マンモグラムにおける乳腺実質濃度の評価を用いた
構築の乱れの自動検出システムの改良
山田 菜美
†松原 友子
‡角森 昭教
‡‡原 武史
†村松 千左子
†遠藤 登喜子‡‡‡ 藤田 広志†
†岐阜大学 〒501-1193 岐阜県岐阜市柳戸 1-1
‡名古屋文理大学 〒492-8520 愛知県稲沢市稲沢町前田 365
‡‡コニカミノルタエムジー株式会社 〒191-8511 東京都日野市さくら町１番地
‡‡‡名古屋医療センター 〒460-0001 愛知県名古屋市中区三の丸４−1−１
E-mail:
†{nami, hara, chisako, fujita}@fjt.info.gifu-u.ac.jp,
‡matsubara.tomoko@nagoya-bunri.ac.jp
‡‡
akinori.tsunomori@konicaminolta.jp,
‡‡‡endot@nnh.hosp.go.jp
あらまし 我々は，マンモグラフィ画像における乳がんの重要所見の一つである構築の乱れの CAD システムの 開発に取り組んでいる．本システムは高い検出率を示しているが，実用化に向けて，偽陽性数を減少させることが 課題となっている．そこで本研究では，乳房内脂肪含有率を用いて画像を４つのグループに分類し，グループ毎に 特化した偽陽性削除処理を行った．その結果，従来法よりも多くの偽陽性の削除に成功し，本手法の有効性が確認 された． キーワード マンモグラム，コンピューター支援検出システム， 構築の乱れ， 乳腺， 乳房内脂肪含有率．Improvement of automated method for detecting architectural distortion using
assessment of fibroglandular breast tissue density on mammograms
N. Yamada
†T. Matsubara
‡A. Tsunomori
‡‡T. Hara
†C. Muramatsu
†T. Endo
‡‡‡H. Fujita
††
Gifu University, 1-1 Yanagido, Gifu, Gifu, 501-1193 Japan
‡
Nagoya Bunri University, Maeda-365 Inazawacho Inazawa, Aichi 492-8520 Japan
‡‡
Konica Minolta Medical & Graphic, Inc, 1 Sakuramachi Hino, Tokyo 191-8511 Japan
‡‡‡National Hospital Organization Nagoya Medical Center, 4-1-1 Sannomaru Naka, Nagoya, Aichi 460-0001 Japan
E-mail:
†{nami, hara, chisako, fujita}@fjt.info.gifu-u.ac.jp,
‡matsubara.tomoko@nagoya-bunri.ac.jp
‡‡
akinori.tsunomori@konicaminolta.jp,
‡‡‡endot@nnh.hosp.go.jp
Abstract Architectural distortion is one of very important findings in interpreting breast cancer on mammograms. Therefore we have been trying to improve the performance of our automated method for detecting spiculated architectural distortion on mammography CADe. The performance of our system is high, but the system still has a lot of FPs. Our resent research is to reduce FPs. In addition mammograms are different greatly in individual, but we have been approaching all of the mammograms with same method. Our purpose of this research is to divide to four classes depending on quantity of mammary gland and fat on mammogram before the detection method.
Keyword Mammogram, CADe (computer-aided detection), distortion, Mammary gland, Fat on mammogram.
