脳画像データベースに基づく計算解剖学的手法による年代・性別正常脳構造モデルの作成

• Project Area: Computational anatomy for computer-aided diagnosis and therapy :Frontiers of medical image sciences
• Project/Area Number: 22103501
• 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: Tohoku University
• Principal Investigator: 福田 寛 東北大学, 加齢医学研究所, 教授 (30125645)
• Project Period (FY): 2010 – 2011
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2011)
• Budget Amount: ¥7,020,000 (Direct Cost: ¥5,400,000、Indirect Cost: ¥1,620,000); Fiscal Year 2011: ¥3,510,000 (Direct Cost: ¥2,700,000、Indirect Cost: ¥810,000); Fiscal Year 2010: ¥3,510,000 (Direct Cost: ¥2,700,000、Indirect Cost: ¥810,000)
• Keywords: 脳MRI / 正常脳構造 / 脳加齢 / 変形ベクトル場

Research Abstract

本研究は、計算解剖学の手法を用いて年代・性別の標準脳画像を作成し、これを用いて標準脳からの隔たりを統計検定することにより、脳疾患を自動診断するシステムの開発を最終目的としている。本年度は、ある年代の基準脳を他の年代の脳に変形するための平均変形ベクトル場を求めることにより、仮想的な老年あるいは若年脳を計算することをめざした。日本人脳MRIデータベース(1591例)から20歳代～70歳代の10歳ごと男女別に群を分けた。次に40歳代の基準脳を一つ選択し、この脳を70歳代の脳(画像数n)に変形するための線形、非線形のベクトル場を計算した。計算したn個の変形ベクトル場を(x,y,z)成分ごとに平均することにより、平均変形ベクトル場を求めた。次いで、この平均ベクトル場を最初に選択した40歳代の基準脳に適用することにより、仮想的な70歳代の脳を計算した。この操作・計算を他の全ての年代、性別の群に対して行うことにより、それぞれ年代・性別の仮想脳を計算した。得られた標準脳を視覚的に判定すると、加齢とともに脳室や脳溝の拡大が見られ、脳の加齢変化を反映していた。しかし、この仮想加齢脳を、前年度に計算した年代毎の平均脳と比較すると、加齢に伴う脳室や脳溝の拡大の程度が過小であった。この結果は、年代を超えた変形で移動距離が大きい場合には、用いた解剖学的標準化の変形パワーが不十分であったことを示唆している。課題としては、以下の2点である。1)より強力なアルゴリズムを探索する必要があること、2)最初に選択した脳の形態上の個性が最終結果に反映されることがわかった。これを避けるためには標準脳計算の過程を数回繰り返す必要がある。
以上、昨年度および本年度の研究により、解剖学的標準化の手法を用いることにより、年代・性別の正常標準脳モデルを計算することができた。

