JP7764037B2 - System, control method and program - Google Patents
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Description
本発明は、画像診断を支援するための情報を提供するシステムに関するものである。 The present invention relates to a system that provides information to assist in image diagnosis.
文献1に開示された画像処理装置は、被験者の脳の機能画像を入力する入力部と、被験者の機能画像を解剖学的標準化する解剖学的標準化部と、標準脳上に割り付けられた解剖学的領域のデータを記憶した標準脳データ記憶部から解剖学的領域のデータを読み出し、当該解剖学的領域のデータをROIの候補として提示するROI候補提示部と、解剖学的領域の選択を受け付け、選択された1又は複数の解剖学的領域に基づいて、解剖学的標準化された被験者の脳画像上にROIを設定するROI設定部と、ROI内の画素値に基づいて、評価値を計算する評価値計算部と、計算された評価値に関する情報を表示する表示部とを備える。 The image processing device disclosed in Document 1 comprises an input unit that inputs functional images of the subject's brain; an anatomical standardization unit that anatomically standardizes the functional images of the subject; an ROI candidate presentation unit that reads data on anatomical regions from a standard brain data storage unit that stores data on anatomical regions assigned to a standard brain and presents the data on the anatomical regions as ROI candidates; an ROI setting unit that accepts the selection of an anatomical region and sets an ROI on the anatomically standardized brain image of the subject based on the selected anatomical region or regions; an evaluation value calculation unit that calculates an evaluation value based on pixel values within the ROI; and a display unit that displays information related to the calculated evaluation value.
医用画像を用いた診断補助については深層学習を用いて鑑別精度が高まることが期待されている。一方、深層学習による鑑別結果および評価がどのように算出されたのかはブラックボックスで、結果を扱う医療従事者にとって、その解釈と説明が難しいという問題がある。 It is hoped that the use of deep learning in diagnostic assistance using medical images will improve the accuracy of differentiation. However, how the differentiation results and evaluations obtained using deep learning are calculated is a black box, making it difficult for medical professionals who handle the results to interpret and explain them.
本発明の一態様は、被験者の身体の少なくとも一部を対象領域として含む第1のタイプの医用画像を統計的に評価する第1の画像評価システムに対しアクセス可能な第1のアクセスユニットと、第1のタイプの医用画像に基づき第1の疾患を評価するように機械学習した第1のモデルを用いて被験者の罹患状態を判断する第2の画像評価システムに対しアクセス可能な第2のアクセスユニットと、第1の画像評価システムおよび第2の画像評価システムに対する評価対象の入力および評価結果の出力の少なくともいずれかについて共通の画像評価環境を介して提供する支援ユニットとを有するシステムである。このシステムによれば、機械学習した第1のモデルの評価と、統計的処理の評価とを共通の環境を介して評価することが可能となり、医用画像の機械学習による鑑別結果を、医療従事者などが解釈する支援を行うことができる。支援ユニットは、被験者の第1のタイプの医用画像が、第1の画像評価システムおよび第2の画像評価システムに対し入出力可能な画像に標準化された評価用画像を含む共通の画像評価環境を用いてもよい。One aspect of the present invention is a system comprising: a first access unit accessible to a first image evaluation system that statistically evaluates a first type of medical image that includes at least a portion of a subject's body as a target region; a second access unit accessible to a second image evaluation system that determines the subject's disease state using a first model trained through machine learning to evaluate a first disease based on the first type of medical image; and a support unit that provides, via a common image evaluation environment, at least one of input of the evaluation target and output of the evaluation results to the first and second image evaluation systems. This system enables evaluation of the machine-learned first model and evaluation of the statistical processing via a common environment, thereby providing support to medical professionals and others in interpreting the machine-learned discrimination results of medical images. The support unit may use a common image evaluation environment in which the subject's first type of medical image includes evaluation images standardized to images that can be input and output to the first and second image evaluation systems.
本発明の他の態様の1つは、上記第1のアクセスユニットと、第2のアクセスユニットと、支援ユニットとを有する支援システムの制御方法である。当該方法は、以下のステップの少なくともいずれかを含む。
i)支援ユニットが、第1の画像評価システムから取得した医用画像の評価に関する第1の結果と、第2の画像評価システムから取得した被験者の医用画像の評価に関する第2の結果とを、共通の画像評価環境を介して出力すること。
ii)支援ユニットが、第2の画像評価システムの罹患状態の判断に基づき、第1の画像評価システムから取得した医用画像の評価に関する第1の結果を再評価した結果を、共通の画像評価環境を介して出力すること。
iii)支援ユニットが、第1の画像評価システムから取得した医用画像の評価に関する第1の結果により重要視される第1の領域と、第2の画像評価システムの罹患状態の判断に重要視された第2の領域とを、共通の画像評価環境を介して出力すること。
iv)支援ユニットが、第1の画像評価システムから取得した医用画像の評価に関する第1の結果により重要視される第1の領域を含む画像領域を、共通の画像評価環境を介して前記第2の画像評価システムの評価対象として選択すること。
v)支援ユニットが、第2の画像評価システムの罹患状態の判断に重要視された第2の領域を含む画像領域を、共通の画像評価環境を介して第1の画像評価システムの評価対象として選択すること。
vi)支援ユニットが、被験者の医用画像の共通の画像評価環境へマッピングの信頼度に基づき、第1の画像評価システムから取得した医用画像の評価に関する第1の結果、または、第2の画像評価システムから取得した被験者の医用画像を評価に関する第2の結果の、共通の画像評価環境を用いた出力を制御すること。
Another aspect of the present invention is a control method for an assistance system having the first access unit, the second access unit, and an assistance unit, the method including at least one of the following steps:
i) The support unit outputs a first result regarding the evaluation of the medical image obtained from the first image evaluation system and a second result regarding the evaluation of the medical image of the subject obtained from the second image evaluation system via a common image evaluation environment.
ii) The support unit outputs the results of re-evaluating the first results regarding the evaluation of the medical images obtained from the first image evaluation system based on the disease state judgment of the second image evaluation system via a common image evaluation environment.
iii) The support unit outputs, via a common image evaluation environment, a first area that is considered important based on a first result regarding the evaluation of the medical image obtained from the first image evaluation system and a second area that is considered important for determining the disease state of the second image evaluation system.
iv) The support unit selects an image area including a first area that is considered important by a first result regarding the evaluation of the medical image acquired from the first image evaluation system as an evaluation target for the second image evaluation system via a common image evaluation environment.
v) The support unit selects an image area including a second area that is considered important for determining the disease state of the second image evaluation system as an evaluation target for the first image evaluation system via a common image evaluation environment.
vi) The support unit controls the output of a first result regarding the evaluation of the medical image acquired from the first image evaluation system or a second result regarding the evaluation of the medical image of the subject acquired from the second image evaluation system using the common image evaluation environment based on the reliability of the mapping of the medical image of the subject to the common image evaluation environment.
本発明のさらに異なる態様の1つは、コンピュータにより医用画像を評価するプログラムである。プログラム(プログラム製品)は、コンピュータが、被験者の身体の少なくとも一部を対象領域として含む第1のタイプの医用画像を統計的に評価する第1の画像評価システムに対しアクセスすることと、第1のタイプの医用画像に基づき第1の疾患を評価するように機械学習した第1のモデルを用いて被験者の罹患状態を判断する第2の画像評価システムに対しアクセスすることと、第1の画像評価システムおよび第2の画像評価システムに対する評価対象の入力および評価結果の出力の少なくともいずれかについて共通の画像評価環境を介して提供することと、上記i)~vi)のステップの少なくともいずれかを実行する命令を有する。プログラムはコンピュータに読み取り可能な記録媒体に記録して提供されてもよい。 Another aspect of the present invention is a program for evaluating medical images by a computer. The program (program product) includes instructions for the computer to access a first image evaluation system that statistically evaluates a first type of medical image that includes at least a portion of a subject's body as a target region; access a second image evaluation system that determines the subject's disease state using a first model trained by machine learning to evaluate a first disease based on the first type of medical image; provide at least one of input of the evaluation target and output of the evaluation result to the first image evaluation system and the second image evaluation system via a common image evaluation environment; and execute at least one of steps i) to vi) above. The program may be provided recorded on a computer-readable recording medium.
図1に、画像診断支援のための情報提供を行うシステム1の概要を示している。このシステム1は、被験者の身体の一部として、脳または脳の一部を、画像診断または評価の対象領域として含む医用画像による診断の支援に関する情報を提供する。システム1は、被験者の身体の少なくとも一部を対象領域として含む第1のタイプの医用画像として、被験者の脳画像53を格納した画像データベース52と、脳画像53を統計的に評価する第1の画像評価システム60と、脳画像53に基づき第1の疾患を評価するように機械学習した第1のモデルを用いて被験者の罹患状態を判断する第2の画像評価システム70と、画像評価支援システム10とを含む。画像評価支援システム(支援システム)10は、第1の画像評価システム60に対しアクセス可能な第1のアクセスユニット(インターフェイス)11と、第2の画像評価システム70に対しアクセス可能な第2のアクセスユニット(インターフェイス)12と、第1の画像評価システム60および第2の画像評価システム70に対する評価対象の入力62および72、および評価結果の出力63および73の少なくともいずれかについて共通の画像評価環境を介して提供する支援ユニット30とを有する。 Figure 1 shows an overview of a system 1 that provides information for supporting image diagnosis. This system 1 provides information related to supporting diagnosis using medical images that include the brain or a portion of the brain as a target region for image diagnosis or evaluation as part of the subject's body. System 1 includes an image database 52 that stores brain images 53 of the subject as a first type of medical image that includes at least a portion of the subject's body as a target region; a first image evaluation system 60 that statistically evaluates the brain images 53; a second image evaluation system 70 that determines the subject's disease state using a first model that has been machine-learned to evaluate a first disease based on the brain images 53; and an image evaluation support system 10. The image evaluation support system (support system) 10 has a first access unit (interface) 11 accessible to a first image evaluation system 60, a second access unit (interface) 12 accessible to a second image evaluation system 70, and a support unit 30 that provides at least one of inputs 62 and 72 of evaluation objects and outputs 63 and 73 of evaluation results to the first image evaluation system 60 and the second image evaluation system 70 via a common image evaluation environment.
被験対象(被験者、受験者)の身体またはその一部の形態および機能を診断するための装置として、CT(Computed Tomography)、MRI(Magnetic Resonance Imaging)、PET(Positron Emission Tomography)、SPECT(Single Photon Emission Computed Tomography)、PET-CTなどの様々なタイプの断層撮影装置(モダリティ)が知られており、それらのモダリティ画像(医用画像)が様々な疾病の診断に活用されている。特に、被験者の脳を診断または評価の対象領域として含むモダリティ画像(医用画像)53は、被験者の脳の物理的な状態に係るデータを取得するために用いられており、認知症、パーキンソン病などの疾病の診断に活用されている。 Various types of tomography devices (modalities), such as CT (Computed Tomography), MRI (Magnetic Resonance Imaging), PET (Positron Emission Tomography), SPECT (Single Photon Emission Computed Tomography), and PET-CT, are known as devices for diagnosing the form and function of a subject's (test subject, examinee's) body or parts thereof, and these modality images (medical images) are used to diagnose a variety of diseases. In particular, modality images (medical images) 53 that include the subject's brain as the target region for diagnosis or evaluation are used to obtain data related to the physical state of the subject's brain and are used to diagnose diseases such as dementia and Parkinson's disease.
医用画像のタイプの一例は、CTおよびMRIであり、これらの画像は、精度の高い形態的な情報を反映できる。MRI画像は、例えば、T1強調画像、T2強調画像、拡散強調画像、フレア画像、拡散テンソル画像、QSM画像、疑似PET画像、疑似SPECT画像などを含む。QSM画像(Quantitative Susceptibility Mapping)は、定量的磁化率マッピングを示す。医用画像のタイプの他の例は、PETおよびSPECTであり、これらの画像は、静脈注射等により、放射性薬剤を被験者の体内に投与し、体内において当該薬剤から放出される放射線を撮像することにより、画像が生成される。薬剤を用いた画像によれば、体内の各部位の形態のみならず、体内に投与された薬剤がどのように分布するか、または当該薬剤と反応する体内の物質の集積の様子などを医師に把握させることができるので、疾病の診断精度の向上に寄与しうる。例えば、通称ピッツバーグ化合物BをPET用放射性薬剤(トレーサー)として用いてPET画像を撮像し、撮像されたPET画像を基に脳内のアミロイドβ蛋白の蓄積度合いを測定することにより、アルツハイマー型認知症の鑑別診断又は早期診断に役立たせることができる。なお、疑似PET画像は、実際のPET画像と区別する意味で用いる文言であり、実際のPET画像を推定する画像である。疑似PET画像は、例えば、MRI画像に基づいて生成してもよい。疑似SPECT画像についても同様に、実際のSPECT画像を推定する画像である。CT and MRI are examples of types of medical images, which can accurately reflect morphological information. MRI images include, for example, T1-weighted images, T2-weighted images, diffusion-weighted images, flare images, diffusion tensor images, QSM images, pseudo-PET images, and pseudo-SPECT images. QSM images (Quantitative Susceptibility Mapping) stand for quantitative susceptibility mapping. Other examples of types of medical images are PET and SPECT, which are generated by administering a radioactive drug to a subject via intravenous injection or other means and capturing the radiation emitted from the drug within the body. Drug-based images allow physicians to understand not only the morphology of various parts of the body, but also how the administered drug is distributed within the body and how substances react with the drug accumulate within the body, thereby contributing to improved accuracy in disease diagnosis. For example, a PET image can be captured using what is commonly known as Pittsburgh compound B as a PET radiopharmaceutical (tracer), and the degree of accumulation of amyloid beta protein in the brain can be measured based on the captured PET image, which can be useful for differential diagnosis or early diagnosis of Alzheimer's dementia. The pseudo PET image is a term used to distinguish it from an actual PET image, and is an image that estimates the actual PET image. The pseudo PET image may be generated based on, for example, an MRI image. Similarly, the pseudo SPECT image is an image that estimates the actual SPECT image.
