コンピュータ支援画像診断学会論文誌 Vol.5

Jun. 2001

計算機支援システムの技術的課題
小東京農工大学大学院

畑秀

文

生物システム応用科学研究科

Unsolved Problems in CAD Technology
Hidefumi Kobatake
Graduate School of Bio-Applications and Systems Engineering
Tokyo University of Agriculture and Technology

１．

はじめにている場合もあるが、標準的な構成と考えてよい。
この構成を前提に、そこに内在する問題点や課題について述べよう。

計算機支援診断（ＣＡＤと略記する）に関する研究が非常に活発になってきている。
一つの象徴が R2
Technology 社の Image Checker”であろう。1998
３．C A D システムにおける技術的課題
年に米国ＦＤＡの認可を受け、マンモグラムの診断において、専門医に 第二の意見 を提供する実用 ３．１ セグメンテーション化システムとして市場に出された。ＣＡＤシステム
セグメンテーションは画像処理の中で最も基本的が実用期に入ったわけである。現時点ではＣＡＤの な処理の一つである。注目する領域の範囲を決定す実用化システムは他に見当たらないものの、すぐに ることであり、CAD システムにおいては、臓器や異も実用になるレベルの研究もあり，それらの実用化 常陰影の場所を特定し，その輪郭を抽出することでは近いと考えて良い。
一般的な技術の動向としては、 ある。異なる臓器間では画素の値に平均的に差のあ実用化が始まると技術は急速に進歩するものである。 ることが期待され、それを最も有力な手掛かりとす
ＣＡＤ技術については、実用化に象徴される技術レ るのは自然なことでる。しかし、医用画像においてベルの高さと共に、医療サイドからの需要の強さも は、その輪郭が非常に不明瞭であることが少なくな一つの大きな力となっている。それはマルチスライ い。輪郭が不明瞭であることが悪性腫瘤の一つの特スＣＴの登場である。ほぼ等方性のある三次元ボク 徴となっているほどである。輪郭が不鮮明であるとセルデータが高分解能で得られるようになり、従来 き、真の輪郭の特定にはその対象領域が何であり，は不可能であったごく初期の異常まで 見える よ それが一般的にどのような形状をしているものであうになってきている。その反面、膨大な枚数のスラ るかという知識を要求される。したがって、セグメ
イス画像を通常の診断ルーチンの中で逐一チェック ンテーションは理想的には次のようなものでなけれすることが現実的には難しく、ここにＣＡＤシステ ばならない．
ムへの強い期待が生れてきている。
① 対象領域はもとより，その周辺領域を理解す
CAD 技術の現状についてのサーベイは文献[1],ることが必要[2], [3]などに詳しい．本稿では実用になっている、② ここでいう 理解 では実は判断までも含み，あるいは実用に近いレベルにあるＣＡＤ技術がより異常性の判定をも伴うこと進化するために必要な解決すべき技術的課題につい 実際の CAD システムの構成では、まず異常陰影のて私見を述べることとする。
候補領域を抽出し、それが本当に異常陰影であるか否かを判断する手順を踏むことが多い。理想的なセグメンテーションとは大きなギャップが存在するこ２．C A D システムの構成とになる。現状を打破し、一つのブレークスルーを一般的な CAD システムは Fig.１に示す構造になっ 実現するには、正常な臓器に関する知識を持ち、そている。ここで示す各処理ステップが一部一体化し れとの対応で領域確定と同時に診断までも行う手法

知識
標準パターン
入力

前処理

候補領域抽出

特徴抽出

判定

Fig. 1 標準的なCADシステムの構成

-- 57
1 --

診断
結果

Journal of Computer Aided Diagnosis of Medical Images Vol.5 Jun. 2001へと進化することが要求される。
上記のような理想的なセグメンテーションは将来の課題としても、それに向けた方向性を持つ手法による取り組みが期待される。現状のセグメンテーシ
ョンは領域境界でコントラストに十分な差があることを前提に、空間微分の値を主なよりどころとした手法が主流である。ただし、微分値が必ずしも大きいところが境界とはかぎらないところに問題の困難さがある。その問題の解決法として期待されるのが対象領域のモデルに基づく手法であり、特に一定の制限範囲内でモデルを変形しながら画像との適合度の大きなところを探す deformable model 法は有力な手法と考えられる（文献は多数あり，特に示さない）。対象領域の平均的形状だけでなく，多様性を統計的な知識として付加すると効果のあることも報告されている[4]。このアプローチは対象領域についての一般的知識を活用するもので，画像理解に根ざす方向性を持った手法といってよく、この方向での一層の進展が期待されるところである。対象領域だけでなく、それに隣接する臓器のモデルをも併用すれば，周辺領域をも理解したものに近づき，より効果的なセグメンテーションが期待できよう。