1. は じ め に
わ が 国 に お い て ， が ん の 罹 患 率 は 年 々 増 加 傾 向 に あ り 現 在 で は 総 死 亡 の 3 割 を 超 え て ， 死 因 の 第 1 位 と な っ て い る ． 乳 が ん の 早 期 発 見 に 有 効 な 診 断 法 の 一 つ と し て ， マ ン モ グ ラ ム (乳 房 X 線 画 像 )が あ る ．マ ン モ グ ラ ム で は ， こ れ ま で 困 難 だ っ た 小 さ な が ん も 発 見 可 能 で あ る ． し か し ， マ ン モ グ ラ ム の 正 確 な 読 影 に は ， 豊 富 な 知 識 と 経 験 が 必 要 不 可 欠 で あ り ， そ れ を 満 た す 医 師 が 不 足 し て い る の が 現 状 で あ る ． そ こ で ， 医 師 の 読 影 を 補 助 を 目 的 と し た コ ン ピ ュ ー タ 支 援 診 断 (Computer-Aided Diagnosis:CAD)へ の 期 待 が 大 き く な っ て い る ． 腫 瘤 陰 影 ， 微 小 石 灰 化 ク ラ ス タ と な ら び ， 乳 が ん の 所 見 の 一 つ と し て 挙 げ ら れ る ， 構 築 の 乱 れ は ， 重 要 な所 見 で あ る に も 関 わ ら ず ， 読 影 が 難 し い 症 例 が 多 い ， そ の た め CAD シ ス テ ム の 必 要 性 は 高 い ． そ れ に も 関 わ ら ず ， 商 用 化 さ れ て い る CAD シ ス テ ム で の 構 築 の 乱 れ の 検 出 性 能 は 十 分 で は な い ． 構 築 の 乱 れ に 特 化 し た 検 出 ア ル ゴ リ ズ ム の 開 発 は ， 国 内 外 の い く つ か の 研 究 チ ー ム で 行 わ れ て お り ，Gabor フ ィ ル タ [1]や フ ラ ク タ ル 次 元 [2]を 用 い た 手 法 な ど が 提 案 さ れ て い る [3-4]． 検 出 性 能 は ， お よ そ 真 陽 性 率 80％ か ら 99％ ，１ 画 像 あ た り の 偽 陽 性 数 は 7 個 か ら 15 個 で あ る 報 告 が 多 く ， 実 用 化 の た め に は さ ら な る 向 上 が 必 要 で あ る ． 我 々 も ， 構 築 の 乱 れ が retraction と spiculation に 大 別 で き る 点 に 着 目 し ， ト ッ プ ハ ッ ト 変 換 を 用 い た retraction の 検 出 方 法 [5]と ， 乳 腺 構 造 を 解 析 し ， そ の 集 中 度 と 平 均 等 方 指 数 を 算 出 し ， そ の 両 方 が 高 い 値 を 持 つ 領 域 を 候 補 領 域 と 決 定 す る spiculation の 検 出 方 法 [6]を 提 案 し て き た ． 本 手 法 は 高 い 真 陽 性 率 を 示 す が ， 実 用 化 に 向 け て は 偽 陽 性 数 の 減 少 が 課 題 で あ る ． そ こ で 本 研 究 で は 症 例 ご と の 乳 腺 構 造 の 違 い に 着 目 し た ． 乳 腺 は ， 加 齢 に 伴 っ て ， 脂 肪 に 置 換 す る ． ま た 人 種 ， 年 齢 ， 出 産 や 授 乳 の 有 無 な ど に よ り 個 人 差 が 大 き い ． そ こ で ，本 研 究 で は 乳 腺 濃 度 の 評 価 [8]を 偽 陽 性 削 除 に 用 い ， 検 出 性 能 の 向 上 を 目 的 と す る ．
2. 構 築 の 乱 れ と 乳 房 内 脂 肪 含 有 率 に つ い て
2.1. 構 築 の乱 れ
