2021 Fiscal Year Annual Research Report
筋骨格・骨のイメージベース力学解析の有機的連携構築と骨疾患の治療戦略抽出への展開
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19H02032
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| Research Institution | Ryukoku University |
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Principal Investigator |
田原 大輔 龍谷大学, 先端理工学部, 准教授 (20447907)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
稲葉 裕 横浜市立大学, 医学研究科, 教授 (40336574)
小野 景子 同志社大学, 理工学部, 准教授 (80550235)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | バイオメカニクス / 筋骨格シミュレーション / セグメンテーション / 変形性股関節症 / 歩行・動作解析 / 有限要素法解析 / 人工股関節全置換術 / 個体別モデリング |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，被験者の特徴（身長，体重，骨形状，筋体積から推定される筋強度）を反映した筋骨格シミュレーション手法の開発，高速・高精度な骨のCT画像に対する新規セグメンテーション手法の開発と有用性検証，これらを基にした変形性股関節症（HOA）歩行時の筋力変化の評価を目的としている．令和三年度は，開発中の新規セグメンテーション技術の有用性検証を継続するとともに，複数の人工股関節全置換術（THA）前の患者の歩行動作を入力とする筋骨格シミュレーションを対象に，患者の骨形状，筋断面積の簡便な反映方法の開発と，それらの反映が算出筋力に及ぼす影響を検討した．主な概要は，以下の3点である．
1．同一のHOA患者の筋骨格モデルに対し，身長・体重，骨形状，筋強度のそれぞれの反映の有無の組み合わせで歩行解析を行った．その結果，患者特有の骨形状と筋強度の低下に起因する各筋力の顕著な変化を捉えることができ，歩行動作時の股関節周囲筋力の推定に，患者個体別の骨形状と下肢の筋強度の考慮の重要性が示された．
2. 骨のCT画像のセグメンテーション技術の開発を継続し，計算手法の改良により，解像度のより詳細なセグメンテーション済みのCT画像を出力可能とした．また，開発手法の抽出精度と計算時間の評価のため，椎体模擬骨を対象に，精度検証を詳細に行った．セグメンテーションの開発手法と既存手法による模擬骨のイメージベース有限要素法解析と圧縮試験を行い，圧縮主ひずみを比較した結果，開発手法は，抽出精度を維持しながら算出時間の大幅な削減に有用であることが示された．また，他の骨への手法の適用・展開のため，骨のオープンデータを調査・収集し，検討を開始した．
3. 新たにTHAを施行したHOA患者5名に対して術前，術後3か月の歩行・動作計測を行い，筋骨格シミュレーションにより，術後の筋活動の変化を評価した．
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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
1. 筋骨格モデルへの患者の骨形状，筋強度の反映の重要性を示すことができた．特に，健常者に比べ，また，同一患者の左右で差が出やすいHOA患者の骨形状と筋強度の忠実な反映が推定筋力に顕著に影響を与えたことから，各筋力と疾患程度の関連と，リハビリテーション戦略の新規提示の可能性も見えてきた．一方，骨形状・筋強度の反映に必要な骨・筋の三次元化は手作業を含むため，現実的な作業時間から，対象とする骨・筋が限定されることもわかってきた．この課題に対し，画像処理の研究者らと，より簡便な骨・筋の三次元モデル化の実現のための技術導入の議論を進めている．
2．新規セグメンテーション技術開発においては，新規深層学習法であるU-Netによるセグメンテーション手法を完成させた．また，令和三年度は，医療画像用フォーマットDICOMデータのパラメータ最適化により，セグメンテーションの性能向上を図り，テストデータでは，良好な結果が得られた．さらに，汎用技術としての確立のため，ヒトの複数種の骨形状のCT画像のオープンデータによる検証可能性について調査し，性能検証のための学習画像を作成した．
3. 椎体模擬骨試験片を対象に，セグメンテーションの従来手法と本開発手法により作成したモデルに対するイメージベース有限要素法解析と，実椎体モデルに対する圧縮負荷試験を継続して行った．令和二年度の検討と異なる試験片で評価を行った結果，開発手法は，抽出精度，算出時間の削減の両方の点から有用であることを示すことができた．
4. THAを施行したHOA患者の歩行動作に対する筋骨格シミュレーションについて，一部，コロナ禍における協力被験者の確保が難しい状況もあるが，症例数の蓄積は継続できており，今後，筋力解析と有限要素法解析の統合解析の適用を進める必要がある．当初の想定した患者数からすると，達成度は50%程度である．
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| Strategy for Future Research Activity |
1. 筋骨格モデルへの患者固有の骨形状・筋強度の反映に必要な骨・筋の三次元化のコスト削減が，より多くの患者の歩行動作に対する個体別筋骨格シミュレーションにつながる．このため，画像処理の研究者らが持つ技術導入の議論を進めるとともに，新たな画像処理システムの利用による改善を検討する．
2. 蓄積しているHOA患者の術後3カ月時・1年時の歩行に対応する筋骨格シミュレーション，有限要素法解析の統合解析をさらに進める．時間を要する骨盤形状とTHA挿入位置，術後の骨密度分布の変化のモデル化には，令和二年度に引き続き注力する．
3. 新規セグメンテーション手法の模擬骨試験片への適用をした検討において，令和二年度に予期しないエリアの領域抽出が発生していたが，これは試験片内の人工骨と接着剤との区別が画像からは難しいためであることがわかった．このため，画像を作成する前に，開発したDICOMデータのパラメータを自動調整法により適用して人工骨と接着剤との区別が見える画像を作成し，性能向上を図る．
4. 令和二年度に引き続き，すでに確立している筋骨格シミュレーション－有限要素法解析の統合解析フレームワークから得られる力学解析結果と，医療データからわかるデータとの照合，比較を行い，解析結果の妥当性や新たな診断・治療戦略への応用の可能性を議論する．
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