内視鏡画像診断に向けた腫瘍の3次元モデル化手法の構築

研究課題

研究課題/領域番号	23K11148
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61010:知覚情報処理関連
研究機関	香川大学
研究代表者	高橋悟香川大学, 創造工学部, 教授 (50297579)
研究分担者	小原英幹香川大学, 医学部附属病院, 講師 (10612476)
研究期間 (年度)	2023-04-01 – 2026-03-31
研究課題ステータス	交付 (2023年度)
配分額 *注記	4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円) 2025年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円) 2024年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円) 2023年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円)
キーワード	胃癌 / 腫瘍径 / 内視鏡画像 / 3次元モデル / 2点光源 / 3次元モデリング / 画像処理
研究開始時の研究の概要	従来の研究成果である1点光源の光学系モデルと腫瘍表面上のフォンの反射モデルで得られた知見や実験データを適用し、①2点光源の光学系へ拡張、さらに②腫瘍表面上におけるフォンの反射モデルを拡張した新たな拡散鏡面反射モデルの構築を行う。そして、③正確な腫瘍の3次元モデル化かつ精密な3次元計測を行い、④手術前の癌治療方式の判断の一翼を担う。
研究実績の概要	本研究は、これまでの研究成果である1点光源の光学系モデルと腫瘍表面上のフォンの反射モデルで得られた知見や実験データを適用し、2点光源の光学系へ拡張、さらに腫瘍表面上におけるフォンの反射モデルを拡張した新たな拡散鏡面反射モデルの構築を行うことである。そして、腫瘍の3次元モデル化かつ精密な3次元計測を行い、手術前の癌治療方式の判断の一翼となることを目的としている。 2023年度の課題は2つあり、１：内視鏡画像に対する前処理手法の構築、２：胃面の拡張鏡面反射モデルの確立を挙げた。課題１に対して、内視鏡画像の撮影時に生じる画像振動に対処するため、外乱除去フィルタを豊富度やマルチテンプレートを活用し設計することを試み、そして2点光源の影響である高輝度な反射部分の除去を行うために明度変化の勾配符号値と画素毎に類似性を判定する統計的リーチ特徴法や閾値による二値化により対処する方法を展開した。さらに、課題２において、拡張鏡面反射モデルの構築を実施し、腫瘍表面上の新たな拡散鏡面反射モデルを物理的に確立した。このとき、新たな反射関数をR=C(Ns1/(r1^2)+ Ns2/(r2^2))とおき、反射モデルの設計に適用した。ここで、Cは色の輝度値、Nは反射モデルの法線ベクトル、そして2点光源からの腫瘍表面上の単位面積当たりの光量をsi、腫瘍表面までの距離をri（i=1,2）とする。上記の2課題において、実データを用いて、提案手法の有効性を確認した。
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 2023年度の課題として挙げていた部分を概ね解決し、かつ得られた成果を学会等で発表できるまでの状況になっている。また、医学部との協力関係が今まで以上に進み、実際の検査患者のリアルデータを用いて構築している論理、アルゴリズム等の実用性や有効性の検証を適宜し、問題点の解決を図る体制が出来ている。
今後の研究の推進方策	2024年度は、腫瘍の精密な3次元モデル化を行い、腫瘍径のリアルタイム計測を行うことを目指す。このとき、内視鏡画像の腫瘍部周辺画素の3次元位置を算出するために評価関数を定式化し、最小二乗法を用いて位置推定を行う。ここで、反射モデルの法線ベクトルNと内視鏡の奥行方向の各パラータを評価関数に基づき導出する。例えば、評価関数をI_P=(L,N)α/\|L\|^{3} +(R,V)^σβ/\|L\|^{2}と設定する。αはρdI_Le、ρ_dは拡散反射率、I_Lは入射光の輝度、eは減衰係数、σは腫瘍の光沢度、βはρ_sI_Le、ρsは鏡面反射率を意味する。この評価関数値が特定の基準値になるまで、パラメータ推定処理を内視鏡画像の全画素に対して繰り返し、得られる3次元位置の推定値から腫瘍部の3次元モデリングを行う。 3次元モデル化が行われた後、モデルに従い腫瘍径の測定を行う。但し、径はモデルの制度に依存するため、あわせて3次元モデルの精度検証も実施する。