JPWO2019172181A1 - Diagnostic support devices, programs, trained models, and learning devices - Google Patents
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Abstract
診断支援装置(1)は、多数の被験者の脳の核医学画像のデータと当該被験者の疾患のデータとを教師データとして、ニューラルネットワークの重み付け係数が学習されて構成された学習済みモデルを記憶した学習済みモデル記憶部(18)と、診断対象者の脳の核医学画像を入力する入力部(10)と、入力部(10)にて入力された核医学画像を解剖学的標準化する解剖学的標準化部(12)と、解剖学的標準化された画像から脳表画像を生成する脳表画像生成部(13)と、脳表画像の信号強度を正規化する正規化部(14)と、正規化された脳表画像と複数の健常者の脳表画像とに基づいて、診断対象者のZスコア画像を生成するZスコア画像生成部(15)と、正規化された脳表画像を学習済みモデルに適用して、診断対象者の疾患を推論する推論部(16)と、推論部(16)にて推論された疾患のデータを出力する出力部(17)とを備える。The diagnostic support device (1) stores a trained model constructed by learning the weighting coefficient of the neural network using the data of the nuclear medicine images of the brains of a large number of subjects and the data of the diseases of the subjects as teacher data. The trained model storage unit (18), the input unit (10) for inputting the nuclear medicine image of the brain of the person to be diagnosed, and the anatomy for anatomically standardizing the nuclear medicine image input in the input unit (10). A standardization unit (12), a brain surface image generation unit (13) that generates a brain surface image from an anatomically standardized image, and a normalization unit (14) that normalizes the signal strength of the brain surface image. Based on the normalized brain surface image and the brain surface images of a plurality of healthy subjects, the Z score image generation unit (15) that generates the Z score image of the diagnosis target and the normalized brain surface image are learned. It is provided with an inference unit (16) that infers the disease of the person to be diagnosed by applying it to the completed model, and an output unit (17) that outputs the data of the disease inferred by the inference unit (16).
Description
本発明は、診断支援装置、プログラム、学習済みモデル、および学習装置に関する。 The present invention relates to diagnostic support devices, programs, trained models, and learning devices.
従来から、微量の放射線を出す放射性医薬品を体内に投与し、身体の状態を画像で捉える核医学検査が行われている。核医学検査では、体内に投与された放射性医薬品が臓器や体内組織などに集まる様子を画像化し、疾病の診断、病期や予後の確認、治療効果の判定などに有用な情報が得られる。 Conventionally, nuclear medicine tests have been performed in which a radiopharmaceutical that emits a small amount of radiation is administered into the body and the state of the body is captured by an image. In the nuclear medicine test, it is possible to obtain useful information for diagnosing a disease, confirming the stage and prognosis, determining a therapeutic effect, etc. by imaging how radiopharmaceuticals administered in the body gather in organs and tissues.
認知症疾患には、アルツハイマー型認知症、レビー小体型認知症、前頭側頭型認知症等があるが、認知症の分類にも核医学画像を用いた診断が行われる。従来は、医師が核医学画像を読影して、他の臨床情報等も踏まえて、疾患の鑑別をしていた。 Dementia diseases include Alzheimer's disease, Lewy body dementias, frontotemporal dementia, etc., and diagnosis using nuclear medicine images is also performed to classify dementia. Conventionally, a doctor interprets a nuclear medicine image and distinguishes a disease based on other clinical information.
近年、AI等の機械学習技術が発達し、医用画像の読影に機械学習を活用することが研究されている。しかし、機械学習を行って適切な診断を行なえるモデルを生成するためには、大量の教師データが必要である。しかしながら、核医学画像を撮影する施設は、X線やCT等の撮影を行なえる施設よりも少なく、大量の教師データを集めることは容易ではない。 In recent years, machine learning techniques such as AI have been developed, and research is being conducted to utilize machine learning for interpreting medical images. However, a large amount of teacher data is required to generate a model that can perform machine learning and make an appropriate diagnosis. However, the number of facilities that take nuclear medicine images is smaller than that of facilities that can take X-rays, CT, etc., and it is not easy to collect a large amount of teacher data.
本開示は、上記背景に鑑み、画像に基づいて疾患を分類することができる診断支援装置を提供することを目的とする。 In view of the above background, it is an object of the present disclosure to provide a diagnostic support device capable of classifying diseases based on images.
