人工知能による深層学習を用いたリアルタイム手術支援システムの開発

2021 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 19H03735
• 研究機関: 兵庫医科大学
• 研究代表者: 篠原 尚 兵庫医科大学, 医学部, 教授 (70319549)
• 研究分担者: 倉橋 康典 兵庫医科大学, 医学部, 講師 (10834822) ; 宇山 一朗 藤田医科大学, 医学部, 教授 (60193950) ; 池田 正孝 兵庫医科大学, 医学部, 教授 (80335356) ; 石田 善敬 兵庫医科大学, 医学部, 准教授 (80447664) ; 能城 浩和 佐賀大学, 医学部, 教授 (90301340) ; 隈本 力 兵庫医科大学, 医学部, 講師 (90834820) ; 大森 健 地方独立行政法人大阪府立病院機構大阪国際がんセンター(研究所), その他部局等, 消化器外科副部長 (40423181)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2022-03-31
• キーワード: 人工知能 / 深層学習 / 手術支援 / ロボット支援手術 / 結合組織

研究実績の概要

研究３年目となる2021年度は，兵庫医科大学で施行されたロボット支援胃切除術と同直腸切除術の手術動画から抽出した静止画1800枚を使用し，郭清組織と動脈や膵臓に介在する剥離可能層を規定する疎性結合組織線維の深層学習アルゴリズムを完成させた。AIの出力動画から無作為に抽出した20枚のサンプルフレームを用い，手動アノテーションをground truthとする機械指標（Recall，F1/Dice，IoU）と，外科医に対する評価票から算出したSensitivity score，Misrecognition (MR)　score (それぞれ0～4ポイントの5段階評価)によりパフォーマンスを評価した。さらに学習モデルを直腸癌手術のTME層に対して推論させた。AIモデルは疎性結合組織という概念を教えられてはいないが、画像上の特徴を学習し、自動認識が可能であった。また，狭小領域に存在する疎性結合組織であってもAIは見逃さずに認識できることが分かった。膵臓を下方に牽引し、疎性結合組織が変形しても精度を落とすことなく認識可能であった。結合組織線維に対しRecall 0.606 (range 0.230-0.861)，F1/Dice 0.549 (0.335-0.691)と良好な感度，類似度が得られた。Sensitivity scoreは3.52 (88.0%)で，外科医は感度を機械指標以上に高く評価し，かつRecallとの強い相関（r=0.733）がみられたことからground truthの信頼性が担保された。逆にMR scoreは0.14と低く，誤認が極めて少ないことが示された。膵に対するIoUは0.750に達し，脂肪との境界が明瞭に表示されていた。TMEの手術ビデオ認識においてもAIは直腸後腔の結合組織を高い精度で認識し，臓器横断性が確認された。

現在までの達成度 (段落)

令和3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3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] Gastric equivalent of the ‘Holy Plane’ to standardize the surgical concept of stomach cancer to mesogastric excision: updating Jamieson and Dobson’s historic schema (2021)
  • 著者名/発表者名: Shinohara Hisashi、Kurahashi Yasunori、Ishida Yoshinori
  • 雑誌名: Gastric Cancer 巻: 24 ページ: 273～282
  • DOI: 10.1007/s10120-020-01142-9
  • 査読あり
• [雑誌論文] Clinical outcomes of proximal gastrectomy for gastric cancer: A comparison between the double-flap technique and jejunal interposition (2021)
  • 著者名/発表者名: Kumamoto Tsutomu、Sasako Mitsuru、Ishida Yoshinori、Kurahashi Yasunori、Shinohara Hisashi
  • 雑誌名: PLOS ONE 巻: 16 ページ: e0247636～
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0247636
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Pathological Complete Remission of Liver Metastases Correlates With Elimination of Tumor-infiltrating Tregs in Gastric Cancer (2021)
  • 著者名/発表者名: NAKANISHI YASUTAKA、HIROTA SEIICHI、HOJO YUDAI、NAKAMURA TATSURO、KUMAMOTO TSUTOMU、KURAHASHI YASUNORI、ISHIDA YOSHINORI、SHINOHARA HISASHI
  • 雑誌名: Anticancer Research 巻: 41 ページ: 1571～1577
  • DOI: 10.21873/anticanres.14917
  • 査読あり
• [雑誌論文] QOL assessment after palliative surgery for malignant bowel obstruction caused by peritoneal dissemination of gastric cancer: a prospective multicenter observational study (2021)
  • 著者名/発表者名: Ito Yuichi、Fujitani Kazumasa、Sakamaki Kentaro、Ando Masahiko、Kawabata Ryohei、Tanizawa Yutaka、Yoshikawa Takaki、Yamada Takanobu、Hirao Motohiro、Yamada Makoto、Hihara Jun、Fukushima Ryoji、Choda Yasuhiro、Kodera Yasuhiro、Teshima Shin、Shinohara Hisashi、Kondo Masato
