眼底画像の C/D 比と R/D 比の自動計測に基づく緑内障推定
納土 淳
†畑中 裕司
‡村松 千左子
†澤田 明
†原 武史
†山本 哲也
†藤田 広志
††岐阜大学大学院医学系研究科 〒501-1194 岐阜県岐阜市柳戸 1-1
‡滋賀県立大学工学部 〒522-8533 滋賀県彦根市八坂町 2500
E-mail: †{noudo, chisa, hara, fujita}@fjt.info.gifu-u.ac.jp, ‡hatanaka.y@usp.ac.jp
あらまし 緑内障診断における視神経乳頭部の所見に,視神経乳頭陥凹(Cup)と視神経乳頭(Disc) の垂直方向における最大径 比(垂直 C/D 比)や,最小となる視神経乳頭辺縁部(リム)幅と乳頭の中心を通る直線上の乳頭径の比(R/D 比)がある.しか し,複数の医師がスケッチした Cup と Disc の輪郭を比較したところ,医師の主観的な評価によるばらつきが生じていた.本研 究では,自動抽出した Disc 上の画素値プロファイルを解析して Cup の輪郭を自動推定し,C/D 比を求めた.さらに,R/D 比に ついても検討した.得られた計測値を医師による計測値と比較し,緑内障の判定に対して有用性を検討した. キーワード 緑内障,眼底画像,C/D 比,R/D 比,コンピュータ支援診断
Glaucoma risk estimation based on automated measurement of cup-to-disc
ratio and rim-to-disc ratio on retinal fundus images
Atsushi NOUDO
†Yuji HATANAKA
‡Chisako MURAMATSU
†Akira SAWADA
†Takeshi HARA
†Tetsuya YAMAMOTO
†and Hiroshi FUJITA
††Graduate School of Medicine, Gifu University 1-1 Yanagido, Gifu-shi, Gifu, 501-1194 Japan
‡School of Engineering, The University of Shiga Prefecture 2500 Hassaka-cho, Hikone-shi, Shiga, 522-8533 Japan
E-mail: †{noudo, chisa, hara, fujita}@fjt.info.gifu-u.ac.jp, ‡hatanaka.y@usp.ac.jp
Abstract The ratio of the maximum vertical diameters of cup and disc, and the ratio of minimum neuroretinal rim and diameter of the disc are some observations for glaucoma diagnosis. However, there are inter-reader variations among ophthalmologists in interpretation. Therefore, the aim to this study was to develop a computerized algorithm for quantitative measurement of glaucomatous indices, and our proposed method employed a profile of optic disc for estimation of cup borders. The estimated cup-to-disc ratio and the rim-to-disc ratio are compared with measurement data by ophthalmologists.
Keyword Glaucoma, Retinal fundus image, Cup-to-disc ratio, Rim-to-disc ratio, Computer aided diagnosis
1. は じ め に
