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

(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

(2)

2 超急性期脳梗塞を画像診断する医師の支援のために

本日の内容

 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

(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

(4)

4 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，1408－1414，（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）

公表論文誌

(5)

・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

背景

CT検査の特徴超急性期脳梗塞の画像診断として第一に選択される・装置の普及・稼働体制・検査時間が短いなど CT検査の目的

(6)

6

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．

背景

CT検査の問題点

・視覚的に識別しにくい．

・観察者間で認識に差が生じる．

(7)

背景

 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．

脳CT画像の表示条件（WW）

※ 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

(8)

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．  観察者実験における症例数や観察者数が少ない． Levらの報告

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,”

(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．

(10)

10

(11)

方法

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例使用装置および画像データベース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

(12)

12

方法

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

撮影条件

(13)

方法（観察者実験）

画像評価（ROC解析）

・観察者

： 10名

・評価方法

：連続確信度

・観察環境

：暗室下

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

(14)

14

結果

(15)

結果

観察方法平均AUC 平均AUC の標準偏差 WW：80 HU 0.616 0.154 WW：20 HU 0.677 0.058 WW：80 HU ＋20 HU 0.720 0.127 ※ ※ ※：p <.05

(16)

16

症例

(17)

症例

(18)

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．

(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

(20)

20

 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．

背景

(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

(22)

22

 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．

背景

(23)

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．

目的

(24)

24  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．

方法

検出アルゴリズム（対側性差分画像処理技術）

(25)

 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

提案手法

(26)

26

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，1687－1695，（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）．

(27)

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)

方法

画像データベース ※ 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

(28)

28

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

(29)

対側性体積差分データ 対側性 体積差分

方法

回転・移動補正後の CT体積データ

(30)

30 初期候補多重しきい値処理後体積データ

方法

対側性体積差分データ

(31)

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）

方法

幾何学的画像特徴量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

(32)

32 対側性差分像 0 20 40 60 80 100 120 -3 -2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 0 Relative Std. Dev. of voxel value

Di s ta n c e f ro m t h e 3 D-c e n tr o id

Acute Ischemic Stroke False-Positive 特徴量1 特徴量 2

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

(33)

33 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0 10 20 30 40 Average of voxel value

Re la ti v e S td . De v . o f v o x e l v a lu e

Acute Ischemic Stroke False-Positive 特徴量1 特徴量 2 特徴量の各ペアに対してしきい値を設定

方法

ルールベーステスト（第2ステップ）

(34)

34 100.0% 86.8 初期検出ルールベーステスト検出感度偽陽性率（）学習用症例テスト用症例学習用症例テスト用症例 98.3% 72.4 91.4% 25.6 98.3% 21.6 85.7% 3.4 95.0% 3.1 第2ステップ第1ステップ

結果

個／症例

(35)

35 CAD出力画像オリジナル画像対側性体積差分画像虚血領域

結果

異常症例

(36)

36

結果

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

(37)

 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．

まとめ

(38)

38

超急性期脳梗塞を対象とした

脳MR画像における

(39)

 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．

背景

MRI検査の特徴

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．

(40)

40

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．

背景

MRI検査の問題点

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．

(41)

41 観察者1 WW=1621 WL=490 装置出力 WW=1597 WL=798 観察者2 WW=1472 WL=647 観察者3 WW=1211 WL=422 観察者4 WW=1937 観察者5 WW=1210

担当者ごとの表示条件

(42)

42  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．

背景

(43)

DWI

DWI のWL = A/2 = A DWI のWW

b0画像

ROI 視床 ROI内の平均画素値をAとする時

背景

厚生労働省研究班 Acute Stroke Imaging Standardization Group-Japan（ASIST-Japan）の考案方法

(44)

44

 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．

背景

(45)

 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

提案手法

(46)

46 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，450－457，（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，874－880，（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, 202－209,（2013）．

(47)

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

方法

画像データベース

 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 5000-10000ms, TE 86-102ms, Flip Angle 90 , スライス厚 5mm,

スライス間隔 1-2mm, MPG印加軸 3方向

(48)

48 DWIの入力

3次元画像の作成

濃度ヒストグラム解析

DWIおよびADC mapの表示条件の調節

DWI ADC map

方法

b0画像の入力脳実質部の抽出 3次元ADC map_の作成 S₁ ： b0画像の信号値 S₂ ： DWIの信号値 b₁ ： 0 ，b₂ ： 1000 s/mm2 ) ( ) / ( ln 1 2 2 1 b b S S ADC  

(49)

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 0 3095 Voxel value N umber o f vo xel s

Threshold Peak voxel

value = 366 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 0 3095 Voxel value Nu m be r o f vo xe ls Peak voxel value = 376 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

方法

(50)

50 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

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 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

(51)

・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

左右

方法

(52)

52 本手法

75.8%

24.2%

B

29.5%

70.5%

75.8%

24.2%

A

結果

2肢強制選択法による選択率を用いた評価（DWI）

C

ASIST- Japan法観察者

平均値

74.2%

25.8%

78.9%

21.1%

D

E

75.1%

24.9%

(53)

93.7%

6.3%

B

8.4%

91.6%

95.3%

4.7%

A

結果

2肢強制選択法による選択率を用いた評価（ADC map）

C

平均値

88.4%

11.6%

94.7%

5.3%

D

E

92.7%

7.3%

本手法医師による手動調節観察者

(54)

54

本手法

ASIST-Japanにより考案された手法

(55)

55

観察者による手動方法

(56)

56  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．

考察

(57)

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．

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

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

本日の内容

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

公表論文誌

背 景

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．

背 景

・ 視覚的に識別しにくい．

・ 観察者間で認識に差が生じる．

背 景

 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．

背 景

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．

方 法

方 法

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

方法（観察者実験）

・観察者

： 10名

・評価方法

： 連続確信度

・観察環境

： 暗室下

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

結 果

結 果

症 例

症 例

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．

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

 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．

背 景

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．

背 景

背景

背景

・視覚的に識別しにくい．

・観察者間で認識に差が生じる．

背景

_{では，WWを80 HU以下に}

背景

目的

方法

方法

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

再構成関数： Standard

スキャンモード：コンベンショナル

：連続確信度

：暗室下

結果

結果

症例

症例

背景

背景

背景

目的

方法

方法

方法

方法

方法

方法

方法

結果

結果

結果

背景

背景

背景

背景

背景

方法

方法

方法

方法

方法

結果