圧縮センシングと深層学習の融合による新たなMRI画像再構成法の開発

• 研究課題/領域番号: 18K19917
• 研究種目: 挑戦的研究(萌芽)
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 中区分90:人間医工学およびその関連分野
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 藤本 晃司 京都大学, 医学研究科, 特定准教授 (10580110)
• 研究期間 (年度): 2018-06-29 – 2021-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2020年度)
• 配分額: 6,110千円 (直接経費: 4,700千円、間接経費: 1,410千円); 2020年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円); 2019年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円); 2018年度: 3,120千円 (直接経費: 2,400千円、間接経費: 720千円)
• キーワード: 圧縮センシング / 深層学習 / compressed sensing / deep learning / MRI

研究成果の概要

ラディアルスキャンで得られた計測データを用いて様々な時間遅れに相当するシミュレーションを行うことで、位置補正に必要なデータを生成し、ゼロ次項に関する補正を行った結果、画像のアーチファクトが減少することを確認し、国際学会にて報告した。
深層学習に関しては、入力直後に学習済みのVGG19を接続し、後段に多段のUpSampling層を接続した。VGG19に相当する入力層から第23層までを学習させないように設定した上で、間引き収集されたMRI画像を入力画像、間引き収集しないMRI画像を出力画像として、5000枚の膝MRI画像を用いて学習を行った結果、良好な画像を復元することが可能となった。

研究成果の学術的意義や社会的意義

画像再構成に深層学習の手法を融合させることができれば、画像再構成に要する時間の飛躍的な短縮がはかれ、臨床応用を加速する大きなポイントになりうる。深層学習を用いたMRI画像再構成研究はまだ萌芽期であり、ネットワークの構成、学習方法の最適化、画質評価の手法など今後も検討が必要である。画質劣化を伴わずにMRIの高速撮像が可能となれば、高齢者や小児など、臨床において長時間のMRI撮像が負担となる患者にとって、大きなメリットとなりうる。

