心電図からカテーテル治療の要否を判断するAIの開発　後藤信一、佐野元昭（循環器内科）

研究の背景と概要

心臓は心筋と呼ばれる筋肉でできており、全身に血液を送り出すポンプとしての役割を担っています。心臓が活動するために必要な酸素と栄養を供給する血管（冠動脈）には、年齢とともに「悪玉コレステロール」を主とした脂質（プラーク）が沈着していきます。このプラークが破けて、冠動脈内に血の塊（血栓）が急にでき、血液の流れが非常に悪くなったり、血管が完全に詰まったりしてしまうために起こる現象が急性冠症候群(注1)です。

中でも急性心筋梗塞(注2)は、心筋壊死が急速に進行していく病態であり、栄養や酸素の供給がなくなった領域の心筋細胞は時間とともに壊死していきます。そのままでは、ポンプ機能が不十分なために起こる心不全、不整脈による突然死、心臓の壁に穴が開いてしまう心破裂等の、命にかかわる事態に陥ります。しかし、早期に血流を再開させることができれば、それ以上の壊死の拡大を防止し、心臓の機能を維持できます。したがって、急性心筋梗塞発症から血流再開までの時間を可能な限り短くすることが、非常に重要です。

急性心筋梗塞の最終的な検査には、手足等の動脈から心臓近くまで細い管を挿入し、患部画像を映し出すカテーテル検査(注３)が用いられます。カテーテル検査を行えば、心臓の血管が詰まっているかどうかを実際に見て確認することができ、治療の必要があれば、そのまま治療できます。血流再開を急ぐため、救急の現場では、心臓の血管に病変がある可能性が高ければ、カテーテル検査に進みます。

しかし、血管に器具を挿入するカテーテル検査にはリスクがあり、胸痛を訴える患者さん全員にやみくもに行うことはできません。本当にカテーテル治療が必要な患者さんを見分けるため、現在は経験を積んだ循環器内科医が、病歴、血液検査、心臓超音波検査等を勘案して総合的に診断しています。一方で、こうした医師の診断に必要な検査は、心電図に比べて非常に時間がかかるため、血流再開が遅くなる一因となっています。そこで本研究グループは、診断にかかる時間を最短にすべく、検査の実施が容易かつ数分で済む心電図のみで、カテーテル治療を必要とする患者さんを見つけ出す技術の開発を試みました。

研究の成果と意義・今後の展開

本研究において、時系列データパターンを学習する、新たなニューラルネットワーク構造を持つ人工知能（AI）を開発しました。作成したAIは、過去に慶應義塾大学病院の救急外来を受診した患者さん約4万人の心電図データをモデルに学習させることにより、心電図1枚から瞬時に高精度でカテーテル治療が必要な患者さんを見つけ出すことができました。

心電図は非常に短い時間(1/100秒程度)ごとに電圧を測定した結果を線グラフの形で表したもので、臨床ではその波形の異常を医師が見つけ出し診断に利用してきました。今回、心電図それぞれにつき、測定した電圧を順番に並べたデータ（時系列データ）を作成し、これに対して、実際にカテーテル検査を行い、冠動脈を広げる治療を行ったかどうか（カテーテル治療の必要性）を正解（教師値）としてAIに学習させました。70%を学習用とし、残り30%の学習では使用していないデータでこの学習済みモデルを検証したところ、80%以上の精度でカテーテル治療の要否を判定できることが確認されました。つまり、これまで経験を積んだ循環器内科医がカテーテル検査を含めた様々な情報を総合して判断していたことを、本技術によって、心電図が1枚あれば、80%以上の確率で再現できることになります。心電図は受診すればすぐに検査でき、結果は数分以内に得られます。本技術を心電計に搭載することによって、緊急的なカテーテル治療の必要性を即時的に判定し医師に提案することが可能になります。日本人死亡原因の第2位を占める心臓病による死亡を減少させ、健康寿命の延長にも貢献できると期待されます（図1）。

図1. AIによる治療の早期化

【用語解説】

（注 1）急性冠症候群
心臓に栄養や酸素を運んでいる冠動脈の内側に血栓が生じ、血管が詰まりかけた、もしくは、詰まってしまった状態を急性冠症候群と呼ぶ。

（注 2）急性心筋梗塞
急性冠症候群の中でも、冠動脈の内側が完全に詰まってしまい、血流が 途絶している状態を指す。心筋細胞に栄養や酸素が行き渡らなくなり、心筋細胞が壊死してしまうため、死亡や心不全の原因になる。

（注 3）カテーテル検査
カテーテルと呼ばれる細い管を、手や足の動脈から挿入して冠動脈まで進める。造影剤をカテーテルから注射し、血管のどの部位が詰まりかけた、もしくは、詰まっているかを確認する。カテーテル検査で患部を確認後、風船を膨らませて血管を広げ、金属の筒をその部位に挿入・設置することで 血管を広げた状態に固定する治療を行う。

参考文献

Artificial intelligence to predict needs for urgent revascularization from 12-leads electrocardiography in emergency patients.
Goto S, Kimura M, Katsumata Y, Goto S, Kamatani T, Ichihara G, Ko S, Sasaki J, Fukuda K, Sano M. PLoS One. 2019 Jan 9;14(1):e0210103. doi: 10.1371/journal.pone.0210103. eCollection 2019.