SPECT画像の一例としては、123I-イオフルパン(123I-Ioflupane)という放射性医薬品を投与したSPECT検査でDatSCAN(Dopamine transporter SCAN)と呼ばれるドーパミントランスポーター(DAT)の分布を可視化する撮像方法がある。この撮像は目的としては、パーキンソン病(以下PD)のパーキンソン症候群(PS)の早期診断、レビー小体型認知症(DLB、Dementia with Lewy Bodies)の診断補助、線条体のドパミン神経脱落が有る場合のレボドバと呼ばれる種類の投薬治療判断などを挙げることができる。One example of SPECT imaging is a SPECT scan using the radiopharmaceutical 123I-ioflupane, called DatSCAN (Dopamine transporter SCAN), which visualizes the distribution of dopamine transporters (DAT). The purposes of this imaging include early diagnosis of Parkinson's syndrome (PS) in Parkinson's disease (PD), aiding in the diagnosis of dementia with Lewy bodies (DLB), and determining the appropriate medication for treatment in cases of striatal dopaminergic neuronal loss, known as levodopa.
このシステム1は、被験者の第1のタイプの医用画像53を、第1の画像評価システム60および第2の画像評価システム70に対し入出力可能な画像(標準化画像)50に標準化するマッピングシステム55を有し、支援システム10は、マッピングシステム55にアクセス可能な第3のアクセスユニット(インターフェイス)13を備えていてもよい。標準化画像50の一例は、解剖学的標準化画像であり、マッピングシステム55は、解剖学的標準化処理部としての機能を備えていてもよい。マッピングシステム55は、解剖学的標準化の各ボクセルにおける処理の信頼度を含む、脳画像53の標準化処理の評価に関する第3の結果56を出力し、支援ユニット30は、アクセスユニット13を介して、その結果56を取得してもよい。支援ユニット30は、後述するように、標準化画像50に基づいて画像に対する評価を提供する共通の画像評価環境を備えており、マッピングの際の評価またはその評価に関する第3の結果56を、マッピングシステム55と同じ環境で出力したり、支援ユニット30における処理の入力とすることができる。The system 1 includes a mapping system 55 that standardizes a first type of medical image 53 of the subject into an image (standardized image) 50 that can be input and output to a first image evaluation system 60 and a second image evaluation system 70. The support system 10 may include a third access unit (interface) 13 that can access the mapping system 55. An example of the standardized image 50 is an anatomical standardized image, and the mapping system 55 may function as an anatomical standardization processing unit. The mapping system 55 outputs a third result 56 regarding the evaluation of the standardization processing of the brain image 53, including the reliability of the anatomical standardization processing at each voxel. The support unit 30 may acquire the result 56 via the access unit 13. As described below, the support unit 30 includes a common image evaluation environment that provides an evaluation of the image based on the standardized image 50. The evaluation during mapping or the third result 56 regarding the evaluation can be output in the same environment as the mapping system 55 or used as input for processing in the support unit 30.
支援ユニット30を含む支援システム10は、標準化された評価用画像を含む、共通の画像評価環境(共通評価環境、ユーザーインターフェイスモジュール、U/Iモジュール)15を介して画像を評価するための情報をユーザーである医療関係者などに提供してもよい。ユーザーは、支援システム10に付属するディスプレイ16aおよびタッチパネル16bなどのアクセス用の機器を用いて支援システム10にアクセスしてもよく、クラウド(インターネット)17を介して支援システム10にアクセスしてもよい。The assistance system 10, including the assistance unit 30, may provide users, such as medical professionals, with information for evaluating images via a common image evaluation environment (common evaluation environment, user interface module, U/I module) 15, including standardized evaluation images. Users may access the assistance system 10 using access devices such as a display 16a and touch panel 16b attached to the assistance system 10, or may access the assistance system 10 via the cloud (Internet) 17.
この画像診断支援のための情報提供を行うシステム(画像診断支援情報提供システム)1は、サーバーなどの、メモリおよびCPUを含むコンピュータ資源を備えた装置(システム)によりスタンドアロンの構成で提供されてもよく、画像データベース52、第1の画像評価システム60および第2の画像評価システム70を含む構成範囲8が、クラウド(インターネット)を介して提供されてもよい。また、マッピングシステム55、標準化画像50のストレージ、第1の画像評価システム60の入力62および評価出力63、および第2の画像評価システム70の入力72および評価出力73を含めた構成範囲9が、クラウドを介して提供されてもよい。This system for providing information for diagnostic imaging support (diagnostic imaging support information provision system) 1 may be provided in a standalone configuration by a device (system) equipped with computer resources including memory and a CPU, such as a server, or the configuration area 8 including the image database 52, first image evaluation system 60, and second image evaluation system 70 may be provided via the cloud (Internet). Furthermore, the configuration area 9 including the mapping system 55, storage of standardized images 50, input 62 and evaluation output 63 of the first image evaluation system 60, and input 72 and evaluation output 73 of the second image evaluation system 70 may be provided via the cloud.
医用画像を統計的に評価する第1の画像評価システム60は、コンピュータ資源を備えたシステムとして提供されてもよく、統計的処理を行うプロセッサ61と、統計的処理を実行するためのライブラリおよびプログラムを格納したデータベース65を備えていてもよい。第1の画像評価システム60は、処理対象の医用画像の評価、すなわち、統計的評価に関する第1の結果66を出力してもよい。評価結果66は、評価システム60の評価出力機能(表示ユニット)63において標準化画像50に基づいて出力(表示)されてもよい。支援ユニット30は、アクセスユニット11を介して、その結果66を取得してもよい。支援ユニット30は、標準化画像50に基づいて画像に対する評価を提供する共通の画像評価環境(共通評価環境)15を用いて、統計的処理の評価またはその評価に関する第1の結果66を第1の画像評価システム60と同じ環境で出力したり、支援ユニット30における処理の入力とすることができる。第1の結果66には、統計処理により重要視される第1の領域(関心領域、ROI)の情報が含まれていてもよい。The first image evaluation system 60 for statistically evaluating medical images may be provided as a system equipped with computer resources and may include a processor 61 for performing statistical processing and a database 65 storing libraries and programs for executing the statistical processing. The first image evaluation system 60 may output a first result 66 regarding the evaluation of the medical image to be processed, i.e., the statistical evaluation. The evaluation result 66 may be output (displayed) based on the standardized image 50 by an evaluation output function (display unit) 63 of the evaluation system 60. The support unit 30 may acquire the result 66 via the access unit 11. The support unit 30 may use a common image evaluation environment (common evaluation environment) 15 that provides an evaluation of the image based on the standardized image 50 to output the evaluation of the statistical processing or the first result 66 regarding the evaluation in the same environment as the first image evaluation system 60, or use the result 66 as input for processing in the support unit 30. The first result 66 may include information about a first region (region of interest, ROI) that is considered important in the statistical processing.
第1の画像評価システム60は、標準化画像50に基づいて統計的処理を行う対象となる画像または画像中の領域を選択する入力機能(選択ユニット)62を備えていてもよい。統計的処理の対象の領域の選択などを含む解析対象の制御(入力制御情報)67については、支援ユニット30から提供されてもよい。支援ユニット30は、共通評価環境15を用いて、標準化画像50に基づき、統計的処理の対象となる情報を、第1の画像評価システム60と同じ環境を介して入力したり、選択したりすることができる。標準化処理画像50の各ボクセルデータに、さらに入力として年齢もしくは性別(もしくは各種のバイオマーカー値)の共変量の補正を施したりする処理についても、共通評価環境15を介して実行してもよい。 The first image evaluation system 60 may have an input function (selection unit) 62 for selecting an image or an area within an image to be subjected to statistical processing based on the standardized image 50. Control of the analysis target (input control information) 67, including the selection of the area to be subjected to statistical processing, may be provided by the support unit 30. The support unit 30 can use the common evaluation environment 15 to input or select information to be subjected to statistical processing based on the standardized image 50 via the same environment as the first image evaluation system 60. Processing such as applying correction for covariates such as age or gender (or various biomarker values) as further input to each voxel data of the standardized processed image 50 may also be performed via the common evaluation environment 15.
医用画像に基づき罹患状態を判断する第2の画像評価システム70は、コンピュータ資源を備えたシステムとして提供されてもよく、学習モデルによる処理を行うプロセッサ71と、医用画像に基づき疾病の状態を評価するように機械学習した第1のモデル74およびライブラリなどを格納したデータベース75を備えていてもよい。第2の画像評価システム70は、処理対象の医用画像の評価、すなわち、医用画像に基づき第1の疾患を評価するように機械学習した第1のモデル74を用いて被験者の罹患状態を判断したことに関する第2の結果76を出力してもよい。評価結果76は、評価システム70の評価出力機能(表示ユニット)73において標準化画像50に基づいて出力(表示)されてもよい。支援ユニット30は、アクセスユニット12を介して、その結果76を取得してもよい。支援ユニット30は、標準化画像50に基づいて共通評価環境15を用いて、罹患状態の判断に関する評価またはその評価に関する第2の結果76を第2の画像評価システム70と同じ環境を介して出力したり、支援ユニット30における処理の入力とすることができる。The second image evaluation system 70 for assessing disease status based on medical images may be provided as a system equipped with computer resources, and may include a processor 71 for processing using a learning model, and a database 75 storing a first model 74 trained by machine learning to assess disease status based on medical images, as well as a library. The second image evaluation system 70 may output a second result 76 regarding the evaluation of the medical image to be processed, i.e., the assessment of the subject's disease status using the first model 74 trained by machine learning to assess a first disease based on medical images. The evaluation result 76 may be output (displayed) based on the standardized image 50 by the evaluation output function (display unit) 73 of the evaluation system 70. The support unit 30 may acquire the result 76 via the access unit 12. The support unit 30 may use the common evaluation environment 15 to output the evaluation regarding the assessment of disease status or the second result 76 regarding the evaluation based on the standardized image 50 via the same environment as the second image evaluation system 70, or use it as input for processing in the support unit 30.
認知症を対象とする場合、AD(Alzheimer Disease、アルツハイマー型認知症)、DLB(Dementia with Lewy Bodies、レビー小体型認知症)の各原因疾患の鑑別を機械学習した学習モデル74を用いた第2の画像評価システム70を採用でき、学習モデル74を用いて被験者の罹患状態を判断したことに関する第2の結果76を出力できる。第2の結果76には、対象となる第1の疾患、例えば、ADまたはDLBの有無、および進行状態に加え、罹患状態の判断に重要視された第2の領域(関心領域、ROI)の情報が含まれていてもよい。深層学習のGradCAM等を用いた方法によれば、深層学習の鑑別に際して重用した着目領域(ROI)の可視化が可能であり、共通評価環境15を介して、標準化画像50を用いて、支援ユニット30において第2の評価システム70と共通の環境でROIに関する評価が可能となる。When dementia is the target, a second image evaluation system 70 can be employed that uses a learning model 74 that has been machine-learned to differentiate between the causative diseases AD (Alzheimer's Disease) and DLB (Dementia with Lewy Bodies). The learning model 74 can be used to output a second result 76 regarding the subject's disease status. The second result 76 may include information on the presence or absence and progression of the first disease of interest, e.g., AD or DLB, as well as information on a second region (ROI) that is considered important in determining the disease status. Using a deep learning method such as GradCAM, it is possible to visualize the region of interest (ROI) used in deep learning differentiation. Using standardized images 50 via a common evaluation environment 15, the support unit 30 can evaluate the ROI in a shared environment with the second evaluation system 70.
第2の画像評価システム70は、標準化画像50に基づいて学習モデル74による罹患状態の判断の対象となる画像または画像中の領域を選択する入力機能(選択ユニット)72を備えていてもよい。処理の対象の領域の選択などを含む診断対象(鑑別対象)の制御(入力制御情報)77については、支援ユニット30から提供されてもよい。支援ユニット30は、共通評価環境15を用いて、標準化画像50に基づき、学習モデル74の鑑別処理の対象となる情報を、第2の画像評価システム70と同じ環境で入力したり、選択したりすることができる。この場合も、標準化処理画像50の各ボクセルデータに、さらに入力として年齢もしくは性別(もしくは各種のバイオマーカー値)の共変量の補正を施したりする処理についても、共通評価環境15を介して実行してもよい。The second image evaluation system 70 may be equipped with an input function (selection unit) 72 that selects an image or an area within the image to be subjected to disease state assessment by the learning model 74 based on the standardized image 50. Control (input control information) 77 of the diagnostic target (differentiation target), including the selection of the area to be processed, may be provided by the support unit 30. The support unit 30 can use the common evaluation environment 15 to input or select information to be subjected to the differentiation process of the learning model 74 based on the standardized image 50 in the same environment as the second image evaluation system 70. In this case, the common evaluation environment 15 may also be used to perform processing such as applying correction for covariates such as age or gender (or various biomarker values) as further input to each voxel data of the standardized processed image 50.
支援システム10は、クラウドにアクセス可能なサーバーなどのコンピュータ資源を備えた装置として提供されてもよく、種々の処理に要求されるライブラリ、支援システムとしての処理を実行するための命令を含むプログラム19などを格納したデータベース18を備えていてもよい。共通評価環境15を用いたユーザーへのサービスは、クラウドを介したサービス(SaaS(Software as a Service))として提供してもよい。上述したように、支援システム10は、標準化処理画像50を用いた共通評価環境15を提供しており、支援ユニット30は共通評価環境15を用いて、第1の画像評価システム60の評価結果66と、第2の画像評価システム70の評価結果76とをユーザーに対し相互参照可能な状態で、シームレスに、提供できる。また、標準化の際の結果56についても含めて、ユーザーに提供できる。The assistance system 10 may be provided as a device equipped with computer resources such as a server accessible to the cloud, and may include a database 18 storing libraries required for various processes and a program 19 containing instructions for executing processes as the assistance system. Services to users using the common evaluation environment 15 may be provided as a cloud-based service (Software as a Service (SaaS)). As described above, the assistance system 10 provides the common evaluation environment 15 using the standardized processed image 50, and the assistance unit 30 can use the common evaluation environment 15 to seamlessly provide the user with the evaluation results 66 from the first image evaluation system 60 and the evaluation results 76 from the second image evaluation system 70 in a cross-referenceable state. The standardization results 56 can also be provided to the user.
