深層学習による高解像マルチパラメトリックASLの開発

• 研究課題/領域番号: 21K15802
• 研究種目: 若手研究
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 小区分52040:放射線科学関連
• 研究機関: 京都医療科学大学
• 研究代表者: 石田 翔太 京都医療科学大学, 医療科学部, 助教 (50817559)
• 研究期間 (年度): 2021-04-01 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2023年度)
• 配分額: 4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円); 2023年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円); 2022年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円); 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: Arterial spin labeling / 深層学習 / 磁気共鳴画像

研究開始時の研究の概要

MRIによる非侵襲灌流イメージングであるarterial spin labeling (ASL) は脳循環動態や脳の老廃物排泄機構の機能を定量的に評価できる．臨床利用には画質向上と撮影時間短縮が必要であり，深層学習を利用して問題解決を試みる．本研究では，深層学習による画像復元技術がASLの画質と機能情報に与える影響を解明し，ASLに特化した深層学習フレームワークによる高画質で定量的な画像再構成法を開発する．

研究実績の概要

本研究では，非侵襲脳灌流イメージングのarterial spin labeling (ASL) 法における低信号対雑音比とそれに伴う脳灌流パラメータの定量性低下，および低空間分解能の改善を目的に深層学習を利用した．特に，脳灌流パラメータを推定する回帰ネットワークの開発に重点を置いた．現在の臨床MR装置では多時相ASL撮影法が利用できないため，実データによる十分な学習データ量の確保が困難であった．そこで，ASL信号動態モデルを基にシミュレーションで学習データを生成し，教師あり学習によるパラメータ推定ネットワークを開発した．この手法は，健常被験者ともやもや病患者において，従来法よりも高い推定精度と雑音耐性を示し，定量画像における雑音低減効果も得られた．また，真値が利用できない実データを学習データに利用することを想定し，ASL信号動態モデルを含む損失関数を開発し，教師無し学習によるパラメータ推定法の実現可能性をシミュレーションデータと健常被験者データで実証した．さらに，臨床応用前の高画質化ネットワークのプロトタイプを開発するため，パラメータ推定ネットワークの開発と並行して健常被験者の画像収集を開始したが，研究代表者の所属機関変更によるデータ収集の一時中断に加え，使用していたMR装置が別メーカーに更新となり，データ収集の継続が困難になったために想定被験者数を満たせなかった．現在，別の共同研究機関において，使用していたMR装置と同機種の装置を使用してデータ収集を再開できる目途が立ったため，これから収集するデータも活用し，教師無し学習による画像ベース回帰ネットワークと高画質化ネットワークの開発を継続的に進める予定である．