本開示に係る診断支援装置は、多数の被験者の脳画像に関するデータと当該被験者の疾患のデータとを教師データとして、ニューラルネットワークの重み付け係数が学習されて構成された学習済みモデルを記憶した記憶部と、診断対象者の脳画像を入力する入力部と、前記入力部にて入力された脳画像を解剖学的標準化および正規化する標準化部と、解剖学的標準化され、かつ、正規化された脳画像に関するデータを前記学習済みモデルに適用して、前記診断対象者の疾患を推論する推論部と、前記推論部にて推論された疾患のデータを出力する出力部とを備える。なお、脳画像は核医学画像であってもよく、その場合、学習済みモデルへの入力として、脳表画像または断層画像を用いてもよく、また、脳表画像に代えて、または加えて、診断対象者のZスコア画像をはじめとする統計学的解析を行った画像を用いてもよく、さらには、臨床情報を用いてもよい。脳画像に関するデータには、ここで述べた脳表画像、断層画像、診断対象者のZスコア画像をはじめとする統計学的解析を行った画像が含まれる。また、脳画像はMRI画像であってもよく、その場合、学習済みモデルへの入力として、MRI画像から抽出した灰白質の脳画像や、診断対象者のZスコア画像をはじめとする統計学的解析を行った画像、さらには、臨床情報を用いてもよい。 The diagnostic support device according to the present disclosure is a storage unit that stores a trained model configured by learning the weighting coefficient of the neural network using the data related to the brain images of a large number of subjects and the data of the diseases of the subjects as teacher data. An input unit for inputting the brain image of the person to be diagnosed, a standardization unit for anatomically standardizing and normalizing the brain image input in the input unit, and anatomically standardized and normalized. It includes an inference unit that infers the disease of the diagnosis target person by applying the data related to the brain image to the trained model, and an output unit that outputs the data of the disease inferred by the inference unit. The brain image may be a nuclear medicine image, in which case a brain surface image or a tomographic image may be used as an input to the trained model, and in place of or in addition to the brain surface image. An image obtained by statistical analysis such as a Z-score image of a person to be diagnosed may be used, and further, clinical information may be used. The data related to the brain image includes the image obtained by statistical analysis such as the brain surface image, the tomographic image, and the Z-score image of the person to be diagnosed described here. Further, the brain image may be an MRI image, and in that case, statistically including a gray matter brain image extracted from the MRI image and a Z-score image of the person to be diagnosed as input to the trained model. The analyzed image and clinical information may be used.
本開示に係るプログラムは、診断対象者の脳画像に関するデータに基づいて、診断対象者の疾患を鑑別する支援をするためのプログラムであって、コンピュータに、多数の被験者の脳画像に関するデータと当該被験者の疾患のデータとを教師データとして、ニューラルネットワークの重み付け係数が学習されて構成された学習済みモデルを記憶させておき、診断対象者の脳画像を入力するステップと、入力された脳画像を解剖学的標準化および正規化するステップと、解剖学的標準化され、かつ、正規化された脳画像に関するデータを前記学習済みモデルに適用して、前記診断対象者の疾患を推論するステップと、推論された疾患のデータを出力するステップとを実行させる。なお、脳画像を核医学画像であってもよく、その場合、学習済みモデルへの入力として、脳表画像または断層画像を用いてもよく、また、脳表画像に代えて、または加えて、診断対象者のZスコア画像をはじめとする統計学的解析を行った画像を用いてもよく、さらには臨床情報を用いてもよい。また、脳画像はMRI画像であってもよく、その場合、学習済みモデルへの入力として、MRI画像から抽出した灰白質の脳画像や、診断対象者のZスコア画像をはじめとする統計学的解析を行った画像、さらには、臨床情報を用いてもよい。 The program according to the present disclosure is a program for assisting in differentiating a disease of a diagnosis target person based on data related to the brain image of the diagnosis target person, and the data on the brain images of a large number of subjects and the said Using the subject's disease data as teacher data, the trained model constructed by learning the weighting coefficient of the neural network is stored, and the step of inputting the brain image of the diagnosis target and the input brain image are stored. Steps to anatomically standardize and normalize, and steps to infer the disease of the diagnosed subject by applying data on the anatomically standardized and normalized brain image to the trained model, and inference. Perform the steps to output the data of the disease. The brain image may be a nuclear medicine image, in which case a brain surface image or a tomographic image may be used as an input to the trained model, and in place of or in addition to the brain surface image. An image obtained by statistical analysis such as a Z-score image of a person to be diagnosed may be used, or clinical information may be used. Further, the brain image may be an MRI image, and in that case, statistically including a gray matter brain image extracted from the MRI image and a Z-score image of the person to be diagnosed as input to the trained model. The analyzed image and clinical information may be used.
本開示に係る学習済みモデルは、診断対象者の脳画像に関するデータに基づいて、診断対象者が罹患している疾患の鑑別を支援するよう、コンピュータを機能させるための学習済みモデルであって、多数の被験者の脳画像に対して解剖学的標準化および信号強度の正規化が行われた脳画像に関するデータと当該被験者の疾患のデータを教師データとして、ニューラルネットワークの重み付け係数が学習されて構成されたものであり、ニューラルネットワークの入力層に入力された診断対象者の脳画像に関するデータに対し、学習済みの重み付け係数に基づく演算を行い、診断対象者が罹患している疾患のデータを出力するよう、コンピュータを機能させるための学習済みモデルである。なお、脳画像は核医学画像であってもよく、その場合、学習済みモデルは、脳表画像または断層画像を用いて学習されて構成されてもよく、また、脳表画像に代えて、または加えて、診断対象者のZスコア画像をはじめとする統計学的解析を行った画像を用いて学習されてもよく、さらには臨床情報を用いて学習されて構成されたものでもよい。また、脳画像はMRI画像であってもよく、その場合、学習済みモデルは、MRI画像から抽出した灰白質の脳画像や、診断対象者のZスコア画像をはじめとする統計学的解析を行った画像、さらには、臨床情報を用いて学習されて構成されたものでもよい。 The trained model according to the present disclosure is a trained model for making a computer function so as to support the discrimination of the disease affected by the diagnosed subject based on the data on the brain image of the diagnosed subject. The weighting coefficient of the neural network is learned and constructed using the data related to the brain image obtained by anatomically standardizing and the signal strength normalization for the brain images of a large number of subjects and the data of the disease of the subject as teacher data. The data related to the brain image of the diagnosed subject input to the input layer of the neural network is calculated based on the learned weighting coefficient, and the data of the disease affected by the diagnosed subject is output. It is a trained model for making a computer work. The brain image may be a nuclear medicine image, in which case the trained model may be constructed by being trained using a brain surface image or a tomographic image, and may be substituted for the brain surface image or In addition, it may be learned by using an image obtained by statistical analysis such as a Z-score image of a person to be diagnosed, or may be learned by using clinical information. Further, the brain image may be an MRI image, and in that case, the trained model performs statistical analysis such as a gray matter brain image extracted from the MRI image and a Z-score image of the person to be diagnosed. It may be an image that has been learned and constructed using clinical information.