失われる可能性がある．医師の直感の裏にあるものと言語的モデル，および後述の三次元定量化モデルとの関係を Fig. 2 に示す．言語的モデルを補うものが豊富な症例であるが、これについては別途記述する。
セグメンテーションおよび特徴抽出に直結するモデルとしては三次元定量化モデルが望ましい．それは臓器の形態の多様性や物性的な情報と、それらと各種モダリティとの関係をも網羅している必要がある。人体の三次元構造をパラメトリックに表現し、物理的・工学的性状を付加し、空間分解能も細胞レベル（顕微鏡画像を対象）、sub-mm オーダーからcm オーダーまで、用途別に用意すべきであろう。
性別・年齢層別であることが望ましい。これらの整備には多くの専門医や工学者の参加が必要であり、ある種の国家事業として取り組む必要があろう[5]。

３．３ 特徴抽出
セグメンテーションが完全であれば、正しい領域から抽出される特徴量はそれ以外の領域の影響を受けないことになり、信頼性の高い特徴量となろう。
しかし、現状はそうではなく、推定領域に誤差が含まれ、対象領域以外の領域の特性も一部含まれたものが抽出されていると考えてよい。一方、thin slice
３．２ モデリングにおける課題
ＣＡＤシステム構築において、アルゴリズム化で の CT 像のように臓器同士の重なりの影響が非常に最も苦心を要するところの一つは異常な部分が画像 少ない場合以外は、三次元物体が二次元平面に投影上でどのような様相を呈するのかということである。 されることによる臓器の重なりの影響は無視できな
その部分は医師の専権事項といってよい。専門医に い。画像上でその重なりを分離抽出することは困難
とっては、画像上の異常陰影はほぼ瞬時に検出でき であり、現状ではその重なりのあるパターンから特るもので、ある種の診断アルゴリズムに基づいた手 徴抽出がなされている。いずれの場合でも異常化し順をほとんど意識しない、いわば 直感 に近いも た可能性のある対象臓器の陰影と正常な他臓器とがのと推測される。アルゴリズム化をはかる工学サイ 重なったまま特徴量に変換されることになる。他臓ドの者は専門医から直感に近い診断のプロセスを言 器が特徴量に及ぼす影響の程度を評価した研究例は葉の形（言語的モデルと呼ぶ）で受け取ることにな 筆者の知る範囲では無いようである。その影響は勿る。この医師による言葉で表現されたものと、画像 論一定値であるわけではなく、場所や個人差に影響上のパターンとの間にはきわめて大きなギャップが されるものであり、ことは簡単ではないが、臓器のある。言葉で表現された内容から原画像が再現され 重なりの影響を除去することにより、高精度化が期るわけではなく，一つの側面を 特徴 として表現 待できることは疑いなく、その影響の除去・軽減をしたものにすぎない．その言葉による 特徴 を画 正面に据えた取り組みも今後の課題の一つであろう。
音声認識の分野では雑音環境下での認識のために，像処理の手法によって取り出す過程でさらに一つの変換が行われる．この変換の過程でも重要なものが 雑音のモデルを用意し，観測信号が音声と雑音の和望ましい形態
三次元定量化モデル

直感

現状のCADシステム
言語的モデル

医師

工学的利便性Fig. 2 モデルの形態- 58- 2- -

コンピュータ支援画像診断学会論文誌 Vol.5
として表現することにより，雑音が加わった音声を表現する手法の検討が進んでいる．この種のアプローチは期待の持てるものといってよく、CAD システ
ムにおいてもそれに近いアプローチの検討が開始されており，今後の発展が期待される[6]．

Jun. 2001

ーチと考えられる．また，仮想化内視鏡に代表される仮想化された人体を利用する技術は，個別 CADシステムとは異なり，総合化が要求され，そこに新しい技術の展開も考えられる．
４．おわりに３．４ 判別分析
診断に有効な特注量の発掘には今後も大いに努力を傾ける必要がある。一方では、CAD システムで用いられる特徴量としては現在までにかなりの数の提案がなされている。その中で何が最も有効な特徴量であるのか、その厳密な比較等を行った研究は，一部の特徴量に限定した場合を除くと無いといってよい。研究の蓄積が学問の進歩となるためには、これらの特徴量の比較を組織的に行い、どのような組み合わせが有効であるのかを明らかにする時期にあるのではないであろうか。また、有効な特徴量の組み合わせだけでどの程度のレベルのシステムが構築できるのか、検討に値するものと思われる。

