画像上同定困難な表在性腫瘍を人工知能で自動描出する技術の開発

• 研究課題/領域番号: 21K15818
• 研究種目: 若手研究
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 小区分52040:放射線科学関連
• 研究機関: 北海道大学
• 研究代表者: 西岡 健太郎 北海道大学, 医学研究院, 助教 (80463743)
• 研究期間 (年度): 2021-04-01 – 2025-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2023年度)
• 配分額: 3,250千円 (直接経費: 2,500千円、間接経費: 750千円); 2024年度: 260千円 (直接経費: 200千円、間接経費: 60千円); 2023年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円); 2022年度: 650千円 (直接経費: 500千円、間接経費: 150千円); 2021年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円)
• キーワード: 画像認識 / 人工知能 / 放射線治療 / 膀胱癌 / 深層学習 / 機械学習 / セグメンテーション

研究開始時の研究の概要

放射線治療を行うにあたりCT画像上で腫瘍の存在範囲を設定する必要があるが、膀胱などの管腔臓器の表層に存在する腫瘍は視覚的に認識することが困難である。本研究では人工知能を用いて腫瘍と正常範囲を識別するセグメンテーション技術に着目し、表在性の腫瘍を自動描出する技術を開発することで放射線治療の精度を向上することを目的とする。

研究実績の概要

令和5年度は、変形レジストレーション手法による標的設定と従来のヒトの手による標的設定との比較を行うとともに、変形レジストレーション手法のマニュアル整備を行った。また、機械学習に用いる教師データに使用しうる症例の選出作業を開始した。
変形レジストレーション手法では、腫瘍切除前のCT画像上で腫瘍が接する膀胱壁の範囲(輪郭)を設定し、腫瘍切除後のCT画像に変形レジストレーションする。その際に腫瘍切除前のCT画像上の輪郭も同様に変形されて腫瘍切除後のCT画像上に反映され、腫瘍の輪郭が描出される。変形レジストレーションのモードや設定パラメータは令和4年度の検討で最適と判断されたものを選択した。ヒトの手による標的設定では、膀胱壁に金属マーカーを留置された症例のCT画像のみを用いて4名の放射線治療医が独立して腫瘍の輪郭を設定した。
腫瘍切除後のCT画像で、CT画像上の金属マーカーだけでなく膀胱鏡の所見も加味して作成した腫瘍の輪郭をゴールドスタンダードとし、変形レジストレーション手法によって作成した腫瘍の輪郭およびヒトの手による腫瘍の輪郭とゴールドスタンダードとの一致度をダイス係数で評価した。その結果、ヒトの手による腫瘍の輪郭よりも変形レジストレーション手法で作成した輪郭の方が有意にダイス係数が高く、ゴールドスタンダードに近い輪郭である事が示された。
今後は人工知能の教師データを用意するために多数の症例で変形レジストレーション手法による輪郭作成を行う必要があり、手法の変動によって作成される輪郭が変動しないように手法のマニュアル整備を行った。本年度の解析結果は国内関連学会で発表した。

現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

当初の計画では令和5年度に教師データの作成を行う見込みであったが、変形レジストレーション手法による輪郭作成には想定よりも多くのパラメータ設定が必要であり、マニュアル整備に時間を要したため、令和5年度中に教師データを作成することができなかった。しかしマニュアル整備および教師データとして使用しうる症例の選出作業は開始しており、全体の進捗としてはやや遅れていると判断した。

今後の研究の推進方策

当初は人工知能の学習環境の構築も必要と考えていたが、近年は企業によるAI開発環境の整備がすすみ、令和6年4月には有料サービスとして輪郭自動抽出のAI開発環境が提供される予定となった。提供元の企業とオンラインの面談を行っており、機械学習環境については自前で作成する必要が無くなる予定であるため、この点に関しては当初よりも研究がスムーズに進む見込みである。