医用画像を用いた診断補助については深層学習を用いて鑑別精度が高まることが期待されている。アルツハイマー型認知症等の神経変性疾患に関しては各種画像モダリティ(形態MRI、血流SPECT、PET画像など)毎に、健常群と疾患群とで脳容積値や血流量(糖代謝)、アミロイドβ等の疾患の要因となる物質量が有意差を統計的に示す領域(ROI)を算出し、その領域内のZスコアやSUV等の値の評価を行う方法が行われている。神経変性疾患に深層学習を用いた方法は多く鑑別精度を向上させた報告があるが、鑑別結果および評価がどのように算出されたのかはブラックボックスで、結果を扱う医療従事者にとって、その解釈と説明が難しいという問題がある。この理由は大きく2つ有る。1)神経変性疾患においては脳のどの部分に変質が起こっているのかを必要とする。
(例:海馬傍回に萎縮が見られるために、アルツハイマー型認知症が疑われる等)
2)深層学習の(中間層を含む)出力値が脳容積や血流量などの人の解釈可能な情報では無いものに加工されてしまう。
Deep learning is expected to improve the accuracy of diagnostic support using medical images. For neurodegenerative diseases such as Alzheimer's disease, a method is used to calculate regions of interest (ROIs) for each imaging modality (e.g., morphological MRI, SPECT perfusion, PET images) that statistically show significant differences in brain volume, blood flow (glucose metabolism), and the amount of disease-causing substances such as amyloid beta between healthy and diseased groups, and then evaluate values such as Z-scores and SUV within those regions. Many methods using deep learning for neurodegenerative diseases have been reported to improve diagnostic accuracy, but the way in which the diagnostic results and evaluations are calculated remains a black box, making them difficult for medical professionals to interpret and explain. There are two main reasons for this: 1) Neurodegenerative diseases require identifying which parts of the brain are altered.
(For example, Alzheimer's disease may be suspected due to atrophy of the parahippocampal gyrus.)
2) The output values of deep learning (including intermediate layers) are processed into information that cannot be interpreted by humans, such as brain volume or blood flow.
支援システム10においては、深層学習を用いて得られた結果について、上記2つの課題解決を行うことが可能であり、深層学習の結果を扱う医療従事者に対し、その解釈と説明とを提供することができる。 The support system 10 is capable of solving the two problems mentioned above using the results obtained using deep learning, and can provide interpretations and explanations of the results to medical professionals who handle the results of deep learning.
上記の課題1)については、深層学習のGradCAM等を用いた方法によれば、深層学習の鑑別に際して重用した着目領域の可視化が可能である。さらに深層学習による鑑別の入力を、支援システム10を用いて共通画像環境15において提供される解剖学的標準脳50にマッピングした脳画像とすれば、統計学的に算出されたROIと同一の画像上で対比して視認することが可能である(表示の切り替えやオーバーレイ)。Regarding issue 1) above, using a deep learning method such as GradCAM makes it possible to visualize the regions of interest used in deep learning discrimination. Furthermore, if the input for deep learning discrimination is a brain image mapped to an anatomical standard brain 50 provided in the common image environment 15 using the support system 10, it is possible to visually compare it with the statistically calculated ROI on the same image (by switching the display or overlaying).
上記の課題2)については、共通画像環境15を用いて深層学習の着目領域を指定し、その領域内に対して、統計的処理を行い、脳容積や血流量の値を算出し、鑑別に有効であった領域の、人が解釈可能な指標値を提示することが可能である。 Regarding issue 2) above, it is possible to specify the area of interest for deep learning using the common image environment 15, perform statistical processing within that area, calculate values for brain volume and blood flow, and present human-interpretable index values for areas that are effective for differentiation.
また、この支援システム10は、その他ビジネス的に検討可能なツール機能(システム面)となり得る。例えば、解析結果毎の対応に適用でき、介入の方法を選択したり、可能であれば、薬の処方等の選択、追加検査の案内などが可能である。DLBであればDatSCAN/MIBG心筋シンチグラフィーの検査を推奨したり、検査機関を推奨したりする支援の提供が可能となる。論文データベースとリンクさせることにより、共通画像環境15に表示されたROI領域にマウスオーバーした際の関連論文リンクを表示することによる研究支援、診断支援および治療支援を行うことも可能となる。 This support system 10 can also serve as a tool function (system-wise) that can be considered for other business purposes. For example, it can be applied to responses based on analysis results, allowing for the selection of intervention methods, and if possible, the selection of medication prescriptions and guidance on additional testing. In the case of DLB, it can provide support such as recommending DatSCAN/MIBG myocardial scintigraphy tests and recommending testing institutions. By linking to a research paper database, it is also possible to provide support for research, diagnosis, and treatment by displaying links to related papers when the mouse is hovered over the ROI area displayed in the common image environment 15.
支援システム10においては、共通画像環境15を用いて支援ユニット30がいくつかの機能を提供できる。1つの機能は、入力支援機能(入力支援ユニット)37であり、第1の画像評価システム60および/または第2の画像評価制御システム70に対し支援ユニット30を介して入力制御情報67および77を供給することにより次のような機能を提供できる。In the support system 10, the support unit 30 can provide several functions using the common image environment 15. One function is the input support function (input support unit) 37, which can provide the following functions by supplying input control information 67 and 77 to the first image evaluation system 60 and/or the second image evaluation control system 70 via the support unit 30:
脳画像53をマッピングシステム55において解剖学的標準化の処理を行った後に、解剖学的標準化処理画像50を、第2の画像評価システム70の深層学習モデル74の入力とする際に、脳に関わる疾患(脳画像から診断可能な疾患を想定)であるかどうか、またはその種別や進行区分等のクラス判定を行うように第2の画像評価システム70を制御する。 After the brain image 53 is subjected to anatomical standardization processing in the mapping system 55, the anatomically standardized image 50 is input to the deep learning model 74 of the second image evaluation system 70, and the second image evaluation system 70 is controlled to determine whether the image is a brain-related disease (assuming a disease that can be diagnosed from brain images), or to classify the type, progression, etc.
解剖学的標準化処理画像50の各ボクセルデータに、さらに入力として年齢もしくは性別(もしくは各種のバイオマーカー値)の共変量の補正を施した上で、深層学習モデル74の入力として選択する。 Each voxel data of the anatomically standardized processed image 50 is further corrected for covariates such as age or gender (or various biomarker values) as input, and then selected as input for the deep learning model 74.
深層学習モデル74のクラスを予測する際にモデルが最終的にソフトマックス関数により評価した各クラスで0~1の値を表示する選択を持たせる。クラスとしては、疾患に関する分類、例えば、脳疾患のうち認知症の分類であれば、NC(NormalControl)、AD、DLBといったクラスを想定できる。 When predicting the class of the deep learning model 74, the model is given the option to display a value between 0 and 1 for each class ultimately evaluated by the softmax function. Classes can be classified according to disease; for example, in the case of dementia, a type of brain disease, classes such as NC (Normal Control), AD, and DLB can be envisioned.
入力支援ユニット37においては、鑑別対象の第1の疾患に、アルツハイマー型認知症(AD)およびレビー小体型認知症(DLB)を含み認知症を含む場合で第1のタイプの医用画像53がMR画像であれば、対象領域として、脳の海馬、海馬傍回、脳幹背側、中側頭極及び大脳基底核の部分(被殻、尾状核、嗅内皮質、海馬傍回、扁桃体など)の少なくとも1つを含むように入力制御情報67および77を設定してもよい。第1のタイプの医用画像53がSPECT画像であれば、対象領域は、脳の楔前部、後頭葉、及び背外側前頭前野の少なくとも1つを含むように入力制御情報67および77を設定してもよい。In the input support unit 37, if the first disease to be differentiated includes Alzheimer's disease (AD) and dementia with Lewy bodies (DLB), and if the first type of medical image 53 is an MR image, the input control information 67 and 77 may be set to include at least one of the hippocampus, parahippocampal gyrus, dorsal brainstem, middle temporal pole, and basal ganglia (putamen, caudate nucleus, entorhinal cortex, parahippocampal gyrus, amygdala, etc.) as the target region. If the first type of medical image 53 is a SPECT image, the input control information 67 and 77 may be set to include at least one of the precuneus, occipital lobe, and dorsolateral prefrontal cortex of the brain as the target region.
支援ユニット30は、第1の画像評価システム60から取得した医用画像の評価に関する第1の結果66と、第2の画像評価システム70から取得した被験者の医用画像の評価に関する第2の結果76とを、共通の画像評価環境15を介して出力する機能(個別・比較評価ユニット)31を含んでもよい。共通画像環境15を用いて、医用画像を統計処理した評価(第1の結果)66と、医用画像から深層学習モデル74が予測した評価(第2の結果)76とを単独に、または比較可能な状態で、例えば、並列に、または切り替えて標準化画像50を介して出力してもよい。The support unit 30 may include a function (individual/comparative evaluation unit) 31 that outputs a first result 66 regarding the evaluation of a medical image obtained from a first image evaluation system 60 and a second result 76 regarding the evaluation of a medical image of a subject obtained from a second image evaluation system 70 via a common image evaluation environment 15. Using the common image environment 15, the evaluation (first result) 66 obtained by statistically processing the medical image and the evaluation (second result) 76 predicted from the medical image by a deep learning model 74 may be output individually or in a comparable state, for example, in parallel or in a switched manner, via a standardized image 50.
支援ユニット30は、第2の画像評価システム70の罹患状態の判断に基づき、第1の画像評価システム60から取得した医用画像の評価に関する第1の結果66を再評価した結果を、共通の画像評価環境15を介して出力する機能(再統計的処理要求ユニット)32を含んでいてもよい。先行する統計的処理の結果では疾患に関する関心領域ROIが見られない場合であっても、深層学習モデル74の罹患状態の判断に基づき、疾患があると判断された被験者の画像についての統計的処理の微差を再評価することにより、疾患のROIとして再認識することができる。The support unit 30 may include a function (re-statistical processing request unit) 32 that outputs the results of re-evaluating the first results 66 regarding the evaluation of the medical image acquired from the first image evaluation system 60 based on the disease state determination by the second image evaluation system 70 via the common image evaluation environment 15. Even if the results of the preceding statistical processing do not reveal a region of interest (ROI) related to disease, it can be re-recognized as a disease ROI by re-evaluating the subtle differences in the statistical processing of the image of the subject determined to have the disease based on the disease state determination by the deep learning model 74.
支援ユニット30は、第1の画像評価システム60から取得した医用画像の評価に関する第1の結果66により重要視される第1の領域(ROI)と、第2の画像評価システム70の罹患状態の判断に重要視された第2の領域(ROI)とを、共通の画像評価環境15に重ねて出力する機能(重ね合わせ表示(オーバーレイ)ユニット)33を含んでいてもよい。ROIに関する情報は、それぞれのシステム60および70から評価結果に関する情報66および76の一部として取得してもよい。深層学習モデル74が疾患のクラスを予測する際に、モデル74が評価に重用した領域を、解剖学的標準化後の脳画像50上で表示できる。深層学習74が罹患状態の判断に着目したROIと、統計的処理におけるROIとを、標準化画像50の上に重ね合わせることにより、深層学習74の結果を扱う医療従事者に対し、その解釈と説明とを提供できる。The support unit 30 may include a function (overlay unit) 33 that outputs a first region of interest (ROI) that is considered important in the first result 66 regarding the evaluation of the medical image obtained from the first image evaluation system 60 and a second region of interest (ROI) that is considered important for the disease state determination by the second image evaluation system 70, overlaid on the common image evaluation environment 15. Information regarding the ROI may be acquired as part of the information 66 and 76 regarding the evaluation results from each system 60 and 70. When the deep learning model 74 predicts the disease class, the region that the model 74 considered important in the evaluation can be displayed on the anatomically standardized brain image 50. By overlaying the ROI that the deep learning model 74 focused on for the disease state determination and the ROI used in statistical processing on the standardized image 50, interpretations and explanations of the results of the deep learning model 74 can be provided to medical professionals handling the results.
支援ユニット30は、第1の画像評価システム60から取得した医用画像の評価に関する第1の結果66により重要視される第1の領域(ROI)を含む画像領域を、共通の画像評価環境15を介して第2の画像評価システム70の評価対象として選択する機能(モデル入力選択ユニット)34を含んでいてもよい。標準化画像50を用いて1つ以上の解剖学的部位を関心領域(ROI)としてさらに入力とし、解剖学的標準化処理画像50の解剖学的部位によるフィルタリングを行った画像を深層学習モデル74の入力とする選択を行ってもよい。解剖学的標準化処理を行った画像50を用いる場合、標準化された脳座標上には解剖学的部位が定義されており、同一名称のついた座標の集合である「関心領域」を第1の画像評価システム60および第2の画像評価システム70に対して選択できる。The support unit 30 may include a function (model input selection unit) 34 for selecting an image region including a first region of interest (ROI) that is considered important by a first result 66 regarding the evaluation of the medical image acquired from the first image evaluation system 60 as an evaluation target for the second image evaluation system 70 via the common image evaluation environment 15. One or more anatomical regions may be further input as regions of interest (ROI) using the standardized image 50, and an image of the anatomically standardized image 50 filtered by the anatomical region may be selected as input to the deep learning model 74. When the anatomically standardized image 50 is used, anatomical regions are defined on the standardized brain coordinate system, and a "region of interest," which is a set of coordinates with the same name, can be selected for the first image evaluation system 60 and the second image evaluation system 70.
