股関節X線画像から大腿骨近位部骨密度を推定するシステムの構築

• Project/Area Number: 21K16655
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 56020:Orthopedics-related
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 上村 圭亮 大阪大学, 大学院医学系研究科, 寄附講座講師 (70871367)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000); Fiscal Year 2023: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2022: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2021: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000)
• Keywords: 骨粗鬆症 / 人工知能 / 骨密度予測 / 骨塩定量 / 深層学習 / 仮想Ｘ線 / DXA / 骨密度計測 / ビッグデータ

Outline of Research at the Start

骨粗鬆症の早期診断、治療介入は将来の骨折予防や骨折に続発する日常生活動作の低下に対して有用である。通常、骨粗鬆症はDual-energy X-ray absorptiometry(DXA)によって計測される骨密度によって診断されるが、DXAへのアクセスが限定されることもあり、正確に診断されていない症例も多い。本研究では日常臨床で撮影される股関節のX線画像に対して人工知能の一種である深層学習を用い、股関節X線から骨密度を正確に計測し、骨粗鬆症の診断を行うシステムを開発する。

Outline of Annual Research Achievements

骨粗鬆症の診断にはDual-energy X-ray absorptiometry (DXA)による骨密度測定が推奨されている。しかし、DXAを導入している施設は限定的であるため、骨粗鬆症の診断や続発する脆弱性骨折の予防が十分に行われていないのが現状である。
本研究ではDXA、X線画像、CT画像が整理されたデータセットを用い、日常診療でアクセスの容易なX線一般撮影装置を用いて撮影された股関節X線画像から骨密度を推定するシステムを構築することを目的とした。
データセット解析には近年飛躍的に発展してきた人工知能を用い、X線画像から抽出した骨領域のみの画像をもとに骨密度を推定するモデルを作成することとした。300例を用いて学習データを作成し、完成したモデルを多施設の1400例以上にて検証したところ、股関節X線より計測した骨密度値とDXAによって計測した値との間に0.9以上の非常に強い相関を認めた。そのため、結果をまとめ、学会発表、論文発表を行った。

