRIの超解像と画像認識AIへの影響 (2023)
  • Author(s): 和田昭彦、大塚裕次朗、明石敏昭、西澤光生、下地啓五、菊田潤子、萩原彰文、 鎌形康司、佐野勝廣、中西淳、青木茂樹
  • Organizer: 第52回日本神経放射線学会、2023年2月
• [Presentation] 頭部MRIを用いた大脳白質病変の自動検出システムの構築 (2023)
  • Author(s): 菊田潤子、陳紅かい、郭森、斎藤勇哉 、和田昭彦 、高林海斗、 内田航 、早川弥生 、鎌形康司、青木茂樹
  • Organizer: 第52回日本神経放射線学会、2023年2月
• [Presentation] Alterations in ALPS index and choroid plexus volume after lumboperitoneal shunt in patients with idiopathic normal pressure hydrocephalus. (2022)
  • Author(s): Junko Kikuta, Koji Kamagata, Toshiaki Taoka, Kaito Takabayashi, Wataru Uchida, Akihiko Wada, Kaito Kawamura, Chihiro Akiba, Madoka Nakajima, Masakazu Miyajima, Shinji Naganawa, Shigeki Aoki.
  • Organizer: ISMRM2022. May 15-20, London, UK
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] What Do We Know About Emerging Methods for Imaging The Glymphatic System? (2022)
  • Author(s): Yuichi Morita, Koji Kamagata, Kaito Takabayashi, Christina Andica, Junko Kikuta, Wataru Uchida, Toshiaki Akashi, Akihiko Wada, Toshiaki Taoka, Shinji Naganawa, Shigeki Aoki.
  • Organizer: RSNA2022. Nov. 26‐30, Chicago, USA.
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] The effect of alcohol consumption on the glymphatic system: Evaluation by diffusion tensor image analysis along the perivascular space (DTI-ALPS). (2022)
  • Author(s): Yuichi Morita, Koji Kamagata, Kaito Takabayashi, Christina Andica, Shohei Fujita, Junko Kikuta, Samoyeau Thomas, Hiroki Tabata, Hitoshi Naito, Yuki Someya, Hideyoshi Kaga, Toshiaki Akashi, Akihiko Wada, Yoshifumi Tamura, Ryuzo Kawamori, Hirotaka Watada, Toshiaki Taoka, Shinji Naganawa, Osamu Abe, Shigeki Aoki.
  • Organizer: 第50回日本磁気共鳴学会大会、2022年9月9日～11日、名古屋
• [Presentation] Effects of Arterial Stiffness on Cerebral White Matter Integrity in the Elderly. (2022)
  • Author(s): Junko Kikuta, Koji Kamagata, Masahiro Abe, Christina Andica, Yuya Saito, Kaito Takabayashi, Wataru Uchida, Hitoshi Naito, Hiroki Tabata, Yoshifumi Tamura, Akihiko Wada, Ryuzo Kawamori, Hirotaka Watada, Shigeki Aoki.
  • Organizer: 第50回日本磁気共鳴学会大会、2022年9月9日～11日、名古屋
• [Presentation] Glymphatic system activity may be disrupted in moyamoya disease: the diffusion. (2022)
  • Author(s): Shoko Hara, Junko Kikuta, Kaito Takabayashi, Koji Kamagata, Motoki Inaji, Yoji Tanaka, Tadashi Nariai, Masaaki Hori, Kenji Ishii, Toshiaki Taoka, Shinji Naganawa, Shigeki Aoki, Taketoshi Maehara.
  • Organizer: 第50回日本磁気共鳴学会大会、2022年9月9日～11日、名古屋 （学術奨励賞/ 第50回大会『臨床/疾患部門』最優秀賞受賞）
• [Presentation] もやもや病における拡散MRIを用いたGlymphatic system機能評価 (2022)
  • Author(s): 原 祥子, 菊田 潤子, 高林 海斗, 鎌形 康司, 稲次 基希, 田中 洋次, 成相 直,堀 正明, 石井 賢ニ, 田岡 俊昭, 長縄 慎二, 青木 茂樹, 前原 健寿.