支援ユニット30は、第2の画像評価システム70の罹患状態の判断に重要視された第2の領域(ROI)を含む画像領域を、共通の画像評価環境15を介して第1の画像評価システム60の評価対象として選択する機能(統計処理入力選択ユニット)35を含んでいてもよい。深層学習74が罹患状態の判断に着目したROIを選択して統計的処理を行うことにより、深層学習74の結果を扱う医療従事者に対し、その解釈と説明とを提供できる。The support unit 30 may include a function (statistical processing input selection unit) 35 that selects an image area including a second region (ROI) that is considered important for the second image evaluation system 70's assessment of the disease state as an evaluation target for the first image evaluation system 60 via the common image evaluation environment 15. By having the deep learning 74 select an ROI that focuses on assessing the disease state and perform statistical processing, interpretations and explanations of the results of the deep learning 74 can be provided to medical professionals handling the results.
支援ユニット30は、被験者の医用画像の共通の画像評価環境、本例では標準化画像50へのマッピングの信頼度に基づき、第1の画像評価システム60から取得した医用画像の評価に関する第1の結果66、または、第2の画像評価システム70から取得した被験者の医用画像の評価に関する第2の結果76の、共通の画像評価環境15を用いた標準化画像50への出力を制御する機能(マッピング評価ユニット)36を含んでいてもよい。解剖学的標準化処理画像50を入力とした深層学習モデル74が疾患のクラスを予測する際に、モデル74が評価に重用した領域ROIの各ボクセル値に信頼度による補正を行った結果を表示できる。標準脳画像50へマッピング精度に問題が存在すると、マッピング精度の低い領域をROIとした解析結果の信頼性に問題が存在する可能性がある。脳画像を解析(ROIを出す。鑑別を行う)以前にマッピング精度を定量化することにより、信頼度の低い画像領域は用いない評価を得るようにROIフィルターを掛けることができる。The support unit 30 may include a function (mapping evaluation unit) 36 that controls the output of a first result 66 regarding the evaluation of a medical image acquired from a first image evaluation system 60 or a second result 76 regarding the evaluation of a medical image of a subject acquired from a second image evaluation system 70 to a standardized image 50 using the common image evaluation environment 15, based on the reliability of mapping the medical image of the subject to a common image evaluation environment, in this example, a standardized image 50. When a deep learning model 74 using an anatomically standardized processed image 50 as input predicts a disease class, the model 74 can display the results of reliability correction of each voxel value of the region of interest (ROI) that the model 74 used in the evaluation. Problems with the accuracy of mapping to the standard brain image 50 may affect the reliability of analysis results using regions with low mapping accuracy as ROIs. By quantifying the mapping accuracy before analyzing the brain image (extracting ROIs and performing differentiation), an ROI filter can be applied to obtain an evaluation that does not use image regions with low reliability.
支援システム10は、さらに、支援ユニット30の共通画像環境15を用いたこれらの評価結果の出力に基づき、学習モデル(第1のモデル)74による第1の疾患、例えば、ADまたはDLBに対する評価を検証するユニット20を備えていてもよい。 The assistance system 10 may further include a unit 20 that verifies the assessment of a first disease, e.g., AD or DLB, by the learning model (first model) 74 based on the output of these assessment results using the common image environment 15 of the assistance unit 30.
図2に、画像評価支援システム10を用いた評価支援方法をフローチャートにより示している。評価支援システム10は、メモリおよびCPUを含むコンピュータ資源を備えた情報処理装置として提供することが可能であり、この支援方法は、システム10の制御方法として、または、コンピュータにおいて実行可能な命令を有するプログラムとして提供できる。プログラム(プログラム製品)は、コンピュータに読み取り可能な記録媒体に記録して提供してもよく、インターネットなどからダウンロード可能な状態で提供してもよい。 Figure 2 shows a flowchart of an evaluation support method using the image evaluation support system 10. The evaluation support system 10 can be provided as an information processing device equipped with computer resources including memory and a CPU, and this support method can be provided as a control method for the system 10 or as a program having instructions executable on a computer. The program (program product) may be provided by being recorded on a computer-readable recording medium, or may be provided in a downloadable form from the Internet, etc.
ステップ81において、マッピングシステム55により、被験者(ユーザー、受診者)の脳画像53の標準化画像(解剖学的標準化画像)50へのマッピングが行われる。解剖学的標準化処理の概要を図3に示している。また、図4に、標準化の過程を示している。In step 81, the mapping system 55 maps the brain image 53 of the subject (user, examinee) to a standardized image (anatomical standardized image) 50. An overview of the anatomical standardization process is shown in Figure 3. Figure 4 also shows the standardization process.
解剖学的標準化(解剖学的正規化)とは、個々人の機能画像を、標準的な鋳型に線形的あるいは非線形的に写像することを含む。解剖学的標準化処理を行うことは、医用画像、さらには脳画像の解析を行う上で被験者間の脳部位の位置を揃えて解析する上で標準的な方法となっている。元々はPET撮像の賦活図の作成から要求された技術だが、基本的な考え方は標準脳を設定し、入力画像を線形・非線形に標準脳へ合わせ込む技術である。 Anatomical standardization involves mapping an individual's functional images onto a standard template, either linearly or nonlinearly. Anatomical standardization has become a standard method for aligning the positions of brain regions between subjects when analyzing medical images, and even brain images. This technology was originally required for creating activation maps from PET imaging, but the basic idea is to set a standard brain and then linearly or nonlinearly align input images to this standard brain.
PET、fMRI、MRIについて、この処理の一形態をツールとして提供しているものにVBM(Voxel-based morphometry)があるが、その他にも3D-SSPのようなツールにも実装が有る。MRI画像解析時には非線形変換を行うことが現在では一般的だが、元はLDDMMという微分同相マッピングによる方法が考案され、この計算時間の大きさから改良方法として考案されたDARTEL法が良く用いられる。 Voxel-based morphometry (VBM) is a tool that provides one form of this processing for PET, fMRI, and MRI, but it is also implemented in other tools such as 3D-SSP. It is now common to perform nonlinear transformations when analyzing MRI images, but originally a method based on diffeomorphic mapping called LDDMM was devised, and the DARTEL method, which was devised as an improved method due to the long calculation time, is often used.
このような解剖学的標準化が行われた後の解析においては、同じ脳上の位置を示していると仮定する事ができるので、座標の持つ値(MRIの場合には体積値)の群間比較等が行える。またデータが持つ撮影条件の違い等を吸収して解析できるメリットもある。またデータが持つ情報の複雑度を、解析に必要な粒度まで整形できる事は、大量のデータを持って深層学習に全てのデータ加工プロセスを学習させる事が出来ない臨床研究のようなシーンで、妥当な前処理工程として敷設できるメリットがある。 In analyses after such anatomical standardization, it can be assumed that the data represent the same location on the brain, allowing for comparisons of coordinate values (volume values in the case of MRI) between groups. Another benefit is that the analysis can absorb differences in the imaging conditions of the data. Furthermore, the ability to refine the complexity of the information contained in the data to the granularity required for analysis offers the advantage of being a reasonable preprocessing step in situations such as clinical research, where large amounts of data are involved and deep learning cannot be trained to handle all data processing processes.
図3のステップ811において、全ての画像に対して水平軸の調整(ACPC変換)が施される(図4(a))。さらに、ステップ812において、各被験者の画像は灰白質(GM)、白質(WM)及び髄液部分(CSF)へのセグメンテーションが行われる(図4(b))。ステップ813において、灰白質画像に分割された画像について、標準脳のみから作成されたテンプレートを用いてDARTEL処理を行う(図4(c))。ステップ814において、さらにMNI空間への標準化を行う(図4(d))。一連のMNI空間座標への非線形のレジストレーション工程の後,灰白質画像についてモジュレーション処理による体積情報の整形と8-mm幅のガウスカーネルによる平滑化処理をさらに行ってもよい。なお、平滑化幅は8mmに限定されない。 In step 811 of Figure 3, horizontal axis adjustment (ACPC transformation) is performed on all images (Figure 4(a)). Furthermore, in step 812, each subject's image is segmented into gray matter (GM), white matter (WM), and cerebrospinal fluid (CSF) (Figure 4(b)). In step 813, DARTEL processing is performed on the images segmented into gray matter images using a template created from a standard brain only (Figure 4(c)). In step 814, standardization to MNI space is further performed (Figure 4(d)). After a series of nonlinear registration steps to MNI space coordinates, the gray matter images may be further subjected to modulation processing to shape the volume information and smoothing processing using an 8-mm wide Gaussian kernel. Note that the smoothing width is not limited to 8 mm.
深層学習により、鑑別評価を行う際に特定のモデルにおいては着目領域の入力画像上への表示が可能である。一方、解剖学的標準化を行っていれば、統計解析を行う場合も同じ座標空間なので、並べて描画することも容易となる利点がある。 Deep learning makes it possible to display the region of interest on the input image for specific models when performing differential evaluation. On the other hand, if anatomical standardization is performed, the same coordinate space is used for statistical analysis, which has the advantage of making it easy to draw the images side by side.
図5に、形態MRI画像の解剖学的標準化後の画像を深層学習の入力とした時の、SHAPと呼ばれる可視化技術を試した例を示している。例えば、前述のような深層学習の学習に重用した領域の可視化以外でも、従来の統計的なカットオフ値を定める方法と精度比較実験を行った際に、精度(もしくは感度や特異度)を向上させる際に事に至った検証サンプルの着目領域を改めて統計解析により抽出する方法も検討できる。 Figure 5 shows an example of a visualization technique called SHAP, where anatomically standardized morphological MRI images were used as input for deep learning. For example, in addition to visualizing the regions heavily used in deep learning as described above, we can also consider a method of using statistical analysis to extract regions of interest from validation samples that have been identified to improve accuracy (or sensitivity or specificity) when conducting accuracy comparison experiments with conventional methods for determining statistical cutoff values.
図2に戻って、ステップ82において、標準化画像へのマッピングの信頼性評価に関わる結果56を取得する。図6に、マッピングシステム55において、深層学習モデルを用いて解剖学的標準化を行うプロセスを示している。ステップ811~814に代わり、ステップ815において、深層学習モデルを用いて解剖学的標準化処理を行う。解剖学的標準化を行った後に深層学習を適用してもよいが、解剖学的標準化の工程に深層学習を適用してもよい。解剖学的標準化は非線形変換にLDDMMを用いてもよいが、処理時間が大きいという問題が発生し得る。この工程をニューラルネットワークで学習してDARTELよりも高速・高精度な手法を導入することが可能である。さらに、ステップ816において、高速化と同時にBayesianNeuralNetworkを用いてマッピングの信頼度を算出してもよい。この信頼性評価結果56は、第1の画像評価システム60および第2の画像評価システム70における着目領域(関心領域、ROI)の補正に使用してもよい。Returning to Figure 2, in step 82, a result 56 related to the reliability evaluation of mapping to the standardized image is obtained. Figure 6 shows the process of performing anatomical standardization using a deep learning model in the mapping system 55. Instead of steps 811 to 814, in step 815, the anatomical standardization process is performed using a deep learning model. Deep learning may be applied after anatomical standardization, or it may be applied to the anatomical standardization process. Anatomical standardization may use LDDMM for nonlinear transformation, but this may result in long processing times. This process can be trained using a neural network, introducing a method that is faster and more accurate than DARTEL. Furthermore, in step 816, the reliability of the mapping may be calculated using a Bayesian neural network while also increasing speed. This reliability evaluation result 56 may be used to correct the regions of interest (ROIs) in the first image evaluation system 60 and the second image evaluation system 70.
図2に戻って、ステップ83において、支援ユニット30は、共通画像環境15を用いて、第1の画像評価システム60および第2の画像評価システム70に対する入力制御支援を行ってもよい。解剖学的標準化処理済画像50に、さらに年齢や性別のような属性やバイオマーカーを入力として補正された解剖学的標準化処理済画像を後続する処理に用いても良い。図7に、属性およびバイオマーカーをさらに入力して用いる場合の処理の流れを示している。Returning to FIG. 2, in step 83, the support unit 30 may use the common image environment 15 to provide input control support for the first image evaluation system 60 and the second image evaluation system 70. Attributes and biomarkers such as age and gender may be further input into the anatomically standardized processed image 50, and the corrected anatomically standardized processed image may be used for subsequent processing. FIG. 7 shows the processing flow when attributes and biomarkers are further input and used.
ステップ83の入出力支援では、共通画像環境15を用いて、第2の画像評価システム70に対する入力制御支援を行ってもよい。第2の画像評価システム70においては、直接深層学習モデルの判定を行う場合と、解剖学的部位によるフィルタリングを行った上で深層学習モデルの判定を行う場合とを選択してもよい。図8に、部位抽出を行う場合の処理の流れを示している。 In the input/output support of step 83, the common image environment 15 may be used to provide input control support for the second image evaluation system 70. In the second image evaluation system 70, a choice may be made between directly assessing the deep learning model and performing filtering by anatomical region before assessing the deep learning model. Figure 8 shows the processing flow when extracting regions.
図2に戻って、ステップ84において、支援ユニット30は、統計的処理の評価結果を取得する必要があると、ステップ85において、第1の画像評価システム60に対しアクセス可能な第1のアクセスユニット(インターフェイス)11を介して、第1の画像評価システム60の画像の統計的処理に関する第1の評価結果66を取得する。 Returning to Figure 2, in step 84, when the support unit 30 needs to obtain the evaluation results of the statistical processing, in step 85 it obtains the first evaluation results 66 regarding the statistical processing of the image of the first image evaluation system 60 via the first access unit (interface) 11 that is accessible to the first image evaluation system 60.
解剖学的標準化を行った後には統計検定による群間比較が行われ、有意差のある座標位置を考察することが行われている。実際には臨床研究においては群間の年齢範囲や性別の偏り等も存在するため、共変量としてこれらを補正した座標位置の値を解析することが行われる。一般化線形モデル等が良く用いられる。深層学習の入力前、解剖学的標準化処理済データにこの処理を行うことが可能であり、属性値・バイオマーカーの入力形態をシステムが持つ動機となる。 After anatomical standardization, intergroup comparisons are performed using statistical tests to consider coordinate positions with significant differences. In reality, clinical research often involves biases in age ranges and gender between groups, so the coordinate position values are analyzed after correcting for these as covariates. Generalized linear models are often used. This processing can be performed on anatomically standardized data before inputting it into deep learning, which motivates the system to have an input format for attribute values and biomarkers.
