深層学習、シミュレーション、統計モデルを融合した人工股関節手術の意思決定支援

2021 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 19H01176
• 研究機関: 奈良先端科学技術大学院大学
• 研究代表者: 佐藤 嘉伸 奈良先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 教授 (70243219)
• 研究分担者: 大竹 義人 奈良先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 准教授 (80349563) ; SOUFI MAZEN 奈良先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 助教 (80823525) ; 菅野 伸彦 大阪大学, 大学院医学系研究科, 寄附講座教授 (70273620) ; 高尾 正樹 大阪大学, 大学院医学系研究科, 講師 (30528253) ; 三木 秀宣 独立行政法人国立病院機構大阪医療センター(臨床研究センター), その他部局等, 機関長・部門長クラス (10335391) ; 鍵山 善之 山梨大学, 大学院総合研究部, 准教授 (30506506) ; 高木 周 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (30272371) ; 田中 正夫 香川高等専門学校, 校長, 校長 (40163571) ; 上村 圭亮 大阪大学, 大学院医学系研究科, 助教 (70871367)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2023-03-31
• キーワード: 筋骨格セグメンテーション / 人工股関節 / 筋骨格統計形状モデル / 疾患進行モデル / 筋肉量 / 骨密度

研究実績の概要

症例DB：AIの学習・検証の強化のため、CT画像の患者解剖認識の正解データを増強した。本研究のAIシステムが提供する精度予測情報を用いて、AIの認識結果向上に必要な正解データを効率的に作成する能動学習法を開発した。これにより、昨年度までに開発したAIによる患者解剖自動認識結果を修正することで、効率的に正解データを作成できた。CT装置の機種、撮影条件、再構成条件の違いに対応した筋骨格認識AIを開発・評価するためのDBを構築した。
患者解剖の自動認識：CT装置の機種、撮影条件、再構成条件の違いに対応した解剖認識AIについて、実行時データ拡張等の手法を試す予備実験を進めた。同一患者の術前・術後の筋骨格/人工関節を認識した縦断DBを構築するため、人工関節認識（位置・姿勢推定）、術前・術後の骨格位置合わせ等、縦断変化のデータ化に必要な認識・解析システムの構築を進めた。2次元X線画像からの筋骨格3次元情報復元について、各解剖構造の分離・骨密度分布の推定に加えて、骨格の形状復元・個別筋肉の筋肉量推定の予備実験を行った。歩行時等の生体力学解析を進めるためのツールAnyBodyと統合するための予備検討を行った。
疾患・手術モデル構築：疾患モデルについて、左右で疾患進行度の異なる股関節の筋骨格左右差統計モデル、疾患進行モデルの開発を進めた。同一患者の術前・術後の縦断DBを学習データとして、術前CT画像から術後の筋骨格解剖・人工関節設置状態・術後QOLスコアを予測・最適化するAIシステムの開発に着手した。

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

AIの精度を向上させるための学習データを効率よく増強するための能動学習の方式を確立させたことで、AIの持続的な発展の見通しが得られた。CT装置の機種、撮影条件、再構成条件の違いに対応したAIの評価を行うためのデータベースを構築できた。

今後の研究の推進方策

CT装置の機種、撮影条件、再構成条件の違いに対応した筋骨格認識AIを開発する。さらにCTからの自動認識結果を学習データとするX線画像認識AIの開発を本格的に進める。疾患・手術モデル開発に向けてAI開発を進める。

研究成果

• [雑誌論文] Automated segmentation of an intensity calibration phantom in clinical CT images using a convolutional neural network (2021)
  • 著者名/発表者名: Uemura Keisuke、Otake Yoshito、Takao Masaki、Soufi Mazen、Kawasaki Akihiro、Sugano Nobuhiko、Sato Yoshinobu
  • 雑誌名: International Journal of Computer Assisted Radiology and Surgery 巻: 16 ページ: 1855～1864
  • DOI: 10.1007/s11548-021-02345-w
  • 査読あり
• [雑誌論文] 2D?3D reconstruction of distal forearm bone from actual X-ray images of the wrist using convolutional neural networks (2021)
  • 著者名/発表者名: Shiode Ryoya、Kabashima Mototaka、Hiasa Yuta、Oka Kunihiro、Murase Tsuyoshi、Sato Yoshinobu、Otake Yoshito
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 11 ページ: -
  • DOI: 10.1038/s41598-021-94634-2
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] ＣＴ画像における筋骨格の自動認識 (2022)
  • 著者名/発表者名: 佐藤嘉伸、大竹義人、Mazen Soufi、上村圭亮、高尾正樹、菅野伸彦
  • 学会等名: 第29回日本CT検診学会学術集会
  • 招待講演
• [学会発表] Musculoskeletal Medical Image Analysis and its Applications, Foresight Advanced Materials for Biotechnology and Precision Health and Medicine with AI (2021)
  • 著者名/発表者名: Yoshinobu Sato, Yoshito Otake, Yuta Hiasa, Masaki Takao, Nobuhiko Sugano
  • 学会等名: Japan-Taiwan Symposium
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 4D-Foot: A Fully Automated Pipeline of Four-Dimensional Analysis of the Foot Bones Using Bi-plane X-Ray Video and CT. (2021)
  • 著者名/発表者名: Mizoe S, Otake Y, Miyamoto T, Soufi M, Nakao S, Tanaka Y, Sato Y.
  • 学会等名: InMedical Image Computing and Computer Assisted Intervention-MICCAI 2021
  • 国際学会