  • Organizer: 日本脳神経外科学会 第81回学術総会、2022年9月28日‐10月1日
• [Presentation] 特発性正常圧水頭症のLPシャント術前後における脈絡叢体積変化の検討 (2022)
  • Author(s): 菊田 潤子、鎌形 康司、高林 海斗、内田 航、和田 昭彦、川村 海渡、秋葉 ちひろ、中島 円、宮嶋 雅一、青木 茂樹
  • Organizer: 第51回日本神経放射線学会、2022年2月18日～19日
• [Presentation] 機械学習を用いたTime-of-flight MRAからの多時相血流情報抽出の試み (2022)
  • Author(s): 和田 昭彦、赤津 敏哉、池之内 穣、藤田 翔平、明石 敏昭、守田 裕一、佐藤香菜子、菊田 潤子、鎌形 康司、中西 淳、青木 茂樹
  • Organizer: 第51回日本神経放射線学会、2022年2月18日～19日
• [Presentation] 拡散MRIによるグリンパティックシステム機能指標と脳脊髄液Aβ及び脳糖代謝能との関連 (2022)
  • Author(s): 鎌形 康司、高林 海斗、斎藤 勇哉、田岡 俊昭、野崎 隼杜、アンディカ・クリスティナ、和田 昭彦、明石 敏昭、菊田 潤子、長縄 慎二、青木 茂樹
  • Organizer: 第51回日本神経放射線学会、2022年2月18日～19日
• [Presentation] DTI-ALPSによるコンタクトスポーツ経験のある健常高齢者におけるGlymphatic systemの評価 (2022)
  • Author(s): 守田 裕一、鎌形 康司、高林 海斗、菊田 潤子、染谷 由希、明石 敏昭、和田 昭彦、長縄 慎二、田岡 俊昭、阿部 修、青木 茂樹
  • Organizer: 第51回日本神経放射線学会、2022年2月18日～19日
• [Presentation] ALPS indexを用いたもやもや病患者におけるGlymphatic system評価の試み (2022)
  • Author(s): 原 祥子、菊田 潤子、高林 海斗、鎌形 康司、田中 洋次、成相 直、堀 正明、田岡 俊昭、長縄 慎二、青木 茂樹、前原 健寿
  • Organizer: 第51回日本神経放射線学会、2022年2月18日～19日
• [Presentation] An investigation of the change in water diffusivity along the perivascular space in hypertensive patients. (2021)
  • Author(s): Junko Kikuta, Koji Kamagata, Kaito Takabayashi, Toshiaki Taoka, Hajime Yokota, Yuki Someya, Yoshifumi Tamura, Ryuzo Kawamori, Hirotaka Watada, Shinji Naganawa, and Shigeki Aoki.
  • Organizer: ISMRM2021. May 15-20th.
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Evaluation of gray matter microstructure changes by repetitive head impact in contact sports using Free Water Imaging. (2021)
  • Author(s): Yuichi Morita, Koji Kamagata, Kaito Takabayashi, Wataru Uchida, Yuya Saito, Junko Kikuta, Hideyoshi Kaga, Yuki Someya, Mari Miyata, Christina Andica, Toshiaki Akashi, Akihiko Wada, Yoshifumi Tamura, Ryuzo Kawamori, Hirotaka Watada, Shigeki Aoki.
  • Organizer: 第49回日本磁気共鳴医学会大会、2021年9月10日～12日
• [Presentation] Evaluation of Relationship between Lower Limb Muscle Strength and White Matter Microstructure by Free-Water Imaging (2021)
  • Author(s): Kaito Takabayashi, Koji Kamagata, Hideyoshi Kaga, Yuki Someya, Wataru Uchida, Christina Andica, Yuya Saito, Junko Kikuta, Toshiaki Akashi, Akihiko Wada, Yoshifumi Tamura, Ryuzo Kawamori, Hirotaka Watada, Shigeki Aoki.
