[論文レビュー] Go-Smart: Open-Ended, Web-Based Modelling of Minimally Invasive Cancer Treatments via a Clinical Domain Approach

Phil Weir, Roland Ellerweg+17 more|arXiv (Cornell University)|Mar 24, 2018

Advanced Radiotherapy Techniques参考文献 34被引用数 3

ひとこと要約

Go-Smart は、臨床分野モデルを用いて臨床医、研究者、製造業者を統合する、ウェブベースでオープンエンドのシミュレーションプラットフォームを提案する。放射線科的画像のセグメンテーション、シミュレーション設定、共同モデル開発を、コンテナ化されたソルバーや標準化インターフェースを介してリアルタイムでブラウザからアクセス可能にし、偽名化されたデータを用いた4か所の臨床施設での妥当性評価を実施した。

ABSTRACT

Clinicians benefit from online treatment planning systems, through off-site accessibility, data sharing and professional interaction. As well as enhancing clinical value, incorporation of simulation tools affords innovative avenues for open-ended, multi-disciplinary research collaboration. An extensible system for clinicians, technicians, manufacturers and researchers to build on a simulation framework is presented. This is achieved using a domain model that relates entities from theoretical, engineering and clinical domains, allowing algorithmic generation of simulation configuration for several open source solvers. The platform is applied to Minimally Invasive Cancer Treatments (MICTs), allowing interventional radiologists to upload patient data, segment patient images and validate simulated treatments of radiofrequency ablation, cryoablation, microwave ablation and irreversible electroporation. A traditional radiology software layout is provided in-browser for clinical use, with simple, guided simulation, primarily for training and research. Developers and manufacturers access a web-based system to manage their own simulation components (equipment, numerical models and clinical protocols) and related parameters. This system is tested by interventional radiologists at four centres, using pseudonymized patient data, as part of the Go-Smart Project (http://gosmart-project.eu). The simulation technology is released as a set of open source components http://github.com/go-smart.

研究の動機と目的

• 最小侵襲がん治療（MICT）のためのベンダーニュートラルでウェブベースのシミュレーションプラットフォームを構築することで、臨床研究と臨床実践の間の翻訳的ギャップを解消すること。
• 臨床、工学、計算分野を結ぶ再利用可能な分野特化型の概念的モデルを提供することで、シミュレーションツールの開発・展開における技術的・協働的負担を軽減すること。
• 臨床医、研究者、製造業者が、標準化されたオープンソースのウェブインターフェースを通じて、新しいシミュレーションモデルやプロトコルの共同開発、テスト、展開を可能にすること。
• 最小限のセットアップコストで複数機関からアクセス可能な動的でインタラクティブなシミュレーション環境を提供することで、教育、研究、製品開発を支援すること。
• 開発段階および妥当性評価段階で介入放射線科医および製造業者のリアルタイムフィードバックを統合することで、モデルの正確性と使いやすさを向上させること。

提案手法

• プラットフォームは、理論的・工学的・臨床的分野間のエンティティをマッピングする臨床ドメインモデルを用い、複数のオープンソースソルバー向けのシミュレーション設定をアルゴリズム的に生成可能にしている。
• 従来の臨床的レイアウトを採用したウェブベースの放射線科インターフェースにより、臨床医はブラウザ上で患者固有の治療をアップロード・セグメンテーション・シミュレーションできる。
• シミュレーションコンponents（機器モデル、数値ソルバー、臨床プロトコル）は、開発者および製造業者がウェブインターフェースで管理可能であり、パラメータは使いやすいウィジェットで公開されている。
• コンテナ化されたシミュレーション実行はミドルウェアスタックによってオーケストレーションされ、シミュレーションバックエンドとクライントインターフェース間のリアルタイムステータス更新と通信を可能にしている。
• 臨床医、研究者、製造業者の参加によるフィードバックループを通じて、使いやすさと臨床的妥当性を重視した段階的モデル改善が可能である。
• プラットフォームは拡張可能であり、他の生物医工学分野への再利用を想定しており、既存のオープンソースシミュレーションフレームワーク（例：SimTK、Chaste、OpenCMISS）との統合をサポートしている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ウェブベースのシミュレーションプラットフォームは、最小侵襲がん治療分野における臨床医、研究者、製造業者の間で、どのようにオープンエンドで多分野的協働を可能にするか？
• RQ2 標準化された分野特化型の概念的モデルは、多様なシミュレーションツールおよび臨床ワークフロー間で、相互運用性と拡張性をどの程度実現できるか？
• RQ3 画像誘導計画と統合されたリアルタイムのブラウザベースシミュレーションの統合は、教育、研究、臨床意思決定支援にどのように寄与するか？
• RQ4 臨床医および製造業者のフィードバックは、シミュレーションモデルの精緻化および臨床的妥当性と正確性の確保に、どのような役割を果たすか？
• RQ5 ベンダーニュートラルでオープンソースのシミュレーションフレームワークは、新規シミュレーションツールの導入障壁を低下させ、臨床研究における採用を加速させることができるか？

主な発見

• Go-Smart プラットフォームは、4か所の施設における介入的放射線科医が偽名化された患者データを用いてシミュレーションを実施できることを示し、臨床的有用性と協働可能性を実証した。
• 統一的かつ拡張可能なインターフェースにより、4つの異なる MICT モダリティ（ラジオ波焼灼術、冷凍焼灼術、マイクロ波焼灼術、不逆的電穿孔）を十分にサポートする柔軟性を達成した。
• 冷凍焼灼術と RFA のシミュレーションは、安定した生物物理学的モデルとヒューリスティックなキャリブレーションのおかげで、最も良好な結果を示したが、マイクロ波と IRE のモデルは幾何学的・電磁的複雑性のため、さらなる精錬が必要であった。
• コンテナ化されたシミュレーションオーケストレーションの使用により、バックエンドソルバーとフロントエンドクライアント間の信頼性の高いリアルタイムステータス更新と通信が可能になり、ユーザーの信頼性とシステムの透明性が向上した。
• 臨床医および製造業者からのフィードバックは、モデルパラメータおよびユーザインターフェース設計の段階的改善をもたらし、モデル開発におけるステークホルダー参加の重要性を浮き彫りにした。
• プラットフォームのオープンソースリリースとモジュラーなアーキテクチャのおかげで、SimTK や Galaxy などの外部ツールとの統合が可能となり、将来的な複雑なワークフローのオーケストレーションへの展開が期待される。