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2023 Fiscal Year Research-status Report

生成データを活用した医用画像解析

Research Project

Project/Area Number 22K07681
Research InstitutionNational Cancer Center Japan

Principal Investigator

小林 和馬  国立研究開発法人国立がん研究センター, 研究所, 研究員 (00747610)

Project Period (FY) 2022-04-01 – 2027-03-31
Keywords医用画像 / 合成データ / 自己教師あり学習
Outline of Annual Research Achievements

医用画像においては、大規模なデータセットを整備することが難しいため、データの少数性が人工知能開発における大きな障壁となっている。特に、データの少数性は、疾患の表現型の中でも、いわゆるロングテール部分に位置するuncommon(まれ)な症例についての有効サンプル数を減少させる。そのため、診断支援システムの本来的なニーズが高いuncommonな症例に対して、深層学習モデルの識別性能を担保することが困難であった。
本研究では、生成データを活用した医用画像解析アルゴリズムの技術基盤を確立することで、希少な症例を補完し、さらに患者のプライバシー保護、データセットのバイアスの解消、流通可能な医療データの作成などを実現することを目的とする。特に、臨床医学においては高度に体系化された専門知が存在するため、医師の知識を生成過程に直接反映させられるような、専門知と相補的な医用画像の生成アルゴリズムを開発することを目指す。
そのための要素技術の一つとして、我々は医用画像中の任意の解剖学的構造に対して、ユーザが自在に編集することを可能にするアルゴリズムを開発した。具体的には、自己教師ありセグメンテーションによって医用画像中の解剖学的構造に一致したセグメンテーション・ラベルを獲得し、このセグメンテーション・ラベルをユーザが編集することによって、任意の解剖学的構造を編集することが可能となった。この技術により編集された合成画像と、編集されていない本物の画像をランダムに臨床医に提示したところ、平均的には本物の画像と見破ることが困難なレベルでの医用画像の生成ができることを示した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

医用画像中の任意の解剖学的構造をユーザが自在に編集できるアルゴリズムを開発した。このアルゴリズムは、要素技術の一つとして位置づけられる。具体的には、自己教師ありセグメンテーションを用いて、医用画像中の解剖学的構造に一致するセグメンテーション・ラベルを獲得する。そして、このセグメンテーション・ラベルをユーザが編集することで、任意の解剖学的構造を編集することが可能となる。
この技術を用いて編集された合成画像と、編集されていない本物の画像をランダムに臨床医に提示する実験を行った。その結果、平均的には、本物の画像と合成画像を見分けることが困難なレベルでの医用画像の生成が可能であることが示された。本結果をまとめた論文は、人工知能技術の医療応用に関する国際的なカンファレンスであるMedical Image Computing and Computer Assisted Intervention (MICCAI 2023)においてオーラル演題として採択された。

Strategy for Future Research Activity

今後の計画として、特定の所見を有する医用画像をスケーラブルに生成し、その生成データを用いて深層学習モデルを訓練することで、データの少数性に起因する課題が解決できるかどうかを検証する。最終的な目標は、生成データを次世代の医用人工知能開発の基盤として活用することである。そのために、生成データの利活用を推進していく方針である。

Causes of Carryover

本研究計画の前段階においては、既存の設備等により研究の遂行が可能であったため、本年度は物品費等を使用する必要がなかった。次年度以降の発展的課題においては、当初の予算計画に従って、物品費、旅費、人件費等を拠出していく予定である。

  • Research Products

    (12 results)

All 2024 2023

All Journal Article (6 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 6 results,  Open Access: 1 results) Presentation (6 results) (of which Invited: 3 results)

  • [Journal Article] Sketch-based semantic retrieval of medical images2024

    • Author(s)
      Kobayashi Kazuma、Gu Lin、Hataya Ryuichiro、Mizuno Takaaki、Miyake Mototaka、Watanabe Hirokazu、Takahashi Masamichi、Takamizawa Yasuyuki、Yoshida Yukihiro、Nakamura Satoshi、Kouno Nobuji、Bolatkan Amina、Kurose Yusuke、Harada Tatsuya、Hamamoto Ryuji
    • Journal Title

      Medical Image Analysis

      Volume: 92 Pages: 103060~103060

    • DOI

      10.1016/j.media.2023.103060

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Advances in cancer DNA methylation analysis with methPLIER: use of non-negative matrix factorization and knowledge-based constraints to enhance biological interpretability2024

