脳MRI定量指標の臨床応用へ：AIを用いた画像駆動型緑内障診断ソフトウェアの開発

• 研究課題/領域番号: 21K07665
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分52040:放射線科学関連
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 舘脇 康子 東北大学, 加齢医学研究所, 助教 (40722202)
• 研究分担者: 瀧 靖之 東北大学, スマート・エイジング学際重点研究センター, 教授 (10375115) ; 中澤 徹 東北大学, 医学系研究科, 教授 (30361075) ; Thyreau Benjamin 東北大学, スマート・エイジング学際重点研究センター, 助教 (30709522) ; 武藤 達士 秋田県立循環器・脳脊髄センター(研究所), 脳卒中治療学研究部, 研究部長 (80462472) ; 面高 宗子 東北大学, 医学系研究科, 助教 (80569583)
• 研究期間 (年度): 2021-04-01 – 2025-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2023年度)
• 配分額: 4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円); 2023年度: 390千円 (直接経費: 300千円、間接経費: 90千円); 2022年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円); 2021年度: 2,210千円 (直接経費: 1,700千円、間接経費: 510千円)
• キーワード: 緑内障 / MRI / AI / 早期発見

研究開始時の研究の概要

緑内障では網膜だけではなく中枢視路である視神経から大脳視覚野にまで体系的に変性が及び、MRI技術を用いてこれらの変化を詳細に可視化・定量化する試みが行われているが、未だ臨床応用には至っていない。本研究は脳MRI画像から得られる視野障害の程度を反映する定量指標を、客観的な新たな視機能評価法として臨床応用することを目指す。本研究では既存の知見をもとに脳MRI情報から視機能を予測するモデル構築を行い、さらにAIを活用して高精度の診断性能を持つソフトウェア開発を目指す。

研究実績の概要

緑内障は本邦において推計400万人が罹患する老年病であり、網膜神経節細胞脱落部位に応じた進行性の視野障害を特徴とする。緑内障では網膜だけではなく中枢視路である視神経から大脳視覚野にまで体系的に変性が及び、MRI技術を用いてこれらの変化を詳細に可視化・定量化する試みが行われているが、未だ臨床応用には至っていない。本研究は脳MRI画像から得られる視野障害の程度を反映する定量指標を、客観的な新たな視機能評価法として臨床応用することを目指す。
本研究は既存の知見をもとに脳MRI情報から視機能を予測するモデル構築を行い、さらにAIを活用して高精度の診断性能を持つソフトウェア開発を目指したものである。
当該年度では既存の緑内障縦断MRIデータベースの約280症例のデータを用いて、画像解析プログラム開発として、解剖学的3次元T1強調像をFreeSurferにてparcellationを行い、関心領域である後頭葉視覚野をcropして、視野検査の詳細なデータと整合性のある統計モデル作成をを行った。200症例の関心領域の皮質体積を入力、視野情報を学習データとして、関心領域の皮質体積から視野を予測するAIプログラムをCNNを用いて作成した。結果、予測能はまだ十分とは言えず、学習データの少なさが課題として残った。
今後は、公開データベースなどを利用して、学習データを増やして再度プログラム作成を試すほか、他の有効な統計モデルの探索を行い、実装できるレベルのプログラム開発を目指す。

現在までの達成度 (区分)

4: 遅れている

理由

AIプログラム作成のための学習データ数が不十分であったことが要因として挙げられる。

今後の研究の推進方策

今後は、公開データベースなどを利用して、学習データを増やして再度プログラム作成を試すほか、他の有効な統計モデルの探索を行い、実装できるレベルのプログラム開発を目指す。