循環器内科（佐野）研究グループのメンバー
（2列目左端：第一著者の後藤信一（循環器内科助教）、1列目左から3人目：佐野元昭（同准教授）

最終更新日：2019年6月1日
記事作成日：2019年6月1日

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  • 尿酸降下薬による腎保護メカニズムの解明
    ～質量分析イメージングによる腎代謝解析～
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  • 汗孔角化症の発症メカニズムを解明
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• 2019年
  • 心停止患者から提供された臓器を水素ガスによって移植可能な臓器へと蘇生させる新たな技術の開発に成功
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  • 肝臓の炎症を抑制する免疫細胞を発見～急性肝不全に対する新たな治療法の開発に期待～
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    竹下勝（リウマチ・膠原病内科）
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    ～老化による脳萎縮を部分的に防ぐことに成功～
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  • ケトン体(β-ヒドロキシ酪酸)による腎保護作用のメカニズム
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  • 心電図からカテーテル治療の要否を判断するAIの開発
    後藤信一、佐野元昭（循環器内科）
  • 「豊かな環境」によるドライアイ予防・改善の可能性　佐野こころ（眼科学）
  • ヒト上皮幹細胞の新規培養技術の開発
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  • 新しい分子イメージング法による高血圧症の原因解明
    杉浦悠毅、西本紘嗣郎（医化学）
  • 脳梗塞における神経症状回復を促す新規免疫細胞の発見　伊藤美菜子、吉村昭彦(微生物学・免疫学)
  • 顕微鏡で観察するがん免疫の世界とその分類　紅林泰、坂元亨宇（病理学）
  • 記憶・学習のしくみを理解し、操作するための新しい技術
    掛川渉（生理学）
  • ヒト多能性幹細胞から高効率に骨格筋を分化させる方法
    秋山智彦、洪実（坂口光洋記念講座（システム医学））
• 2018年
  • 抗菌薬の隠された作用のメカニズムの解明～薬剤耐性対策につながる成果～
    南宮湖、石井誠（呼吸器内科）
  • iPS細胞技術を用いた筋萎縮性側索硬化症(ALS)の病態解析と創薬研究
    藤森康希、岡野栄之（生理学）
  • 10億個のヒトiPS細胞由来の心室筋細胞を一度に作製する方法の開発
    遠山周吾、藤田淳 (循環器内科)
  • 横紋筋融解症に続発する腎不全の新たなメカニズムの解明
    大久保光修、平橋淳一（総合診療教育センター）
  • iPS細胞を用いた胎児の形態異常の解明
    奥野博庸（生理学）
  • 紫光（バイオレットライト）の成人強度近視に対する近視進行抑制の可能性
    鳥居秀成、根岸一乃（眼科）
  • 口腔には腸管に定着すると免疫を活性化する細菌がいる
    本田賢也、新幸二（微生物学・免疫学）
  • 新しい遺伝子発現システムによる心筋細胞の誘導と心臓再生への応用
    梅井智彦、家田真樹（循環器内科）
  • 広汎性子宮頸部摘出術後妊娠における残存頸管長と早産リスクの関連は？
    宮越敬（産婦人科）
  • リン代謝を制御するものは老化を制御する
    宮本健史（整形外科）
  • DNAメチル化解析による脊髄移植後の腫瘍化の原因解明
    飯田剛（整形外科）
• 2017年
  • HDLコレステロールが低い日本人の冠動脈疾患死亡リスク
    平田 匠（百寿総合研究センター）
  • 細胞周期の異常はがんの進展にとって敵にも味方にもなる
    石澤丈（先端医科学研究所）
  • 脳梗塞後の炎症が収まる仕組みの解明と治療への応用
    七田 崇、吉村 昭彦（微生物学・免疫学）
  • 腹外側線条体の神経細胞が意欲の維持に関わる
    滝上紘之（生理学、精神・神経科）
  • 非小細胞肺がんで使用される分子標的薬の耐性化メカニズムの解明
    額賀重成（呼吸器内科）
  • 内耳性難聴に対するiPS創薬研究－新規病態の発見と治療薬の同定－
    藤岡 正人、細谷 誠（耳鼻咽喉科）　
  • 食べ過ぎが糖尿病や心血管疾患の発症を起こすメカニズムを解明
    白川公亮（循環器内科）
  • バルプロ酸への胎内曝露が胎児の大脳皮質形成を障害する
    藤村公乃（小児科）
