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2022 年度 実施状況報告書

バイオメカニクスとロボティクスに基づく肺機能/形態融合の次世代動体追跡放射線治療

研究課題

研究課題/領域番号 22K07667
研究機関山口大学

研究代表者

椎木 健裕  山口大学, 医学部附属病院, 講師 (30610456)

研究分担者 藤井 文武  山口大学, 大学院創成科学研究科, 准教授 (30274179)
藤本 昂也  山口大学, 医学部附属病院, 助教 (20867816)
研究期間 (年度) 2022-04-01 – 2025-03-31
キーワード慢性閉塞性肺疾患 / バイオメカニカルモデル / 有限要素法
研究実績の概要

我々は,呼吸性移動を伴う腫瘍に対して動体追跡放射線治療技術を開発し,臨床応用してきた.しかし,本治療は,正常臓器の生理機能を考慮できておらず,副作用への対応が懸念材料となる.そこで,本年度の研究では,四次元CT画像と有限要素法を用いた患者個別の肺機能予測のための肺ストレスマップを開発した.
4次元CT(Computed tomography)画像の吸気・呼気の肺構造を有限要素法を用いて,メッシュ構造へ分解する.吸気CTに対して,CT値からヤング率を割り当てることで,初期値を決定した.吸気・呼気の肺メッシュ構造を非線形モデルを用いて,位置合わせを行い,呼吸により肺全体に加わるストレス分布を算出するアルゴリズムを開発した.
開発したアルゴリズムを検証するため,呼吸機能検査であるスパイロメトリーの検査値と肺内のストレス値を比較した.また,肺ストレス値が慢性閉塞性肺疾患(COPD)の重症度の診断能を有しているかを評価した.さらに,従来実施されている吸気・呼気CT画像のCT値を用いたCOPDの診断能と比較した.
肺腫瘍に対して放射線治療を実施した25症例を対象とし,開発したアルゴリズムの検証を行った.全肺におけるストレスの平均値は,スパイロメトリーの検査値である1秒量と努力肺活量と強い相関関係であった.また,COPDに対して高い診断能を有していることを示した.
さらに従来のCT値を用いたCOPDの診断能と比較して,同等の診断能を有していることを示した.

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

肺腫瘍に対する放射線治療計画時に撮影される四次元CT画像に対して,医用画像処理や生体力学シミュレーションを用いることで,肺機能を測定する(肺のストレス値を計算する)アルゴリズムの開発を行うことができた.
さらに,この計算値は,肺機能と相関があることから,肺機能のイメージングバイオマーカーになりえる可能性も示すことができ,技術開発および臨床評価の両方を行うことができたため.

今後の研究の推進方策

今年度開発したアルゴリズムから算出される肺機能情報を治療計画や画像誘導放射線治療装置に導入して,より臨床応用を追求していく.また,呼吸性移動により生じる回転運動を保証するロボット機構の基盤を構築していく予定である.

次年度使用額が生じた理由

有限要素法によるストレス値の計算は,膨大な計算量が必要となるため,高精度ワークステーションを計上していたが,他の計算環境を整えることができたので,使用額との差が生じた.
今後は,治療装置の開発基盤であるロボットシステムと実験環境設定に費用を使用していく予定である.

  • 研究成果

    (8件)

すべて 2023 2022 その他

すべて 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 3件) 学会発表 (4件) (うち国際学会 1件) 備考 (1件)

  • [雑誌論文] Comparison of the radiomics-based predictive models using machine learning and nomogram for epidermal growth factor receptor mutation status and subtypes in lung adenocarcinoma2023

    • 著者名/発表者名
      Kawazoe Yusuke、Shiinoki Takehiro、Fujimoto Koya、Yuasa Yuki、Hirano Tsunahiko、Matsunaga Kazuto、Tanaka Hidekazu
    • 雑誌名

      Physical and Engineering Sciences in Medicine

      巻: 46 ページ: 395~403

    • DOI

      10.1007/s13246-023-01232-9

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Multicomponent mathematical model for tumor volume calculation with setup error using single-isocenter stereotactic radiotherapy for multiple brain metastases2023

    • 著者名/発表者名
      Nakano Hisashi、Shiinoki Takehiro、Tanabe Satoshi、Nakano Toshimichi、Takizawa Takeshi、Utsunomiya Satoru、Sakai Madoka、Tanabe Shunpei、Ohta Atsushi、Kaidu Motoki、Nishio Teiji、Ishikawa Hiroyuki
    • 雑誌名

      Physical and Engineering Sciences in Medicine

      巻: - ページ: -

    • DOI

      10.1007/s13246-023-01241-8

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Assessing liver fibrosis distribution through liver elasticity estimates obtained using a biomechanical model of respiratory motion with magnetic resonance elastography2022

    • 著者名/発表者名
      Fujimoto Koya、Shiinoki Takehiro、Yuasa Yuki、Kawazoe Yusuke、Yamane Masatoshi、Sera Tatsuhiro、Tanaka Hidekazu
    • 雑誌名

      Physics in Medicine and Biology

      巻: 67 ページ: 155005~155005

    • DOI

      10.1088/1361-6560/ac7d35

    • 査読あり
  • [学会発表] 深層学習を利用した仮想Dual energy CT画像とヨードマップの生成2022

    • 著者名/発表者名
      湯淺勇紀, 椎木健裕, 藤本昂也, 田中秀和
    • 学会等名
      第50回日本放射線技術学会秋季学術大会
  • [学会発表] Prognostic Role of Systemic Inflammation Response Index for Cervical Cancer Patients Treated with Definitive Radiotherapy2022

    • 著者名/発表者名
      M. Kajima, T. Ono, Y. Manabe, K. Fujimoto, T. Shiinoki, H. Tanaka
    • 学会等名
      The 64th American Society for Radiation Oncology Annual meeting
    • 国際学会
  • [学会発表] 頭頚部放射線治療の予後予測における生体力学に基づく画像バイオマーカーの有用性2022

    • 著者名/発表者名
      藤本昂也, 椎木健裕, 川添優介, 湯淺勇紀, 向谷航, 眞鍋裕気, 梶間未葵, 田中秀和
    • 学会等名
      第35回日本放射線腫瘍学会
  • [学会発表] 頭頸部放射線治療後の急性期口腔乾燥の発現予測を目的とした耳下腺のストレス解析2022

    • 著者名/発表者名
      川添優介, 椎木健裕, 藤本昂也, 湯淺勇紀, 向谷航, 眞鍋裕気, 梶間未葵, 田中秀和
    • 学会等名
      第35回日本放射線腫瘍学会
  • [備考] 山口大学医学物理研究推進体

    • URL

      https://ds0n.cc.yamaguchi-u.ac.jp/~medphys/

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公開日: 2023-12-25  

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