多元計算解剖モデルを利用した腫瘍診断支援システム

2014 年度 実績報告書

• 研究領域: 医用画像に基づく計算解剖学の多元化と高度知能化診断・治療への展開
• 研究課題/領域番号: 26108007
• 研究機関: 徳島大学
• 研究代表者: 仁木 登 徳島大学, ソシオテクノサイエンス研究部, 教授 (80116847)
• 研究分担者: 河田 佳樹 徳島大学, ソシオテクノサイエンス研究部, 准教授 (70274264) ; 鈴木 秀宣 徳島大学, ソシオテクノサイエンス研究部, 助教 (50546710) ; 島田 光生 徳島大学, ヘルスバイオサイエンス研究部, 教授 (10216070) ; 原田 雅史 徳島大学, ヘルスバイオサイエンス研究部, 教授 (20228654) ; 井本 逸勢(橘逸勢) 徳島大学, ヘルスバイオサイエンス研究部, 教授 (30258610) ; 安倍 正博 徳島大学, ヘルスバイオサイエンス研究部, 教授 (80263812) ; 梅谷 啓二 公益財団法人高輝度光科学研究センター, 利用研究促進部門, 主幹研究員 (50344396) ; 大松 広伸 独立行政法人国立がん研究センター, 東病院, 副科長 (40415518) ; 石井 源一郎 独立行政法人国立がん研究センター, 東病院, ユニット長 (00270869) ; 飯沼 元 独立行政法人国立がん研究センター, 中央病院, 医長 (60222824) ; 青景 圭樹 独立行政法人国立がん研究センター, 東病院, 医員 (20544753) ; 松元 祐司 独立行政法人国立がん研究センター, 中央病院, 医員 (00600579) ; 中野 恭幸 滋賀医科大学, 医学部, 准教授 (00362377) ; 三嶋 理晃 京都大学, 医学研究科, 教授 (60190625) ; 阪井 宏彰 京都大学, 医学研究科, 非常勤講師 (50362489)
• 研究期間 (年度): 2014-06-27 – 2019-03-31
• キーワード: 多元計算解剖モデル / 腫瘍診断支援システム / 肺・大腸・肝臓に発生する悪性腫瘍の本態解明 / 3次元ミクロからマクロの病態 / マルチスケール・マルチモダリティ画像

研究実績の概要

健康寿命を短縮する危険度の高い悪性腫瘍（肺，大腸，肝臓）の早期発見とライフステージに応じた適切な治療管理による重症化予防を実現するために，多元計算解剖モデルによる肺・大腸・肝臓に発生する悪性腫瘍の本態解明に挑み，これに基づいて高度知能化した腫瘍診断支援システムを研究開発する．4次元CT，広視野μCT，PET，MRIの最先端イメージングの画像情報を中心にして臨床・病理・遺伝子情報と効果的に融合して悪性腫瘍の本態解明を導く．特に，肺・大腸・肝臓の3次元ミクロからマクロの病態を明らかにし，これらの悪性腫瘍発病・進化過程をマルチスケール・マルチモダリティ画像と臨床・病理・遺伝子情報を用いてA01で実現される多元計算解剖モデルの基礎数理に基づいて数理統計的に統合解析する．研究計画は，1.マルチスケール・マルチモダリティ画像データベース構築（3次元ミクロ・マクロ画像情報，臨床・病理・遺伝子情報の集積），2.基礎研究（マクロからミクロレベルの画像による病態の解明，画像情報と遺伝子情報の統合解析），3.開発研究（罹患ハイリスクグループの層別化，悪性腫瘍の進化の定量化，鑑別・予後予測技術の創出とそれを利活用したシステムの構築），4.実用化研究（腫瘍診断・治療支援システム開発と臨床現場での評価）を柱とする．本年度は，主に1，2，3に取り組み，データベース構築に向け協力医療機関の倫理審査委員会の承認を得て研究協力体制を確立しマルチスケール・マルチモダリティ画像データ収集を開始した．基礎・開発研究では肺・大腸・肝臓の形態・機能解析には血管系に焦点を当てた3次元ミクロからマクロ構造の解析技術の開発と鑑別・予後予測技術の基礎技術となる悪性腫瘍罹患ハイリスクグループの層別化法の開発を開始した．

