保健科学研究10(2)： 17―24，2019【原著】
深層学習法(Deep learning)による末梢血白血球分類
AI モデルの検討
小田未来*1

佐々木亜実*1

野坂大喜*2

中野学*2

藤岡美幸*2 高見秀樹*2(2020 年 1 月 15 日受付，2020 年 2 月 18 日受理)
要旨：深層学習法はニューラルネットワークを用いて多層的に解析することで，コンピューター自らがデータに含まれる潜在的な特徴をとらえ，正確で効率的な判断を実現する技術である。本研究では深層学習法を利用した血液形態解析用 AI モデルについて検討した。典型的形態を示す成熟白血球細胞を対象として教師画像による転移学習とパラメータ設定を行い，得られた AI モデルについて評価画像による分類予測値計算と目視分類との比較を行った。その結果，1 細胞群間での 2 分類は 99.0%以上の精度を示した。1 細胞群－複数細胞混合群間での 2 分類では 82.6-100%の精度を示した。背景処理済み画像による Pre-training 後，非背景処理教師画像での追加転移学習と Fine-tuning を行い 6分類した結果， 99％の精度を示し高精度な白血球分類モデルが得られた。本モデルは白血球分類スクリーニング技
術として有用性が高く，幼弱細胞や異常細胞画像の追加学習によって病態の正確な検出に貢献すると示唆される。
キーワード：人工知能，深層学習法，血液形態検査

Ⅰ．はじめにーンを示し，分類算定の正確性が劣ることが報告されており，このような症例では標本観察による再検査が必要とな

我が国は少子高齢化に伴い，労働人口の急激な減少が生り大規模施設ほど再検査率も高くなる傾向にある 11)。一方，

じており，医療分野においても医療資源の効率化が求めら

ヒトの顕微鏡観察による目視分類の代替技術として開発されている。特に 2025 年問題や在宅医療への転換を踏まえ，れたのが，パターン認識方式を原理とした自動形態分析技

医療用ロボットによる遠隔医療や「人工知能(AI)」内蔵型術である 12, 13)。本法の特徴は，細胞個々の特徴を機械学習

医療機器，在宅 POCT 機器等の開発が求められている 1)。

パラメータに基づいて分類することで正確な検査が可能とこれまで臨床検査分野では自動分析装置や搬送用ロボなること，また幼弱細胞などの分類不能細胞についてはモットの導入によりオートメーション化が進められ，人為的ニターでの目視確認ができることなどの利点がある。一方作業を大きく削減してきたが，AI の社会実装により従来オで欠点としては分類速度が遅く，分類細胞数も少ないためートメーション化が困難であった分野についても自動化の精密さにかけることが挙げられる。以上のことから，自動進展が期待されている状況にある 2)。臨床検査分野におけ白血球分類技術は患者特性により適法を見極め検査するこる自動化の例としては生化学自動分析装置や自動血液算定とが重要となり，両者のメリットを併せ持った血液形態観(CBC)装置があり，ほぼ 100%の計測自動化と精度管理の自察技術が求められている。加えて形態検査分野においても動化を達成している 3-6)。CBC 装置は電気抵抗方式による自動化技術的開発が行われてきたものの，最終的な自動診血球数算定技術 7, 8)を端として基盤技術が確立され，現在主断技術ではなく，あくまでも計測自動化にとどまっており，流の光散乱方式による算定技術が開発された。光散乱法式

人間の思考回路を反映できないことが一因でもあった 14) 。

はフローサイトメトリー技術を採用しており，少量の血液近年，人間の思考回路を反映させた判断が可能な技術とで血球カウントと白血球分類の同時多項目検査が可能となして人工知能(Artificial Intelligence, AI)が急速に発展していっている。本法の特徴は血球分類算定速度が速く，塗抹標る。AI とは言語の理解や推論，問題解決などの知的行動を本の作製が不要なこと，多くの細胞数を分析するため精密人間に代わってコンピューターに行わせる技術であり，社性に優れるなどの利点があげられる 9, 10)。しかし，フロー会実装に至った技術も数多く報告されている 15-17)。機械学

