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としなりりゅうとう
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1 吉本近藤 :FPD と IP の性能の違いがアイリスフィルタの腫瘤検出能に及ぼす影響 FPD と IP の性能の違いがアイリスフィルタの腫瘤検出能に及ぼす影響 ( 平成 25 年月 28 日受理 ) 吉本絵夢近藤啓介コンピュータによる画像診断支援システム(CAD) で用いられる画像処理フィルタの一つにアイリスフィルタがある本実験はアイリスフィルタを用いて FPD と IP で腫瘤検出を行った際に腫瘤検出能にどのような差が生まれるかを検証したものである FPD と IP では画像を得るまでの機構が異なるそのため画質にはそれぞれ特徴がある FPD の方が MTF DQE 共に良いとされている今回使用した FPD 装置 AMULET の画素サイズは IP と同じ 5[ μ m] であるため解像度の比較的な差もないそれぞれの検出器について性能評価を行った WS は低周波数領域において AMULET の方が高い値を示し粒状性が悪かったまた MTF については全体において AMULET の方が高い値を示し高鮮鋭だった何種類かの模擬腫瘤を乳房ファントムの上に乗せて撮影しアイリスフィルタで腫瘤検出を行ったいずれの検出器においても直径が大きい腫瘤ほどが低下したアイリスフィルタは濃度勾配ベクトルの方向のみから腫瘤を検出する濃度勾配が緩やかだとノイズの影響を受けやすくなりが低下する直径が大きい腫瘤は濃度勾配が緩やかになるためが低下したまた直径が大きく高さの低い腫瘤については FPD 装置の方が高いを示した WS 値は AMULET の方が高かったしかし今回使用した模擬腫瘤に影響を及ぼすノイズはより高周波領域のノイズと考えられる二つの検出器では高周波領域においては WS 値に大きな差はなかったため腫瘤検出の影響に差はなかった一方腫瘤辺縁に相当する領域において MTF の値は FPD 装置の方が高かったこれにより FPD 装置では腫瘤辺縁まで検出されており高いを示した IP 装置では腫瘤辺縁まで検出することが出来ずが低下した直径 2.5[mm] 高さ [mm] の模擬腫瘤検出においてはシステム上の検出レベルを下回ったしたがって腫瘤検出能において FPD 装置の方が高性能である. 緒言乳癌の早期発見にはマンモグラフィが最も有用な検査方法であるとづけられている近年はマンモグラフィの集団検診が行われるようになり一人の医師が読影する画像量が増えてきたそこで読影医の負担を減らし腫瘤検出能を向上させる目的で開発されたのがコンピュータによる支援診断システム (CAD) である CAD で腫瘤検出を目的として用いられる画像処理フィルタの一つにアイリスフィルタがあるこれは乳癌腫瘤の濃度勾配ベクトルのを算出して乳癌腫瘤検出を行うものであるマンモグラフィには近年 FPD(Flat Panel Detector) や IP( Imaging Plate) といったディジタルシステムが用いられるようになってきているそれぞれの装置は画像を得るまでの機構が異なるため画像には特徴がある MTF や DQE は FPD の方が良いとされているしかしこれまでの FPD は画素サイズが ~ 5[μm] 程度と IP に比べて大きかったためこれが解像度を低下 5