乳 が ん の ２ 大 所 見 で あ る 腫 瘤 陰 影 と 微 笑 石 灰 化 ク ラ ス タ の 次 に ， 乳 が ん の 所 見 と し て ， 構 築 の 乱 れ が あ げ ら れ る ． 構 築 の 乱 れ は 画 像 上 明 ら か で な い が ， 正 常 な 乳 腺 構 造 が 歪 ん で い る ． １ 点 か ら 放 射 状 に 広 が る spiculation や 乳 腺 実 質 辺 縁 の 局 所 的 な 引 き 込 み retraction あ る い は 歪 み distorion と 定 義 さ れ る ．し か し 病 変 の 中 心 領 域 は 不 明 慮 な 症 例 が 多 く ， 構 築 の 乱 れ は 医 師 に よ る 発 見 が 難 し い 症 例 と し て 挙 げ ら れ る ． そ れ に 加 え ， 重 篤 な 浸 潤 癌 で あ る 可 能 性 も あ り 他 の 重 要 所 見 に 比 べ 悪 性 度 も 高 い ． 表 2 ABCD へ の 分 類 と Da, Db, Dc の 割 合 A) 脂 肪 性 Db <= 35% か つ Dc = 0% B) 乳 腺 散 在 Db <= 20% か つ Dc != 0% 又 は Dc < 35% か つ Dc != 0% 又 は Db > 35% か つ Dc = 0% C) 不 均 一 高 濃 度 Dc >= 35% か つ Dc < 80% 又 は Dc >= 30% か つ Dc < 35% か つ Db >= 20% D) 高 濃 度 Dc >= 80%2.2. 乳 房 内 脂 肪 含 有 率
読 影 医 は 乳 房 X 線 画 像 を 読 影 す る 際 に は ，正 常 乳 腺 が ど の 程 度 乳 房 内 に 存 在 す る か を 考 慮 し ， 病 変 が 乳 腺 に 隠 れ て し ま う 危 険 性 の 目 安 と す る ． そ こ で 、 乳 腺 濃 度 に よ り 本 来 乳 腺 が 存 在 し た と 思 わ れ る Dmg(mammary gland) 領 域 を 以 下 の ３ 段 階 の 乳 腺 濃 度 (Da, Db, Dc)に 評 価 す る (表 1)． 次 に こ れ ら の 領 域 の 比 率 に よ っ て 画 像 を グ ル ー プ A ～ B の 4 種 類 に 分 類 す る ． A に 近 づ く ほ ど 乳 房 内 に 含 ま れ る 脂 肪 が 多 く ， D に 近 づ く ほ ど 少 な い ． た だ し ， 医 師 は 経 験 的 に 判 断 し て お り ， 割 合 は 主 観 的 な 判 断 に よ り 決 定 し た ． 表 2 に 本 研 究 で 用 い た 割 合 と 図 1 に A ～ D の 画 像 例 を 示 す ． 白 で 囲 ま れ た 領 域 は 構 築 の 乱 れ で あ り ， 構 築 の 乱 れ と 言 っ て も グ ル ー プ ご と に 見 た 目 に 違 い か あ る ．3. 対 象 と 方 法
3.1. 対 象 データ
今 回 の 実 験 で 用 い る 乳 腺 濃 度 評 価 は ，大 胸 筋 の 濃 度 を 基 準 と す る た め ，大 胸 筋 を 含 む MLO view(mediolateral oblique view, 内 外 斜 位 撮 影 )方 向 で 撮 影 さ れ た デ ィ ジ タ ル マ ン モ グ ラ フ ィ ー 画 像 を 用 い た ． 詳 細 を 表 3 に 示 す ． 表 3 デ ィ ジ タ ル マ ン モ グ ラ ム の デ ー タ ベ ー ス デ ー タ ベ ー ス 画 像 数 60 画 像 (abnormal 46 画 像 , normal 14 画 像 ) 撮 影 機 器 Mermaid (コ ニ カ ミ ノ ル タ ) サ ン プ リ ン グ 間 隔 50 µm 濃 度 分 解 能 12 bits (4096 階 調 ) 表 1 Dmg 領 域 (Da, Db, Dc)の 特 徴 Da 最 も 脂 肪 に 近 い 濃 度 ． 乳 腺 含 有 率 10％ 未 満 Db う っ す ら 白 く 見 え る 濃 度 ． 癌 病 巣 が あ っ て も 鑑 別 可 能 な 濃 度 ．乳 腺 含 有 率 は 10％ か ら 50％ 未 満 ． Dc 白 く 見 え る 濃 度 で 癌 病 巣 が 隠 れ て し ま う 可 能 性 が 高 い ． 目 安 と し て 大 胸 筋 の 最 も 白 い 濃 度 に 相 当 す る ． 