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

本年度は(1),(2)に注力し以下の通り取り組んだ．
(1) マルチスケール・マルチモダリティ画像データベース構築：3次元ミクロ画像データベースの構築に関わる肺標本は滋賀医科大学倫理委員会，兵庫県立尼崎病院から承認を受け標本作製を推進させた．3次元マルチモダリティ画像データベース構築に関わる画像情報，診断・病理情報，予後情報，遺伝子情報などの提供について国立がん研究センター，東京都予防医学協会，徳島大学から承認を得てデータ収集体制を確立した．
(2) 基礎研究: 血管系・膜構造に焦点を当てて胸腹部臓器の構造解析法（Medical Physics, 2013; Vol.40.電子情報通信学会論文誌, 2013; Vol.J.96-D)をマルチスケール・マルチモダリティ画像に展開して高精度に胸腹部臓器構造の精密解析法を構築し，マルチスケール・マルチモダリティ画像データベースを用いてその有用性の検証を行った．多元計算解剖モデルの基礎研究成果を利活用して画像情報，臨床・病理情報，遺伝子情報間の相互関係を数理統計的に解析する手法の開発を推進させた．
本研究「多元計算解剖モデルを利用した腫瘍診断支援システム」に関する平成２６年度の研究成果は原著論文2件，招待講演：1件，国際学会発表：5件，国内学会発表：21件，受賞：2件，申請時の計画通り順調に進展している．

今後の研究の推進方策

本研究は現在まで順調に進展している．今後の研究の推進方策は次の通りである．特に(1),(2)及び(3)に注力して取り組む．画像データベースの構築には個人情報保護法に関わるために医療施設の倫理審査委員会の処理手順に従い匿名化処理を施して実施する．
(1) マルチスケール・マルチモダリティ画像データベースの構築：(a) 治療前の拡大CT画像と治療後摘出標本の広視野μCT画像（画素サイズ：3μm）のマルチスケール3次元画像と臨床・病理・遺伝子情報のデータ収集，(b) 経時的に撮影された拡大CT画像（画素サイズ：300μm），PET，MRI画像，臨床・病理情報，予後追跡で得られる多様かつ膨大な時空間データベースを構築する．(c) 検診CT画像（画素サイズ：600μm）と臨床・病理情報からなるデータベースを構築し，遺伝子情報を収集する．
(2) 基礎研究：3次元ミクロからマクロの構造を高精度に抽出して時空間的な変化を定量的に捉える手法と病態の特性を定量的に表現する手法を開発する．肺・大腸・肝臓の3次元ミクロからマクロの病態を明らかにし，これらの悪性腫瘍発病・進化過程をマルチスケール・マルチモダリティ画像と臨床・病理・遺伝子情報を用いて数理統計的に解析する手法を創出して悪性腫瘍の本態解明を導く．
(3) 開発研究：悪性腫瘍の病態に関連する普遍的な知見を発掘する手法を開発し，悪性腫瘍罹患ハイリスクグループの層別化，悪性腫瘍進化の定量化，鑑別・予後予測技術を研究開発する．
(4) 実用化研究：マルチスケール・マルチモダリティ画像入力から悪性腫瘍候補の検出，悪性腫瘍罹患ハイリスクグループの層別化，悪性腫瘍進化の定量化，鑑別・予後予測技術の呈示に至る処理をインタラクティビティの高い表示方法でシームレスに実行するシステムを開発する．臨床研究を実施してシステムの有効性を検証する．

