脳腫瘍などの放射線治療計画を短時間で生成する技術を開発

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「デジタルアニーラ」で治療計画を2分で生成、医師と患者の負荷を大幅に軽減

2021-02-26 株式会社富士通研究所

株式会社富士通研究所(注1)(以下、富士通研究所)は、University of Toronto(注2)(以下、トロント大学)と共同で、量子コンピューティング技術を応用して組合せ最適化問題を高速に解く技術「デジタルアニーラ」を用いて、ガンマナイフ(注3)の放射線治療計画を短時間で生成する技術を開発しました。

ガンマナイフを用いた治療は、脳腫瘍などの脳障害や大脳の動静脈奇形を治療するもので、患部に対し、頭部の様々な方向から少量のガンマ線を照射することで、高い効果を上げることができます。今回開発した技術は、どこからどのくらいの線量を照射するかという膨大な組合せパターンを「デジタルアニーラ」で計算することで、従来、医師が経験に基づいて手動で数時間かかっていた治療計画の生成が、同等の精度を保ちつつ、数分で完了することを可能にしました。
これにより、医師が治療計画に当たる時間を短縮でき、結果的に患者の治療時間も大幅に短縮することができます。

今後、富士通研究所とトロント大学は、さらに多くの患者のデータに基づいて本技術の有効性を検証していくとともに、社会に貢献できる技術開発を進めていきます。

開発の背景

ガンマナイフ治療はその非侵襲性(開口手術の必要がないこと)、および精度の高さから、脳腫瘍などの治療に使用されています。192本のガンマ線の光源を様々な方向から照射することで、患部には指定の線量を、また周辺の健康な臓器への照射量は抑えることができます。患部に対して最適な照射になるよう、照射の位置、形状、強度といったパラメーターを最適化する必要がありますが、その組合せパターンは膨大なため、現在の医療現場では、医師が経験に基づいて手動でパラメーター調整を繰り返しながら、治療計画を生成しています。要求を満たす計画生成には1.5時間から3時間程度の時間がかかっており、医師の負荷は大きくなっています。

また、医師が治療計画を生成している間、患者は頭部に定位のための金属フレームを固定され身動きが制限されたまま待機するケースがあり、身体的、精神的にも大きな負荷となっています。さらに、金属フレームを固定された状態の患者を見守るための医療従事者の確保も必要となっています。

近年、この計画生成を自動化するソフトウェアも出ていますが、現場では生成結果を医師が手動で修正しながら作成する場合も多く見られます。

富士通研究所とトロント大学は、2017年より量子コンピューティングを中核とする分野で戦略的パートナーシップを締結しており、今回、「デジタルアニーラ」の医療現場における応用技術として、ガンマナイフの治療計画生成技術を共同開発しました。トロント大学とその医療機関は、ガンマナイフのパラメーター調整を「デジタルアニーラ」で解くのに適した組合せ最適化問題に変換する方式検討を行い、富士通研究所は「デジタルアニーラ」の最適化計算アルゴリズムの開発などを行いました。

図1 ガンマナイフ治療計画のイメージ
図1 ガンマナイフ治療計画のイメージ

開発した技術

今回、経験値の高い医師による治療計画と同等の精度を保ちつつ、高速に治療計画を生成する以下の技術を開発しました。

  1. 人体の物理特性(Dose Profile)を使用し、ガンマ線照射時のショット形状をモデル化
    従来、複数のガンマ線の照射により形成されるショット(ガンマ線の集中する部分)の位置決定処理では、ショットは完全な球体と仮定されていました。しかし、実際には人体内にある水分などの影響で必ずしも完全な球体とはならないことがわかっています。そこで、ガンマ線の人体内での物理特性情報を反映させたショット形状で、ショット位置決定を行う技術を開発しました。これにより、高精度な照射計画の生成に寄与することができます。
  2. 「デジタルアニーラ」を用いて照射パラメーターを最適化
    従来は、ショットの位置決定処理では、多数あるガンマ線の照射位置(ショットの位置)を、一回目のショット位置を決定したあとに患部の残りの部分をできるだけ含むように二回目のショットの位置を決定するという逐次的な計画を行っており、最適なショット数や位置とならない可能性がありました。これに対し、「デジタルアニーラ」を用いることで、最初にすべてのショットの位置を同時に探索することができるため、全体で最適化した、より精度の高い照射計画が生成できます。また照射形状のパラメーターについても同様に最適化した解を得ることができ、患者ごとに最適な照射をする治療計画を高速に生成することが可能になります。

図2 従来の人手による計画と開発技術のフロー
図2 従来の人手による計画と開発技術のフロー

効果

トロント大学が持つ聴覚神経腫瘍49例について、今回開発した技術を放射線の照射精度を示す指標を使用して、従来の医師の手動による方式と比較したところ、開発技術は手動による計画と同等の精度を示しました。さらに、手動では計画の生成に1.5時間から3時間程度要していましたが、開発した技術では2分程度と大幅に短縮することができました。

開発した技術で計画生成を支援することで、ガンマナイフ治療にかかる時間の大幅な短縮につながり、医師および患者の負荷が大きく軽減され、また病院の人的コストの削減といった効率化が期待できます。

今後

富士通研究所とトロント大学はより多くの患者のデータに基づいて本技術の有効性を検証していくとともに、ガンマナイフ治療の治療計画生成以外のプロセスの時間短縮や、本技術のほかの放射線治療方法への応用など、社会に貢献できる技術開発を進めていきます。

商標について

記載されている製品名などの固有名詞は、各社の商標または登録商標です。

注釈

注1
株式会社富士通研究所:
本社 神奈川県川崎市、代表取締役社長 原 裕貴。

注2
University of Toronto:
所在地 Canada, Ontario州 Toronto市、学長 Meric S. Gertler。

注3
ガンマナイフ:
患部に放射線の一つであるガンマ線を照射する非侵襲な定位的放射線装置。主に脳腫瘍や脳血管の奇形など頭部の治療に用いられる。GAMMA KNIFEは、米国およびその他の国におけるELEKTA AB (PUBL) の商標または登録商標です。

本件に関するお問い合わせ

株式会社富士通研究所
ICTシステム研究所

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