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機械学習に基づく完全自動化された骨関節三次元動態解析システムの開発

研究課題

研究課題/領域番号 21K09227
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56020:整形外科学関連
研究機関大阪大学

研究代表者

佐原 亘  大阪大学, 医学部附属病院, 特任講師(常勤) (80706391)

研究分担者 山崎 隆治  埼玉工業大学, 工学部, 教授 (40432546)
近田 彰治  大阪大学, 大学院医学系研究科, 助教 (80598227)
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 *注記
4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)
2023年度: 260千円 (直接経費: 200千円、間接経費: 60千円)
2022年度: 650千円 (直接経費: 500千円、間接経費: 150千円)
2021年度: 3,250千円 (直接経費: 2,500千円、間接経費: 750千円)
キーワード骨関節三次元動態解析 / 機械学習
研究開始時の研究の概要

整形外科患者を診察する際に痛みや患者満足度、関節の動く範囲(関節可動域)、筋力、X線やMRIなどの画像を用いて評価してきた。しかし、関節は動く臓器(運動器)であり動きの評価が痛みや機能の評価に不可欠であると考えている。
当研究室では動かしながら撮影したX線画像に三次元骨モデルを重ね合わせて三次元動態を解析する手法(2D/3D registration法)を開発し、臨床応用している。本研究では機械学習を用いて作業効率を飛躍的に向上させるシステムを開発することを目指しており、将来的には様々な運動器疾患の痛みや愁訴の原因解明やリハビリテーションへの応用など様々な現場で使用できるようになると期待する。

研究実績の概要

当研究室で開発したX線透視画像とCTから作成した三次元骨モデルを用いた三次元動態解析システムの問題点として、①X線透視画像から骨輪郭を抽出作業の煩雑さ、②骨輪郭抽出のために必要な各骨モデルの初期位置合わせの手間、という2つの問題点があった。①、②の問題解決のために機械学習、ディープラーニングを用いてこれらの作業の自動化を目標としている。
①研究代表者が正常人及び患者の肩関節を対象に抽出した骨輪郭画像を用いて研究協力者のもとニューラルネットワーク(CNN)を用いた画像処理し骨輪郭を自動抽出できるシステムの構築に取り組んでいる。単純な画像であれば可能になってきたが、重なり合った画像からの輪郭抽出には至っていない。
②初期位置合わせについてはこれまでの解析結果から統計的推定理論を用いた三次元位置推定を試みている。ある程度使用可能であるが、まだ実用レベルには達していない。
臨床応用については着実に進んでおり、これまでは正常人や術前の患者についての解析が中心であったが、今年度は術後の動態解析を行い、その成果は注目を集めている。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

骨輪郭の作業は2021年度からバイトを雇用して作業効率を上げる試みを取り組んでいる。作業員が減少し昨年度より作業効率が低下したものの、2023年度は20症例、約500枚の画像解析が終了しデータ活用している。
また作業効率の改善するために支援ツールを作成することも進めているが、プログラミングが完成していない。

今後の研究の推進方策

骨輪郭の作業については新たな作業員を雇用することを検討している。
初期位置合わせ及び輪郭抽出の処理については研究協力者とともにシステムの開発、改善を行っていく。近年AIソフトができるようになりプログラム作成の支援に活用予定である。

報告書

(3件)
  • 2023 実施状況報告書
  • 2022 実施状況報告書
  • 2021 実施状況報告書
  • 研究成果

    (12件)

すべて 2023 2022 2021

すべて 雑誌論文 (4件) (うち国際共著 3件、 査読あり 4件) 学会発表 (8件) (うち招待講演 2件)

  • [雑誌論文] Mechanistic insights into glenohumeral kinematics derived from positional relationship between the contact path and humeral tuberosity2023

    • 著者名/発表者名
      Sahara Wataru、Yamazaki Takaharu、Inui Tetsuya、Hanai Hiroto、Konda Shoji、Okada Seiji
    • 雑誌名

      Journal of Biomechanics

      巻: 147 ページ: 111461-111461

    • DOI

      10.1016/j.jbiomech.2023.111461

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] The influence of three-dimensional scapular kinematics on arm elevation angle in healthy subjects2023

    • 著者名/発表者名
      Inui Tetsuya、Sahara Wataru、Yamazaki Takaharu、Konda Shoji、Yoshio Masaharu、Sugamoto Kazuomi
    • 雑誌名

      Journal of Orthopaedic Science

      巻: 28 号: 2 ページ: 346-351

    • DOI

      10.1016/j.jos.2021.12.016

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Three-dimensional kinematic features in large and massive rotator cuff tears with pseudoparesis2021

    • 著者名/発表者名
      Sahara Wataru、Yamazaki Takaharu、Inui Tetsuya、Konda Shoji
    • 雑誌名

      Journal of Shoulder and Elbow Surgery

      巻: 30 号: 4 ページ: 720-728

    • DOI

      10.1016/j.jse.2020.07.021

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] 腱板断裂が肩関節動態に与える影響2021

    • 著者名/発表者名
      佐原 亘, 菅本 一臣
    • 雑誌名

      肩関節

      巻: 45 ページ: 36-39

    • NAID

      130008080479

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] 肩鎖関節の三次元動態解析2023

    • 著者名/発表者名
      佐原亘,花井洋人,山﨑隆治,岡田誠司
    • 学会等名
      第1回日本スポーツ整形外科学会学術集会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 三次元動態解析による腱板修復術後の関節内インピンジメント評価2023

    • 著者名/発表者名
      佐原亘,花井洋人
    • 学会等名
      第50回日本肩関節学会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] 2D/3D registration法を用いた若年者と高齢者の肩関節3次元動態の違い2023

    • 著者名/発表者名
      乾哲也、佐原亘、吉尾雅春
    • 学会等名
      第11回日本運動器理学療法学会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] 肩甲下筋の断裂範囲と相関する筋力測定方法とは2022

    • 著者名/発表者名
      佐原亘,花井洋人
    • 学会等名
      第49回日本肩関節学会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] 肩腱板断裂で偽性麻痺を呈する三次元動態の特徴2022

    • 著者名/発表者名
      6.佐原亘,山﨑隆治,乾哲也,近田彰治,花井洋人,菅本一臣,岡田誠司
    • 学会等名
      第49 回日本臨床バイオメカニクス学会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 腱板断裂患者と健常人の肩関節動態の違い2021

    • 著者名/発表者名
      佐原亘,菅本一臣
    • 学会等名
      第58回日本リハビリテーション医学会学術集会
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
  • [学会発表] 上肢挙上時の肩甲上腕関節の新しい動態メカニズム2021

    • 著者名/発表者名
      佐原亘,乾哲也,菅本一臣
    • 学会等名
      第48回日本肩関節学会
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
  • [学会発表] 肩腱板広範囲断裂で偽性麻痺となる三次元動態の特徴2021

    • 著者名/発表者名
      佐原亘,菅本一臣
    • 学会等名
      第5回日本リハビリテーション医学会秋季学術集会
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書

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公開日: 2021-04-28   更新日: 2024-12-25  

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