科学者たちは、カプセル内視鏡カメラで撮影したたった一枚の画像を使って、結腸の三次元モデルを作成することに成功した。この新しい方法により、はるかに優れた画像が得られ、専門家が病気をより迅速に検出できるようになる。
私たちの研究は、カプセル内視鏡カメラで撮影した単一の画像に基づいて、たとえ低品質の画像であっても、一部の患者の結腸のかなり正確な3次元（3D）モデルを再現できることを示しています。」
Pål Anders Floor、NTNU コンピュータサイエンス学部研究員
目標: より良い画像、より迅速な診断
彼はカプセル内視鏡カメラの画像を使って腸のほぼ同一の3Dモデルを再構築する研究を数年にわたって行ってきた。このカメラは20年以上前に初めて使用されたが、低品質の画像と画像ノイズのため、このスマート技術は実際には普及しなかった。新しい研究では、 「内視鏡画像の単一画像ベース3D再構成」 最近、 イメージングジャーナルこれは、フロアとイヴァル・ファルップ教授の指導の下、ビラル・アフマドが取り組んでいる博士研究の一部です。
この研究の主な目的は、専門医が患者の消化管の異常を検出するために使用する画像を改善することです。これにより、病気をより簡単に検出し、より迅速に診断できるようになります。これは、ノルウェーで2番目に多いがんである大腸がんと闘うという最終目標への重要なステップです。
ゴム製の腸、内視鏡、そして数学
NTNU の研究者は、人工結腸、内視鏡で撮影した単一画像、特殊なアルゴリズムを使用して、3 次元の腸モデルを再構築することに成功しました。内視鏡はカプセル カメラと同じ機能を果たしますが、重要な違いがいくつかあります。画像の解像度が高く、カメラの明るさを手動で調整できます。
研究者が使用したアルゴリズムは、Shape-From-Shading アルゴリズム (SFS) と呼ばれます。これは、単一の 2 次元画像から 3 次元形状を再構築するために使用できる数学モデルです。
本物の腸のコピーをパソコンで再現
アルゴリズムにノイズの多い画像や色が歪んだ画像が入力されると、エラーが 3D モデルに広がります。
「画像を慎重に調整し、前処理することで、たとえ画像にノイズや視覚的な歪みが満載であっても、たった 1 枚の画像に基づいて優れた 3D モデルを作成できることを実証しました」とフロア氏は語った。
医師にとって大きなメリット
フロア氏と彼の同僚は、カプセルカメラで撮影した複数の画像からなるシーケンスに基づく 3D モデルの開発にも取り組んでいます。これにより、モデルは結腸のより長い部分を再現できます。このモデルにより、腸のどこに異常や病気の兆候があるかを正確に見つけることができるはずです。
「私たちは以前、カプセルカメラからのビデオと合わせて、このタイプのモデルが患者を評価する際に医師にとって有用であることを示した。今回、私たちは、既存の実際の画像と技術を使用して、比較的正確な3Dモデルを計算できることを示した」とフロア氏は述べた。
より良く、より速く、より正確に
研究者たちは新しい研究で、かなり質の低い元の画像を基に、比較的高品質の三次元腸画像を再構築している。彼らの共同の努力により、腸全体の形状を再構築することが可能になった。
「3Dモデルを使用すると、元の画像の照明を調整して、暗い部分をより明るく照らし、より詳細な部分を見ることができる」とフロア氏は語った。
「私たちはみな結腸を持っていますが、腸の構造や形状はおそらく隣人の腸とはかなり異なります。新しい 3D モデルは各患者に合わせて調整できます。これにより、専門医は PC 上でさまざまな角度から消化管を検査し、より適切な計画を立て、介入すべき場所を正確に判断できます。医師は特に難しい処置の前に練習することもできるため、何か問題が発生するリスクを減らすことができます」とフロア氏は言います。
道を一歩進む
大きな疑問は、これらの新しい方法が大腸がんとの戦いにおいて画期的な進歩を意味するかどうかだ。
「明確な結論を出すのは時期尚早です。まず、これまで開発したものを改良し、さらに研究する必要があります。統計的に有効な結果を得るには、かなりの時間がかかる可能性があります。」
がん統計のトップ
ノルウェーのがん登録（ノルウェー語）の数字によると、ノルウェーはがんの有病率と死亡率に関して世界トップの統計値を示しています。 大腸がんによる死亡大腸がんは国内で2番目に多く見られるがんで、2023年には4,912人が診断された。
研究者たちは当初、ワイヤレス カプセル内視鏡 (WCE) に非常に大きな期待を寄せていました。この小さなカプセルは、従来の大腸内視鏡検査や胃内視鏡検査に取って代わることができると考えられていました。従来の大腸内視鏡検査や胃内視鏡検査は、痛みが強すぎて検査を拒む人もいます。
カプセル内のカメラ
対照的に、カプセルカメラは、患者が日常生活を送りながら、ほとんど気づかれずに痛みもなく腸の隅々まで検査することができます。飲み込まれるとすぐに、カメラ付きのカプセルは消化管を通る骨の折れる旅を始めます。この旅には何時間もかかり、その途中で何万もの画像を送信します。この革新技術は優れていますが、消化管全体に同じように機能するわけではありません。カプセルカメラは小腸の検査には最適な選択肢です。結腸に関しては、大腸内視鏡検査に取って代わるまでにはまだ長い道のりがあります。
その理由の 1 つは、膨大な量のデータを確認し分析するには長い時間がかかり、病気の兆候を見逃してしまう可能性が非常に高いからです。カプセルは腸の動きを追って断続的に進み、しかしカメラが突然ポリープを「見ない」まま通り過ぎてしまうこともあります。
重要な詳細が欠落している
そのため、病気の兆候がある重要な部位の画像が 1 枚しか撮影されない可能性があります。腸内の視界も非常に不安定で、光がほとんどなく、さまざまな破片が混じっていることがよくあります。画像の解像度も低く、最も重要な画像が鮮明でクリアである保証はありません。
フロア氏とその同僚が今や実現したように、たった 1 枚の写真に基づいて 3D モデルを再構築できることが重要なのは、ここに理由があります。新しい 3D モデルは、胃腸の検査をより正確かつ簡単にし、最終的にはより良い治療につながるでしょう。
多くの分野で使用可能
フロア氏と彼の同僚は、この技術の設計を改善してさらに高品質の画像を得る方法についていくつかの提案をしています。また、この技術は、画像から 3 次元の形状やモデルを生成するのに役立つ他の分野にも簡単に応用できると考えています。
研究者らは、これには文化遺産、ロボット工学、医療診断などが含まれる可能性があると記している。
この取り組みは、ノルウェー研究評議会のプロジェクト「人工知能と 3D 再構成によるワイヤレス カプセル内視鏡画像における病理検出の改善 (CAPSULE)」の作業パッケージ 2 の一部です。
フロア氏は、イェービクのインランデット病院トラストとの協力を称賛し、それがプロジェクトの進展にとって極めて重要であったと述べています。彼らの専門家は、方法論の選択とモデルの評価の両方で重要な役割を果たしました。
「これらの医師からのフィードバックがなければ、私たちは暗闇の中で手探りで作業することになるだろう」と彼は語った。
ソース：
ジャーナル参照:
アハメド、B.、 等 (2024). 内視鏡画像の単一画像ベースの3D再構成。 イメージングジャーナル。 翻訳：doi.org/10.3390/jaging10040082。
1719329020
#大腸の単一画像3Dモデリングにより迅速な病気診断が可能になる
2024-06-25 15:17:00