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

2022 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) ; 上村 圭亮 大阪大学, 大学院医学系研究科, 助教 (70871367) ; 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)
• 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：2000例以上での人工股関節患者CTデータ（下肢全体）・X線画像（股関節）を収集し、その一部については、運動機能計測データも含めたDBを構築した。さらに、関節動態のCT/MRI/Ｘ線画像データも収集した。
患者解剖の自動認識：CTデータとX線画像から、解剖学書水準の詳細さで、骨と個別筋肉を認識するAIツールが完成した。学習データの増強とAIの改良により、術前画像データからの自動認識精度を研究初期のバージョンから有意に向上させた。また、異なる画質のCTデータに対する認識精度を向上させた。術後画像CTデータからインプラントを含めた自動認識ツールが完成した。関節の動態解析についても、自動認識ツールを開発した。さらに、CT画像の認識結果を学習データとして、X線画像から骨と個別筋肉の2次元投影像の分離に加えて、骨密度/筋肉量の推定を行うAIツールを開発した。
疾患・手術計画モデル：疾患モデルについては、CT自動認識結果に基づいて、変形性股関節症患者の筋骨格統計形状モデル、自動疾患グレーディングシステム、および、疾患進行に伴う筋肉量・骨密度の変動モデルを構築した。これにより、変形性股関節患者特有の骨格形状変化、疾患進行に伴う筋肉量・骨密度変化を数理的にモデル化した。患者の筋骨格の病態把握を定量的・客観的に可能にし、これを手術後の筋骨格の状態・運動機能と関係づけることにより、治療意思決定支援に活用できる可能性を示した。手術計画モデルについては、患者の骨格形状を入力として、インプラントのサイズ・位置を自動推定するシステムを開発した。生体力学解析については、デファクト標準の筋骨格生体力学解析ツールAnyBodyにおいて、患者の骨格形状・筋肉量を反映するシステムを構築し、個別化解析が行える環境を構築した。その手術意思決定や評価への活用は今後の課題として残された。

現在までの達成度 (段落)

