2021 Fiscal Year Research-status Report
機械学習・深層学習を併用した骨関節診断・手術支援の実装と最適化
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21K12652
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| Research Institution | Saitama Institute of Technology |
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Principal Investigator |
山崎 隆治 埼玉工業大学, 工学部, 教授 (40432546)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
菅本 一臣 大阪大学, 医学系研究科, 寄附講座教授 (40294061)
中島 義和 東京医科歯科大学, 生体材料工学研究所, 教授 (40343256)
佐原 亘 大阪大学, 医学部附属病院, 助教 (80706391)
玉城 雅史 大阪大学, キャンパスライフ健康支援・相談センター, 助教 (90837535)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 機械学習 / 深層学習 / 骨関節診断 / 手術支援 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
形態と運動機能情報を統合した機械学習・深層学習に基づく骨関節診断・手術支援システムの開発を最終目標として、本年度（令和３年度）は、（１）骨関節医用画像データベースの整備、（２）筋骨格統計モデルの構築、および解析結果の分類と臨床スコア・手術情報との関連付け、を試みた。
骨関節医用画像データベースの整備については、人工膝関節、膝関節、肩関節を対象に、X線動画像による動態データ、CT画像による形態データを取得し、特に、膝関節は50症例程度、肩関節は40症例程度のデータを追加で収集することができた。
筋骨格統計モデルの構築については、取得したデータを用いて専門の整形外科医の協力のもと、形状モデル化のための骨関節への靭帯や腱などの解剖学的特徴の埋め込みや、運動機能モデル化のための靭帯・腱の長さなどの計測を一部行い、関節の多様性を効率よく記述する手法（平均の形状や運動機能とバラツキを推定するモデリング法）を開発した。また、人工膝関節と膝関節の両関節において、骨関節形状や動態解析結果に基づき、正常な解析データとそれ以外のデータのクラス（正常、異常クラス）の分類を行った。異常クラスの中で、人工膝関節は手術方式（人工関節の設置状態や靭帯切除の有無など）、膝関節は疾患（変形性関節症や靱帯損傷など）ごとに詳細に分類を行うには、時間と煩雑さなどを伴うため、本年度は2クラス（正常クラスと異常クラス）のみに大きく分類して研究を進めた。
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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
膝関節および肩関節のX線動画像による動態データ、CT画像による形態データにおいて、おおむね目標のデータ数（症例数）を追加で収集、解析することができたため。また、形状モデル化のための骨関節への靭帯や腱などの解剖学的特徴の埋め込みや、運動機能モデル化のための靭帯・腱の長さなどの計測を一部行い、筋骨格統計モデルの構築に着手し、さらに人工膝関節と膝関節の両関節において、骨関節形状や動態解析結果に基づき、正常クラスおよび異常クラスの２クラスに分類することができたため。
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| Strategy for Future Research Activity |
開発した筋骨格統計モデルを、2次元/3次元画像位置合わせ技術を用いた関節3次元動態解析システムに導入し、機械学習・深層学習に基づく骨関節診断・手術支援システムのプロトタイプを完成させる。また、交差検定によってシステムの性能評価を行う。人工膝関節と膝関節の両関節において、人工膝関節は手術方式（人工関節の設置状態や靭帯切除の有無など）、膝関節は疾患（変形性関節症や靱帯損傷など）ごとの分類を試み、より高性能なシステムの開発を目指す。さらに、肩関節に対してもデータベースの整備、解析結果の分類を行い、筋骨格統計モデルの改良・拡張を行う。
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| Causes of Carryover |
次年度使用額が生じた主な理由は、一部の関節（主に肩関節）を対象とした適切な被検者や解析協力者が集まらなかったことによるものであり、令和4年度は広く募集をかけ、この額（人件費・謝金）を使用する予定である。また、請求する研究費は、主にシステム開発に必要な物品費や成果発表の費用（旅費）として使用する予定である。
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[Journal Article] Cruciate ligament force of knees following mobile-bearing unicompartmental knee arthroplasty is larger than the preoperative value2021
Author(s)
K. Kono, H. Inui, T. Tomita, DD. D'Lima, T. Yamazaki, S. Konda, S. Taketomi, R. Yamagami, K. Kawaguchi, S. Sameshima, T. Kage, S. Tanaka
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Journal Title
Scientific Reports
Volume: 11
Pages: －
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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