研究成果

• [雑誌論文] Right main pulmonary artery distensibility on dynamic ventilation CT and its association with respiratory function (2024)
  • 著者名/発表者名: Oki Tatsuya、Nagatani Yukihiro、Ishida Shota、Hashimoto Masayuki、Oshio Yasuhiko、Hanaoka Jun、Uemura Ryo、Watanabe Yoshiyuki
  • 雑誌名: European Radiology Experimental 巻: 8 号: 1 ページ: 50-50
  • DOI: 10.1186/s41747-024-00441-5
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Liver fibrosis estimated using extracellular volume fraction obtained from dual-energy CT as a risk factor for hepatocellular carcinoma after sustained virologic response: A preliminary case?control study (2023)
  • 著者名/発表者名: Ozaki Kumi、Ohtani Takashi、Ishida Tomokazu、Takahashi Kouki、Ishida Shota、Takata Kenji、Sakai Toyohiko、Higuchi Shohei、Gabata Toshifumi
  • 雑誌名: European Journal of Radiology 巻: 168 ページ: 111112-111112
  • DOI: 10.1016/j.ejrad.2023.111112
  • 査読あり
• [雑誌論文] Effects of the Training Data Condition on Arterial Spin Labeling Parameter Estimation Using a Simulation-Based Supervised Deep Neural Network (2023)
  • 著者名/発表者名: Ishida Shota、Isozaki Makoto、Fujiwara Yasuhiro、Takei Naoyuki、Kanamoto Masayuki、Kimura Hirohiko、Tsujikawa Tetsuya
  • 雑誌名: Journal of Computer Assisted Tomography 巻: - 号: 3 ページ: 459-471
  • DOI: 10.1097/rct.0000000000001566
  • 査読あり
• [雑誌論文] The Utility of Arterial Transit Time Measurement for Evaluating the Hemodynamic Perfusion State of Patients with Chronic Cerebrovascular Stenosis or Occlusive Disease: Correlative Study between MR Imaging and ¹⁵O-labeled H₂O Positron Emission Tomography (2023)
  • 著者名/発表者名: Takeuchi Kayo、Isozaki Makoto、Higashino Yoshifumi、Kosaka Nobuyuki、Kikuta Ken-ichiro、Ishida Shota、Kanamoto Masayuki、Takei Naoyuki、Okazawa Hidehiko、Kimura Hirohiko
  • 雑誌名: Magnetic Resonance in Medical Sciences 巻: 22 号: 3 ページ: 289-300
  • DOI: 10.2463/mrms.mp.2020-0123
  • ISSN: 1347-3182, 1880-2206
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Assessment of Arterial Transit Time and Cerebrovascular Reactivity in Moyamoya Disease by Simultaneous PET/MRI (2023)
  • 著者名/発表者名: Takata Kenji、Kimura Hirohiko、Ishida Shota、Isozaki Makoto、Higashino Yoshifumi、Kikuta Ken-Ichiro、Okazawa Hidehiko、Tsujikawa Tetsuya
  • 雑誌名: Diagnostics 巻: 13 号: 4 ページ: 756-756
  • DOI: 10.3390/diagnostics13040756
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Extracellular volume fraction obtained by dual-energy CT depicting the etiological differences of liver fibrosis (2023)
  • 著者名/発表者名: Ozaki Kumi、Ohtani Takashi、Ishida Shota、Higuchi Shohei、Ishida Tomokazu、Takahashi Kouki、Matta Yuki、KImura Hirohiko、Gabata Toshifumi
  • 雑誌名: Abdominal Radiology 巻: 48 号: 6 ページ: 1975-1986
  • DOI: 10.1007/s00261-023-03873-6
  • 査読あり
• [雑誌論文] Estimation of cerebral blood flow and arterial transit time from multi-delay arterial spin labeling using a simulation-based supervised deep neural network (2022)
  • 著者名/発表者名: Ishida Shota、Isozaki Makoto、Fujiwara Yasuhiro、Takei Naoyuki、Kanamoto Masayuki、Kimura Hirohiko、Tsujikawa Tetsuya