サイトメトリー方式は正常血液細胞では高い精密度が得ら

習と AI との違いは，機械学習ではデータに潜む規則性やれるものの，化学療法による血球形態の変化や幼弱細胞がパターンを，人間の指定した情報から学習することである

出現する患者検体においては異常なスキャッタグラムパタ*1 弘前大学医学部保健学科
Hirosaki University Graduate School of Health sciences〒036-8564 青森県弘前市本町 66-1 TEL:0172-39-5918
66-1, Honcho, Hirosaki-shi, Aomori, 036-8564, Japan*2 弘前大学大学院保健学研究科
Hirosaki University Graduate School of Health sciences〒036-8564 青森県弘前市本町 66-1 TEL:0172-39-5918
66-1, Honcho, Hirosaki-shi, Aomori, 036-8564, Japan
Correspondence Author h16m2310@hirosaki-u.ac.jpⓒ2019 Health sciences Research.

18)。機械は入力データとして学習データを受け取り，そこから特徴量を抽出する。事前に人間が定義する必要があることで，不必要な情報を分析しない一方で，未知の情報を解析対象とできないという課題があった 19)。一方，近年開発された AI 技術の 1 つである深層学習は，人間の脳神経回路を模したニューラルネットワークを多層的にすること

17深層学習法(Deep learning)による末梢血白血球分類 AI モデルの検討

で，コンピューター自らがデータに含まれる潜在的な特徴をとらえ，より正確で効率的な判断を実現させる技術であMay-Grünwald

る 20)。深層学習では機械が学習の中で特徴量を自動的に抽10↓出することを特徴としている。事前に人間が定義する必要

May-Grünwaldがない一方，複雑に絡み合った情報の組合せを多層にわた※

3って解析することから膨大な計算量を処理しきれないとい↓う課題があった 18, 21)。近年，ハードウェアやソフトウェア

15

技術の発達により AI 技術の利用課題に対してブレークス

30↓

ルーに至ったことから，汎用的利用が可能となった 20, 22)。

※

AI による深層学習では，AI が各細胞を分析し特徴を自ら25↓学習することから，多くの教師画像データを学習させるこ

15とで経験値にとらわれず客観的な形態解析が可能となる。

30↓

また，異常細胞が出現した際にも対応可能な学習を行うことで対応できるようになると期待できるものの，CBC 検査において深層学習法による解析技術についての報告は少な※い。そこで本研究では深層学習法による血液形態分析の有※用性と可能性について基礎的検討を行った。

1/150mol/L(pH6.4)
1ml

図111.5MG 染色手順

Ⅱ．研究対象と方法なかった。得られた画像は Augmentation 処理を施し，1．対象

Band500 枚，Segment 500 枚，Eosinophil 462 枚，Basophil 520

健常成人(40 名)より得た EDTA-2Na 加末梢血液を用い，枚，Mono 500 枚，Lymph 500 枚の合計 2982 枚のデータセ

薄層血液塗抹標本を作製し，図 1 に示す手順にてットを作成した(表 1)。得られた画像のうちランダムに抽出

May-Grünwald･Giemsa (MG)染色を行った 23)。MG 染色標本した 8 割を教師用画像データセットとし，2 割を推論評価は対物 100 倍油浸レンズを用いて顕微鏡観察し，顕微鏡カ用画像データセットとした。

メラ(Axiocam ERc5s, Carl Zeiss 社)にて典型的細胞像を示す正常白血球細胞を撮影し，1335 枚の正常白血球画像データ

3．深層学習法(Deep Learning)による画像解析ベースを作成した。

3.1 深層学習システムの構成
深層学習ライブラリには Nnabla (SONY 社)を，開発環境

2．教師用画像データセットと推論評価用画像データセッには Anaconda3.0，Python3.5 を使用した。また解析用ハートの作成

ドウェアには CPU に Intel(R) Core(TM) i7-8700 3.2GHz，撮影した白血球画像は目視により桿状核好中球(Band)，GPU に NVIDIA GeForce GTX 1070 8GB，OS に Microsoft