  • 血液を作る幹細胞がストレスを受けて増殖する仕組みを発見
    雁金大樹（血液内科）
  • 間葉系幹細胞の免疫性線維化における役割
    小川葉子（眼科）、森川暁（歯科・口腔外科）
  • 肥満に伴う大腸マクロファージによる炎症が糖尿病発症につながる
    川野義長（腎臓・内分泌・代謝内科）
  • 眼球内の不要となった血管を退縮させる仕組み
    久保田義顕（機能形態学）
• 2016年
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  • MIRAGE症候群の発見
    鳴海 覚志、長谷川奉延（小児科）
  • 日本における認知症の社会的コスト
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  • 神経細胞の興奮の起こりやすさを制御する新しいメカニズムを解明
    松田恵子（生理学）
  • 新規筋萎縮性側索硬化症（ALS）モデルマウスの樹立に成功
    椎橋 元（神経内科）
  • 脳や脊髄の「ミエリン」をMRIで可視化する新技術
    中原 仁（神経内科）
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  • 乳酸アシドーシスの新規治療法の開発
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  • 百寿者から探る健康長寿の秘訣
    新井康通（百寿総合研究センター）
  • iPS細胞から神経細胞を作り分ける新技術
    今泉研人（医学部5年）
  • 腸管免疫の恒常性における腸内細菌の役割
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• 2015年
  • 高脂血症治療薬が急性腎障害を軽減するメカニズム
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    丸山哲夫（産科）
  • 生殖細胞のゲノムを守る小さなRNA分子
    齋藤 都暁（分子生物学）
  • 神経の働きを調節する新たなメカニズムを発見
    鈴木 将貴（解剖学）
  • 筋ジストロフィーに対する筋肉再生療法の開発
    湯浅慎介（循環器内科）
  • 閉経後骨粗鬆症を発症させる因子の同定に成功
    宮本健史（整形外科）
  • 筋萎縮性側策硬化症―新たな病態の解明―
    山川眞以（医学部5年）、伊東大介（神経内科）
  • 生体内ガス分子が介するがん細胞の代謝制御機構
    山本雄広（医化学）
  • 肥大型心筋症を悪化させる因子の同定に成功
    田中敦史（循環器内科）
• 2014年
  • がん間質を抑制するTIMP分子－新たながん治療戦略への期待－
    下田 将之（病理学）
  • ドライアイの病態解明をめざして―臨床と基礎研究をつなぐ―
    小川 葉子（眼科）
  • 長島型掌蹠角化症－疾患の発見から原因遺伝子の解明へ－
    久保 亮治（皮膚科）
  • 心電図から突然死のリスクを探る
    相澤 義泰（循環器内科）
  • 記憶・学習のメカニズムを分子レベルで明らかに―記憶・学習を操作できるか
    幸田 和久（生理学）
  • 脳梗塞を悪化させる炎症の仕組みを解明
    七田 崇（微生物学・免疫学）
  • 再生医学でヒトの細胞から毛をつくる
    大山 学（皮膚科）
• 2013年
  • 尿細管－糸球体連関：糖尿病性腎症の新しい発症メカニズムの解明
    長谷川一宏（腎臓・内分泌・代謝内科）
  • 神経幹細胞を作る
    赤松和土（生理学）
  • 難聴に対する、薬剤を用いた内耳有毛細胞の再生医療
    藤岡 正人（耳鼻咽喉科）
  • 脳・脊髄のガン（グリオブラストーマ）に対する新たな分子標的治療戦略
    岩波　明生（整形外科）
  • がん幹細胞におけるCD44vを介した治療抵抗性の獲得メカニズム
    永野　修（先端医科学研究所）
  • ヒトES・iPS細胞からつくった心筋細胞で心臓病を治すには？
    遠山周吾（循環器内科）
  • 造血幹細胞を老化から守る代謝制御メカニズム
    田久保 圭誉（発生・分子生物学）
  • 重症喘息に効く新しい薬を創る！　－オメガ3脂肪酸の抗炎症作用－
    宮田 純（呼吸器内科）
  • 血漿アミノ酸プロファイルを用いたIBDバイオマーカーの確立
    久松理一（消化器内科）
  • がん血管のみではたらく血管増殖メカニズム
    久保田義顕（総合医科学研究センター）
• 2012年
  • 骨は"ストレス"によって成熟する？
    堀内 圭輔（整形外科・総合医科学研究センター）
  • 毛の新たなる存在意義　－毛嚢は免疫スイッチ－
    永尾 圭介（皮膚科）
  • 心筋梗塞の傷跡をよくする白血球・悪くする白血球・調節する白血球
    安西 淳（循環器内科）
  • ビタミンEは骨を減らす？
    竹田 秀（腎臓・内分泌・代謝内科）