脳MRI定量指標の臨床応用へ：AIを用いた画像駆動型緑内障診断ソフトウェアの開発

• Project/Area Number: 21K07665
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 52040:Radiological sciences-related
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 舘脇 康子 東北大学, 加齢医学研究所, 助教 (40722202)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 瀧 靖之 東北大学, スマート・エイジング学際重点研究センター, 教授 (10375115) ; 中澤 徹 東北大学, 医学系研究科, 教授 (30361075) ; Thyreau Benjamin 東北大学, スマート・エイジング学際重点研究センター, 助教 (30709522) ; 武藤 達士 秋田県立循環器・脳脊髄センター(研究所), 脳卒中治療学研究部, 研究部長 (80462472) ; 面高 宗子 東北大学, 医学系研究科, 助教 (80569583)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000); Fiscal Year 2023: ¥390,000 (Direct Cost: ¥300,000、Indirect Cost: ¥90,000); Fiscal Year 2022: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2021: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
• Keywords: 緑内障 / MRI / AI / 早期発見

Outline of Research at the Start

緑内障では網膜だけではなく中枢視路である視神経から大脳視覚野にまで体系的に変性が及び、MRI技術を用いてこれらの変化を詳細に可視化・定量化する試みが行われているが、未だ臨床応用には至っていない。本研究は脳MRI画像から得られる視野障害の程度を反映する定量指標を、客観的な新たな視機能評価法として臨床応用することを目指す。本研究では既存の知見をもとに脳MRI情報から視機能を予測するモデル構築を行い、さらにAIを活用して高精度の診断性能を持つソフトウェア開発を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

緑内障は本邦において推計400万人が罹患する老年病であり、網膜神経節細胞脱落部位に応じた進行性の視野障害を特徴とする。緑内障では網膜だけではなく中枢視路である視神経から大脳視覚野にまで体系的に変性が及び、MRI技術を用いてこれらの変化を詳細に可視化・定量化する試みが行われているが、未だ臨床応用には至っていない。本研究は脳MRI画像から得られる視野障害の程度を反映する定量指標を、客観的な新たな視機能評価法として臨床応用することを目指す。
本研究は既存の知見をもとに脳MRI情報から視機能を予測するモデル構築を行い、さらにAIを活用して高精度の診断性能を持つソフトウェア開発を目指したものである。
当該年度では既存の緑内障縦断MRIデータベースの約280症例のデータを用いて、画像解析プログラム開発として、解剖学的3次元T1強調像をFreeSurferにてparcellationを行い、関心領域である後頭葉視覚野をcropして、視野検査の詳細なデータと整合性のある統計モデル作成をを行った。200症例の関心領域の皮質体積を入力、視野情報を学習データとして、関心領域の皮質体積から視野を予測するAIプログラムをCNNを用いて作成した。結果、予測能はまだ十分とは言えず、学習データの少なさが課題として残った。
今後は、公開データベースなどを利用して、学習データを増やして再度プログラム作成を試すほか、他の有効な統計モデルの探索を行い、実装できるレベルのプログラム開発を目指す。

Current Status of Research Progress

4: Progress in research has been delayed.

Reason

AIプログラム作成のための学習データ数が不十分であったことが要因として挙げられる。

Strategy for Future Research Activity

今後は、公開データベースなどを利用して、学習データを増やして再度プログラム作成を試すほか、他の有効な統計モデルの探索を行い、実装できるレベルのプログラム開発を目指す。