近 年 , 国 民 の 健 康 へ の 関 心 は 高 ま り , 人 間 ド ッ ク や 集 団 検 診 な ど を 受 診 す る 人 の 数 , お よ び そ の 頻 度 は 増 加 傾 向 に あ る [1].今 後 も 眼 底 検 査 の 実 施 件 数 の 増 加 が 予 想 さ れ , 診 断 す る 医 師 の 負 担 が 大 き く な り 続 け る の で , コ ン ピ ュ ー タ 支 援 診 断 ( CAD: Computer-aided Diagnosis) の 開 発 が 求 め ら れ て い る . 眼 底 検 査 で 診 断 さ れ る 病 状 の 一 つ に , 本 邦 に お け る 失 明 の 最 大 要 因 で あ る 緑 内 障 が あ る . 重 要 な 緑 内 障 の 量 的 眼 底 所 見 に , 視 神 経 乳 頭 陥 凹 (Cup) と 視 神 経 乳 頭 (Disc) の 最 大 径 比 で 定 義 さ れ る 陥 凹 乳 頭 径 比 ( Cup-to-Disc ratio, 以 下 , C/D 比 ) と , 最 小 と な る 視 神 経 乳 頭 辺 縁 部 ( リ ム ) 幅 と 乳 頭 の 中 心 を 通 る 直 線 上 の 乳 頭 径 の 比 で 定 義 さ れ る リ ム 乳 頭 径 比 ( Rim-to-Disc ratio,以 下 , R/D 比 )が あ る [2].特 に C/D 比 は ,垂 直 方 向 に お け る 各 々 の 最 大 径 の 比 ( 垂 直 C/D 比 )を 重 要 視 す る こ と が 多 い . 図 1(a) は 眼 底 画 像 の 一 例 で あ り ,Cup と Disc の 位 置 関 係 を 図 1(b), 乳 頭 の 断 面 図 を 図 1(c)に 示 す が , 眼 科 医 が 量 的 所 見 を 求 め る 際 ,Cup の 辺 縁 は Disc の 辺 縁 と 比 較 し て コ ン ト ラ ス ト が 低 い た め , 視 神 経 乳 頭 上 の 血 管 の 屈 曲 点 を 参 考 に し な が ら Cup の 辺 縁 を 決 定 し て い る [3].し か し ,屈 曲 点 の 判 断 に は 主 観 的 な 要 因 が 含 ま れ る の で , 眼 科 医 の 測 定 結 果 に ば ら つ き が 生 じ て 安 定 し な い [4]. Wong ら は , 視 神 経 乳 頭 内 に お け る 血 管 の 屈 曲 点 の 自 動 検 出 に 基 づ く Cup の 自 動 抽 出 法 を 報 告 し て い る が , 屈 曲 点 の 検 出 精 度 が 十 分 で な い こ と か ら , 十 分 な 緑 内 障 の 推 定 結 果 を 得 ら れ て い な い [5]. ま た , Joshi ら も 血 管 の 屈 曲 点 の 自 動 検 出 に 基 づ く C/D 比 の 自 動 計 測 法(b) (a) (c) 図 1 視 神 経 乳 頭 部 と 陥 凹 部 . (a) 眼 底 画 像 の 一 例 . (b) 視 神 経 乳 頭 の 拡 大 図 . (c) 視 神 経 乳 頭 の 断 面 図 . を 提 案 し ,眼 科 医 と の C/D 比 の 平 均 誤 差 ±標 準 偏 差 が 0.09±0.08 と い う 結 果 を 報 告 し て い る [6].さ ら に ,Bock ら は ,独 自 の 緑 内 障 の リ ス ク 指 標( GRI: Glaucoma Risk Index)と い う 独 自 の 緑 内 障 を 定 義 し て ,画 素 値 に 基 づ く 多 数 の 特 徴 量 を Support Vector Machine( SVM)で 分 類 す る 手 法 を 提 案 し て い る [7].眼 科 医 の 診 断 能 力 と ほ ぼ 等 し い こ と を 報 告 し て い る が , 眼 科 医 の 臨 床 と は 大 き く 異 な る 手 法 で あ り ,CAD と し て 眼 科 医 が 受 け 入 れ ら れ る か が 疑 問 で あ る . 我 々 は , 屈 曲 点 の 自 動 検 出 法 の 確 立 は 困 難 で あ る と 考 え , 本 研 究 で は 血 管 の 屈 曲 点 を 用 い ず に 緑 内 障 推 定 の た め の 定 量 的 な 指 標 を 示 す ア ル ゴ リ ズ ム の 開 発 を 行 っ て き た [8]. 従 来 法 [8] で は , Cup の 上 下 端 し か 境 界 を 決 定 し て い な か っ た の で , 本 研 究 で は 全 方 向 の Cup の 輪 郭 を 決 定 す る 処 理 に 発 展 さ せ ,垂 直 C/D 比 と R/D 比 を 自 動 で 計 測 す る 手 法 に つ い て 以 下 に 述 べ る .