  • 雑誌名: Gastric Cancer 巻: 24 ページ: 1131～1139
  • DOI: 10.1007/s10120-021-01179-4
  • 査読あり
• [雑誌論文] Accuracy of Preoperative Endoscopy in Determining Tumor Location Required for Surgical Planning for Esophagogastric Junction Cancer (2021)
  • 著者名/発表者名: Okumura Koichi、Hojo Yudai、Tomita Toshihiko、Kumamoto Tsutomu、Nakamura Tatsuro、Kurahashi Yasunori、Ishida Yoshinori、Hirota Seiichi、Miwa Hiroto、Shinohara Hisashi
  • 雑誌名: Journal of Clinical Medicine 巻: 10 ページ: 3371～3371
  • DOI: 10.3390/jcm10153371
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Reducing the risk of postoperative pancreatic fistula in radical gastrectomy: pre-assessment with computed tomography for the diagnosis of pancreatic steatosis (2021)
  • 著者名/発表者名: Kobayashi Nao、Shinohara Hisashi、Haruta Shusuke、Udagawa Harushi、Ueno Masaki
  • 雑誌名: Langenbeck's Archives of Surgery 巻: 407 ページ: 587～596
  • DOI: 10.1007/s00423-021-02337-z
  • 査読あり
• [雑誌論文] Robot-assisted Valvuloplastic Esophagogastrostomy by Double-flap Technique Using a Knifeless Linear Stapler After Proximal Gastrectomy (2021)
  • 著者名/発表者名: Ishida Yoshinori、Kumamoto Tsutomu、Kurahashi Yasunori、Nakamura Tatsuro、Hojo Yudai、Shinohara Hisashi
  • 雑誌名: Surgical Laparoscopy, Endoscopy & Percutaneous Techniques 巻: 32 ページ: 148～149
  • DOI: 10.1097/SLE.0000000000000998
  • 査読あり
• [雑誌論文] Automated segmentation by deep learning of loose connective tissue fibers to define safe dissection planes in robot-assisted gastrectomy (2021)
  • 著者名/発表者名: Kumazu Yuta、Kobayashi Nao、Kitamura Naoki、Rayan Elleuch、Neculoiu Paul、Misumi Toshihiro、Hojo Yudai、Nakamura Tatsuro、Kumamoto Tsutomu、Kurahashi Yasunori、Ishida Yoshinori、Masuda Munetaka、Shinohara Hisashi
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 11 ページ: 21198～21207
  • DOI: 10.1038/s41598-021-00557-3
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Intraperitoneal Chemotherapy as Adjuvant or Perioperative Chemotherapy for Patients with Type 4 Scirrhous Gastric Cancer: PHOENIX-GC2 Trial (2021)
  • 著者名/発表者名: Ishigami Hironori、Tsuji Yasushi、Shinohara Hisashi、Kodera Yasuhiro、Kanda Mitsuro、Yabusaki Hiroshi、Ito Seiji、Imano Motohiro、Yamashita Hiroharu、Hidemura Akio、Yamaguchi Hironori、Fukagawa Takeo、Oba Koji、Kitayama Joji、Seto Yasuyuki
  • 雑誌名: Journal of Clinical Medicine 巻: 10 ページ: 5666～5666
  • DOI: 10.3390/jcm10235666
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Survival analysis of a prospective multicenter observational study on surgical palliation among patients with malignant bowel obstruction caused by peritoneal dissemination of gastric cancer (2021)
  • 著者名/発表者名: Kawabata Ryohei、Fujitani Kazumasa、Sakamaki Kentaro、Ando Masahiko、Ito Yuichi、Tanizawa Yutaka、Yamada Takanobu、Hirao Motohiro、Yamada Makoto、Hihara Jun、Ryoji、Fukushima、Choda Yasuhiro、Kodera Yasuhiro、Teshima Shin、Shinohara Hisashi、Kondo Masato、Yoshida Kazuhiro
  • 雑誌名: Gastric Cancer 巻: 25 ページ: 422～429
  • DOI: 10.1007/s10120-021-01251-z
  • 査読あり
• [雑誌論文] 食道胃接合部の解剖 (2021)
  • 著者名/発表者名: 隈本 力, 中村 達郎, 倉橋 康典, 石田 善敬, 篠原 尚.