乳 腺 の 含 有 率 50％ 以 上 を 占 め る ．な お ， 本 研 究 で は ， 乳 腺 の 抽 出 に は ， 解 像 度 50 µm の 画 像 を ， 縦 横 4 画 素 と し た 200 µm の 縮 小 値 を 平 均 し て 1 画 素 の 画 素 値 と し た 200 µm の 縮 小 画 像 と ， 縦 横 2 画 素 の 4 画 素 の 画 素 値 を 平 均 し て 1 画 素 の 画 素 値 と し た 100 µm の 縮 小 画 像 の 2 つ の 縮 小 画 像 を 用 い ， ま た ， 候 補 領 域 の 抽 出 に は 200 µm の 縮 小 画 像 を 用 い た ．
3.2. 方 法
今 回 の 実 験 で は 既 存 の 検 出 シ ス テ ム に ，乳 房 内 脂 肪 含 有 率 の 評 価 処 理 を 追 加 し た ． そ れ ぞ れ の シ ス テ ム の 流 れ を 図 .2 と 3(a)に 示 す ．3.2.1. 構 築 の 乱 れ の 検 出 シ ス テ ム
検 出 シ ス テ ム [7]で は ダ イ ナ ミ ッ ク レ ン ジ 圧 縮 に よ り ， 背 景 ト レ ン ド の 緩 和 を 行 い ， 法 曲 率 を 用 い て の 乳 腺 の 抽 出 ，集 中 度 と 平 均 等 方 指 数 [9]を 用 い た 候 補 領 域 の 決 定 を 行 い ， 候 補 領 域 内 の 特 徴 量 を 算 出 す る ， そ の 後 明 ら か に 外 れ た 値 を 持 つ 候 補 領 域 を 削 除 し ， 最 後 に 判 別 分 析 を 行 い 最 終 的 な 結 果 を 得 る ． な お ，本 研 究 で は 判 別 分 析 に 9 個 (面 積 ，平 均 画 素 値 ， 集 中 度 ， 平 均 等 方 指 数 ， コ ン ト ラ ス ト ， RMS 変 動 値 ， パ ワ ー ス ペ ク ト ル の 傾 き の 差 ， パ ワ ー ス ペ ク ト ル の 平 均 の 差 ， 一 次 モ ー メ ン ト )の 特 徴 量 を 用 い て い る ｡3.2.2. 乳 房 内 脂 肪 含 有 率 の 評 価 シ ス テ ム
ま ず ，図 3 の (b)に 示 す よ う に も と も と 乳 腺 組 織 が 存 在 し た と 考 え る Dmg 領 域 を 大 胸 筋 の 濃 淡 値 を 基 に Da, Db, Dc の 3 領 域 に 分 け (図 3(b))， そ の 割 合 に よ っ て A ～ D の 4 グ ル ー プ に 分 類 し ， 個 々 の グ ル ー プ の 持 つ 特 徴 量 の 違 い を 調 べ た ． ま た ， 画 像 ご と に 候 補 領 域 が 大 胸 筋 ，Da, Db, Dc の ど の 領 域 に 位 置 す る か も 判 定 し た ． 図 2 構 築 の 乱 れ の 検 出 シ ス テ ム (a) (b) 図 3 (a) 脂 肪 含 有 率 測 定 シ ス テ ム の 流 れ と (b)乳 房 内 の 領 域 Da, Db, Dc 図 1 グ ル ー プ A～ D と 構 築 の 乱 れ4. 結 果 と 考 察
4.1. 検 出 システムの性 能 評 価
ま ず 一 次 検 出 に お い て す で に 検 出 で き な か っ た 画 像 数 は 60 候 補 8 個 だ っ た ．今 回 見 落 と し が 多 か っ た 理 由 と し て ， 抽 出 し た 乳 房 内 の 線 素 画 像 に 対 し て 筋 肉 な ど の 線 構 造 の 削 除 を 行 っ た 際 に ， 必 要 な 線 構 造 ま で 削 除 さ れ ， 検 出 率 が 下 が っ た ． 本 研 究 の 最 終 的 な 性 能 評 価 と し て FROC 曲 線 を 用 い た ．4.2. 乳 房 内 脂 肪 含 有 率 評 価 システムの性 能 評 価
