深層学習を用いたプローブ型顕微内視鏡画像解析による新たな間質性肺炎診断

• 研究課題/領域番号: 21K08216
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分53030:呼吸器内科学関連
• 研究機関: 藤田医科大学
• 研究代表者: 今泉 和良 藤田医科大学, 医学部, 教授 (50362257)
• 研究分担者: 寺本 篤司 藤田医科大学, 保健学研究科, 教授 (00513780)
• 研究期間 (年度): 2021-04-01 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2023年度)
• 配分額: 4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円); 2023年度: 130千円 (直接経費: 100千円、間接経費: 30千円); 2022年度: 2,080千円 (直接経費: 1,600千円、間接経費: 480千円); 2021年度: 1,950千円 (直接経費: 1,500千円、間接経費: 450千円)
• キーワード: 深層学習 / びまん性肺疾患 / 共焦点レーザー顕微鏡 / 呼吸器内視鏡

研究開始時の研究の概要

プローブ型共焦点顕微鏡プローブ (pCLE) による間質性肺炎の末梢肺病理画像をconvolutional neural networkを用いた深層学習によって解析し、pCLE像の機械判定によるUIP（usual interstitial pneumoniae）診断の正確性を臨床・画像・病理の統合的検討による診断（Multidisciplinary discussion: MDD診断） と前向きに比較検討することで評価し、びまん性肺疾患の内視鏡によるリアルタイム病理診断の確立を目指す。

研究実績の概要

プローブ型共焦点レーザー顕微内視鏡 (pCLE) (Cellvizio; AlveoFlex, Mauna Kea Technologies, France) による末梢肺自家蛍光顕微鏡画像は、間質性肺炎診断に応用できる可能性を持っている。肺内には肺胞壁　気管支壁　血管壁に弾性線維を含み、含有されるエラスチン分子には自家蛍光があることが判明している。また肺胞マクロファージにも自家蛍光があり、これらをこの顕微鏡プローブで直接観察することで肺胞壁の肥厚や弾性線維の破壊程度、あるいは肺胞内の炎症状況の微細像がリアルタイムで観察できる。これまでの研究において間質性肺炎の各病型には異なる画像パターンがあることが判明しており病理学的所見ともある程度一致する所見が得られている。しかし得られる画像は動画データであり、症例毎・疾患毎の画像特徴を肉眼的に抽出するのは困難であり、AI(人工知能)を用いた解析が有用である可能性がある。pCLEプローブを気管支鏡（オリンパスBF260またはBFp290F）の鉗子チャネルから挿入し胸膜直下から数cmの範囲で撮像した。UIP 3症例とfNSIP 3症例の動画データをテクスチャ解析と機械学習法を用いて解析し、抽出した画像特徴量を識別器に入力して、鑑別の正解率について検討した。74種類の画像特徴量が抽出され、機械学習法としてNaive Bayes法を用いた場合、個々の画像ベースの鑑別については64.7%の識別正解率であり、症例ベースでは３例中それぞれ２例を正しく識別（67%）した。
AIによる機械学習を用いたpCLE画像からの間質性肺炎病型鑑別は今後、検討可能な技術であると思われた。画像取得の部位、時間、病期によって結果が異なることが考えられ、データ採取の標準化が重要であることも考えられた。