Research Products

• [Journal Article] Decomposition of musculoskeletal structures from radiographs using an improved CycleGAN framework (2023)
  • Author(s): Nakanishi Naoki、Otake Yoshito、Hiasa Yuta、Gu Yi、Uemura Keisuke、Takao Masaki、Sugano Nobuhiko、Sato Yoshinobu
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 13 Issue: 1
  • DOI: 10.1038/s41598-023-35075-x
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Development and validation of an open-source tool for opportunistic screening of osteoporosis from hip CT images (2023)
  • Author(s): Uemura Keisuke、Otake Yoshito、Takashima Kazuma、Hamada Hidetoshi、Imagama Takashi、Takao Masaki、Sakai Takashi、Sato Yoshinobu、Okada Seiji、Sugano Nobuhiko
  • Journal Title: Bone & Joint Research Volume: 12 Issue: 9 Pages: 590-597
  • DOI: 10.1302/2046-3758.129.bjr-2023-0115.r1
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] The effect of forearm rotation on the bone mineral density measurements of the distal radius (2023)
  • Author(s): Uemura Keisuke、Miyamura Satoshi、Otake Yoshito、Mae Hirokazu、Takashima Kazuma、Hamada Hidetoshi、Ebina Kosuke、Murase Tsuyoshi、Sato Yoshinobu、Okada Seiji
  • Journal Title: Journal of Bone and Mineral Metabolism Volume: 42 Issue: 1 Pages: 37-46
  • DOI: 10.1007/s00774-023-01473-4
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Bone mineral density estimation from a plain X-ray image by learning decomposition into projections of bone-segmented computed tomography (2023)
  • Author(s): Gu Yi、Otake Yoshito、Uemura Keisuke、Soufi Mazen、Takao Masaki、Talbot Hugues、Okada Seiji、Sugano Nobuhiko、Sato Yoshinobu
  • Journal Title: Medical Image Analysis Volume: 90 Pages: 102970-102970
  • DOI: 10.1016/j.media.2023.102970
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Development of a system to assess the two- and three-dimensional bone mineral density of the lumbar vertebrae from clinical quantitative CT images (2023)
  • Author(s): Uemura K, Fujimori T, Otake Y, Shimomoto Y, Kono S, Takashima K, Hamada H, Takenaka S, Kaito T, Sato Y, Sugano N, Okada S.
  • Journal Title: Arch Osteoporos. Volume: 18 Issue: 1 Pages: 22-22
  • DOI: 10.1007/s11657-023-01216-y
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] The effect of patient positioning on measurements of bone mineral density of the proximal femur: a simulation study using computed tomographic images (2023)
  • Author(s): Uemura K, Takao M, Otake Y, Takashima K, Hamada H, Ando W, Sato Y, Sugano N.
  • Journal Title: Arch Osteoporos. Volume: 18 Issue: 1 Pages: 35-35
  • DOI: 10.1007/s11657-023-01225-x
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 特集 整形外科画像診断･評価の進歩 Ⅱ.CT 3.CTを用いた骨密度測定 (2022)
  • Author(s): 上村圭亮, 高尾正樹, 大竹義人, 佐藤嘉伸, 菅野伸彦
  • Journal Title: 整形外科 Volume: 73 Issue: 6 Pages: 557-560
  • DOI: 10.15106/j_seikei73_557
  • ISSN: 0030-5901, 2432-9444
  • Year and Date: 2022-05-25
• [Journal Article] The Effect of Region of Interest on Measurement of Bone Mineral Density of the Proximal Femur: Simulation Analysis Using CT Images (2022)
  • Author(s): Uemura K, Takao M, Otake Y, Iwasa M, Hamada H, Ando W, Sato Y, Sugano N.
  • Journal Title: Calcif Tissue Int. Volume: 111 Issue: 5 Pages: 475-484
  • DOI: 10.1007/s00223-022-01012-9
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Development of an open-source measurement system to assess the areal bone mineral density of the proximal femur from clinical CT images (2022)
  • Author(s): Uemura, K., Otake, Y., Takao, M., Makino, H., Soufi, M., Iwasa, M., Sugano, N. and Sato, Y.
  • Journal Title: Archives of Osteoporosis Volume: 17(1) Issue: 1 Pages: 17-17
  • DOI: 10.1007/s11657-022-01063-3
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] DEVELOPMENT OF A FULL-AUTOMATED SYSTEM TO ASSESS THE BONE MINERAL DENSITY OF THE PROXIMAL FEMUR FROM CLINICAL CT IMAGES (2023)
  • Author(s): Keisuke Uemura, Yoshito Otake, Mazen Soufi, Takashima Kazuma, Hamada Hidetoshi, Takashi Imagama, Masaki Takao, Takashi Sakai, Yoshinobu Sato, Seiji Okada, Nobuhiko Sugano
  • Organizer: WCO-IOF-ESCEO