  • 雑誌名: Journal of Magnetic Resonance Imaging 巻: 57 号: 5 ページ: 1477-1489
  • DOI: 10.1002/jmri.28433
  • 査読あり
• [雑誌論文] Diagnostic performance of abbreviated gadoxetic acid-enhanced magnetic resonance protocols with contrast-enhanced computed tomography for detection of colorectal liver metastases (2022)
  • 著者名/発表者名: Ozaki Kumi, Ishida Shota, Higuchi Shohei, Sakai Toyohiko, Kitano Ayaki, Takata Kenji, Kinoshita Kazuyuki, Matta Yuki, Ohtani Takashi, Kimura Hirohiko, Gabata Toshifumi
  • 雑誌名: World J Radiol 巻: 14 号: 10 ページ: 352-366
  • DOI: 10.4329/wjr.v14.i10.352
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Atlas-based relaxometry and subsegment analysis of the substantia nigra pars compacta using quantitative MRI: a healthy volunteer study (2022)
  • 著者名/発表者名: Fujiwara Yasuhiro、Ishida Shota、Matta Yuki、Kanamoto Masayuki、Kimura Hirohiko
  • 雑誌名: The British Journal of Radiology 巻: 95 号: 1135 ページ: 1-7
  • DOI: 10.1259/bjr.20210572
  • 査読あり
• [雑誌論文] Comparison of amide proton transfer imaging with perfusion imaging of using arterial spin-labeling for evidence of tumor invasion in glioblastoma (2022)
  • 著者名/発表者名: Yamauchi Takahiro、Kitai Ryuhei、Kodera Toshiaki、Arishima Hidetaka、Matsuda Ken、Isozaki Makoto、Ishida Shota、Matta Yuki、Kanamoto Masayuki、Kimura Hirohiko、Kikuta Ken-ichiro
  • 雑誌名: Interdisciplinary Neurosurgery 巻: 28 ページ: 101461-101461
  • DOI: 10.1016/j.inat.2021.101461
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Separating spin compartments in arterial spin labeling using delays alternating with nutation for tailored excitation (DANTE) pulse: A validation study using T ₂ ‐relaxometry and application to arterial cerebral blood volume imaging (2021)
  • 著者名/発表者名: Ishida Shota、Kimura Hirohiko、Takei Naoyuki、Fujiwara Yasuhiro、Matsuda Tsuyoshi、Kanamoto Masayuki、Matta Yuki、Kosaka Nobuyuki、Kidoya Eiji
  • 雑誌名: Magnetic Resonance in Medicine 巻: 87 号: 3 ページ: 1329-1345
  • DOI: 10.1002/mrm.29052
  • 査読あり
• [学会発表] Multiparameter estimation from DANTE-prepared multi-delay ASL using artificial neural network (2023)
  • 著者名/発表者名: Ishida S, Fujiwara Y, Takei N, Matta Y, Kanamoto M, Kimura H, Tsujikawa T
  • 学会等名: 2023 ISMRM & ISMRT Annual Meeting & Exhibition
  • 国際学会
• [学会発表] Comparison of a hybrid multi-delay pseudo-continuous arterial spin labelling scheme with time-encoded and variable-TR schemes (2023)
  • 著者名/発表者名: Obara M, Togao O, Vaclavu L, Mikayama R, Wada T, Ishida S, Hamano H, van Osch MJ, van de Ven K, Ueda Y, Kwon J, Yoneyama M, Van Cauteren M
  • 学会等名: 2023 ISMRM & ISMRT Annual Meeting & Exhibition
  • 国際学会
• [学会発表] The validation of ASL-aCBV measured by Hadamard encoded ASL imaging evaluating moyamoya disease correlative study with 15O-H2O PET-aCBV. (2023)
  • 著者名/発表者名: Kimura H, Isozaki M, Ishida S, Takei N, Fujiwara Y, Matta Y, Okazawa H, Tsujikawa T
  • 学会等名: 2023 ISMRM & ISMRT Annual Meeting & Exhibition
  • 国際学会