研究成果

• [雑誌論文] A Single-Institution Prospective Study To Evaluate the Safety and Efficacy of Real- Time Image-Gated Spot-Scanning Proton Therapy (RGPT) for Prostate Cancer (2024)
  • 著者名/発表者名: Nishioka Kentaro、Hashimoto Takayuki、Mori Takashi、Uchinami Yusuke、Kinoshita Rumiko、Katoh Norio、Taguchi Hiroshi、Yasuda Koichi、Ito Yoichi M.、Takao Seishin、Tamura Masaya、Matsuura Taeko、Shimizu Shinichi、Shirato Hiroki、Aoyama Hidefumi
  • 雑誌名: Advances in Radiation Oncology 巻: 9 号: 5 ページ: 101464-101464
  • DOI: 10.1016/j.adro.2024.101464
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Distribution of human papilloma virus genotypes and treatment outcomes in definitive radiotherapy for cervical cancer (2023)
  • 著者名/発表者名: Kinoshita Rumiko、Mitamura Takashi、Kato Fumi、Hattori Takahiro、Higaki Hajime、Takahashi Shuhei、Fujita Yoshihiro、Otsuka Manami、Koizumi Fuki、Uchinami Yusuke、Mori Takashi、Nishioka Kentaro、Hashimoto Takayuki、Ito Yoichi M、Watari Hidemichi、Aoyama Hidefumi
  • 雑誌名: Journal of Radiation Research 巻: 64 号: 2 ページ: 463-470
  • DOI: 10.1093/jrr/rrac086
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Predicting the daily gastrointestinal doses of stereotactic body radiation therapy for pancreatic cancer based on the shortest distance between the tumor and the gastrointestinal tract using daily computed tomography images (2023)
  • 著者名/発表者名: Uchinami Yusuke、Kanehira Takahiro、Nakazato Keiji、Fujita Yoshihiro、Koizumi Fuki、Takahashi Shuhei、Otsuka Manami、Yasuda Koichi、Taguchi Hiroshi、Nishioka Kentaro、Miyamoto Naoki、Yokokawa Kohei、Suzuki Ryusuke、Kobashi Keiji、Takahashi Keita、Katoh Norio、Aoyama Hidefumi
  • 雑誌名: BJR|Open 巻: 5 号: 1 ページ: 43-43
  • DOI: 10.1259/bjro.20230043
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] A Japanese registry study and systematic review of particle therapy for renal cell carcinoma (2023)
  • 著者名/発表者名: Ishikawa Hitoshi、Arimura Takeshi、Maruo Kazushi、Kawamura Hidemasa、Toyama Shingo、Ogino Takashi、Okimoto Tomoaki、Murakami Masao、Sato Yoshitaka、Nishioka Kentaro、Araya Masayuki、Ohba Hisateru、Umehara Kensuke、Aoyama Hidefumi、Obara Wataru、Azuma Haruhito、Tsuji Hiroshi、Sakurai Hideyuki
  • 雑誌名: Journal of Radiation Research 巻: 64 号: Supplement_1 ページ: i41-i48
  • DOI: 10.1093/jrr/rrad010
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Proton beam therapy for muscle-invasive bladder cancer: A systematic review and analysis with Proton-Net, a multicenter prospective patient registry database (2023)
  • 著者名/発表者名: Araya Masayuki、Ishikawa Hitoshi、Nishioka Kentaro、Maruo Kazushi、Asakura Hirofumi、Iizumi Takashi、Takagi Masaru、Murakami Masao、Azuma Haruhito、Obara Wataru、Aoyama Hidefumi、Sakurai Hideyuki
  • 雑誌名: Journal of Radiation Research 巻: 64 号: Supplement_1 ページ: i49-i58
  • DOI: 10.1093/jrr/rrad027
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] The need of radiotherapy optimization for glioblastomas considering immune responses (2023)
  • 著者名/発表者名: Nishioka Kentaro、Takahashi Shuhei、Mori Takashi、Uchinami Yusuke、Yamaguchi Shigeru、Kinoshita Manabu、Yamashina Masaaki、Higaki Hajime、Maebayashi Katsuya、Aoyama Hidefumi
  • 雑誌名: Japanese Journal of Radiology 巻: 41 号: 10 ページ: 1062-1071
  • DOI: 10.1007/s11604-023-01434-x
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Brain metastases in Japanese NSCLC patients: prognostic assessment and the use of osimertinib and immune checkpoint inhibitors?retrospective study (2023)
  • 著者名/発表者名: Higaki H, Nishioka K, Otsuka M, Nishikawa N, Shido M, Minatogawa H, Nishikawa Y, Takashina R, Hashimoto T, Katoh N, Taguchi H, Kinoshita R, Yasuda K, Mori T, Uchinami Y, Koizumi F, Fujita Y, Takahashi S, Hattori T, Nishiyama N, Aoyama H
  • 雑誌名: Radiation Oncology 巻: 18 号: 1 ページ: 25-25
  • DOI: 10.1186/s13014-023-02218-3
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Dosimetric advantages of daily adaptive strategy in IMPT for high-risk prostate cancer (2022)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Tamura, Keiji Kobashi, Kentaro Nishioka, Takaaki Yoshimura, Takayuki Hashimoto, Shinichi Shimizu, Yoichi M. Ito, Yoshikazu Maeda, Makoto Sasaki, Kazutaka Yamamoto, Hiroyasu Tamamura, Hidefumi Aoyama, Hiroki Shirato