分 節 核 好 中 球 (Segment) ， 好 酸 球 (Eosinophil) ， 好 塩 基 球Windows 10 professional を使用した。

(Basophil)，単球(Mono)，リンパ球(Lymph)に 6 分類した。

3.2 白血球細胞群 1 群間比較による 2 分類解析

白血球画像の例を図 2 に示す。好中球は Band と Segmentとの鑑別基準は日本検査血液学会形態標準化小委員会より提唱された好中球系細胞の新分類基準24) に従った。Band6 分類した各細胞群間での分類精度を評価するため，1群間比較による細胞 2 分類解析を行った。
A セットの教師用画像データと推論評価用画像データよは直径 12～15 μm，核の長径と短径の比率が 3：1 以上，り，カラー(3RGB)，280×280 pixel を生成した。本画像にかつ核の最小幅部分が最大幅部分の 1/3 以上で長い曲がっ対し図 4 に示す 2 層での畳み込みニューラルネットワークた核を持つこととした。一方，Segment は分葉した核の間(CNN)によって教師学習用画像セットを用いた転移学習をは核糸でつながるが，核の最小幅部分が十分に狭小化した行い，得られた CNN モデルに対し，推論評価用画像デー場合は核糸形成が進行したとみて Segment と判定した。

タセットにて分類精度及び損失関数を計測･評価した。

画像データセットの作成は図 3 に示す手順にて行った。

3.3 白血球細胞群 1 群対 N 群比較による 2 分類解析

各細胞群の画像は 750×750pxels でトリミング処理した。

6 分類した各細胞群間について任意の 1 群とその他細胞背景処理画像データセット(A セット)と非背景処理画像デ群(5 群)での分類精度を評価するため，1 群対 N 群比較によータセット(B セット)の 2 種類の画像データセットを作成

る細胞 2 分類解析を行った。A セットの教師用画像データするため，A セットでは白血球細胞情報のみを抽出すべく，と推論評価用画像データより，カラー(3RGB)，280×280

赤血球や血小板など白血球以外の背景情報を消去した。Bpixel を生成した。本画像に対し，図 4 に示す 2 層での CNNセットにおいては，背景細胞情報を残すため本処理は行わによって教師学習用画像セットを用いた転移学習を行い，ⓒ2019 Health sciences Research.

18

保健科学研究

図210(2)： 17―24，2019

画像データセットとして使用した典型的特徴を示す白血球画像の例

A: 桿状核好中球(Band)

B: 分節核好中球(Segment)

C: 好酸球(Eosinophil)

D: 好塩基球(Basophil)

E: 単球(Mono)

F: リンパ球(Lymph)

図3

図5

6 分類用 CNN 構造(ResNet18 を改変)

教師･推論評価用画像データセットの作成方法

図6

表1

図4

白血球 6 分類 CNN の評価手順

白血球画像の内訳とデータセットの詳細

2 分類用 CNN 構造ⓒ2019 Health sciences Research.

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深層学習法(Deep learning)による末梢血白血球分類 AI モデルの検討

図7

2 分類 CNN による学習曲線(1 群 vs 1 群)

A: Band 群-Lymph 群間
表2

B: Band 群-Segment 群間

1 群間における分類精度

図8

2 分類 CNN による学習曲線(1 群 vs N 群)

A: Segment 群-その他群間 B: Basophil 群-その他群間
表3

1 群-N 群間における分類精度

その後評価用画像データセットにて分類精度及び損失関数

論評価用画像データセットにて分類精度及び損失関数を計を計測･評価した。

測･比較した。

3.4 深層学習による白血球細胞 6 分類解析

3.5 非背景処理画像による白血球細胞 6 分類解析

白血球細胞 6 分類精度を評価するため，多分類解析を行3.4 において得られた CNN モデル構造が実運用におけるった。A セットの教師用画像データと推論評価用画像デー