研究成果

• [雑誌論文] Relative contributions of emphysema and airway remodelling to airflow limitation in COPD: consistent results from two cohorts (2015)
  • 著者名/発表者名: N. V. Tho, Y. Ryujin, E. Ogawa, L. T. H. Trang, R. Kanda, K. Goto, M. Yamaguchi, T. Nagao, L. T. T. Lan, Y. Nakano
  • 雑誌名: Respirology 巻: 印刷中 ページ: 印刷中
  • DOI: doi: 10.1111/resp.12505
  • 査読あり
• [雑誌論文] 計算解剖モデルに基づく診断支援 (2014)
  • 著者名/発表者名: 仁木登，河田佳樹，鈴木秀宣，松廣幹雄
  • 雑誌名: INNERVISION 巻: 29 ページ: 19-21
• [雑誌論文] Hypomethylation of long interspersed nuclear element-1 (LINE-1) is associated with poor prognosis via activation of c-MET in hepatocellular carcinoma (2014)
  • 著者名/発表者名: C. Zhu, T. Utsunomiya, T. Ikemoto, S. Yamada, Y. Morine, S. Imura, Y. Arakawa, C. Takasu, D. Ishikawa, I. Imoto, M. Shimada
  • 雑誌名: Ann Surg Oncol 巻: 21 ページ: 729-735
  • DOI: doi: 10.1245/s10434-014-3874-4
  • 査読あり
• [学会発表] 放射光CTを用いた造影肺標本のミクロ構造解析 (2015)
  • 著者名/発表者名: 三並浩一，前田亘輝，河田佳樹，仁木登，梅谷啓二，中野恭幸，阪井宏彰，大松広伸，伊藤春海
  • 学会等名: 第10回京滋呼吸器リサーチフォーラム（優秀賞）
  • 発表場所: 京都リサーチパーク（京都府京都市）
  • 年月日: 2015-03-14 – 2015-03-14
• [学会発表] Nonlinear dimensionality reduction of CT histogram based feature space for predicting recurrence-free survival in non-small-cell lung cancer (2015)
  • 著者名/発表者名: Y.Kawata, N.Niki, H.Ohmatsu, K.Aokage, M.Kusumoto, T.Tsuchida, K.Eguchi, M.Kaneko
  • 学会等名: Proc. SPIE Medical Imaging
  • 発表場所: Renaissance Orlando (Orlando, Florida, United States)
  • 年月日: 2015-02-21 – 2015-02-26
• [学会発表] Quantitative assessment of smoking-induced emphysema progression in longitudinal CT screening for lung cancer (2015)
  • 著者名/発表者名: H.Suzuki, R.Mizuguchi, M.Matsuhiro, Y.Kawata, N.Niki, Y.Nakano, H.Ohmatsu, M.Kusumoto, T.Tsuchida, K.Eguchi, M.Kaneko, N.Moriyama
  • 学会等名: Proc. SPIE Medical Imaging
  • 発表場所: Renaissance Orlando (Orlando, Florida, United States)
  • 年月日: 2015-02-21 – 2015-02-26
• [学会発表] Peripleural lung disease detection based on multi-slice CT images (2015)
  • 著者名/発表者名: M.Matsuhiro, H.Suzuki, Y.Kawata, N.Niki, Y.Nakano, H.Ohmatsu, M.Kusumoto, T.Tsuchida, K.Eguchi, M.Kaneko
  • 学会等名: Proc. SPIE Medical Imaging
  • 発表場所: Renaissance Orlando (Orlando, Florida, United States)
  • 年月日: 2015-02-21 – 2015-02-26
• [学会発表] Microstructure analysis of the pulmonary acinus using a synchrotron radiation CT (2015)
  • 著者名/発表者名: Y.Tokumoto, K.Minami, Y.Kawata, N.Niki, K.Umetani, Y.Nakano, H.Sakai, H.Ohmatsu, H.Itoh
  • 学会等名: Proc. SPIE Medical Imaging
  • 発表場所: Renaissance Orlando (Orlando, Florida, United States)
  • 年月日: 2015-02-21 – 2015-02-26
• [学会発表] Assessing respiration-induced lobe volume change and emphysematous lesions using four-dimensional CT for radiotherapy of lung cancer (2015)
  • 著者名/発表者名: K.Noma, H.Suzuki, M.Miyazaki, M.Matsuhiro, Y.Kawata, H.Sakai, Y.Nakano, *N.Niki
  • 学会等名: Joint Conference of IWAIT and IFMIA 2015
  • 発表場所: National Cheng Kung University (NCKU) （Tainan,Taiwan）
  • 年月日: 2015-01-11 – 2015-01-13
• [学会発表] CAD工学的課題解決から臨床応用に向けて (2014)
  • 著者名/発表者名: 仁木登
  • 学会等名: 日本医用画像工学会大会
  • 発表場所: 東京慈恵会医科大学（東京都港区）
  • 年月日: 2014-07-25 – 2014-07-25
  • 招待講演
• [学会発表] 3次元CT画像を用いた肺血栓塞栓症の検出法 (2014)
  • 著者名/発表者名: 徳元祥貴，松廣幹雄，鈴木秀宣，河田佳樹，仁木登，杉浦寿彦，田邉信宏，滝口裕一，巽浩一郎
  • 学会等名: 日本医用画像工学会大会（奨励賞）
  • 発表場所: 東京慈恵会医科大学（東京都港区）
  • 年月日: 2014-07-24 – 2014-07-26