駒澤大学医療建康科学部紀要第号 (24) させる原因になっていた今回の実験で使用した FPD 装置

これによる比較的な解像度の低下も無くなったしたがって FPD の方が粒状度解像度共に良いことが期待される

アイリスフィルタを使って腫瘤検出を行った際に二つの性能の違いが検出能にどのような影響を及ぼすのかを検証し

節で算出した勾配ベクトルの向きよりを求めるは注目画素を中心に半径の円内にある各画素に対し

3 に示す任意の画素 P のは注目画素 O と P を結んだ直線 OP と画素 P

アイリスフィルタについて乳癌腫瘤陰影は中心部に向かって濃度が低くなる特徴を持つアイリスフィルタは濃度変化の勾

. 勾配ベクトルの算出勾配ベクトルの傾きは注目画素に対して 5 5 のマスクを取り周囲の辺の濃度値合計をそれ

は直接型に分類されるが従来の直接型と異なる TFT( 薄膜トランジスタ ) を使用しない仕組みで Direct

2 駒澤大学医療建康科学部紀要第号 (24) させる原因になっていた今回の実験で使用した FPD 装置 AMULET は IP と同じ 5[ μ m] の画素サイズを実現しておりこれによる比較的な解像度の低下も無くなったしたがって FPD の方が粒状度解像度共に良いことが期待される今回は FPD 装置 AMULET と IP 装置 PROFECT でマンモグラフィを撮影しアイリスフィルタを使って腫瘤検出を行った際に二つの性能の違いが検出能にどのような影響を及ぼすのかを検証し評価する 2.2. の算出 2. 節で算出した勾配ベクトルの向きよりを求めるは注目画素を中心に半径の円内にある各画素に対し各画素と注目画素とを結ぶ直線とその画素点における勾配ベクトルとのなす角である Fig.3 に示す任意の画素 P のは注目画素 O と P を結んだ直線 OP と画素 P における勾配ベクトルの向きとのなす角である上記のように各画素の角の余弦の値を算出する 2. アイリスフィルタについて乳癌腫瘤陰影は中心部に向かって濃度が低くなる特徴を持つアイリスフィルタは濃度変化の勾配を表すベクトルを用いてベクトルの集中する領域を抽出し強調する 2.. 勾配ベクトルの算出勾配ベクトルの傾きは注目画素に対して 5 5 のマスクを取り周囲の辺の濃度値合計をそれぞれ ~ としたとき () 式を用いて算出できる ( ) 図勾配ベクトル算出のマスクフィルタ注目画素図 2 の算出 ( 2 ) ( 3 ) 3. 各装置における画像取得の仕組み 3.. AMULET FPD 装置は主に直接型と間接型に分類される今回使用した FUJIFILM 社製 AMULET は直接型に分類されるが従来の直接型と異なる TFT( 薄膜トランジスタ ) を使用しない仕組みで Direct Optical Switching テクノロジー方式と呼ばれる X 線が検出器に入射すると a-se により電子正孔対が発生して両極に印加された電圧によって電子は引き寄せられる収集電荷は一度中間帯で捕獲され潜像を形成するその後読み出し光を照射することで a-se が励起状態となり電子正孔対を発生すると捕獲されていた電子が正孔を引き寄せ残った電子が画像情報として贈られるこれにより TFT を使用せずに画像を読み出すことが可能となったのでアパーチャによる画 6

3 吉本近藤 :FPD と IP の性能の違いがアイリスフィルタの腫瘤検出能に及ぼす影響素サイズの制限がなくなり最小クラスの画素 5[μm] を実現している 3.2. PROFECT PROFECT は IP を使用した FUJIFILM 社製装置である入射した X 線のエネルギーにより励起した Eu2+ はその一部が色中心と呼ばれる中間のエネルギー準位に留まり潜像を形成するその後レーザー光を照射すると再び励起状態になってから輝尽発光によりエネルギーを放出するこの光を読み取ることで画像を得る 4. 実験方法 4.. WS 測定最初に FPD 装置 AMULET にてマンモファントムを撮影条件 28[kV], 36[mAs], Mo/Mo で撮影し PC で画像情報を取得した ImageJ で乳房ファントム画像 ( 図 4) を AB 方向に走査して Profileから乳房相当のディジタル値 ( GrayValue = 74 ~ 75) を得た ( 図 5) これと同じくらいのディジタル値を得られるアクリル厚を探すため厚みを 4,4.5,5,6[cm] と変えて撮影しそれぞれの表のようなディジタル値を得たよって最も近いアクリル厚 4.5 [ cm] で WS を測定することにした次に WS 測定に必要なガンマ測定を行ったアクリル厚 4.5[cm] で mas 値を 28, 32, 36, 4, 45[mAs] と変えたときの入射表面線量とディジタル値からガンマを求めた ( 表 2 図 6) 以上のデータを用いて WS をグリッド有りと無しの場合についてそれぞれ測定したアクリル板に一様露光した原画像から ImageJ を用いての ROI で切り取ったトレンド補正をした上でフーリエ変換を行い WS のデータを求めた同様の作業を 28 画素平行移動した違う ROI においても繰り返しその平均値を画像の WS とした今回はいずれも 2 点サンプリングを行った IP 装置 PROFECT についても同様にガンマ測定 ( 表 3 図 7) WS 測定を行った PROFECT についてはグリッドを取り外すことができないのでグリッド有りについてのみ測定を行った図 4 A 乳房ファントム画像表アクリル厚とディジタル値アクリル厚 [cm] ディジタル値 4 79 ~ ~ ~ ~ 57 ディジタル値 ( 対数 ) 3 2 A 図図 6 B 入射表面線量 ( 対数 )[mr] AMULET の特性曲線 B マンモ画像の Profile 7

cycles/mm 付近に WS の上昇が見られたしかし AMULET に PROFECT の特性曲線おいては水平方向と垂直方向とでは有意な差は見 MTF 測定られなかったまた図に MTF の測定結果エッジ法にて MTF を測定した検出器上にタングステン製のテストデバイスを置き撮影条件を示した全体において AMULET の方が MTF の値が高く高鮮鋭だった 28