白血球分類に適応可能かを検討するため，非背景処理教師

タより教師用画像データセットとしてカラー(3RGB)，480用画像である B セットを用いた ResNet-18 による 18 層 CNN

×480 pixel を生成した。また推論評価用画像セットより，の検討を行った。図 6 にフローチャートを示す。3.4 におカラー(3RGB)，320×320 pixel を生成した。

いて得られた最適条件を反映させた Pre-training 学習済み

背景処理済み教師用画像セットを用いて，一部改変した

CNN モデルに対し，追加学習として B セット非背景処理

ResNet-18(図 5)25)による 18 層での CNN 転移学習を行い，教師用画像データセットによる Fine-tuning を行った。その①最適化学習手法の検討と②学習回数条件の検討を行った。

後，推論評価用画像セットを用いて分類精度及び損失関数

最適化学習手法と学習回数条件の評価は，背景処理済み推を計測し，精度を評価した。

ⓒ2019 Health sciences Research.

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保健科学研究10(2)： 17―24，2019

図 10

非背景処理画像による追加学習での学習曲線
表5

図9

非背景処理画像による推論評価結果

背景処理済み教師画像による白血球 6 分類結果

上) 学習曲線:100epoch に至るまで TRAINING ERROR
曲線，VALIDATION ERROR 曲線は大きく変動し，100epoch 以降において顕著な収束が認められている。
下) 学習回数による正確性と損失の変化
ERROR 曲線は低下したものの，VALIDATION ERROR は低
表4

学習最適化条件評価結果下せず乖離した。各組合せの Accuracy を表 2 に示す。Band群と Segment 群間の分類精度は 91％の精度を示した。その他の細胞群間では 99 %以上の精度を示した。
2. 白血球細胞群 1 群対 N 群比較による 2 分類解析
各分析で得られた学習曲線を図 8 に、各組合せのAccuracy を表 3 に示す。学習曲線は Eosinophil, Lymph, Monoが 1 群側となる組み合わせでは Cost 関数曲線，TRAINING
ERROR 曲 線 ， VALIDATION ERROR 曲 線 は い ず れ も10~30Epoch で収束した。一方，Segment, Band では Cost 関数曲線，TRAINING ERROR 曲線は 10~30Epoch で収束したが，VALIDATION ERROR は収束せず乖離した。Basophilでは Cost 関数曲線，TRAINING ERROR 曲線，VALIDATIONERROR 曲線はいずれも 100Epoch で収束しなかった。
Basophil を除くすべての細胞群は 97％以上の精度を示した

Ⅲ．結果

が，Basophil では 82.6%の精度を示した。

1. 白血球細胞群 1 群間比較による 2 分類解析
図 7 に CNN による学習曲線を示す。学習曲線は No.3
(Band 群-Segment 群)を除くすべての組み合わせにおいて，Cost 関数曲線，TRAINING ERROR 曲線，VALIDATION

3. 深層学習による白血球細胞 6 分類解析
3.1 最適化条件の比較
学習最適化条件の結果を表 4 に示す。最も Accuracy が高ERROR 曲線はいずれも 10~30Epoch で収束した。一方，値を示したのは AdaBound 法

No.3(Band 群-Segment 群)は，Cost 関数曲線，TRAININGAccuracy が低値を示したのは RMAprop 法(0.836)であった。

ⓒ2019 Health sciences Research.

