生体計測時系列信号の深層学習による医用画像再構成手法の開発

• 研究課題/領域番号: 18K18357
• 研究種目: 若手研究
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 小区分90110:生体医工学関連
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 富井 直輝 東京大学, 大学院医学系研究科(医学部), 助教 (00803602)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2021-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2020年度)
• 配分額: 3,900千円 (直接経費: 3,000千円、間接経費: 900千円); 2020年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円); 2019年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円); 2018年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円)
• キーワード: 医用画像再構成 / 深層学習 / 超音波計測 / 心電図計測 / 不整脈 / 心臓電極マッピング / 超音波診断 / in silico学習 / 膜電位動画再構成 / Bモード画像再構成 / 学習データセット構築 / 生体計測

研究成果の概要

本研究では、超音波計測や生体電気計測といった簡便な生体計測手法の適用範囲を広げ，様々な疾患の精密な診断に適用可能とする事を目指して、機械学習によるパターン認識を応用することで、生体の持つ不均一性に対してロバストな画像再構成手法の構築に取り組んだ。超音波計測と心電図計測のそれぞれで、数値シミュレーションを用いて大規模な学習データを生成し、計測信号から医用画像を再構成する深層ニューラルネットワークを学習した結果、従来手法に比べて限られた計測信号から高効率・高精度な医用画像が再構成可能であることが明らかとなった。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究を通じて、深層学習によって従来より高画質な超音波計測が実現できる可能性が示された。これにより将来的に、現状では画質が限られる超音波画像診断をより精密な診断に応用できる可能性が開かれた。さらに、カテーテルを用いた心内心電図信号から、心臓内に発生する電気的興奮波を、興奮回復特性まで含めて従来よりも精密に可視化できる可能性が示された。これにより現状では治療の難しい複雑な不整脈に対し、正確な興奮状態の把握に基づく焼灼等の精密治療の可能性が開かれた。

