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病理組織の画像解析に最適な撮像法の確立-診断支援システムの実現-

研究課題

研究課題/領域番号 22K12870
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90130:医用システム関連
研究機関芝浦工業大学

研究代表者

高橋 正信  芝浦工業大学, システム理工学部, 教授 (20338312)

研究分担者 中野 雅行  横浜市立大学, 医学研究科, 特任教授 (00092073)
研究期間 (年度) 2022-04-01 – 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)
2024年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円)
2023年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円)
2022年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円)
キーワード病理組織 / 光学顕微鏡 / 明視野 / 位相差 / 暗視野 / 細胞膜 / 核小体 / 核 / 画像解析 / 肝臓
研究開始時の研究の概要

癌などの診断支援を目的とする病理組織の画像解析では、病理医が診断に用いる薄切した標本の明視野画像がこれまで用いられてきた。しかし、画像解析において明視野画像が最適であるとは限らない。そこで、病理医が利用する光学顕微鏡で容易に利用できる暗視野、位相差を含め、画像解析に適した撮像法を明らかにする。
また、厚い標本を用いて3次元空間での解析を実現し、3次元的な特徴量を抽出する。
さらに、診断に役立つ新たな特徴量も探索する。
最終的には診断に有用な情報を提供する診断支援システムを実現することを目的とする。

研究実績の概要

【目的】病理医が診断に用いる光学顕微鏡で利用できる撮像法のうち、病理組織の画像解析に適した撮像法を明らかにする。また、光学顕微鏡を用いて厚い標本の撮像と3次元解析を実現し、3次元的な特徴量を抽出する。さらに、細胞診で利用される特徴量を抽出するとともに、診断に役立つ新たな特徴量を探索し、診断支援システムを実現する。
【研究成果】R5年度は、引き続き肝組織の構成要素の抽出に有用な撮像法の組合せについて検討した。具体的には、明視野、暗視野、位相差のカラー画像の全ての組合せについて、深層学習ネットワークを用いた場合の構成要素の抽出精度を実験的に比較した。
まず、HE染色標本の細胞膜の抽出について実験的に検討した結果、F値を評価指標とした場合、3種類の撮像法全てを組み合わせた場合に最高の精度が得られた。また、細胞診で利用される核小体についても抽出に適した撮像法の組合せを検討した。IoUを指標として評価した結果、HE染色標本の場合は明視野が、無染色標本の場合は基本的に位相差を利用した場合に他より高い精度が得られることが分かった。核小体については、合成撮像法を用いる場合を想定し、合成画像の精度も評価したが、位相差のみを用いた場合が高精度であった。
特徴抽出に関しては、新たにVAEを利用する手法について検討した。アノテーションを行っていない核の画像を用いて学習したVAEを利用することで、教師無しで領域をセグメンテーションできる可能性が示された。さらに、潜在空間における癌部と非癌部の核の平均ベクトルの差異を利用することで、癌部と非癌部間で核の画像を相互変換できる可能性が示され、特徴抽出におけるVAEの有用性が示された。
さらに、診断支援システムを実現する基本機能として、深層学習により抽出した細胞核の特徴量分布を可視化する基本的な機能を実現した。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

病理組織標本の構成要素の抽出に適した撮像法およびその組み合わせを探求した。HE染色標本の細胞核の抽出に関しては、明視野と位相差、および明視野と暗視野を組み合わせた場合に明視野とほぼ同等のF値が得られたが、明視野に対する改善は無かった。HE染色標本の核小体の抽出に関しても細胞核と同様に明視野以外の撮像法を組み合せることによるF値の改善はみられなかった。HE染色標本の細胞膜の抽出に関しては、3種類の撮像法の画像を全て組み合わせた場合に他より高い精度が得られ、撮像法の組み合わせが有効であった。また、無染色標本の核小体の抽出についても検討した結果、他の撮像法と組み合せる場合も含めて位相差を用いる場合に高い精度(IoU)が得られることが分かった。また、合成撮像法の利用を想定して合成画像の精度も評価したが、位相差のみを用いた場合の精度が高かった。
病理診断に有用な特徴の探求のため、深層学習により肝細胞癌の識別が可能かを実験的に検討した結果、細胞核1個程度の範囲の画像でも識別可能であることがわかった。そこで、細胞核1個程度の画像でVAEを学習し、学習済のVAEを利用した特徴抽出を試みた。まず、学習済のVAEの潜在空間を低次元に変換することで、教師無しでの領域のセグメンテーションができる可能性が示された。さらに、潜在空間における癌部と非癌部の核の平均ベクトルの差異を利用することで、癌部と非癌部間で核の画像を相互変換できる可能性が示された。これらの新たな機能は癌の特徴の探求に生かせるものと考える。
さらに、診断支援システムを実現する基本機能として、深層学習により抽出した細胞核の特徴量分布を可視化する基本的な機能を実現した。

