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機械学習に基づく完全自動化された骨関節三次元動態解析システムの開発

Research Project

Project/Area Number 21K09227
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (C)

Allocation TypeMulti-year Fund
Section一般
Review Section Basic Section 56020:Orthopedics-related
Research InstitutionOsaka University

Principal Investigator

佐原 亘  大阪大学, 医学部附属病院, 特任講師(常勤) (80706391)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 山崎 隆治  埼玉工業大学, 工学部, 教授 (40432546)
近田 彰治  大阪大学, 大学院医学系研究科, 助教 (80598227)
Project Period (FY) 2021-04-01 – 2025-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2023: ¥260,000 (Direct Cost: ¥200,000、Indirect Cost: ¥60,000)
Fiscal Year 2022: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000)
Fiscal Year 2021: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000)
Keywords骨関節三次元動態解析 / 機械学習
Outline of Research at the Start

整形外科患者を診察する際に痛みや患者満足度、関節の動く範囲(関節可動域)、筋力、X線やMRIなどの画像を用いて評価してきた。しかし、関節は動く臓器(運動器)であり動きの評価が痛みや機能の評価に不可欠であると考えている。
当研究室では動かしながら撮影したX線画像に三次元骨モデルを重ね合わせて三次元動態を解析する手法(2D/3D registration法)を開発し、臨床応用している。本研究では機械学習を用いて作業効率を飛躍的に向上させるシステムを開発することを目指しており、将来的には様々な運動器疾患の痛みや愁訴の原因解明やリハビリテーションへの応用など様々な現場で使用できるようになると期待する。

Outline of Annual Research Achievements

当研究室で開発したX線透視画像とCTから作成した三次元骨モデルを用いた三次元動態解析システムの問題点として、①X線透視画像から骨輪郭を抽出作業の煩雑さ、②骨輪郭抽出のために必要な各骨モデルの初期位置合わせの手間、という2つの問題点があった。①、②の問題解決のために機械学習、ディープラーニングを用いてこれらの作業の自動化を目標としている。
①研究代表者が正常人及び患者の肩関節を対象に抽出した骨輪郭画像を用いて研究協力者のもとニューラルネットワーク(CNN)を用いた画像処理し骨輪郭を自動抽出できるシステムの構築に取り組んでいる。単純な画像であれば可能になってきたが、重なり合った画像からの輪郭抽出には至っていない。
②初期位置合わせについてはこれまでの解析結果から統計的推定理論を用いた三次元位置推定を試みている。ある程度使用可能であるが、まだ実用レベルには達していない。
臨床応用については着実に進んでおり、これまでは正常人や術前の患者についての解析が中心であったが、今年度は術後の動態解析を行い、その成果は注目を集めている。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

骨輪郭の作業は2021年度からバイトを雇用して作業効率を上げる試みを取り組んでいる。作業員が減少し昨年度より作業効率が低下したものの、2023年度は20症例、約500枚の画像解析が終了しデータ活用している。
また作業効率の改善するために支援ツールを作成することも進めているが、プログラミングが完成していない。

Strategy for Future Research Activity

骨輪郭の作業については新たな作業員を雇用することを検討している。
初期位置合わせ及び輪郭抽出の処理については研究協力者とともにシステムの開発、改善を行っていく。近年AIソフトができるようになりプログラム作成の支援に活用予定である。

Report

(3 results)
  • 2023 Research-status Report
  • 2022 Research-status Report
  • 2021 Research-status Report
  • Research Products

    (12 results)

All 2023 2022 2021

All Journal Article (4 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Peer Reviewed: 4 results) Presentation (8 results) (of which Invited: 2 results)

  • [Journal Article] Mechanistic insights into glenohumeral kinematics derived from positional relationship between the contact path and humeral tuberosity2023

    • Author(s)
      Sahara Wataru、Yamazaki Takaharu、Inui Tetsuya、Hanai Hiroto、Konda Shoji、Okada Seiji
    • Journal Title

      Journal of Biomechanics

      Volume: 147 Pages: 111461-111461

    • DOI

      10.1016/j.jbiomech.2023.111461

    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] The influence of three-dimensional scapular kinematics on arm elevation angle in healthy subjects2023

    • Author(s)
      Inui Tetsuya、Sahara Wataru、Yamazaki Takaharu、Konda Shoji、Yoshio Masaharu、Sugamoto Kazuomi
    • Journal Title

      Journal of Orthopaedic Science

      Volume: 28 Issue: 2 Pages: 346-351

    • DOI

      10.1016/j.jos.2021.12.016

    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Three-dimensional kinematic features in large and massive rotator cuff tears with pseudoparesis2021

    • Author(s)
      Sahara Wataru、Yamazaki Takaharu、Inui Tetsuya、Konda Shoji
    • Journal Title

      Journal of Shoulder and Elbow Surgery

      Volume: 30 Issue: 4 Pages: 720-728

    • DOI

      10.1016/j.jse.2020.07.021

    • Related Report
      2021 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] 腱板断裂が肩関節動態に与える影響2021

    • Author(s)
      佐原 亘, 菅本 一臣
    • Journal Title

      肩関節

      Volume: 45 Pages: 36-39

    • NAID

      130008080479

    • Related Report
      2021 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] 肩鎖関節の三次元動態解析2023

    • Author(s)
      佐原亘,花井洋人,山﨑隆治,岡田誠司
    • Organizer
      第1回日本スポーツ整形外科学会学術集会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Invited
  • [Presentation] 三次元動態解析による腱板修復術後の関節内インピンジメント評価2023

    • Author(s)
      佐原亘,花井洋人
    • Organizer
      第50回日本肩関節学会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] 2D/3D registration法を用いた若年者と高齢者の肩関節3次元動態の違い2023

    • Author(s)
      乾哲也、佐原亘、吉尾雅春
    • Organizer
      第11回日本運動器理学療法学会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] 肩甲下筋の断裂範囲と相関する筋力測定方法とは2022

    • Author(s)
      佐原亘,花井洋人
    • Organizer
      第49回日本肩関節学会
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Presentation] 肩腱板断裂で偽性麻痺を呈する三次元動態の特徴2022

    • Author(s)
      6.佐原亘,山﨑隆治,乾哲也,近田彰治,花井洋人,菅本一臣,岡田誠司
    • Organizer
      第49 回日本臨床バイオメカニクス学会
    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Invited
  • [Presentation] 腱板断裂患者と健常人の肩関節動態の違い2021

    • Author(s)
      佐原亘,菅本一臣
    • Organizer
      第58回日本リハビリテーション医学会学術集会
    • Related Report
      2021 Research-status Report
  • [Presentation] 上肢挙上時の肩甲上腕関節の新しい動態メカニズム2021

    • Author(s)
      佐原亘,乾哲也,菅本一臣
    • Organizer
      第48回日本肩関節学会
    • Related Report
      2021 Research-status Report
  • [Presentation] 肩腱板広範囲断裂で偽性麻痺となる三次元動態の特徴2021

    • Author(s)
      佐原亘,菅本一臣
    • Organizer
      第5回日本リハビリテーション医学会秋季学術集会
    • Related Report
      2021 Research-status Report

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Published: 2021-04-28   Modified: 2024-12-25  

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