計測自動制御学会東北支部 第 338 回研究集会 (2022.9.16)
資料番号 338-5

内視鏡を用いた食道病変部の面積計測法の検討
Examination of Area Measurement Method of Esophageal
Lesion Using Endoscope〇成田凌 ∗ ，眞部紀明 ∗∗ ，春間賢 ∗∗ , 長縄明大 ∗〇 Ryo Narita∗ , Noriaki Manabe∗∗ , Ken Haruma∗∗ , Akihiro Naganawa∗*秋田大学, **川崎医科大学*Akita University, **Kawasaki Medical School
キーワード : 内視鏡 (endoscope)，バレット食道 (Barrett’s esophagus)，ピンホールカメラモデル(pinhole camera model)，面積計測 (area measurement)，画像処理 (image processing)

連絡先 : 〒 010-8502 秋田市手形学園町 1-1 秋田大学大学院理工学研究科
長縄明大，Tel.: 018-889-2726, E-mail: naganawa@gipc.akita-u.ac.jp

1.

はじめに2.

バレット食道食道の粘膜は扁平上皮という粘膜に覆われてバレット食道は，その大きさによって LSBEいるが，バレット食道は，胃食道逆流症によっ（Long segment Barrett’s esophagus）と SSBEて胃酸が食道へ逆流して炎症を起こし，傷害さ（Short segment Barrett’s esophagus）に分類れた扁平上皮が胃から連続して胃と同じ円柱上される．LSBE は，バレット食道が全周性かつ皮で置き替えられたバレット粘膜が存在する食最長 3 cm 以上，SSBE が非全周性もしくは最道である．なお，バレット食道は食道がんを発

長 3 cm 未満のものとなっている．この他にも症するリスクが高まることが知られており，早プラハ分類という評価方法がある 2) ．Fig. 1 に期に治療する必要がある 1) ．通常，バレット食模式図として，円筒の食道を開いた様子で示す．

道は内視鏡で診断され，その大きさによって分

この分類では，胃食道接合部を胃のひだの最口類されるが，内視鏡下で患部の面積を求める技側とし，そこから全周性の部分までの長さを C術は確立されておらず，医師の経験に頼るか，（circumferential extent），最大長までの部分あるいはシャフトに刻まれたスケールにより長の長さを M（maximum extent）としている．

さを測定しているのが現状である．

バレット食道の危険因子として，胃食道逆流

本研究では，内視鏡で撮影した画像よりバ症の他に，高齢であること，男性であること，レット食道の面積を求めるため，幾何学的なピ白人であることなどが挙げられる．日本ではほンホールカメラモデルによる検討を行い，そのとんどが SSBE であり，発癌リスクが高くなる有効性を 3D プリンタで製作したファントムにLSBE は欧米に多いが，食の欧米化が進んだ日対して検証を行ったので，その結果を報告する．

本でも LSBE は増加すると考えられる 3) ．

–1–イメージセンサを構成する撮像素子が正方形であるとし，その模式図を Fig. 3 に示す．図において，点 P の画像上での中心からの距離を ppx（ピクセル），撮像素子 1 辺あたりの長さをk mm/px とおくと，次式が得られる．
l = kpFig. 1: プラハ分類の概要． Overview ofPrague C & M classﬁcation.

3.
3.1

(2)

式 (2) を式 (1) に代入し，h について解くと次式が得られる．

h=H−

提案手法

fR
k p(3)

式 (3) において，f は Zhang の手法 4) から求概要

めることができるが，内視鏡に使われているイFig. 2 にピンホールカメラモデルを示す．ピンホールカメラとは，箱に小さな穴を開けるこ

メージセンサについては非公表な情報であったため，別の手段を用いた．とでスクリーンに結像させる単純なカメラのこ

まず，式 (3) において，h=0 のときと h ≠ 0とであり，本手法では，内視鏡で撮影する際ののときで，それぞれ p = p1 ，p = p2 とすると，様子をピンホールカメラモデルで近似し，食道の形状を円筒形と仮定することでその側面積を画像上のエッジから計算する．なお，Fig. 2 は円筒に見立てた食道の中心軸とカメラの光軸が一致するようにして表したものである．

