正常脳構造モデルに基づく加齢脳疾患自動診断システムの開発

• Project Area: Computational anatomy for computer-aided diagnosis and therapy :Frontiers of medical image sciences
• Project/Area Number: 24103701
• 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 Pharmaceutical University (2013); Tohoku University (2012)
• Principal Investigator: 福田 寛 東北薬科大学, 薬学部, 教授 (30125645)
• Project Period (FY): 2012-04-01 – 2014-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2013)
• Budget Amount: ¥7,280,000 (Direct Cost: ¥5,600,000、Indirect Cost: ¥1,680,000); Fiscal Year 2013: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2012: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000)
• Keywords: 脳MRI / 正常脳構造モデル / 計算解剖学 / DBM / 画像統計検定 / 脳疾患自動診断システム / MRI / ユークリッド距離 / コサイン類似度 / 疾患脳自動診断システム / 計算脳科学

Research Abstract

本研究の目的は、多数の脳MRIから計算した正常脳構造モデルと形態異常を有する脳疾患画像を比較して、その脳形態の違いを画像統計学の手法で自動的に検出するアルゴリズムを開発することである。目的を達成するために、まず20歳代から70歳代までの1200例の健常日本人脳MRIから計算解剖学的手法（deformation-based morphmetry）により脳形態を変形し、その変形ベクトルの平均値を年代ごとの一例の脳に適用することにより、年代ごとの平均脳（正常脳構造モデル）を計算した。次いで、求めた平均脳形態変形ベクトルの画素ごとの分散を評価するために、ユークリッド距離(EUD)とコサイン類似度（CS）を導入した。ベクトルの分散が大きい程、EUDは大きな値をとり、CSは小さな値を取る。脳領域ごとのEUDとCSの値の分布をみると、後頭葉が最も大きいEUD、小さいCSを示した。このことは、日本人集団では脳形態のバラツキは後頭葉において最も大きいことを示している。この結果は、申請者が別の手法を用いて日本人とドイツ人の脳形態の集団内バラツキを評価した過去の研究の結果と一致している。よって、EUDとCSは平均変形ベクトルの分散を評価できる指標であることがわかった。最後に、画像統計検定を行うための指標としてマハラノビス距離を導入した。60歳代および20歳代の各一例のMRIを、20歳代の正常脳モデルに変形する変形ベクトルをもとめ、そのマハラノビス距離を計算すると、60歳代の脳の側脳室周辺のマハラノビス距離が20歳代のそれを比べて有意に大きいことが示され、統計検定により脳形態差が検出できることがわかった。
以上の研究により、目的とする脳疾患自動診断システムに必要な要素技術の開発をすべて完了した。

