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2020 年度 実績報告書

2D-3D骨形状再構成プログラムと骨・関節疾患治療クラウドシステムの開発

研究課題

研究課題/領域番号 19H03783
研究機関大阪大学

研究代表者

村瀬 剛  大阪大学, 医学系研究科, 准教授 (50335361)

研究分担者 田中 啓之  大阪大学, 医学系研究科, 特任教授(常勤) (00432542)
岡田 潔  大阪大学, 医学系研究科, 特任准教授 (40576279)
岡 久仁洋  大阪大学, 医学系研究科, 助教 (50724085)
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)
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)
研究期間 (年度) 2019-04-01 – 2022-03-31
キーワード変形矯正 / コンピューターシミュレーション / 人工知能(AI) / クラウドシステム / 2D3D再構成 / 2D3Dレジストレーション / 有限要素法
研究実績の概要

本研究の目的は、人工知能(AI)の技術である深層学習を用いて単純X線情報のみから3次元画像を推定し構築する2D-3D再構成技術と、シミュレーション作業の効率化とビッグデータ蓄積を同時に可能とするクラウドシステム、術後機能・予後予測のため新規動態解析システムを一体的に開発し、我々がこれまで独自に築いてきた3次元変形矯正治療法のさらなる高度化を図りつつ、一般医療機関からのアクセシビリティを大幅に向上させることである。近年発展著しいAIを用いて2D-3D再構成技術を確立し、それを独自のクラウドシステムと組み合わせるアイデアは他に見当たらず、極めて独創的と言える。新規3D動態解析や解剖学的各要素の物性を考慮した術後の機能予測は、変形矯正のみならず骨関節治療学全般へ革新をもたらすと考えられる。この目的達成を目指して、昨年度に引き続き、本年度も以下の研究を行った。
1.2D-3D再構成技術開発:現在までに集積した単純X線とそれに対応する3次元骨形状のデータベースを最新の人工知能に学習させることで、単純X線画像だけからCT撮影を経ずに3次元コンピューター骨モデルを作成する技術 (2D-3D再構成法) の開発研究を進めた。
2.クラウドシステム構築:3次元シミュレーションを複数の人間が同時に遠隔から操作ができるクラウドシステムの構築を進めた。一連の作業を円滑化するとともに、これを運用することでクラウドに蓄積される各種画像・シミュレーション情報のビッグデータを先のAIと組み合わせることを目論む。
3.新規生体内3次元動態測定法の開発:濃度勾配情報に基づく2D-3Dレジストレーション法を応用した新規生体内3次元動態測定法の開発を進めた。
4. 骨変形に伴う関節症発症メカニズムの解明: 解剖学的各要素の物理学的特性に基づいた有限要素解析による関節症発症メカニズムの検証を実施した。

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

1.2D-3D再構成技術開発:昨年度、写真データから立体の形状推定で実績のあるT-L netと画像変換を行うpix2pixの2つのネットワークを基盤とし、単純X線画像から直接3次元骨モデルを推定構築するプログラムを開発した。本年度は、さらなる推定精度の向上を目指してプログラムの改良を進め、前腕遠位の正常例を対象に学習を行い、単純X線画像1方向のみから推定した3D骨モデルの精度は橈骨1.05±0.36mm、尺骨1.45±0.41mmと推定精度の向上が得られた。精度の向上により実臨床で使用可能な水準での推定が可能となった。
2.クラウドシステム構築: 3次元シミュレーションを複数の人間が同時に遠隔から操作可能とするクラウドシステムを構築すべく、昨年度の骨モデルの表示、移動、コミュニケーション等の基本機能の開発に続き、本年度は受信したCT DICOMデータの匿名化に関する不具合を解決し、実際の症例を利用して、予備使用を開始している。
3.2D3Dレジストレーション法を応用した新規生体内3次元動態測定法の開発:昨年度、CTの3次元データから作成した疑似X線画像とX線透視画像、それぞれの持つ濃度勾配情報を利用して、X線透視画像の各フレームに3D骨モデルを重ね合わせることで生体内の3次元的関節動態をコンピューター上で再現するプログラムを開発し、ファントムを用いて精度検証を行った。本年度は、実用化に向けてGUIツールの操作性の向上を進め、非エンジニアが使用可能な操作性を得た。
4.骨変形に伴う関節症発症メカニズムの解明:橈骨骨折後変形治癒症例を対象とし、関節軟骨下骨の骨密度変化を定量的に評価し、これまでに橈骨手根関節では患側において背側で骨密度の上昇があることが計測した。関節応力を調査すべく、有限要素モデルを用いた応力解析を進め、骨密度上昇部位に一致した応力集中があることを定量化した。

