医療における多目的決定構造の数理的解明

• 研究課題/領域番号: 21K18312
• 研究種目: 挑戦的研究(開拓)
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 中区分62:応用情報学およびその関連分野
• 研究機関: 九州大学
• 研究代表者: 内田 誠一 九州大学, システム情報科学研究院, 教授 (70315125)
• 研究分担者: 中島 直樹 九州大学, 大学病院, 教授 (60325529) ; 加葉田 雄太朗 長崎大学, 情報データ科学部, 助教 (40830097)
• 研究期間 (年度): 2021-07-09 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2023年度)
• 配分額: 26,000千円 (直接経費: 20,000千円、間接経費: 6,000千円); 2023年度: 9,100千円 (直接経費: 7,000千円、間接経費: 2,100千円); 2022年度: 7,150千円 (直接経費: 5,500千円、間接経費: 1,650千円); 2021年度: 9,750千円 (直接経費: 7,500千円、間接経費: 2,250千円)
• キーワード: 多目的最適化 / 特異点論 / 医療データ / 機械学習 / 特異点 / 実データ解析 / パレート解 / 医療情報処理 / 実データ分析

研究開始時の研究の概要

本研究では，医療現場における治療方針決定を，多目的最適化の枠組みで数理的に扱うことで，根拠に基づく医療の進展に寄与することを目的とする．実際，治療方針の決定には，「治療費，治療効果，リスク，リソース（医師団や医療設備）使用量」など考慮すべき複数の評価指標が存在し，さらにそれらのトレードオフまでも考慮する必要がある．そこで本研究では，これを多目的最適化問題として捉え，治療方針の数理的な最適決定を目指す．

研究成果の概要

本研究では，医療現場における治療方針決定が，多目的最適化問題における解決定問題に帰着することに着眼した．しかし，一般的な多目的最適化は，解を「集合として複数与える」点において，不十分であった．そこで，解集合（パレートフロント）の幾何形状を数学的に捉え，「解集合の広がりの中で他と比べて傑出した点」すなわち「特異点」を利用することつぃた．そして，目的関数を限定（二次関数と正規関数のような単峰性関数）した上で，パレートフロントの特異点の状況と，それを多目的最適化問題の解とすることの解釈を見出し，最終的にそうした理論を実際に医療データに用いて適用した．

研究成果の学術的意義や社会的意義

まず「数学者と医学者，そして情報学者のコラボレーションにより，医療問題を多目的最適化問題として捉え，それに対して，医療現場では必須となる『唯一解』がそのままでは得られないこと，そして特異点に注目することで解候補を数個に絞れること」を示した社会的意義を強調したい．「問題の捉え方」も「用語」も異なる三分野の共同研究は，今後も推進すべきと痛感した．学術的には，①シンプルだが一般的な凸関数（二次関数，ガウス関数）を用いた場合のパレートフロントの特異点の挙動を詳細に解析でき，また②それら特異点が最適化問題の解としてどのような意味を持つかについて多面的な説明が与えられた点が，最大の成果と考えている．