今後の研究の推進方策

病理組織標本の構成要素と染色法の組合せのうち、未検討のものについてその抽出に適した撮像法およびその組み合わせを探求する。候補としては、無染色標本の細胞核と細胞膜、および肝組織ではHE染色と共に利用される鍍銀染色標本を考えている。また、検討済みの組合せについても、別の有用な評価指標がある場合はその評価指標による評価を実施する。
厚い病理組織標本を撮像した3次元データから病理組織標本の構成要素を抽出し、3次元的な特徴量を含む有用な特徴量を抽出する機能の実現も図る。
特徴量の抽出法としては前年度に検討したVAEを利用する手法をさらに発展させ、癌部と非癌部で差異のある特徴を探求する。そして、診断に有用な特徴量を抽出し、その分布を可視化する機能を持つ診断支援システムを実現する。

報告書

(2件)
  • 2023 実施状況報告書
  • 2022 実施状況報告書
  • 研究成果

    (13件)

すべて 2024 2023 2022

すべて 雑誌論文 (1件) 学会発表 (12件) (うち国際学会 3件、 招待講演 1件)

  • [雑誌論文] New PLC (Primary Liver Carcinoma) IMHBC-Ca前駆細胞から肝細胞-胆管細胞分化中間型細胞の癌2023

    • 著者名/発表者名
      中野雅行
    • 雑誌名

      Liver Cancer

      巻: 28 ページ: 1-5

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] VAEを用いた病理組織画像解析2024

    • 著者名/発表者名
      田中恒成, 畑仲駿, 熊﨑舜, 高橋正信, 中野雅行
    • 学会等名
      電子情報通信学会総合大会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] Discrimination of early HCC using single cell nucleus image and visualization of feature distribution in whole slide images2023

    • 著者名/発表者名
      Suguru Hatanaka, Masanobu Takahashi, Masayuki Nakano
    • 学会等名
      45th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 病理組織画像の細胞核抽出に適した撮像法の検討2023

    • 著者名/発表者名
      菅原有一, 高橋正信, 中野雅行
    • 学会等名
      電子情報通信学会総合大会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] 細網線維パターンによる早期肝細胞癌の識別2023

    • 著者名/発表者名
      谷岡佳紀, 高橋正信, 中野雅行
    • 学会等名
      電子情報通信学会総合大会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] 早期肝細胞癌の病理診断支援-組織画像による識別-2023

    • 著者名/発表者名
      田崎俊祐, 畑仲駿, 中野雅行, 高橋正信
    • 学会等名
      電子情報通信学会東京支部学生会研究発表会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] 病理組織画像の細胞核抽出に適した撮像法の検討2023

    • 著者名/発表者名
      菅原有一, 中野雅行, 高橋正信
    • 学会等名
      電子情報通信学会東京支部学生会研究発表会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] 細網線維パターンによる早期肝細胞癌の識別2023

    • 著者名/発表者名
      谷岡佳紀, 中野雅行, 高橋正信
    • 学会等名
      電子情報通信学会東京支部学生会研究発表会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] 肝細胞腺腫の形態学的再考―構築を主として2023

    • 著者名/発表者名
      中野雅行
    • 学会等名
      第4回令和中四国肝疾患病理セミナー
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 胆管系中間型細胞を主体とした中間型細胞の癌2023

    • 著者名/発表者名
      中野雅行
    • 学会等名
      第64回肝癌症例研究会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] Segmentation of Cell Nuclei In Histological Images Using Contour Completion2022

    • 著者名/発表者名
      Yosuke Sasaki, Satoshi Yamami, Masanobu Takahashi, Masayuki Nakano
    • 学会等名
      The IUPESM World Congress on Medical Physics and Biomedical Engineering
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Segmentation of Nucleoli for Visualization of Feature Distribution In Histopathological Images2022

    • 著者名/発表者名
      Shixian Huang, Masanobu Takahashi, Masayuki Nakano
    • 学会等名
      The IUPESM World Congress on Medical Physics and Biomedical Engineering
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] New PLC (Primary Liver Carcinoma) IMHBC-Ca前駆細胞から肝細胞・胆管細胞分化中間型細胞癌の癌2022

    • 著者名/発表者名
      中野雅行
    • 学会等名
      第63回肝癌症例研究会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書

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公開日: 2022-04-19   更新日: 2024-12-25  

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