4 ディジタル値対数駒澤大学医療建康科学部紀要結果性能評価の結果 WS と MTF の測定結果を以下に示す図 9 に水平方向の WS を図に垂直方向の WS を示した AMULET はグリッド有りの方が WS の値は.4 高くなったまた PROFECT では水平方向にお入射表面線量対数 mr 図第号 24 いてグリッドの影響により 8 cycles/mm 付近に WS の上昇が見られたしかし AMULET に PROFECT の特性曲線おいては水平方向と垂直方向とでは有意な差は見 MTF 測定られなかったまた図に MTF の測定結果エッジ法にて MTF を測定した検出器上にタングステン製のテストデバイスを置き撮影条件を示した全体において AMULET の方が MTF の値が高く高鮮鋭だった 28 kv 36 mas Mo/Mo グリッド有りで撮影したテストデバイスのエッジ中心は検出器左右方向の中心で前後方向は検出器胸壁側の縁から 6 mm 奥側のとしデバイスを検出器表面に密着させて配置したエッジは水平方向に若干傾けて撮影した PC で画像を取り込み MTF を測定した 4.3. 乳房ファントム撮影と腫瘤の検出評価模擬腫瘤を乳房ファントムに一つずつ乗せ二つの装置で同じ撮影条件 28 kv 36 mas Mo/Mo グリッド有りで撮影した模擬腫瘤は直径が 2.5. mm 7.5 で高さがのものと直図9 WS 水平方向図 WS 垂直方向径が 5. で高さがの半円球状のものを用いたいずれも乳房ファントムの中心から水平方向に mm 移動させたに模擬腫瘤を置き撮影した図 8 得られた画像からアイリスフィルタを用いて腫瘤検出を行いその違いを検証した図8 使用した模擬腫瘤 8

5 吉本近藤 :FPD と IP の性能の違いがアイリスフィルタの腫瘤検出能に及ぼす影響 MTF 腫瘤検出の結果 MTF 値 (AMULET) MTF 値 (PROFECT) 間周波数 [cycles/mm] アイリスフィルタの結果を以下に示す図 2 は AMULET における高さ [ mm] での違いについて図 3 は PROFECT における高さ [mm] での違いであるいずれも直径が大きいほどの低下が見られたまた高さ 2[mm],3[mm] についても同様の結果が見られたが高さが高いほど直径の違いによるの差は少なかった ( 図 4 ~7) また二つの検出器間で最も違いが現れたのは直径 2.5[mm], 高さ [mm] のときだった AMULET はが.5 程度あり CAD で検出可能なレベルであったが PROFECT は.3 程度となった CAD はシステム上 / π およそ.3 以下になるとシステム上ノイズとして判断され腫瘤としては検出されなくなるそのため PROFECT では検出不可能であると予測される.8.6 図 MTF 測定結果.mm 2.5mm 図図 mm 2.5mm PROFECT( 高さ mm).mm 2.5mm AMULET( 高さ 2mm).mm 2.5mm 図 2 AMULET( 高さ mm) 図 5 PROFECT( 高さ 2mm) 9

6 駒澤大学医療建康科学部紀要第号 (24).8.mm 2.5mm と考えられるアイリスフィルタは画像のコントラストではなく勾配ベクトルの方向のみから腫瘤を検出するため勾配が緩やかなほどノイズの.6 影響を受けやすくなりが低下するま.4.2 た腫瘤の中心部は濃度勾配が特に緩やかになるためよりノイズの影響でが下がりやすくなる腫瘤の直径が大きいほど勾配が緩やかな部分が大きくなるためがより低下すると考えられる ( 図 9) 図 6 AMULET( 高さ 3mm).8.mm 2.5mm.6 図 9 直径の大きさの違いによる濃度勾配の差図 7 PROFECT( 高さ 3mm).9 AMULET.8 PROFECT 図 8 直径 2.5mm 高さ mm 6. 考察いずれの検出器においても直径が大きいほどが低下したのは濃度勾配の差によるものまた直径が大きく高さの低い腫瘤において AMULET の方が PROFECT より高いを示したのは AMULET の MTF の高さによるものと考えられる WS 測定結果より AMULET の方が WS の値は高く粒状性は悪かったが WS 値が特に高い値を示したのは 2[cycles/mm] 程度までの低周波数領域だった今回の実験で使用したサイズの腫瘤に影響を及ぼすノイズはより高周波領域のノイズと考えられる高周波領域においては AMULET とPROFECTのWS 値に大きな差は見られなかったしたがってノイズによる影響の差はあまり無かったと考えられる一方 MTF の測定結果より MTF の値は全体において AMULET の方が高かった特に腫瘤辺縁に相当する高周波領域において AMULET は PROFECT より高い MTF を示したしたがって腫瘤の辺縁まで検出され ( 図 8) PROFECT より高いが得られたと考えられる一方 PROFECT は図 8 より辺縁部分のの変移が緩やかで検出が低いことがわかるしたがって腫瘤の検出率が AMULET に比べて低下したと 2