研究成果

• [国際共同研究] ニューヨーク大学(米国)
• [国際共同研究] New York University(米国)
• [国際共同研究] New York University(米国)
• [雑誌論文] Evaluation of image quality of pituitary dynamic contrast‐enhanced MRI using time‐resolved angiography with interleaved stochastic trajectories (TWIST) and iterative reconstruction TWIST (IT‐TWIST) (2020)
  • 著者名/発表者名: Yokota Y, Fushimi Y, Okada T, Fujimoto K, Oshima S, Nakajima S, Fujii T, Tanji M, Inagaki N, Miyamoto S, Togashi K
  • 雑誌名: Journal of Magnetic Resonance Imaging 巻: 51 号: 5 ページ: 1497-1506
  • DOI: 10.1002/jmri.26962
  • NAID: 120006840153
  • 査読あり
• [雑誌論文] Automatic segmentation of the uterus on MRI using a convolutional neural network (2019)
  • 著者名/発表者名: Kurata Yasuhisa、Nishio Mizuho、Kido Aki、Fujimoto Koji、Yakami Masahiro、Isoda Hiroyoshi、Togashi Kaori
  • 雑誌名: Computers in Biology and Medicine 巻: 114 ページ: 103438-103438
  • DOI: 10.1016/j.compbiomed.2019.103438
  • 査読あり
• [雑誌論文] Quantitative and Qualitative Evaluation of Convolutional Neural Networks with a Deeper U-Net for Sparse-View Computed Tomography Reconstruction (2019)
  • 著者名/発表者名: Nakai Hirotsugu、Nishio Mizuho、Yamashita Rikiya、Ono Ayako、Nakao Kyoko Kameyama、Fujimoto Koji、Togashi Kaori
  • 雑誌名: Academic Radiology 巻: 27 号: 4 ページ: 563-574
  • DOI: 10.1016/j.acra.2019.05.016
  • 査読あり
• [雑誌論文] Frequency and risk factors of thoracic metastases and optimisation of the use of cross-sectional chest imaging in follow-up patients with cervical cancer (2019)
  • 著者名/発表者名: Nakao KK, Kido A, Imai T, Abiko K, Fujimoto K, Horie A, Minamiguchi S, Tanaka S, Mandai M, Togashi K
  • 雑誌名: Clinical Radiology 巻: 74 ページ: 16-23
  • DOI: 10.1016/j.mri.2018.05.007
  • 査読あり
• [雑誌論文] 神経放射線領域における圧縮センシングMRIの臨床応用 (2018)
  • 著者名/発表者名: 伏見育崇，藤 本 晃 司，岡 田 知 久，山 本 憲，富樫かおり
  • 雑誌名: 日本磁気共鳴医学会雑誌 巻: 38 号: 3 ページ: 87-92
  • DOI: 10.2463/jjmrm.2018-1656
  • NAID: 130007495571
  • ISSN: 0914-9457, 2434-0499
  • 年月日: 2018-08-15
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 3Dグラディエント撮像の技術と今後の展望 (2018)
  • 著者名/発表者名: 藤本晃司
  • 雑誌名: インナービジョン 巻: 33 ページ: 11-13
• [雑誌論文] Complementary regional heterogeneity information from COPD patients obtained using oxygen-enhanced MRI and chest CT (2018)
  • 著者名/発表者名: Fuseya Y, Muro S, Sato S, Tanabe N, Sato A, Tanimura K, Hasegawa K, Uemasu K, Kubo T, Kido A, Fujimoto K, Fushimi Y, Kusahara H, Sakashita N, Ohno Y, Togashi K, Mishima M, Hirai T.
  • 雑誌名: PLoS One 巻: 30 号: 8 ページ: e0203273-e0203273
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0203273
  • NAID: 120006817600
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Automatic inference model construction for computer-aided diagnosis of lung nodule: Explanation adequacy, inference accuracy, and experts' knowledge. (2018)
  • 著者名/発表者名: Kawagishi M, Kubo T, Sakamoto R, Yakami M, Fujimoto K, Aoyama G, Emoto Y, Sekiguchi H, Sakai K, Iizuka Y, Nishio M, Yamamoto H, Togashi K.
  • 雑誌名: PLoS One 巻: 16 号: 11 ページ: e0207661-e0207661
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0207661
  • NAID: 120006539611
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Does the Diffusion Tensor Model Predict the Neurite Distribution of Cerebral Cortical Gray Matter? ? Cortical DTI-NODDI (2018)
  • 著者名/発表者名: Hikaru Fukutomi, Matthew F. Glasser, Katsutoshi Murata, Thai Akasaka, Koji Fujimoto, Takayuki Yamamoto, Joonas A. Autio, Tomohisa Okada, Kaori Togashi, Hui Zhang, David C. Van Essen, Takuya Hayashi
  • 雑誌名: biorxiv 巻: -
  • DOI: 10.1101/441659
  • オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] A simple method to estimate gradient delay for MRF (2020)
  • 著者名/発表者名: Koji Fiujimoto, Martijn A. Cloos, Tomohisa Okada
  • 学会等名: ISMRM 2020 Annual Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] 制約付きアンサンブル学習を用いた事後平均解の近似によるMR画像再構成 (2019)
  • 著者名/発表者名: 久保田 菜々子, 原田 賢, 藤本 晃司, 岡田 知久, 井上 真郷
  • 学会等名: 第３８回日本医用画像工学会大会
• [学会発表] Advantages and pitfalls in the imaging with human 7T MRI scanner (2019)
  • 著者名/発表者名: Koji Fujimoto, Tomohisa Okada, Dinh Ha Duy Thuy, Toru Ishii, Martijn A. Cloos, Yuta Urushibata, Hideto Kuribayashi, Tobias Kober, Nouha Salibi, Ravi Seethamraju, John Grinstead, Tadashi Isa