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] HIP X-RAYS USED TO DETERMINE THE BONE MINERAL DENSITY OF THE PROXIMAL FEMUR (2023)
  • Author(s): Keisuke Uemura, Yi Gu, Yoshito Otake, Takashima Kazuma, Hamada Hidetoshi, Makoto Iwasa, Takayuki Kyo, Hirohito Abe, Wataru Ando, Takashi Imagama, Masaki Takao, Takashi Sakai, Yoshinobu Sato, Seiji Okada, Nobuhiko Sugano
  • Organizer: WCO-IOF-ESCEO
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 上村圭亮、大竹義人、谷懿、高嶋和磨、濱田英敏、高尾正樹、佐藤嘉伸、菅野伸彦、岡田誠司 (2023)
  • Author(s): 整形外科医の行うAI研究
  • Organizer: 日本生体医工学学会
  • Invited
• [Presentation] 股関節X線画像から大腿骨近位部の骨密度測定―多施設共同研究― (2023)
  • Author(s): 上村圭亮、谷懿、大竹義人、高嶋和磨、濱田英敏、岩佐諦、許太如、阿部裕仁、安藤渉、今釜崇、高尾 正樹、坂井孝司、佐藤 嘉伸、岡田誠司、菅野 伸彦
  • Organizer: 日本骨粗鬆症学会
• [Presentation] Measurement of the areal and volumetric bone mineral density of the proximal femur from hip X-rays (2023)
  • Author(s): Keisuke Uemura, Yi Gu, Yoshito Otake, Hirokazu Mae, Takashima Kazuma, Hamada Hidetoshi, Takashi Imagama, Takashi Sakai, Yoshinobu Sato, Nobuhiko Sugano, Seiji Okada
  • Organizer: AFOS
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 股関節X線画像からの大腿骨近位部2D,3D骨密度計測 (2023)
  • Author(s): 上村 圭亮、谷懿、大竹 義人、前裕和、高嶋和磨、濱田英敏、高尾正樹、佐藤 嘉伸、菅野 伸彦、岡田誠司
  • Organizer: 日本整形外科学会基礎学会
• [Presentation] AIを用いた股関節CT画像、X線画像からの筋骨格計測 (2023)
  • Author(s): 上村 圭亮、谷懿、Soufi Mazen、高嶋和磨、濱田英敏、大竹 義人、 高尾正樹、佐藤 嘉伸、岡田誠司、菅野 伸彦
  • Organizer: 日本股関節学会
• [Presentation] 股関節正面X線画像からの骨密度計測 (2023)
  • Author(s): 上村圭亮、谷懿、大竹義人、前裕和、高嶋和磨、濱田英敏、今釜崇、坂井孝司、佐藤嘉伸、菅野伸彦、岡田誠司
  • Organizer: 日本コンピューター外科学会
• [Presentation] CT画像を用いた大腿骨近位部の骨密度自動計測システムの構築―多施設共同研究― (2023)
  • Author(s): 上村 圭亮、大竹 義人、Mazen Soufi、箱谷 知輝、河野 壮太郎、高嶋 和磨、濱田 英敏、今釜 崇、高尾 正樹、坂井 孝司、佐藤 嘉伸、菅野 伸彦
  • Organizer: 第52回日本人工関節学会
• [Presentation] 股関節CT画像からの大腿骨近位部の骨密度測定―深層学習を用いた試み (2022)
  • Author(s): 上村 圭亮、高尾 正樹、大竹 義人、濱田英敏、安藤渉、佐藤 嘉伸、菅野 伸彦
  • Organizer: 第95回日本整形外科学会
• [Presentation] 股関節X線画像から大腿骨近位部の骨密度を測定するシステムの開発 (2022)
  • Author(s): 上村 圭亮、谷 懿、大竹 義人、濱田 英敏 、高尾 正樹、佐藤 嘉伸 、菅野 伸彦
  • Organizer: 第24回日本骨粗鬆症学会
• [Presentation] 股関節X線画像を用いた大腿骨近位部の骨密度測定―多施設共同研究― (2022)
  • Author(s): 上村 圭亮、谷 懿、大竹 義人、高嶋和磨、濱田英敏、許太如、高尾 正樹、佐藤 嘉伸、菅野 伸彦
  • Organizer: 第49回日本股関節学会学術集会
• [Presentation] 整形外科領域におけるAIの現状と未来-臨床面のニーズ- (2022)
  • Author(s): 上村 圭亮、大竹 義人、高尾 正樹、谷懿 、河野壮太郎、高嶋和磨 、Soufi Mazen、濱田英敏、佐藤 嘉伸、菅野 伸彦
  • Organizer: Frontiers of CAS Symposium 2022
  • Invited
• [Presentation] CT画像を用いた大腿骨近位部、大腿骨頚部の骨密度測定 (2022)
  • Author(s): 上村 圭亮、高尾 正樹、大竹 義人、佐藤 嘉伸、菅野 伸彦
  • Organizer: 第52回日本人工関節学会
• [Presentation] Development of a reproducible research platform to assess bone mineral density of the proximal femur from clinical CT images (2021)
  • Author(s): Keisuke Uemura, Yoshito Otake, Masaki Takao, Hiroki Makino, Mazen Soufi, Nobuhiko Sugano, Yoshinobu Sato
  • Organizer: WCO-IOF-ESCEO 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] The effect of region of interest on the measurements of bone mineral density of the proximal femur (2021)
  • Author(s): Keisuke Uemura, Masaki Takao, Yoshito Otake, Hidetoshi Hamada, Wataru Ando, Yoshinobu Sato, Nobuhiko Sugano
  • Organizer: WCO-IOF-ESCEO 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] CT画像から大腿骨近位部の骨密度自動測定へ向けた試み-深層学習を用いた解析 (2021)
  • Author(s): 上村 圭亮、大竹 義人、高尾 正樹、槇野大樹、Mazen Soufi、菅野 伸彦、佐藤 嘉伸
  • Organizer: 第23回日本骨粗鬆症学会
• [Presentation] Assessment of bone mineral density of the proximal femur from clinical CT images: research on a reproducible platform (2021)
  • Author(s): Keisuke Uemura, Yoshito Otake, Masaki Takao, Hiroki Makino, Mazen Soufi, Yoshinobu Sato, Nobuhiko Sugano
  • Organizer: The 65th Annual Congress of the Korean Orthopaedic Association
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 大腿骨近位部の関心領域設定が骨密度計測に与える影響 (2021)
  • Author(s): 上村圭亮、高尾正樹、大竹義人、濱田英敏、安藤渉、佐藤嘉伸、菅野伸彦
  • Organizer: 第48回 日本股関節学会
• [Presentation] CT画像から大腿骨近位部骨密度を自動計測するシステムの開発 (2021)
  • Author(s): 上村圭亮，大竹義人，高尾正樹，濱田英敏，安藤渉， 佐藤嘉伸，菅野伸彦
  • Organizer: 第30回日本コンピュータ外科学会
• [Patent(Industrial Property Rights)] プログラム、情報処理方法、及び情報処理装置 (2022)
  • Inventor(s): 上村圭亮ほか7名
  • Industrial Property Rights Holder: 上村圭亮ほか7名
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Filing Date: 2022