  • 雑誌名: 消化器内科 巻: 3 ページ: 26～31
• [雑誌論文] 解剖学的ランドマークの自動認識による視覚支援AIシステムの開発 (2021)
  • 著者名/発表者名: 熊頭 勇太, 小林 直, 中村 達郎, 北條 雄大, 隈本 力, 倉橋 康典, 石田 善敬, 篠原 尚.
  • 雑誌名: 消化器外科 巻: 44 ページ: 1167～1174
• [学会発表] 胃外科領域におけるロボット手術の方向性 (2022)
  • 著者名/発表者名: 篠原 尚, 隈本 力, 北條 雄大, 中村 達郎, 晃野秀梧, 倉橋 康典, 石田 善敬.
  • 学会等名: 第14回日本ロボット外科学会学術集会
• [学会発表] 当科のda Vinci導入から4年目の現状 (2022)
  • 著者名/発表者名: 石田善敬, 北條雄大, 中村達郎, 隈本力, 倉橋康典, 篠原尚.
  • 学会等名: 第14回日本ロボット外科学会学術集会
• [学会発表] ロボット支援下直腸癌手術における剥離層をAIはどこまで認識できるか (2022)
  • 著者名/発表者名: 福井 雄大, 小林 直, 熊頭 勇太, 木下 和也, 前田 裕介, 平松 康輔, 花岡 裕, 戸田 重夫, 的場 周一郎, 上野 雅資, 黒柳 洋弥, 篠原 尚,
  • 学会等名: 第14回日本ロボット外科学会学術集会
• [学会発表] Holy angleとHoly plane―JamiesonとDobsonの歴史的構図から115年 (2022)
  • 著者名/発表者名: 篠原 尚.
  • 学会等名: 第94回日本胃癌学会総会
  • 招待講演
• [学会発表] 当科での高齢者胃癌症例における術後短期成績 (2022)
  • 著者名/発表者名: 石田善敬, 北條雄大, 中村達郎, 隈本力, 倉橋康典, 篠原尚.
  • 学会等名: 第94回日本胃癌学会総会
• [学会発表] Location of anastomosis behind the sternoclavicular joint increses the incidence of anastomotic tenosis in retrosternal reconstruction after esophagectomy. (2021)
  • 著者名/発表者名: Kurahashi Y, Hojo Y, Nakamura T, Kumamoto T, Nakanishi Y, Ishida Y, Shinohara H.
  • 学会等名: International Society for Diseases of the Esophagus 2021
  • 国際学会
• [学会発表] 胃全摘および噴門側胃切除におけるロボット支援下手術の有益性と一般化に向けた課題：初期導入例から短期成績解析から (2021)
  • 著者名/発表者名: 篠原 尚, 倉橋 康典, 中西 保貴, 隈本 力, 中村 達郎, 北條 雄大, 石田 善敬.
  • 学会等名: 第13回日本ロボット外科学会学術集会
  • 招待講演
• [学会発表] ロボット支援下胃がん手術における胃脾間膜処理の工夫 (2021)
  • 著者名/発表者名: 石田善敬, 北條 雄大, 中村 達郎, 隈本 力, 中西 保貴, 倉橋 康典, 篠原 尚.
  • 学会等名: 第13回日本ロボット外科学会学術集会
• [学会発表] AIを用いた解剖学的ランドマークの認識による胃癌手術支援システムの開発 (2021)
  • 著者名/発表者名: 篠原 尚, 小林 直, 熊頭 勇太, 中村 達郎, 北條 雄大, 隈本 力, 中西 保貴, 倉橋 康典, 石田 善敬, 北村 尚紀.
  • 学会等名: 第93回日本胃癌学会総会
• [学会発表] 胃癌取扱い規約における領域リンパ節の変遷 (2021)
  • 著者名/発表者名: 中村 達郎, 北條 雄大, 隈本 力, 中西 保貴, 倉橋 康典, 石田 善敬, 篠原 尚.
  • 学会等名: 第93回日本胃癌学会総会
• [学会発表] The advantage of abdominal-first surgical procedure for lower esophageal and junctional cancers (2021)
  • 著者名/発表者名: Ishida Y, Hojo Y, Nakamura T, Kumamoto T, Nakanishi Y, Kurahashi Y, Shinohara H.
  • 学会等名: 第33回日本内視鏡外科学会総会（JSES 2020）
• [学会発表] The accuracy of preoperative definition by endoscopy of the esophagogastric junction line. (2021)
  • 著者名/発表者名: Okumura K, Hirotaka Niwa H, Ozawa R, Kumamoto T, Nakanishi Y, Kurahashi Y, Ishida Y, Shinohara H.
