2016 Fiscal Year Annual Research Report
Fundamental Technologies for Integration of Function and Pathology in Multidisciplinary Computational Anatomy
| Project Area | Multidisciplinary computational anatomy and its application to highly intelligent diagnosis and therapy |
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26108004
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| Research Institution | Nara Institute of Science and Technology |
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Principal Investigator |
佐藤 嘉伸 奈良先端科学技術大学院大学, 情報科学研究科, 教授 (70243219)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
大竹 義人 奈良先端科学技術大学院大学, 情報科学研究科, 准教授 (80349563)
横田 太 奈良先端科学技術大学院大学, 情報科学研究科, 助教 (60759900)
堀 雅敏 大阪大学, 医学系研究科, 講師 (00346206)
高尾 正樹 大阪大学, 医学系研究科, 寄付講座講師 (30528253)
山崎 隆治 埼玉工業大学, 工学部, 准教授 (40432546)
小路 直 東海大学, 医学部, 准教授 (50514890)
多田 幸生 神戸大学, システム情報学研究科, 教授 (70135812)
菅野 伸彦 大阪大学, 医学系研究科, 寄附講座教授 (70273620)
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| Project Period (FY) |
2014-07-10 – 2019-03-31
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| Keywords | 生体生命情報学 / 情報システム / 人工知能 / 画像、文章、音声等認識 / 機械学習 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
1. 多元データベース：マイクロCTおよび同一標本の複数解像度臨床CTデータ、遺体実験データ、機能発揮時のX線画像と(準)4次元超音波画像、手術時の筋張力計測データ等、筋骨格多元データベースを拡充した。MR Elastography（組織硬度像）等、腹部多元データベースを拡充した。
2. 計算解剖モデル基盤技術論：機能と病理を計算解剖モデルに統合するための枠組の検討を進めた。患者固有の機能シミュレーションに必要な解剖モデルを一つの目標とし、器官外形に加えて、機能を発揮するための(準)微細構造要素、生理機能・組織特性、さらにそれらの相互関係、疾患に伴う時間変化の統計的モデル化の枠組の基礎検討を進めた。
3. 多元計算解剖モデルの構築と利用：（１）筋骨格多元計算解剖モデル：筋骨格の外形に加えて、内部構造（筋繊維、骨梁構造）や筋肉－骨格の物理的関係（付着部）を含む機能解剖モデルの構築を進めた。特に、筋繊維と付着部を統合した統計モデル構築を行った。高精細凍結遺体画像データ（0.1 mm^3 voxel）から得られた筋繊維走行モデル、下肢遺体実験で得られた筋肉の付着部（起始部、停止部）3次元計測データ、マイクロCT画像での骨梁走行を正解値として検証を行った。（２）人工股関節手術多元計算解剖モデル：人工股関節手術における機能復元統計モデル構築の学習データを準備した。そのため、個々の症例で、手術前後の筋骨格（筋繊維も含む）、人工関節設置の術前計画と実際の手術施行を、術前・術後CT画像から復元した。復元した筋繊維モデルを用いた手術時の生体力学シミュレーションのパイロット実験を行った。（３）肝繊維化多元計算解剖モデル：MRI画像、組織硬度データ、血液検査データ、生検による確定診断データを用いて、肝形状、血液、硬度、およびそれらを統合した肝繊維化ステージ統計モデルを構築した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
一部、遺体実験のデータ等について、計画通りに進まなかった部分もあるが、研究に必要なデータ収集が概ね構築を完了した。筋骨格について、筋繊維モデルと付着部について、多症例データの位置合わせにより統計モデルの第１バージョンを構築できたことは、多元計算解剖モデル構築の基盤技術の観点からも、重要な進展であった。人工股関節についても、筋繊維モデルを用いて、生体力学シミュレーションをパイロット的に実験できたことは、多元計算解剖モデルの応用の観点からの進展であった。病理を統合した計算解剖モデルとして、肝繊維化ステージ予測モデルの第１バージョンを構築できた。以上から、おおむね順調に進展していると考える。
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| Strategy for Future Research Activity |
１．多元データベースの増強：股関節・大腿部については、立位で撮影したMRIデータを増強し、さらに、下肢全体、前腕、胸部、前立腺、食道、大腸、頭頚部などのデータベース化を進める。これまで構築したデータベース（原データ、および処理されたデータ）について、倫理的問題を十分に検討した上で、領域外の研究者についてもデータ共有を行える方式を検討する。
２．機能・病理を統合した計算解剖モデル基盤技術論：機能、病理を統合するための共通技術基盤を整備し体系化する。筋骨格、腹部を対象に進めてきたが、体幹部、四肢を中心とした全身に適用できる方法論確立に向けて検討を進める。
３．多元計算解剖モデルの構築と利用：上述の技術基盤論の枠組に基づき以下の具体的な多元計算解剖モデルの構築と利用を進める。また一方で、具体例を進めることから得られるフィードバックにより、基盤技術の枠組の汎用性を強化していく。（１）筋骨格多元計算解剖モデル：下肢全体の立位・動態、前腕動態、頭頚部動態について、骨格、筋肉、軟骨、腱、靭帯、神経、血管を含めた多元計算解剖モデルを構築する。これを用いて、患者CT画像から、筋繊維走行や骨密度分布等の内部微細構造、機能発揮時の動態情報を含んだ、多元計算解剖モデルを構築する。さらに、生体シミュレーションを組み合わせて、手術支援、リハビリ支援等への応用を検討する。（２）人工股関節手術多元計算解剖モデル：人工股関節患者の筋骨格機能と手術について、術前・術後の病理、術前計画、手術施行、治療効果を含む多元計算解剖モデルを構築する。（３）胸腹部多元計算解剖モデル：胸腹部の機能・病理について、肝繊維化、呼吸機能、前立腺がんの多元計算解剖モデルの開発を進め、あわせて、腎機能、嚥下機能、排泄機能、内視鏡手術解剖等への応用を進める。
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Research Products
(8 results)
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[Journal Article] Quantitative comparison of operative skill using 2-and 3-dimensional monitors during laparoscopic phantom tasks.2017
Author(s)
Nishi M, Kanaji S, Otake Y, Harada H, Yamamoto M, Oshikiri T, Nakamura T, Suzuki S, Suzuki Y, Hiasa Y, Sato Y.
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Journal Title
Surgery.
Volume: 31;161(5)
Pages: 1334-40
DOI
Peer Reviewed
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[Presentation] Projection-based motion estimation for cardiac functional analysis with high temporal resolution: a proof-of-concept study with digital phantom experiment.2017
Author(s)
Suzuki Y, Fung GS, Shen Z, Otake Y, Lee O, Ciuffo L, Ashikaga H, Sato Y, Taguchi K.
Organizer
SPIE Medical Imaging
Place of Presentation
Orlando, Florida, USA
Year and Date
2017-02-11
Int'l Joint Research
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[Presentation] Pattern Analysis of the Kinematics in Ultrasound Videos of the Common Carotid Artery-Application to Cardiovascular Risk Evaluation.2017
Author(s)
Zahnd G, Galbrun D, Qorchi S, Saito K, Serusclat A, Moulin P, Nagatsuka K, Orkisz M, Otake Y, Sato Y.
Organizer
International Forum on Medical Imaging in Asia (IFMIA 2017)
Place of Presentation
TENBUSU,Naha, Okinawa, Japan
Year and Date
2017-01-19
Int'l Joint Research
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