乳 房 内 脂 肪 含 有 率 の 評 価 方 法 と し て ， 今 回 使 用 し た デ ー タ ベ ー ス 60 画 像 の う ち ，医 師 に よ る 評 価 の 記 載 が あ っ た 39 画 像 で 行 っ た ． そ の 中 で 本 シ ス テ ム が 誤 っ て 評 価 し た 数 は B を A，B を C， C を B， D を C と 評 価 し た そ れ ぞ れ ， 2 画 像 ， 3 画 像 ， 6 画 像 ， 1 画 像 の 計 12 画 像 で 医 師 と の 一 致 率 は 66.7％ で あ っ た ｡ し か し ，今 回 2 つ 以 上 の 枠 を 超 え て の 誤 り は な か っ た ． ま た ，グ ル ー プ B と C に つ い て は 特 に 線 引 き が 難 し く ， 医 師 に よ っ て 診 断 も 異 な る ． こ の こ と か ら 今 回 の 医 師 の 評 価 と の 相 違 は 誤 差 内 で あ り ， 本 シ ス テ ム に よ る 評 価 結 果 を 用 い て FP の 削 除 を 行 っ て も 問 題 は な い と い え る ． ま た ， 今 回 グ ル ― プ B の 画 像 を A と 誤 っ て 評 価 し て し ま っ た 原 因 は ，Dc 領 域 が 繊 維 状 で 領 域 と し て 検 出 で き ず ， D 表 2 で 用 い て い る 割 合 に よ り 脂 肪 性 と 評 価 さ れ た ． A, B, C, D に 分 類 す る 基 と な る 領 域 と し て 大 胸 筋 ，Da と DC に つ い て は ほ と ん ど の 症 例 で お お よ そ 正 し い 領 域 を 検 出 す る こ と が で き た ． し か し ， Da と Dc の 中 間 値 を 持 つ Db 領 域 の 決 定 に つ い て は ，Dc と ほ ぼ 近 い 領 域 を 選 択 す る こ と が 多 く ， 医 師 と の 一 致 率 が 低 か っ た4.2.1. Da, Db, Dc に 分 け た 時 の 特 徴 量 の 違 い
乳 房 内 の 領 域 を Da, Db, Dc に 分 け た と き ， 平 均 画 素 値 で の 比 較 を 行 っ た (図 4)．Da, Db, Dc の 領 域 は 濃 淡 値 に お い て 違 い を 示 す が ， そ れ ぞ れ の 候 補 領 域 内 の 画 素 値 の 平 均 で は 大 き な 違 い は 見 ら れ な か っ た ． し か し 乳 腺 濃 度 に は 個 人 差 が あ る の で ， 画 素 値 の 単 純 な 比 較 だ け で は 不 十 分 だ と 考 え る ． そ こ で ， 候 補 領 域 が 存 在 す る 領 域 大 胸 筋 ，Da, Db, 又 は Dc の 平 均 画 素 値 と 候 補 領 域 内 の 平 均 画 素 値 の 差 (図 5)を 現 在 用 い て い る ９ つ の 特 徴 量 に 加 え ，新 た に 10 つ の 特 徴 量 で 判 別 分 析 を 行 っ た ． こ れ を 実 験 １ と し て 図 8 の FROC 曲 線 に 示 す ．4.2.2. A, B, C, D に 分 け た 時 の 特 徴 量 の 違 い
グ ル ー プ A, B, C, D ご と の 候 補 領 域 の 平 均 画 素 を 図 6 に 示 す ． 図 4 候 補 領 域 の 存 在 す る 領 域 と 平 均 画 素 値 図 5 候 補 領 域 と 属 す る 領 域 の 平 均 画 素 値 の 差 図 6 グ ル ー プ A～ D ご と の 候 補 領 域 の 平 均 画 素 値各 グ ル ー プ A～ D で 平 均 画 素 値 の 比 較 を 行 っ た 時 ， 全 体 的 に TP は 中 濃 度 か ら 低 度 成 分 に 集 中 し て い る ． 低 濃 度 成 分 を 持 つ TP と FP を 比 べ て み る と ， TP の 中 心 濃 度 は 高 い が 周 辺 領 域 が 引 っ 張 ら れ る こ と で 疎 に な っ て い る ．