    • Author(s)
      Takasawa Ken、Asada Ken、Kaneko Syuzo、Shiraishi Kouya、Machino Hidenori、Takahashi Satoshi、Shinkai Norio、Kouno Nobuji、Kobayashi Kazuma、Komatsu Masaaki、Mizuno Takaaki、et al
    • Journal Title

      Experimental & Molecular Medicine

      Volume: 56 Pages: 646~655

    • DOI

      10.1038/s12276-024-01173-7

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Towards AI-Driven Radiology Education: A Self-supervised Segmentation-Based Framework for?High-Precision Medical Image Editing2023

    • Author(s)
      Kobayashi Kazuma、Gu Lin、Hataya Ryuichiro、Miyake Mototaka、Takamizawa Yasuyuki、Ito Sono、Watanabe Hirokazu、Yoshida Yukihiro、Yoshimura Hiroki、Harada Tatsuya、Hamamoto Ryuji
    • Journal Title

      Medical Image Computing and Computer Assisted Intervention (MICCAI 2023)

      Volume: 14221 Pages: 403~413

    • DOI

      10.1007/978-3-031-43895-0_38

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Identification of telomere maintenance gene variations related to lung adenocarcinoma risk by genome‐wide association and whole genome sequencing analyses2023

    • Author(s)
      Shiraishi Kouya、Takahashi Atsushi、Momozawa Yukihide、Daigo Yataro、Kaneko Syuzo、Kawaguchi Takahisa、Kunitoh Hideo、Matsumoto Shingo、Horinouchi Hidehito、Goto Akiteru、Honda Takayuki、Shimizu Kimihiro、Torasawa Masahiro、Takayanagi Daisuke、et al
    • Journal Title

      Cancer Communications

      Volume: 44 Pages: 287~293

    • DOI

      10.1002/cac2.12498

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Magnetic resonance-based imaging biopsy with signatures including topological Betti number features for prediction of primary brain metastatic sites2023

    • Author(s)
      Egashira Mai、Arimura Hidetaka、Kobayashi Kazuma、Moriyama Kazutoshi、Kodama Takumi、Tokuda Tomoki、Ninomiya Kenta、Okamoto Hiroyuki、Igaki Hiroshi
    • Journal Title

      Physical and Engineering Sciences in Medicine

      Volume: 46 Pages: 1411~1426

    • DOI

      10.1007/s13246-023-01308-6

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Expert Knowledge-Aware Image Difference Graph Representation Learning for Difference-Aware Medical Visual Question Answering2023

    • Author(s)
      Hu Xinyue、Gu Lin、An Qiyuan、Zhang Mengliang、Liu Liangchen、Kobayashi Kazuma、Harada Tatsuya、Summers Ronald M.、Zhu Yingying
    • Journal Title

      SIGKDD Conference on Knowledge Discovery and Data Mining (KDD 2023)

      Volume: 23 Pages: 4156~4165

    • DOI

      10.1145/3580305.3599819

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Presentation] GPT-4による診療文書からのオントロジー自動構築の初期検討2024

    • Author(s)
      小林 和馬, 山本 和英, 浜本 隆二
    • Organizer
      言語処理学会第30回年次大会(NLP2024)
  • [Presentation] 医療者とメディカルAIのコラボレーションによる医療の革新2023

    • Author(s)
      小林 和馬
    • Organizer
      第21回日本医療マネジメント学会茨城県支部学術集会
    • Invited
  • [Presentation] 大域的・局所的正常解剖モデルに基づく脳MRIからの教師なし異常検出2023

    • Author(s)
      小林 和馬, 浜本 隆二
    • Organizer
      第82回日本癌学会学術総会 2023年9月23日
  • [Presentation] 放射線治療におけるビッグデータからの価値創出を志向したアルゴリズム開発2023

    • Author(s)
      小林 和馬
    • Organizer
      第126回日本医学物理学会学術大会
    • Invited
  • [Presentation] 医用画像の特徴分解に基づいた類似画像検索システムの開発2023

    • Author(s)
      小林 和馬
    • Organizer
      2023年度 人工知能学会全国大会(第37回)
  • [Presentation] 医師と共創するAI2023

    • Author(s)
      小林 和馬
    • Organizer
      第31回日本医学会総会
    • Invited

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Published: 2024-12-25  

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