脳MRI－見かけの拡散係数画像における表示階調自動調節システムの開発

Size: px

Start display at page:

Download "脳MRI－見かけの拡散係数画像における表示階調自動調節システムの開発"

ゆゆこおなか
5 years ago
Views:

1 超急性期脳梗塞の画像診断支援に関する研究群馬県立県民健康科学大学診療放射線学部長島宏幸 1

2 本日の内容超急性期脳梗塞を画像診断する医師の支援のために脳 CT 画像における超急性期脳梗塞識別のためのウィンドウ幅の検討脳 CT 画像における超急性期脳梗塞検出のためのコンピュータ支援診断システム超急性期脳梗塞を対象とした脳 MR 画像における表示条件自動調節システム 2

3 脳 CT 画像における超急性期脳梗塞識別のためのウィンドウ幅の検討 3

4 公表論文誌長島宏幸, 岩崎隆史, 須永眞一, 後閑隆之, 藤井雅典, 佐藤慶, 根岸徹, 白石明久, 小倉敏裕, 土井邦雄 : 脳 CT 画像における低コントラスト検出能の定量的評価 : 超急性期脳梗塞の識別に対するウィンドウ幅の影響に関する検討, 日本放射線技術学会雑誌, 第 67 巻, 第 11 号, ,(2011) ( 平成 24 年度日本放射線技術学会瀬木賞 [ 最優秀論文賞 ] 受賞 ) 4

5 背景 CT 検査の特徴装置の普及稼働体制検査時間が短いなど超急性期脳梗塞の画像診断として第一に選択される CT 検査の目的脳内出血や脳腫瘍などの除外診断早期虚血変化 (early CT signとhyperdense MCA sign) の存在診断範囲判定 5

6 背景 CT 検査の問題点早期虚血変化は, 脳実質部に低吸収域として出現する非常に淡い陰影である. 視覚的に識別しにくい. 観察者間で認識に差が生じる. 6

7 背景脳 CT 画像の表示条件 (WW) MELT Japan では,WWを80 HU 以下にするよう推奨している. Lev( レフ ) らは,WWを1~30 HUまで変化させて観察することで, 読影精度が向上したと報告している. MELT Japan(MCA embolism local fibrinolytic intervention trial japan) 超急性期脳梗塞に対する局所線溶療法の効果に関する臨床研究 7

8 背景シングルスライス CT 装置で撮影された画像を利用した結果である. Lev らの報告観察者実験における症例数や観察者数が少ない. Lev MH, Farkas J, Gemmete JJ, Hossain ST, Hunter GJ, Koroshetz WJ, Gonzalez RG, Acute stroke: improved nonenhanced CT detection benefits of soft-copy interpretation by using variable window width and center level settings, Radiology, vol.213, no.1, pp ,

9 目的撮影線量を変化させたデジタルファントム画像を作成して,WWの変化が低コントラスト検出能に与える影響を定量的に評価した. 超急性期脳梗塞 CT 画像を用いた観察者実験を実施して,WWの違いにおける読影精度について検討した. 9

10 臨床画像を用いた実験 10

11 方法使用装置および画像データベース CT 装置 : LightSpeed 16 (GE 横河メディカルシステム社製 ) 臨床画像 : 超急性期脳梗塞症例 30 例正常症例 30 例責任血管はすべて中大脳動脈 (MCA) である. MCA 領域全体に広がった症例が8 例 MCA 領域の一部に限局した症例が22 例 11

12 方法撮影条件管電圧 : 120 kv 管電流 : 200 ma 回転時間 : 2.0 s/rot 再構成スライス厚 : 5 mm (2.5 mm 8 DAS) 再構成関数 : Standard スキャンモード : コンベンショナル 12

13 方法 ( 観察者実験 ) 画像評価 (ROC 解析 ) 1) WWを80 HUに設定して観察 2) WWを20 HUに設定して観察 3) WWを80と20 HUに設定した画像を並べて観察観察者評価方法観察環境 : 10 名 : 連続確信度 : 暗室下 13