研究成果

• [雑誌論文] Brain atrophy in normal older adult links tooth loss and diet changes to future cognitive decline (2024)
  • 著者名/発表者名: Nakamura H, Noguchi-Shinohara M, Ishimiya-Jokaji M, Kobayashi Y, Isa M, Ide K, Kawano T, Kawashiri S, Uchida K, Tatewaki Y, Taki Y, Ohara T, Ninomiya T, Ono K.
  • 雑誌名: NPJ Aging 巻: 10 号: 1 ページ: 1-10
  • DOI: 10.1038/s41514-024-00146-4
  • URL: https://u-ryukyu.repo.nii.ac.jp/records/2020694
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Late-Life High Blood Pressure and Enlarged Perivascular Spaces in the Putaminal Regions of Community-Dwelling Japanese Older Persons (2024)
  • 著者名/発表者名: Tachibana A, Iga JI, Tatewaki Y, Thyreau B, Chen H, Ozaki T, Yoshida T, Yoshino Y, Shimizu H, Mori T, Furuta Y, Shibata M, Ohara T, Hata J, Taki Y, Nakaji S, Maeda T, Ono K, Mimura M, Nakashima K, Takebayashi M, Ninomiya T, Ueno SI; JPSC-AD study group
  • 雑誌名: J Geriatr Psychiatry Neurol 巻: 37 号: 1 ページ: 61-72
  • DOI: 10.1177/08919887231195235
• [雑誌論文] Tohoku Medical Megabank Brain Magnetic Resonance Imaging Study: Rationale, Design, and Background (2023)
  • 著者名/発表者名: Taira M, Mugikura S, Mori N, Hozawa A, Saito T, Nakamura T, Kiyomoto H, Kobayashi T, Ogishima S, Nagami F, Uruno A, Shimizu R, Kobayashi T, Yasuda J, Kure S, Sakurai M, Motoike IN, Kumada K, Nakaya N, Obara T, Oba K, Sekiguchi A, Thyreau B, Mutoh T, Takano Y, Abe M, Maikusa N, Tatewaki Y, Taki Y, et.al.
  • 雑誌名: JMA Journal 巻: 6 号: 3 ページ: 246-264
  • DOI: 10.31662/jmaj.2022-0220
  • ISSN: 2433-328X, 2433-3298
  • 年月日: 2023-07-14
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Association between frequency of social contact and brain atrophy in community-dwelling older people without dementia: the JPSC-AD Study. (2023)
  • 著者名/発表者名: Hirabayashi N, Honda T, Hata J, Furuta Y, Shibata M, Ohara T, Tatewaki Y, Taki Y, Nakaji S, Maeda T, Ono K, Mimura M, Nakashima K, Iga JI, Takebayashi M, Ninomiya T; as the Japan Prospective Studies Collaboration for Aging and Dementia (JPSC-AD) Study
  • 雑誌名: Neurology 巻: 101 号: 11 ページ: 1-1
  • DOI: 10.1212/wnl.0000000000207602
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Impact of hs-CRP concentration on brain structure alterations and cognitive trajectory in Alzheimer’s disease (2023)
  • 著者名/発表者名: Zhang Ye、Tatewaki Yasuko、Nakase Taizen、Liu Yingxu、Tomita Naoki、Thyreau Benjamin、Zheng Haixia、Muranaka Michiho、Takano Yumi、Nagasaka Tatsuo、Taki Yasuyuki
  • 雑誌名: Frontiers in Aging Neuroscience 巻: 15 ページ: 1227325-1227325
  • DOI: 10.3389/fnagi.2023.1227325
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Pretreatment with tadalafil attenuates cardiotoxicity induced by combretastatin A4 disodium phosphate in rats (2023)
  • 著者名/発表者名: Nagashima Y, Tochinai R, Sekizawa SI, Kato D, Nakagawa T, Tsuru Y, Tatewaki Y, Mutoh T, Taki Y, Kuwahara M
  • 雑誌名: Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｔｏｘｉｃｏｌｏｇｉｃ Ｐａｔｈｏｌｏｇｙ 巻: 36 号: 3 ページ: 151-158
  • DOI: 10.1293/tox.2022-0143