研究成果

• [雑誌論文] Optical Biopsies Using Probe-Based Confocal Laser Endomicroscopy for Autoimmune Pulmonary Alveolar Proteinosis. (2024)
  • 著者名/発表者名: Okamura T, Morikawa S, Horiguchi T, Yamatsuta K, Watanabe T, Ikeda A, Maeda Y, Ina T, Takahashi H, Moriya R, Goto Y, Isogai S, Yamamoto N, Okachi S, Hashimoto N, Imaizumi K.
  • 雑誌名: Respiration 巻: 103 号: 4 ページ: 171-176
  • DOI: 10.1159/000535992
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Autopsy case: Pathological complete response in an advanced lung cancer patient with severe immune related adverse events and COVID-19 (2024)
  • 著者名/発表者名: Moriya Ryoma、Kamihata Naoki、Niwa Yoshikazu、Kako Hisashi、Takahashi Hideaki、Kimura Yutaro、Shigeyasu Yoshiko、Tsukamoto Tetsuya、Hashimoto Naozumi、Imaizumi Kazuyoshi
  • 雑誌名: Respiratory Investigation 巻: 62 号: 3 ページ: 438-441
  • DOI: 10.1016/j.resinv.2024.03.002
  • 査読あり
• [雑誌論文] Factors Affecting the Comprehension of Outpatients Receiving Cancer Chemotherapy (2023)
  • 著者名/発表者名: Nishibe-Toyosato Seira、Ando Yosuke、Nakasuji Nayu、Hayashi Takahiro、Ito Kaori、Matsuda Hidezo、Tsujii Naho、Tsuge Masahiro、Imaizumi Kazuyoshi、Kawada Kenji、Yamada Shigeki
  • 雑誌名: Ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ ＆ Ｐｈａｒｍａｃｅｕｔｉｃａｌ Ｂｕｌｌｅｔｉｎ 巻: 46 号: 3 ページ: 505-510
  • DOI: 10.1248/bpb.b22-00374
  • ISSN: 0918-6158, 1347-5215
  • 年月日: 2023-03-01
• [雑誌論文] Acute exacerbation of rheumatoid arthritis-associated interstitial lung disease triggered by COVID-19: What is the best practice for treatment? (2023)
  • 著者名/発表者名: Yonezawa Toshiyuki、Suzuki Atsushi、Fukumitsu Kensuke、Katano Takuma、Kako Hisashi、Ishii Makoto、Niimi Akio、Imaizumi Kazuyoshi、Sakamoto Koji、Omote Norihito、Yamaguchi Etsuro
  • 雑誌名: Respiratory Medicine Case Reports 巻: 43 ページ: 101857-101857
  • DOI: 10.1016/j.rmcr.2023.101857
  • 査読あり
• [雑誌論文] Automated Classification of Idiopathic Pulmonary Fibrosis in Pathological Images Using Convolutional Neural Network and Generative Adversarial Networks (2022)
  • 著者名/発表者名: Teramoto Atsushi、Tsukamoto Tetsuya、Michiba Ayano、Kiriyama Yuka、Sakurai Eiko、Imaizumi Kazuyoshi、Saito Kuniaki、Fujita Hiroshi
  • 雑誌名: Diagnostics 巻: 12 号: 12 ページ: 3195-3195
  • DOI: 10.3390/diagnostics12123195
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Lung cancer CT image generation from a free-form sketch using style-based pix2pix for data augmentation (2022)
  • 著者名/発表者名: Toda Ryo、Teramoto Atsushi、Kondo Masashi、Imaizumi Kazuyoshi、Saito Kuniaki、Fujita Hiroshi
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 12 号: 1 ページ: 12867-12867
  • DOI: 10.1038/s41598-022-16861-5
• [雑誌論文] Comparison of Fine-Tuned Deep Convolutional Neural Networks for the Automated Classification of Lung Cancer Cytology Images with Integration of Additional Classifiers (2022)
  • 著者名/発表者名: Tsukamoto Tetsuya、Teramoto Atsushi、Yamada Ayumi、Kiriyama Yuka、Sakurai Eiko、Michiba Ayano、Imaizumi Kazuyoshi、Fujita Hiroshi
  • 雑誌名: Asian Pacific Journal of Cancer Prevention 巻: 23 号: 4 ページ: 1315-1324
  • DOI: 10.31557/apjcp.2022.23.4.1315
• [学会発表] すりガラス陰影（GGN）を呈する肺がん診断でのクライオ生検の有用性 (2023)
  • 著者名/発表者名: 伊奈拓摩 今泉和良 他
  • 学会等名: 第64回 日本肺癌学会総会
• [学会発表] プローブ型共焦点レーザー顕微内視鏡画像のAI解析を用いた間質性肺炎診断 (2023)
  • 著者名/発表者名: 今泉和良
  • 学会等名: 第46回日本呼吸器内視鏡学会総会
• [学会発表] プローブ型共焦点レーザー顕微内視鏡画像の AI 解析を用いた間質性肺炎の病型分 類の試み (2022)
  • 著者名/発表者名: 相馬智英
  • 学会等名: 第14回呼吸機能イメージング学会