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2023 年度 実施状況報告書

Data-driven CT image harmonization and hierarchical modeling in multi-institutional databases for musculoskeletal disease analysis

研究課題

研究課題/領域番号 21K18080
研究機関奈良先端科学技術大学院大学

研究代表者

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)

研究期間 (年度) 2021-04-01 – 2025-03-31
キーワード筋骨格解析 / 深層学習 / 疾患進行モデリング
研究実績の概要

2023年、多装置・施設からのCT画像を含むデータベースにより、前年に開発された筋骨格セグメンテーションモデルの予測の不確実性を検証した。データベースには、変形性股関節症や軟部肉腫などのさまざまな患者の病気や、臥位や立位のCTなどの体位のバリエーションが含まれていた。予測の不確実性は、単一データベース(大阪大学所属病院)内の50例における22の構造(3つの骨と19の筋肉)の正解データで検証し、多装置・施設データーベースにおいて、中殿筋の正解データを作成し、モデルを検証した。構造におけるセグメンテーション誤差の検出において、平均ROCは0.95であった。さらに、このモデルは、筋肉体積(誤差:3.87%)と筋肉密度(誤差:1.31HU)の予測において、高い精度を示した。
検証されたモデルは、大阪大学所属病院の2,579 CT画像を含む股関節疾患患者の大規模データベース内の22の骨と筋肉を予測するために使用した。変形性股関節症を等級付けするための深層学習モデルを開発し(精度:96.4%)、CT画像内の患側と非患側を予測した(Masuda M, et al. IJCARS, 2024)。このモデルは、不正確な(人間によるわずかな修正で修正可能)セグメンテーションと、失敗したセグメンテーションを含む結果を正常に識別できた。したがって、予測されたセグメンテーションは現在、大規模データベースで筋疾患の進行を分析するために使用している。
さらに、16個の構造を含む体幹部の筋肉と脂肪を予測するモデルが開発した。このモデルは10例で検証し、高い精度を示しました(Dice係数:83.8%; Sanaa G, et al. MI研、2024)。現在、体幹部CT画像の大規模データベースにおけるセグメンテーションと疾患進行分析に使用している。

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

筋骨格セグメンテーションモデルの検証と予測不確実性は計画どおりに実行した。このモデルは、大規模データベースのセグメンテーションと分析において高い信頼性を示した。現在、いくつかの国内外のデータベースと股関節疾患患者の統計的形状変動を分析するために使用されている。大阪大学所属病院の大規模データベースの研究により、股関節疾患患者の筋肉疾患の進行において臨床的に重要な結果が示された。筋骨格セグメンテーションモデルと解析アプローチは、遺伝性筋疾患患者のCT画像への適用に向けてさらに研究中である。
さらに、体幹部筋骨格セグメンテーションへの拡張も計画どおりに実行した。学習データは増加しており、腱板領域を考慮するためにさらにいくつかの筋肉を追加している。これにより、全身の筋骨格セグメンテーションの開発が可能になる。
ただし、ボクセルごとの輝度値変化のモデリングは計画どおりに実行できなかった。主な課題は、筋肉内の脂肪組織のランダムな分布であり、そのため、異なる患者の筋肉間の対応関係を確立するのは簡単ではない。画像位置合わせパイプラインの改善は検討中である。

今後の研究の推進方策

現在の筋骨格セグメンテーションモデルの主な課題は、3Dモデル構造ではなく2Dを使用することである。これにより、隣接する構造/スライスの3D情報が活用されない。これにより、大規模データベースで2Dスライスが金属アーティファクトで破損するとセグメンテーション失敗が多く発生する。現在、3DnnUNetなどの3Dモデルがテストしており、予備実験結果では2Dモデルと比較して改善が見られている。3Dモデルは体幹部のセグメンテーションにも適用している。
もう1つの課題は、変形性股関節症の骨疾患または加齢に起因する変化は、遺伝的要因によって脂肪変性のパターンと違うことである。後者は、学習データセットの股関節疾患患者で観察されたものとは異なり、筋肉変性の選択的(筋肉特異的)パターンを示している。これらの変動を考慮するには、学習データの拡張と、局所的な変動を考慮したデータ拡張アプローチの開発が必要だと考えている。

次年度使用額が生じた理由

論文を投稿中で採択された際に必要な金額(45万円)を来年度に送った。

  • 研究成果

    (6件)

すべて 2024

すべて 雑誌論文 (3件) (うち国際共著 3件、 査読あり 3件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (3件) (うち国際学会 1件、 招待講演 2件)

  • [雑誌論文] Automatic hip osteoarthritis grading with uncertainty estimation from computed tomography using digitally-reconstructed radiographs2024

    • 著者名/発表者名
      Masuda Masachika、Soufi Mazen、Otake Yoshito、Uemura Keisuke、Kono Sotaro、Takashima Kazuma、Hamada Hidetoshi、Gu Yi、Takao Masaki、Okada Seiji、Sugano Nobuhiko、Sato Yoshinobu
    • 雑誌名

      International Journal of Computer Assisted Radiology and Surgery

      巻: 19 ページ: 903-915

    • DOI

      10.1007/s11548-024-03087-1

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Hybrid representation-enhanced sampling for Bayesian active learning in musculoskeletal segmentation of lower extremities2024

    • 著者名/発表者名
      Li Ganping、Otake Yoshito、Soufi Mazen、Taniguchi Masashi、Yagi Masahide、Ichihashi Noriaki、Uemura Keisuke、Takao Masaki、Sugano Nobuhiko、Sato Yoshinobu
    • 雑誌名

      International Journal of Computer Assisted Radiology and Surgery

      巻: in press ページ: in press

    • DOI

      10.1007/s11548-024-03065-7

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Preoperative Assessment of Vessel-to-acetabular Rim Distances in Non-contrast CT Images for Total Hip Arthroplasty2024

    • 著者名/発表者名
      Chen Yingdong、Soufi Mazen、Uemura Keisuke、Otake Yoshito、Takao Masaki、Iwakoshi Shinichi、Tanaka Toshihiro、Sugano Nobuhiko、Sato Yoshinobu
    • 雑誌名

      Advanced Biomedical Engineering

      巻: 13 ページ: 176~188

    • DOI

      10.14326/abe.13.176

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [学会発表] 体幹部CT画像における自動筋骨格セグメンテーション2024

    • 著者名/発表者名
      ゴリン サナー アミナ, 崇風 まあぜん, 大竹 義人, 政木 勇人, 村上 陽子, 永谷 幸裕, 渡邉 嘉之, 上村 圭亮, 高尾 正樹, 菅野 伸彦, 佐藤 嘉伸
    • 学会等名
      医用画像処理一般・メディカルイメージング連合フォーラム
  • [学会発表] Medical Imaging-based Musculoskeletal System Analysis in the Era of AI2024

    • 著者名/発表者名
      Mazen Soufi
    • 学会等名
      Third International Conference on Biomedical Engineering ICBME 2024-Damascus
    • 招待講演
  • [学会発表] Basics of advanced AI architectures and applications to musculoskeletal analysis2024

    • 著者名/発表者名
      Mazen Soufi
    • 学会等名
      AFOMP School Webinar
    • 国際学会 / 招待講演

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公開日: 2024-12-25  

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