Research Products

• [Journal Article] Brain atrophy in normal older adult links tooth loss and diet changes to future cognitive decline (2024)
  • Author(s): Nakamura H, Noguchi-Shinohara M, Ishimiya-Jokaji M, Kobayashi Y, Isa M, Ide K, Kawano T, Kawashiri S, Uchida K, Tatewaki Y, Taki Y, Ohara T, Ninomiya T, Ono K.
  • Journal Title: NPJ Aging Volume: 10 Issue: 1 Pages: 1-10
  • DOI: 10.1038/s41514-024-00146-4
  • URL: https://u-ryukyu.repo.nii.ac.jp/records/2020694
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Late-Life High Blood Pressure and Enlarged Perivascular Spaces in the Putaminal Regions of Community-Dwelling Japanese Older Persons (2024)
  • Author(s): Tachibana A, Iga JI, Tatewaki Y, Thyreau B, Chen H, Ozaki T, Yoshida T, Yoshino Y, Shimizu H, Mori T, Furuta Y, Shibata M, Ohara T, Hata J, Taki Y, Nakaji S, Maeda T, Ono K, Mimura M, Nakashima K, Takebayashi M, Ninomiya T, Ueno SI; JPSC-AD study group
  • Journal Title: J Geriatr Psychiatry Neurol Volume: 37 Issue: 1 Pages: 61-72
  • DOI: 10.1177/08919887231195235
• [Journal Article] Tohoku Medical Megabank Brain Magnetic Resonance Imaging Study: Rationale, Design, and Background (2023)
  • Author(s): Taira M, Mugikura S, Mori N, Hozawa A, Saito T, Nakamura T, Kiyomoto H, Kobayashi T, Ogishima S, Nagami F, Uruno A, Shimizu R, Kobayashi T, Yasuda J, Kure S, Sakurai M, Motoike IN, Kumada K, Nakaya N, Obara T, Oba K, Sekiguchi A, Thyreau B, Mutoh T, Takano Y, Abe M, Maikusa N, Tatewaki Y, Taki Y, et.al.
  • Journal Title: JMA Journal Volume: 6 Issue: 3 Pages: 246-264
  • DOI: 10.31662/jmaj.2022-0220
  • ISSN: 2433-328X, 2433-3298
  • Year and Date: 2023-07-14
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Association between frequency of social contact and brain atrophy in community-dwelling older people without dementia: the JPSC-AD Study. (2023)
  • Author(s): Hirabayashi N, Honda T, Hata J, Furuta Y, Shibata M, Ohara T, Tatewaki Y, Taki Y, Nakaji S, Maeda T, Ono K, Mimura M, Nakashima K, Iga JI, Takebayashi M, Ninomiya T; as the Japan Prospective Studies Collaboration for Aging and Dementia (JPSC-AD) Study
  • Journal Title: Neurology Volume: 101 Issue: 11 Pages: 1-1
  • DOI: 10.1212/wnl.0000000000207602
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Impact of hs-CRP concentration on brain structure alterations and cognitive trajectory in Alzheimer’s disease (2023)
  • Author(s): Zhang Ye、Tatewaki Yasuko、Nakase Taizen、Liu Yingxu、Tomita Naoki、Thyreau Benjamin、Zheng Haixia、Muranaka Michiho、Takano Yumi、Nagasaka Tatsuo、Taki Yasuyuki
  • Journal Title: Frontiers in Aging Neuroscience Volume: 15 Pages: 1227325-1227325
  • DOI: 10.3389/fnagi.2023.1227325
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Pretreatment with tadalafil attenuates cardiotoxicity induced by combretastatin A4 disodium phosphate in rats (2023)
  • Author(s): Nagashima Y, Tochinai R, Sekizawa SI, Kato D, Nakagawa T, Tsuru Y, Tatewaki Y, Mutoh T, Taki Y, Kuwahara M
  • Journal Title: Journal of Toxicologic Pathology Volume: 36 Issue: 3 Pages: 151-158
  • DOI: 10.1293/tox.2022-0143
  • ISSN: 0914-9198, 1881-915X
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Impact of atrial fibrillation on the cognitive decline in Alzheimer's disease. (2023)
