人工知能（AI）を利用した放射線治療の影響予測に関する基盤的研究

2022 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 19H03596
• 研究機関: 筑波大学
• 研究代表者: 櫻井 英幸 筑波大学, 医学医療系, 教授 (50235222)
• 研究分担者: 沼尻 晴子 (橋井晴子) 筑波大学, 医学医療系, 講師 (00712845) ; 水本 斉志 筑波大学, 医学医療系, 准教授 (20512388) ; 二村 保徳 筑波大学, システム情報系, 准教授 (30736210) ; 照沼 利之 筑波大学, 医学医療系, 助手 (40361349) ; 秋山 浩 筑波大学, 医学医療系, 教授 (70818830)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2023-03-31
• キーワード: 人工知能 / 放射線治療 / 予後予測 / 晩期有害事象

研究実績の概要

人工知能技術を利用し，がんの放射線治療における「腫瘍の制御確率の予測プログラム」，および「正常組織の有害事象予測プログラム」に関する基盤的研究を行い，臨床で利用可能なプログラムの開発につなげるためのトランスレーショナルリサーチを行う．治療前後の病理標本をデジタル化し，2年後の無病悪生存イベント有無を正解クラスとし，訓練群と検証群に分割し学習，評価を行った．機械学習はPython言語のscikit-learnライブラリのLogisticRegression，SVC，DecisionTreeClassifier，RandomForestClassifierの分類モデルを用いた．3分割交差検証を適用し，各モデルの分類精度をROC曲線下面積（AUC）を求め比較した．その結果，前処理を行い機械学習に用いることができたデータは97例(72%)，観察期間中央値は27ヶ月(0.6-86ヶ月)，イベントありは28例(29%)であった．分類モデルのLogisticRegression，SVC，DecisionTreeClassifier，RandomForestClassifierのAUCはそれぞれ0.64，0.46，0.66，0.73であった．分類されたクラスのうち，予後に相関する因子が発見された．子宮頸がん根治放射線治療後の予後予測として，機械学習による分類モデルが有用である可能性が示唆され，論文投稿中である．
正常組織への影響は，過去に放射線治療または陽子線治療が実施された症例の治療計画時（治療前）のCTスキャンを利用した3次元画像，経過観察の際に撮影されたCTやMRIなどの3次元画像を標準化，モデル化するプログラムを作成ているところである．これを用いて，過去の画像変化から照射線量と骨の成長率の計算式を作成する予定である．

現在までの達成度 (段落)

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] A Retrospective Study of Renal Growth Changes after Proton Beam Therapy for Pediatric Malignant Tumor. (2023)
  • 著者名/発表者名: Li Y, Mizumoto M, Oshiro Y, Nitta H, Saito T, Iizumi T, Kawano C, Yamaki Y, Fukushima H, Hosaka S, Maruo K, Kamizawa S, Sakurai H.
  • 雑誌名: Current Oncology 巻: 30 ページ: 1560-1570
  • DOI: 10.3390/curroncol30020120
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Explainability and controllability of patient-specific deep learning with attention-based augmentation for markerless image-guided radiotherapy. (2023)
  • 著者名/発表者名: Terunuma T, Sakae T, Hu Y, Takei H, Moriya S, Okumura T, Sakurai H.
  • 雑誌名: Medical physics 巻: 50 ページ: 480-494
  • DOI: 10.1002/mp.16095
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Abnormal sensation during total body irradiation: a prospective observational study. (2022)
  • 著者名/発表者名: Mizumoto M, Oshiro Y, Miyamoto T, Sumiya T, Shimizu S, Iizumi T, Saito T, Makishima H, Numajiri H, Nakai K, Okumura T, Sakae T, Maruo K, Sakurai H.
  • 雑誌名: Journal of Radiation Research 巻: 63 ページ: 792-795
  • DOI: 10.1093/jrr/rrac042
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Large volume was associated with increased risk of acute non-hematologic adverse events in the hybrid of intracavitary and interstitial brachytherapy for locally advanced uterine cervical cancer: preliminary results of prospective phase I/II clinical trial. (2022)
  • 著者名/発表者名: Murakami N, Watanabe M, Uno T, Sekii S, Tsujino K, Kasamatsu T, Machitori Y, Aoshika T, Kato S, Hirowatari H, Kaneyasu Y, Nakagawa T, Ikushima H, Ando K, Murata M, Yoshida K, Yoshioka H, Murata K, Ohno T, Okonogi N, Saito A, Ichikawa M, Okuda T, Tsuchida K, Sakurai H, et al.
  • 雑誌名: Japanese Journal of Clinical Oncology 巻: 52 ページ: 859-868
  • DOI: 10.1093/jjco/hyac072
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Analysis of diaphragm movements to specify geometric uncertainties of respiratory gating near end-exhalation for irradiation fields involving the liver dome. (2022)
  • 著者名/発表者名: Tony Liang HK, Takei H, Tomita T, Terunuma T, Isobe T, Okumura T, Sakae T, Sakurai H.
  • 雑誌名: Radiotherapy and Oncology 巻: 171 ページ: 146-154
  • DOI: 10.1016/j.radonc.2022.04.018
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] 局所進行鼻腔副鼻腔扁平上皮癌に対する陽子線治療の成績 (2022)
  • 著者名/発表者名: 斎藤高, 中山雅博, 大西かよ子, 中村雅俊, 田中秀峰, 澤田拓哉, 馬場敬一郎, 水本斉志, 田渕経司, 櫻井英幸.
  • 学会等名: 日本量子医科学会第2回学術大会
• [学会発表] 日本の粒子線治療(陽子線治療、重粒子線治療)の現状と今後の展開 (2022)
  • 著者名/発表者名: 櫻井英幸
  • 学会等名: 日本放射線技術学会第69回関東支部研究発表大会
  • 招待講演
• [学会発表] 放射線治療中の異常感覚に関する多施設共同前向き観察研究 (2022)
  • 著者名/発表者名: 水本斉志, 大城佳子, 角谷泰輔, 清水翔星, 石田俊樹, 中村雅俊, 斎藤高, 牧島弘和, 飯泉天志, 沼尻晴子, 中井啓, 櫻井英幸.
  • 学会等名: 日本放射線腫瘍学会第35回学術大会
• [学会発表] 小児腫瘍に対する陽子線治療後の軟部組織成長に関する検討 (2022)
  • 著者名/発表者名: 新田葉月, 水本斉志, 李宜諾, 角谷泰輔, 石田俊樹, 中村雅俊, 清水翔星, 飯泉天志, 斎藤高, 牧島弘和, 沼尻晴子, 中井啓, 櫻井英幸.
  • 学会等名: 日本放射線腫瘍学会第35回学術大会
• [学会発表] 機械学習を用いた子宮頸がんの放射線治療効果判定モデルの開発 (2022)
  • 著者名/発表者名: 後藤雅明, 二村保徳, 坂本規彰, 飯島達生, 玉木義雄, 櫻井鉄也, 櫻井英幸.
  • 学会等名: 第4回日本メディカルAI学会学術集会