研究成果

• [雑誌論文] Pseudo-Label Learning with Calibrated Confidence Using an Energy-Based Model (2024)
  • 著者名/発表者名: Masahito Toba, Seiichi Uchida, Hideaki Hayashi
  • 雑誌名: Proceedings of The International Joint Conference on Neural Networks (IJCNN2024) 巻: -
  • 査読あり
• [雑誌論文] No regret sample selection with noisy labels (2024)
  • 著者名/発表者名: Song Heon、Mitsuo Nariaki、Uchida Seiichi、Suehiro Daiki
  • 雑誌名: Machine Learning 巻: 113 号: 3 ページ: 1163-1188
  • DOI: 10.1007/s10994-023-06478-8
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] On discrete constant principal curvature surfaces (2024)
  • 著者名/発表者名: Kabata Yutaro、Matsutani Shigeki、Ogata Yuta
  • 雑誌名: Computer Aided Geometric Design 巻: ー ページ: 102289-102289
  • DOI: 10.1016/j.cagd.2024.102289
  • 査読あり
• [雑誌論文] Algebraic approach to maximum likelihood factor analysis (2024)
  • 著者名/発表者名: Ryoya Fukasaku, Kei Hirose, Yutaro Kabata, Keisuke Teramoto
  • 雑誌名: arXiv 巻: 2402.08181
  • オープンアクセス
• [雑誌論文] Development of Machine Learning Prediction Models for Self-Extubation After Delirium Using Emergency Department Data (2024)
  • 著者名/発表者名: Matsumoto Koutarou、Nohara Yasunobu、Sakaguchi Mikako、Takayama Yohei、Yamashita Takanori、Soejima Hidehisa、Nakashima Naoki
  • 雑誌名: Studies in Health Technology and Informatics 巻: 2023 ページ: 1001-1005
  • DOI: 10.3233/shti231115
  • ISBN: 9781643684567, 9781643684574
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Association Between Reduced Posterior Occlusal Contact and Alzheimer’s Disease Onset in Older Japanese Adults: Results from the LIFE Study (2024)
  • 著者名/発表者名: Miyano Takashi、Ayukawa Yasunori、Anada Takahisa、Takahashi Ichiro、Furuhashi Hiroko、Tokunaga Shoji、Hirata Akie、Nakashima Naoki、Kato Koichiro、Fukuda Haruhisa
  • 雑誌名: Journal of Alzheimer's Disease 巻: 97 号: 2 ページ: 871-881
  • DOI: 10.3233/jad-230449
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Relevance of ChatGPT’s Responses to Common Hypertension-Related Patient Inquiries (2024)
  • 著者名/発表者名: Yuichiro Yano, Akira Nishiyama, Yusuke Suzuki, Satoshi Morimoto, Takashi Morikawa, Tomohito Gohda, Hiroshi Kanegae and Naoki Nakashima
  • 雑誌名: Hypertension 巻: 81 号: 1
  • DOI: 10.1161/hypertensionaha.123.22084
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Learning From Label Proportion with Online Pseudo-Label Decision by Regret Minimization (2023)
  • 著者名/発表者名: Matsuo Shinnosuke、Bise Ryoma、Uchida Seiichi、Suehiro Daiki
  • 雑誌名: Proceedings of the 47th International Conference on Acoustics, Speech, and Signal Processing 巻: - ページ: 1-5
  • DOI: 10.1109/icassp49357.2023.10097069
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Paired contrastive feature for highly reliable offline signature verification (2023)
  • 著者名/発表者名: ji Xiaotong、Suehiro Daiki、Uchida Seiichi
  • 雑誌名: Pattern Recognition 巻: 144 ページ: 109816-109816
  • DOI: 10.1016/j.patcog.2023.109816
  • 査読あり