  • Author(s): Nakase T, Tatewaki Y, Thyreau B, Odagiri H, Tomita N, Yamamoto S, Takano Y, Muranaka M, Taki Y.
  • Journal Title: Alzheimers Research and Therapy Volume: 15 Issue: 1 Pages: 1-8
  • DOI: 10.1186/s13195-023-01165-1
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Association between Gray and White Matter Lesions and Its Involvement in Clinical Symptoms of Alzheimer’s-Type Dementia (2023)
  • Author(s): Nakase Taizen、Thyreau Benjamin、Tatewaki Yasuko、Tomita Naoki、Takano Yumi、Muranaka Michiho、Taki Yasuyuki
  • Journal Title: Journal of Clinical Medicine Volume: 12 Issue: 24 Pages: 7642-7642
  • DOI: 10.3390/jcm12247642
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Co-administration of JQ1, a bromodomain-containing protein 4 inhibitor, enhances the antitumor effect of combretastatin A4, a microtubule inhibitor, while attenuating its cardiotoxicity (2023)
  • Author(s): Orihara Haruka、Ma Min、Nagashima Yoshiyasu、Tochinai Ryota、Sekizawa Shin-ichi、Kato Daiki、Shinada Masahiro、Aoki Susumu、Fujita Naoki、Nakagawa Takayuki、Tsuru Yoshiharu、Tatewaki Yasuko、Mutoh Tatsushi、Taki Yasuyuki、Nishimura Ryohei、Kuwahara Masayoshi
  • Journal Title: Biomedicine & Pharmacotherapy Volume: 160 Pages: 114353-114353
  • DOI: 10.1016/j.biopha.2023.114353
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] MRIによる緑内障患者の脳構造変化と機能 (2023)
  • Author(s): 舘脇康子
  • Journal Title: 眼科 Volume: 65 Pages: 1421-1426
• [Journal Article] Higher‐resolution quantification of white matter hypointensities by large‐scale transfer learning from 2D images on the JPSC‐AD cohort (2022)
  • Author(s): Thyreau B、Tatewaki Y、Chen Li、Takano Y、Hirabayashi N、Furuta Y、Ninomiya T、Taki Y、et.al. and Japan Prospective Studies Collaboration for Aging and Dementia (JPSC‐AD) Study Group
  • Journal Title: Human Brain Mapping Volume: 43 Issue: 13 Pages: 3998-4012
  • DOI: 10.1002/hbm.25899
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Impact of Catheter Ablation on Brain Microstructure and Blood Flow Alterations for Cognitive Improvements in Patients with Atrial Fibrillation: A Pilot Longitudinal Study (2022)
  • Author(s): Tatewaki Yasuko、Mutoh Tatsushi、Sato Hirokazu、Kobayashi Akiko、Totsune Tomoko、Thyreau Benjamin、Sekiguchi Atsushi、Nakase Taizen、Yagi Tetsuo、Taki Yasuyuki
  • Journal Title: Journal of Clinical Medicine Volume: 11 Issue: 15 Pages: 4346-4346
  • DOI: 10.3390/jcm11154346
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Alzheimer’s Disease and Type 2 Diabetes Mellitus: The Use of MCT Oil and a Ketogenic Diet. (2021)
  • Author(s): Takeishi J, Tatewaki Y, Nakase T, Takano Y, Tomita N, Yamamoto S, Mutoh T, Taki Y.
  • Journal Title: Int J Mol Sci. Volume: 22 Issue: 22 Pages: 12310-12310
  • DOI: 10.3390/ijms222212310
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] 認知症の一次予防、二次予防を目指した最新MRI画像解析-AIとモルフォロジー解析の活用 (2021)
  • Author(s): 舘脇康子, 瀧靖之
  • Journal Title: Clinical Neuroscience Volume: 39 Pages: 1251-1253
• [Journal Article] Defining the Optimal Method for Measuring Metabolic Tumor Volume on Preoperative 18 F-Fluorodeoxyglucose-Positron Emission Tomography/Computed Tomography as a Prognostic Predictor in Patients With Pancreatic Ductal Adenocarcinoma (2020)
