深層学習による肺癌の予後予測情報を活用した個別化放射線治療支援システムの開発

• 研究課題/領域番号: 19J14339
• 研究種目: 特別研究員奨励費
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 国内
• 審査区分: 小区分90130:医用システム関連
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 柿野 諒 京都大学, 医学研究科, 特別研究員(DC2)
• 研究期間 (年度): 2019-04-25 – 2021-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2020年度)
• 配分額: 2,100千円 (直接経費: 2,100千円); 2020年度: 1,000千円 (直接経費: 1,000千円); 2019年度: 1,100千円 (直接経費: 1,100千円)
• キーワード: Radiomics / 深層学習 / 予後予測 / 機械学習 / 肺SBRT / 医学物理学

研究開始時の研究の概要

放射線医学領域において豊富な情報量(ビッグデータ)を供する"Radiomics"という概念が「個別化医療」の基幹として注目されている。Radiomicsは、腫瘍などの関心領域から肉眼的に確認できないような様々な定量的情報を抽出する方法である。そこで本研究では、Radiomicsと深層学習を活用した肺定位放射線治療の予後予測モデルの構築を行うことを目的とする。Radiomicsで得られる特徴量を局所再発・遠隔転移などの患者予後と結びつけ、個々の患者に最適な処方線量及び治療方針を提示できるモデルを構築していく。

研究実績の概要

本研究は医の倫理委員会の承認を得ている.今年度は，「i)Radiomics特徴量に基づく予後予測」，「ii)深層学習に基づく予後予測」について研究を行なった．
i)については，定位放射線治療(以下，SBRT)を施行した非小細胞肺癌患者を対象とした．評価する臨床転帰を局所再発・遠隔転移とした．CT画像よりRadiomics特徴量を抽出した後，特徴量の頑強性・冗長性に基づき特徴量選択を行なった．その後，臨床転帰と関係性の高い特徴量を選択し，機械学習アルゴリズムに基づき，モデルを作成した．モデルは，臨床因子(年齢，性別，BMI等)のみを入力した「臨床モデル」，Radiomics特徴量のみを入力した「画像モデル」，両者を入力した「混合モデル」を構築した．予測精度を示すC統計量，及び，リスク分類による累積発生率の差は混合モデルが最も大きかった．機械学習内の特徴量重要度はどの臨床因子よりも2つRadiomics特徴量が高いかった．
ii)については，i)で使用した患者のうち，観察期間が2年以上を対象とした．全患者を無作為に学習群とテスト群に分割した．腫瘍を中心にCT画像を10 cm角に切り出し，データ拡張を行った．3D-CNNは，畳み込み層と最大プーリング層を有する単純構造とした．学習群で5分割交差検証を適用し，テスト群に対してROC曲線下面積(AUC)を評価した．また，axial断面のみを用いたモデル(2Dax-CNN)，axial, coronal, sagittal断面を用いたモデル(2Dconc-CNN)を構築した．更に，学習群でLightGBMを用いた臨床モデル及びRadiomicsモデルを構築し，3D-CNNモデルと同様の解析を行った．一方，3D-CNNに基づく2年時点の遠隔転移の予測能は， Radiomicsモデルより低く，2Dconc-CNNと同等であった．

現在までの達成度 (段落)

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Application and limitation of radiomics approach to prognostic prediction for lung stereotactic body radiotherapy using breath‐hold CT images with random survival forest: A multi‐institutional study (2020)
  • 著者名/発表者名: Kakino Ryo、Nakamura Mitsuhiro、Mitsuyoshi Takamasa、Shintani Takashi、Kokubo Masaki、Negoro Yoshiharu、Fushiki Masato、Ogura Masakazu、Itasaka Satoshi、Yamauchi Chikako、Otsu Shuji、Sakamoto Takashi、Sakamoto Masato、Araki Norio、Hirashima Hideaki、Adachi Takanori、Matsuo Yukinori、Mizowaki Takashi
  • 雑誌名: Medical Physics 巻: 47 号: 9 ページ: 4634-4643
  • DOI: 10.1002/mp.14380
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Radiotherapy planning techniques to reduce lung irradiation in head and neck cancer patients with mediastinal involvement. (2020)
  • 著者名/発表者名: Kawamura M, Yoshimura M, Nakamura M, Ishihara Y, Mukumoto N, Hirashima H, Iramina H, Hiraoka M, Mizowaki T.
  • 雑誌名: Radiol Phys Technol. 巻: 10 March ページ: 1-8
  • DOI: 10.1016/j.ejmp.2019.12.019
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Development of neutron-shielding filter for reducing cardiac implantable electronic device malfunction (2020)
  • 著者名/発表者名: Ryo Kakino, Mitsuhiro Nakamura, Naonori Ko, Hiraku Iramina, Yoshinori Sakurai, Hiroki Tanaka, Takashi Mizowaki
  • 学会等名: 第119回日本医学物理学会学術大会
• [学会発表] Prognostic prediction for lung stereotactic body radiotherapy by using breath-hold CT-based radiomic features with random survival forest: A multi-institutional study (2020)
  • 著者名/発表者名: Ryo Kakino, Mitsuhiro Nakamura, Takamasa Mitsuyoshi, Takashi Shintani, Masaki Kokubo, Yoshiharu Negoro, Masato Fushiki, Masakazu Ogura, Satoshi Itasaka, Chikako Yamauchi, Shuji Otsu, Takashi Sakamoto, Masato Sakamoto, Norio Araki, Hideaki Hirashima, Takanori Adachi, Yukinori Matsuo, Takashi Mizowaki
  • 学会等名: 2020 Joint AAPM l COMP Virtual Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] 3D-CNNに基づく肺SBRT後の遠隔転移予測に関する多施設共同研究 (2020)
  • 著者名/発表者名: 柿野 諒, 中村 光宏, 光吉 隆真, 新谷 尭, 小久保 雅樹, 根来 慶春，伏木 雅人，小倉 昌和，板坂 聡，山内 智香子，大津 修二，坂本 隆吏，坂本 匡人，荒木 則雄，松尾 幸憲, 溝脇 尚志
  • 学会等名: 日本放射線腫瘍学会第33回学術大会
• [学会発表] Prognostic prediction based on diagnostic CT image features before SBRT for lung cancer patients: a retrospective single-institutional study (2019)
  • 著者名/発表者名: Ryo Kakino, Mitsuhiro Nakamura, Takamasa Mitsuyoshi, Takashi Shintani, Hideaki Hirashima, Yukinori Matsuo and Takashi Mizowaki
  • 学会等名: 第117回日本医学物理学会学術大会
• [学会発表] 日本放射線腫瘍学会 第32回学術大会 (2019)
  • 著者名/発表者名: 柿野 諒, 中村 光宏, 光吉 隆真, 新谷 尭, 根来 慶春，伏木 雅人，小倉 昌和，板坂 聡，山内 智香子，大津 修二，坂本 隆吏，坂本 匡人，荒木 則雄，平島 英明, 松尾 幸憲, 溝脇 尚志
  • 学会等名: Radiomics特徴量に基づく肺SBRTの予後予測に関する多施設共同研究
• [学会発表] Improving prognostic prediction for lung cancer patients who underwent SBRT using breath-hold diagnostic CT-based image features: a retrospective single institutional study (2019)
  • 著者名/発表者名: Ryo Kakino, Mitsuhiro Nakamura, Takamasa Mitsuyoshi, Takashi Shintani, Hideaki Hirashima, Yukinori Matsuo and Takashi Mizowaki
  • 学会等名: 2019 AAPM Annual Meeting
  • 国際学会