2. 手 法
実 験 に 使 用 し た 眼 底 画 像 は , 興 和 製 の 眼 底 カ メ ラ VX-10i に よ り 撮 影 さ れ た も の で ,画 像 の 解 像 度 は 1600 ×1200[pixels], 画 角 27 度 の 24bit カ ラ ー 画 像 で あ る .2.1. 前 処 理
従 来 法 [8]と 同 様 に , Disc や Cup の 抽 出 の 際 に 血 管 が 各 処 理 に 悪 影 響 を 及 ぼ す こ と が 考 え ら れ る た め , 中 川 ら が 提 案 し た 手 法 を 用 い て , 図 2(a)に 示 す 原 画 像 か ら 図 2(b)に 示 す よ う な 血 管 消 去 画 像 を 作 成 し た [9].そ の 後 , 福 田 ら が 開 発 し た Canny edge detector に よ る 方 法 で Disc 領 域 を 自 動 抽 出 し た [10].2.2. Cup 領 域 の 決 定
従 来 法 と 同 様 , 血 管 消 去 画 像 の Cup と Disc の 境 界 が 比 較 的 明 瞭 に 表 現 さ れ て い る 青 成 分 の み で 構 成 し た 画 像 を 用 い て , Cup を 抽 出 し た . こ こ で , よ り Cup 領 域 を 強 調 す る た め に , 視 神 経 乳 頭 領 域 に 対 し て 濃 度 階 調 変 換 を 行 っ た . 左 眼 と 右 眼 の 視 神 経 乳 頭 に お い て , 鼻 側 と 比 較 し て 耳 側 の 領 域 が Cup 領 域 と リ ム 領 域 の コ ン ト ラ ス ト が 高 く ,最 大 垂 直 径 を 求 め る の に 適 し て い る .そ こ で ,Disc 領 域 の 重 心 を 境 に し て , そ れ ぞ れ 左 右 の 画 素 値 の 平 均 を 比 較 し た と き の 値 の 高 い 側 を 耳 側 と 判 断 し た .ま た , Disc 内 の 耳 側 領 域 に お い て ,一 定 以 上 高 い 画 素 値 の 領 域 の み を 用 い て 重 心 を 求 め た . こ の 重 心 を 通 る プ ロ フ ァ イ ル を 取 得 し た . 図 3 に そ の 一 例 を 示 す . 従 来 法 と 同 様 に , Cup 領 域 の 決 定 に は , プ ロ フ ァ イ ル 上 の Cup の 辺 縁 で 画 素 値 の 変 化 が 大 き い こ と を 利 用 し た . プ ロ フ ァ イ ル を そ の 頂 点 で 2 つ に 分 割 し , 各 々 の プ ロ フ ァ イ ル の 画 素 値 の 平 均 を 求 め , プ ロ フ ァ イ ル 図 2 血 管 の 消 去 . (a) 原 画 像 . (b) 血 管 消 去 画 像 . (a) (b) 図 3 取 得 し た プ ロ フ ァ イ ル の 一 例 . 灰 色 領 域 は Cup 辺 縁 の 探 索 範 囲 を 示 す .の 裾 か ら 画 素 値 の 平 均 を 通 過 す る 位 置 の 間 に Cup の 辺 縁 が 存 在 す る と 仮 定 し , 図 3 で 示 し た 灰 色 領 域 を そ の Cup の 探 索 範 囲 と し た . Cup の 辺 縁 付 近 で は , プ ロ フ ァ イ ル 上 の 画 素 値 に 変 化 が あ る と 考 え , 2 次 微 分 を す る こ と に よ っ て 図 4 で 示 す よ う な プ ロ フ ァ イ ル を 求 め , ゼ ロ 交 差 法 [11]か ら プ ロ フ ァ イ ル 上 の Cup の 辺 縁 の 位 置 を 決 定 し た . Disc の 重 心 を 中 心 に 10 度 間 隔 で 回 転 さ せ な が ら , 合 計 18 本 の プ ロ フ ァ イ ル を 取 得 し ,全 て の プ ロ フ ァ イ ル に 対 し て 同 様 の 処 理 を 行 い , 図 5(a)に 示 す よ う な 計 36 点 の Cup の 辺 縁 を 決 定 し ,最 後 に ス プ ラ イ ン 補 間 を 用 い て Cup の 輪 郭 を 決 定 し た .そ の 一 例 を 図 5(b)に 示 す .
2.3. 垂 直 C/D 比 と R/D 比 の計 測
図 6(a)に 示 す よ う に Cup 領 域 と Disc 領 域 か ら 垂 直 方 向 の 最 大 径 ( 垂 直 陥 凹 径 , 垂 直 乳 頭 径 ) を 計 測 し て , そ の 比 を 求 め 垂 直 C/D 比 と し た . R/D 比 の 計 測 の 一 例 を 図 6(b)に 示 す . 上 極 ( 11 時 ~ 1 時 )も し く は 下 極( 5 時 ~ 7 時 )に お い て ,視 神 経 乳 頭 辺 縁 部 ( リ ム ) 幅 と 乳 頭 の 中 心 を 通 る 直 線 上 の 乳 頭 径 の 比 を 計 算 し て 最 小 の 値 を 求 め た .
