AI画像診断支援システムの構築～重篤な救急頭部疾患を診断・予測する～

2022 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 20K16737
• Research Institution: Juntendo University
• Principal Investigator: 菊田 潤子 順天堂大学, 医学部, 助教 (70613389)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 機械学習 / 頭部画像

Outline of Annual Research Achievements

2022年度はまず、頭部MRIを用いて大脳白質病変を検出する機械学習システムの構築を試みた。オープンデータベースOASIS-3から83名（平均68.94±7.77歳）のFLAIR画像2731枚を取得。Fazekas scaleを用いて大脳白質病変を視覚的評価し、手動で白質病変をラベリング後、訓練データ：テストデータ＝4:1に分割した。Windows10 ProのGPU上（NVIDIA RTX A5000）でSONYのNeural network consoleを用いて、U-Netモデルを構築。機械学習モデルと手動でラベリングした病変との一致率をDice係数を用いて評価した。手動でラベリングした白質病変の体積をFreeSurfer6.0.で測定し、Spearmanの順位相関係数を用いて白質病変の体積とDice係数との相関を調べた。この結果、平均Dice係数は0.687±0.104、大脳白質病変の体積とDice係数は有意な正相関を認めた（r=0.857, p＜0.001）。
次に、頭部MRIを用いて血管周囲腔を自動検出する機械学習モデルを構築した。公開データベースHuman Connectome Projectから健常者69名 (平均年齢28.87±4.06歳)のMRIを取得後、FMRIB Software Library (FSL) version6.0.上で血管周囲腔の描出を明瞭にするためT1強調像をT2強調像で除した画像を作成した。次に頭蓋骨、脳幹部、大脳基底核、大脳皮質を除去した大脳白質のみの画像を作成後、手動で血管周囲腔を抽出。教師データを訓練・検証データが4:1になるよう分割し、U-Netモデルを構築後、手動検出と自動検出された血管周囲腔との一致度を表すDice係数を用いて汎化能を評価した。この結果、大脳白質のみの画像のDice係数は平均値0.493±0.042、全脳画像のDice係数は平均値0.385±0.064で、大脳白質のみの画像のDice係数は全脳画像より有意に高かった (p=0.001) 。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

2022年度は頭部画像と機械学習モデルを用いた2つの研究を実施し、機械学習についての知識をより深めることができた。さらに、2023年2月に日本神経放射線学会での発表を行い、今後は論文作成および投稿を行っていく予定である。