3.2

高さ h の導出

バレット食道の面積は，このピンホールカメラモデルにおいて，点 P が食道に相当する円筒壁面上に描く軌跡との間が面積となるため，まずは円筒底面から円筒壁面上の任意の点 P までの距離 h を求める必要がある．そこで，レンFig. 2: ピンホールカメラモデル．The pinholecamera model.

ズからイメージセンサまでの距離を f mm，レンズから円筒底面までの距離を H mm，円筒の半径を R mm，光軸から P がイメージセンサ上で結ぶ像までの距離を l mm とする．このとき，三角形の相似則より，これらのパラメータを用いて以下の関係が導かれる．

fH −h=lR(1)Fig. 3: イメージセンサ模式図． Pattern diagram of image sensor.

–2–以下の 2 つの式を得る．

究では，円筒の側面積を hi に微小長さ w をかけた面積を足し合わせることで求める．なお，

0=H−f Rk p1(4)h=H−f Rk p2(5)のピクセル数が異なるため，p1i を内側のエッ式 (4) を R について解くと，以下のようになる．

R=

kHp1fFig. 4 において，内側のエッジと外側のエッジジを構成するピクセルのうち直線 O–p2i に最も近いものと定義する．
以上のことから，円筒の側面積 S は次式で(6)求めることができる．

この得られた式 (6) を式 (5) に代入することで，最終的に式 (7) が得られる．
()
p1∴h=H 1−p2

S=n∑whi(8)

i=1

(7)

3.3.2

底面の周長の求め方

式 (7) より，円筒壁面上の任意の点 P の底面か内視鏡を用いて対象物を観察する場合，対象らの距離 h を求めるために必要なパラメータ

物との距離が変わると画像におけるピクセル数

は，カメラから底面までの距離 H mm，P のが変わるが，側面積の計算には底面の周長 C を画像中心からの距離 p2 px，底面エッジの画像正確に求める必要がある．

中心からの距離 p1 px の 3 つのみであることがわかる．

そこで，底面の周長 C は，Fig. 5 に示すように定規の目盛に赤い点をマーカとして付け，距離を変えながら撮影し，1 mm あたり何 px あ

3.3

面積の求め方3.3.1

式の導出るかを求め，内側のピクセル数にかけることで周長 C を求めることとした．なお，撮影時はプログラムでガイドラインを引き，できるだけ式 (7) で求めた h を用いて，まずは円筒の側定規が画像の中心を通り，かつ水平になるよう面積の計算を行う．Fig.4 に，厚みが無い中空にした．また，今回の実験では，主な撮影距離円筒を上から見たときの様子を示す．外側の円は 60〜90 mm とするため，撮影距離を 5 mmが円筒上端，内側の円が底面である．ここで，刻みとして定規を接近させ撮影した．

図中の n は外側のエッジ，すなわち点 P の描く軌跡を構成するピクセルの総数である．また，

w は底面の周長 C を n で割った値であり，本研

Fig. 4: 側面積計算の概要． Overview of lateralarea calculation.

Fig. 5: 目盛ごとに打点した定規の例． Example of ruler dotted per scale.

–3–

Fig. 6: 1mm あたりのピクセル数の推移．
Changes in the number of pixels per millimeter.
Fig. 6 に測定結果を示す．このグラフは，撮Fig. 7: ステージと USB カメラ．Stage andUSB camera.
Table 1: USB カメラのスペック． Spec of USBcamera.

