画像上同定困難な表在性腫瘍を人工知能で自動描出する技術の開発

• Project/Area Number: 21K15818
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 52040:Radiological sciences-related
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: 西岡 健太郎 北海道大学, 医学研究院, 助教 (80463743)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000); Fiscal Year 2024: ¥260,000 (Direct Cost: ¥200,000、Indirect Cost: ¥60,000); Fiscal Year 2023: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000); Fiscal Year 2022: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000); Fiscal Year 2021: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
• Keywords: 画像認識 / 人工知能 / 放射線治療 / 膀胱癌 / 深層学習 / 機械学習 / セグメンテーション

Outline of Research at the Start

放射線治療を行うにあたりCT画像上で腫瘍の存在範囲を設定する必要があるが、膀胱などの管腔臓器の表層に存在する腫瘍は視覚的に認識することが困難である。本研究では人工知能を用いて腫瘍と正常範囲を識別するセグメンテーション技術に着目し、表在性の腫瘍を自動描出する技術を開発することで放射線治療の精度を向上することを目的とする。

Outline of Annual Research Achievements

令和5年度は、変形レジストレーション手法による標的設定と従来のヒトの手による標的設定との比較を行うとともに、変形レジストレーション手法のマニュアル整備を行った。また、機械学習に用いる教師データに使用しうる症例の選出作業を開始した。
変形レジストレーション手法では、腫瘍切除前のCT画像上で腫瘍が接する膀胱壁の範囲(輪郭)を設定し、腫瘍切除後のCT画像に変形レジストレーションする。その際に腫瘍切除前のCT画像上の輪郭も同様に変形されて腫瘍切除後のCT画像上に反映され、腫瘍の輪郭が描出される。変形レジストレーションのモードや設定パラメータは令和4年度の検討で最適と判断されたものを選択した。ヒトの手による標的設定では、膀胱壁に金属マーカーを留置された症例のCT画像のみを用いて4名の放射線治療医が独立して腫瘍の輪郭を設定した。
腫瘍切除後のCT画像で、CT画像上の金属マーカーだけでなく膀胱鏡の所見も加味して作成した腫瘍の輪郭をゴールドスタンダードとし、変形レジストレーション手法によって作成した腫瘍の輪郭およびヒトの手による腫瘍の輪郭とゴールドスタンダードとの一致度をダイス係数で評価した。その結果、ヒトの手による腫瘍の輪郭よりも変形レジストレーション手法で作成した輪郭の方が有意にダイス係数が高く、ゴールドスタンダードに近い輪郭である事が示された。
今後は人工知能の教師データを用意するために多数の症例で変形レジストレーション手法による輪郭作成を行う必要があり、手法の変動によって作成される輪郭が変動しないように手法のマニュアル整備を行った。本年度の解析結果は国内関連学会で発表した。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

当初の計画では令和5年度に教師データの作成を行う見込みであったが、変形レジストレーション手法による輪郭作成には想定よりも多くのパラメータ設定が必要であり、マニュアル整備に時間を要したため、令和5年度中に教師データを作成することができなかった。しかしマニュアル整備および教師データとして使用しうる症例の選出作業は開始しており、全体の進捗としてはやや遅れていると判断した。

Strategy for Future Research Activity

当初は人工知能の学習環境の構築も必要と考えていたが、近年は企業によるAI開発環境の整備がすすみ、令和6年4月には有料サービスとして輪郭自動抽出のAI開発環境が提供される予定となった。提供元の企業とオンラインの面談を行っており、機械学習環境については自前で作成する必要が無くなる予定であるため、この点に関しては当初よりも研究がスムーズに進む見込みである。