医用画像の評価に統計的処理においては、被験者の脳画像と健常者の脳画像との統計的比較評価が行われる。脳画像を用いて脳の萎縮を評価する方法としては、被験者の頭部を撮像して取得された脳画像を3次元の画素であるボクセルを単位に画像処理して行なうVBM(Voxel Based Morphometry)が知られている。統計的処理の典型的なものはZスコアマップを生成することである。Statistical processing for evaluating medical images involves statistically comparing brain images of subjects with those of healthy individuals. One method for assessing brain atrophy using brain images is voxel-based morphometry (VBM), which processes brain images acquired by imaging the subject's head in units of voxels, which are three-dimensional pixels. A typical statistical processing technique is to generate a Z-score map.
MR画像を例とすると、脳形態標準化処理をした正常症例のMR画像から、それぞれのボクセルごとに平均値と標準偏差を計算して平均画像と標準偏差画像を作成したデータ(正常標準脳)の値と、被験者の画像データ(処理画像)の値とをZスコアを算出する以下の式に代入することによって作成する。
z=(M(x,y,z)-I(x,y,z))/SD(x,y,z)
M、SDは正常標準脳の平均画像と標準偏差画像を表し、Iは処理画像を表す。Zスコアマップを用いることによって、処理画像が正常標準脳と比較して、どの部位でどのような変化が起きているかを定量的に分析することができる。例えば、Zスコアマップが正の値になるボクセルは正常標準脳と比較して萎縮がある領域を示し、さらに値が大きいほど統計的に乖離が大きいと解釈することができる。例えばZスコア「2」であれば平均値から標準偏差の2倍を超えたものということになり約5%の危険率で統計学的有意差があると評価される。領域内の萎縮の評価を定量的に行うためには、関心領域において、それぞれM、SDとIとを算出し、全ての正のZスコアの平均等を求めればよい。
Taking MR images as an example, the average and standard deviation images are created by calculating the average and standard deviation for each voxel from the MR images of a normal case that has undergone brain morphology standardization processing, and then substituting the values of the data (normal standard brain) and the values of the subject's image data (processed image) into the following formula, which calculates the Z score.
z=(M(x,y,z)-I(x,y,z))/SD(x,y,z)
M and SD represent the mean and standard deviation images of a normal control brain, and I represents the processed image. Using the Z-score map, it is possible to quantitatively analyze which regions of a processed image are undergoing changes compared to a normal control brain. For example, voxels with positive Z-score values indicate areas of atrophy compared to a normal control brain, and the larger the value, the greater the statistical deviation. For example, a Z-score of "2" indicates a region exceeding two standard deviations from the mean, which is evaluated as having a statistically significant difference with a risk of approximately 5%. To quantitatively evaluate atrophy within a region, M, SD, and I are calculated for the region of interest, respectively, and the average of all positive Z-scores can be calculated.
統計的処理としては、例えば、脳の各部位の体積あるいは面積を比較したり、一般線形モデル(General Linear Model: GLM)を用いたT検定を用いる手法など、多様な方法が提案されている。通称ピッツバーグ化合物BをPET用放射性薬剤(トレーサー)として用いて、撮像されたPET画像を基に脳内のアミロイドβ蛋白の蓄積度合いを測定することにより、アルツハイマー型認知症の鑑別診断又は早期診断に役立たせることができる。このPET画像は、脳の一部の大脳灰白質におけるアミロイドβ蛋白の集積度(SUV、Standardized Uptake Value)の合算と、小脳におけるアミロイドβ蛋白の集積度(SUV)との比を示すSUVR値(SUVR、Standardized Uptake Value Ratio、小脳比SUVR)を統計処理として採用できる。SUVRは以下の式で定義できる。Various statistical methods have been proposed, including comparing the volume or area of various brain regions and using a t-test with a general linear model (GLM). Using the so-called Pittsburgh compound B as a PET radiopharmaceutical (tracer), measuring the level of amyloid beta protein accumulation in the brain based on PET images can be useful for the differential diagnosis or early diagnosis of Alzheimer's disease. These PET images can be used for statistical processing to obtain the SUVR value (Standardized Uptake Value Ratio, or cerebellar ratio SUVR), which indicates the ratio of the sum of the amyloid beta protein accumulation levels (SUV) in the cerebral gray matter of a portion of the brain to the amyloid beta protein accumulation level (SUV) in the cerebellum. SUVR can be defined by the following formula:
この式の分子は、大脳灰白質4部位、すなわち、大脳の皮質領域(前頭前野、前後帯状皮質、頭頂葉、および外側側頭葉)のSUVの合算を示し、分母は、小脳のSUVを示す。 The numerator of this equation represents the sum of the SUVs of four cerebral gray matter regions, namely the cortical regions of the cerebral cortex (prefrontal cortex, anterior and posterior cingulate cortex, parietal lobe, and lateral temporal lobe), and the denominator represents the SUV of the cerebellum.
SPECT画像を用いたDatSCANの統計的処理には、評価(指標値)としてはBR(Binding Ratio)を採用でき、以下の式で表される。 For statistical processing of DatSCAN using SPECT images, BR (Binding Ratio) can be used as an evaluation (index value), and is expressed by the following formula.
式のCはそれぞれの着目領域内のDATの平均値であり、Cspecificは、脳内の被殻と尾状核との平均値を示し、Cnonspecificは、脳内の後頭皮質の平均値を示す。 In the formula, C is the average value of DAT within each region of interest, Cspecific represents the average value for the putamen and caudate nucleus in the brain, and Cnonspecific represents the average value for the occipital cortex in the brain.
解剖学的標準化された脳画像上における統計検定による有意差のある着目領域(ROI)の可視化も、個々の画像評価システムでは行われており、SPM(Statistical Parametric Mapping)等のツールが知られている。 Visualization of regions of interest (ROIs) that show significant differences using statistical tests on anatomically standardized brain images is also performed in individual image evaluation systems, and tools such as SPM (Statistical Parametric Mapping) are known.
一例として、208名(DLB群101名,AD群69名, 健常者群38名)の被験者が参加した研究について説明する。疾患群はそれぞれ日本認知症学会の2名の認定専門医が、DSM-5診断基準により主たる神経疾患としてDLBもしくはADと判断したものである。被験者は血管性障害を適用除外するため、進行性と急性期の白質病変を含む被験者を除く条件でリクルーティングを行った。健常群の認知症と診断されず、中枢神経系の疾患の疑いがあるものを除いた被験者群である。本研究は倫理委員会の承認を得て、研究参加施設におけるガイドラインに則って行われたものである。 As an example, we will describe a study in which 208 subjects participated (101 in the DLB group, 69 in the AD group, and 38 in the healthy control group). Each disease group was diagnosed by two certified specialists from the Japanese Society of Dementia Research as having DLB or AD as the primary neurological disorder according to the DSM-5 diagnostic criteria. To exclude vascular disorders, subjects were recruited under the condition of excluding subjects with progressive and acute white matter lesions. This group excluded subjects from the healthy control group who were not diagnosed with dementia and were suspected of having a central nervous system disorder. This study was approved by the ethics committee and conducted in accordance with the guidelines of the participating institutions.
図9に、被験者の属性を示す。DLB群は50名の女性と51名の男性から成り、その年齢の平均と標準偏差は73.25±8.05歳である。AD群は36名の女性と33名の男性から構成される(同様に年齢は71.58±6.33歳)。NC群は28名の女性と10名の男性から構成される(同様に年齢は71.03±6.28歳)。年齢と性別のどの被験者群間でも有意な差は存在しなかった。全ての被験者はMMSEテストを受けており,そのスコアはDLB群、AD群及びNC群でそれぞれ22.21±4.86、21.32±3.95及び28.21±1.26であり、DLB群とAD群の間に有意な差は存在しなかった。Figure 9 shows the demographics of the subjects. The DLB group consisted of 50 women and 51 men, with a mean and standard deviation of age of 73.25 ± 8.05 years. The AD group consisted of 36 women and 33 men (also age 71.58 ± 6.33 years). The NC group consisted of 28 women and 10 men (also age 71.03 ± 6.28 years). There were no significant differences in age or gender between any of the subject groups. All subjects took the MMSE test, and the scores for the DLB, AD, and NC groups were 22.21 ± 4.86, 21.32 ± 3.95, and 28.21 ± 1.26, respectively, indicating no significant difference between the DLB and AD groups.
被験者のMRIデータは計11の異なるスキャナで撮像されたものである。サジタル方向のGapless撮像による3次元T1強調画像であり、各MRIスキャナのPulseSequenceは図10に示す通りである。各MRI画像は、上述した処理により解剖学的標準化画像50に変換された。The MRI data of the subjects was acquired using a total of 11 different scanners. The images were 3D T1-weighted images acquired using sagittal gapless imaging, and the pulse sequence of each MRI scanner is shown in Figure 10. Each MRI image was converted into an anatomical standardized image 50 using the processing described above.
SPMを用いた統計解析結果でNC、DLB及びADの3群に対して、ICV(頭蓋内容積)正規化を行ったANOVA解析を行い、灰白質体積に群間の有意差があると評価されたMNI(Montreal. Neurological Institute)座標の結果を図11に示す。MNI座標位置の領域名称はWFUPickatlas(Department of Radiology of Wake Forest University School of Medicine, Winston-Salem, North Carolina; fmri.wfubmc.edu)によるものである。Statistical analysis using SPM was performed on the three groups (NC, DLB, and AD) using ANOVA analysis normalized for ICV (intracranial volume). Figure 11 shows the MNI (Montreal Neurological Institute) coordinates where significant differences in gray matter volume were determined to exist between groups. The area names for the MNI coordinate locations are based on WFU Pickatlas (Department of Radiology of Wake Forest University School of Medicine, Winston-Salem, North Carolina; fmri.wfubmc.edu).
図12に、ICV正規化を行った3群のROIを示している。図12はICV正規化を行った結果を示す。3群に対して灰白質体積に有意差のある部位は、比較的広範に有意差が確認され、最も有意差のある部位として海馬傍回から、脳幹部に広がる領域となった。Figure 12 shows the ROIs for the three groups after ICV normalization. Figure 12 shows the results of ICV normalization. Significant differences in gray matter volume were observed over a relatively wide area among the three groups, with the most significant difference occurring in the region extending from the parahippocampal gyrus to the brainstem.
図13に、ICV正規化を行った各群のROI内の影響を90%CIで評価した結果を示す。DLB群とAD群の大きな差は認められなかった。Figure 13 shows the results of evaluating the effect within the ROI of each group after ICV normalization using 90% CI. No significant differences were observed between the DLB and AD groups.
図2に戻って、ステップ86において、支援ユニット30は、医用画像に基づき第1の疾患、例えば、ADまたはDLBを評価するように機械学習した第1のモデル(深層学習モデル)74を用いて被験者の罹患状態を判断する第2の画像評価システム70から、医用画像の評価に関する第2の結果76を取得する必要があると、ステップ87において、第2の画像評価システム70に対しアクセス可能な第2のアクセスユニット(インターフェイス)13を介して、第2の画像評価システム70の第2の評価結果76を取得する。 Returning to Figure 2, in step 86, when the support unit 30 needs to obtain a second result 76 regarding the evaluation of the medical image from a second image evaluation system 70 that determines the subject's disease state using a first model (deep learning model) 74 that has been machine-learned to evaluate a first disease, e.g., AD or DLB, based on the medical image, the support unit 30 obtains the second evaluation result 76 of the second image evaluation system 70 via a second access unit (interface) 13 that is accessible to the second image evaluation system 70 in step 87.
医用画像の情報に基づいて機械学習を行ったモデル(学習モデル)を用いて、被験者の医用画像から疾患の鑑別を行うことが行われている。Iizuka, Tomomichiらの"Deep-learning-based imaging-classification identified cingulate island sign in dementia with Lewy bodies."(Scientific reports 9.1 (2019): 1-9.)には、灌流SPECT画像に畳み込みニューラルネットワークを用いた実験でさらに精度の高い89.32%を達成するとともに、深層学習がその鑑別に際しては、従来読影に用いられてきた後頭葉の血流所見に着目していることが報告されている。Litjens, Geertらの"A survey on deep learning in medical image analysis."(Medical image analysis 42 (2017): 60-88.)、Wen, Junhaoらの“Convolutional Neural Networks for Classification of Alzheimer's Disease: Overview and Reproducible Evaluation.”(CoRR abs/1904.07773 (2019))には、ADの鑑別において近年の深層学習技術の適用で高い精度を示したことが報告されている。 Diseases are being differentiated from medical images of subjects using machine learning models (learning models) based on information from medical images. Iizuka, Tomomichi et al., "Deep-learning-based imaging-classification identified cingulate island sign in dementia with Lewy bodies" (Scientific Reports 9.1 (2019): 1-9.), report that an even higher accuracy of 89.32% was achieved in an experiment using a convolutional neural network on perfusion SPECT images, and that deep learning focuses on blood flow findings in the occipital lobe, which have traditionally been used in image interpretation, for the purpose of differentiation. Litjens, Geert et al., "A survey on deep learning in medical image analysis" (Medical image analysis 42 (2017): 60-88.) and Wen, Junhao et al., "Convolutional Neural Networks for Classification of Alzheimer's Disease: Overview and Reproducible Evaluation" (CoRR abs/1904.07773 (2019)) report that the application of recent deep learning technology has demonstrated high accuracy in the diagnosis of AD.