影距離 H mm と画像上での目盛間隔 k px/mm

カメラ先端径

直径 5.5mmの関係をプロットしたものであり，近似曲線を映像素子求めると次式を得たため，この補正式を用いて画角底面の周長を計算した．

フォーカス距離CMOS 30 万画素
約 60◦
約 3 cm - 10 cm
VGA 640x480
オート
白色 LED6 灯（無段階調光ダイアル付）

解像度

k = 747.83H−0.985

明るさ/露出制御(9)

光源
なお，今回使用したカメラではレンズの歪みによるずれは見られなかった．

4.

実験

4.1

実験概要

本研究では，実際の内視鏡下での検証を行う
前段階として，3D プリンタで作成したファントムを距離を変えて撮影し，ペイントソフトで底面と上端のエッジを手描きした．その後，計測して求めた側面積の値と CAD で設計した際の真値を比較し，その精度の検証を行った．

4.2

実験装置等

Fig. 8: 円筒形状のファントム（直径 30mm，25mm，20mm）． Cylindrical Phantoms(theirdiameter is 30 mm, 25 mm, and 20 mm respectively).
2) ファントム：本研究では，3 次元 CAD でファ

1) 内視鏡：内視鏡カメラは，工業用途で使用さントムを設計し，3D プリンタで造形した．

れる UC-01（株式会社ミヨシ）を選定し，実験

Fig. 8 に円筒形状のファントムを示す．食時にずれたりしないよう，また上下方向に移動

道の直径は 20〜30 mm であるため，ファントさせるためステージに固定した（Fig. 7）．なムとして用いる円筒も，直径を 30, 25, 20 mm

お，Table 1 に実験で使用した内視鏡カメラのとし，高さは全て 10 mm とした．なお，造形スペックを示す．

したファントムにおけるエッジを明確化するた–4–

Fig. 9: 複雑な形状のファントム（トゲトゲ，楕円，多角形）． Complex-shaped phantom(spiny, ellipse, and polygon).

Fig. 10: エッジを描画したファントムの例．Example of phantoms drawed their edges.
ながら撮影した．その後，ファントムの底面とめ，円筒を黒く着色した．

上端のエッジを，ペイントソフトで手描きして，Fig. 9 に複雑な形状のファントムを示す．本

その画像を元に側面積を計算した．最後に，真研究では，バレット粘膜を想定した円筒部に凸値と計測値を比較して，誤差の要因を検討した．

凹があるもの（以下，トゲトゲと記載）を設計

ファントムの設置位置について，多角形状し，底面は直径 30 mm の円とし，底面からモファントム以外は中心が分かるので，カメラのデリングソフトを用いて上方向に任意に伸ば光軸とファントムの中心が合うように配置した．

し，最大高さを約 30 mm とした．なお，この一方，多角形状ファントムは，実際の内視鏡下ファントムは，円筒部に凸凹があっても本手法と同じようにおおよその位置で中心と光軸を合で計測できることを確かめるために製作した．

わせたが，撮影距離を画面に大きく映る 60 mm

また，楕円のファントムは，短径が 20 mm，で固定して，複数回撮影した．

長径が 30 mm で，高さは 10 mm であり，食道の断面形状は真円ではないため，楕円形状でも計測が可能であることを確かめるために製作

5.

実験結果した．さらに，多角形は，高さ 10 mm，直径Table 2 に Fig. 8 の円筒形状ファントムに30 mm の円筒の内部を任意にくり抜くように対する計測結果を示す．この表から，誤差は最設計した．このファントムでは，実際に計測す大約 14%から 1%の範囲に分布していることがる際には，対象の中心がはっきりと特定できなわかり，また，ファントムの直径が大きくなる

いこともあり，目測で合わせても計測できるこほど誤差のばらつきが小さくなり，誤差そのもとを確かめる．のも小さくなっている．撮影距離に関しては，

なお，これらのファントムの側面積の値は，全て CAD 上で求めることができるため既知である．

4.3

Table 2: 円筒形状ファントムの計測結果．Measurement result of cylindrical phantom’s lateral area

実験手順

距離 [mm]実験の手順について，ファントムをステージ上に置き，側面が全て映る最短距離から，ステージが動く限りで 10 mm ずつカメラを離し–5–80
90100110