Research Products

• [Journal Article] A Single-Institution Prospective Study To Evaluate the Safety and Efficacy of Real- Time Image-Gated Spot-Scanning Proton Therapy (RGPT) for Prostate Cancer (2024)
  • Author(s): Nishioka Kentaro、Hashimoto Takayuki、Mori Takashi、Uchinami Yusuke、Kinoshita Rumiko、Katoh Norio、Taguchi Hiroshi、Yasuda Koichi、Ito Yoichi M.、Takao Seishin、Tamura Masaya、Matsuura Taeko、Shimizu Shinichi、Shirato Hiroki、Aoyama Hidefumi
  • Journal Title: Advances in Radiation Oncology Volume: 9 Issue: 5 Pages: 101464-101464
  • DOI: 10.1016/j.adro.2024.101464
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Distribution of human papilloma virus genotypes and treatment outcomes in definitive radiotherapy for cervical cancer (2023)
  • Author(s): Kinoshita Rumiko、Mitamura Takashi、Kato Fumi、Hattori Takahiro、Higaki Hajime、Takahashi Shuhei、Fujita Yoshihiro、Otsuka Manami、Koizumi Fuki、Uchinami Yusuke、Mori Takashi、Nishioka Kentaro、Hashimoto Takayuki、Ito Yoichi M、Watari Hidemichi、Aoyama Hidefumi
  • Journal Title: Journal of Radiation Research Volume: 64 Issue: 2 Pages: 463-470
  • DOI: 10.1093/jrr/rrac086
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Predicting the daily gastrointestinal doses of stereotactic body radiation therapy for pancreatic cancer based on the shortest distance between the tumor and the gastrointestinal tract using daily computed tomography images (2023)
  • Author(s): Uchinami Yusuke、Kanehira Takahiro、Nakazato Keiji、Fujita Yoshihiro、Koizumi Fuki、Takahashi Shuhei、Otsuka Manami、Yasuda Koichi、Taguchi Hiroshi、Nishioka Kentaro、Miyamoto Naoki、Yokokawa Kohei、Suzuki Ryusuke、Kobashi Keiji、Takahashi Keita、Katoh Norio、Aoyama Hidefumi
  • Journal Title: BJR|Open Volume: 5 Issue: 1 Pages: 43-43
  • DOI: 10.1259/bjro.20230043
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] A Japanese registry study and systematic review of particle therapy for renal cell carcinoma (2023)
  • Author(s): Ishikawa Hitoshi、Arimura Takeshi、Maruo Kazushi、Kawamura Hidemasa、Toyama Shingo、Ogino Takashi、Okimoto Tomoaki、Murakami Masao、Sato Yoshitaka、Nishioka Kentaro、Araya Masayuki、Ohba Hisateru、Umehara Kensuke、Aoyama Hidefumi、Obara Wataru、Azuma Haruhito、Tsuji Hiroshi、Sakurai Hideyuki
  • Journal Title: Journal of Radiation Research Volume: 64 Issue: Supplement_1 Pages: i41-i48
  • DOI: 10.1093/jrr/rrad010
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Proton beam therapy for muscle-invasive bladder cancer: A systematic review and analysis with Proton-Net, a multicenter prospective patient registry database (2023)
  • Author(s): Araya Masayuki、Ishikawa Hitoshi、Nishioka Kentaro、Maruo Kazushi、Asakura Hirofumi、Iizumi Takashi、Takagi Masaru、Murakami Masao、Azuma Haruhito、Obara Wataru、Aoyama Hidefumi、Sakurai Hideyuki
  • Journal Title: Journal of Radiation Research Volume: 64 Issue: Supplement_1 Pages: i49-i58
  • DOI: 10.1093/jrr/rrad027
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] The need of radiotherapy optimization for glioblastomas considering immune responses (2023)
  • Author(s): Nishioka Kentaro、Takahashi Shuhei、Mori Takashi、Uchinami Yusuke、Yamaguchi Shigeru、Kinoshita Manabu、Yamashina Masaaki、Higaki Hajime、Maebayashi Katsuya、Aoyama Hidefumi
  • Journal Title: Japanese Journal of Radiology Volume: 41 Issue: 10 Pages: 1062-1071
  • DOI: 10.1007/s11604-023-01434-x
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Brain metastases in Japanese NSCLC patients: prognostic assessment and the use of osimertinib and immune checkpoint inhibitors?retrospective study (2023)
  • Author(s): Higaki H, Nishioka K, Otsuka M, Nishikawa N, Shido M, Minatogawa H, Nishikawa Y, Takashina R, Hashimoto T, Katoh N, Taguchi H, Kinoshita R, Yasuda K, Mori T, Uchinami Y, Koizumi F, Fujita Y, Takahashi S, Hattori T, Nishiyama N, Aoyama H
  • Journal Title: Radiation Oncology Volume: 18 Issue: 1 Pages: 25-25
  • DOI: 10.1186/s13014-023-02218-3
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Dosimetric advantages of daily adaptive strategy in IMPT for high-risk prostate cancer (2022)
  • Author(s): Hiroshi Tamura, Keiji Kobashi, Kentaro Nishioka, Takaaki Yoshimura, Takayuki Hashimoto, Shinichi Shimizu, Yoichi M. Ito, Yoshikazu Maeda, Makoto Sasaki, Kazutaka Yamamoto, Hiroyasu Tamamura, Hidefumi Aoyama, Hiroki Shirato