• [雑誌論文] Three-dimensional topological radiogenomics of epidermal growth factor receptor Del19 and L858R mutation subtypes on computed tomography images of lung cancer patients (2023)
  • 著者名/発表者名: Ninomiya Kenta、Arimura Hidetaka、Tanaka Kentaro、Chan Wai Yee、Kabata Yutaro、Mizuno Shinichi、Gowdh Nadia Fareeda Muhammad、Yaakup Nur Adura、Liam Chong-Kin、Chai Chee-Shee、Ng Kwan Hoong
  • 雑誌名: Computer Methods and Programs in Biomedicine 巻: Epub ahead of print ページ: 107544-107544
  • DOI: 10.1016/j.cmpb.2023.107544
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] A view-parametric extension of d'Ocagne-Koenderink formula for a surface in R^3 (2023)
  • 著者名/発表者名: Ken Anjyo, Yutaro Kabata
  • 雑誌名: arXiv 巻: 2310.05087
  • オープンアクセス
• [雑誌論文] A novel symmetry in nanocarbons: pre-constant discrete principal curvature structure (2023)
  • 著者名/発表者名: Yutaro Kabata, Shigeki Matsutani, Yusuke Noda, Yuta Ogata, Jun Onoe
  • 雑誌名: arXiv 巻: 2306.15839
  • オープンアクセス
• [雑誌論文] Temporal Generalizability of Machine Learning Models for Predicting Postoperative Delirium Using Electronic Health Record Data: Model Development and Validation Study (2023)
  • 著者名/発表者名: Koutarou Matsumoto, Yasunobu Nohara, Mikako Sakaguchi, Yohei Takayama, Syota Fukushige, Hidehisa Soejima, Naoki Nakashima, Masahiro Kamouchi
  • 雑誌名: JMIR Perioperative Medicine 巻: 6 ページ: e50895-e50895
  • DOI: 10.2196/50895
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Kidney outcomes associated with haematuria and proteinuria trajectories among patients with <scp>IgA</scp> nephropathy in real‐world clinical practice: The Japan Chronic Kidney Disease Database (2023)
  • 著者名/発表者名: Yano Yuichiro、Nagasu Hajime、Kanegae Hiroshi、Nangaku Masaomi、Hirakawa Yosuke、Sugawara Yuka、Nakagawa Naoki、Wada Jun、Sugiyama Hitoshi、Nakano Toshiaki、Wada Takashi、Shimizu Miho、Suzuki Hitoshi、Komatsu Hiroyuki、Nakashima Naoki、Kitaoka Kaori、Narita Ichiei、Okada Hirokazu、Suzuki Yusuke、Kashihara Naoki
  • 雑誌名: Nephrology 巻: 29 号: 2 ページ: 65-75
  • DOI: 10.1111/nep.14250
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Development of artificial intelligence prognostic model for surgically resected non-small cell lung cancer (2023)
  • 著者名/発表者名: Kinoshita Fumihiko、Takenaka Tomoyoshi、Yamashita Takanori、Matsumoto Koutarou、Oku Yuka、Ono Yuki、Wakasu Sho、Haratake Naoki、Tagawa Tetsuzo、Nakashima Naoki、Mori Masaki
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 13 号: 1 ページ: 15683-15683
  • DOI: 10.1038/s41598-023-42964-8
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Impact of the pretreatment prognostic nutritional index on the survival after first‐line immunotherapy in non‐small‐cell lung cancer patients (2023)
  • 著者名/発表者名: Oku Yuka、Nakashima Naoki, et al.
  • 雑誌名: Cancer Medicine 巻: 12 号: 13 ページ: 14327-14336
  • DOI: 10.1002/cam4.6110
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Non-linear association between body weight and functional outcome after acute ischemic stroke (2023)