7 吉本近藤 :FPD と IP の性能の違いがアイリスフィルタの腫瘤検出能に及ぼす影響考えられる 7. 結語直径が大きい腫瘤ほど濃度勾配が小さくなることでノイズの影響を受けやすくなりが低下することがわかったまた直径が大きく高さの低い腫瘤において AMULET の MTF の高さにより PROFECT よりも高いが得られることがわかったしたがって AMULET の方が高性能であるといえる References [] 市川勝弘, 石田隆行 : 標準ディジタル X 線画像計測 ; オーム社, 第版, 第刷,pp7-69,( 2). [2] 藤村美穂 : 可変リングフィルタの検出性能の検討 ; 駒澤大学医療健康科学部診療放射線技術科学科総合研究論文集画像技術科学コース, pp33-4,( 2). [3] 依田百合絵 : 可変リングフィルタの乳癌 ( 腫瘤 ) の検出性能評価 ; 駒澤大学医療健康科学部診療放射線技術科学科総合研究論文集画像技術学コース,pp5-59,(2) [4] 酒井寿知, 荻原義裕, 清水昭明, 小畑秀文, 武尾英哉, 縄野繁 : 適応リングフィルタを用いたマンモグラム上の腫瘤陰影候補領域の検出 ; 電子情報通信学会,MI2-4,pp3-2, ( 2) [5] 魏軍, 荻原義裕, 清水昭明, 小畑秀文 : 勾配ベクトルの点集中性フィルタの特性解析 ; 電子情報通信学会論文誌,Vol.J84-D-2, No.7, pp ,( 2) [6] 武尾英哉, 志村一男 : 乳房 CR 画像を対象としたコンピュータ支援画像診断システム ; 富士フィルム研究報告,No.43,(998) 2

8 駒澤大学医療建康科学部紀要第号 (24) Influence which Attains to the Tumor Detection Capability of an Iris Filter by the Difference in the Performance which Compared FPD with IP Emu Yoshimoto Keisuke Kondo Summary One of the image-processing filters used with Computer Aided Detection (CAD) has an iris filter. This experiment Verifies what kind of difference is born to tumor detection capability, when a tumor is detected by FPD and IP using an iris filter. In FPD and IP, since mechanisms until it obtains a picture differ, there is the different feature in image quality. Generally, FPD is said for MTF and DQE to be higher than IP. Since the FPD equipment AMULET used this time is the 5 micrometers as it of IP with same pixel size, the difference in resolution is not produced, either. The quality assessment was performed about each detector. In AMULET, WS showed the high value in the low frequency domain, and grainness was bad. Moreover, in AMULET, MTF showed the numerical value high on the whole, and was high sharpness. Several kinds of imitation tumors were put and photoed on the breast phantom, and detected the tumor by iris filter. With any detector, degree of concentration became low, so that the diameter of the tumor was large. An iris filter detects a tumor by the direction of a concentration gradient vector. Since it will become easy to be subject to the influence of a noise it the concentration gradient is loose, degree of concentration becomes low. Since, as for the tumor with a large diameter, the concentration gradient became loose, degree of concentration became low. As for FPD, degree of concentration became high rather than IP at the time of a tumor with a large diameter and low height. In AMULET, the numerical value of WS was high. However, the noise which has influence to the imitation tumor used this time is considered more to be a noise of a high-frequency domain. About each detector, since there was no big difference in the numerical value of WS in a high frequency domain, it was uninfluential. On the other hand, in the domain equivalent to tumor edge, FPD equipment had the numerical value of MTF higher than IP equipment. With FPD equipment, it came to be detected to the edge of a tumor by this, and degree of concentration became high by it. Since IP equipment was not able to detect the edge of the tumor, degree of concentration became low. The mm-high imitation tumor [in the size of 2.5mm] was less than the disregard level on a system. Therefore, FPD equipment has performance higher than IP equipment. 22

線形システム応答 Linear System response

線形システム応答 Linear System response 画質が異なる画像例コントラスト劣コントラスト優コントラスト普鮮鋭性普鮮鋭性優鮮鋭性劣粒状性普粒状性劣粒状性優医用画像の画質コントラスト, 鮮鋭性, 粒状性の要因が互いに密接に関わり合って形成されている. 比鮮鋭性コントラスト反反粒状性増感紙 - フィルム系での 3 要因の関係ディジタル画像処理系でもおよそ成り立つ WS u MTFu 画質に影響する因子