14 結果平均 ROC 曲線 14

15 結果観察方法平均 AUC 平均 AUC の標準偏差 WW:80 HU WW:20 HU WW:80 HU +20 HU :p <.05 15

16 症例 WW:80 HU WW:20 HU 16

17 症例 WW:80 HU WW:20 HU 17

18 まとめ WWを20 HUに設定することで, 観察者間の読影能力の変動を低減できることが示唆された. WWを80と20 HUに設定した画像を並べて観察することで, 早期虚血変化の更なる読影精度の向上が図れることがわかった. 18

19 脳 CT 画像における超急性期脳梗塞検出のためのコンピュータ支援診断システム 19

20 背景画像データの解析結果を第 2の意見として医師が画像診断へ積極的に利用する, コンピュータ支援診断 (CAD) システムは, ディジタル画像の特徴を最大限に利用した技術として開発が期待されている. 20

21 コンピュータ支援診断 (Computer-Aided Diagnosis:CAD) とは CAD とは, 医用画像に対して, コンピュータで定量的に解析された結果を第 2 の意見として利用する医師による診断である. 最終診断は必ず医師が行うものであり, 医師をコンピュータによって置き換えようとする, 自動診断とはまったく異なる概念である点に注意が必要である. 背景 21

22 背景 CADシステムの一般的役割は, 主に病巣部の見落としの減少, 診断結果のばらつきの減少, 医師の負担軽減である. CADシステムの開発に関する研究は, 様々なモダリティや対象部位疾病に対して施行されている. 22

23 目的コンピュータにより脳梗塞の陰影を検出し, その情報を医師に提供することで注意を喚起できるのではないかと考えた. 画像上の脳梗塞を見つけ出し,CT 画像を観察する医師を支援するためのコンピュータシステムを開発した. 23

24 方法検出アルゴリズム ( 対側性差分画像処理技術 ) 対側性差分画像処理技術は, 左右反転させた画像と元の画像との差を求めることで, 片側だけに存在する異常陰影を検出する技術である. 医師は, 脳 CT 画像を観察する際に左右対称性を確認しながら診断することから, この技術を適用した. 24

25 提案手法各症例のうち画像所見の最も顕著な1スライス像から脳梗塞領域を自動検出する手法上下側のスライス像を利用する特徴量解析を採用した手法体位の傾きによって出現する偽陽性候補を除去するため, 等方性 CT 体積データを用いた3 次元的な回転補正をアルゴリズムに加えた手法 25

26 公表論文誌 Hiroyuki Nagashima, Tetsumi Harakawa:Computer-Aided Diagnostic Scheme for Detection of Acute Cerebral Infarctions on Brain CT Images. Journal of Signal Processing, vol.12, no.1, 73-80,(2008). 長島宏幸, 原川哲美 : コントララテラル差分技術を用いたコンピュータ支援診断システム- 脳 CT 画像における急性期脳梗塞検出への応用 -, 電気学会論文誌 C, 第 128 巻, 第 11 号, ,(2008). 長島宏幸, 原川哲美, 白石順二, 土井邦雄, 白石明久, 須永眞一 : 脳 CT 画像における急性期脳梗塞のコンピュータによる検出, MEDICAL IMAGING TECHNOLOGY, 第 27 巻, 第 1 号,30-38,(2009). 26

27 方法画像データベース学習用症例 : 100 症例 ( 異常症例 60 例と正常症例 40 例 ) テスト用症例 : 60 症例 ( 異常症例 35 例と正常症例 25 例 ) 異常症例の包含基準は, - 発症後 6 時間以内に撮影された - MRI 拡散強調画像で確定診断された 27

28 方法オリジナル CT 体積データ回転移動補正後の CT 体積データ 28

29 方法回転移動補正後の CT 体積データ対側性体積差分データ対側性体積差分 29

30 方法対側性体積差分データ多重しきい値処理後体積データ初期候補 30

31 方法幾何学的画像特徴量 1) 体積,2) 球形度,3)3 次元重心からの距離 4) 相対距離, 5) 重心 (x,y,z 方向の座標 ) 画素値に基づく統計的特徴量 1) 平均ボクセル値,2) 平均ボクセル値の標準偏差 3) 変動係数,4) 最大最小ボクセル値,5) 候補の最大ボクセル値と候補周囲の平均ボクセル値とのコントラスト,6) 候補の平均ボクセル値と候補周囲の平均ボクセル値とのコントラスト補正後の CT 体積データと対側性体積差分データから各特徴量を抽出 31