  • 著者名/発表者名: Wakisaka Kayo、Matsuo Ryu、Matsumoto Koutarou、Nohara Yasunobu、Irie Fumi、Wakisaka Yoshinobu、Ago Tetsuro、Nakashima Naoki、Kamouchi Masahiro、Kitazono Takanari
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 13 号: 1 ページ: 8697-8697
  • DOI: 10.1038/s41598-023-35894-y
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Long-term outcome of chronic thromboembolic pulmonary hypertension using direct oral anticoagulants and warfarin: a Japanese prospective cohort study (2023)
  • 著者名/発表者名: Hosokawa Kazuya、Abe Kohtaro、Funakoshi Kouta、Tet al
  • 雑誌名: Journal of Thrombosis and Haemostasis 巻: in press 号: 8 ページ: 2151-2162
  • DOI: 10.1016/j.jtha.2023.03.036
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Deep Learning of ECG for the Prediction of Postoperative Atrial Fibrillation (2023)
  • 著者名/発表者名: Tohyama Takeshi、Ide Tomomi、Ikeda Masataka、Nagata Takuya、Tagawa Koshiro、Hirose Masayuki、Funakoshi Kouta、Sakamoto Kazuo、Kishimoto Junji、Todaka Koji、Nakashima Naoki、Tsutsui Hiroyuki
  • 雑誌名: Circulation: Arrhythmia and Electrophysiology 巻: 16 号: 2
  • DOI: 10.1161/circep.122.011579
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Delirium Prediction Using Machine Learning Interpretation Method and Its Incorporation into a Clinical Workflow (2023)
  • 著者名/発表者名: Matsumoto Koutarou、Nohara Yasunobu、Sakaguchi Mikako、Takayama Yohei、Fukushige Shota、Soejima Hidehisa、Nakashima Naoki
  • 雑誌名: Applied Sciences 巻: 13 号: 3 ページ: 1564-1564
  • DOI: 10.3390/app13031564
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] 薬剤師が知っておくべき、ビックデータの取り扱いと今後の展望について (2024)
  • 著者名/発表者名: 中島 直樹
  • 学会等名: Fukuoka Pharmacy Director Seminar
  • 招待講演
• [学会発表] RWDを活用したデジタルヘルスの取り組み (2024)
  • 著者名/発表者名: 中島 直樹
  • 学会等名: 第3回FAST-HDJ次世代医療基盤法シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] Bioimage-informatics with machine learning (2023)
  • 著者名/発表者名: Seiichi Uchida
  • 学会等名: WPI-PRIMe Seminar Series
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 実データと機械学習を組み合わせて楽しむ (2023)
  • 著者名/発表者名: 内田誠一
  • 学会等名: 精密工学会 画像応用技術専門委員会 2023年度第2回研究会
  • 招待講演
• [学会発表] 画像解析AIに関する最近の動向 (2023)
  • 著者名/発表者名: 内田誠一
  • 学会等名: 九州大学整形外科学教室 第450回 MOC会
  • 招待講演
• [学会発表] 多目的最適化問題の一意解のための特異点論応用（第二報） (2023)
  • 著者名/発表者名: 内田誠一, 加葉田雄太郎
  • 学会等名: 画像の認識・理解シンポジウム(MIRU2023)
• [学会発表] Energy-based modelを用いた信頼度較正と疑似ラベル学習への応用 (2023)
  • 著者名/発表者名: 鳥羽真仁, 内田誠一 , 早志英朗
  • 学会等名: 画像の認識・理解シンポジウム(MIRU2023)
• [学会発表] WSIに対する部分的なラベル比率からの学習 (2023)
  • 著者名/発表者名: 松尾信之介 , 末廣大貴 , 内田誠一 , 伊藤寛朗, 寺田和弘, 吉澤明彦 , 備瀬竜馬
  • 学会等名: 画像の認識・理解シンポジウム(MIRU2023)
• [学会発表] Self Attention機構を用いた画像単位でのデータ拡張の適応的選択 (2023)
  • 著者名/発表者名: 山田敏輝, 内田誠一, 原田翔太
  • 学会等名: 画像の認識・理解シンポジウム(MIRU2023)
• [学会発表] 組合せ最適化問題の画像表現による解法 (2023)
  • 著者名/発表者名: 石山 遼, 白川嵩大, 内田誠一, 松尾信之介
  • 学会等名: 電子情報通信学会パターン認識・メディア理解研究会
• [学会発表] 組合せ最適化問題のTransformerによる解法 (2023)
  • 著者名/発表者名: 石山 遼, 白川嵩大, 内田誠一, 松尾信之介
  • 学会等名: 電気・情報関係学会九州支部連合大会
• [学会発表] ランキングと分類による疾病重症度の推定 (2023)
  • 著者名/発表者名: 宝満竜一, 内田誠一, 田中聖人, 早志英朗
  • 学会等名: 電気・情報関係学会九州支部連合大会
• [学会発表] 多目的最適化問題の幾何学と混合分布 (2023)