Current Status of Research Progress

Reason

25年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

25年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Linear and curvilinear correlations of brain gray matter volume and density with age using voxel-based morphometry with the Akaike information criterion in 291 healthy children (2013)
  • Author(s): Taki Y, Hashizume H, Thyreau B, Sassa Y, Takeuchi H, Wu K, Kotozaki Y, Nouchi R, Asano M, Asano K, Fukuda H, Kawashima R．
  • Journal Title: Human Brain Mapping Volume: 34 Issue: 8 Pages: 1857-1871
  • DOI: 10.1002/hbm.22033
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Linear and curvilinear correlations of brain white matter volume, fractional anisotropy, and mean diffusivity with age using voxel-based and region-of-interest analyses in 246 healthy children (2013)
  • Author(s): Taki Y, Thyreau B, Hashizume H, Sassa Y, Takeuchi H, Wu K, Kotozaki Y, Nouchi R, Asano M, Asano K, Fukuda H, Kawashima R
  • Journal Title: Human Brain Mapping Volume: 34 Issue: 8 Pages: 1842-1856
  • DOI: 10.1002/hbm.22027
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A longitudinal study of age-and gender-related annual rate of volume changes in regional gray matter in healthy adults (2013)
  • Author(s): Taki Y, Thyreau B, Kinomura S, Sato K, Goto R, Wu K, Kawashima R, Fukuda H
  • Journal Title: Human Brain Mapping Volume: 34 Issue: 9 Pages: 2292-2301
  • DOI: 10.1002/hbm.22067
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Correlation between pulmonary function and brain volume in healthy elderly subjects (2013)
  • Author(s): Taki Y, Kinomura S, Ebihara S, Thyreau B, Sato K, Goto R, Kakizaki M, Tsuji I, Kawashima R, Fukuda H
  • Journal Title: Neuroradiology Volume: 55 Issue: 6 Pages: 689-695
  • DOI: 10.1007/s00234-013-1157-6
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Correlation between high-sensitivity C-reactive protein and brain gray matter volume in healthy elderly subjects (2013)
  • Author(s): Taki Y, Thyreau B, Kinomura S, Sato K, Goto R, Wu K, Kakizaki M, Tsuji I, Kawashima R, Fukuda H
  • Journal Title: Human Brain Mapping Volume: 34 Issue: 10 Pages: 2418-2424
  • DOI: 10.1002/hbm.22073
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A longitudinal study of structural brain network changes with normal aging. (2013)
  • Author(s): Wu K
  • Journal Title: Frontiers in Human Neuroscience Volume: 7 Pages: 113-113
  • DOI: 10.3389/fnhum.2013.00113
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Topological organization of functionla brain networks in healthy children: Diffrences in relation to age, sex and intelligence (2013)
  • Author(s): Wu K
  • Journal Title: PLOS one Volume: 8 Issue: 2 Pages: e55347-e55347
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0055347
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] 変形マトリクスを用いた脳形態個人差の検出 (2013)
  • Author(s): 佐藤和則、呉 凱、福田 寛
  • Journal Title: IEICE Technical Report Volume: 113(146) Pages: 45-47
• [Journal Article] Development and aging of the human brain studied with brain Magnetic resonance image (2012)
  • Author(s): Fukuda H
  • Journal Title: Nano-Biomedical Engineering 2012, ed by Yamaguchi T Volume: 2012 Pages: 179-190
• [Journal Article] Graph theoretical analysis of human structural brain networks (2012)
  • Author(s): Wu K
  • Journal Title: Nano-Biomedical Engineering 2012, ed by Yamaguchi T Volume: 2012 Pages: 325-330
• [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
• [Presentation] Development of automatic diagnosis system for age-related brain diseases using normal brain structure model (2014)
  • Author(s): Fukuda H, Sato K, Wu K
  • Organizer: 5th International Symposium on the project "Computational Anatomy"
  • Place of Presentation: Tokyo, Japan
• [Presentation] Development of automatic diagnosis system for age-related brain diseases using normal brain structural model: Progress Overview FY2012 (2013)
  • Author(s): Sato K
  • Organizer: The Fourth International Symposium on the Project "Computational Anatomy
  • Place of Presentation: Osaka, Japan
  • Year and Date: 2013-02-23
• [Presentation] MRI based head surface mesh of young and old people for finite element analysis (2013)
  • Author(s): Sato K, Thyreau1 B, Yanaoka T, Kawashima R, Fukuda H
  • Organizer: Annual Meeting of the Organization of Human Brain Mapping
  • Place of Presentation: Seatle, USA
• [Presentation] Relationship between educational level and longitudinal change in regional gray matter in healthy adults (2013)
  • Author(s): Taki Y, Thyreau B, Kinomura Sato K, Goto R, Kai Wu K, Kawashima R, Fukuda H
  • Organizer: Annual Meeting of the Organization of Human Brain Mapping
  • Place of Presentation: Seatle, USA
• [Presentation] 変形マトリクスを用いた脳形態加齢変化の検出 (2013)
  • Author(s): 佐藤和則、呉 凱、福田 寛
  • Organizer: 電子情報通信学会 医用画像研究会
  • Place of Presentation: 仙台
• [Presentation] 変形マトリクス解析を用いた脳形態個人差の検出 (2012)
  • Author(s): 佐藤和則
  • Organizer: 電子情報通信学会 医用画像研究会
  • Place of Presentation: 米沢
  • Year and Date: 2012-07-25
• [Presentation] Availability of Euclidean distance and cosine similarity in deformation based morphometry (2012)
  • Author(s): Sato K
  • Organizer: OHBM 2012
  • Place of Presentation: Beijing, China
  • Year and Date: 2012-06-10
• [Book] Computational Anatomy based on Whole Body Imaging (2014)
  • Author(s): Yoshitaka Masutani (Univ. of Tokyo)
  • Total Pages: 500
  • Publisher: Springer
• [Book] Nano-Biomedical Engineering 2012, ed by Yamaguchi T (2012)
  • Author(s): Yamaguchi T
  • Total Pages: 660
  • Publisher: Imperial College Press