32 Distance 特徴量 from the 2 3D-centroid 方法ルールベーステスト ( 第 1 ステップ ) 各特徴量に対し, 超急性期脳梗塞候補の最大値と最小値を求めて独立にしきい値を設定 Acute Ischemic Stroke False-Positive Relative Std. 特徴量 Dev. of 1 voxel value 対側性差分像 0 32

33 Relative Std. 特徴量 Dev. of 2 voxel value 方法ルールベーステスト ( 第 2 ステップ ) 特徴量の各ペアに対してしきい値を設定 Acute Ischemic Stroke False-Positive Average 特徴量 of voxel 1 value オリジナル画像 33

34 結果検出感度偽陽性率 ( ) 学習用症例テスト用症例学習用症例個 / 症例テスト用症例初期検出 98.3% 100.0% ルールベーステスト第 1 ステップ第 2 ステップ 98.3% 91.4% % 85.7%

35 結果オリジナル画像異常症例対側性体積差分画像 CAD 出力画像虚血領域コンピュータ検出 35

36 結果オリジナル画像異常症例対側性体積差分画像 CAD 出力画像虚血領域コンピュータ検出 36

37 まとめ本システムは, 初期に検出された偽陽性候補を約 96 % 除去でき, テスト用症例における検出感度は85.7 %, 偽陽性率は3.4 個 / 症例であった. 超急性期脳梗塞のCT 画像診断において, 本 CADシステムは, 疑わしい画像所見を明らかにできることから, 医師の意思決定において有用である可能性が高いと考える. 37

38 超急性期脳梗塞を対象とした脳 MR 画像における表示条件自動調節システム 38

39 背景 MRI 検査の特徴拡散強調画像 (DWI) 超急性期の虚血領域を高信号として明瞭に描出できる. 見かけの拡散係数 (ADC)map 虚血領域における治療後の可逆性を予測できると報告されている. 両画像は, 存在診断や発症からの時期判断に利用されている. 39

40 背景 MRI 検査の問題点両画像上の虚血領域における信号強度の程度や範囲などの画像情報は, 画像表示条件であるウィンドウ幅 (WW) やウィンドウレベル (WL) の調節により大きく変化する. 存在診断や範囲判定の精度低下につながる可能性がある. 40

41 担当者ごとの表示条件観察者 1 WW=1621 WL=490 観察者 2 WW=1472 WL=647 観察者 3 WW=1211 WL=422 装置出力 WW=1597 WL=798 観察者 4 WW=1937 WL=719 観察者 5 WW=1210 WL=458 41

42 背景厚生労働省研究班 Acute Stroke Imaging Standardization Group-Japan(ASIST-Japan) は,DWIと同時に撮像されるb0 画像の視床の位置に円形のROIを目視にて手動で設定し, 平均画素値を計測して, その値をDWI 表示の WWに,WWの中間値をWLに設定することで, DWIの表示条件を標準化する方法を考案した. 42

43 背景厚生労働省研究班 Acute Stroke Imaging Standardization Group-Japan(ASIST-Japan) の考案方法 ROI 視床 ROI 内の平均画素値を A とする時 DWI のWW = A DWI のWL = A/2 b0 画像 DWI 43

44 背景この方法は, 施設間や担当者間における DWIの表示輝度の変動を低減できると報告されている. しかし, 手動による視床へのROI 設定が必要となるため, 再現性に劣り, 作業時間と労力を必要とする. 44

45 提案手法 ASIST-Japanにより考案された手法の自動化システムの構築脳血管疾患の好発部位である視床を利用せず脳実質部の濃度ヒストグラム解析を利用して DWIの表示条件を自動調節するシステムの構築 b0 画像を使用せずに直接 DWIの表示条件を自動調節するシステムの構築, およびADC mapの表示条件の自動調節システムの構築 45