本開示に係る学習装置は、多数の被験者の脳画像に関するデータと当該被験者の疾患のデータを教師データとして入力する入力部と、前記入力部にて入力された脳画像の解剖学的標準化および正規化を行う標準化部と、解剖学的標準化され、かつ、正規化された多数の脳画像に関するデータを順次ニューラルネットワークの入力層に入力すると共に、入力した脳画像に対応する前記被験者の疾患のデータをニューラルネットワークの出力層に入力し、逆誤差伝播法によってニューラルネットワークの重み付け係数を更新する処理を繰り返し行う学習部と、前記学習部によって学習されたニューラルネットワークを記憶する記憶部とを備える。なお、脳画像は核医学画像であってもよく、その場合、学習装置は、脳表画像または断層画像を用いて学習を行ってもよく、また、脳表画像に代えて、または加えて、診断対象者のZスコア画像をはじめとする統計学的解析を行った画像を用いて学習を行ってもよく、さらには臨床情報を用いて学習を行ってもよい。また、脳画像はMRI画像であってもよく、その場合、学習装置は、MRI画像から抽出した灰白質の脳画像や、診断対象者のZスコア画像をはじめとする統計学的解析を行った画像、さらには、臨床情報を用いて学習を行ってもよい。 The learning device according to the present disclosure includes an input unit for inputting data on brain images of a large number of subjects and data on diseases of the subjects as teacher data, and anatomical standardization and normalization of brain images input by the input unit. Data on a large number of anatomically standardized and normalized brain images are sequentially input to the input layer of the neural network, and the data of the subject's disease corresponding to the input brain images. Is input to the output layer of the neural network, and a learning unit that repeatedly performs a process of updating the weighting coefficient of the neural network by the inverse error propagation method and a storage unit that stores the neural network learned by the learning unit are provided. The brain image may be a nuclear medicine image, in which case the learning device may perform learning using a brain surface image or a tomographic image, and in place of or in addition to the brain surface image, Learning may be performed using an image obtained by statistical analysis such as a Z-score image of a person to be diagnosed, and further, learning may be performed using clinical information. Further, the brain image may be an MRI image, and in that case, the learning device performs statistical analysis such as a gray matter brain image extracted from the MRI image and a Z-score image of the subject to be diagnosed. Learning may be performed using images and clinical information.
本開示によれば、被験者の脳画像を解剖学的標準化および正規化した脳表画像に関するデータを用いて生成された学習済みモデルを用いることにより、診断対象者の脳画像に基づいて、その診断対象者の疾患を適切に鑑別することができる。 According to the present disclosure, the diagnosis is made based on the brain image of the subject to be diagnosed by using a trained model generated by using the data on the brain surface image obtained by anatomically standardizing and normalizing the brain image of the subject. The disease of the subject can be appropriately differentiated.
以下、本発明の実施の形態の診断支援装置、学習装置、学習済みモデル等について説明する。 Hereinafter, the diagnostic support device, the learning device, the learned model, and the like according to the embodiment of the present invention will be described.