  • 雑誌名: Journal of Applied Clinical Medical Physics 巻: 23 号: 4
  • DOI: 10.1002/acm2.13531
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Are simple verbal instructions sufficient to ensure that bladder volume does not deteriorate prostate position reproducibility during spot scanning proton therapy? (2021)
  • 著者名/発表者名: Nishioka Kentaro、Gotoh Kento、Hashimoto Takayuki、Abe Takashige、Osawa Takahiro、Matsumoto Ryuji、Yokota Isao、Katoh Norio、Kinoshita Rumiko、Yasuda Koichi、Yakabe Toshiaki、Yoshimura Takaaki、Takao Seishin、Shinohara Nobuo、Aoyama Hidefumi、Shimizu Shinichi、Shirato Hiroki
  • 雑誌名: BJR|Open 巻: 3 号: 1
  • DOI: 10.1259/bjro.20210064
  • NAID: 120007171672
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Visualizing the urethra by magnetic resonance imaging without usage of a catheter for radiotherapy of prostate cancer (2021)
  • 著者名/発表者名: Yoshimura Takaaki、Nishioka Kentaro、Hashimoto Takayuki、Fujiwara Taro、Ishizaka Kinya、Sugimori Hiroyuki、Kogame Shoki、Seki Kazuya、Tamura Hiroshi、Tanaka Sodai、Matsuo Yuto、Dekura Yasuhiro、Kato Fumi、Aoyama Hidefumi、Shimizu Shinichi
  • 雑誌名: Physics and Imaging in Radiation Oncology 巻: 18 ページ: 1-4
  • DOI: 10.1016/j.phro.2021.03.002
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Treatment outcomes of stereotactic body radiation therapy using a real‐time tumor‐tracking radiotherapy system for hepatocellular carcinomas (2021)
  • 著者名/発表者名: Uchinami Yusuke、Katoh Norio、Abo Daisuke、Taguchi Hiroshi、Yasuda Koichi、Nishioka Kentaro、Soyama Takeshi、Morita Ryo、Miyamoto Naoki、Suzuki Ryusuke、Sho Takuya、Nakai Masato、Ogawa Koji、Kakisaka Tatsuhiko、Orimo Tatsuya、Kamiyama Toshiya、Shimizu Shinichi、Aoyama Hidefumi
  • 雑誌名: Hepatology Research 巻: 51 号: 8 ページ: 870-879
  • DOI: 10.1111/hepr.13649
  • 査読あり
• [雑誌論文] A treatment planning study of urethra-sparing intensity-modulated proton therapy for localized prostate cancer (2021)
  • 著者名/発表者名: Yoshimura Takaaki、Nishioka Kentaro、Hashimoto Takayuki、Seki Kazuya、Kogame Shouki、Tanaka Sodai、Kanehira Takahiro、Tamura Masaya、Takao Seishin、Matsuura Taeko、Kobashi Keiji、Kato Fumi、Aoyama Hidefumi、Shimizu Shinichi
  • 雑誌名: Physics and Imaging in Radiation Oncology 巻: 20 ページ: 23-29
  • DOI: 10.1016/j.phro.2021.09.006
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Impact of a spatially dependent dose delivery time structure on the biological effectiveness of scanning proton therapy (2021)
  • 著者名/発表者名: Kasamatsu Koki、Tanaka Sodai、Miyazaki Koichi、Takao Seishin、Miyamoto Naoki、Hirayama Shusuke、Nishioka Kentaro、Hashimoto Takayuki、Aoyama Hidefumi、Umegaki Kikuo、Matsuura Taeko
  • 雑誌名: Medical Physics 巻: 49 号: 1 ページ: 702-713
  • DOI: 10.1002/mp.15367
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] 非剛体レジストレーションを用いた膀胱腫瘍床描出の試み (2024)
  • 著者名/発表者名: 西岡健太郎、長谷川淳、小橋啓司、吉村高明、中里慧二、森崇、髙橋周平、宮﨑智彦、橋本孝之、青山英史
  • 学会等名: 第37回高精度放射線外部照射部会学術大会
• [学会発表] 非剛体レジストレーションを用いて膀胱癌の腫瘍床を描出する手法の検討 (2023)
  • 著者名/発表者名: 長谷川淳、橋本孝之、西岡健太郎、小橋啓司、吉村高明、中里慧二、森崇、高橋周平、宮崎智彦、青山英史
  • 学会等名: 日本放射線腫瘍学会第36回学術大会
• [学会発表] A Single-Institution Prospective Study to Evaluate the Safety and Efficacy of Real-Time-Image Gated Spot-Scanning Proton Therapy (RGPT) for Prostate Cancer (2022)
  • 著者名/発表者名: K. Nishioka, T. Hashimoto, T. Mori, Y. Uchinami, R. Kinoshita, N. Katoh, H. Taguchi, K. Yasuda, S. Takahashi, Y.M. Ito, S. Takao, M. Tamura, S. Shimizu, H. Shirato, and H. Aoyama
  • 学会等名: American Society for Radiation Oncology (ASTRO)64th Annual Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] Brain Metastases in Japanese NSCLC Patients: Prognostic Assessment and the Use of Osimertinib and Immune Checkpoint Inhibitors (2022)
  • 著者名/発表者名: H. Higaki, K. Nishioka, M. Otsuka, T. Hashimoto, N. Katoh, H. Taguchi, R. Kinoshita, K. Yasuda, T. Mori, Y. Uchinami, N. Nishikawa, M. Shido, F. Koizumi, Y. Fujita, S. Takahashi, T. Hattori, H. Minatogawa, R. Takashina, N. Nishiyama, H. Aoyama
  • 学会等名: American Society for Radiation Oncology(ASTRO)64th Annual Meeting
  • 国際学会