  • ISSN: 0914-9198, 1881-915X
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Impact of atrial fibrillation on the cognitive decline in Alzheimer's disease. (2023)
  • 著者名/発表者名: Nakase T, Tatewaki Y, Thyreau B, Odagiri H, Tomita N, Yamamoto S, Takano Y, Muranaka M, Taki Y.
  • 雑誌名: Alzheimers Research and Therapy 巻: 15 号: 1 ページ: 1-8
  • DOI: 10.1186/s13195-023-01165-1
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Association between Gray and White Matter Lesions and Its Involvement in Clinical Symptoms of Alzheimer’s-Type Dementia (2023)
  • 著者名/発表者名: Nakase Taizen、Thyreau Benjamin、Tatewaki Yasuko、Tomita Naoki、Takano Yumi、Muranaka Michiho、Taki Yasuyuki
  • 雑誌名: Journal of Clinical Medicine 巻: 12 号: 24 ページ: 7642-7642
  • DOI: 10.3390/jcm12247642
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Co-administration of JQ1, a bromodomain-containing protein 4 inhibitor, enhances the antitumor effect of combretastatin A4, a microtubule inhibitor, while attenuating its cardiotoxicity (2023)
  • 著者名/発表者名: Orihara Haruka、Ma Min、Nagashima Yoshiyasu、Tochinai Ryota、Sekizawa Shin-ichi、Kato Daiki、Shinada Masahiro、Aoki Susumu、Fujita Naoki、Nakagawa Takayuki、Tsuru Yoshiharu、Tatewaki Yasuko、Mutoh Tatsushi、Taki Yasuyuki、Nishimura Ryohei、Kuwahara Masayoshi
  • 雑誌名: Biomedicine & Pharmacotherapy 巻: 160 ページ: 114353-114353
  • DOI: 10.1016/j.biopha.2023.114353
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] MRIによる緑内障患者の脳構造変化と機能 (2023)
  • 著者名/発表者名: 舘脇康子
  • 雑誌名: 眼科 巻: 65 ページ: 1421-1426
• [雑誌論文] Higher‐resolution quantification of white matter hypointensities by large‐scale transfer learning from 2D images on the JPSC‐AD cohort (2022)
  • 著者名/発表者名: Thyreau B、Tatewaki Y、Chen Li、Takano Y、Hirabayashi N、Furuta Y、Ninomiya T、Taki Y、et.al. and Japan Prospective Studies Collaboration for Aging and Dementia (JPSC‐AD) Study Group
  • 雑誌名: Human Brain Mapping 巻: 43 号: 13 ページ: 3998-4012
  • DOI: 10.1002/hbm.25899
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Impact of Catheter Ablation on Brain Microstructure and Blood Flow Alterations for Cognitive Improvements in Patients with Atrial Fibrillation: A Pilot Longitudinal Study (2022)
  • 著者名/発表者名: Tatewaki Yasuko、Mutoh Tatsushi、Sato Hirokazu、Kobayashi Akiko、Totsune Tomoko、Thyreau Benjamin、Sekiguchi Atsushi、Nakase Taizen、Yagi Tetsuo、Taki Yasuyuki
  • 雑誌名: Journal of Clinical Medicine 巻: 11 号: 15 ページ: 4346-4346
  • DOI: 10.3390/jcm11154346
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Alzheimer’s Disease and Type 2 Diabetes Mellitus: The Use of MCT Oil and a Ketogenic Diet. (2021)
  • 著者名/発表者名: Takeishi J, Tatewaki Y, Nakase T, Takano Y, Tomita N, Yamamoto S, Mutoh T, Taki Y.
  • 雑誌名: Int J Mol Sci. 巻: 22 号: 22 ページ: 12310-12310
  • DOI: 10.3390/ijms222212310
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 認知症の一次予防、二次予防を目指した最新MRI画像解析-AIとモルフォロジー解析の活用 (2021)
  • 著者名/発表者名: 舘脇康子, 瀧靖之
  • 雑誌名: Clinical Neuroscience 巻: 39 ページ: 1251-1253