  • 学会等名: 第33回日本内視鏡外科学会総会（JSES 2020）
• [学会発表] AI を用いた解剖学的ランドマークの画像セグメンテーションによる手術支援システムの外科医主導・産学共同開発 (2021)
  • 著者名/発表者名: 篠原 尚, 小林 直, 熊頭 勇太, 中村 達郎, 北條 雄大, 隈本 力, 倉橋 康典, 石田 善敬, エルーシュラヤン, ネコロユポール, 北村 尚紀.
  • 学会等名: 第120回日本外科学会定期学術集会
• [学会発表] 噴門側胃切除後のロボット支援下上川法再建における工夫および短期成績 (2021)
  • 著者名/発表者名: 石田善敬, 北條 雄大, 中村 達郎, 隈本 力, 中西 保貴, 倉橋 康典, 篠原 尚.
  • 学会等名: 第120回日本外科学会定期学術集会
• [学会発表] ICBをメルクマールとしたNo.20リンパ領域の同定手技 (2021)
  • 著者名/発表者名: 中村 達郎, 北條 雄大, 隈本 力, 倉橋 康典, 石田 善敬, 篠原 尚.
  • 学会等名: 第75回手術手技研究会
• [学会発表] エキスパート外科医の認識を視覚化する手術支援AIの開発 (2021)
  • 著者名/発表者名: 小林 直, 熊頭 勇太, 銭谷 成昊, 木下 和也, 福井 雄大, 三田 一仁, 篠原 尚.
  • 学会等名: 第3回日本メディカルAI学会学術集会
• [学会発表] Three reconstruction methods for esophagogastric junction cancer based on tumor location (2021)
  • 著者名/発表者名: Kumamoto T, Hojyo T, Nakamura T, Nakanishi Y, Kurahashi Y, Ishida Y, Shinohara H.
  • 学会等名: 第76回日本消化器外科学会総会
• [学会発表] 当科における腹腔鏡下胃全摘術後の食道‐空腸吻合Overlap法の工夫 (2021)
  • 著者名/発表者名: 石田善敬, 北條雄大, 中村達郎, 隈本力, 中西保貴, 倉橋康典, 篠原尚.
  • 学会等名: 第76回日本消化器外科学会総会
• [学会発表] 当院における腹腔鏡下スリーブ状胃切除の改良点 (2021)
  • 著者名/発表者名: 倉橋康典, 北條雄大, 中村達郎, 隈本力, 中西保貴, 石田善敬, 篠原尚.
  • 学会等名: 第76回日本消化器外科学会総会
• [学会発表] 手術解剖学とAI技術の融合を目指した医工連携による取り組み (2021)
  • 著者名/発表者名: 小林 直, 熊頭 勇太, 三田 一仁, 大島 貴, 篠原 尚.
  • 学会等名: 第76回日本消化器外科学会総会
• [学会発表] 手術の図化から見えてくるもの～胃癌治療ガイドラインの話題を含めて～ (2021)
  • 著者名/発表者名: 篠原尚
  • 学会等名: 日本消化器外科学会JESUS2021若手育成セミナー
  • 招待講演
• [学会発表] 胸骨後再建のPitfall ～最大の敵は胸鎖関節～ (2021)
  • 著者名/発表者名: 倉橋 康典, 北條 雄大, 中村 達郎, 隈本力, 石田 善敬, 篠原 尚.
  • 学会等名: 第75回日本食道学会学術集会
• [学会発表] 当科における胃癌に対する６番リンパ節郭清 (2021)
  • 著者名/発表者名: 石田善敬, 北條雄大, 中村達郎, 隈本力, 中西保貴, 倉橋康典, 篠原尚.
  • 学会等名: 第34回近畿内視鏡外科研究会
• [学会発表] AIを用いた消化管手術の解剖ランドマークに対する領域横断的な視覚支援システムの開発 (2021)
  • 著者名/発表者名: 篠原 尚, 小林 直, 熊頭 勇太.
  • 学会等名: 第19回日本消化器外科学会大会第29回日本消化器関連学会週間（JDDW 2021）
• [学会発表] No-knife staplerを用いたロボット支援下上川法再建における短期成績 (2021)
  • 著者名/発表者名: 石田 善敬, 北條 雄大, 中村 達郎, 隈本 力, 倉橋 康典, 篠原 尚.
  • 学会等名: 第51回胃外科・術後障害研究会
• [学会発表] 噴門側胃切除術後の上川法再建と空腸間置法再建の比較検討 (2021)
  • 著者名/発表者名: 隈本 力, 田 善敬, 倉橋 康典, 中村 達郎, 北條 雄大, 篠原 尚.