(0.956)であった。一方で，

21

深層学習法(Deep learning)による末梢血白血球分類 AI モデルの検討

3.2 学習回数条件の比較なかったことが原因と推測している。クラス間の重みを考図 9 に学習曲線ならびに学習回数条件による Accuracy

慮した損失関数に変更することで，重要な分類情報成分で値と Cost 値の変化を示す。Epoch 数の増加に従い Accuracyあると認識し精度が高まると考えられる。これは血球に置は上昇し 300Epoch で最高値 0.99 に達した。Cost 値は次第

き換えると対象の細胞の面積に対し，顆粒が占める面積はに低下し 1000Epoch で最低値 0.051 に低下した。

非常に小さく AI にとって重要な分類情報成分だと認識できなかったと考えることができる。この顆粒情報の見落と

4. 非背景処理画像による白血球細胞 6 分類解析
図 10 に非背景処理画像を用いた追加学習による学習曲しが原因としてすべての Basophil が N 群側に分類されたと推測される。

線を、表 5 に推論評価結果を示す。追加学習による学習曲

以上のことから 1 群対 1 群と 1 群対 N 群との 2 分類解析

線は 20epoch で TRAINING ERROR 曲線は収束し，50epochは充分に高い Accuracy が得られることから，Accuracy 値がで VALIDATION ERROR 曲線の大きな変動は収束した。推高いものから順に細胞を分類することで，除外診断として論評価の結果 Accuracy は 0.996，Cost 値は 0.109 であった。

分類不能な白血球の抽出に応用できるものと考えられる。
一方，白血球細胞 6 分類では ResNet18 による背景処理済

Ⅳ．考察

みの白血球画像での pre-training を行った結果，良好な分類精度を示した。またその後の非背景処理の白血球画像によ本研究で深層学習法による血液形態分析の有用性と可能る追加学習と Fine tuning により，標本背景の影響に関わら性について基礎的検討を行った結果，白血球細胞 1 群対１ず良好な分類結果が得られた。このことから同手法は血球群の 2 分類検証結果からは，Band 群-Segment 群間での分分類のための教師学習モデルとして有用であると推定され，類を除くすべての組み合わせで良好な分類結果が得られた。

異常細胞を含む白血球細胞分類等にも有用性が高いものとBand 群-Segment 群間において Accuracy が低値を示した考えられた。Pre-training からの追加学習については Pulkit

原因として，これら 2 群はどちらも好中球であり，形態学Agrawal ら 28-34)による報告においてその有用性は明らかと的には核のくびれの有無によってのみ分類がなされている

されているものの，あらゆる任意の画像セットにおいてことが推察された。このことは顆粒情報や細胞質情報は一pre-training 効果は得られるのか，あるいは今回我々が行っ致または類似しているために特徴抽出が困難だったと推測

た特定の理想的画像セットを用いた pre-training が効果的なできる。このことは渡邉らによる機械学習と目視分類とののかは不明である。医療系分野においては極めて特殊な形比較においても同様の現象が認められていることからも支態学的パターンを分類する必要があることから，病理組織持される 24) 。加えて，本学習曲線からは VALIDATIONや血液標本を同一の画像セットとして学習することが有用

ERROR のみ収束していないことから過学習が発生していなのかなど医療用 AI の特殊性に併せた教師用学習手法にることが疑われ，教師用画像にのみ適応した学習重み付けついては今後検討の余地があると考えられる。

がなされたことも一因であると考えられる。鈴木ら 26)によ今回 ResNet18 をモデルとした 6 分類において深層学習法

ると過学習が発生する原因としては教師用データの不足なは機械学習であるパターンマッチング法と同等以上の分析どが示されており，過学習の問題は，モデルの複雑さとデ精度を示した 13) 。このことは人間が顕微鏡での細胞分類ータ量の相対的な関係から現れるものであり，手元のデーにおいて視覚的に捉えた情報だけではとらえられない周波タを最大限利用しようとすれば必ず現れる問題であるとさ数情報などの特徴量が細胞分類上に有用であることを示しれている。このことは成熟好中球以外においても同一種のており，深層学習法は医療現場においてダブルスクリーニ細胞群においてその成長程度や異常形態の程度から分類をング技術として活用できると考えられる。近年，医療の効試みる場合において同様の課題が発生することを示唆する

率化と同時に患者安全に対しても充分な取り組みが必要とものである。そのため同一細胞種の分類においては，充分されているものの，結果のダブルチェックは他の医療従事な教師用データを準備すること，drop out や正則化を行う者の協力が必要であり，人的資源の効率的活用という面にこと，あるいは半教師学習など他の教師学習手法を加えるおいて課題があった。本研究結果は AI によって人間の視ことで過学習を回避し，精度向上を図る必要があるものと覚情報に依らないチェックが可能であることを示しており，考えられる。

