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深層学習AIを用いた高速・高精度・高信頼性尿細胞診診断支援システムの実用化

研究課題

研究課題/領域番号 23K08783
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56030:泌尿器科学関連
研究機関京都府立医科大学

研究代表者

金子 正大  京都府立医科大学, 医学(系)研究科(研究院), 客員講師 (60973807)

研究分担者 小西 英一  京都府立医科大学, 医学(系)研究科(研究院), 准教授 (50186714)
浮村 理  京都府立医科大学, 医学(系)研究科(研究院), 教授 (70275220)
藤原 敦子  京都府立医科大学, 医学(系)研究科(研究院), 講師 (20457980)
白石 匠  京都府立医科大学, 医学(系)研究科(研究院), 助教 (70405314)
上田 崇  京都府立医科大学, 医学(系)研究科(研究院), 助教 (50601598)
山田 剛司  京都府立医科大学, 医学(系)研究科(研究院), 助教 (20453095)
清水 輝記  京都府立医科大学, 医学(系)研究科(研究院), 客員講師 (90530361)
井上 裕太  京都府立医科大学, 医学(系)研究科(研究院), 助教 (20898499)
研究期間 (年度) 2023-04-01 – 2026-03-31
研究課題ステータス 交付 (2023年度)
配分額 *注記
4,550千円 (直接経費: 3,500千円、間接経費: 1,050千円)
2025年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円)
2024年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円)
2023年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円)
キーワード尿路上皮癌 / 尿細胞診 / 深層学習 / コンピュータ支援診断 / computer vision
研究開始時の研究の概要

本研究の概要は、膀胱がんや腎盂尿管がんの診断、経過観察に広く用いられている尿細胞診検査のスライド画像を人工知能(AI)に解析させることで、検査に携わる病理技師および病理医の業務を軽減し、高速高精度高信頼性の尿細胞診診断支援を行うAIを実用化する。どこの施設でも利用可能なAIを開発するため、国外の施設を含む多施設での検証試験を実施し、一定した性能を実証することで、一般の医療現場で利用可能な、尿細胞診検査の診断支援AIを世界で初めて実用化する研究である。本AIはデジタル化したスライドを評価するため、地理的に離れた施設での遠隔診断支援への応用も期待される。

研究実績の概要

1st Phaseで作成した細胞単位尿細胞診診断支援Artificial Intelligence (AI)を発展させた。研究の2nd Phaseとして、京都府立医科大学で収集した181枚の尿細胞診スライドによりAIをさらに訓練し、組織診断の直前に採取した171枚の尿細胞診スライドを正解データとして使用し、組織学的な高悪性度尿路上皮癌の有無を尿細胞診スライドから判定するAIを開発した。AIは曲線下面積 0.78、感度63%、特異度83%、平均スライド評価時間139秒と優れた性能を示した。細胞病理医の尿細胞診評価との比較においては、AIは感度において優位に上回り、なおかつ特異度および正診率では病理医と同様の性能を示した。また、本AIは病理医の診断を支援するために、AIの判定根拠となった高悪性度尿路上皮癌疑い細胞を一覧表示し病理医に提示することで、AIによる判定過程がブラックボックス化することを防いでいる。このような説明可能性・透明性はAIの臨床応用においては必須の重要な特性である。
3rd Phaseとして、多施設後ろ向き/前向き外部検証研究に着手している。京都府立医科大学ほか、外部施設(国内3施設+国外1施設)にて尿細胞診スライドを収集している。よりロバストなAIを開発するためなるべく多くの施設からスライドを収集することが望ましく、国内外部施設を予定より増やし研究を実施している。外部検証の予備的な結果では、内部検証と同様に、感度で病理医を上回り、特異度と正診率で病理医と差のない優れた性能を示した。
外部検証でも性能を維持する、汎化性能を持った、高性能かつ透明性のある尿細胞診診断支援AIが構築されており、臨床応用への準備が整いつつある。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