  • Organizer: 第49回日本磁気共鳴医学会大会、2021年9月10日～12日
• [Presentation] ALPS index changes after surgery in idiopathic normal pressure hydrocephalus (2021)
  • Author(s): Junko Kikuta, Koji Kamagata, Kaito Takabayashi, Toshiaki Taoka, Wataru Uchida, Akihiko Wada, Kaito Kawamura, Chihiro Akiba, Madoka Nakajima, Masakazu Miyajima, Shinji Naganawa, Shigeki Aoki
  • Organizer: 第49回日本磁気共鳴医学会大会、2021年9月10日～12日
• [Presentation] Association between magnetic resonance imaging measures of glymphatic system activity in healthy elderly individuals (2021)
  • Author(s): Koji Kamagata, Toshiaki Taoka, Yuya Saito, Junko Kikuta, Hideyoshi Kaga, Yuki Someya, Christina Andica, Toshiaki Akashi, Akihiko Wada, Yoshifumi Tamura, Ryuzo Kawamori, Hirotaka Watada, Shinji Naganawa, Shigeki Aoki.
  • Organizer: 第49回日本磁気共鳴医学会大会、2021年9月10日～12日
• [Presentation] Improving the Quality of Ultrashort TE 4D MR Angiography by Machine Learning. (2021)
  • Author(s): Akihiko Wada, Yutaka Ikenouchi, Toshiya Akatsu, Toshiaki Akashi, Katsuhiro Sano, Shohei Fujita, Kanako Sato, Koji Kamagata, Junko Kikuta, Nobuo Tomizawa, Yayoi Hayakawa, Atsushi Nakanishi, Shigeki Aoki.
  • Organizer: 第49回日本磁気共鳴医学会大会、2021年9月10日～12日
• [Presentation] 小脳の区分と脳内ネットワークから脊髄小脳変性症の変性パターンの理解を深める (2021)
  • Author(s): 佐藤 香菜子, 鎌形 康司, 斎藤 勇哉, 内田 航, 菊田 潤子, 池之内 穣, 鈴木 通真, 和田 昭彦, 青木 茂樹.
  • Organizer: 第57回日本医学放射線学会秋季臨床大会. 2021年9月17日～19日
• [Presentation] 特発性正常圧水頭症術前後におけるALPS index 変化についての検討 (2021)
  • Author(s): 菊田潤子
  • Organizer: 日本磁気共鳴医学会 第3回Neurofluid スタディグループ、2021年9月16日
  • Invited
• [Presentation] 深層学習モデルを用いた乳幼児脳MRIからの年齢推定 (2021)
  • Author(s): 和田昭彦、斎藤勇哉、藤田翔平、加藤伸平、池之内穣、明石敏昭、佐野勝廣、 佐藤香菜子、菊田潤子、鎌形康司、青木茂樹
  • Organizer: 第50回日本神経放射線学会
• [Presentation] Deep Learning for Classifying White Matter Hyperintensities on Brain MRI (2020)
  • Author(s): Junko Kikuta, Akihiko Wada, Yuki Someya, Shimpei Kato, Shohei Fujita, Kanako Sato, Toshiaki Akashi, Koji Kamagata,Yoshifumi Tamura, Ryuzo Kawamori, Hirotaka Watada, Shigeki Aoki
  • Organizer: 第48回日本磁気共鳴医学会大会
• [Presentation] 大脳白質病変のGrade 分類に対するDeep learning の有用性 (2020)
  • Author(s): 菊田潤子、和田昭彦、加藤伸平、枝伸人、中嶋光、藤田哲郎、 宇田川剛史、尾崎裕、青木茂樹
  • Organizer: 第49回日本神経放射線学会
• [Book] 第51回日本神経放射線学会でダイバーシティとインクルージョンをテーマにしたシンポジウムを開催 (2022)
  • Author(s): 菊田潤子
  • Total Pages: 1
  • Publisher: インナービジョン