Disease Analysis Based on Respiratory Displacement Estimation to All-field of Lung from Thoracic 4D-MRI and Fusion with CT

• Project/Area Number: 22K18181
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 90110:Biomedical engineering-related
• Research Institution: Chiba University
• Principal Investigator: 葉 臣 千葉大学, フロンティア医工学センター, 特任助教 (60867498)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Discontinued (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000); Fiscal Year 2024: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000); Fiscal Year 2023: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2022: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
• Keywords: 慢性閉塞性肺疾患 / 横隔膜運動解析 / 肺野局所運動解析 / 医用画像処理 / 4D-MRI運動解析 / 生体信号処理 / 機械学習

Outline of Research at the Start

呼吸によって変形する肺は、その動き自体が疾患の情報を与える場合がある。しかし、肺野全域にわたって呼吸性変位を取得することは容易ではない。本研究では複数の断面で収集した呼吸性の変動を有するMR動画像群を組み合わせて、肺野全域にわたり一呼吸周期分の呼吸性変位量を獲得する技術を構築する。さらに、ここで得られた変位量を同じ患者の胸部3次元CT画像に適用することで、肺野内の詳細構造を有しつつ呼吸性変動を呈する画像生成を行う。MRIとCTを組み合わせた呼吸器疾患解析の例として、1) 変位量と肺気腫との関係性の解析、2) X線透視像の呼吸による画素値変動の見積もり、の2つを取り上げ、臨床的価値を示していく。

Outline of Annual Research Achievements

呼吸によって変形する横隔膜および肺野は、その動き自体が疾患の情報を与える場合がある。代表者の研究実績は、慢性閉塞性肺疾患（COPD）を対象として二つのトピックに大別される：１）横隔膜運動解析；２）肺野局所運動解析。
１）横隔膜運動解析：肺野全域の中で横隔膜は最も著しい呼吸性変位を持つ。まず、胸部MR矢状面画像系列から横隔膜プロフィールの中点位置の運動波形を抽出し、その波形における呼吸サイクルの周期とピーク振幅の一様性の程度を検証した。次に、COPD患者の横隔膜運動の非連動性に着目し、複数の呼吸サイクルを利用して横隔膜の各位置の運動波形同士の類似度を算出した。最後に、COPD患者の横隔膜運動の制限性に着目し、複数の呼吸サイクルを利用して横隔膜運動波形の振幅の絶対値を算出した。また、多方向の横隔膜運動も評価した。
２）肺野局所運動解析：肺野内局所の呼吸性変位の取得を目標とし、まず、胸部4D-MRI（３次元の動画）の同期情報に基づいて目標の肺野領域を抽出して肺野4D-MRIを構築した。次に、肺野内の特徴点検出・マッチングにより、肺野全域にわたって変位ベクトル推定を行った。最後に、特定の肺野局所における平均変位ベクトルの大きさおよび角度変化を取得し、経時的かつ定量的な運動解析を達成した。
健常者と比較しながら、提案法によりCOPD患者における横隔膜および肺野運動の非連動性と制限性を評価した。それらの運動解析を通して、呼吸器疾患の早期発見、診断、および治療・リハビリテーションへのフィードバックを支援していく。

Research Products

• [Journal Article] Semiautomatic assessment of respiratory dynamics using cine MRI in chronic obstructive pulmonary disease (2022)
  • Author(s): Sato Hirotaka、Kawata Naoko、Shimada Ayako、Iwao Yuma、Ye Chen、Masuda Yoshitada、Haneishi Hideaki、Tatsumi Koichiro、Suzuki Takuji
  • Journal Title: European Journal of Radiology Open Volume: 9 Pages: 100442-100442
  • DOI: 10.1016/j.ejro.2022.100442
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Acquisition and Analysis of Microcirculation Image in Septic Model Rats (2022)
  • Author(s): Ye Chen、Kawasaki Mami、Nakano Kazuya、Ohnishi Takashi、Watanabe Eizo、Oda Shigeto、Nakada Taka-Aki、Haneishi Hideaki
  • Journal Title: Sensors Volume: 22 Issue: 21 Pages: 8471-8471
  • DOI: 10.3390/s22218471
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Multi-directional motion analysis of diaphragm in patients with chronic obstructive pulmonary disease (2023)
  • Author(s): 周星宇、葉臣、岡本尚之、岩男悠真、川田奈緒子、羽石秀昭
  • Organizer: 電子情報通信学会医用画像研究会
• [Presentation] 画像から捉えるCOPD (2023)
  • Author(s): 川田奈緒子、島田絢子、佐藤宏崇、岩男悠真、葉臣、羽石秀昭、鈴木拓児
  • Organizer: 呼吸機能イメージング研究会学術集会
  • Invited
• [Presentation] COPD患者のMR矢状面動画像を用いた呼吸運動解析 (2023)
  • Author(s): 周星宇、葉臣、岩男悠真、川田奈緒子、羽石秀昭
  • Organizer: 呼吸機能イメージング研究会学術集会
• [Presentation] 4D-MRIを用いたCOPD患者の肺野内局所運動解析 (2022)
  • Author(s): 葉臣、川田奈緒子、岩男悠真、羽石秀昭
  • Organizer: 電子情報通信学会医用画像研究会
• [Presentation] 肺野の呼吸性運動解析 (2022)
  • Author(s): 羽石秀昭、葉臣、川田奈緒子
  • Organizer: 日本写真学会年次大会