相対誤差 [%]
ϕ20 mm ϕ25 mm ϕ30 mm

7.0
2.8
13.7
11.0

1.3
1.5
0.9
5.6

1.2
2.9
3.5
2.5

Table 3: トゲトゲ，楕円形状ファントムの側面積の計測結果． Measurement result of spiny
or ellipse-shaped phantom’s lateral area.
距離 [mm]

60708090100110

トゲトゲの誤差 [%]楕円の誤差 [%]

12.5
11.7
9.5
10.1
3.8

9.1
8.4
8.1
6.8
5.8

Table 4: 多角形状ファントムの側面積の計測結
果． Measurement result of polygonal shaped
phantom’s lateral area.
※撮影距離は 60 mm で固定

しかし，Table 3 を見ると，トゲトゲと楕円では撮影距離が遠いほど誤差が小さくなっている．これは，撮影距離を離すことで外側のエッ

誤差 [%]

1 回目
2 回目
3 回目
4 回目
5 回目

Fig. 11: 底面周長計測における誤差の発生要因の概要．Overview of error factors in bottom
circumference measurement.

ジの細かいブレがなくなり，描画の際のずれが

11.9
14.4
10.6
14.6
14.9小さくなるためと考えられる．
この他の誤差の要因としては，底面の周長を求める際にピクセル数をカウントして計算しているが，この方法では実際の値と比べて誤差がファントムまでの距離が短いほど誤差が小さくなる傾向にあった．

生じる．例えば，Fig. 11 のような場合，実際√の黒線の長さは 2 2 であるが，画素に合わせてマス目を数えると 2 になり，このような要因

Table 3 に Fig. 3 のトゲトゲと楕円の計測で誤差が生じることが考えられる．

結果を示す．トゲトゲと楕円の誤差はおおよそ

Table 4 では，誤差の値が十数パーセントと10%付近にまとまっているが，撮影距離が長いなっており，おおよそ同じ距離から測った楕円ほど誤差が小さくなる傾向にあった．と同じくらいの誤差といえる．このことから，

Table 4 に多角形状ファントムの計測結果を示す．これまでの結果と比較すると誤差はおお

この方法で円形以外のものの側面積も計測できることが分かる．

よそ 10%から 14%であり大きくなった．

6.

7.

考察

おわりに

本研究では，ピンホールカメラモデルに基づ
まず，Table 2 より，ファントムがリング状いて幾何学的に面積を計測する方法を提案しの時はその直径が小さいほど誤差のばらつきがた．カメラの光軸と壁面が垂直に近ければ，対大きくなっていることがわかる．これは，リン

象の形状にかかわらず 90%程度の精度で計測

グの直径が小さくなるほど画像に壁面が映らなできることがわかった．実験では側面積のみをくなってしまうため，描画の際の少しのずれの計算したが，この応用で底面積も容易に計測で影響が大きく出てしまうためと考えられる．

きる．なお，実験では工業用途で使われる内視–6–鏡型の USB カメラを用いたが，実際の内視鏡は画角が 120◦ と広く，レンズの歪みの影響も考えられるので，今後は画角の広いカメラを使用して検証する予定である．

参考文献
1) 幕内博康: Barrett 食道と Barrett 食道癌，日消誌，97-10，1233/1242(2000）
2) 川田研郎，河野辰幸，中島康晃: 日本消化器内視鏡学会雑誌，59-1，70/80(2017)3) 天野裕二, 安積貴年, 坪井優, 本告成淳, 石村典
久: 本邦における Barrett 食道癌の疫学―現況と展望―，日消誌，112-2，219/231（2015）
4) Zhengyou Zhang: A Flexible New Techniquefor Camera Calibration，Technical Report
MSR-TR-98-71（1998）–7–