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2021 年度 実施状況報告書

マイクロ計算解剖学創成に向けた微細解剖構造の網羅的数理画像解析手法の実現

研究課題

研究課題/領域番号 21K19898
研究機関名古屋大学

研究代表者

森 健策  名古屋大学, 情報学研究科, 教授 (10293664)

研究分担者 小田 昌宏  名古屋大学, 情報連携推進本部, 准教授 (30554810)
中村 彰太  名古屋大学, 医学部附属病院, 講師 (20612849)
研究期間 (年度) 2021-07-09 – 2024-03-31
キーワード微細構造解析 / マイクロ計算解剖
研究実績の概要

本研究ではマイクロ解剖学創成に向けた網羅的解剖構造解析のための画像認識技術の開発を行う。マイクロ解剖構造認識において重要となる解剖構造を明らかにすることのできる画像認識技術の開発を行う。今後は、微細血管・微細気管支といった10μm程度の微細な解剖構造(マイクロ解剖構造)の認識が医用画像処理では重要となる。このような画像処理技術は、機械学習による単なる画像認識のみで解決できるものではなくトポロジー解析など数多くの数理的な基盤が必要となる。複雑な接続関係を持つ血管や細気管支などの微細解剖構造をコンピュータが自動認識しトポロジーなども含めた数理的な解析ができる技術開発を目指すものであり、画像解析と離散的な数理構造解析が融合した挑戦的でありかつ探索的な研究である。
今年度は(1) 高精度マイクロCT画像データベース構築、(2) 微細脈管構造情報抽出手法開発、(3) 微細膜構造情報抽出手法開発を実施した。(1)では肺がん切除標本のマイクロCT画像を行い、腫瘍領域および正常領域を含む3DマイクロCT画像からなる大規模なデータベースを構築した。(2)ではマイクロCT画像から脈管構造を自動抽出する手法を実現した。深層学習ベース手法や局所的な濃淡構造解析を用いた手法により自動抽出し、3次元的な結果を得た。(3)では(2)と同様に画像解析を行い、3次元的な膜構造解析を行った。これらにより画像データベース構築と微細構造解析の基礎的手法確立を達成した。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

マイクロ解剖学創成に向けた網羅的解剖構造解析のための画像認識技術の開発を目指し、(1) 高精度マイクロCT画像データベース構築、(2) 微細脈管構造情報抽出手法開発、(3) 微細膜構造情報抽出手法開発の3項目を実施した。
(1) 高精度マイクロCT画像データベース構築:名古屋大学呼吸器外科で伸展固定された肺がん切除標本を高精細マイクロCT装置により3次元画像として撮像した。腫瘍の存在する例を含む多数の標本を使用し、今後の画像解析のパターンを考慮して様々な撮影条件でのマイクロCT画像撮影を行った。
(2) 微細脈管構造情報抽出手法開発:微細解剖構造は疾患発生などの早期発見や発生過程観察に有用である。今回はマイクロCT画像から微細な血管や気管支をセグメンテーションする手法を開発した。深層学習を用いた方法を検討するとともに、局所的な濃淡構造を強調するフィルタを用いた処理を使用した。フィルタ強調結果に対して後処理などを行うことで、微細な脈管構造を選択的に強調することが可能であった。
(3) 微細膜構造情報抽出手法開発:(2)と同様に膜構造も疾患発生の解明などに有用である。ここでも局所的な濃淡構造強調フィルタを用いて、マイクロCT画像からの膜構造の選択的な強調を実現した。

今後の研究の推進方策

2022年度は、(1) 微細構造分離手法の開発、(2) 病変マイクロ構造解析手法の開発を行う。
(1) 微細構造分離手法の開発:マイクロ解剖構造の特徴として、脈管構造、膜構造などの各構造物が複雑に絡み合うことが挙げられる。臓器の形やその接続関係のみが注目されるマクロ解剖構造とは異なる。これらの微細構造を分離する手法を実現する。
(2) 病変マイクロ構造解析手法の開発:がんに対象を絞り、そのミクロ構造をマイクロCT画像から抽出する画像処理手法を開発する。構造的な特徴とテクスチャ(画像上で観察される模様パターン)双方を組み合わせる手法を開発する。