研究成果

• [雑誌論文] Cardiac macrophages prevent sudden death during heart stress. (2021)
  • 著者名/発表者名: Sugita J, Fujiu K, Nakayama Y, Matsubara T, Matsuda J, Oshima T, Liu Y, Maru Y, Hasumi E, Kojima T, Seno H, Asano K, Ishijima A, Tomii N, Yamazaki M, Kudo F, Sakuma I, Nagai R, Manabe I, Komuro I.
  • 雑誌名: Nat Commun. 巻: 12(1) 号: 1 ページ: 1910-1910
  • DOI: 10.1038/s41467-021-22178-0
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Spatial phase discontinuity at the center of moving cardiac spiral waves (2021)
  • 著者名/発表者名: Tomii Naoki、Yamazaki Masatoshi、Ashihara Takashi、Nakazawa Kazuo、Shibata Nitaro、Honjo Haruo、Sakuma Ichiro
  • 雑誌名: Computers in Biology and Medicine 巻: 130 ページ: 104217-104217
  • DOI: 10.1016/j.compbiomed.2021.104217
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Validation of Intraoperative Catheter Phase Mapping Using a Simultaneous Optical Measurement System in Rabbit Ventricular Myocardium (2020)
  • 著者名/発表者名: Tomii N, Asano K, Seno H, Ashihara T, Sakuma I, Yamazaki
  • 雑誌名: Circulation Journal 巻: 84 号: 4 ページ: 609-615
  • DOI: 10.1253/circj.CJ-19-1020
  • NAID: 130007815573
  • ISSN: 1346-9843, 1347-4820
  • 年月日: 2020-03-25
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Shape Estimation Algorithm for Ultrasound Imaging by Flexible Array Transducer (2020)
  • 著者名/発表者名: Noda Takumi、Tomii Naoki、Nakagawa Keiichi、Azuma Takashi、Sakuma Ichiro
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control 巻: 67 号: 11 ページ: 2345-2353
  • DOI: 10.1109/tuffc.2020.3004052
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Mechanism of Electrical Defibrillation: Current Status and Future Perspective (2020)
  • 著者名/発表者名: Shibata Nitaro、Inada Shin、Nakazawa Kazuo、Tomii Naoki、Yamazaki Masatoshi、Seno Hiroshi、Honjo Haruo、Sakuma Ichiro
  • 雑誌名: Advanced Biomedical Engineering 巻: 9 号: 0 ページ: 125-137
  • DOI: 10.14326/abe.9.125
  • NAID: 130007882170
  • ISSN: 2187-5219
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Cardiac Spiral Wave Termination by Linear Regional Cooling toward Anatomical Boundary of Heart (2020)
  • 著者名/発表者名: Seno H, Tomii N, Yamazaki M, Honjo H, Shibata N, Sakuma I
  • 雑誌名: Journal of Medical and Biological Engineering 巻: in press 号: 3 ページ: 400-408
  • DOI: 10.1007/s40846-020-00517-8
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] 仮想電極分極現象を用いたSpiral Wave Reentry制御 (2019)
  • 著者名/発表者名: 谷田部純弥、山﨑正俊、柴田仁太郎、富井直輝、佐久間一郎
  • 雑誌名: 生体医工学 巻: 57 号: 2-3 ページ: 49-57
  • DOI: 10.11239/jsmbe.57.49
  • NAID: 130007691681
  • ISSN: 1347-443X, 1881-4379
  • 年月日: 2019-06-10
  • 査読あり
• [雑誌論文] Interaction of Phase Singularities on Spiral Wave Tail: Reconsideration of Caputuring Excitable Gap. (2018)
  • 著者名/発表者名: Tomii N, Yamazaki M, Arafune T, Kamiya K, Nakazawa K, Honjo H, Shibata N, Sakuma I.
  • 雑誌名: Am J Physiol Heart Circ Physiol. 巻: in press 号: 2 ページ: 318-326
  • DOI: 10.1152/ajpheart.00558.2017
  • 査読あり
• [雑誌論文] 位相分散解析 : 心臓旋回興奮波の追跡と制御 (2018)
  • 著者名/発表者名: 富井直輝，佐久間一郎
  • 雑誌名: 計測と制御 : journal of the Society of Instrument and Control Engineers 巻: 57 ページ: 576-581
  • NAID: 130007438862
• [学会発表] ホルター心電図の診断精度向上に向けた深層学習によるノイズ検出モデルの提案 (2020)
  • 著者名/発表者名: 久次米康太，富井直輝，瀬野宏，山崎正俊，佐久間一郎
  • 学会等名: 第30回ライフサポート学会フロンティア講演会
• [学会発表] 適応的除細動刺激の効果検証のための3次元パノラマ光学・電極同時計測システムの開発 (2020)
  • 著者名/発表者名: 古川航暉，富井直輝，山崎正俊，佐久間一郎
  • 学会等名: 日本生体医工学会関東支部若手研究者発表会2020
• [学会発表] 深層学習を用いた腹腔鏡下における術具の３次元位置姿勢推定 (2020)
