新生児脳の成長統計形状モデル構築による子どもの発達障害発症リスク評価

• Project Area: Multidisciplinary computational anatomy and its application to highly intelligent diagnosis and therapy
• Project/Area Number: 15H01126
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: University of Hyogo
• Principal Investigator: 小橋 昌司 兵庫県立大学, 工学研究科, 准教授 (00332966)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2017-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2016)
• Budget Amount: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000); Fiscal Year 2016: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000); Fiscal Year 2015: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
• Keywords: 時空間統計的形状モデル / 新生児脳疾患 / 脳形状 / 認知症診断支援 / MR画像 / 成長モデル / 最尤主成分分析法 / 医工学 / 脳発達 / 発達障害

Outline of Annual Research Achievements

本研究では，新生児脳の発達度合の指標として脳発達度を提案した．脳発達度は，脳内の解剖学的特徴点間の距離を用いて脳形状を数値化することで，多様体学習により脳形状の類似度を計算し，その結果を１次元の値で定義する．実験結果から脳発達度は修正齢(胎生40 週に修正した年齢) と脳容量の双方と高い相関を持つことを明らかにした．本研究では新生児の脳発達遅滞評価のため，成長モデルを用いた新生児脳年齢推定法を提案した．提案法は新生児脳年齢推定に脳内の解剖学的特徴点間の距離を用いた重回帰モデルに基づく．また，特徴点間距離には個人差が含まれているため，脳発達度を用いることで特徴点間距離の標準化を行う方法を提案した．
新生児期においては脳成長速度の個人差が大きく，これを推定することが新生児脳疾患診断支援に重要である．臓器形状を表現する手法として統計的形状モデル(Statistical Shape Model: SSM) が提案されている．しかし，成長に伴う新生児脳形状変形を明らかにするには，SSMを4 次元に拡張する必要がある．本研究ではSSMを4 次元に拡張した時空間統計的形状モデル(spatiotemporal Statistical Shape Model:stSSM) の構築法を提案した．同手法では，時間軸に沿った重み関数を導入し，データ毎に与えられた重みパラメータを用いた最尤主成分分析法に基づく．実験結果より，成長に伴う脳形状個人間変動の変化を定量化したstSSMの構築を行えることが確認できた．
さらにstSSMを40歳から90歳の被験者を対象に脳MR画像を用いたアルツハイマー型認知症鑑別診断に適用し，従来のSSMより提案するstSSMを用いることで識別精度が向上し，統計的形状モデルの多元化の有効性を示した．