3. 実 験
実 験 に は , 緑 内 障 症 例 23 枚 を 含 む 眼 底 画 像 45 枚 を 使 用 し た . 各 画 像 に 対 し て 2 名 の 緑 内 障 を 専 門 と す る 眼 科 医 が Cup と Disc の 輪 郭 を ス ケ ッ チ し て お り ,か つ 各 症 例 の 緑 内 障 の 有 無 を 画 像 か ら 診 断 し て い る . こ こ で , 眼 科 医 が ス ケ ッ チ し た Cup と Disc の 輪 郭 か ら 垂 直 C/D 比 と R/D 比 を 本 手 法 と 同 じ よ う に 計 測 し , 正 解 と し た . そ し て , 本 手 法 に よ る 垂 直 C/D 比 と R/D 比 と の 比 較 を 行 っ た .4. 結 果 お よ び 考 察
2 名 の 眼 科 医 と 比 較 し た 実 験 結 果 を 図 7(a)(b)に 示 す が ,こ の 症 例 に お け る 眼 科 医 2 名 の 垂 直 C/D 比 は 0.601 と 0.585,本 手 法 に よ る 計 測 値 は 0.536 で あ っ た .ま た , 眼 科 医 2 名 の R/D 比 は 0.125 と 0.160,本 手 法 に よ る 計 測 値 は 0.199 で あ っ た .図 7(c)(d)は Cup の 領 域 を 正 確 に 決 定 で き な か っ た 症 例 を 示 す . 眼 科 医 2 名 の 垂 直 C/D 比 が 0.839 と 0.840, 本 手 法 の 計 測 値 は 0.707 で あ っ た .ま た ,眼 科 医 2 名 の R/D 比 は 0.036 と 0.011,本 手 法 に よ る 計 測 値 は 0.09 で あ っ た .こ れ は ,血 管 消 去 に よ り 血 管 の 影 響 を 考 慮 し て い る が , 複 雑 に 血 管 が 走 行 し て い る 場 合 に プ ロ フ ァ イ ル に 影 響 を 与 え て い る と 考 え る . (a) (b) 図 5 プ ロ フ ァ イ ル 解 析 に よ り , Cup 領 域 を 決 定 し た 例 .(a)36 点 の Cup の 辺 縁 を 決 定 .(b)ス プ ラ イ ン 補 間 の 結 果 . 図 6 眼 底 所 見 の 計 測 方 法 の 一 例 . (a) 垂 直 C/D 比 . (b) R/D 比 . (a) (b) 垂 直 陥 凹 径 垂 直 乳 頭 径 ☓ 乳 頭 径 リ ム 幅 乳 頭 中 心 図 4 2 次 微 分 後 の プ ロ フ ァ イ ル .ま た , 本 手 法 の 結 果 と 眼 科 医 2 名 の ス ケ ッ チ か ら 計 測 し た 垂 直 C/D 比 と R/D 比 を 用 い て ,緑 内 障 と 正 常 症 例 の 分 類 を 行 い ROC 解 析 [12]を 用 い て 評 価 し た と こ ろ , 図 8 に 示 す ROC 曲 線 を 得 た . 垂 直 C/D 比 で は , 眼 科 医 に よ る AUC が 0.954 と 0.926 に 対 し ,本 手 法 に よ る AUC が 0.932 で あ っ た .医 師 間 の ROC 曲 線 に お い て p = 0.339 で あ り ,有 意 差 は み ら れ な か っ た .本 手 法 と 眼 科 医 と の 比 較 で は ,眼 科 医 A と は p = 0.614,眼 科 医 B と は p = 0.839 で あ り ,鑑 別 性 能 と し て ,医 師 と 同 様 の 傾 向 を 示 し て い る と い え る .垂 直 C/D 比 と 同 様 に し て , R/D 比 に お け る ROC 解 析 を 用 い た 結 果 を 図 9 に 示 す . 眼 科 医 に よ る AUC が 0.950 と 0.916 に 対 し ,本 手 法 に よ る AUC が 0.923 で あ っ た .ま た ,R/D 比 に お い て も 医 師 間 に お い て p = 0.521 で あ り 有 意 差 は み ら れ ず ,本 手 法 と 眼 科 医 A で は p = 0.467,眼 科 医 B と は p = 0.867 で あ っ た .こ れ に よ り ,垂 直 C/D 比 同 様 に ,鑑 別 性 能 は 医 師 と 同 様 の 傾 向 と い え る . 垂 直 C/D 比 の 計 測 値 は 眼 科 医 と 比 較 す る と 小 さ な 値 を と る 傾 向 が あ る が , 正 常 症 例 で は 小 さ な 値 を と り , 緑 内 障 症 例 で は 大 き な 値 を 算 出 す る た め ,ROC 解 析 で は 良 好 な 結 果 を 示 し た .R/D 比 の 計 測 値 は C/D 比 と は 反 対 に , 正 常 症 例 で は 大 き な 値 を と り , 緑 内 障 症 例 で は 小 さ な 値 を 算 出 し ,ROC 解 析 で は 良 好 な 結 果 を 示 し た . こ れ は , 眼 科 医 の 判 定 方 法 と は 異 な っ た 方 法 で 計 測 値 を 求 め て も , 緑 内 障 の 推 定 に 用 い る こ と が 可 能 で あ る こ と を 示 し て い る .