(第1の実施の形態)
図1は、第1の実施の形態の診断支援装置1の構成を示す図である。診断支援装置1は、入力部10と、前処理部11と、推論部16と、出力部17とを有している。入力部10は、診断対象者の脳の核医学画像の入力を受け付ける機能を有する。核医学画像は、核医学検査装置にて撮影された画像を核医学検査装置から入力してもよいし、他の施設で撮影した核医学画像をネットワーク経由で受信してもよい。核医学検査装置として、例えば、PET装置やSPECT装置がある。また、核医学画像は、PET装置で撮像されたPET画像であってもよいし、SPECT装置で撮像されたSPECT画像であってもよい。(First Embodiment)
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a
前処理部11は、撮影条件や個人差による違いがある核医学画像に基づいて、疾患の鑑別を適切に行えるように正規化等の処理を行う機能を有する。前処理部11は、解剖学的標準化部12と、脳表画像生成部13と、正規化部14と、Zスコア画像生成部15とを有する。
The
解剖学的標準化部12は、診断対象者の脳の画像を標準となる脳画像に合わせ込む処理を行う。脳表画像生成部13は、診断対象者の脳の断層画像から脳表画像を生成する。具体的には、定位脳座標系で決められた脳表ピクセルから皮質内に画素値をみていき、皮質内における画素値のピークを脳表の画素値として抽出し、脳表へ投射することで脳表画像を生成する。
The
正規化部14は、撮影条件によって異なる信号強度を正規化する処理である。正規化部14は、核医学画像を脳の所定の参照部位の平均画素値で割ることで正規化を行う。参照部位としては、例えば、全脳、視床、小脳、橋、感覚運動野を用いることができる。
The
Zスコア画像生成部15は、複数の健常者のデータを用いて、Zスコア画像を生成する。具体的には、次式を用いて、画素毎にZスコアを求めることにより、Zスコア画像を生成できる。
Zスコア=(健常者平均値−診断対象者の画素値)/(健常者標準偏差)The Z-score
Z score = (mean value of healthy subjects-pixel value of diagnosed subjects) / (standard deviation of healthy subjects)
Zスコアとは、標準偏差の数が母平均より上または下である度合いであり、上記式に示されるように、被験者のデータ及び複数の健常者のデータに対して統計学的解析を行うことにより、求めることができる。なお、ここでは複数の健常者のデータを用いる例を挙げたが、複数の健常者のデータの平均値と標準偏差が求められている場合には、複数の健常者のデータは不要である。核医学画像が脳血流画像の場合には、「3D−SSP」というソフトウェアを用いて上記に説明した前処理部11による処理を行ってもよい。
The Z score is the degree to which the number of standard deviations is above or below the population mean, and as shown in the above formula, statistical analysis is performed on the data of the subject and the data of a plurality of healthy subjects. Can be obtained from. Although the example of using the data of a plurality of healthy subjects is given here, the data of the plurality of healthy subjects is unnecessary when the average value and the standard deviation of the data of the plurality of healthy subjects are obtained. When the nuclear medicine image is a cerebral blood flow image, processing by the preprocessing
推論部16は、学習済みモデル記憶部18に記憶された学習済みモデルに、診断対象者の脳表画像およびZスコア画像を適用することにより、診断対象者の疾患を推論する機能を有する。
The
図2は、学習済みモデル記憶部18に記憶された学習済みモデルの例を示す図である。学習済みモデルは、ニューラルネットワークの一種であるディープラーニングのモデルである。Convolution層とPooling層の複数のセットと、その後段にある全結合層と、Softmax層とを有している。Convolution層とPooling層の複数のセットは、診断対象者の正規化された画像が入力されると、畳み込みとプーリングを繰り返して入力された画像の特徴量を抽出する。全結合層は、抽出された特徴量を一つのノードに結合する。softmax層は、全結合層からの出力に基づいて各疾患の確率を出力する。
FIG. 2 is a diagram showing an example of a trained model stored in the trained
この学習済みモデルは、事前に、多数の被験者のデータを用いて重み係数の学習が行われている。具体的には、Convolution層で用いるフィルタのパラメータや全結合層のノードの重みのパラメータの学習が行われている。学習済みモデルの生成については後述する。 In this trained model, the weighting coefficient is trained in advance using the data of a large number of subjects. Specifically, the parameters of the filter used in the Convolution layer and the parameters of the node weights of the fully connected layer are learned. The generation of the trained model will be described later.
本実施の形態の学習済みモデルは、人工知能ソフトウェアの一部であるプログラムモジュールとしての利用が想定される。本実施の形態の学習済みモデルは、CPU及びメモリを備えるコンピュータにて用いられる。具体的には、コンピュータのCPUが、メモリに記憶された学習済みモデルからの指令に従って、ニューラルネットワークの入力層(最初のConvolution層)に入力された入力データ(脳表画像およびZスコア画像)に対し、畳み込みおよびプーリングを行って画像の特徴量を求め、求めた特徴量に対して学習済みの重み付け係数に基づく演算を行い、出力層(Softmax層)から結果(各疾患を有する確率値)を出力するよう動作する。 The trained model of this embodiment is expected to be used as a program module that is a part of artificial intelligence software. The trained model of this embodiment is used in a computer including a CPU and a memory. Specifically, the CPU of the computer inputs the input data (brain surface image and Z-score image) input to the input layer (first Convolution layer) of the neural network according to the command from the trained model stored in the memory. On the other hand, the feature amount of the image is obtained by convolution and pooling, the calculated feature amount is calculated based on the learned weighting coefficient, and the result (probability value of having each disease) is obtained from the output layer (Softmax layer). Works to output.