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Development of a system to assess the two- and three-dimensional bone mineral density of the lumbar vertebrae from clinical quantitative CT images (2023)
  • 著者名/発表者名: Uemura Keisuke、Fujimori Takahito、Otake Yoshito、Shimomoto Yuga、Kono Sotaro、Takashima Kazuma、Hamada Hidetoshi、Takenaka Shota、Kaito Takashi、Sato Yoshinobu、Sugano Nobuhiko、Okada Seiji
  • 雑誌名: Archives of Osteoporosis 巻: 18 ページ: -
  • DOI: 10.1007/s11657-023-01216-y
  • 査読あり
• [雑誌論文] The effect of patient positioning on measurements of bone mineral density of the proximal femur: a simulation study using computed tomographic images (2023)
  • 著者名/発表者名: Uemura Keisuke、Takao Masaki、Otake Yoshito、Takashima Kazuma、Hamada Hidetoshi、Ando Wataru、Sato Yoshinobu、Sugano Nobuhiko
  • 雑誌名: Archives of Osteoporosis 巻: 18 ページ: -
  • DOI: 10.1007/s11657-023-01225-x
  • 査読あり
• [雑誌論文] 4D-foot analysis on effect of arch support on ankle, subtalar, and talonavicular joint kinematics (2023)
  • 著者名/発表者名: Miyamoto Takuma、Otake Yoshito、Nakao Satoko、Kurokawa Hiroaki、Kosugi Shinichi、Taniguchi Akira、Soufi Mazen、Sato Yoshinobu、Tanaka Yasuhito
  • 雑誌名: Journal of Orthopaedic Science 巻: - ページ: -
  • DOI: 10.1016/j.jos.2022.10.009
  • 査読あり
• [雑誌論文] Rotational-motion measurement of the sacroiliac joint using upright MRI scanning and intensity-based registration: is there a sex difference?. (2023)
  • 著者名/発表者名: Tani T, Takao M, Soufi M, Otake Y, Fukuda N, Hamada H, Uemura K, Sato Y, Sugano N.
  • 雑誌名: International Journal of Computer Assisted Radiology and Surgery. 巻: 18(1) ページ: 79-84
  • DOI: 10.1007/s11548-022-02806-w
  • 査読あり
• [雑誌論文] Decomposition of Musculoskeletal Structures from Radiography using an Improved CycleGAN Framework (2022)
  • 著者名/発表者名: Nakanishi Naoki、Otake Yoshito、Hiasa Yuta、Gu Yi、Uemura Keisuke、Takao Masaki、Sugano Nobuhiko、Sato Yoshinobu
  • 雑誌名: Scientific reports. (accepted for publication) 巻: - ページ: -
  • DOI: 10.21203/rs.3.rs-2011568/v1
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Artificial intelligence-based volumetric analysis of muscle atrophy and fatty degeneration in patients with hip osteoarthritis and its correlation with health-related quality of life (2022)
  • 著者名/発表者名: Iwasa Makoto、Takao Masaki、Soufi Mazen、Uemura Keisuke、Otake Yoshito、Hamada Hidetoshi、Sato Yoshinobu、Sugano Nobuhiko、Okada Seiji
  • 雑誌名: International Journal of Computer Assisted Radiology and Surgery 巻: 18 ページ: 71～78
  • DOI: 10.1007/s11548-022-02797-8
  • 査読あり
• [雑誌論文] Development of an open-source measurement system to assess the areal bone mineral density of the proximal femur from clinical CT images. (2022)
  • 著者名/発表者名: Uemura K, Otake Y, Takao M, Makino H, Soufi M, Iwasa M, Sugano N, Sato Y.
  • 雑誌名: Archives of Osteoporosis. 巻: 17(1) ページ: 17
  • DOI: 10.1007/s11657-022-01063-3
  • 査読あり
• [学会発表] Musculoskeletal Medical Image AI, (2022)
  • 著者名/発表者名: Sato Yoshinobu
  • 学会等名: Asian Conference of Computer Aided Surgery (ACCAS) 2022,
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Musculoskeletal Medical Image Analysis and its Applications, (2022)
  • 著者名/発表者名: Sato Yoshinobu
  • 学会等名: Medical Imaging and Augmented Reality (MIAR) 2022,
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Musculoskeletal AI for CAD, (2022)
  • 著者名/発表者名: Sato Yoshinobu
  • 学会等名: 24th International Conference on Computer-Aided Diagnosis and Artificial Intelligence (CAD-AI) - CARS 2022,
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] BMD-GAN: Bone mineral density estimation using x-ray image decomposition into projections of bone-segmented quantitative computed tomography using hierarchical learning. (2022)
  • 著者名/発表者名: Gu Y, Otake Y, Uemura K, Soufi M, Takao M, Sugano N, Sato Y.
  • 学会等名: InMedical Image Computing and Computer Assisted Intervention MICCAI 2022:
  • 国際学会
• [学会発表] Automatic Multi-Measure Classification of Hip Osteoarthritis Based on Digitally-Reconstructed Radiographs using Deep Learning. (2022)
  • 著者名/発表者名: Masuda M, Soufi M, Otake Y, Uemura K, Takao M, Sugano N, Sato Y.
  • 学会等名: IEICE Technical Report; IEICE Tech. Rep..
• [学会発表] Virtual Standing Position Transformation from Supine CT using Whole-body Upright CT Scanner. IEICE Technical Report; (2022)
  • 著者名/発表者名: Hakotani T, Otake Y, Soufi M, Hashimoto M, Yamada Y, Yamada M, Yokoyama Y, Uemura K, Takao M, Sugano N, Jinzaki M
  • 学会等名: IEICE Technical Report; IEICE Tech. Rep..
• [学会発表] Patient-specific musculoskeletal simulation using an elastic volume simulator VIPER and medical image-based modeling. (2022)
  • 著者名/発表者名: Ino J, Otake Y, Soufi M, Uemura K, Takao M, Sugano N, Sato Y.
  • 学会等名: IEICE Technical Report; IEICE Tech. Rep..
• [学会発表] Segmentation of musculoskeletal structures in supine and upright CTs towards quantitative analysis of musculoskeletal deformation in standing position. (2022)
  • 著者名/発表者名: Hakotani T, Otake Y, Soufi M, Hashimoto M, Yamada Y, Yamada M, Yokoyama Y, Uemura K, Takao M, Sugano N, Jinzaki M.
  • 学会等名: IEICE Technical Report; IEICE Tech. Rep..
• [学会発表] Development of Automated Pre-operative Planning System for Cup in Total Hip Arthroplasty Using Deep Learning Technique (2022)
  • 著者名/発表者名: Keto SHIBUYA, Yoshiyuki KAGIYAMA, Fuga YAJIMA, Shun INOUE, Yoshito OTAKE, Masaki TAKAO, Nobuhiko SUGANO and Yoshinobu SATO
  • 学会等名: 18th Asian Conference on Computer Aided Surgery 2022 (ACCAS2022)
  • 国際学会
• [産業財産権] プログラム、情報処理方法、及び情報処理装置 (2022)
  • 発明者名: 佐藤嘉伸、大竹義人、谷 懿、スーフィー マーゼン 他
  • 権利者名: 佐藤嘉伸、大竹義人、谷 懿、スーフィー マーゼン 他
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 特願2022-083271