5. ま と め
本 研 究 で は , 緑 内 障 診 断 に お け る 定 量 的 な 評 価 が 可 能 な CAD シ ス テ ム の 開 発 を 目 的 と し て , 重 要 な 量 的 (a) (b) 図 7 実 験 結 果 の 一 例 .(a)(b)が 正 常 症 例 で あ り ,(a) が 眼 科 医 A と , (b)が 眼 科 医 B と 比 較 し た も の を 示 す . (c)(d)が 緑 内 障 症 例 で あ り , 同 様 に (c)が 眼 科 医 A と , (d)が 眼 科 医 B と 比 較 し た も の を 示 す . 白 線 は Disc の 自 動 抽 出 結 果 . 破 線 は そ れ ぞ れ 眼 科 医 に よ る Cup 領 域 の ス ケ ッ チ , 実 線 は 本 手 法 の 結 果 を 示 す . (c) (d) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 真 陽 性 率 偽陽性率 眼科医A : AUC = 0.950 眼科医B : AUC = 0.916 本手法 : AUC = 0.923 図 9 R/D 比 に お け る ROC 解 析 の 結 果 . 2 名 の 眼 科 医 と 本 手 法 の 比 較 . 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 真 陽 性 率 偽陽性率 眼科医A : AUC = 0.954 眼科医B : AUC = 0.925 本手法 : AUC = 0.932 図 8 垂 直 C/D 比 に お け る ROC 解 析 の 結 果 . 2 名 の 眼 科 医 と 本 手 法 の 比 較 .眼 底 所 見 で あ る 垂 直 C/D 比 と R/D 比 の 自 動 計 測 法 の 開 発 を 行 っ た . 従 来 法 は Cup の 位 置 を 推 定 す る の に , 2 点 の 辺 縁 し か 決 定 し て い な い た め , 計 測 で き る 眼 底 初 見 は 垂 直 C/D 比 の み で あ っ た が ,本 研 究 で は Disc 上 の プ ロ フ ァ イ ル を 回 転 し な が ら 解 析 す る こ と で , Cup の 領 域 を 抽 出 し て ,垂 直 C/D 比 同 様 に 重 要 な 眼 底 初 見 で あ る R/D 比 の 計 測 を 試 み , そ の 有 用 性 を 検 討 し た . 眼 科 医 2 名 と 比 較 し て 垂 直 C/D 比 で は 45 症 例 の 平 均 で 0.11,R/D 比 で は 0.05 の 誤 差 が あ る が ,ROC 解 析 の 結 果 に よ り 有 意 な 差 が み ら れ な か っ た た め , 本 研 究 が 緑 内 障 の 推 定 に 役 立 つ 可 能 性 が あ る と 結 論 づ け る . 今 後 は ,複 雑 に 血 管 が 走 向 す る 眼 底 画 像 上 で あ っ て も , Cup の 辺 縁 を 決 定 す る こ と が 可 能 な プ ロ フ ァ イ ル の 取 得 方 法 に つ い て 改 良 を 進 め , 眼 科 医 の ス ケ ッ チ に よ り 近 い 傾 向 を も つ Cup 領 域 を 抽 出 す る 必 要 が あ る .
謝 辞
本 研 究 の 一 部 は , 文 部 科 学 省 知 的 ク ラ ス タ ー 創 成 事 業「 ロ ボ テ ィ ッ ク 先 端 医 療 ク ラ ス タ ー 」,同 省 科 学 研 究 補 助 金 ・ 新 学 術 領 域 研 究 「 医 用 画 像 に 基 づ く 計 算 解 剖 学 の 創 成 と 診 断・治 療 支 援 の 高 度 化 」,同 補 助 金・若 手 研 究( B),な ら び に 大 川 情 報 通 信 基 金・助 成 金 の 支 援 を 受 け て 行 わ れ ま し た .文 献
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