先進的マルチパラメトリックMRIに基づく新分類に即した神経膠腫の診断と予後予測法の開発

• Project/Area Number: 23K07113
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 52040:Radiological sciences-related
• Research Institution: Kagoshima University
• Principal Investigator: 上村 清央 鹿児島大学, 医歯学総合研究科, 特任准教授 (30593652)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 吉浦 敬 鹿児島大学, 医歯学域医学系, 教授 (40322747) ; 米澤 大 鹿児島大学, 医歯学域鹿児島大学病院, 講師 (50550076) ; 中野 翼 鹿児島大学, 鹿児島大学病院, 医員 (50876761) ; 中條 正典 鹿児島大学, 医歯学域鹿児島大学病院, 助教 (60727171) ; 長谷川 知仁 鹿児島大学, 鹿児島大学病院, 医員 (70912856) ; 比嘉 那優大 鹿児島大学, 医歯学域医学系, 助教 (90792200)
• Project Period (FY): 2023-04-01 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000); Fiscal Year 2025: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2024: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2023: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000)
• Keywords: 膠芽腫 / 転移性脳腫瘍 / 時間依存性拡散強調像 / IMPULSEDモデル解析 / 細胞径 / 細胞内容積比 / 細胞外拡散 / 細胞密度 / 神経膠腫 / マルチパラメトリックMRI / WHO2021

Outline of Research at the Start

1.撮影法の最適化　各定量MRI撮影法の最適化を行う。
2.神経膠腫の画像および臨床データ収集　神経膠腫患者100例で術前にMRIの撮影を行う。半年後、1年後、2年後の各時期に経過観察を行う。
3.神経膠腫の分子診断およびグレード分類　病理および次世代シーケンサーを用いたカスタム遺伝子パネルで分類する。
4.定量的MRI画像データの解析　マルチパラメトリックな定量値を、神経膠腫の分子診断やグレード分類と比較する。
5.腫瘍の診断、術後再発・予後を予測する最適な予測モデルの構築　定量的MRIのパラメトリックマップから判別に有用な特徴量を抽出し、機械学習アルゴリズムで評価し、最適な予測モデルを決定する。

Outline of Annual Research Achievements

神経膠腫はWHO分類において、2016年より形態的分類に加え、分子診断を取り入れた統合診断が導入され、さらにゲノム解析の新しい知見を取り入れて、2021年に新分類が作成された。神経膠腫の新分類と先進的なMRI画像所見の関係性は明らかにされていない。
先進的な拡散強調画像の1つである、時間依存性拡散強調像において、imaging microstructural parameters using limited spectrally edited diffusion（IMPULSED）モデル解析が提唱されてきた。この解析法を用いることによって、細胞内および細胞外それぞれの拡散の大きさや容積比、細胞径、cellularityが算出される。本年は、本モデルについて、当施設に設置されている3テスラMRIにおける、撮影条件の最適化を行った。また、MATLABを用いて、IMPULSEDモデル解析を行うプログラムを作成し、造影増強域および周囲のT2延長域に関心領域を設置し、IMPULSEDモデル解析で算出されるパラメーターを測定するソフトを開発した。それを用いて、臨床例の撮影を行い、解析を行った。67例の撮影を行い、その中の膠芽腫17例と、転移性脳腫瘍8例を比較したところ、膠芽腫の細胞径は、転移性脳腫瘍よりも有意に高値であった。それに対して、細胞内容積比や細胞外拡散、細胞密度に有意差は見られなかった。
今後は、神経膠腫の症例を蓄積していき、摘出された神経膠腫を、病理および次世代シーケンサーを用いたカスタム遺伝子パネルで分類していく予定である。定量的MRIのパラメトリックマップから、判別に有用な特徴量を抽出し、その組み合わせによる予測モデルをサポートベクターマシン、ランダムフォレストやニューラルネットワークなどの機械学習アルゴリズムで評価し、最適な予測モデルを検証していく予定である。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

先進的な拡散強調画像の1つである、時間依存性拡散強調像において、imaging microstructural parameters using limited spectrally edited diffusion（IMPULSED）モデル解析を脳疾患患者67例において撮影を行い、その中の膠芽腫17例と、転移性脳腫瘍8例の比較を行った。その結果、膠芽腫の細胞径は、転移性脳腫瘍よりも有意に高値であった。それに対して、細胞内容積比や細胞外拡散、細胞密度に有意差は見られなかった。しかしながら、現在時点では少数例で有り、症例数をさらに追加していく予定である。
今後は、定量的MRIのパラメトリックマップから、判別に有用な特徴量を抽出し、その組み合わせによる予測モデルをサポートベクターマシン、ランダムフォレストやニューラルネットワークなどの機械学習アルゴリズムで評価し、最適な予測モデルを検証していく予定である。

Strategy for Future Research Activity

今後は、定量的MRIのパラメトリックマップから、判別に有用な特徴量を抽出し、その組み合わせによる予測モデルをサポートベクターマシン、ランダムフォレストやニューラルネットワークなどの機械学習アルゴリズムで評価し、最適な予測モデルを検証していく予定である。