• [学会発表] Hybrid multi-delay PCASL of time-encoded and variable-TR schemes for the assessment of cerebral perfusion in Moyamoya disease (2023)
  • 著者名/発表者名: Togao O, Obara M, Yamashita K, Kikuchi K, Wada T, Tokunaga C, Mikayama R, Ishida S, Hamano H, Vaclavu L, van Osch MJ, van de Ven K, Van Cauteren M, Ishigami K
  • 学会等名: 2023 ISMRM & ISMRT Annual Meeting & Exhibition
  • 国際学会
• [学会発表] MRIによる体位変化時の髄液動態解析 (2023)
  • 著者名/発表者名: 宮地利明, 大野直樹, 岡本里穂, 上原正知, 石田翔太, Noam Alperin, 間瀬光人
  • 学会等名: 京都髄液フォーラム2023
  • 招待講演
• [学会発表] Comparison of supervised and physics-informed unsupervised deep neural networks for parameter estimation from multi-delay arterial spin labeling (2023)
  • 著者名/発表者名: Shota Ishida, Yasuhiro Fujiwara, Naoyuki Takei, Hirohiko Kimura, Tatsuya Tsujikawa
  • 学会等名: The 8th Annual Scientific Meeting of the ISMRM Japanese Chapter
  • 国際学会
• [学会発表] DANTE-ASLによるマルチパラメータ推定用ニューラルネットワークの開発 (2023)
  • 著者名/発表者名: 石田 翔太, 藤原 康博, 竹井 直行, 松田 祐貴, 金本 雅行, 木村 浩彦, 辻川 哲也
  • 学会等名: 第51回 日本磁気共鳴医学会大会
• [学会発表] DANTE-ASLによるarterial CBVイメージングの再現性 (2023)
  • 著者名/発表者名: 松田 祐貴, 石田 翔太, 金本 雅行, 立石 敏樹, 木村 浩彦, 辻川 哲也
  • 学会等名: 第51回 日本磁気共鳴医学会大会
• [学会発表] 高速ハイブリッドダイナミックpCASL検査の妥当性 ダイナミック数6と12の比較 (2023)
  • 著者名/発表者名: 小原 真, 栂尾 理, 三賀山 諒司, 和田 達弘, 石田 翔太, 濱野 裕, 上田 優, 権 池勲, 米山 正己, Marc Van Cauteren
  • 学会等名: 第51回 日本磁気共鳴医学会大会
• [学会発表] Time-encoded法とvariable-TR法のハイブリッドmulti-delay PCASLによるもやもや病の血流評価 (2023)
  • 著者名/発表者名: 栂尾 理, 小原 真, 山下 孝二, 菊池 一史, 和田 達弘, 徳永 千晶, 三賀山 諒司, 石田 翔太, Marc Van Cauteren, 石神 康生
  • 学会等名: 第51回 日本磁気共鳴医学会大会
• [学会発表] Effects of vascular territories on the efficiency of DANTE preparation pulse for ASL (2022)
  • 著者名/発表者名: Ishida Shota, Kimura Hirohiko, Takei Naoyuki, Fujiwara Yasuhiro, Matsuda Tsuyoshi, Kosaka Nobuyuki
  • 学会等名: 2022 Joint Annual Meeting ISMRM-ESMRMB
  • 国際学会
• [学会発表] Relaxometry of the Substantia Nigra Pars Compacta and Subsegment Analysis: A Healthy Volunteer Study (2022)
  • 著者名/発表者名: Fujiwara Yasuhiro, Ishida Shota, Matta Yuki, Kanamoto Masayuki, Kimura Hirohiko
  • 学会等名: 2022 Joint Annual Meeting ISMRM-ESMRMB
  • 国際学会
• [学会発表] Multidelay ASLとMultiparametric ASL (2022)
  • 著者名/発表者名: 石田 翔太
  • 学会等名: 第33回 臨床MR脳機能研究会
  • 招待講演
• [学会発表] 深層ニューラルネットワークによるASLパラメタ推定法の開発 (2022)
  • 著者名/発表者名: 石田 翔太,木村 浩彦,藤原 康博,竹井 直行,金本 雅行,辻川 哲也
  • 学会等名: 第50回 日本磁気共鳴医学会大会
• [学会発表] 流体ファントムにおけるIVIM解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 平塚真之輔, 石田翔太, 吉村雅寛, 渡邉嘉之
  • 学会等名: 第6回 脳循環数理モデル研究会
• [学会発表] Hadamard-encoded multi-delay DANTE-ASLによるarterial CBVイメージング (2021)
  • 著者名/発表者名: 石田翔太, 木村浩彦, 竹井直行, 藤原康博, 松田豪, 金本雅行, 松田祐貴, 小坂信之, 木戸屋栄次
  • 学会等名: 第49回 日本磁気共鳴医学会大会
• [学会発表] Verifying the effect of DANTE preparation pulse for separating spin-compartments in arterial spin labeling using T2-measurement (2021)
  • 著者名/発表者名: Shota Ishida, Hirohiko Kimura, Naoyuki Takei, Yasuhiro Fujiwara, Tsuyoshi Matsuda, Yuki Matta, Masayuki Kanamoto, Nobuyuki Kosaka, Eiji Kidoya
  • 学会等名: 2021 ISMRM & SMRT Annual Meeting & Exhibition
  • 国際学会
• [学会発表] 脳卒中における画像診断の最前線・MR (2021)
  • 著者名/発表者名: 石田翔太
  • 学会等名: 第49回日本放射線技術学会秋季学術大会
  • 招待講演