今後の研究の推進方策

1.2D-3D再構成システムの開発と精度検証:手関節部において橈骨においては学習に用いたCTデータの分解能である1.25mm以下の精度で推定可能となった。一方で尺骨は橈骨と比較して精度は劣るものの、昨年度より精度の向上と得た。さらなる精度の向上を目指してプログラムの改良を進めると共に、他部位や疾患例などの推定を行うためにデータセットの構築を進める予定である。
2.クラウドシステムの構築:医療機関から送信されたCTデータを受信して匿名化する技術の開発が進み、データアップロード時にすべての形式のDICOMデータの自動匿名処理を行う技術がほぼ完成した。実症例においてもクラウド上においてアップロードされた手術シミュレーションデータの確認、およびコメント入力が可能となり、シミュレーションソフトウェアであるBoneSimulatorの機能をクラウド上で使用できるように順次、プログラムを追加する。
3.術後機能と予後予測を可能とするプログラムの開発:濃度勾配情報の類似性に基づいてX線透視により得られた2次元動態画像をCTの3次元データに重ね合わせることにより、生体内の3次元的関節動態をコンピューター上で再現するプログラムを開発し、GUIツールの操作性を高めることで、非エンジニアが使用可能な状態になった。実用化に向けて、生体(健常および関節疾患)における精度調査を進める予定である。

  • 研究成果

    (22件)

すべて 2021 2020 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (7件) (うち国際共著 1件、 査読あり 6件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (14件) (うち招待講演 1件)

  • [国際共同研究] マサチューセッツ総合病院(米国)

    • 国名
      米国
    • 外国機関名
      マサチューセッツ総合病院
  • [雑誌論文] Three-dimensional evaluations of preoperative planning reproducibility for the osteosynthesis of distal radius fractures2021

    • 著者名/発表者名
      Yoshii Yuichi、Ogawa Takeshi、Shigi Atsuo、Oka Kunihiro、Murase Tsuyoshi、Ishii Tomoo
    • 雑誌名

      Journal of Orthopaedic Surgery and Research

      巻: 16 ページ: 131

    • DOI

      10.1186/s13018-021-02278-9

  • [雑誌論文] A Three-Step Method for the Treatment of Radioulnar Synostosis with Posterior Radial Head Dislocation2020

    • 著者名/発表者名
      Tsumura Takuya、Matsumoto Taiichi、Matsushita Mutsumi、Kishimoto Katsuma、Murase Tsuyoshi、Shiode Hayao
    • 雑誌名

      The Journal of Hand Surgery (Asian-Pacific Volume)

      巻: 26 ページ: 118~125

    • DOI

      10.1142/S2424835521710016

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Quantitative Analysis for the Change in Lengths of the Radius and Ulna in Missed Bado Type I Monteggia Fracture2020

    • 著者名/発表者名
      Oka Kunihiro、Tanaka Hiroyuki、Shigi Atsuo、Abe Shingo、Miyamura Satoshi、Shiode Ryoya、Kazui Arisa、Murase Tsuyoshi
    • 雑誌名

      Journal of Pediatric Orthopaedics

      巻: 40 ページ: e922~e926

    • DOI

      10.1097/BPO.0000000000001648

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Bone density measurements from CT scans may predict the healing capacity of scaphoid waist fractures2020

    • 著者名/発表者名
      Miyamura Satoshi、Lans Jonathan、He Janice J.、Murase Tsuyoshi、Jupiter Jesse B.、Chen Neal C.
    • 雑誌名

      The Bone & Joint Journal

      巻: 102-B ページ: 1200~1209

    • DOI

      10.1302/0301-620X.102B9.BJJ-2020-0169.R2

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Intra-articular corrective osteotomy for intra-articular malunion of distal radius fracture using three-dimensional surgical computer simulation and patient-matched instrument2020

    • 著者名/発表者名
      Oka Kunihiro、Shigi Atsuo、Tanaka Hiroyuki、Moritomo Hisao、Arimitsu Sayuri、Murase Tsuyoshi
    • 雑誌名

      Journal of Orthopaedic Science

      巻: 25 ページ: 847~853

    • DOI

      10.1016/j.jos.2019.11.005

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Three-dimensional analysis of displacement characteristics of dorsally angulated intra-articular distal radial fractures2020

    • 著者名/発表者名
      Shigi Atsuo、Oka Kunihiro、Kuriyama Kohji、Tanaka Hiroyuki、Yoshikawa Hideki、Murase Tsuyoshi
    • 雑誌名

      Journal of Hand Surgery (European Volume)

      巻: 45 ページ: 339~347

    • DOI

      10.1177/1753193419885265

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Cartilage and subchondral bone distributions of the distal radius: a 3-dimensional analysis using cadavers2020

    • 著者名/発表者名
      Miyamura S.、Oka K.、Lans J.、Sakai T.、Shiode R.、Kazui A.、Tanaka H.、Shimada S.、Murase T.
    • 雑誌名

