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

2020 年度 実績報告書

• 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, 大学院工学系研究科, 助教 (00803602)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2021-03-31
• キーワード: 医用画像再構成 / 心臓電極マッピング / 超音波診断 / in silico学習

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．
・超音波計測に関して、音波伝播シミュレーションを構築し，リング型トランスデューサの模擬計測信号の学習データ収集を行った．その際に濃淡画像を利用し音響インピーダンス分布に変換する方式を確立した（特願2018-198658）．模擬計測信号から各点のエコー強度を行う深層学習モデルを訓練した結果，従来の整相加算法と比較して高画質が画像が再構成可能であった．またファントムの実信号計測に対しても学習モデルによる推論を行った結果，同様の画質向上が確認された（論文査読中）．さらに，音速不均一性や強反射による画質低下の問題に対してin silico学習のアプローチを展開し，計測信号を補正する深層学習モデルを構築した結果，従来手法より高精度な画像補正が可能である事が確認された（論文査読中）．
・電極計測に関しては，心臓電気生理シミュレーションモデルを構築し，電極アレイにおける模擬計測信号の収集を行った．膜電位分布を正解データとして深層学習モデルを訓練した結果，従来のマッピングカテーテルよりも少ない電極数で，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精度に再構成可能である事がシミュレーション上で示された（第58回日本生体医工学会大会）．さらに，摘出ブタ心臓に対する電極・光学同時マッピングシステムを構築し，学習済みモデルと光学マッピングの比較実験を行った結果，実際のブタ心房標本においても，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分解能で再構成可能である事が明らかとなった．本成果の論文を現在執筆中である．

研究成果

• [雑誌論文] Cardiac Macrophages Prevent Sudden Death During Heart Stress (2021)
  • 著者名/発表者名: Junichi Sugita, Katsuhito Fujiu, Yukiteru Nakayama, Takumi Matsubara, Jun Matsuda, Tsukasa Oshima, Yuxiang Liu, Yujin Maru, Eriko Hasumi, Toshiya Kojima, Hiroshi Seno, Keisuke Asano, Ayumu Ishijima, Naoki Tomii, Masatoshi Yamazaki, Fujimi Kudo, Ichiro Sakuma, Ryozo Nagai, Ichiro Manabe, and Issei Komuro
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 12 ページ: 1910
  • DOI: 10.1038/s41467-021-22178-0
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Spatial phase discontinuity at the center of moving cardiac spiral waves (2021)
  • 著者名/発表者名: Naoki Tomii, Masatoshi Yamazaki, Takashi Ashihara, Kazuo Nakazawa, Nitaro Shibata, Haruo Honjo, Ichiro Sakuma
  • 雑誌名: Computers in Biology and Medicine 巻: 130 ページ: 130
  • DOI: 10.1016/j.compbiomed.2021.104217
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Shape estimation algorithm for ultrasound imaging by flexible array transducer (2020)
  • 著者名/発表者名: Naoki Tomii, Takumi Noda, Keiichi Nakagawa, Takashi Azuma, Ichiro Sakuma
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control 巻: 67(11) ページ: 2345-2353
  • DOI: 10.1109/TUFFC.2020.3004052
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Mechanism of Electrical Defibrillation: Current Status and Future Perspective (2020)
  • 著者名/発表者名: Shibata Nitaro、Inada Shin、Nakazawa Kazuo、Tomii Naoki、Yamazaki Masatoshi、Seno Hiroshi、Honjo Haruo、Sakuma Ichiro
  • 雑誌名: Advanced Biomedical Engineering 巻: 9 ページ: 125～137
  • DOI: 10.14326/abe.9.125
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] ホルター心電図の診断精度向上に向けた深層学習によるノイズ検出モデルの提案 (2020)
  • 著者名/発表者名: 久次米康太，富井直輝，瀬野宏，山崎正俊，佐久間一郎
  • 学会等名: 第30回ライフサポート学会フロンティア講演会
• [学会発表] 適応的除細動刺激の効果検証のための3次元パノラマ光学・電極同時計測システムの開発 (2020)
  • 著者名/発表者名: 古川航暉，富井直輝，山崎正俊，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2020
• [学会発表] 深層学習を用いた腹腔鏡下における術具の３次元位置姿勢推定 (2020)
  • 著者名/発表者名: 石川宏輔，原一晃，赤木友紀，中川桂一，佐久間一郎，富井直輝，小林英津子
  • 学会等名: 第59回日本生体医工学会大会
• [学会発表] 心臓全体多電極マッピングの精度検証に向けた光学電極同時計測システムの構築 (2020)
  • 著者名/発表者名: 浅野圭佑，富井直輝，瀬野宏，加藤敦也，白石諒太，中川圭一，赤木友紀，山崎正俊，佐久間一郎
  • 学会等名: 第59回日本生体医工学会大会
• [学会発表] 心臓局所冷却による頻脈性不整脈制御の試み (2020)
  • 著者名/発表者名: 瀬野宏，富井直輝，山崎正俊，本荘晴朗，柴田仁太郎，佐久間一郎
  • 学会等名: 第59回日本生体医工学会大会