• [雑誌論文] Defining the Optimal Method for Measuring Metabolic Tumor Volume on Preoperative 18 F-Fluorodeoxyglucose-Positron Emission Tomography/Computed Tomography as a Prognostic Predictor in Patients With Pancreatic Ductal Adenocarcinoma (2020)
  • 著者名/発表者名: Tatewaki Y, Terao MC, Ariake K, Saito R, Mutoh T, Shimomura H, Motoi F, Mizuma M, Odagiri H, Unno M, Taki Y
  • 雑誌名: Front Oncol. 巻: 11 ページ: 646141-646141
  • DOI: 10.3389/fonc.2021.646141
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] 18F-FDG PET-CTを用いた中鎖脂肪酸摂取が筋糖代謝に与える影響についての検討 (2023)
  • 著者名/発表者名: 片岡洋樹、舘脇康子、國時景子、壱岐ひかり、中瀬泰然、渡邉慎一、荒井千絵、伏見達也、瀧靖之
  • 学会等名: 第10回サルコペニア・フレイル学会
• [学会発表] Impact of MCT and dietary diversity on brain metabolism and network in healthy older adults (2023)
  • 著者名/発表者名: Kataoka H, Tatewaki Y, Iki H, Kunitoki K, Watanabe S, Arai C, Fushimi T, Zhang Y, Zulkifli RE, Nakase T, Taki Y
  • 学会等名: OHBM 2023
  • 国際学会
• [学会発表] Association between cortical lesions and white matter lesions in clinical symptoms of Alzheimer’s disease (2023)
  • 著者名/発表者名: Nakase T, Thyreau B, Tatewaki Y, Tomita N, Takano Y, Muranaka M, Taki Y.
  • 学会等名: World Congress of Neurology 2023
  • 国際学会
• [学会発表] Association Between Dietary Patterns and Prevalence of Dementia in Large-Scale Elderly Japanese Population by Higher-Resolution Quantification of White Matter Lesions (2023)
  • 著者名/発表者名: Chen L, Tatewaki Y, Thyreau B, Uchida K, Iki H, Nakaji S, Maeda T, Noguchi-Shinohara M, Mimura M, Nakashima K, Iga J, Takebayashi M, Ninomiya T, Taki Y and JPSC-AD Study Group
  • 学会等名: 19th European Union Geriatric Medicine Society
  • 国際学会
• [学会発表] Increased serum calcium and gray matter alerations in Alzheimser’s disease (2023)
  • 著者名/発表者名: 郭涛, Tatewaki Y, Zhang Y, Zhang Y, Takano Y, Tomita N, Muranaka M, Nakase T, Taki Y
  • 学会等名: 第42回日本認知症学会学術集会
• [学会発表] 臨床的アルツハイマー病疑い患者におけるアミロイドPETとSPECT-MMSEの関連性の検討 (2023)
  • 著者名/発表者名: 山崎真瞳子、舘脇康子、中瀬泰然、村中美千帆、髙野由美、冨田尚希、児玉裕康、瀧靖之
  • 学会等名: 第42回日本認知症学会学術集会
• [学会発表] Brain at risk：socioeconomic-lifestyle burden on Japanese and Swedish female (2023)
  • 著者名/発表者名: Liu Y, Tatewaki Y, Thyreau B, Zhang Y, Boraxbekk B, Hidaka Y, Kajitani Y, Kajitani S, Takebayashi M, Ninomiya T, Taki Y, Karalija N.
  • 学会等名: 第42回日本認知症学会学術集会
• [学会発表] CRP trajectory patterns and cognitive function in Alzheimer’s disease (2023)
  • 著者名/発表者名: 張燁、Tatewaki Y, Tomita N, Taki Y.
  • 学会等名: 第42回日本認知症学会学術集会
• [学会発表] 白質病変の定量化による日本人大規模高齢者集団の食事パターンと認知症に関する研究 (2023)
  • 著者名/発表者名: 陳俐穎、舘脇康子、Benjamin Thyreau、内田和宏、壹岐ひかり、中瀬泰然、中路重之、前田哲也、野口・篠原もえ子、三村將、中島健二、伊賀淳一、竹林実、二宮利治、瀧靖之、JPSC-AD
  • 学会等名: 第42回日本認知症学会学術集会
• [学会発表] シンポジウム３：JPSC-ADの脳MRI画像データベース構築とそのAIによる実装 (2023)
  • 著者名/発表者名: 舘脇康子
  • 学会等名: 第42回日本認知症学会学術集会
  • 招待講演
• [学会発表] シンポジウム１：MRIによる略内相患者の脳構造変化と機能について (2023)
  • 著者名/発表者名: 舘脇康子
  • 学会等名: 第12回日本視野画像学会学術集会
  • 招待講演
• [学会発表] 発症の10年以上前からのFDG-PET画像で変遷を追跡できたアルツハイマー病の１例 (2023)
  • 著者名/発表者名: 髙野由美、舘脇康子、村中美千帆、冨田尚希、中瀬泰然、瀧 靖之、荒井晃、村中英雄、山口龍生
  • 学会等名: 第228回 日本内科学会東北地方会