Research Progress Status

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] International University/Business Agriculture and Technology(Bangladesh)
• [Int'l Joint Research] University of Pennsylvania's(米国)
• [Int'l Joint Research] International University/of Business Agriculture and Technology(バングラデシュ)
• [Journal Article] Brain Age Estimation Using Multiple Regression Analysis in Brain MR images (2016)
  • Author(s): S. B. Alam, R. Nakano, and S. Kobashi
  • Journal Title: International Journal of Innovative Computing, Information and Control Volume: 12 Pages: 1385-1396
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Non-rigid Cerebral Surface Registration for Neonates Using ICP Algorithm (2016)
  • Author(s): K. Morita, S. Kobashi, Y. Wakata, K. Ando, M. Morimoto, R. Ishikura, and S. Aikawa
  • Journal Title: Transactions of the Institute of Systems, Control and Information Engineers Volume: 29 Issue: 5 Pages: 195-201
  • DOI: 10.5687/iscie.29.195
  • NAID: 130005259528
  • ISSN: 1342-5668, 2185-811X
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Simple Brain Atrophy Quantification Method Using MR Images (2016)
  • Author(s): S. B. Alam and S. Kobashi
  • Journal Title: Informatics, Electronics and Vision (ICIEV), 2016 5th International Conference on Volume: - Pages: 743-746
  • DOI: 10.1109/iciev.2016.7760100
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Machine Learning Approaches for Brain Morphology Analysis in MR images (2016)
  • Author(s): S. Kobashi, S. B. Alam, M. Nii
  • Journal Title: Proc of 7th International Symposium on Computational Intelligence and Industrial Applications Volume: -
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] ICP based Neonatal Brain MRI Normalization Method (2015)
  • Author(s): K. Morita, S. Kobashi, Y. Wakata, K, Ando, R. Ishikura, and N. Kamiura
  • Journal Title: Fuzzy Systems (FUZZ-IEEE), 2015 IEEE International Conference on Volume: 1 Pages: 1-7
  • DOI: 10.1109/fuzz-ieee.2015.7337920
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Feature selection of manifold learning using principal component analysis in brain MR image (2015)
  • Author(s): S. B. Alam, R. Nakano, S. Kobashi and N. Kamiura
  • Journal Title: Informatics, Electronics & Vision (ICIEV), 2015 International Conference on Volume: 1 Pages: 1-5
  • DOI: 10.1109/iciev.2015.7334065
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Neonatal Brain Age Estimation Using Manifold Learning Regression Analysis (2015)
  • Author(s): R. Nakano, S. Kobashi, S. Binte Alam, M. Morimoto, Y. Wakata, K. Ando, R. Ishikura, S. Hirota, and S. Aikawa
  • Journal Title: Systems, Man, and Cybernetics (SMC), 2015 IEEE International Conference on Volume: 1 Pages: 2273-2276
  • DOI: 10.1109/smc.2015.397
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] Medical image analysis with machine learning techniques (2017)
  • Author(s): S. Kobashi
  • Organizer: Student Conference on Science & Engineering
  • Place of Presentation: Bangladesh
  • Invited
• [Presentation] ソフトコンピューティングと 生体医用画像 (2017)
  • Author(s): 小橋昌司
  • Organizer: 生体医用画像研究会
  • Place of Presentation: 大阪
  • Invited
• [Presentation] 時空間統計的形状モデルを用いた 脳形状の個人間変動モデル化 (2017)
  • Author(s): 小橋昌司
  • Organizer: 光量子デバイス技術研究会
  • Place of Presentation: 神戸
  • Invited
• [Presentation] 成人脳の経時的な３次元形状変化解析のための 時空間統計的形状モデル (2016)
  • Author(s): Saadia Binte Alam, 小橋昌司, 清水昭信
  • Organizer: 第35回日本医用画像工学会
  • Place of Presentation: 千葉
  • Year and Date: 2016-07-21
• [Presentation] Spatiotemporal Statistical Shape Model Construction for Longitudinal Brain Deformation Analysis Using Weighted PCA (2016)
  • Author(s): S. B. Alam, R. Nakano, S. Kobashi, M. Morimoto, S. Aikawa, A. Shimizu
  • Organizer: Computer Assisted Radiology and Surgery
  • Place of Presentation: Germany
  • Year and Date: 2016-06-22
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Artificial Intelligence for brain development disorder prediction in neonatal brain magnetic resonance images (2016)
  • Author(s): S. Kobashi
  • Organizer: 5th International Conference on Informatics, Electronics & Vision (ICIEV)
  • Place of Presentation: Bangladesh
  • Year and Date: 2016-05-13
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Weighted PCAを用いた時空間統計的形状モデル構築法の検討 (2016)
  • Author(s): 中野椋介, Saadia Binte Alam, 小橋昌司, 森本雅和, 相河 聡, 清水昭伸
  • Organizer: メディカルイメージング連合フォーラム２０１６
  • Place of Presentation: 沖縄県那覇ぶんかテンブス館（沖縄県那覇市）
  • Year and Date: 2016-01-19
• [Presentation] How old is your brain? MRI image analysis can reveal it (2016)
  • Author(s): S. Kobashi
  • Organizer: International Symposium on Multidisciplinary Engineering (ISMDE)
  • Place of Presentation: Bangladesh
  • Invited
• [Presentation] Quantitative evaluation of developmental retardation based on brain morphometry PCA analysis in neonatal MRI (2015)
  • Author(s): S. Kobashi, R. Nakano, S. B. Alam, Y. Wakata, K, Ando, R. Ishikura
  • Organizer: RSNA
  • Place of Presentation: アメリカ，シカゴ
  • Year and Date: 2015-11-29
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ICP法による新生児脳形状位置合わせ法 (2015)
  • Author(s): 盛田健人, 小橋昌司, 若田ゆき, 安藤久美子, 石蔵礼一, 上浦尚武
  • Organizer: SOFT関西支部学生研究発表会
  • Place of Presentation: 関西大学千里山キャンパス（大阪府吹田市）
  • Year and Date: 2015-11-28
• [Presentation] Developmental Retardation Quantification Based on Brain Morphometry Analysis (2015)
  • Author(s): S. Kobashi
  • Organizer: 7 th International Conference on Emerging Trends in Engineering & Technology
  • Place of Presentation: 神戸国際会議場（兵庫県神戸市）
  • Year and Date: 2015-11-18
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 重回帰モデルを用いた新生児脳発達遅滞評価法 (2015)
  • Author(s): 中野椋介, 小橋昌司, 森本雅和, 若田ゆき, 安藤久美子, 石藏礼一, 石川智基，廣田省三
  • Organizer: 第 34回日本医用画像工学会大会
  • Place of Presentation: 金沢歌劇座（石川県金沢市）
  • Year and Date: 2015-07-30
• [Presentation] Developmental disorder prediction in neonatal MRI (2015)
  • Author(s): S. Kobashi
  • Organizer: International Conference on Machine Learning and Cybernetics
  • Place of Presentation: 中国広州
  • Year and Date: 2015-07-12
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] ICP法による新生児脳形状正規化法 (2015)
  • Author(s): 盛田健人, 小橋昌司, 若田ゆき, 安藤久美子, 石蔵礼一, 上浦尚武
  • Organizer: 第59回システム制御情報学会研究発表講演会
  • Place of Presentation: 中央電気倶楽部（大阪府大阪市）
  • Year and Date: 2015-05-20
• [Book] Intelligent decision support systems for diagnosis of medical images (2017)
  • Author(s): Saadia Binte Alam, Syoji Kobashi , Jayaram K Udupa
  • Publisher: Springier
• [Remarks]
  • URL: https://sites.google.com/site/syojikobashi/home
• [Remarks] Syoji Kobashi
  • URL: https://sites.google.com/site/syojikobashi