Strategy for Future Research Activity

引き続き機械学習モデルについての情報収集や知識を深め、2022年度に実施した研究結果の論文作成を行う。

Causes of Carryover

国際学会および国内学会での研究発表と講演が控えており、経費を使用して行う予定である。

Research Products

• [Journal Article] Neuroimaging findings related to glymphatic system alterations in older adults with metabolic syndrome (2023)
  • Author(s): Andica Christina、Kamagata Koji、Takabayashi Kaito、Kikuta Junko、Kaga Hideyoshi、Someya Yuki、Tamura Yoshifumi、Kawamori Ryuzo、Watada Hirotaka、Taoka Toshiaki、Naganawa Shinji、Aoki Shigeki
  • Journal Title: Neurobiology of Disease Volume: 177 Pages: 105990～105990
  • DOI: 10.1016/j.nbd.2023.105990
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Glymphatic system impairment in nonathlete older male adults who played contact sports in their youth associated with cognitive decline: A diffusion tensor image analysis along the perivascular space study (2023)
  • Author(s): Morita Yuichi、Kamagata Koji、Andica Christina、Takabayashi Kaito、Kikuta Junko、Fujita Shohei、Uchida Wataru、Saito Yuya、Tabata Hiroki、Naito Hitoshi、Someya Yuki、Kaga Hideyoshi、Tamura Yoshifumi、Akashi Toshiaki、Wada Akihiko、Taoka Toshiaki、Naganawa Shinji、Watada Hirotaka、Kawamori Ryuzo、Abe Osamu、Aoki Shigeki
  • Journal Title: Frontiers in Neurology Volume: 14 Pages: 14:1100736
  • DOI: 10.3389/fneur.2023.1100736
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Automation of a Rule-based Workflow to Estimate Age from Brain MR Imaging of Infants and Children Up to 2 Years Old Using Stacked Deep Learning (2023)
  • Author(s): Wada Akihiko、Saito Yuya、Fujita Shohei、Irie Ryusuke、Akashi Toshiaki、Sano Katsuhiro、Kato Shinpei、Ikenouchi Yutaka、Hagiwara Akifumi、Sato Kanako、Tomizawa Nobuo、Hayakawa Yayoi、Kikuta Junko、Kamagata Koji、Suzuki Michimasa、Hori Masaaki、Nakanishi Atsushi、Aoki Shigeki
  • Journal Title: Magnetic Resonance in Medical Sciences Volume: 22 Pages: 57～66
  • DOI: 10.2463/mrms.mp.2021-0068
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Feasibility of Quantitative Using 3D‐QALAS for Discriminating Immunohistochemical Status in Invasive Ductal Carcinoma of the Breast (2023)
  • Author(s): Amano Maki、Fujita Shohei、Takei Naoyuki、Sano Katsuhiro、Wada Akihiko、Sato Kanako、Kikuta Junko、Kuwatsuru Yoshiki、Tachibana Rina、Sekine Towa、Horimoto Yoshiya、Aoki Shigeki
  • Journal Title: Journal of Magnetic Resonance Imaging Volume: 1 Pages: 1～8
  • DOI: 10.1002/jmri.28683
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Effects of Arterial Stiffness on Cerebral WM Integrity in Older Adults: A Neurite Orientation Dispersion and Density Imaging and Magnetization Transfer Saturation Imaging Study. (2022)
  • Author(s): Kikuta, J.; Kamagata, K.; Abe, M.; Andica, C.; Saito, Y.; Takabayashi, K.; Uchida, W.; Naito, H.; Tabata, H.; Wada, A.; Tamura, Y.; Kawamori, R.; Watada, H.; Aoki, S
  • Journal Title: American Journal of Neuroradiology Volume: 43 (12) Pages: 1706
  • DOI: 10.3174/ajnr.A7709
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Association of MRI Indices of Glymphatic System With Amyloid Deposition and Cognition in Mild Cognitive Impairment and Alzheimer Disease (2022)
  • Author(s): Kamagata Koji、Andica Christina、Takabayashi Kaito、Saito Yuya、Taoka Toshiaki、Nozaki Hayato、Kikuta Junko、Fujita Shohei、Hagiwara Akifumi、Kamiya Kouhei、Wada Akihiko、Akashi Toshiaki、Sano Katsuhiro、Nishizawa Mitsuo、Hori Masaaki、Naganawa Shinji、Aoki Shigeki、for the Alzheimer's Disease Neuroimaging Initiative