• [学会発表] Appropriate Parenting Style To Improve Children's Creativity Differs Depending On The Child's E-S Cognitive Style (2023)
  • 著者名/発表者名: Radiztia Ekayantri Zulkifli, Yasuko Tatewaki, Izumi Matsudaira, Hikaru Takeuchi, Ryuta Kawashima, Yasuyuki Taki.
  • 学会等名: 第25回 日本ヒト脳機能マッピング学会
• [学会発表] MRIを用いた緑内障患者の経時的な脳構造変化の検討。 (2022)
  • 著者名/発表者名: 山田晃生、面高 宗子、舘脇 康子、松平 泉、瀧 靖之、中澤 徹
  • 学会等名: 第76回日本臨床眼科学会
  • 招待講演
• [学会発表] MRIを用いた緑内障患者の経時的な脳構造変化の検討。 (2022)
  • 著者名/発表者名: 山田晃生、面高 宗子、舘脇 康子、松平 泉、瀧 靖之、中澤 徹
  • 学会等名: 第126回日本眼科学会総会
• [学会発表] 緑内障患者の眼科指標と脳海馬体積との関連に関する検討 (2022)
  • 著者名/発表者名: 山田晃生、面高 宗子、舘脇 康子、松平 泉、瀧 靖之、中澤 徹
  • 学会等名: 第33回日本緑内障学会
• [学会発表] AI技術を用いた脳MRI画像による脳の健康状態へのアプローチ (2022)
  • 著者名/発表者名: 舘脇康子
  • 学会等名: 第7回母と子のメンタルヘルスフォーラムin 埼玉
  • 招待講演
• [学会発表] Impact of social activity on depressive symptoms and brain regional gray matter. (2021)
  • 著者名/発表者名: Yingxu Liu, Benjamin Thyreau, Yasuko Tatewaki, Ye Zhang, Izumi Matsudaira, Yuji Takano, Naoki Hirabayashi, Yoshihiko Furuta, Jun Hata, Toshiharu Ninomiya, Yasuyuki Taki.
  • 学会等名: 第40回日本認知症学会
• [学会発表] アルツハイマー病の進行に関与する便秘の影響についての検討. (2021)
  • 著者名/発表者名: 中瀬泰然, 舘脇康子, Thyreau Benjamin, 武藤達士, 冨田尚希, 山本修三, 髙野由美, 村中美千帆, 瀧靖之.
  • 学会等名: 第40回日本認知症学会
• [学会発表] 認知症病態に関わる心房細動の影響についての検討. (2021)
  • 著者名/発表者名: 中瀬泰然, 竹石潤平, 舘脇康子, Thyreau Benjamin, 武藤達士, 冨田尚希, 山本修三, 髙野由美, 村中美千帆, 瀧靖之.
  • 学会等名: 第40回日本認知症学会
• [学会発表] コロナワクチン接種後に多臓器の障害が見られた高齢認知症の1例. (2021)
  • 著者名/発表者名: 村中美千帆, 冨田尚希, 中瀬泰然, 髙野由美, 山本修三, 舘脇康子, 武藤達士, 瀧靖之.
  • 学会等名: 第32回日本老年医学会東北地方会
• [学会発表] 1.Altruistic Social Activity Impacts on Depressive Symptoms and Brain Regional Gray Matter Volume: Voxel-Based Morphometry Analysis from 8695 Old Adults. (2021)
  • 著者名/発表者名: LIU Y, Zhang Y, Tatewaki Y, Matsudaira I, Takano Y, Hirabayashi N, Furuta Y, Hata J, Ninomiya T, Taki Y.
  • 学会等名: 第16回生命医科学研究所ネットワーク国際シンポジウム
• [学会発表] 位相差強調画像化法におけるアミロイド斑評価の精度・再現性の向上：モルフォロジー演算の応用 (2021)
  • 著者名/発表者名: 荒井晃、舘脇康子、米田哲也、武藤達士、Benjamin Thyreau, 石木愛子, 永坂竜男、明石敏昭、荒井啓行、瀧靖之
  • 学会等名: 第80回日本医学放射線学会総会
• [学会発表] Voxel-based morphometry reveals cerebellar brain volume differences associated with subclinical ADHD. (2021)
  • 著者名/発表者名: Asaoka H, Tatewaki Y, Matsudaira I, Takeuchi H, Kawashima R, Taki Y.
  • 学会等名: The Organization for Human Brain Mapping annualmeeting The 27th
  • 国際学会
• [学会発表] Voxel-Based Morphometry Reveals That Different Subtypes of Bully Victimization Have Different Effects on the Brain. (2021)
  • 著者名/発表者名: Fujiwara S, Matsudaira I, Tatewaki Y, Takeuchi H, Kawashima R, Taki Y.
  • 学会等名: the American Academy of Child & Adolescent Psychiatry annualmeeting The 68th
  • 国際学会
• [産業財産権] 磁気共鳴イメージング装置及び画像処理装置 (2023)
  • 発明者名: 山形仁、舘脇康子、テイローバンジャマンギョームジュリアン
  • 権利者名: 山形仁、舘脇康子、テイローバンジャマンギョームジュリアン
  • 産業財産権種類: 特許
  • 出願年月日: 2023
  • 外国
• [産業財産権] 画像処理方法、プログラム、及び画像処理装置 (2022)
  • 発明者名: 荒井晃、舘脇康子、米田哲也
  • 権利者名: 荒井晃、舘脇康子、米田哲也
  • 産業財産権種類: 特許
  • 出願年月日: 2022
  • 外国
• [産業財産権] 画像処理方法、プログラム、および画像処理装置 (2022)
  • 発明者名: 舘脇康子、荒井晃、米田哲也
  • 権利者名: 舘脇康子、荒井晃、米田哲也
  • 産業財産権種類: 特許
  • 出願年月日: 2022
  • 外国