  • 著者名/発表者名: 加葉田雄太朗
  • 学会等名: 評価のOR 第101回研究会
• [学会発表] 写像の観点からの 混合正規分布の峰の研究 (2023)
  • 著者名/発表者名: 加葉田雄太朗
  • 学会等名: 統計連合大会
• [学会発表] Surface parametrization for manufacturing by principal curvature integral (2023)
  • 著者名/発表者名: Yutaro Kabata
  • 学会等名: International Council for Industrial and Applied Mathematics
  • 国際学会
• [学会発表] 政府が進めている一次利用目的としての医療情報基盤整備と二次利用への活用 (2023)
  • 著者名/発表者名: 中島 直樹
  • 学会等名: 日本医療検査科学会 第55回大会
  • 招待講演
• [学会発表] これからの病院に求められる医療のデジタル化 (2023)
  • 著者名/発表者名: 中島 直樹
  • 学会等名: SSK 医療・介護・ヘルスケア戦略特別セミナー
  • 招待講演
• [学会発表] 情報が変える医学と医療の姿 (2023)
  • 著者名/発表者名: 中島 直樹
  • 学会等名: 第31回日本医学会総会
  • 招待講演
• [学会発表] 国が主導する「全国医療情報プラットフォーム」における薬剤師の役割 (2023)
  • 著者名/発表者名: 中島 直樹
  • 学会等名: 第25回日本医薬品情報学会総会・学術大会
• [学会発表] ePathの概要とその活用、効果について (2023)
  • 著者名/発表者名: 中熊 英貴, 小妻 幸男, 山下 貴範, 若田 好史, 的場 哲哉, 松木 絵里, 船越 公太, 戸高 浩司, 中島 直樹, 岡田 美保子, 副島 秀久
  • 学会等名: 第43回医療情報学連合大会
• [学会発表] ePath 基盤の進化と多面的な貢献の可能性 (2023)
  • 著者名/発表者名: 山下 貴範, 若田 好史, 村岡 修子, 岡田 美保子, 高瀬 博之, 中島 直樹, 副島 秀久
  • 学会等名: 第43回医療情報学連合大会
• [学会発表] 標準化クリニカルパス「ePath」を基盤としたアウトカム予測とクリティカルインディケータ探索手法 (2023)
  • 著者名/発表者名: 藤 沙織, 松本 晃太郎, 山下 貴範, 若田 好史, 野原 康伸, 橋之口 朝仁, 木下 郁彦, 竹中 朋祐, 鴨打 正浩, 中島 直樹
  • 学会等名: 第43回医療情報学連合大会
• [学会発表] 医師の働き方改革を目的としたLearning Health System 構築- ePath データの活用事例 - (2023)
  • 著者名/発表者名: 松本 晃太郎, 若田 好史, 野原 康伸, 中熊 英貴, 小妻 幸男, 管田 塁, 山下 貴範, 的場 哲哉, 坂本 和生, 橋之口 朝仁, 木下 郁彦, 竹中 朋祐, 荒木 千恵子, 劔 卓夫, 堀尾 英治, 岩谷 和法, 羽藤 慎二, 重松 久之, 山下 素弘, 村岡 修子, 杉田 匡聡, 副島 秀久, 中島 直樹
  • 学会等名: 第43回医療情報学連合大会
• [学会発表] クリニカルパスから見えてきた医療情報活用の具体 (2023)
  • 著者名/発表者名: 中島 直樹, 羽藤 慎二, 森崎 真美
  • 学会等名: 第24回日本医療情報学会看護学術大会
• [学会発表] 電子カルテとICTを用いたデータに基づく働き方改革 (2023)
  • 著者名/発表者名: 中島 直樹
  • 学会等名: 第66回日本糖尿病学会年次学術集会
• [学会発表] データヘルス改革によって変わる救急・災害医療 (2023)
  • 著者名/発表者名: 中島 直樹
  • 学会等名: STROKE2023
• [学会発表] 医療Dxの最前線：クリニカルパスとICTを活用した働き方改革 (2023)
  • 著者名/発表者名: 中島 直樹, 坂本 和生, 横地 常広, 佐藤 寿彦, 荒木 千恵子
  • 学会等名: 第87回日本循環器学会学術集会
• [学会発表] バイオデータ解析に使えそうな機械学習 (2023)
  • 著者名/発表者名: 内田誠一
  • 学会等名: 新学術領域研究「シンギュラリティ生物学」成果公開シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] クラス分類性能均衡化のためのBoosting (2023)
  • 著者名/発表者名: 斉藤優也, 松尾信之介, 内田誠一, 末廣大貴
  • 学会等名: 電子情報通信学会パターン認識・メディア理解研究会
• [学会発表] 部分的なラベル比率からの学習 (2023)
  • 著者名/発表者名: 松尾信之介, 末廣大貴, 内田誠一, 備瀬竜馬
  • 学会等名: 電子情報通信学会パターン認識・メディア理解研究会
• [学会発表] 多目的最適化問題の一意解のための特異点論応用 (2022)
  • 著者名/発表者名: 内田 誠一, 加葉田 雄太朗
  • 学会等名: 画像の認識・理解シンポジウム
• [学会発表] 医学で役に立ちそうなAIの最新技術・研究の動向 (2022)
  • 著者名/発表者名: 内田誠一
  • 学会等名: 久留米大学バイオ統計学フォーラム
  • 招待講演
• [学会発表] バイオメディカル画像解析に関する Label efficient learning (2022)
  • 著者名/発表者名: 内田誠一, 備瀬竜馬
  • 学会等名: 第31回日本バイオイメージング学会学術集会
  • 招待講演
• [学会発表] 多目的最適化問題の幾何とその応用 (2022)
  • 著者名/発表者名: 加葉田 雄太朗
  • 学会等名: 2022年度 統計関連学会連合大会
• [学会発表] 重症度が連続的に変化する医用生成画像を用いたデータ拡張法 (2022)
  • 著者名/発表者名: 竹崎隼平, 田中聖人, 内田誠一, 門田健明
  • 学会等名: 電子情報通信学会パターン認識・メディア理解研究会
• [学会発表] Conditional GANによる医療画像のデータ拡張 (2022)
  • 著者名/発表者名: 竹崎隼平, 内田誠一, 田中聖人, 門田健明
  • 学会等名: 電気・情報関係学会九州支部連合大会
• [備考] ヒューマンインタフェース研究室
• [備考] ヒューマンインタフェース研究室
  • URL: https://human.ait.kyushu-u.ac.jp
• [備考] ヒューマンインタフェース研究室