  • Author(s): Tatewaki Y, Terao MC, Ariake K, Saito R, Mutoh T, Shimomura H, Motoi F, Mizuma M, Odagiri H, Unno M, Taki Y
  • Journal Title: Front Oncol. Volume: 11 Pages: 646141-646141
  • DOI: 10.3389/fonc.2021.646141
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 18F-FDG PET-CTを用いた中鎖脂肪酸摂取が筋糖代謝に与える影響についての検討 (2023)
  • Author(s): 片岡洋樹、舘脇康子、國時景子、壱岐ひかり、中瀬泰然、渡邉慎一、荒井千絵、伏見達也、瀧靖之
  • Organizer: 第10回サルコペニア・フレイル学会
• [Presentation] Impact of MCT and dietary diversity on brain metabolism and network in healthy older adults (2023)
  • Author(s): Kataoka H, Tatewaki Y, Iki H, Kunitoki K, Watanabe S, Arai C, Fushimi T, Zhang Y, Zulkifli RE, Nakase T, Taki Y
  • Organizer: OHBM 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Association between cortical lesions and white matter lesions in clinical symptoms of Alzheimer’s disease (2023)
  • Author(s): Nakase T, Thyreau B, Tatewaki Y, Tomita N, Takano Y, Muranaka M, Taki Y.
  • Organizer: World Congress of Neurology 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Association Between Dietary Patterns and Prevalence of Dementia in Large-Scale Elderly Japanese Population by Higher-Resolution Quantification of White Matter Lesions (2023)
  • Author(s): Chen L, Tatewaki Y, Thyreau B, Uchida K, Iki H, Nakaji S, Maeda T, Noguchi-Shinohara M, Mimura M, Nakashima K, Iga J, Takebayashi M, Ninomiya T, Taki Y and JPSC-AD Study Group
  • Organizer: 19th European Union Geriatric Medicine Society
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Increased serum calcium and gray matter alerations in Alzheimser’s disease (2023)
  • Author(s): 郭涛, Tatewaki Y, Zhang Y, Zhang Y, Takano Y, Tomita N, Muranaka M, Nakase T, Taki Y
  • Organizer: 第42回日本認知症学会学術集会
• [Presentation] 臨床的アルツハイマー病疑い患者におけるアミロイドPETとSPECT-MMSEの関連性の検討 (2023)
  • Author(s): 山崎真瞳子、舘脇康子、中瀬泰然、村中美千帆、髙野由美、冨田尚希、児玉裕康、瀧靖之
  • Organizer: 第42回日本認知症学会学術集会
• [Presentation] Brain at risk：socioeconomic-lifestyle burden on Japanese and Swedish female (2023)
  • Author(s): Liu Y, Tatewaki Y, Thyreau B, Zhang Y, Boraxbekk B, Hidaka Y, Kajitani Y, Kajitani S, Takebayashi M, Ninomiya T, Taki Y, Karalija N.
  • Organizer: 第42回日本認知症学会学術集会
• [Presentation] CRP trajectory patterns and cognitive function in Alzheimer’s disease (2023)
  • Author(s): 張燁、Tatewaki Y, Tomita N, Taki Y.
  • Organizer: 第42回日本認知症学会学術集会
• [Presentation] 白質病変の定量化による日本人大規模高齢者集団の食事パターンと認知症に関する研究 (2023)
  • Author(s): 陳俐穎、舘脇康子、Benjamin Thyreau、内田和宏、壹岐ひかり、中瀬泰然、中路重之、前田哲也、野口・篠原もえ子、三村將、中島健二、伊賀淳一、竹林実、二宮利治、瀧靖之、JPSC-AD
  • Organizer: 第42回日本認知症学会学術集会
• [Presentation] シンポジウム３：JPSC-ADの脳MRI画像データベース構築とそのAIによる実装 (2023)
  • Author(s): 舘脇康子
  • Organizer: 第42回日本認知症学会学術集会
  • Invited
• [Presentation] シンポジウム１：MRIによる略内相患者の脳構造変化と機能について (2023)
  • Author(s): 舘脇康子
  • Organizer: 第12回日本視野画像学会学術集会
  • Invited
• [Presentation] 発症の10年以上前からのFDG-PET画像で変遷を追跡できたアルツハイマー病の１例 (2023)
  • Author(s): 髙野由美、舘脇康子、村中美千帆、冨田尚希、中瀬泰然、瀧 靖之、荒井晃、村中英雄、山口龍生
  • Organizer: 第228回 日本内科学会東北地方会
• [Presentation] Appropriate Parenting Style To Improve Children's Creativity Differs Depending On The Child's E-S Cognitive Style (2023)
  • Author(s): Radiztia Ekayantri Zulkifli, Yasuko Tatewaki, Izumi Matsudaira, Hikaru Takeuchi, Ryuta Kawashima, Yasuyuki Taki.
  • Organizer: 第25回 日本ヒト脳機能マッピング学会