出力部17は、推論部16にて推論された疾患のデータを出力する。出力部17は、例えば、モニタに、推論された疾患名と共に、診断対象者の脳画像を表示してもよい。
The
図3は、診断支援装置1の動作を示すフローチャートである。診断支援装置1に、診断対象者の脳の核医学画像が入力されると(S10)、診断支援装置1は、入力された診断対象者の脳画像の解剖学的標準化を行う(S11)。続いて、診断支援装置1は、解剖学的標準化された画像を用いて脳表画像を生成し(S12)、生成された脳表画像の信号強度の正規化を行う(S13)。次に、診断支援装置1は、健常者のデータを用いてZスコア画像を生成する(S14)。その後、診断支援装置1は、脳表画像およびZスコア画像を学習済みモデルに適用し、疾患の推論を行い(S15)、推論された結果を出力する(S16)。
FIG. 3 is a flowchart showing the operation of the
次に、学習済みモデル記憶部18に記憶された学習済みモデルの生成について説明する。図4は、学習済みモデルを生成する学習装置2の構成を示す図である。学習装置2は、入力部20と、前処理部21と、学習部26と、モデル記憶部27を有している。
Next, the generation of the trained model stored in the trained
入力部20は、学習の教師データとして、多数の被験者の脳の核医学画像の入力を受け付ける機能を有する。被験者には、認知症の疾患を有する者の他、健常者も含まれる。入力する教師データは、学習済みモデルを用いて分類したい疾患を持つ被験者のデータであり、例えば、アルツハイマー型認知症、レビー小体型認知症、前頭側頭型認知症である。入力部20は、こうした被験者の脳画像のデータと共に、被験者の疾患を特定するデータの入力を受け付ける。
The
前処理部21は、入力された被験者の脳の核医学画像の前処理を行う。前処理部21の構成および処理内容は、診断支援装置1の前処理部11と同じである。
The preprocessing
学習部26は、教師データを用いて、モデル記憶部27に記憶されたモデルの学習を行う機能を有する。モデル記憶部27には、図2に示したモデルが記憶されている。モデル記憶部27に記憶されたモデルに対して学習が行われたものが学習済みモデルである。すなわち、学習を行う前のモデルと行った後のモデルは、パラメータの重み付けが異なるが、基本的な構成は同じである。
The
学習部26は、教師データの被験者の脳画像データから生成した脳表画像およびZスコア画像を学習対象のモデルの入力層に適用し、その被験者の疾患をSoftmax層に適用する。Softmax層は、アルツハイマー型認知症、レビー小体型認知症、前頭側頭型認知症、健常者のノードを有する。診断対象者の疾患の推論を行う際には、各疾患または健常者のノードには、その確率値が出力されるが、学習を行う際には、教師データである被験者の疾患に対応するノードに「1」を適用し、それ以外のノードに「0」を適用する。学習部26は、逆誤差伝播法を用いて、モデルのパラメータ値の学習を行い、学習されたモデルをモデル記憶部27に記憶する。
The
図5は、学習装置2の動作を示すフローチャートである。学習装置2は、多数の被験者の脳の核医学画像と当該被験者の疾患のデータを教師データとして入力する(S20)。次に、学習装置2は、学習に用いる被験者の脳画像の解剖学的標準化を行い(S21)、解剖学的標準化された脳の画像から脳表画像を生成する(S22)。続いて、脳表画像の信号強度の正規化を行い(S23)、正規化された脳表画像と複数の健常者の脳表画像とに基づいて、Zスコア画像を生成する(S24)。
FIG. 5 is a flowchart showing the operation of the
学習装置2は、複数の被験者の脳表画像とZスコア画像を学習対象のモデルの入力層に適用すると共に、その被験者の疾患のデータをモデルの出力層に適用して、逆誤差伝播法を行うことによってモデルの学習を行う(S25)。学習装置2は、他にも教師データがあるか否かを判定し(S26)、他にも教師データがある場合には(S26でYES)、他の教師データを用いてモデルの学習を行う。具体的には、被験者の脳の解剖学的標準化のステップS21に戻って処理を行う。入力された全ての教師データの処理が完了し、他に教師データがない場合には(S26でNO)、学習装置2は、モデルの学習の処理を終了する。
The
以上、本実施の形態の診断支援装置1、学習装置2の構成について説明したが、上記した診断支援装置1および学習装置2のハードウェアの例は、CPU、RAM、ROM、ハードディスク、ディスプレイ、キーボード、マウス、通信インターフェース等を備えたコンピュータである。上記した各機能を実現するモジュールを有するプログラムをRAMまたはROMに格納しておき、CPUによって当該プログラムを実行することによって、上記した診断支援装置1および学習装置2が実現される。このようなプログラムも本発明の範囲に含まれる。
The configurations of the
本実施の形態の診断支援装置1は、核医学画像から疾患を推論するための学習済みモデルを有している。この学習済みモデルを使って、診断対象者の核医学画像から被験者の疾患を推論することにより、疾患の鑑別を支援することができる。また、学習済みモデルの生成に際しては、被験者の核医学画像から生成した信号強度を正規化した脳表画像を用いてモデルの学習を行うので、少ない教師データによって適切なモデルを生成することができる。
The
図6は、第1の実施の形態の変形例に係る学習装置2の動作を示すフローチャートである。変形例に係る動作は、基本的には図5を用いて説明した動作と同じであるが、信号強度の正規化の処理(S23a)が異なる。
FIG. 6 is a flowchart showing the operation of the
信号強度を正規化する際に、被験者の脳表画像を被験者の全脳、視床、小脳、橋、感覚運動野のそれぞれの平均画素値で割ることによって正規化の処理を行う。これにより、一の被験者の脳画像から5つの正規化画像が得られる。これらの5つの正規化画像を学習に用いることができるので、教師データが増えることになる。これにより、学習に用いる被験者のデータが少ない場合にも、教師データを増やして適切なモデルを生成することができる。 When normalizing the signal strength, the normalization process is performed by dividing the brain surface image of the subject by the average pixel value of each of the subject's whole brain, thalamus, cerebellum, pons, and sensorimotor cortex. As a result, five normalized images can be obtained from the brain image of one subject. Since these five normalized images can be used for learning, teacher data will increase. As a result, even when the data of the subjects used for learning is small, the teacher data can be increased to generate an appropriate model.