Research Products

• [Presentation] 時間依存性拡散強調MRIのIMPULSEDモデル解析による脳腫瘍微小構造評価の初期経験 (2024)
  • Author(s): 上村清央、中野翼、長谷川知仁、中條正典、米澤大、岩永崇、今井広、吉浦敬
  • Organizer: 第53回日本神経放射線学会
• [Presentation] MRIで検出困難な子宮体癌リンパ節転移予測における拡散時間依存MRIの有用性 (2024)
  • Author(s): 惠島史貴、山岸良司、鮎川卓朗、中野翼、長谷川知仁、上村清央、中之薗良太、長野広明、内匠浩二、吉浦敬
  • Organizer: 第53回日本神経放射線学会
• [Presentation] Dual energy CTを用いたadult-type IDH-mutant diffuse gliomaの定量的評価 (2024)
  • Author(s): 中野翼、長谷川知仁、上村清央、山岸良司、惠島史貴、鮎川卓朗、中之薗良太、長野広明、内匠浩二、吉浦敬
  • Organizer: 第198回日本医学放射線学会九州地方会
• [Presentation] Effective atomic number as a novel quantitative CT imaging marker to differentiate primary CNS lymphomas from brain metastases. (2023)
  • Author(s): Nakano T, Hasegawa T, Nakajo M, Kiyohisa K, Yoshiura T.
  • Organizer: ASNR Annual Meeting 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Time-dependent diffusion-weighted imaging for differentiation between glioblastoma and brain metastasis. (2023)
  • Author(s): Kamimura K, Nakano T, Hasegawa H, Nakajo M, Uchida Y, Iwanaga T, Feiweier T, Imai H, Yoshiura T.
  • Organizer: ISMRM 2023 Annual Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Differentiation of glioblastoma and brain metastasis using time-dependent diffusion-weighted imaging. (2023)
  • Author(s): Kamimura K, Nakano T, Hasegawa T, Nakajo M, Takumi K, Imai H, Feiweier T, Yoshiura T.
  • Organizer: Radiological Society of North America's 109th Scientific Assembly and Annual Meeting,
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Effective atomic number as a novel quantitative CT imaging marker for differentiating glioblastomas, brain metastases and primary central nervous system lymphomas. (2023)
  • Author(s): Nakano T, Hasegawa T, Nakajo M, Kamimura K, Yoshiura T.
  • Organizer: Radiological Society of North America's 109th Scientific Assembly and Annual Meeting,
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Feasibility of extracellular volume fraction measurement derived from the equilibrium phase dual-energy CT for predicting pathological grades of lung cancer. (2023)
  • Author(s): Nagano H, Takumi K, Nakanosono R, Ayukawa T, Ejima F, Nakano T, Hasegawa H, Kamimura K, Yoshiura T.
  • Organizer: Radiological Society of North America's 109th Scientific Assembly and Annual Meeting,
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Dual energy CT-derived effective atomic number and electron density for differentiation of bone tumors initial experience (2023)
  • Author(s): Hasegawa T, Nakajo M, Nakano T, Kamimura K,Yoshiura T.
  • Organizer: Radiological Society of North America's 109th Scientific Assembly and Annual Meeting,
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Differentiation of brain metastasis and glioblastoma by time-dependent DWI: diagnostic performance and comparison of extravascular extracellular space (2023)
  • Author(s): Kamimura K, Nakano T, Hasegawa T, Nakajo M, Uchida Y, Iwanaga T, Imai H, Yoshiura T.
  • Organizer: 第82回日本医学放射線学会総会
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Estimation of tumor extracellular volume fraction with CT for predicting overall survival in patients with unresectable non-small cell lung cancer (2023)
  • Author(s): Nagano H, Takumi K, Ejima F, Ayukawa T, Nagano E, Nakano T, Hasegawa H, Nakajo M, Kamimura K, Yoshiura T.
  • Organizer: 第82回日本医学放射線学会総会
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Feasibility of dual energy CT parameters for differentiation of adult soft tissue high grade sarcomas: a preliminary study (2023)
  • Author(s): Hasegawa T, Nakajo M, Nakano T, Kamimura K, Yoshiura T.
  • Organizer: 第82回日本医学放射線学会総会
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Multiparametric MRI for Preoperative Prediction of Lymph Node Metastases in Patients with Uterine Endometrial Cancer (2023)
  • Author(s): Ejima F, Fukukura Y, Ayukawa T, Nakajo M, Nagano H, Takumi K, Nakajo M, Kamimura K, Yoshiura T,
  • Organizer: 第82回日本医学放射線学会総会
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Prognostic evaluation of uterine endometrial cancer: Additive value of time-dependent diffusion MRI measurement (2023)
  • Author(s): Ejima F, Yamagishi R, Ayukawa T, Hasegawa T, Nakano T, Kamimura K, Nagano H, Takumi K, Nakajo M, Yoshiura T,
  • Organizer: 第59回日本医学放射線学会秋季臨床大会
• [Presentation] Differentiation of glioblastoma and brain metastasis using advanced diffusion MRI parameters (2023)
  • Author(s): Kamimura K, Nakano T, Hasegawa T, Nakajo M, Iwanaga T, Imai H, Yoshiura T.
  • Organizer: 第51回日本磁気共鳴医学会大会