Delta-radiomicsを応用したVMAT患者個別QAシステムの開発

2022 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 22K07792
• Research Institution: Niigata University
• Principal Investigator: 宇都宮 悟 新潟大学, 医歯学系, 准教授 (50570868)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 近藤 世範 新潟大学, 医歯学系, 教授 (10334658) ; 中野 永 新潟大学, 医歯学総合病院, 特任助教 (20839229) ; 棚邊 哲史 新潟大学, 医歯学総合病院, 助教 (80743898)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2025-03-31
• Keywords: VMAT / radiomics / QA / MLC / 機械学習

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は、delta-radiomicsの手法を応用して機械学習モデルを構築することにより、臨床的インパクトを考慮したVMATの患者個別QAシステムを開発することである。2022年度は、前立腺模擬ファントムを用いて機械学習モデルの作成を行い、MLC位置誤差（偶発誤差）が発生した場合のTCPの変化量を線量分布のradiomics特徴量から高い精度で予測できることを示した。詳細は下記に記載する。
治療計画装置を用いて様々なサイズの前立腺がんのターゲット・正常臓器を模した模擬輪郭を9種類作成した。それを基に、臨床基準を満たすようなVMATプランを54個程度作成した。専用のソフトウエア「Pyradiomics」を使用して作成した治療計画の線量分布のradiomics特徴量を851個抽出した。また、同VMATプランのDVHから前立腺ターゲットの腫瘍制御確率（TCP）を計算した。また、同VMATプランにMLC位置誤差（標準偏差が1 mm及び2 mmの偶発誤差）を人為的に与えた「エラー付与プラン」を作成し、その場合のTCPも計算した。TCPについて、元のプランと「エラー付与プラン」の間の変化量（ΔTCP）を計算した。ΔTCPを目的変数、radiomics特徴を説明変数として、Pythonを用いて機械学習モデルを作成した。Lasso回帰を用いて特徴量選択を行い、機械学習モデルのアルゴリズムはPyCaretを用いて18個の結果を比較した。その結果、kNN、Extra trees、Bayesian ridgeで特に高精度のモデルが作成でき、テストデータセットでRMSE:約0.2%、決定係数:約0.6を達成できた。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

大きな問題も無く、概ね当初の予定通り研究を遂行できた。radiomics特徴量や機械学習モデルを当初の予定より網羅的にサーチできたのは、大学院生の協力があったことが大きかった。

Strategy for Future Research Activity

次年度以降は、引き続き他の種類の誤差（MLC位置の系統誤差、MU値の誤差、MLCモデリングにおける誤差など）が生じた場合でも、ΔTCPに対して同様の予測精度が達成可能かどうかの検証、実際に臨床使用されたVMATを使った検証、正常組織有害事象発生確率（NTCP）の予測の可否の検証、等を順次行っていく予定である。

Causes of Carryover

2022年度内に当初予定していた論文投稿が2023年度にずれ込んだため、論文掲載費用として計上していた分の金額を次年度使用額としたため。

Research Products

• [Presentation] The impact of MLC positional errors on radiobiological metrics in volumetric- modulated radiation therapy. (2022)
  • Author(s): Tomotaka Kinoshita, Takayuki Nishikata, Natsuki Ishizaka, Sae Nakamura, Satoshi Tanabe, Hisashi Nakano, Madoka Sakai, Shunpei Tanabe, Takeshi Takizawa, Motoki Kaidu, Hiroyuki Ishikawa, Satoru Utsunomiya
  • Organizer: 第123回日本医学物理学会学術集会