  • Journal Title: Journal of Applied Clinical Medical Physics Volume: 23 Issue: 4
  • DOI: 10.1002/acm2.13531
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Are simple verbal instructions sufficient to ensure that bladder volume does not deteriorate prostate position reproducibility during spot scanning proton therapy? (2021)
  • Author(s): Nishioka Kentaro、Gotoh Kento、Hashimoto Takayuki、Abe Takashige、Osawa Takahiro、Matsumoto Ryuji、Yokota Isao、Katoh Norio、Kinoshita Rumiko、Yasuda Koichi、Yakabe Toshiaki、Yoshimura Takaaki、Takao Seishin、Shinohara Nobuo、Aoyama Hidefumi、Shimizu Shinichi、Shirato Hiroki
  • Journal Title: BJR|Open Volume: 3 Issue: 1
  • DOI: 10.1259/bjro.20210064
  • NAID: 120007171672
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Visualizing the urethra by magnetic resonance imaging without usage of a catheter for radiotherapy of prostate cancer (2021)
  • Author(s): Yoshimura Takaaki、Nishioka Kentaro、Hashimoto Takayuki、Fujiwara Taro、Ishizaka Kinya、Sugimori Hiroyuki、Kogame Shoki、Seki Kazuya、Tamura Hiroshi、Tanaka Sodai、Matsuo Yuto、Dekura Yasuhiro、Kato Fumi、Aoyama Hidefumi、Shimizu Shinichi
  • Journal Title: Physics and Imaging in Radiation Oncology Volume: 18 Pages: 1-4
  • DOI: 10.1016/j.phro.2021.03.002
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Treatment outcomes of stereotactic body radiation therapy using a real‐time tumor‐tracking radiotherapy system for hepatocellular carcinomas (2021)
  • Author(s): Uchinami Yusuke、Katoh Norio、Abo Daisuke、Taguchi Hiroshi、Yasuda Koichi、Nishioka Kentaro、Soyama Takeshi、Morita Ryo、Miyamoto Naoki、Suzuki Ryusuke、Sho Takuya、Nakai Masato、Ogawa Koji、Kakisaka Tatsuhiko、Orimo Tatsuya、Kamiyama Toshiya、Shimizu Shinichi、Aoyama Hidefumi
  • Journal Title: Hepatology Research Volume: 51 Issue: 8 Pages: 870-879
  • DOI: 10.1111/hepr.13649
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A treatment planning study of urethra-sparing intensity-modulated proton therapy for localized prostate cancer (2021)
  • Author(s): Yoshimura Takaaki、Nishioka Kentaro、Hashimoto Takayuki、Seki Kazuya、Kogame Shouki、Tanaka Sodai、Kanehira Takahiro、Tamura Masaya、Takao Seishin、Matsuura Taeko、Kobashi Keiji、Kato Fumi、Aoyama Hidefumi、Shimizu Shinichi
  • Journal Title: Physics and Imaging in Radiation Oncology Volume: 20 Pages: 23-29
  • DOI: 10.1016/j.phro.2021.09.006
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Impact of a spatially dependent dose delivery time structure on the biological effectiveness of scanning proton therapy (2021)
  • Author(s): Kasamatsu Koki、Tanaka Sodai、Miyazaki Koichi、Takao Seishin、Miyamoto Naoki、Hirayama Shusuke、Nishioka Kentaro、Hashimoto Takayuki、Aoyama Hidefumi、Umegaki Kikuo、Matsuura Taeko
  • Journal Title: Medical Physics Volume: 49 Issue: 1 Pages: 702-713
  • DOI: 10.1002/mp.15367
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 非剛体レジストレーションを用いた膀胱腫瘍床描出の試み (2024)
  • Author(s): 西岡健太郎、長谷川淳、小橋啓司、吉村高明、中里慧二、森崇、髙橋周平、宮﨑智彦、橋本孝之、青山英史
  • Organizer: 第37回高精度放射線外部照射部会学術大会
• [Presentation] 非剛体レジストレーションを用いて膀胱癌の腫瘍床を描出する手法の検討 (2023)
  • Author(s): 長谷川淳、橋本孝之、西岡健太郎、小橋啓司、吉村高明、中里慧二、森崇、高橋周平、宮崎智彦、青山英史
  • Organizer: 日本放射線腫瘍学会第36回学術大会
• [Presentation] A Single-Institution Prospective Study to Evaluate the Safety and Efficacy of Real-Time-Image Gated Spot-Scanning Proton Therapy (RGPT) for Prostate Cancer (2022)
  • Author(s): K. Nishioka, T. Hashimoto, T. Mori, Y. Uchinami, R. Kinoshita, N. Katoh, H. Taguchi, K. Yasuda, S. Takahashi, Y.M. Ito, S. Takao, M. Tamura, S. Shimizu, H. Shirato, and H. Aoyama
  • Organizer: American Society for Radiation Oncology (ASTRO)64th Annual Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Brain Metastases in Japanese NSCLC Patients: Prognostic Assessment and the Use of Osimertinib and Immune Checkpoint Inhibitors (2022)
  • Author(s): H. Higaki, K. Nishioka, M. Otsuka, T. Hashimoto, N. Katoh, H. Taguchi, R. Kinoshita, K. Yasuda, T. Mori, Y. Uchinami, N. Nishikawa, M. Shido, F. Koizumi, Y. Fujita, S. Takahashi, T. Hattori, H. Minatogawa, R. Takashina, N. Nishiyama, H. Aoyama
  • Organizer: American Society for Radiation Oncology(ASTRO)64th Annual Meeting
  • Int'l Joint Research