しかしながら、深層学習によってDLBとADとの鑑別ができるか否かに焦点を当てた研究は行われてきておらず、形態MRI画像を用いたDLBとADの鑑別に深層学習を適用した研究はまだ知られていない。そこで、上記の研究の一環として、形態MRI画像に深層学習を用いた鑑別アプローチについて検証を行った。However, no research has focused on whether deep learning can differentiate between DLB and AD, and there are no known studies that have applied deep learning to the differentiation of DLB and AD using morphological MRI images. Therefore, as part of the above research, we investigated a differentiation approach using deep learning on morphological MRI images.
図14に、採用されたモデルの概要を示している。本研究では、ResNetタイプのニューラルネットワークモデルを3次元データに対応させたものを採用した。ResNetは畳み込みニューラルネットワークモデルの一種であり、一般的な畳み込みニューラルネットワークと比べて信号源の特徴の消失を防ぐモデル構造を持つという特徴がある。さらに、ResNetは“skip connection”と呼ばれる仕組みを畳み込み層に加えることによって,次の層への出力を畳み込みの出力と当該層の入力とを合わせて伝達する仕組みを採用できる。これにより、モデルの層が深くなった場合においても学習データの情報損失を防ぐことが可能となり、多くの画像分類タスクにおいて高い精度が得られる。本研究ではpytorchフレームワークを用いた実装を採用し、ネットワークの深さは18、34、50、101層を事前に試して34層を採用した。学習処理はNVIDIA、TeslaK80GPUx1基を用いて実施し、最適化処理は慣性項を付与したSGD(確率的再急降下法)を用いた。Figure 14 shows an overview of the model used. In this study, we adopted a ResNet-type neural network model adapted for 3D data. ResNet is a type of convolutional neural network model, characterized by a model structure that prevents the loss of signal source features compared to conventional convolutional neural networks. Furthermore, by adding a mechanism called "skip connection" to the convolutional layer, ResNet can adopt a mechanism that transmits the output of the convolution to the next layer by combining the convolution output and the input of the current layer. This prevents information loss in the training data even when the model layers are deep, achieving high accuracy in many image classification tasks. In this study, we adopted an implementation using the Python framework. We previously tested network depths of 18, 34, 50, and 101 layers, and finally adopted 34 layers. The training process was performed using one NVIDIA Tesla K80 GPU, and the optimization process used stochastic gradient descent (SGD) with an inertia term.
図15に、さらに各5-foldの検証精度最大のモデルについて、出力層のソフトマックスの疾患判定の閾値を動かしながら、感度・特異度の変化を確認しROCプロットにしたものを示している。YoudenIndexでバランスした場合の感度・特異度はそれぞれ81.54±10.43%、76.77%でその時の精度は79.15±5.22%であった(感度及び精度は、特異度を固定した場合の5-foldmean±SDである)。限定的ではあるものの、本実験から従来のSPM統計検定では有意差を確認できなかったDLB群とAD群に対して、同じ灰白質体積データを用いた深層学習モデルでは鑑別能を持つことが確認できた。 Figure 15 shows an ROC plot of the changes in sensitivity and specificity for the model with the highest validation accuracy for each 5-fold, while varying the softmax disease detection threshold in the output layer. When balanced using YoudenIndex, the sensitivity and specificity were 81.54 ± 10.43% and 76.77%, respectively, and the accuracy was 79.15 ± 5.22% (sensitivity and accuracy are 5-fold mean ± SD when specificity is fixed). Although limited, this experiment confirmed that a deep learning model using the same gray matter volume data was capable of distinguishing between the DLB and AD groups, where no significant difference could be confirmed using conventional SPM statistical testing.
事前検証実験の結果から、健常群、DLB群及びAD群の3群で灰白質に対して有意差のある領域は右中側頭極及び左海馬傍回であった。ICVを用いた解析において脳幹領域が検出されたことは前例があり、また、他の研究において脳幹背側に白質ではあるがDLB群とAD群の有意差を確認した解析があるが、我々の事前検証においては、DLB群とAD群の海馬から脳幹を含む灰白質の萎縮度の差は、頭蓋内容積に比して小さいものであった。 The results of the preliminary validation experiment showed that the areas with significant differences in gray matter between the three groups (healthy control, DLB, and AD) were the right middle temporal pole and left parahippocampal gyrus. There are precedents for detecting brainstem regions in analysis using ICV, and other studies have confirmed significant differences between DLB and AD groups, albeit in white matter dorsal to the brainstem. However, in our preliminary validation, the difference in the degree of atrophy of the gray matter, from the hippocampus to the brainstem, between the DLB and AD groups was small compared to the intracranial volume.
ICVを用いた解析では、海馬傍回の有意差がより際立つ結果であった。海馬の萎縮は通常ADの進行サインとして見られるものであるが、本研究ではDLB群とAD群の両疾患群に対して萎縮が見られ、AD群はDLB群よりもさらに萎縮が進行している事を示唆した。他の報告においては、まず海馬傍回の萎縮を評価して、健常群と認知症疾患群を鑑別し、さらに脳幹背側の萎縮を評価してDLB群とAD群とを鑑別するカスケードな鑑別手法を取っている。我々の事前検証実験の結果からは、寧ろ海馬傍回により、DLB群とAD群との鑑別を計った方が有効である可能性を示した。そこでDLB群とAD群の独立した2群のt検定をさらに試みたが、有意差領域は海馬領域にも脳幹背側部位にも検出はできなかった。これらの事から、健常群と疾患群の鑑別に比して、従来の統計的有意差を根拠とする方法では捉えれないほど、DLB群とAD群間の灰白質の萎縮パターンは微細なものであると考えられる。Analysis using ICV revealed a significant difference in the parahippocampal gyrus. Hippocampal atrophy is typically seen as a sign of AD progression, but this study demonstrated atrophy in both the DLB and AD groups, suggesting that atrophy was more advanced in the AD group than in the DLB group. Other reports have used a cascade approach, first evaluating atrophy in the parahippocampal gyrus to differentiate between healthy and dementia groups, and then evaluating atrophy in the dorsal brainstem to differentiate between DLB and AD. Our preliminary validation results suggest that it may be more effective to differentiate between DLB and AD groups using the parahippocampal gyrus. Therefore, we performed a t-test on two independent groups, the DLB group and the AD group, but no significant differences were detected in either the hippocampus or the dorsal brainstem. Based on these findings, it is thought that the pattern of gray matter atrophy between the DLB and AD groups is so subtle that it cannot be detected using conventional methods based on statistically significant differences, compared to differentiating between healthy and diseased groups.
これに対し、深層学習をVBMベースのデータに適用した我々の実験結果は、一定精度でDLB群とAD群とを鑑別する性能を示した。例えば、本実施形態の深層学習モデルを用いた場合には、VBMベースの手法に比べて、感度の点で35.79%の向上、精度の点で15.70%の向上を達成することができた。このことは、DLB群とAD群とを鑑別する手法として、本実施形態のような深層学習モデルを用いることができることを示している。また、我々が採用したVBM前処理工程においては、深層学習モデルは通常レベルの有意差条件での統計的解析よりも鋭敏に微小な体積差を評価する事ができたと言える。ただし臨床応用を考えた場合には、この非常に僅かな差を診断に応用する事はリスクも孕んでおり,形態MRI以外の検査データを含めた総合的な判断が求められると共に、今後も検証施設を増やして当該手法の汎化性能をさらに評価していく必要がある。In contrast, our experimental results, applying deep learning to VBM-based data, demonstrated the ability to differentiate DLB and AD groups with a certain degree of accuracy. For example, when using the deep learning model of this embodiment, we achieved a 35.79% improvement in sensitivity and a 15.70% improvement in accuracy compared to the VBM-based method. This demonstrates that deep learning models such as this embodiment can be used to differentiate DLB and AD groups. Furthermore, in the VBM preprocessing step we adopted, the deep learning model was able to evaluate minute volumetric differences more sensitively than statistical analysis under standard significance conditions. However, considering clinical applications, applying such very small differences to diagnosis carries risks. Therefore, comprehensive judgments, including test data other than morphological MRI, are required. Furthermore, it is necessary to further evaluate the generalization performance of this method by increasing the number of validation facilities.
このように、例えば、DLB群とAD群の萎縮パターンは微細なものであることがあるが、一方で、深層学習モデルは一定の鑑別性能を示す。これらの結果は深層学習が鑑別に有効な微細な特徴を扱えている可能性を示唆するものであるが、深層学習の鑑別に評価した特徴の可視化等により、鑑別に有効な着目領域を解析し、評価することが重要である。支援ユニット30は、そのような場合の画像評価の支援環境を提供する。 For example, while the atrophy patterns of the DLB and AD groups can be subtle, the deep learning model demonstrates a certain level of discrimination performance. These results suggest that deep learning may be able to handle subtle features that are effective for discrimination, but it is important to analyze and evaluate areas of interest that are effective for discrimination, for example by visualizing the features evaluated for deep learning discrimination. The support unit 30 provides a support environment for image evaluation in such cases.
図2に戻って、ステップ88aにおいて、それぞれのシステム60および70の評価結果の表示が要求されると、ステップ88bにおいて、支援ユニット30の表示・比較ユニット31は、第1の画像評価システム60から取得した医用画像の評価に関する第1の結果66と、第2の画像評価システム70から取得した被験者の医用画像の評価に関する第2の結果76とを、共通の画像評価環境15を介してユーザーに提供する。 Returning to FIG. 2, when, in step 88a, a request is made to display the evaluation results of each system 60 and 70, in step 88b, the display and comparison unit 31 of the support unit 30 provides the user with a first result 66 regarding the evaluation of the medical image obtained from the first image evaluation system 60 and a second result 76 regarding the evaluation of the subject's medical image obtained from the second image evaluation system 70 via the common image evaluation environment 15.
ステップ89aにおいて、学習モデル74の鑑別結果に基づいて統計的処理の見直しが要求されると、ステップ89bにおいて、支援ユニット30の再統計的処理要求ユニット32は、第2の画像評価システム70の罹患状態の判断に基づき、第1の画像評価システム60から取得した医用画像の評価に関する第1の結果66を再評価するように入力制御情報67を介して第1の画像評価システム60に要求し、その結果66を、共通の画像評価環境15を介して出力する。 In step 89a, when a review of the statistical processing is requested based on the discrimination result of the learning model 74, in step 89b, the re-statistical processing request unit 32 of the support unit 30 requests the first image evaluation system 60 via the input control information 67 to re-evaluate the first result 66 regarding the evaluation of the medical image obtained from the first image evaluation system 60 based on the judgment of the disease state of the second image evaluation system 70, and outputs the result 66 via the common image evaluation environment 15.
例えば、先の実験において,既存手法が誤った判定結果で、深層学習モデル74が正しく判定しているケースがあり、DLB症例は5例存在した。これらに対して、年齢・性別を共変量として一般線形モデルによる補正を含み、対照群には所定数又は所要数の健常群とした検定を行った。FWE多重比較補正を用いたp<0.05条件での有意差は確認できなかったが、さらに行った多重比較補正のないp<0.001条件での検定を行った結果では幾つかの有意差を示した。For example, in the previous experiment, there were five cases of DLB where the existing method gave an incorrect diagnosis but the deep learning model 74 gave a correct diagnosis. For these cases, a test was conducted using age and gender as covariates, including correction using a general linear model, and a predetermined or required number of healthy subjects as the control group. No significant differences were confirmed at p<0.05 using the FWE multiple comparison correction, but further testing without multiple comparison correction at p<0.001 revealed some significant differences.
図16に、5名のDLB検証被験者のSPM統計検定結果とp値最小の部位、及び当該被験者の深層学習モデル74における判断根拠となるソフトマックス出力値(0-1)を示している。最もp値の高かった灰白質部位は各被験者においてそれぞれ被殻/尾状核/嗅内皮質/海馬傍回/扁桃体であった。被殻・尾状核のような線条体はドパミン神経細胞の変性がレビー小体型認知症及びパーキンソン病において認められる部位である。被験者(c)、(d)においては海馬周辺の萎縮が確認された。海馬周辺の萎縮は多くの場合AD症例で見られる所見であるが、これらのケースにおいて提案手法のソフトマックス関数出力値での評価は,微差ではあるがDLB判定根拠が相対的に低いという結果であった。被験者(e)においては扁桃体の萎縮がみられた。扁桃体は皮質型レビー小体においてαシヌクレインの集積を報告される部位でもある。既存手法が脳幹背側部位に限定したROIを定め評価を与えたのに対し、学習モデル74を用いた手法では広範な領域に病理機序の影響があるレビー小体型認知症において、必要な特徴を既存手法以上に捉えることができ、精度向上に寄与した可能性があることがわかる。Figure 16 shows the SPM statistical test results for five DLB verification subjects, the areas with the smallest p-values, and the softmax output values (0-1) that served as the basis for the deep learning model 74's judgment for that subject. The gray matter areas with the highest p-values for each subject were the putamen, caudate nucleus, entorhinal cortex, parahippocampal gyrus, and amygdala, respectively. The striatum, such as the putamen and caudate nucleus, is a region where dopaminergic neuronal degeneration is observed in dementia with Lewy bodies and Parkinson's disease. Atrophy around the hippocampus was observed in subjects (c) and (d). Atrophy around the hippocampus is often observed in AD cases, but in these cases, the evaluation using the softmax function output values of the proposed method provided relatively low evidence for DLB diagnosis, although the difference was slight. Atrophy of the amygdala was observed in subject (e). The amygdala is also a region where α-synuclein accumulation has been reported in cortical Lewy bodies. While existing methods define an ROI limited to the dorsal brainstem region and perform an evaluation, the method using learning model 74 is able to capture the necessary features better than existing methods in Lewy body dementia, where pathological mechanisms affect a wide range of areas, and this may have contributed to improved accuracy.