Research Products

• [Journal Article] Development and aging of the human brain studied with brain Magnetic resonance image (2012)
  • Author(s): Fukuda H, 5人、筆頭
  • Journal Title: Nano-Biomedical Engineering 2012 Pages: 179-190
• [Journal Article] Age-related changes in topological organization of structural brain networks in healthy individuals (2011)
  • Author(s): Wu K, Fukuda H, 10人,10番目
  • Journal Title: Human Brain Mapping Volume: (In press) Issue: 3 Pages: 552-568
  • DOI: 10.1002/hbm.21232
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Correlation between between degree of white matter hyperintensities and global gray matter volume decline rate (2011)
  • Author(s): Taki Y, Fukuda H, 7人,7番目
  • Journal Title: Neuroradiology Volume: 53 Issue: 6 Pages: 397-403
  • DOI: 10.1007/s00234-010-0746-x
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Correlation between gray matter density-adjusted brain perfusion and age using brain MR images of 202 healthy children (2011)
  • Author(s): Taki Y, Fukuda H, 9人、8番目
  • Journal Title: Human Brain Mapping Volume: 32 Issue: 11 Pages: 1973-1985
  • DOI: 10.1002/hbm.21163
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] The overlapping community structure of structural brain network in young healthy individuals (2011)
  • Author(s): Wu K, Fukuda H, 10人,10番目
  • Journal Title: PLoS ONE Volume: 6(5) Issue: 5 Pages: e19608-e19608
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0019608
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A longitudinal study of volume decline with age and modifying factors (2011)
  • Author(s): Taki Y, Fukuda H, 6人,6番目
  • Journal Title: Neurobiology of Aging Volume: 32 Issue: 5 Pages: 907-915
  • DOI: 10.1016/j.neurobiolaging.2009.05.003
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Correlation among brain gray matter volume, age, gender and hemisphere in healthy individuals (2011)
  • Author(s): Taki Y, Fukuda H, 7人、7番目
  • Journal Title: PLos ONE Volume: 6(7) Issue: 7 Pages: e22734-e22734
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0022734
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Correlation between baseline regional gray matter volume and global gray matter volume decline rate. (2011)
  • Author(s): Taki Y, Fukuda H, (7人,7番目)
  • Journal Title: NeuroImage Volume: 54 Pages: 743-749
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Correlation between gray /white matter volume and cognition in healthy elderly people. (2011)
  • Author(s): Taki Y, Fukuda H, (7人,7番目)
  • Journal Title: Brain and Cognition Volume: 75 Pages: 170-176
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Age-related changes in topological organization of structural brain networks in healthy individuals. (2011)
  • Author(s): Wu K, Fukuda H, (10人,10番目)
  • Journal Title: Human Brain Mapping Volume: (In press)
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A longitudinal study of gray matter volume decline with age and modifying factors. (2011)
  • Author(s): Taki Y, Fukuda H, (6人,6番目)
  • Journal Title: Neurobiology of Aging Volume: (In press)
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Correlation between between degree of white matter hyperintensities and global gray matter volume decline rate. (2011)
  • Author(s): Taki Y, Fukuda H, (7人,7番目)
  • Journal Title: Neuroradiology Volume: (In press)
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Correlation between gray matter density-adjusted brain perfusion and age using brain MRI images of 202 healthy children. (2011)
  • Author(s): Taki Y, Fukuda H, (9人,8番目)
  • Journal Title: Human Brain Mapping Volume: (In press)
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Overlapping community structure of structural brain network in young healthy individuals (2011)
  • Author(s): Wu K, Fukuda H, (10人,10番目)
  • Journal Title: PLoS ONE Volume: (In press)
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Development and aging of the human brain studied with brain magnetic resonance image (MRI) of healthy Japanese (2011)
  • Author(s): Fukuda H
  • Organizer: 5^<th> East Pacific Student Workshop on Nano-Biomedical engineering
  • Place of Presentation: Singapore
• [Presentation] Computation of a Standard Japanese Brain Model Using Anatomical Standardization Technique for Each Gender and Age Groups based on the Brain MRI Database (2011)
  • Author(s): Fukuda H(4人、筆頭)
  • Organizer: The 2nd International Symposium on Computational Anatomy
  • Place of Presentation: Nagoya
• [Presentation] 日本人脳画像データベース解析による正常脳老化研究 (2010)
  • Author(s): 福田寛
  • Organizer: 電子情報通信学会医用画像研究会
  • Place of Presentation: 和光市、埼玉県(招待講演)
  • Year and Date: 2010-09-03
• [Presentation] Sex effects on small-world organization of structural brain networks in young healthy individuals (2010)
  • Author(s): Wu K, Fukuda H, (8人,8番目)
  • Organizer: 16th Annual Meeting of the Organization for Human Brain Mapping
  • Place of Presentation: Barcelona, Spain
• [Presentation] Relationship between cerebral blood flow and age using arterial spin labeled perfusion magnetic resonance imaging in healthy children (2010)
  • Author(s): Taki Y, Fukuda H, (8人,8番目)
  • Organizer: 16th Annual Meeting of the Organization for Human Brain Mapping
  • Place of Presentation: Barcelona, Spain
• [Presentation] Age-related changes on properties of structural brain networks in healthy individuals (2010)
  • Author(s): Wu K, Fukuda H, (8人,8番目)
  • Organizer: 6th World Congress on Biomechanics
  • Place of Presentation: Singapore,サンテックシティ
• [Presentation] Sex effects on small-world organization of structural brain networks in young healthy individuals (2010)
  • Author(s): Wu K, Fukuda H, (8人,8番目)
  • Organizer: 4th East Asian Pacific Student Workshop on Nano-Biomedical Engineering
  • Place of Presentation: Singapore,ケンブリッジクレスセント