Development of medical imaging devices based on Virtual Clinical Trial: Proof of concept

基于虚拟临床试验的医学成像设备的开发：概念验证

基本信息

批准号：
21KK0286
负责人：
田中利恵
金额：
$ 6.16万
依托单位：
Kanazawa University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Fund for the Promotion of Joint International Research (Fostering Joint International Research (A))
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022 至 2024
项目状态：
已结题

项目摘要

医療機器開発には長い時間を要する。これは提案手法の有用性・優位性を証明するために、多くの症例データを必要とするためである。そこで本国際共同研究では、基課題で取り組んでいる「深層学習による画像情報を主軸にした肺機能診断法」の開発に、コンピュータシミュレーションによる仮想臨床試験（Virtual clinical trial：VCT）を並走させることで、基課題の加速化をはかる。研究目的を達成するため、仮想人体の設計と疾患モデルの作成、それらを対象とした仮想空間での医療機器の性能評価や各種パラメータの最適化に挑む。本国際共同研究では、デューク大学のDr.Sameiらが開発した仮想人体生成プログラムならびに申請者らの実臨床データを用いて、仮想人体の設計とそのシミュレーション画像の生成（STEP1～2）、基課題で構築中の深層ネットワークモデルの学習・評価（STEP3）、仮想臨床試験の実施（STEP4）、学習済みモデルの実臨床データへの適用（STEP5）と研究を進めていく。2022年度は、仮想臨床試験を実施するための準備として、日本国内にてSTEP1に取り組んだ。具体的には、デューク大学で開発された仮想人体生成プログラムに、体型・年齢・性別・肺機能・心機能など属性・臓器形状・生体機能を決める数十個の可変パラメータを設定することで、様々な肺機能（正常、閉塞性換気障害、拘束性換気障害、混合性換気障害）を有する仮想人体を設計した。可変パラメータの設定に必要な情報は、基課題で対象としている呼吸器疾患症例（n=700）の臨床データ（胸部CT画像、胸部X線動画像、精密呼吸機能検査）から統計的手法により得た。

医疗器械的开发需要很长时间。这是因为需要大量的案例数据来证明该方法的有用性和优越性。因此，在这项国际联合研究中，我们将利用计算机模拟进行虚拟临床试验（VCT），同时开发以深度学习为中心的图像信息的肺功能诊断方法，这是该项目的核心主题。通过这种方式，我们的目标是加速解决核心问题。为了实现我们的研究目标，我们将设计虚拟人体，创建疾病模型，评估虚拟空间中医疗设备的性能，并优化各种参数。在本次国际联合研究中，我们将利用杜克大学Samei博士等人开发的虚拟人体生成程序以及申请人的实际临床数据来设计虚拟人体并生成其模拟图像（STEP 1-2），该研究将继续对目前正在构建的深度网络模型进行训练和评估（STEP 3），实施虚拟临床试验（STEP 4），以及将训练好的模型应用于实际临床数据（STEP 5）。 2022 年，我们在日本开展了 STEP 1，为进行虚拟临床试验做准备。具体来说，通过在杜克大学开发的虚拟人体生成程序中设置数十个决定身体形状、年龄、性别、肺功能、心脏功能、器官形状和生物功能等属性的可变参数，我们设计了虚拟人体各种肺功能（正常、阻塞性通气障碍、限制性通气障碍和混合性通气障碍）。设置变量参数所需的信息是通过基础项目 Ta 中针对的呼吸系统疾病病例（n = 700）的临床数据（胸部 CT 图像、胸部 X 射线视频图像、精确呼吸功能测试）获得的。