細胞単位の尿細胞診診断支援AIを開発する1st phase、スライド単位の尿細胞診診断支援AIを単施設のデータから開発する2nd Phaseを成功裏に終え、現在、多施設のデータを学習し、訓練データに含まれていない外部施設のデータで尿細胞診診断支援性能を評価する、後ろ向き/前向き外部検証研究を進めている。1st, 2nd Phaseで学習・検証データとして用いた京都府立医科大学からの尿細胞診スライドのほか、外部施設(国内3施設+国外1施設)にて倫理委員会の審査を経て、尿細胞診スライドを収集している。京都府立医科大学からは400枚以上、国内外部施設からは合計300枚以上、国外外部施設からは200枚以上のスライドを収集済みである。AIの性能面においても、臨床的に重要な感度において病理医の性能を外部検証で上回りつつ、特異度および正診率では病理医と差のない性能を維持している。AIアルゴリズムの最適化により、より軽量なモデルを構築し高速な演算性能も実現している。以上のように、順調に研究を遂行している。

今後の研究の推進方策

今後は、協力施設をさらに増やし、さらに多くの尿細胞診スライドを多数の施設から集め、AIの更なる訓練と検証に使用することで、AIの性能を高める。国外データを含む外部検証研究によって、あらゆる施設・検体処理法に対応した本AIの汎化性能を証明する。完成したAIを用いた多施設前向き試験を行い、主要評価項目としてAIの尿細胞診診断とその後の組織学的な尿路上皮癌確定診断との相関、副次評価項目として病理医単独あるいはAI支援下病理医の診断性能との比較、予後との相関、AIの診断性能に影響を及ぼす因子など、AIの性能を多角的に検証・実証する。以上の検証を経て、臨床応用が可能な、尿細胞診診断支援AIが完成する。

報告書

(1件)
  • 2023 実施状況報告書
  • 研究成果

    (7件)

すべて 2024 2023 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (1件) (うち査読あり 1件) 学会発表 (5件) (うち国際学会 2件、 招待講演 2件)

  • [国際共同研究] University of Southern California(米国)

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [雑誌論文] A Fully Automated Artificial Intelligence System to Assist Pathologists’ Diagnosis to Predict Histologically High-grade Urothelial Carcinoma from Digitized Urine Cytology Slides Using Deep Learning2024

    • 著者名/発表者名
      Tsuji Keisuke、Kaneko Masatomo、Harada Yuki、Fujihara Atsuko、Ueno Kengo、Nakanishi Masaya、Konishi Eiichi、Takamatsu Tetsuro、Horiguchi Go、Teramukai Satoshi、Ito-Ihara Toshiko、Ukimura Osamu
    • 雑誌名

      European Urology Oncology

      巻: 7 号: 2 ページ: 258-265

    • DOI

      10.1016/j.euo.2023.11.009

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] A Fully Automated Artificial Intelligence System to Assist Pathologists’ Detection of Histological High-Grade Urothelial Carcinoma from Urine Cytology Slides2023

    • 著者名/発表者名
      Kaneko Masatomo, Tsuji Keisuke, Harada Yuki, Fujihara Atsuko, Ueno Kengo, Nakanishi Masaya, Konishi Eiichi, Takamatsu Tetsuro, Teramukai Satoshi, Ito-Ihara Toshiko, Ukimura Osamu
    • 学会等名
      American Urological Association Annual Meeting 2023
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] A Fully Automated Artificial Intelligence Support System for Urine Cytology: Multi-Center External Validation Study2023

    • 著者名/発表者名
      Kaneko Masatomo, Tsuji Keisuke, Harada Yuki, Fujihara Atsuko, Ueno Kengo, Nakanishi Masaya, Konishi Eiichi, Takamatsu Tetsuro, Teramukai Satoshi, Ito-Ihara Toshiko, Abreu Andre, Ukimura Osamu
    • 学会等名
      American Urological Association Annual Meeting 2023
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 産学連携で開発した、尿細胞診から組織結果を予測する全自動AI2023

    • 著者名/発表者名
      辻 恵介,金子正大,原田雄基,上野賢吾,中西雅哉,小西英一,高松哲郎,猪原登志子,手良向 聡,浮村 理
    • 学会等名
      第110回日本泌尿器科学会総会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] AIによる尿細胞診2023

    • 著者名/発表者名
      金子正大,辻 恵介,原田雄基,藤原敦子,上野賢吾,中西雅哉,猪原登志子,小西英一,手良向 聡,浮村 理
    • 学会等名
      第64回日本臨床細胞学会総会春期大会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 尿細胞診のAI診断2023

    • 著者名/発表者名
      金子正大,辻 恵介,原田雄基,藤原敦子,上野賢吾,中西雅哉,猪原登志子,小西英一,手良向 聡,浮村 理
    • 学会等名
      第31回日本がん検診・診断学会総会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 招待講演

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公開日: 2023-04-13   更新日: 2024-12-25  

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