• [Presentation] MRIを用いた緑内障患者の経時的な脳構造変化の検討。 (2022)
  • Author(s): 山田晃生、面高 宗子、舘脇 康子、松平 泉、瀧 靖之、中澤 徹
  • Organizer: 第76回日本臨床眼科学会
  • Invited
• [Presentation] MRIを用いた緑内障患者の経時的な脳構造変化の検討。 (2022)
  • Author(s): 山田晃生、面高 宗子、舘脇 康子、松平 泉、瀧 靖之、中澤 徹
  • Organizer: 第126回日本眼科学会総会
• [Presentation] 緑内障患者の眼科指標と脳海馬体積との関連に関する検討 (2022)
  • Author(s): 山田晃生、面高 宗子、舘脇 康子、松平 泉、瀧 靖之、中澤 徹
  • Organizer: 第33回日本緑内障学会
• [Presentation] AI技術を用いた脳MRI画像による脳の健康状態へのアプローチ (2022)
  • Author(s): 舘脇康子
  • Organizer: 第7回母と子のメンタルヘルスフォーラムin 埼玉
  • Invited
• [Presentation] Impact of social activity on depressive symptoms and brain regional gray matter. (2021)
  • Author(s): Yingxu Liu, Benjamin Thyreau, Yasuko Tatewaki, Ye Zhang, Izumi Matsudaira, Yuji Takano, Naoki Hirabayashi, Yoshihiko Furuta, Jun Hata, Toshiharu Ninomiya, Yasuyuki Taki.
  • Organizer: 第40回日本認知症学会
• [Presentation] アルツハイマー病の進行に関与する便秘の影響についての検討. (2021)
  • Author(s): 中瀬泰然, 舘脇康子, Thyreau Benjamin, 武藤達士, 冨田尚希, 山本修三, 髙野由美, 村中美千帆, 瀧靖之.
  • Organizer: 第40回日本認知症学会
• [Presentation] 認知症病態に関わる心房細動の影響についての検討. (2021)
  • Author(s): 中瀬泰然, 竹石潤平, 舘脇康子, Thyreau Benjamin, 武藤達士, 冨田尚希, 山本修三, 髙野由美, 村中美千帆, 瀧靖之.
  • Organizer: 第40回日本認知症学会
• [Presentation] コロナワクチン接種後に多臓器の障害が見られた高齢認知症の1例. (2021)
  • Author(s): 村中美千帆, 冨田尚希, 中瀬泰然, 髙野由美, 山本修三, 舘脇康子, 武藤達士, 瀧靖之.
  • Organizer: 第32回日本老年医学会東北地方会
• [Presentation] 1.Altruistic Social Activity Impacts on Depressive Symptoms and Brain Regional Gray Matter Volume: Voxel-Based Morphometry Analysis from 8695 Old Adults. (2021)
  • Author(s): LIU Y, Zhang Y, Tatewaki Y, Matsudaira I, Takano Y, Hirabayashi N, Furuta Y, Hata J, Ninomiya T, Taki Y.
  • Organizer: 第16回生命医科学研究所ネットワーク国際シンポジウム
• [Presentation] 位相差強調画像化法におけるアミロイド斑評価の精度・再現性の向上：モルフォロジー演算の応用 (2021)
  • Author(s): 荒井晃、舘脇康子、米田哲也、武藤達士、Benjamin Thyreau, 石木愛子, 永坂竜男、明石敏昭、荒井啓行、瀧靖之
  • Organizer: 第80回日本医学放射線学会総会
• [Presentation] Voxel-based morphometry reveals cerebellar brain volume differences associated with subclinical ADHD. (2021)
  • Author(s): Asaoka H, Tatewaki Y, Matsudaira I, Takeuchi H, Kawashima R, Taki Y.
  • Organizer: The Organization for Human Brain Mapping annualmeeting The 27th
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Voxel-Based Morphometry Reveals That Different Subtypes of Bully Victimization Have Different Effects on the Brain. (2021)
  • Author(s): Fujiwara S, Matsudaira I, Tatewaki Y, Takeuchi H, Kawashima R, Taki Y.
  • Organizer: the American Academy of Child & Adolescent Psychiatry annualmeeting The 68th
  • Int'l Joint Research
• [Patent(Industrial Property Rights)] 磁気共鳴イメージング装置及び画像処理装置 (2023)
  • Inventor(s): 山形仁、舘脇康子、テイローバンジャマンギョームジュリアン
  • Industrial Property Rights Holder: 山形仁、舘脇康子、テイローバンジャマンギョームジュリアン
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Filing Date: 2023
  • Overseas
• [Patent(Industrial Property Rights)] 画像処理方法、プログラム、及び画像処理装置 (2022)
  • Inventor(s): 荒井晃、舘脇康子、米田哲也
  • Industrial Property Rights Holder: 荒井晃、舘脇康子、米田哲也
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Filing Date: 2022
  • Overseas
• [Patent(Industrial Property Rights)] 画像処理方法、プログラム、および画像処理装置 (2022)
  • Inventor(s): 舘脇康子、荒井晃、米田哲也
  • Industrial Property Rights Holder: 舘脇康子、荒井晃、米田哲也
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Filing Date: 2022
  • Overseas