マンモグラフィーでは診断支援システムが実用期に入り、X 線 CT 像を用いた肺がん検診の支援システムも実用期は間近にある。他のパターン認識の分野で実用期に入ってからの技術の進歩を見ると、誤認識の克服のためのアルゴリズムの改良・更新の積み重ねが技術の急速な進歩を促し、より一層の適用範囲の拡大に寄与してきている。医用画像の分野においても同様な経過が期待されようが、CAD システムの開発には他のパターン認識の場合とは異なる特殊な事情があるといってよい。それは、アルゴリズ
ム開発に直接携わる技術者が実は認識対象である医用画像の理解能力に限界がある、ということである。
これは通常のパターン認識の問題とは異なる事情といってよい。本稿で述べた諸課題は，本質的には画像上のパターンを解剖学的に理解するシステムとすることで本質的な解決をみるものであり，それによって最大限の効果が期待できるものといってよい．
そこにはパターン認識に共通する難問が横たわっている．ゴールを目指すには専門医と工学サイドとの密な連携が必須であり，学会こそその役割を果たす中心となるべきであろう。その上での今後の CADの発展に期待したい。

３．５ データベースの整備
CAD システムの高度化が進み、それをさらに一層進んだものにするためには、これまで述べてきた課題の克服に加え、その環境整備が不可欠である。すなわち、十分な症例を含む画像データベースの整備である。現時点では共通に利用できる画像データベースは非常に少ない。ほとんどの研究グループはそれぞれ独自に収集したデータベースを利用してシステム開発を進めているのが現状である。しかも CADシステムの性能が高まり、その一層の性能向上には本研究の一部は文部省科学研究費補助金および厚これまで以上の膨大なデータベースを必要とする。
しかも研究動向としては、対象部位は全身におよぶ 生省がん研究助成金の援助による．
ことを考慮すると、全身像を大量に収集すること自体、個々の研究グループには不可能といってよい。
参考文献
共通に利用できる良質な画像データベースが整備されれば、それが研究の推進に大きな力となることは [1]鳥脇純一郎 ： 画像パターン認識と画像生成によ明らかである。同一の画像データベースに基づき比 る診断治療支援、コンピュータ支援画像診断学会論
較することにより、技術的な比較が可能になり、そ 文誌、vol.41,pp.1‑16,1997.
れのフィードバックにより、さらに一層の技術の進 [2] 小畑秀文：医用画像の計算機支援診断 ―現状歩を促進できるようになる。それは個々の研究グル と今後の動向―，電子情報通信学会技術研究報告
ープが特に連携して進めた研究でなくとも、総体と （パターン認識・メディア理解）、Vol. 99, No. 48,
しては一つの組織的取り組みに近い効果が発揮され pp.47-54,1999.
るものである。手書き文字認識や音声認識の分野で [3] Doi K, MacMahon H, et al.: Computer‑aided
は共通に利用できる膨大な数のデータベースが整備 diagnosis in radiology: Potential and pitfalls,されている。CAD システムの開発も実用期を迎え、 European J. of Radiology, Vol. 31, pp.97‑109,
本格的なデータベースの整備に取り組む必要があろ 1999.
う。
[4] ツァガーン バイガルマ，半沢充則，清水昭伸，
他：三次元 Deformable モデルを用いた三次元腹部ＣＴ像のセグメンテーション手法の開発，コンピュー３．６ その他の課題
CAD の対象は全身に及びつつある。一方では映像 タ 支 援 画 像 診 断 学 会 第 １ ０ 回 学 術 講 演 論 文 集，化技術の進歩が急であり、空間分解能の向上、撮影 pp.157‑158，2000.
時間の短縮、新しいモダリティの出現などがあり、 [5] 小畑秀文：人体の三次元モデリングと医用画像
これらにまともに影響を受けることになる。対象範 情報センター，つくばシンポジウム論文集，1997.
囲が拡大し、高度な機能を求められるようになろう。 [6] 滝沢穂高，深野元太郎，山本慎司，他：３次元研究をより発展させるためには，実用化を広く進め マルコフ確率場モデルを用いた胸部Ｘ線ＣＴ画像かることである．その中で直面する課題を一つ一つ解 らの結節認識，電子情報通信学会技術研究報告（医決していくことで着実な前進が達成されるものと思 用画像）Vol. 100, No. 597, pp.145‑150, 2001.
われる．経時差分や複数モダリティの融合を用いた診断支援は CAD 技術の性能向上に寄与するアプロ-- 593 --