  • Journal Title: Neurology Volume: 99 Pages: e2648～e2660
  • DOI: 10.1212/WNL.0000000000201300
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 睡眠の質の低下に伴うglymphatic system機能変化 ー DTI-ALPSを用いた検討 (2023)
  • Author(s): 早川弥生 、三田剛嗣 、菊田潤子、鎌形康司 、高林海斗、内田航 、 和田昭彦、田岡俊昭、長縄慎二 、青木茂樹
  • Organizer: 第52回日本神経放射線学会、2023年2月
• [Presentation] 脳拡散MRIの超解像と画像認識AIへの影響 (2023)
  • Author(s): 和田昭彦、大塚裕次朗、明石敏昭、西澤光生、下地啓五、菊田潤子、萩原彰文、 鎌形康司、佐野勝廣、中西淳、青木茂樹
  • Organizer: 第52回日本神経放射線学会、2023年2月
• [Presentation] 頭部MRIを用いた大脳白質病変の自動検出システムの構築 (2023)
  • Author(s): 菊田潤子、陳紅かい、郭森、斎藤勇哉 、和田昭彦 、高林海斗、 内田航 、早川弥生 、鎌形康司、青木茂樹
  • Organizer: 第52回日本神経放射線学会、2023年2月
• [Presentation] Alterations in ALPS index and choroid plexus volume after lumboperitoneal shunt in patients with idiopathic normal pressure hydrocephalus. (2022)
  • Author(s): Junko Kikuta, Koji Kamagata, Toshiaki Taoka, Kaito Takabayashi, Wataru Uchida, Akihiko Wada, Kaito Kawamura, Chihiro Akiba, Madoka Nakajima, Masakazu Miyajima, Shinji Naganawa, Shigeki Aoki.
  • Organizer: ISMRM2022. May 15-20, London, UK
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] What Do We Know About Emerging Methods for Imaging The Glymphatic System? (2022)
  • Author(s): Yuichi Morita, Koji Kamagata, Kaito Takabayashi, Christina Andica, Junko Kikuta, Wataru Uchida, Toshiaki Akashi, Akihiko Wada, Toshiaki Taoka, Shinji Naganawa, Shigeki Aoki.
  • Organizer: RSNA2022. Nov. 26‐30, Chicago, USA.
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] The effect of alcohol consumption on the glymphatic system: Evaluation by diffusion tensor image analysis along the perivascular space (DTI-ALPS). (2022)
  • Author(s): Yuichi Morita, Koji Kamagata, Kaito Takabayashi, Christina Andica, Shohei Fujita, Junko Kikuta, Samoyeau Thomas, Hiroki Tabata, Hitoshi Naito, Yuki Someya, Hideyoshi Kaga, Toshiaki Akashi, Akihiko Wada, Yoshifumi Tamura, Ryuzo Kawamori, Hirotaka Watada, Toshiaki Taoka, Shinji Naganawa, Osamu Abe, Shigeki Aoki.
  • Organizer: 第50回日本磁気共鳴学会大会、2022年9月9日～11日、名古屋
• [Presentation] Effects of Arterial Stiffness on Cerebral White Matter Integrity in the Elderly. (2022)
  • Author(s): Junko Kikuta, Koji Kamagata, Masahiro Abe, Christina Andica, Yuya Saito, Kaito Takabayashi, Wataru Uchida, Hitoshi Naito, Hiroki Tabata, Yoshifumi Tamura, Akihiko Wada, Ryuzo Kawamori, Hirotaka Watada, Shigeki Aoki.
  • Organizer: 第50回日本磁気共鳴学会大会、2022年9月9日～11日、名古屋
• [Presentation] Glymphatic system activity may be disrupted in moyamoya disease: the diffusion. (2022)
  • Author(s): Shoko Hara, Junko Kikuta, Kaito Takabayashi, Koji Kamagata, Motoki Inaji, Yoji Tanaka, Tadashi Nariai, Masaaki Hori, Kenji Ishii, Toshiaki Taoka, Shinji Naganawa, Shigeki Aoki, Taketoshi Maehara.
  • Organizer: 第50回日本磁気共鳴学会大会、2022年9月9日～11日、名古屋 （学術奨励賞/ 第50回大会『臨床/疾患部門』最優秀賞受賞）
• [Presentation] もやもや病における拡散MRIを用いたGlymphatic system機能評価 (2022)
  • Author(s): 原 祥子, 菊田 潤子, 高林 海斗, 鎌形 康司, 稲次 基希, 田中 洋次, 成相 直,堀 正明, 石井 賢ニ, 田岡 俊昭, 長縄 慎二, 青木 茂樹, 前原 健寿.
  • Organizer: 日本脳神経外科学会 第81回学術総会、2022年9月28日‐10月1日
• [Book] 第51回日本神経放射線学会でダイバーシティとインクルージョンをテーマにしたシンポジウムを開催 (2022)
  • Author(s): 菊田潤子
  • Total Pages: 1
  • Publisher: インナービジョン