2022 Fiscal Year Research-status Report

肺胞模擬ファントムを用いた肺換気機能予測モデルの開発

Research Project

Project/Area Number	22K15891
Research Institution	Ibaraki Prefectural University of Health Science
Principal Investigator	宮川真茨城県立医療大学, 保健医療学部, 助教 (60912532)
Project Period (FY)	2022-04-01 – 2025-03-31
Keywords	放射線治療 / Computered Tomography / Deformable Registration / Deep Learning / Functional Imaging
Outline of Annual Research Achievements	2022年度は、機械学習による肺換気機能予測モデルの開発を中心に行なった。CTVI生成モデルには、Conditional Generative Adversarial Networkによるpix2pixモデルを利用した。この初期モデルでは呼気位相のみを用いて肺換気機能画像を作成し、従来手法である画像変形技術を利用したCTVIと比較した。画像データはThe Cancer Imaging Archiveがウェブ上で公開している20症例の胸部4DCT画像を使用した。訓練画像には19症例の正解画像と呼気相のCT画像のペア画像を利用して学習を行なった。残りの1症例の呼気相のCT画像を学習済みモデルに入力しCTVI（CTVIres）を推論した。生成したCTVIresの精度は、CTVIrefとの類似度を評価するためにStructural Similarity（SSIM）、Normalized Mutual Information（NMI）、normalized cross correlation（NCC）を計算した。SSIM、NMI、NCCによる3つの指標による類似度評価では全スライスの平均でそれぞれ0.47±0.12、0.99±0.01、0.95±0.02となりSSIM以外のNMIとNCCで高い類似度が得られた。開発したGANを用いたCTVI予測モデルにより2つの画像のDIRから生成される指標を用いることなく、計画CT画像などの１つのCT画像のみからCTVIを作成できる可能性を示した。本研究は第14回度呼吸機能イメージング研究会学術大会及び第36回高精度放射線外部照射部会学術大会にて報告した。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason モデルの開発は予定通り順調に進んでいる。来年度予定しているファントムの改良について、部品不足での納期の遅れや物価の向上による研究費の割り当てに対しては、慎重に対応していく予定である。
Strategy for Future Research Activity	2022年度に開発した肺換気機能予測モデルの精度評価に関する報告及び更なる精度向上に向けて改良したモデルの開発を進めていく予定である。また、現在のモデルは20症例のみで実施しているため、症例数を増やして再度検討する。さらに、呼吸による肺の移動量に対しての最適化をしていく上で、ファントムの改良が必要となってくるため、開発企業と連携しながら改良点を検討していく予定である。
Causes of Carryover	ファントムの改良の納期が未定となった。本年度に一部改良を実施する予定である。