AD/DLBを形態MRI画像で鑑別する例においては、AD/DLB群間は非常に微細な変化量を捉える必要があり、統計的な処理においては有意差のあるROIは抽出できなかった。これに対し、深層学習モデル74の鑑別精度は一定程度得られ、この時の着目領域内の体積値は有意差を持たなかっただけで、群間の鑑別に有効な指標ではあったと考えることができる。特にVBMを行えば体積情報しか残らないので、離れた部位との相互関係まで深層学習モデル74が見ていなければ、従来統計解析ツールでは結果として出さずに捨てているこの微細な変化量を指標として出すUIとして、臨床意義を提供できる。In the case of differentiating AD/DLB using morphological MRI images, it was necessary to capture very subtle changes between the AD/DLB groups, and statistical processing was unable to extract ROIs with significant differences. In contrast, deep learning model 74 achieved a certain level of discrimination accuracy, and although the volume values within the region of interest at this time were not significantly different, they can be considered an effective indicator for differentiating between groups. In particular, since VBM only leaves volume information, if deep learning model 74 does not consider the interrelationships with distant areas, this UI can provide clinical significance by displaying as an indicator these subtle changes that are discarded and not presented as results in conventional statistical analysis tools.
図2に戻って、ステップ90aにおいて、統計的処理のROIと、深層学習モデル74のROIとをオーバーレイ表示する要求があると、ステップ90bにおいて、支援ユニット30のオーバーレイ表示ユニット33は、第1の画像評価システム60から取得した医用画像の評価に関する第1の結果66により重要視される第1の領域(ROI)と、第2の画像評価システム70の罹患状態の判断に重要視された第2の領域(ROI)とを、共通の画像評価環境15を介して出力する。 Returning to Figure 2, in step 90a, when there is a request to overlay the ROI of the statistical processing and the ROI of the deep learning model 74, in step 90b, the overlay display unit 33 of the support unit 30 outputs, via the common image evaluation environment 15, a first region (ROI) that is considered important by the first result 66 regarding the evaluation of the medical image obtained from the first image evaluation system 60, and a second region (ROI) that is considered important for determining the disease state by the second image evaluation system 70.
図17に、深層学習モデル74にGradCAMを用いて、深層学習モデル74の鑑別に際して重用した着目領域(ROI)を出力し、解剖学的標準化画像101に表示した例を示している。この画面100においては、解剖学的標準化脳の矢状断102、冠状断103、および水平断104を用いてGradCAMの出力を表示している。画面100には、GM(灰白質)、WM(白質)、TBV、ICVの各体積105を、健常者の平均値(カッコ内の表示)とともに示している。また、被験者の臨床情報108、DLB確信度106も併せて表示している。Figure 17 shows an example of using GradCAM with a deep learning model 74 to output a region of interest (ROI) used in the deep learning model 74's discrimination, and displaying it on an anatomical standardized image 101. This screen 100 displays the GradCAM output using a sagittal section 102, coronal section 103, and horizontal section 104 of the anatomically standardized brain. Screen 100 also shows the volumes 105 of GM (gray matter), WM (white matter), TBV, and ICV, along with the average values for healthy subjects (shown in parentheses). Clinical information 108 and DLB confidence level 106 of the subject are also displayed.
なお、本例では「部位選択」のチェック項目は「灰白質」のみとしているが、灰白質に限らず複数部位を選択できる。また、灰白質内の詳細な部位を選択できるようにしてもよい。 In this example, the only check item for "Select Area" is "Gray Matter," but multiple areas can be selected, not just gray matter. It may also be possible to select more specific areas within the gray matter.
図18に、同じ被験者の脳画像53に統計的処理を行った結果の一例を示している。この表示110では、Zスコアの着目領域(ROI)を、解剖学的標準化画像111の矢状断112、冠状断113、および水平断114を用いて示している。Figure 18 shows an example of the results of statistical processing of the brain image 53 of the same subject. In this display 110, the region of interest (ROI) of the Z-score is shown using the sagittal section 112, coronal section 113, and horizontal section 114 of the anatomical standardized image 111.
図19に、第1の画像評価システムから取得した第1の被験者の医用画像の評価に関する統計的評価の着目領域を含む第1の評価結果と、第2の画像評価システムが第1の被験者の医用画像から罹患状態の判断に至る際に捕捉された重要視された領域を含む第2の評価結果とを、共通の画像評価環境に重ねて出力する様子を示している。例えば、GradCAMにより得られた深層学習モデル74のROIと、ZスコアのROIとを重ねて示している。このオーバーレイ表示120では、解剖学的標準化画像121の矢状断122、冠状断123、および水平断124に、両者のROIの領域をオーバーレイ表示している。このように、深層学習モデル74による鑑別の入力を解剖学的標準脳にマッピングした脳画像とすれば、従来の統計学的に算出されたROIと同一の画像上で対比して視認することが可能となる。Figure 19 shows how a first evaluation result, including a region of interest in the statistical evaluation of the medical image of a first subject obtained from a first image evaluation system, and a second evaluation result, including a region of importance captured by a second image evaluation system when determining the disease state of the first subject's medical image, are overlaid and output in a common image evaluation environment. For example, the ROI of the deep learning model 74 obtained by GradCAM and the ROI of the Z-score are overlaid. In this overlay display 120, the ROIs of both models are overlaid on the sagittal section 122, coronal section 123, and horizontal section 124 of the anatomical standardized image 121. In this way, if the input for differentiation by the deep learning model 74 is a brain image mapped to an anatomical standard brain, it becomes possible to visually compare and contrast the ROIs with conventional statistically calculated ROIs on the same image.
図2に戻って、ステップ91aにおいて、統計的処理のROIに基づいて学習モデル74の処理が要求されると、ステップ91bにおいて、支援ユニット30のモデル入力選択ユニット34が、第1の画像評価システム60から取得した医用画像の評価に関する第1の結果66により重要視される第1の領域(ROI)を含む画像領域を、共通の画像評価環境15を介して選択し、入力制御情報77により第2の画像評価システム70の評価対象として提供する。 Returning to Figure 2, in step 91a, when processing of the learning model 74 is requested based on the ROI of statistical processing, in step 91b, the model input selection unit 34 of the support unit 30 selects an image area including a first area (ROI) that is considered important by the first result 66 regarding the evaluation of the medical image obtained from the first image evaluation system 60 via the common image evaluation environment 15, and provides it as an evaluation target for the second image evaluation system 70 via input control information 77.
ステップ92aにおいて、学習モデル74のROIに基づいて統計的処理を行うことが選択されると、ステップ92bにおいて、支援ユニット30の、統計的処理入力選択ユニット35が、第2の画像評価システム70の罹患状態の判断に重要視された第2の領域(ROI)を含む画像領域を共通の画像評価環境15を介して選択し、入力制御情報67により第1の画像評価システム60の評価対象として提供する。第1の画像評価システム60は、深層学習モデルの着目領域内に対して、脳容積や血流量の値を算出し、鑑別に有効であった領域について、人が解釈可能な指標値を提示することが可能となる。統計的処理は、Zスコアに限らず、体積値・体積密度値、血流量、糖代謝量、トレーサー反応物質の集積量などであってもよい。 In step 92a, if it is selected to perform statistical processing based on the ROI of the learning model 74, in step 92b, the statistical processing input selection unit 35 of the support unit 30 selects an image region including a second region (ROI) that is considered important for the second image evaluation system 70's assessment of the disease state via the common image evaluation environment 15, and provides it as an evaluation target for the first image evaluation system 60 via input control information 67. The first image evaluation system 60 calculates values of brain volume and blood flow within the region of interest of the deep learning model, and is able to present human-interpretable index values for regions that are effective for differentiation. Statistical processing is not limited to Z scores, and may also include volume values, volume density values, blood flow, glucose metabolism, and accumulation amounts of tracer reactants.
ステップ93aにおいて、マッピングの信頼性の評価を加味することが要求されると、ステップ93bにおいて、支援ユニット30のマッピング評価ユニット36は、被験者の医用画像の共通の画像評価環境、本例では、標準化画像50へマッピングの信頼度に基づき、第1の画像評価システム60から取得した医用画像の評価に関する第1の結果66、または、第2の画像評価システム70から取得した被験者の医用画像の評価に関する第2の結果76の、共通の画像評価環境15を用いた出力を制御する。 If, in step 93a, it is requested that an evaluation of the reliability of the mapping be taken into account, in step 93b, the mapping evaluation unit 36 of the support unit 30 controls the output of a first result 66 regarding the evaluation of the medical image obtained from the first image evaluation system 60 or a second result 76 regarding the evaluation of the medical image of the subject obtained from the second image evaluation system 70 using a common image evaluation environment 15 based on the reliability of the mapping to the common image evaluation environment of the subject's medical image, in this example, the standardized image 50.
これらの画像評価支援プログラムが終了すると、共通の画像評価環境15を介して提供された様々な情報に基づき、ステップ94において、医療関係者は、深層学習モデル74の鑑別結果を評価してもよい。 Once these image evaluation support programs are completed, in step 94, medical personnel may evaluate the discrimination results of the deep learning model 74 based on various information provided via the common image evaluation environment 15.
本実施例では、主に、AD、DLB、及び健常者について説明したが、AD及びDLBに限定されるものではなく、本実施形態のシステム、制御方法及びプログラムは、脳障害(脳疾患を含む)に対しても適用することができる。脳障害とは、認知症をはじめ、注意障害、記憶障害、遂行機能障害、社会的行動障害、失語症、失行症、失認証などの主に高次脳障害を含む。認知症は、AD(Alzheimer Disease、アルツハイマー型認知症)、DLB(Dementia with Lewy Bodies、レビー小体型認知症)、その他の変性型認知症、例えば、前頭側頭型認知症、進行性核上性麻痺、大脳皮質基底核変性症、嗜銀顆粒性認知症変性を含む。脳障害の状態とは、脳障害の有無、その進行状態、認知症などの脳障害の原因疾患(原因疾病)の有無および鑑別、単独または複数の原因疾病の進行状態など、被験者(受診者、患者、ユーザー)の脳障害に関わる様々な態様を含む。また、脳疾患には、認知症(AD、DLB、前頭側頭葉変性症(FTLD)、正常圧水頭症(NPH)等を含む)、脳腫瘍、精神障害(精神疾患ともいう、統合失調症、てんかん、気分障害、依存障害、高次機能障害等を含む)、パーキンソン病、アスペルガー症候群、注意欠陥・多動性障害(ADHD)、睡眠障害、小児疾患、虚血性脳障害、気分障害(うつ病等を含む)等が含まれる。また、脳障害には、脳に関連する疾患として、認知症や多発性硬化症などが含まれ、また、アミロイドβに関連する疾患として、例えば、軽度認知障害(MCI:Mild cognitive impairment)、アルツハイマー病による軽度認知障害(MCIdue to AD)、前駆期アルツハイマー病(prodromal AD)、アルツハイマー病の発症前段階/プレクリニカルAD(preclinical AD)、パーキンソン病、多発性硬化症、不眠症、睡眠障害、認知機能の低下、認知機能障害、アミロイド陽性/陰性に係る疾患などの神経変性疾患が含まれる。While this example primarily describes AD, DLB, and healthy individuals, the present invention is not limited to AD and DLB. The system, control method, and program of this embodiment can also be applied to brain disorders (including brain diseases). Brain disorders include dementia, as well as higher-level brain disorders such as attention disorders, memory disorders, executive dysfunction, social behavior disorders, aphasia, apraxia, and apraxia. Dementia includes AD (Alzheimer's Disease), DLB (Dementia with Lewy Bodies), and other degenerative dementias, such as frontotemporal dementia, progressive supranuclear palsy, corticobasal degeneration, and argyrophilic grain dementia. The state of brain damage includes various aspects related to the brain damage of the subject (examinee, patient, user), such as the presence or absence of brain damage, its progression, the presence and differentiation of causative diseases (causative illnesses) of brain damage such as dementia, and the progression of single or multiple causative illnesses. Brain diseases also include dementia (including AD, DLB, frontotemporal lobar degeneration (FTLD), normal pressure hydrocephalus (NPH), etc.), brain tumors, mental disorders (also known as mental illnesses, including schizophrenia, epilepsy, mood disorders, addiction disorders, higher brain dysfunction, etc.), Parkinson's disease, Asperger's syndrome, attention deficit hyperactivity disorder (ADHD), sleep disorders, childhood diseases, ischemic brain disorders, mood disorders (including depression, etc.), etc. Brain disorders include brain-related diseases such as dementia and multiple sclerosis, and amyloid-β-related diseases include, for example, mild cognitive impairment (MCI), mild cognitive impairment due to Alzheimer's disease (MCI due to AD), prodromal Alzheimer's disease, preclinical AD (the pre-symptomatic stage of Alzheimer's disease), Parkinson's disease, multiple sclerosis, insomnia, sleep disorders, cognitive decline, cognitive impairment, and amyloid-positive/negative related neurodegenerative diseases.
なお、上記においては評価対象となる医用画像に含まれる対象領域は脳または脳の一部の例で本発明を説明しているが、対象領域は脳に限られず、被験者の身体の他のいずれか一部であってもよい。また、評価の対象となる疾患は認知症に限られず、画像診断の対象となる疾患であれば、身体の他の部位に関連する疾患のいずれであってもよい。 In the above, the present invention has been described using an example in which the target region included in the medical image to be evaluated is the brain or a part of the brain, but the target region is not limited to the brain and may be any other part of the subject's body. Furthermore, the disease to be evaluated is not limited to dementia, and may be any disease related to any other part of the body as long as it is a disease that is the target of image diagnosis.