  • 学会等名: 2019 RSNA
  • 国際学会
• [学会発表] Compressed Sensing MR Angiography from Simulation Research to Clinical Practices (2019)
  • 著者名/発表者名: Sayo Otani, Yasutaka Fushimi, Koji Fujimoto, Takayuki Yamamoto, Azusa Ota, Krishna W. Pandu, Sonoko Oshima, Yusuke Yokota, Satoshi Nakajima, Akihiko Sakata, Akira Yamamoto, Peter Speier, Christoph Forman, Michaela Schmidt, Tomohisa Okada, Kaori Togashi
  • 学会等名: 2019 RSNA
  • 国際学会
• [学会発表] Age-related changes in tissue T1, T2 values of the human brain quantified by 2D PnP-MRF at 7T MRI (2019)
  • 著者名/発表者名: Koji Fujimoto, Martijn A Cloos, Atsushi Shima, Dinh Ha Duy Thuy, Nobukatsu Sawamoto, Ryosuke Takahashi, Tadashi Isa, Tomohisa Okada
  • 学会等名: ISMRM 2019 Annual Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] Evaluation of image quality of pituitary dynamic contrast-enhanced MRI using TWIST and IT-TWIST (2019)
  • 著者名/発表者名: Yusuke Yokota, Yasutaka Fushimi, Tomohisa Okada, Hikaru Fukutomi, Akira Yamamoto, Satoshi Nakajima, Gosuke Okubo, Sonoko Oshima, Koji Fujimoto, and Kaori Togashi
  • 学会等名: ISMRM 2019 Annual Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] Age-related changes in the brain tissue T1, T2 values quantified by 2D MRF in normal healthy volunteers measured at 7T MRI (2018)
  • 著者名/発表者名: Koji Fujimoto1, Martijn A. Cloos2, Dinh Ha Duy Thuy1, Atsushi Shima3, Nobukatsu Sawamoto4, Ryosuke Takahashi3, Tadashi Isa1,5, Tomohisa Okada1
  • 学会等名: 第46回日本磁気共鳴医学会大会
• [学会発表] In Vivo Evaluation of MR Fingerprinting at 7T (2018)
  • 著者名/発表者名: Thai Akasaka1, Koji Fujimoto2, Martijn Cloos3, Tomohisa Okada2, Kaori Togashi2
  • 学会等名: ISMRM 2018 Annual Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] Test-retest reproducibility of quantitative proton MRS using short-TE STEAM and semi-LASER sequences in young adult volunteer brains at 7T (2018)
  • 著者名/発表者名: Tomohisa Okada1, Hideto Kuribayashi2, Lana G Kaiser 2, Yuta Urushibata 2, Nouha Salibi3, Ravi Teja Seethamraju3, Sinyeob Ahn3, Tadashi Isa1, Koji Fujimoto 1
  • 学会等名: ISMRM 2018 Annual Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] Cortical T2* and QSM maps at 7T: test-retest reproducibility, similarity and differences (2018)
  • 著者名/発表者名: Tomohisa Okada1, Yuta Urushibata2, Tobias Kober3,4,5, Benjamin Schmitt6, Koji Fujimoto1
  • 学会等名: ISMRM 2018 Annual Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] Cortical T1 mapping with 3D MR Fingerprinting at 7T using a single transmit channel (2018)
  • 著者名/発表者名: Koji Fiujimoto1, Martijn A. Cloos2, Yuta Urushibata3, Tomohisa Okada1
  • 学会等名: ISMRM 2018 Annual Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] Age-related neurochemical changes in normal human brain: a proton MR spectroscopy study at 7T (2018)
  • 著者名/発表者名: Toru Ishii, Koji Fujimoto, Hideto Kuribayashi, Yuta Urushibata, Nouha Salibi, Ravi Seethamraju, Ahn Sinyeob, Tadashi Isa, Tomohisa Okada
  • 学会等名: ISMRM 2018 Annual Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] Test-retest reproducibility of cortical thickness, B1+, and R1 in healthy young adults measured at 7T (2018)
  • 著者名/発表者名: Koji Fujimoto1, Yuta Urushibata2, Hideto Kuribayashi2, Tobias Kober3,4,5, Tadashi Isa1, Tomohisa Okada1
  • 学会等名: ISMRM 2018 Annual Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] Age-related changes in cortical thickness and R1 values measured at 7T (2018)
  • 著者名/発表者名: Koji Fujimoto1, Yuta Urushibata2, Hideto Kuribayashi2, Tobias Kober3,4,5, Tadashi Isa1, Tomohisa Okada1
  • 学会等名: ISMRM 2018 Annual Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] Automatic segmentation of uterus with malignant tumor on MRI using U-net (2018)
  • 著者名/発表者名: Yasuhisa Kurata, Mizuho Nishio, Koji Fujimoto, Masahiro Yakami, Aki Kido, Hiroyoshi Isoda, Kaori Togashi
  • 学会等名: CARS, 2018-Computer Assisted Radiology and Surgery Proceedings of the 32nd International Congress and Exhibition
  • 国際学会
• [学会発表] Age-related changes in thickness, R1 and R2* values of the cortex at 7T (2018)
  • 著者名/発表者名: Tomohisa Okada1, Koji Fujimoto1, Yuta Urushibata2, Hideto Kuribayashi2, Tobias Kober3,4,5, Tadashi Isa1
  • 学会等名: i2i workshop
  • 国際学会