46 公表論文誌長島宏幸, 原川哲美, 土井邦雄 : 急性期脳梗塞のMRI 拡散強調画像における表示階調調節システムの開発, 電気学会論文誌 C, 第 130 巻, 第 3 号, ,(2010). 長島宏幸, 原川哲美, 土井邦雄 : 濃度ヒストグラム解析に基づく脳 MRI 拡散強調画像における表示階調の自動調節, 映像情報メディア学会誌, 第 64 巻, 第 6 号, ,(2010). Hiroyuki Nagashima, Kunio Doi, Toshihiro Ogura, Hiroshi Fujita:Automated Adjustment of Display Conditions in Brain MR images: Diffusion-Weighted MRIs and Apparent Diffusion Coefficient Maps for Hyperacute Ischemic Stroke. Radiological Physics and Technology, vol.6, no.1, ,(2013). 46

47 方法画像データベース虚血後 6 時間以内に撮像された超急性期脳梗塞症例 44 例のDWIとb0 画像装置 :GE 社製 GENESIS SIGNA,SIGNA EXCITE 撮像シーケンス :SE-EPI 撮像パラメータ :TR ms, TE ms, Flip Angle 90, スライス厚 5mm, スライス間隔 1-2mm, MPG 印加軸 3 方向 47

48 方法 DWI の入力 b0 画像の入力 3 次元画像の作成脳実質部の抽出 ( S ADC ln ( b2 / S S 1 : b0 画像の信号値 S 2 : DWI の信号値 b 1 : 0,b 2 : 1000 s/mm 2 3 次元 ADC map の作成 1 2 ) b1) 濃度ヒストグラム解析 DWI ADC map DWI および ADC map の表示条件の調節 48

49 Number of voxels Number of voxels 方法 Threshold Peak voxel value = Voxel value Peak voxel value = Voxel value 1) 可変しきい値処理を用いて,3 次元 DWI の濃度ヒストグラム内の虚血領域に対するボクセル値を除外. 2)20 区間移動平均処理を用いて, 正常脳実質部の濃度ヒストグラムを平滑化. 3) 平滑化させた濃度ヒストグラムから最大頻度値に対するボクセル値を決定. 49

50 方法 DWIおよびADC mapの表示条件の調節 3 次元 DWIの表示条件決定されたボクセル値をWLに, ボクセル値を2 倍した値をWWに設定 3 次元 ADC map ボクセル値を3 倍した値をWLに,WLを2 倍した値をWWに設定 50

51 方法 2 肢強制選択 (2-AFC) 法左右 20 症例を用いた各組み合わせ (190 のペア ) 輝度および画像コントラストの類似度を比較評価 51

52 結果 2 肢強制選択法による選択率を用いた評価 (DWI) 観察者 ASIST- Japan 法本手法 A 24.2% 75.8% B 29.5% 70.5% C 24.2% 75.8% D 25.8% 74.2% E 21.1% 78.9% 平均値 24.9% 75.1% 52

53 結果 2 肢強制選択法による選択率を用いた評価 (ADC map) 観察者 A 6.3% 93.7% B 8.4% 91.6% C 4.7% 95.3% D 11.6% 88.4% E 5.3% 94.7% 平均値医師による手動調節 7.3% 本手法 92.7% 53

54 結果 ASIST-Japan により考案された手法本手法 54

55 結果観察者による手動方法本手法 55

56 考察 ADC mapを用いた虚血領域の可逆性の判定には, 虚血領域と, 正中矢状線を介して反対側の脳実質部との信号強度の比率が適用されている. DWIおよびADC mapの画素値を統一化できる本システムの利用によって, 虚血領域の定量的評価が可能となる. 56

57 まとめ b0 画像を用いることなく,DWIおよびADC map の信号強度および画像コントラストを症例間で迅速に統一化できる本システムは, (1) アーチファクトによる不正確な判断の防止, (2) 虚血領域の判定誤差の減少, (3) 治療法の適切な判断の達成, に寄与する可能性がある. 57

スライド 1

スライド 1 脊椎 MRI における各種脂肪抑制法の比較検討公益財団法人星総合病院放射線科渡邉美香背景 MRI は低コントラスト分解能に優れ, 脊椎 MRI においては椎間板, 髄膜, 脊髄などの組織コントラストが高いことから病変の描出に最適である. 診断に有用な画像を撮像するためには脂肪抑制が欠かせない. しかし, 脊椎は磁場の不均一を生じやすい部位である. また, インプラント等の金属も磁場の不均一を生じやすく,