異なる情報を根拠とした多面的な解析を通じたダブルチェ

また 1 群-N 群間の 2 分類検証結果より，Basophil は他のックによりより安全性の高い血液検査結果の報告が期待で細胞群との 2 分類において Accuracy が低値を示した。伊坂きる。本研究では白血球の 6 分類に重点を置き分類解析を

ら 27) は病理形態学分野において肺組織における肺動脈の行ってきた。木村らは 14)では，CNN により新たな自動画像Accuracy が低値であったことに言及している。これは肺動分析システムによる骨髄異形成症候群と再生不良性貧血の脈の占める面積が他に比べて小さく全体の面積のごく一部鑑別診断支援など血液学分野においても AI 診断の有用性であることから，クラス間の重みを加味して評価できていにおいて高い可能性があることを報告している。一方でそⓒ2019 Health sciences Research.

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保健科学研究10(2)： 17―24，2019の臨床応用化においては教師用画像データパターンの不完全さや血球形態変化の影響を踏まえ，血清生化学のデータを付随した学習を行うべきであるなど解決すべき課題も示している。これらの課題を解決することで，従来診断が困難だった稀少症例に対する診断が容易になるものと考えられる。以上のことから血液検査分野においては本研究を発展させさらなる追加学習を行うことで，健常人の成熟白血球だけではなく幼若細胞や異常細胞の検出，また骨髄の有核細胞分類の自動化などへの応用が期待できる。

Ⅴ．結語
深層学習法(Deep learning)による末梢血白血球分類 AI モ
デルは高精度な分類が期待でき，多様な学習画像にも対応可能であることから医療機関の特性や在宅医療など利用されるフィールドに併せたシステム開発のみならず，医療安全などダブルチェックシステムを必要とする場面においても応用化が期待できる。
謝辞

本研究は総務省戦略的研究開発推進事業 SCOPE な

らびに JSPS 科研費(19K21737)の助成を受けております。

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23深層学習法(Deep learning)による末梢血白血球分類 AI モデルの検討【Original Article】
Basic study of Artificial Intelligence model for peripheral blood
leukocyte classification with deep learning technique
MIKU ODA*1 AMI SASAKI*1 HIROYUKI NOZAKA*2
MANABU NAKANO*2 MIYUKI FUJIOKA*2 HIDEKI TAKAMI*2(Received January 15, 2020; Accepted February 18, 2020)

Abstract: Deep learning is one of the AI technologies that make accurate and efficient decisions. AI is able to perform
multi-layered analysis with neural network and discover potential features. In this study, we examined a blood morphology
analysis AI model with the deep learning method. The AI model learned with teacher images of mature white blood cells thatshow typical morphology, and parameter tuning for optimization was performed. The AI model obtained by transfer learning
calculated the classification prediction value with the evaluation image. And it compared with the human visual classification.
Two classifications between any one cell group showed an accuracy of 99.0% or more. Two classifications between the single
cell group and the mixed cell group showed an accuracy of 82.6 to 100%. After pre-training with background-processed
images, additional transfer learning and fine-tuning for six classifications was performed on non-background processed
teacher images. The learning model showed 99% accuracy, and a highly accurate AI model for leukocyte classification wasobtained. This model is useful as a leukocyte classification and screening technique. It is suggested that this techniquecontributes to accurate detection of pathological conditions through additional learning of teacher images of immature cells
and abnormal cells.
Keywords: Artificial intelligence, Deep Learning, Hematological examination*1*2

Hirosaki University School of Health Sciences, 66-1, Honcho, Hirosaki-shi, Aomori 036-8564, Japan
Hirosaki University Graduate School of Health Sciences, 66-1, Honcho, Hirosaki-shi, Aomori 036-8564, Japan
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