(第2の実施の形態)
図7は、第2の実施の形態の診断支援装置3の構成を示す図である。第2の診断支援装置3の基本的な構成は、第1の実施の形態と同じであるが、第2の診断支援装置3は、診断対象者の脳の核医学画像と共に、被験者のMMSE結果のデータの入力を受け付け、MMSE結果をも用いて疾患の鑑別を行う点が異なる。なお、MMSEは、ミニメンタルステート検査と呼ばれる認知症診断の検査であり、複数の質問項目に対する回答によって認知症の診断を行うものである。(Second Embodiment)
FIG. 7 is a diagram showing the configuration of the
図8は、第2の実施の形態の診断支援装置3で用いられる学習済みモデルを示す図である。第2の実施の形態の学習済みモデルは、第1の実施の形態の学習済みモデルに加えて全結合層にMMSE結果が入力される構成を有している。
FIG. 8 is a diagram showing a trained model used in the
図9は、診断支援装置3の動作を示すフローチャートである。診断支援装置3に、診断対象者の脳の核医学画像とMMSE結果が入力されると(S30)、診断支援装置3は、入力された診断対象者の脳画像の解剖学的標準化を行う(S31)。続いて、診断支援装置3は、解剖学的標準化された画像を用いて脳表画像を生成し(S32)、生成された脳表画像の信号強度の正規化を行う(S33)。次に、診断支援装置3は、健常者のデータを用いてZスコア画像を生成する(S34)。その後、診断支援装置3は、脳表画像およびZスコア画像とMMSE結果とを学習済みモデルに適用し、疾患の推論を行い(S35)、推論された結果を出力する(S36)。
FIG. 9 is a flowchart showing the operation of the
次に、学習済みモデル記憶部27に記憶された学習済みモデルの生成について説明する。図10は、学習済みモデルを生成する学習装置4の構成を示す図である。第2の実施の形態の学習装置4の基本的な構成は、第1の実施の形態と同じであり、入力部10と、前処理部21と、学習部26と、モデル記憶部27を有している。第2の実施の形態の学習装置4によって学習するモデルは、図8に示すモデルである点が異なる。
Next, the generation of the trained model stored in the trained
入力部20は、学習の教師データとして、多数の被験者の脳の核医学画像、MMSE結果のデータの入力を受け付ける機能を有する。入力部20は、こうした被験者の脳画像およびMMSE結果のデータと共に、被験者の疾患を特定するデータの入力を受け付ける。
The
前処理部21は、入力された被験者の脳の核医学画像の前処理を行う。前処理部21の構成および処理内容は、診断支援装置3の前処理部21の処理と同じである。
The preprocessing
学習部26は、教師データを用いて、モデル記憶部27に記憶されたモデルの学習を行う機能を有する。モデル記憶部27には、図8に示したモデルが記憶されている。学習部26は、教師データの被験者の脳画像データから生成した脳表画像およびZスコア画像とMMSE結果とを学習対象のモデルの入力層に適用し、その被験者の疾患をSoftmax層に適用する。学習部26は、逆誤差伝播法を用いて、モデルのパラメータ値の学習を行い、学習されたモデルをモデル記憶部27に記憶する。
The
第2の実施の形態の診断支援装置3は、診断対象者の核医学画像に加えて、MMSE結果を用いて、疾患の推論を行うので、疾患鑑別の精度を高めることができる。なお、本実施の形態では、被験者および診断対象者の臨床情報としてMMSEを用いる例を挙げたが、MMSE以外の臨床情報を用いることとしてもよい。
Since the
(変形例)
上記した実施の形態では、被験者および診断対象者の脳画像として、脳表画像とZスコア画像の両方を用いる例を挙げたが、脳表画像とZスコア画像のいずれかを用いることとしてもよい。また、脳表画像に代えて、脳の断層画像を用いることとしてもよい。すなわち、解剖学的標準化された脳の核医学画像から断層画像を生成し、断層画像の信号強度を正規化して生成した断層画像を用いることにより、上記した実施の形態と同じく、少ない教師データによって適切なモデルを生成することができる。また、上記した実施の形態では、統計学的解析を行った画像の例としてZスコア画像を挙げたが、Zスコア画像以外の統計学的解析処理を施した画像を教師データとして用いることも可能である。(Modification example)
In the above-described embodiment, both the brain surface image and the Z-score image are used as the brain images of the subject and the diagnosis target, but either the brain surface image or the Z-score image may be used. .. Further, a tomographic image of the brain may be used instead of the brain surface image. That is, by generating a tomographic image from an anatomically standardized nuclear medicine image of the brain and using the tomographic image generated by normalizing the signal intensity of the tomographic image, as in the above embodiment, with a small amount of teacher data. Appropriate models can be generated. Further, in the above-described embodiment, the Z-score image is given as an example of the image subjected to the statistical analysis, but an image subjected to the statistical analysis processing other than the Z-score image can also be used as the teacher data. Is.
上記した実施の形態では、アルツハイマー型認知症、レビー小体型認知症、前頭側頭型認知症の鑑別を行う例を挙げたが、本発明は、これら以外の認知症、例えば、脳腫瘍、慢性硬膜下血種、正常圧水頭症、頭部外傷後遺症等の鑑別にも用いることができる。 In the above-described embodiment, an example of differentiating Alzheimer's dementia, Levy body dementia, and frontotemporal dementia has been given, but the present invention has described other dementias such as brain tumor and chronic hard dementia. It can also be used to distinguish subdural blood species, normal pressure hydrocephalus, and aftereffects of head trauma.