  • 著者名/発表者名: 石川宏輔，原一晃，赤木友紀，中川桂一，佐久間一郎，富井直輝，小林英津子
  • 学会等名: 第59回日本生体医工学会大会
• [学会発表] 心臓全体多電極マッピングの精度検証に向けた光学電極同時計測システムの構築 (2020)
  • 著者名/発表者名: 浅野圭佑，富井直輝，瀬野宏，加藤敦也，白石諒太，中川圭一，赤木友紀，山崎正俊，佐久間一郎
  • 学会等名: 第59回日本生体医工学会大会
• [学会発表] 心臓局所冷却による頻脈性不整脈制御の試み (2020)
  • 著者名/発表者名: 瀬野宏，富井直輝，山崎正俊，本荘晴朗，柴田仁太郎，佐久間一郎
  • 学会等名: 第59回日本生体医工学会大会
• [学会発表] 心臓表面における光学マッピング電極信号同時計測系の構築 (2020)
  • 著者名/発表者名: 加藤敦也，富井直輝，山崎正俊，中川桂一，赤木友紀，佐久間一郎
  • 学会等名: 第29回ライフサポート学会フロンティア講演会
• [学会発表] Self-shape estimation algorithm for flexible ultrasonic transducer array probe by minimizing entropy of reconstructed image (2019)
  • 著者名/発表者名: Noda T, Tomii N, Azuma T, Sakuma I
  • 学会等名: 2019 IEEE International Ultrasonics Symposium
• [学会発表] Ultrasound Computed Tomography to Image Objects Including Bone using RF Data Recovery with Deep Neural Network (2019)
  • 著者名/発表者名: Watanabe Y, Tomii N, Takagi S, Azuma T
  • 学会等名: 2019 IEEE International Ultrasonics Symposium
• [学会発表] Attention-Guided Decoder in Dilated Residual Network for Accurate Aortic Valve Segmentation in 3D CT Scans (2019)
  • 著者名/発表者名: Fan B, Tomii N, Tsukihara H, Maeda E, Yamauchi H, Nawata K, Hatano A, Takagi S, Sakuma I, Ono M
  • 学会等名: Machine Learning and Medical Engineering for Cardiovascular Health and Intravascular Imaging and Computer Assisted Stenting
• [学会発表] Deep Neural Network for Estimation of Membrane Potential Distribution from Multiple Electrode Measurement Signals -- A Simulation Study (2019)
  • 著者名/発表者名: Tomii N, Jiao J, Yamazaki M, Ashihara T, Sakuma I
  • 学会等名: 第66回日本不整脈心電学会学術集会
• [学会発表] 深層学習と電気生理シミュレーションを用いた電極信号に基づく心臓膜電位分布推定手法の検討 (2019)
  • 著者名/発表者名: 富井直輝，ジャオジャミン，山崎正俊，佐久間一郎
  • 学会等名: 第58回日本生体医工学会大会
• [学会発表] フレキシブル超音波プローブによる撮像のための形状推定アルゴリズムの開発 (2019)
  • 著者名/発表者名: 野田拓実，富井直輝，東隆，佐久間一郎
  • 学会等名: 生体医工学会関東支部若手研究者発表会2019
• [学会発表] Computer Simulation Study for the Control of Cardiac Spiral Wave by Linear Regional Cooling (2018)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Seno, Naoki Tomii, Masatoshi Yamazaki, Haruo Honjo, Nitaro Shibata, Ichiro Shibata
  • 学会等名: 11th Asia Pacific Heart Rhythm Society Scientific Session
  • 国際学会
• [学会発表] Statistical Guideline of Threshold Determination for Cardiac Spiral Wave Center Detection Using Phase Variance Analysis (2018)
  • 著者名/発表者名: Naoki Tomii, Masatoshi Yamazaki, Nitaro Shibata, Haruo Honjo, Ichiro Sakuma,
  • 学会等名: World Congress on Medical Physics and Biomedical Engineering 2018
  • 国際学会
• [学会発表] スパイラル・リエントリの検出・追跡・制御 (2018)
  • 著者名/発表者名: 富井直輝
  • 学会等名: HEAN Forum
  • 招待講演
• [学会発表] 画像のコントラストを用いたフレキシブルプローブの自己形状推定アルゴリズムの開発 (2018)
  • 著者名/発表者名: 野田拓実，東隆，富井直輝，佐久間一郎
  • 学会等名: 日本生体医工学会関東支部若手研究者発表会2018
• [学会発表] Compressed Laminar Optical Tomography (CLOT)計測を可能とする光学計測システムの開発 (2018)
  • 著者名/発表者名: 小林俊輝，富井直輝，山崎正俊，柴田仁太郎，佐久間一郎
  • 学会等名: 生体医工学シンポジウム2018
• [学会発表] シミュレーションモデルを用いた線状局所冷却による冷却除細動の検討 (2018)
  • 著者名/発表者名: 瀬野宏，富井直輝，山崎正俊，本荘晴朗，神谷香一郎，柴田仁太郎，佐久間一郎
  • 学会等名: 第33回心電情報処理ワークショップ
• [学会発表] 心臓旋回性興奮動態の位相分散解析 (2018)
  • 著者名/発表者名: 富井直輝，瀬野宏，山崎正俊，本荘晴朗，柴田仁太郎，佐久間一郎
  • 学会等名: 第57回日本生体医工学会大会
• [学会発表] 時空間興奮分散を指標にした心房細動治療法 (2018)
  • 著者名/発表者名: 山崎正俊，富井直輝，佐久間 一郎
  • 学会等名: 第57回日本生体医工学会大会
• [産業財産権] 超音波撮像装置 (2019)
  • 発明者名: 富井直輝，佐久間一郎，東隆，野田拓実
  • 権利者名: 国立大学法人東京大学
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 2019-173457
  • 出願年月日: 2019
• [産業財産権] 生体組織の電極配置推定方法 (2019)
  • 発明者名: 富井直輝，佐久間一郎，山崎正俊，ジャオジャミン
  • 権利者名: 国立大学法人東京大学
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 2019-010999
  • 出願年月日: 2019