  • 学会等名: 第51回胃外科・術後障害研究会
• [学会発表] 医工連携，人工知能技術を用いた手術支援ソフトウェアの開発 (2021)
  • 著者名/発表者名: 小林 直, 熊頭 勇太, 福井 雄大, 岡 優, 春田 周宇介, 大倉 遊, 三田 一仁, 赤埴 未宝, 池田 正孝,篠原 尚.
  • 学会等名: 第83回日本臨床外科学会総会
• [学会発表] AIを用いた微細解剖の認識による適切な剥離層の提示～TAPP法における手術支援AIシステムの開発～ (2021)
  • 著者名/発表者名: 三田 一仁, 小林 直, 熊頭 勇太, 福井 雄大, 香丸 真也, 嶋口 万友, 豊田 剛, 豊田 真之, 佐々木 純一, 篠原 尚.
  • 学会等名: 第83回日本臨床外科学会総会
• [学会発表] 新しい地図で外科医療を未来へ導く～若き消化器外科医とAIエンジニアたちの取り組み (2021)
  • 著者名/発表者名: 篠原 尚, 熊頭 勇太, 福井 雄大, 木下 和也, 中村 達郎, 北村 尚紀, 銭谷 成昊, 小林 直.
  • 学会等名: 第34回日本内視鏡外科学会総会
• [学会発表] AIとロボット支援手術の融合への取り組み：胃・直腸癌手術に共通した解剖学的ランドマークの横断的深層学習 (2021)
  • 著者名/発表者名: 篠原 尚, 小林 直, 福井 雄大, 熊頭 勇太, 赤埴 未宝, 北條 雄大, 中村 達郎, 倉橋 康典, 石田 善敬, 池田 正孝.
  • 学会等名: 第34回日本内視鏡外科学会総会
  • 招待講演
• [学会発表] 当科における胃体上部癌に対する腹腔鏡下手術 再建法の工夫 (2021)
  • 著者名/発表者名: 石田善敬, 北條雄大, 中村達郎, 隈本力, 倉橋康典, 篠原尚.
  • 学会等名: 第34回日本内視鏡外科学会総会
• [学会発表] 反回神経麻痺回避を目指した左反回神経周囲リンパ節郭清の定型化 (2021)
  • 著者名/発表者名: 倉橋 康典, 北條 雄大, 中村 達郎, 隈本力, 石田 善敬, 篠原 尚.
  • 学会等名: 第34回日本内視鏡外科学会総会
• [学会発表] ロボット支援下胃全摘術の確立へ向けて：腹腔鏡下胃全摘術との比較検討 (2021)
  • 著者名/発表者名: 隈本力, 石田善敬, 倉橋康典, 中村達郎, 北條雄大, 篠原尚.
  • 学会等名: 第34回日本内視鏡外科学会総会
• [学会発表] 手術支援AIシステムの開発 (2021)
  • 著者名/発表者名: 小林 直,熊頭 勇太, 篠原 尚, 福井 雄大, 一瀬 淳二, 木下 和也, 三田 一仁, 岡 優, 春田 周宇介, 大倉 遊, 赤埴 未宝, 中村 達郎, 章 瑠依, 松田 真以子, 銭谷 成昊.
  • 学会等名: 第34回日本内視鏡外科学会総会
  • 招待講演
• [学会発表] AIを用いた疎性結合織認識モデルの腹腔鏡下大腸癌手術における有用性 (2021)
  • 著者名/発表者名: 福井 雄大, 小林 直, 熊頭 勇太, 赤埴 未宝, 前田 裕介, 平松 康輔, 花岡 裕, 戸田 重夫, 的場 一郎, 上野 雅資, 黒柳 洋弥, 池田 正孝, 篠原 尚,
  • 学会等名: 第34回日本内視鏡外科学会総会
• [図書] 標準外科 第16版 (2022)
  • 著者名/発表者名: 篠原尚,
  • 総ページ数: 752
  • 出版者: 医学書院
• [図書] リンパ節郭清手技を究める［上部消化管編］ (2021)
  • 著者名/発表者名: 篠原尚, 倉橋康典,
  • 総ページ数: 240
  • 出版者: メジカルビュー社
• [図書] 消化器ダヴィンチ手術のすべて 改訂第２版 (2021)
  • 著者名/発表者名: 石田 善敬, 北條雄大, 中尾英一郎, 中村達郎, 隈本力, 倉橋康典, 篠原尚.
  • 総ページ数: 503
  • 出版者: 医学図書出版