そ の た め 中 心 濃 度 の み を 比 べ る と ，FP と 同 等 ま た は よ り 低 い 値 を 持 っ て い る よ う に 見 え る が ， 周 辺 領 域 が 高 濃 度 で あ る た め に 平 均 画 素 値 の 値 が 少 し 引 き 上 げ ら れ て い る ． こ の 結 果 を 踏 ま え て ， 今 回 実 験 2 と し て 平 均 画 素 値 に よ り 各 グ ル ー プ で 削 除 処 理 を 行 っ た 後 ， 判 別 分 析 に か け 最 終 結 果 を 得 た ．こ の 結 果 を 図 8 の FROC 曲 線 に 示 す ． 次 に パ ワ ー ス ペ ク ト ル の RMS 変 動 値 で の 比 較 も 行 っ た ． パ ワ ー ス ペ ク ト ル の RMS 変 動 値 は 画 像 の 粗 さ を 表 す 特 徴 で あ る ． ま た 血 管 や 乳 腺 組 織 な ど の 細 か い 線 成 分 に は 大 き く 影 響 を 受 け ず ， 皮 膚 の 折 れ な ど 局 所 的 に 極 め て 低 い 濃 度 成 分 を 持 つ 領 域 や 高 濃 度 成 分 の 脂 肪 領 域 と 低 濃 度 成 分 の 大 胸 筋 の 間 な ど で 候 補 領 域 に 高 い 値 が 見 ら れ た ． ま ず グ ル ー プ A～ D に 分 け て 見 て み る と グ ル ー プ A の 脂 肪 性 と D の 高 濃 度 に お い て TP は 比 較 的 低 い 値 を 持 っ て い る こ と が 分 か っ た ． こ の 理 由 と し て ， グ ル ー プ A は 高 濃 度 で あ る 脂 肪 性 Da， グ ル ー プ D は 低 濃 度 で あ る Dc が 乳 房 内 の ほ と ん ど の 領 域 を 占 め る ． そ の た め ，グ ル ー プ B の 乳 腺 散 在 や C の 不 均 一 高 濃 度 の よ う に ， Da, Db, Dc の 境 界 面 も な い た め ， 低 い 値 と な っ た ． 次 に グ ル ー プ B の 乳 腺 散 在 や C の 不 均 一 高 濃 度 で は い く つ か 高 い 値 を 持 つ TP の 候 補 領 域 が 見 ら れ る が ， こ れ ら も 胸 筋 か ら 脂 肪 組 織 ま た は ， ス キ ン ラ イ ン 側 の 高 濃 度 成 分 か ら 低 濃 度 成 分 の Dc に ま た が っ て 領 域 の 間 で 発 生 し て い る も の だ っ た ．
5. ま と め
今 回 は ，乳 房 内 に 含 ま れ る 脂 肪 や 乳 腺 組 織 な ど を Da, Db, Dc に 置 換 え ，こ の ３ 領 域 の 割 合 に よ っ て 乳 房 を ４ つ の グ ル ー プ に 評 価 を 行 っ た ． こ の 結 果 を 用 い て ， 各 領 域 ， 各 グ ル ー プ が 持 つ 特 徴 を 検 討 し FP の 削 除 を 試 み た ． 結 果 と し て ， 判 別 分 析 前 に グ ル ー プ A～ D そ れ ぞ れ の グ ル ー プ に お い て ， し き い 値 処 理 に よ り FP 削 除 を 行 っ た 後 に 判 別 分 析 処 理 を 行 う 方 法 が 有 効 で あ っ た ． し か し ， 候 補 領 域 が 構 築 に 乱 れ 以 外 に も 胸 筋 や そ の 他 の 領 域 も 含 ん で 検 出 し て し ま う 事 が あ る ． そ の 時 に は 大 き く 外 れ た 値 を 持 ち ， し き い 値 削 除 さ れ て し ま う 可 能 性 が あ る ． そ こ で 今 回 は １ つ の 特 徴 量 で 削 除 を 行 っ た が ， グ ル ー プ ご と に 異 な る 特 徴 量 を 用 い て FP の 削 除 を 行 う な と も 今 後 検 討 し て い き た い ．文 献
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図 7 A～ D に 評 画 さ れ た 画 像 に あ る 候 補 領 域 の RMS 変 動 値
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