2020 Fiscal Year Annual Research Report
データ駆動型医療用超音波診断システムによる心機能の自動評価
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18H04122
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
小谷 潔 東京大学, 先端科学技術研究センター, 准教授 (00372409)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
武田 憲彦 自治医科大学, 医学部, 教授 (40422307)
仙波 宏章 東京大学, 医学部附属病院, 届出研究員 (80747923)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 医療用超音波診断 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は疾患マウスを用いて解析を行い、心機能維持における低酸素、血管新生シグナルの役割を解析した．さらにマウス心エコーから心内膜の境界を抽出するアルゴリズムを構築した．さらに多関節ロボットを用いた心エコー動画の自動撮像システムを構築した． 以下にそれぞれについて述べる．
疾患マウスの解析から，組織低酸素環境を可視化する独自のイメージング技術を用いて、心臓リモデリング組織が低酸素環境にあることを明らかにした。その上で，疾患マウスの心エコー解析のために，心内膜の境界を抽出する手法を提案した．なめらかかつ柔軟に心内膜の境界を抽出するためにガウス過程回帰と画素値の差を併用するアルゴリズムを提案し，拍動の様子を評価する手法を構築した．
適切な超音波自動診断手法を構成するためには，多関節ロボットを被検査者の生体情報と連動する形で駆動し撮像を行う必要がある．特に心エコーの撮像においては検査者は被験者の呼吸状態を適切に誘導した上で撮像を行うため，呼吸情報との連動は適切な撮像に向けた重要なポイントとなる．そこで，準備として被験者が寝ているベッドを基準として座標系，ロボットの腕を基準にした座標系，被験者の体位を中心とした座標系の間の数理的な対応関係を整理し，その時々で適した座標系から運動指令を与えることができるようにした．その上で被験者への呼吸指示と多関節ロボットの駆動によるプローベの操作，撮像のタイミングを調節することで，適切な呼吸状態での撮像を可能とした．また，撮像画像からリアルタイムで特徴的な動きのモードを自動抽出するシステムを構築し，基礎的なシステム開発を推進した．
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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
本研究で目的としていた心エコー検査システムについて，被験者への呼吸指示と多関節ロボットの駆動によるプローベの操作，撮像のタイミングを調節することで，撮像を可能とするプロトタイプを構築することができているため．
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| Strategy for Future Research Activity |
年度のシステム開発によって，被検査者への呼吸指示に加えて，生体情報取得，プローブ移動計画，ロボットの駆動という一通りのそれぞれについてシステムが構築され，さらにそれらが連動することで撮像するシステムが構築されている．さらに，疾患マウス心エコー解析についても基本的なデータ処理が実装されている．今後はさらに構築したシステムの検証と改良によって，自動取得，診断に向けた開発を進める．
具体的には，撮像された心エコー動画をリアルタイムで解析し評価することで，より適切な撮像手法の探索や心拍動動画から適切な特徴の自動抽出を行う．目的遂行のために，ここでは動的モード分解と機械学習とを組み合わせ，適切なモードおよび動きの特徴を自動で抽出する．自動抽出においては，モード分解後，なるべく普遍的な特徴量を多く抽出するアルゴリズムへの改良を行う．さらに，機械学習においては取得データを蓄積された過去のデータと比較することで，ロボットの駆動および撮像を適切に行う．過去のデータとの比較においては，機械学習に用いるための正解・不正解動画に関する教師データセットの取得が必要となる．特に，従来の医療用超音波画像の研究では蓄積されていない不正解となるデータセットを適切に取得することが重要であり，昨年度構築した座標変換システムを活用して適切なラベル付けされたデータ取得を行う．これらの技術を発展させることにより，最終的には探索的な手法と教師データに基づいた位置補正手法のバランスを取り，最適な撮像アルゴリズムを確立する．
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