Development of AI-based automated analysis system for osteoarthritis

2023 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 23K08622
• Research Institution: Kibi International University
• Principal Investigator: 森 芳史 吉備国際大学, 保健医療福祉学部, 教授 (60757954)
• Project Period (FY): 2023-04-01 – 2026-03-31
• Keywords: 変形性関節症 / deep learning / AI

Outline of Annual Research Achievements

変形性関節症(osteoarthritis, OA)を始めとする軟骨変性疾患の病態の解析や治療法の開発を目的とした研究において、実際に生体内で生じている現象を評価するため、マウスを用いたin vivo解析が盛んに行われている。本研究では、これらのin vivo研究で行われる組織学的解析の客観性を向上させるため、マウスの組織画像から、OAの進行度や軟骨破壊の程度などをAI技術により自動的に評価する技術の開発を試みている。
本年度は、その第一段階として、AI学習のためのデータセットに組み込む画像を収集するため、組織スライドの作製を進めた。マウスに対して外科的誘導OAモデルの一種であるDMM(destabilization of medial meniscus)モデルを導入した。その後、OAの進行段階が様々な組織画像を収集するするため、術後様々な時点で(術後6週、8週、12週、14週、15週、および16週）膝関節を採取した。この際、OAの進行度が軽度、あるいは重度のものに偏らないようにするため、適宜サンプルの組織学的評価を行い、その結果に応じて、以後サンプルを採取する時点を変化させた。さらに、OAが生じていない、あるいは進行度が軽度なサンプルを得るため、手術未施行の膝関節も同様に採取した。これらの膝関節サンプルを4%パラホルムアルデヒド/PBSで固定し、EDTAを用いて脱灰し、パラフィン包埋し、ミクロトームで薄切した。その後、Safranin-O染色を行った。以上により、新たに数百枚の膝関節の組織スライドを作製した。これらのスライドは、OAの進行が軽度のものから重度のものまで、多彩な進行度のものを含んでいた。
また、OAの多彩な病態に対応するため、DMMモデル以外の手法によるOAの誘導も試みた。具体的には、前十字靭帯切除モデルや、炎症誘発モデルも施行し、DMMモデルと同様にサンプル採取・組織染色によるスライド作製を進めた。

Current Status of Research Progress

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

Reason

当初の計画通り、多様なOAの進行度を持つ組織スライドを作製できた。今後、これらスライドの画像を取得し、既存の画像と併せることで、AIの学習に必要な数の画像からなるデータセットを構築できると期待できる。本研究では、まず充分な数の画像を確保することが必要となるが、この部分に関して、現時点で順調に進んでいると判断した。

Strategy for Future Research Activity

まず、本年度に多数作製した組織スライドの画像を取得する。これと以前の研究等で取得済みの画像を併せ、画像セットを構築する。必要に応じて、さらに画像を合成して追加する。これらの画像について教師データを作製し、AIの学習を行う方針である。

Causes of Carryover

本年度に利用したマウス、その飼育に要する消耗品、および組織学的解析に要する消耗品については、その多くが、他の研究で余ったものを活用したり、あるいは他の資金による購入でまかなうことができた。そのため、当初の予定よりも使用額が少なくなり、次年度使用額が生じるに至った。この使用額については、引き続き消耗品の購入など、研究開始当初の予定通りの使用を継続する。それに加え、研究補助者への謝金や、あるいは本研究で使用している組織学的解析関連の機器の整備・更新の費用に充当する計画である。