1 画像診断支援情報提供システム
8、9 構成範囲
10 支援システム
11 第1のアクセスユニット
12 第2のアクセスユニット
13 アクセスユニット
15 画像評価環境(共通評価環境)
16a ディスプレイ
16b タッチパネル
17 クラウド
18 データベース
19 プログラム
20 ユニット
30 支援ユニット
31 個別・比較評価ユニット
32 再統計的処理要求ユニット
33 重ね合わせ表示(オーバーレイ)ユニット
34 モデル入力選択ユニット
35 統計処理入力選択ユニット
36 マッピング評価ユニット
37 入力支援機能(入力支援ユニット)
50 標準化画像
52 画像データベース
53 脳画像(第1のタイプの医用画像)
55 マッピングシステム
56 第3の結果
60 第1の画像評価システム
61 プロセッサ
62、72 評価対象の入力
63、73 評価結果の出力
65 データベース
66 第1の結果
67、77 入力制御情報
70 第2の画像評価システム
71 プロセッサ
74 深層学習モデル(学習モデル、第1のモデル)
75 データベース
76 第2の結果
1 Image diagnosis support information provision system 8, 9 Configuration range 10 Support system 11 First access unit 12 Second access unit 13 Access unit 15 Image evaluation environment (common evaluation environment)
16a Display 16b Touch panel 17 Cloud 18 Database 19 Program 20 Unit 30 Support unit 31 Individual and comparative evaluation unit 32 Re-statistical processing request unit 33 Overlay display (overlay) unit 34 Model input selection unit 35 Statistical processing input selection unit 36 Mapping evaluation unit 37 Input support function (input support unit)
50 Standardized image 52 Image database 53 Brain image (first type of medical image)
55 Mapping system 56 Third result 60 First image evaluation system 61 Processor 62, 72 Input of evaluation target 63, 73 Output of evaluation result 65 Database 66 First result 67, 77 Input control information 70 Second image evaluation system 71 Processor 74 Deep learning model (learning model, first model)
75 Database 76 Second result
Claims (15)
前記第1のタイプの医用画像に基づき第1の疾患を評価するように機械学習した第1のモデルを用いて前記被験者の罹患状態を判断する第2の画像評価システムに対しアクセス可能な第2のアクセスユニットと、
前記第1の画像評価システムおよび前記第2の画像評価システムに対する評価対象の入力および評価結果の出力の少なくともいずれかについて共通の画像評価環境を介して提供する支援ユニットとを有し、
前記支援ユニットは、以下のいずれか一つである、システム。
i)前記支援ユニットは、前記第1の画像評価システムから取得した前記医用画像の評価に関する第1の結果により重要視される第1の領域を含む画像領域を、前記共通の画像評価環境を介して前記第2の画像評価システムの評価対象として選択するユニットを含むこと。
ii)前記支援ユニットは、前記第2の画像評価システムの前記罹患状態の判断に重要視された第2の領域を含む画像領域を、前記共通の画像評価環境を介して前記第1の画像評価システムの評価対象として選択するユニットを含むこと。
iii)前記支援ユニットは、前記被験者の前記医用画像の前記共通の画像評価環境へのマッピングの信頼度に基づき、前記第1の画像評価システムから取得した前記医用画像の評価に関する第1の結果、または、前記第2の画像評価システムから取得した前記被験者の前記医用画像の評価に関する第2の結果の、前記共通の画像評価環境を用いた出力を制御するユニットを含むこと。 a first access unit accessible to a first image evaluation system for statistically evaluating a first type of medical image having as a region of interest at least a portion of a subject's body;
a second access unit accessible to a second image evaluation system that determines the disease state of the subject using a first model trained by machine learning to evaluate a first disease based on the first type of medical image;
a support unit that provides at least one of input of an evaluation target and output of an evaluation result to the first image evaluation system and the second image evaluation system via a common image evaluation environment;
The support unit is one of the following:
i) The support unit includes a unit that selects an image area including a first area that is considered important by a first result regarding the evaluation of the medical image obtained from the first image evaluation system as an evaluation target for the second image evaluation system via the common image evaluation environment.
ii) The support unit includes a unit that selects an image area including a second area that is important for determining the disease state of the second image evaluation system as an evaluation target for the first image evaluation system via the common image evaluation environment.
iii) The assistance unit includes a unit for controlling the output of a first result regarding the evaluation of the medical image obtained from the first image evaluation system or a second result regarding the evaluation of the medical image of the subject obtained from the second image evaluation system using the common image evaluation environment based on the reliability of mapping of the medical image of the subject to the common image evaluation environment.
前記支援ユニットは、前記被験者の前記第1のタイプの医用画像が、前記第1の画像評価システムおよび前記第2の画像評価システムに対し入出力可能な画像に標準化された評価用画像を含む前記共通の画像評価環境を用いる、システム。 In claim 1,
The support unit uses the common image evaluation environment, in which the first type of medical image of the subject includes evaluation images that are standardized to images that can be input and output to the first image evaluation system and the second image evaluation system.
前記支援ユニットは、前記第1の画像評価システムから取得した前記医用画像の評価に関する第1の結果と、前記第2の画像評価システムから取得した前記被験者の前記医用画像の評価に関する第2の結果とを、前記共通の画像評価環境を介して出力するユニットを含む、システム。 In claim 1 or 2,
The system includes a unit for outputting, via the common image evaluation environment, a first result regarding the evaluation of the medical image obtained from the first image evaluation system and a second result regarding the evaluation of the medical image of the subject obtained from the second image evaluation system.
前記支援ユニットは、前記第1の結果と、前記第2の結果とを、前記共通の画像評価環境に重ねて出力するユニットを含む、システム。 In claim 3,
The support unit includes a unit that outputs the first result and the second result in the common image evaluation environment in an overlaid manner.
前記支援ユニットは、前記第2の画像評価システムの前記罹患状態の判断に基づき、前記第1の画像評価システムから取得した前記医用画像の評価に関する第1の結果を再評価した結果を、前記共通の画像評価環境を介して出力するユニットを含む、システム。 In any one of claims 1 to 4,
The system includes a unit for outputting, via the common image evaluation environment, a result of re-evaluating a first result regarding the evaluation of the medical image acquired from the first image evaluation system based on the judgment of the disease state of the second image evaluation system.
前記支援ユニットは、前記第1の画像評価システムから取得した前記医用画像の評価に関する第1の結果により重要視される第1の領域と、前記第2の画像評価システムの前記罹患状態の判断に重要視された第2の領域とを、前記共通の画像評価環境を介して出力するユニットを含む、システム。 In any one of claims 1 to 5,
The support unit includes a unit that outputs, via the common image evaluation environment, a first area that is considered important by a first result regarding the evaluation of the medical image obtained from the first image evaluation system and a second area that is considered important for determining the disease state of the second image evaluation system.
前記支援ユニットは、前記第1の領域と、前記第2の領域とを、前記共通の画像評価環境に重ねて出力するユニットを含む、システム。 In claim 6,
The support unit includes a unit that outputs the first area and the second area in the common image evaluation environment in an overlaid manner.
前記第1の疾患は認知症を含み、前記第1のタイプの医用画像はMR画像であり、前記対象領域は、脳の海馬傍回、脳幹背側、及び大脳基底核の部分(被殻、尾状核、嗅内皮質、海馬傍回、扁桃体)の少なくとも1つを含む、システム。 In any one of claims 1 to 7,
The system, wherein the first disease includes dementia, the first type of medical image is an MR image, and the target region includes at least one of the parahippocampal gyrus, dorsal brainstem, and portions of the basal ganglia (putamen, caudate nucleus, entorhinal cortex, parahippocampal gyrus, amygdala) of the brain.
前記第1の疾患は認知症を含み、
前記第1のタイプの医用画像はSPECT画像であり、
前記対象領域は、脳の楔前部、後頭葉、及び背外側前頭前野の少なくとも1つを含む、
システム。 In any one of claims 1 to 7,
the first disease comprises dementia;
the first type of medical image is a SPECT image;
The target region includes at least one of the precuneus, the occipital lobe, and the dorsolateral prefrontal cortex of the brain;
system.
前記支援ユニットの出力に基づき、前記第1のモデルによる前記第1の疾患に対する評価を検証するユニットを有する、システム。 In any one of claims 1 to 9,
The system further comprises a unit for verifying an assessment of the first disease according to the first model based on an output of the support unit.
前記支援システムは、
被験者の身体の少なくとも一部を対象領域として含む第1のタイプの医用画像を統計的に評価する第1の画像評価システムに対しアクセス可能な第1のアクセスユニットと、
前記第1のタイプの医用画像に基づき第1の疾患を評価するように機械学習した第1のモデルを用いて前記被験者の罹患状態を判断する第2の画像評価システムに対しアクセス可能な第2のアクセスユニットと、
前記第1の画像評価システムおよび前記第2の画像評価システムに対する評価対象の入力および評価結果の出力の少なくともいずれかについて共通の画像評価環境を介して提供する支援ユニットとを有し、
当該制御方法は、以下のステップの少なくともいずれかを含む、制御方法。
i)前記支援ユニットが、前記第1の画像評価システムから取得した前記医用画像の評価に関する第1の結果により重要視される第1の領域を含む画像領域を、前記共通の画像評価環境を介して前記第2の画像評価システムの評価対象として選択すること。
ii)前記支援ユニットが、前記第2の画像評価システムの前記罹患状態の判断に重要視された第2の領域を含む画像領域を、前記共通の画像評価環境を介して前記第1の画像評価システムの評価対象として選択すること。
iii)前記支援ユニットが、前記被験者の前記医用画像の前記共通の画像評価環境へのマッピングの信頼度に基づき、前記第1の画像評価システムから取得した前記医用画像の評価に関する第1の結果、または、前記第2の画像評価システムから取得した前記被験者の前記医用画像の評価に関する第2の結果の、前記共通の画像評価環境を用いた出力を制御すること。 A control method for an assistance system, comprising:
The assistance system includes:
a first access unit accessible to a first image evaluation system for statistically evaluating a first type of medical image having as a region of interest at least a portion of a subject's body;
a second access unit accessible to a second image evaluation system that determines the disease state of the subject using a first model trained by machine learning to evaluate a first disease based on the first type of medical image;
a support unit that provides at least one of input of an evaluation target and output of an evaluation result to the first image evaluation system and the second image evaluation system via a common image evaluation environment;
The control method includes at least one of the following steps:
i) The support unit selects an image area including a first area that is considered important by a first result regarding the evaluation of the medical image obtained from the first image evaluation system as an evaluation target for the second image evaluation system via the common image evaluation environment.
ii) The support unit selects an image area including a second area that is important for the second image evaluation system to determine the disease state as an evaluation target for the first image evaluation system via the common image evaluation environment.
iii) The assistance unit controls the output of a first result regarding the evaluation of the medical image obtained from the first image evaluation system or a second result regarding the evaluation of the medical image of the subject obtained from the second image evaluation system using the common image evaluation environment based on the reliability of mapping of the medical image of the subject to the common image evaluation environment.
前記第1の疾患は認知症を含み、前記第1のタイプの医用画像はMR画像であり、前記対象領域は、脳の海馬、海馬傍回、脳幹背側、中側頭極及び大脳基底核の部分(被殻、尾状核、嗅内皮質、海馬傍回、扁桃体)の少なくとも1つを含む、制御方法。 In claim 11,
A control method, wherein the first disease includes dementia, the first type of medical image is an MR image, and the target region includes at least one of the hippocampus, parahippocampal gyrus, dorsal brainstem, middle temporal pole, and parts of the basal ganglia (putamen, caudate nucleus, entorhinal cortex, parahippocampal gyrus, amygdala) of the brain.
前記第1の疾患は認知症を含み、前記第1のタイプの医用画像はSPECT画像であり、前記対象領域は、脳の楔前部、後頭葉、及び背外側前頭前野の少なくとも1つを含む、
制御方法。 In claim 11,
the first disease includes dementia, the first type of medical image is a SPECT image, and the region of interest includes at least one of the precuneus, the occipital lobe, and the dorsolateral prefrontal cortex of the brain;
Control method.
さらに、前記支援ユニットの出力に基づき、前記第1のモデルによる前記第1の疾患に対する評価を検証することを有する、制御方法。 In any one of claims 11 to 13,
The control method further comprises verifying the assessment of the first disease by the first model based on the output of the assistance unit.
前記コンピュータが、被験者の身体の少なくとも一部を対象領域として含む第1のタイプの医用画像を統計的に評価する第1の画像評価システムに対しアクセスすることと、
前記第1のタイプの医用画像に基づき第1の疾患を評価するように機械学習した第1のモデルを用いて前記被験者の罹患状態を判断する第2の画像評価システムに対しアクセスすることと、
前記第1の画像評価システムおよび前記第2の画像評価システムに対する評価対象の入力および評価結果の出力の少なくともいずれかについて共通の画像評価環境を介して提供することと、
以下のステップの少なくともいずれかとを実行する命令を有するプログラム。
i)前記第1の画像評価システムから取得した前記医用画像の評価に関する第1の結果により重要視される第1の領域を含む画像領域を、前記共通の画像評価環境を介して前記第2の画像評価システムの評価対象として選択すること。
ii)前記第2の画像評価システムの前記罹患状態の判断に重要視された第2の領域を含む画像領域を、前記共通の画像評価環境を介して前記第1の画像評価システムの評価対象として選択すること。
iii)前記被験者の前記医用画像の前記共通の画像評価環境へのマッピングの信頼度に基づき、前記第1の画像評価システムから取得した前記医用画像の評価に関する第1の結果、または、前記第2の画像評価システムから取得した前記被験者の前記医用画像の評価に関する第2の結果の、前記共通の画像評価環境を用いた出力を制御すること。 A program for evaluating medical images by a computer, comprising:
accessing, by the computer, a first image evaluation system for statistically evaluating a first type of medical image having at least a portion of a subject's body as a region of interest;
accessing a second image assessment system that determines the disease state of the subject using a first model trained on machine learning to assess a first disease based on the first type of medical image;
providing at least one of input of an evaluation target and output of an evaluation result to the first image evaluation system and the second image evaluation system via a common image evaluation environment;
A program having instructions for performing at least one of the following steps:
i) Selecting an image area including a first area that is considered important by a first result regarding the evaluation of the medical image obtained from the first image evaluation system as an evaluation target for the second image evaluation system via the common image evaluation environment.
ii) Selecting an image area including a second area that is considered important for determining the disease state by the second image evaluation system as an evaluation target for the first image evaluation system via the common image evaluation environment.
iii) Based on the reliability of mapping of the medical image of the subject to the common image evaluation environment, controlling the output of a first result regarding the evaluation of the medical image obtained from the first image evaluation system or a second result regarding the evaluation of the medical image of the subject obtained from the second image evaluation system using the common image evaluation environment.
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