上記した実施の形態では、核医学画像を例として説明したが、本発明の診断支援装置は、MRI画像、fMRI画像等にも適用することが可能である。例えば、MRI画像を用いて早期アルツハイマー型認知症(AD)に特徴的に見られる内側側頭部の萎縮の形態情報の解析に用いる場合には、MRI画像から抽出した灰白質の画像を解剖学的標準化および正規化した画像を用いることにより、上記した実施の形態と同じく、学習に用いる被験者のデータが少ない場合にも教師データを増やして適切なモデルを生成することができる。また、MRI画像を用いる場合にも、統計学的解析によって得られた画像を用いてもよい。一例としては、解剖学的標準化および正規化した被験者のMRI画像を複数の健常者のMRI画像と比較して、Zスコア画像を生成し、Zスコア画像を用いてモデルの学習を行ってもよい。 In the above-described embodiment, the nuclear medicine image has been described as an example, but the diagnostic support device of the present invention can also be applied to an MRI image, an fMRI image, and the like. For example, when MRI images are used to analyze morphological information of medial temporal atrophy characteristic of early Alzheimer's dementia (AD), anatomy of grayish images extracted from MRI images. By using the standardized and normalized images, it is possible to increase the teacher data and generate an appropriate model even when the data of the subject used for learning is small, as in the above-described embodiment. Further, when using an MRI image, an image obtained by statistical analysis may be used. As an example, the MRI image of the anatomically standardized and normalized subject may be compared with the MRI image of a plurality of healthy subjects to generate a Z-score image, and the model may be trained using the Z-score image. ..
上記した実施の形態では、ディープラーニングのモデルを用いる例を挙げたが、ニューラルネットワークのモデルを用いてもよいし、他の学習モデルを用いてもよい。 In the above-described embodiment, an example of using a deep learning model has been given, but a neural network model may be used, or another learning model may be used.
この出願は、2018年3月9日に出願された日本出願特願2018−043242号を基礎とする優先権を主張し、その開示の総てをここに取り込む。 This application claims priority on the basis of Japanese application Japanese Patent Application No. 2018-043242 filed on March 9, 2018, and incorporates all of its disclosures herein.
Claims (10)
診断対象者の脳画像を入力する入力部と、
前記入力部にて入力された脳画像を解剖学的標準化および正規化する標準化部と、
解剖学的標準化され、かつ、正規化された脳画像に関するデータを前記学習済みモデルに適用して、前記診断対象者の疾患を推論する推論部と、
前記推論部にて推論された疾患のデータを出力する出力部と、
を備える診断支援装置。A storage unit that stores a trained model constructed by learning the weighting coefficient of the neural network using the data related to the brain images of a large number of subjects and the data of the disease of the subject as teacher data.
An input unit for inputting the brain image of the person to be diagnosed,
A standardization unit that anatomically standardizes and normalizes the brain image input by the input unit,
An inference unit that infers the disease of the diagnosed subject by applying data on the anatomically standardized and normalized brain image to the trained model.
An output unit that outputs the disease data inferred by the inference unit, and an output unit.
Diagnostic support device equipped with.
前記標準化部は、
前記入力部にて入力された核医学画像を解剖学的標準化する解剖学的標準化部と、
前記解剖学的標準化された画像から脳表画像を生成する脳表画像生成部と、
前記脳表画像の信号強度を正規化する正規化部と、
を有し、
前記推論部は、前記正規化された脳表画像を前記学習済みモデルに適用して、前記診断対象者の疾患を推論する、請求項1または2に記載の診断支援装置。The brain image is a nuclear medicine image and is
The standardization unit
An anatomical standardization unit that anatomically standardizes the nuclear medicine image input in the input unit,
A brain surface image generator that generates a brain surface image from the anatomically standardized image,
A normalization unit that normalizes the signal strength of the brain surface image,
Have,
The diagnostic support device according to claim 1 or 2, wherein the reasoning unit applies the normalized brain surface image to the trained model to infer the disease of the person to be diagnosed.
前記推論部は、前記脳表画像に代えて、または前記脳表画像に加えて、前記Zスコア画像を前記学習済みモデルに適用して、前記診断対象者の疾患を推論する請求項3に記載の診断支援装置。A Z-score image generation unit that generates a Z-score image of a diagnosis target based on the normalized brain surface image and the brain surface images of a plurality of healthy subjects is provided.
The inference unit according to claim 3, wherein the inference unit infers the disease of the diagnosis target person by applying the Z score image to the trained model in place of the brain surface image or in addition to the brain surface image. Diagnosis support device.
前記標準化部は、
前記入力部にて入力された核医学画像を解剖学的標準化する解剖学的標準化部と、
前記解剖学的標準化された画像から断層画像を生成する断層画像生成部と、
前記断層画像の信号強度を正規化する正規化部と、
を有し、
前記推論部は、前記正規化された断層画像を前記学習済みモデルに適用して、前記診断対象者の疾患を推論する、請求項1または2に記載の診断支援装置。The brain image is a nuclear medicine image and is
The standardization unit
An anatomical standardization unit that anatomically standardizes the nuclear medicine image input in the input unit,
A tomographic image generator that generates a tomographic image from the anatomically standardized image,
A normalization unit that normalizes the signal strength of the tomographic image,
Have,
The diagnostic support device according to claim 1 or 2, wherein the inference unit applies the normalized tomographic image to the trained model to infer the disease of the diagnosis target person.
