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2018 年度 実施状況報告書

生体計測時系列信号の深層学習による医用画像再構成手法の開発

研究課題

研究課題/領域番号 18K18357
研究機関東京大学

研究代表者

富井 直輝  東京大学, 大学院医学系研究科(医学部), 助教 (00803602)

研究期間 (年度) 2018-04-01 – 2021-03-31
キーワード膜電位動画再構成 / Bモード画像再構成 / 学習データセット構築
研究実績の概要

本研究の目的は,超音波計測や生体電気計測といった比較的簡便な生体計測において,生体不均一性を無視した仮定の下で行う従来の生体画像再構成手法に代わる,複数時系列信号のパターン認識に基づく新たな再構成アルゴリズムを構築する事である.
初年度である2018年度は,深層学習の学習データを生成するため,シミュレーションモデル上での計測データ収集を行った.胸部の超音波CT計測,および心臓組織の多電極カテーテル計測を模擬するため,それぞれ超音波シミュレーションモデルおよび電気生理シミュレーションモデルを構築し,モデル上に仮想的に配置したセンサにおける模擬時系列信号の生成を行った.さらに,超音波計測においては各点のエコー強度を,電気生理計測においては各点の膜電位を正解データとして,模擬計測データと対応付けた学習データセットを構築した.
このようにして構築した学習データセットを用いて,深層ニューラルネットワークを訓練し,画像再構成アルゴリズムの構築を試みた.その結果,超音波CTの画像再構成においては,従来よりコントラストの高い画質で,超音波の散乱強度を表すBモード画像の再構成が可能であることが示された.また心臓組織の電気計測においては,従来のマッピングカテーテルに搭載されている20極よりも少ない5極程度の電極数で,旋回興奮波や平面波といった組織の興奮様態を示す膜電位変化の動画を,高い精度・空間解像度で再構成可能である事が示された.

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

初年度の研究計画は,深層学習のための多様性を含んだデータ・セットを,シミュレーションを用いて数千~一万通り構築することであった.超音波計測,心臓電気計測の両方の学習データセットで一万通り以上の学習データを生成する事は完了している一方,音響特性分布や電気伝導特性分布など,生体が持つ多様な不均一性を学習データに取り込む過程は今後も改善が必要である.一方で,翌年度以降の計画であった深層モデルの構築,および訓練の実施については,前倒して初年度に一定の成果が得られた.よって全体として,研究はおおむね順調に進展している.

今後の研究の推進方策

2019年度以降は,学習データを生成するシミュレーションモデルを精緻化し,より汎用性の高い再構成モデルを学習することで,実計測データへの再構成モデルの適用可能性を実証する事を目標とする.超音波CTにおいては,生体内の音速不均一性を考慮する他,実際の計測で得られた胸部断層画像から作成した散乱強度分布を用いることで,生体不均一性のバリエーションを増加させ,シミュレーションの精緻化を行う.心臓電気計測においては,我々が有する膜電位光学マッピングを用いたウサギ心臓標本の興奮様態を基準として,同様の興奮様態となるようモデル特性の見直しを行うことで,シミュレーションモデルの精緻化を行う.このようにして作成したデータ・セットを用いてさらに学習を行い,実信号に適用して得られる再構成画像の精度を評価することで,実信号への応用可能性を検証する.

次年度使用額が生じた理由

初年度GPUワークステーションを購入する計画であったが,初年度の検討においてはすでに保有する計算機で実行可能であったため,購入を延期し翌年度購入する計画へと変更したため.

  • 研究成果

    (11件)

すべて 2019 2018

すべて 雑誌論文 (2件) (うち査読あり 1件) 学会発表 (8件) (うち国際学会 2件、 招待講演 1件) 産業財産権 (1件)

  • [雑誌論文] Interaction of phase singularities on the spiral wave tail: reconsideration of capturing the excitable gap2018

    • 著者名/発表者名
      Tomii Naoki、Yamazaki Masatoshi、Arafune Tatsuhiko、Kamiya Kaichiro、Nakazawa Kazuo、Honjo Haruo、Shibata Nitaro、Sakuma Ichiro
    • 雑誌名

      American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology

      巻: 315 ページ: H318~H326

    • DOI

      10.1152/ajpheart.00558.2017

    • 査読あり
  • [雑誌論文] 位相分散解析 : 心臓旋回興奮波の追跡と制御2018

    • 著者名/発表者名
      富井直輝,佐久間一郎
    • 雑誌名

      計測と制御 : journal of the Society of Instrument and Control Engineers

      巻: 57 ページ: 576-581

  • [学会発表] Computer Simulation Study for the Control of Cardiac Spiral Wave by Linear Regional Cooling2018

    • 著者名/発表者名
      Hiroshi Seno, Naoki Tomii, Masatoshi Yamazaki, Haruo Honjo, Nitaro Shibata, Ichiro Shibata
    • 学会等名
      11th Asia Pacific Heart Rhythm Society Scientific Session
    • 国際学会
  • [学会発表] Statistical Guideline of Threshold Determination for Cardiac Spiral Wave Center Detection Using Phase Variance Analysis2018

    • 著者名/発表者名
      Naoki Tomii, Masatoshi Yamazaki, Nitaro Shibata, Haruo Honjo, Ichiro Sakuma,
    • 学会等名
      World Congress on Medical Physics and Biomedical Engineering 2018
    • 国際学会
  • [学会発表] スパイラル・リエントリの検出・追跡・制御2018

    • 著者名/発表者名
      富井直輝
    • 学会等名
      HEAN Forum
    • 招待講演
  • [学会発表] 画像のコントラストを用いたフレキシブルプローブの自己形状推定アルゴリズムの開発2018

    • 著者名/発表者名
      野田拓実,東隆,富井直輝,佐久間一郎
    • 学会等名
      日本生体医工学会関東支部若手研究者発表会2018
  • [学会発表] Compressed Laminar Optical Tomography (CLOT)計測を可能とする光学計測システムの開発2018

    • 著者名/発表者名
      小林俊輝,富井直輝,山崎正俊,柴田仁太郎,佐久間一郎
    • 学会等名
      生体医工学シンポジウム2018
  • [学会発表] シミュレーションモデルを用いた線状局所冷却による冷却除細動の検討2018

    • 著者名/発表者名
      瀬野宏,富井直輝,山崎正俊,本荘晴朗,神谷香一郎,柴田仁太郎,佐久間一郎
    • 学会等名
      第33回心電情報処理ワークショップ
  • [学会発表] 心臓旋回性興奮動態の位相分散解析2018

    • 著者名/発表者名
      富井直輝,瀬野宏,山崎正俊,本荘晴朗,柴田仁太郎,佐久間一郎
    • 学会等名
      第57回日本生体医工学会大会
  • [学会発表] 時空間興奮分散を指標にした心房細動治療法2018

    • 著者名/発表者名
      山崎正俊,富井直輝,佐久間 一郎
    • 学会等名
      第57回日本生体医工学会大会
  • [産業財産権] 生体組織の電極配置推定方法2019

    • 発明者名
      富井直輝,佐久間一郎,山崎正俊,ジャオジャミン
    • 権利者名
      国立大学法人東京大学
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      特願2019-010999

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公開日: 2019-12-27  

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