次年度使用額が生じた理由

2021年度はマイクロ解剖構造解析用計算サーバとしてワークステーション、データ格納装置としてRAID型ストレージの導入を予定していた。しかしマイクロCTで撮影した画像データが想定より少なかったため、より安価なコンピュータとストレージを使用して研究遂行が可能であった。そのため未使用額が生じた。
2022年度の研究では画像蓄積が進み、より高速なワークステーションと大容量のストレージが必要となる。次年度使用額を用いてこれらを導入して研究推進を図る。

  • 研究成果

    (10件)

すべて 2022 2021

すべて 学会発表 (9件) (うち国際学会 5件) 図書 (1件)

  • [学会発表] Coarse-to-fine cascade framework for cross-modality super-resolution on clinical/micro CT dataset2022

    • 著者名/発表者名
      Tong Zheng, Hirohisa Oda, Yuichiro Hayashi, Shota Nakamura, Masaki Mori, Hirotsugu Takabatake, Hiroshi Natori, Masahiro Oda, Kensaku Mori
    • 学会等名
      SPIE Medical Imaging 2022
    • 国際学会
  • [学会発表] Micro CT Assisted Cross-Modality Super-Resolution Towwrd Observing Micrometer-scale Anatomical Structure From Clinical CT tilizing AI2021

    • 著者名/発表者名
      Tong Zheng, Hirohisa Oda, Yuichiro Hyashi, Masahiro Oda, Shota Nakamura, Hiroshi Natori, HIrotsugu Takabetake, Masaki Mori, Kensaku Mori
    • 学会等名
      RSNA 2021
    • 国際学会
  • [学会発表] Carotid Artery Vessel Wall Segmentation Challenge Report2021

    • 著者名/発表者名
      Ruiyun Zhu, Masahiro Oda, Yuichiro Hayashi, Hideki Ota,Hitomi Anzai, Makoto Ohta, Takanobu Yagi, Masaaki Shojima, Soichiro Fujimura, Kensaku Mori
    • 学会等名
      SMRA 2021
    • 国際学会
  • [学会発表] Super-Resolution by Latent Space Exploration: Training with Poorly-Aligned Clinical and Micro CT Image Dataset2021

    • 著者名/発表者名
      Tong Zheng, Hirohisa Oda, Yuichiro Hayashi, Shota Nakamura, Masahiro Oda, Kensaku Mori
    • 学会等名
      International Workshop on Simulation and Synthesis in Medical Imaging SASHIMI 2021
    • 国際学会
  • [学会発表] Micro-CT-assisted cross-modality super-resolution of clinical CT: utilization of synthesized training dataset2021

    • 著者名/発表者名
      T. Zheng, H. Oda, S. Nakamura, M. Mori, H. Takabatake, H. Natori, M. Oda, K. Mori
    • 学会等名
      CARS2021
    • 国際学会
  • [学会発表] Watershedを用いた肺マイクロCT像からの肺胞セグメンテーション2021

    • 著者名/発表者名
      椎名 健, 小田 紘久, 鄭 通, 中村 彰太, 小田 昌宏, 森 健策
    • 学会等名
      電子情報通信学会技術研究報告(MI)
  • [学会発表] 距離変換と管状構造フィルタによる肺マイクロCT画像からの細気管支・肺胞管抽出手法の検討2021

    • 著者名/発表者名
      椎名 健, 小田 紘久, 鄭 通, 中村 彰太, 林 雄一郎, 小田 昌宏, 森 健策
    • 学会等名
      第30回日本コンピュータ外科学会大会
  • [学会発表] Clinical CT Super-resolution Utilizing Registered Clinical -Micro CT Database2021

    • 著者名/発表者名
      Tong ZHENG, Hirohisa ODA, Yuichiro HAYASHI, Shota NAKAMURA, Masaki MORI, Hirotsugu TAKABATAKE, Hiroshi NATORI, Masahiro ODA, Kensaku MORI
    • 学会等名
      第40回日本医用画像工学会大会
  • [学会発表] 距離マップを利用した肺マイクロ CT 像からの肺胞抽出2021

    • 著者名/発表者名
      椎名 健, 小田 紘久, 鄭 通, 中村 彰太, 林 雄一郎, 小田 昌宏, 森 健策
    • 学会等名
      第40回日本医用画像工学会大会
  • [図書] 形態と機能からみた呼吸器疾患 病態を読み解くメカニズム2021

    • 著者名/発表者名
      森 健策
    • 総ページ数
      336
    • 出版者
      南江堂
    • ISBN
      978-4-524-24996-1

URL: 

公開日: 2022-12-28  

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