      Osteoarthritis and Cartilage

      巻: 28 ページ: 1572~1580

    • DOI

      10.1016/j.joca.2020.08.008

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] 小児の橈骨頭脱臼後に前腕回内制限を生じ、関節鏡下拘縮解離術を施行した1例2021

    • 著者名/発表者名
      山本 夏希, 岡 久仁洋, 岩橋 徹, 田中 啓之, 村瀬 剛
    • 学会等名
      日本肘関節学会学術集会
  • [学会発表] 変形性肘関節症に対する関節鏡視下手術へのnavigation systemの応用 模擬骨を用いた手術精度検証2021

    • 著者名/発表者名
      塩出 亮哉, 岡 久仁洋, 信貴 厚生, 数井 ありさ, 岩橋 徹, 田中 啓之, 村瀬 剛
    • 学会等名
      日本肘関節学会学術集会
  • [学会発表] 橈骨頭切除が肘関節に与える影響について2021

    • 著者名/発表者名
      宮村 聡, 村瀬 剛, 岡 久仁洋, 轉法輪 光, 島田 幸造
    • 学会等名
      日本肘関節学会学術集会
    • 招待講演
  • [学会発表] 肘関節運動軸に基づいた内反肘に対する上腕骨矯正骨切り術の1例2020

    • 著者名/発表者名
      数井 ありさ, 岡 久仁洋, 塩出 亮哉, 村瀬 剛
    • 学会等名
      日本肘関節学会学術集会
  • [学会発表] 変形性肘関節症鏡視下術へのnavigation systemの応用 模擬骨を用いた手術精度検証2020

    • 著者名/発表者名
      塩出 亮哉, 岡 久仁洋, 信貴 厚生, 数井 ありさ, 岩橋 徹, 田中 啓之, 村瀬 剛
    • 学会等名
      日本肘関節学会学術集会
  • [学会発表] 上腕骨顆上骨折後内反肘における合併症の調査2020

    • 著者名/発表者名
      岡 久仁洋, 田中 啓之, 岩橋 徹, 塩出 亮哉, 数井 ありさ, 村瀬 剛
    • 学会等名
      日本肘関節学会学術集会
  • [学会発表] 臨床用CTを用いた骨密度測定による舟状骨偽関節の予測2020

    • 著者名/発表者名
      宮村 聡, 村瀬 剛
    • 学会等名
      日本手外科学会学術集会
  • [学会発表] 橈骨遠位骨端線早期閉鎖に対する治療成績2020

    • 著者名/発表者名
      岡 久仁洋, 田中 啓之, 塩出 亮哉, 数井 ありさ, 岩橋 徹, 村瀬 剛
    • 学会等名
      日本手外科学会学術集会
  • [学会発表] 骨粗鬆症早期診断における前腕部DXAの有用性について 閉経後女性の橈骨遠位端骨折に関する症例対照研究2020

    • 著者名/発表者名
      宮村 聡, 栗山 幸治, 蛯名 耕介, 岡 久仁洋, 柏井 将文, 信貴 厚生, 田中 啓之, 平尾 眞, 吉川 秀樹, 村瀬 剛
    • 学会等名
      日本手外科学会学術集会
  • [学会発表] 統計的形状モデルを用いた橈骨3次元形状の解析2020

    • 著者名/発表者名
      大浦 圭一郎, 村瀬 剛, 轉法輪 光, 島田 幸造
    • 学会等名
      日本手外科学会学術集会
  • [学会発表] 橈骨遠位端骨折後背屈変形における軟骨下骨骨密度と関節面の応力分布の変化2020

    • 著者名/発表者名
      数井 ありさ, 岡 久仁洋, 塩出 亮哉, 田中 啓之, 岩橋 徹, 村瀬 剛
    • 学会等名
      日本手外科学会学術集会
  • [学会発表] 橈骨遠位における軟骨下骨の厚さと分布2020

    • 著者名/発表者名
      塩出 亮哉, 岡 久仁洋, 数井 ありさ, 阿部 真悟, 田中 啓之, 岩橋 徹, 村瀬 剛
    • 学会等名
      日本手外科学会学術集会
  • [学会発表] デノスマブを長期投与し、骨切りガイド併用腫瘍切除術を行った後に、再発を来した腸骨骨巨細胞腫の一例2020

    • 著者名/発表者名
      松本 高志, 竹中 聡, 王谷 英達, 濱田 健一郎, 安田 直弘, 村瀬 剛
    • 学会等名
      中部日本整形外科災害外科学会学術集会
  • [学会発表] X線透視画像をもとにした三次元骨位置推定システムの開発2020

    • 著者名/発表者名
      吉井 雄一, 岡 久仁洋, 村瀬 剛, 石井 朝夫, 山崎 正志
    • 学会等名
      日本整形外科学会学術集会

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公開日: 2022-12-28  

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