前記入力部は、診断対象者の脳の核医学画像に加えて、前記診断対象者の臨床情報を入力し、
前記推論部は、入力された前記臨床情報をも前記学習済みモデルに適用して、前記診断対象者の疾患を推論する、請求項3乃至5いずれか一項に記載の診断支援装置。In the trained model stored in the storage unit, in addition to the data on the brain images of a large number of subjects and the data on the disease of the subject, the weighting coefficient of the neural network is learned by using the clinical information of the subject as the teacher data. It is a constructed trained model and
The input unit inputs clinical information of the diagnosis target in addition to the nuclear medicine image of the diagnosis target's brain.
The diagnostic support device according to any one of claims 3 to 5, wherein the inference unit infers the disease of the diagnosis target person by applying the input clinical information to the learned model.
前記標準化部は、
前記入力部にて入力されたMRI画像から灰白質を抽出して灰白質の脳画像を生成する組織分割処理部と、
前記灰白質の脳画像を解剖学的標準化する解剖学的標準化部と、
前記灰白質の脳画像の信号強度を正規化する正規化部と、
を有し、
前記推論部は、前記正規化された灰白質の脳画像を前記学習済みモデルに適用して、前記診断対象者の疾患を推論する、請求項1または2に記載の診断支援装置。The brain image is an MRI image and is
The standardization unit
A tissue division processing unit that extracts gray matter from the MRI image input by the input unit and generates a gray matter brain image, and a tissue division processing unit.
An anatomical standardization unit that anatomically standardizes the gray matter brain image,
A normalization unit that normalizes the signal intensity of the gray matter brain image,
Have,
The diagnostic support device according to claim 1 or 2, wherein the reasoning unit applies the normalized gray matter brain image to the trained model to infer the disease of the person to be diagnosed.
多数の被験者の脳画像に関するデータと当該被験者の疾患のデータとを教師データとして、ニューラルネットワークの重み付け係数が学習されて構成された学習済みモデルを記憶させておき、
診断対象者の脳画像を入力するステップと、
入力された脳画像を解剖学的標準化および正規化するステップと、
解剖学的標準化され、かつ、正規化された脳画像に関するデータを前記学習済みモデルに適用して、前記診断対象者の疾患を推論するステップと、
推論された疾患のデータを出力するステップと、
を実行させるプログラム。It is a program to support the discrimination of the disease of the diagnosed subject based on the data related to the brain image of the diagnosed subject, and it is a computer.
Using the data related to the brain images of a large number of subjects and the data of the disease of the subject as teacher data, a trained model constructed by learning the weighting coefficient of the neural network is stored.
Steps to input the brain image of the person to be diagnosed,
Steps to anatomically standardize and normalize the input brain image,
The steps of applying data on anatomically standardized and normalized brain images to the trained model to infer the disease of the diagnosed subject,
Steps to output inferred disease data,
A program that executes.
多数の被験者の脳画像に対して解剖学的標準化および信号強度の正規化が行われた脳画像に関するデータと当該被験者の疾患のデータを教師データとして、ニューラルネットワークの重み付け係数が学習されて構成されたものであり、
ニューラルネットワークの入力層に入力された診断対象者の脳画像に関するデータに対し、学習済みの重み付け係数に基づく演算を行い、診断対象者が罹患している疾患のデータを出力するよう、コンピュータを機能させるための学習済みモデル。A trained model that allows a computer to function to assist in differentiating the disease that the diagnosed person is suffering from, based on data on the brain image of the diagnosed person.
The weighting coefficient of the neural network is learned and constructed using the data related to the brain image obtained by anatomically standardizing and the signal strength normalization for the brain images of a large number of subjects and the data of the disease of the subject as teacher data. And
The computer functions to output the data of the disease that the diagnosed subject is suffering from by performing the calculation based on the learned weighting coefficient on the data related to the brain image of the diagnosed subject input to the input layer of the neural network. Trained model to let.
前記入力部にて入力された脳画像の解剖学的標準化および正規化を行う標準化部と、
解剖学的標準化され、かつ、正規化された多数の脳画像に関するデータを順次ニューラルネットワークの入力層に入力すると共に、入力した脳画像に対応する前記被験者の疾患のデータをニューラルネットワークの出力層に入力し、逆誤差伝播法によってニューラルネットワークの重み付け係数を更新する処理を繰り返し行う学習部と、
前記学習部によって学習されたニューラルネットワークを記憶する記憶部と、
を備える学習装置。An input unit for inputting data on brain images of a large number of subjects and data on the diseases of the subjects as teacher data,
A standardization unit that performs anatomical standardization and normalization of the brain image input by the input unit,
Data on a large number of anatomically standardized and normalized brain images are sequentially input to the input layer of the neural network, and the disease data of the subject corresponding to the input brain images is input to the output layer of the neural network. A learning unit that repeatedly inputs and updates the weighting coefficient of the neural network by the inverse error propagation method,
A storage unit that stores the neural network learned by the learning unit, and a storage unit.
A learning device equipped with.
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