コンピュータ支援画像診断学会論文誌 Vol.7 May 2003

研究論文

分散計算機システムを用いた高速ネットワーク読影支援システム
滝沢 穂高 ∗1 ，山本 眞司 ∗1 ，藤野 雄一 ∗2 ，阿部 郁男 ∗3 ，
松本 徹 ∗4 ，舘野 之男 ∗4 ，飯沼 武 ∗4
要旨
本論文では，分散計算機システムとグローバルネットワークとを統合した高速ネットワーク診断支援システムについて述べる．本システムの有効性を評価するための指標として，ネットワークを用いた画像転送実験と，分散計算機システムを用いた読影実験の結果を示す．

Keywords : network computer-aided diagnosis system, distributed computer systems, recognition engine,reading browser

1

はじめにの支援システムを検診施設に導入する実験をすすめている [4] が，その過程において以下に示す二つの問題が死亡率が急増している肺がんの早期発見のために，従発生した．

来の単純 X 線撮影による診断に代わって，胸部 X 線 CT画像による診断が最近行われつつある [1, 2, 3]．この診

1. 自動認識には大きな計算機パワーが必要であるが，個々の検診施設に大型で高価な計算機の導入を求断方法は，肺がん検出率が高い反面，一被検者あたり数十スライスの大量の画像が発生するために読影医のめることは事実上できない．

負担が増大し，疲労からくるミスが起こる可能性がある．そこであらかじめ計算機によって肺がん病巣を自2. 読影エンジンのアップグレードは繁雑で，しかも動認識し，これをセカンド・オピニオンとして読影医頻繁に行う必要があるが，この作業を読影医に要の診断作業時に情報提供する診断支援システムの開発求することは難しい．

が急務となっている．
上記の必要性から我々の研究グループでは，胸部 X
線 CT 画像中の病巣候補点の位置を読影医に提示する肺がん診断支援システムを開発してきた．この支援システムは，1. 肺がん陰影を自動認識する読影エンジンとそこで本論文では，読影エンジンと読影ブラウザとを切り離し，読影計算を読影センターに設置した分散計算機システムに，読影ブラウザを各検診施設に設置した (パーソナルコンピュータなどの比較的小型の) 計算機に任せ，それらをグローバルネットワーク [5, 6] で接続するネットワーク読影支援システムを提案する．このシステムでは，大型で高価な計算機を読影センター

2. 得られた情報を読影医に提示する読影ブラウザの２つのソフトウェアから構成され，それらが一つの計算機の中に搭載されている形態をとっている．現在，こに集中させることができ，しかも読影エンジンの運用・管理はセンタにおいてエンジニアが行うため，読影医は容易かつ安価に読影エンジンの機能を利用することができる．
本論文では，分散計算機システムを用いたネットワー∗1 豊橋技術科学大学∗2 ＮＴＴ∗3 日立東日本ソリューションズ∗4 放射線医学総合研究所
投稿受付：2003 年 2 月 27 日
最終稿受付：2003 年 4 月 14 日
採用決定日：2003 年 5 月 1 日

ク読影支援システムの構想と，その性能を予測するための指標となる，グローバルネットワークにおける画像転送時間と，分散計算機システムにおける読影時間の測定結果について述べる．
- 12 –1–

Journal of Computer Aided Diagnosis of Medical Images Vol.7 May 2003

以下 2 章でハードウェアとしてのネットワーク構成，パーコンピュータを用いる．豊技大内のこれらの計算機

3 章でソフトウェア構成，4 章でこれらのハードウェアをギガビット LAN(Local Area Network) で接続する．とソフトウェアを使ってすすめられる読影支援のプロ
セス，5 章で画像転送実験と分散読影実験の結果を述べ，6 章でまとめる．

2

3

ソフトウェア構成

3.1

分散処理制御ソフトウェア

ネットワーク構成

読影エンジンの処理には計算時間がかかりすぎると

Fig.1 に，我々が構築したネットワーク構成を示す．
豊橋技術科学大学（以下，豊技大と呼ぶ）を読影セン
タ，NTT をデータベースセンタとし，放射線医学総合研究所及び CT 装置を搭載した検診車（放医研と呼ぶ），千葉大学医学部（千葉大と呼ぶ），大阪府立成人病セ

つの構成例として考えられるが，その一連の処理には，Intel Pentium 3 プロセッサ，メモリ 512MByte，パーソナルコンピュータで約 5[分／被検者] 必要となる．そ用いて，計算負荷を分散し，スループットを高速化させGigabit Network（JGN と呼ぶ）[7] の専用ギガビットネットワークおよび ATM メガリンク専用線で接続された分散読影エンジンシステムを開発した．分散計算処
理の制御を行うソフトウェアとして，InterCompass[12]ている (平成 13 年度現在)．将来の運用段階では一般のインターネット網を使って構築することも可能である．

ATM

ゴリズムを直列に実行する処理が，読影エンジンの一こで，複数の計算機を統一的に制御するミドルウェアをンタ（大成セと呼ぶ）などの各検診施設とは，JapanJGNいう問題点がある．例えば，手法 [8, 9, 10, 11] の各アルを用いた．同ソフトウェアは複数のアーキテクチャ(PC,WorkStation 等)，複数の OS(Linux, Solaris，IRIX,MS-Windows 等) を統一的に制御できるミドルウェア
で，以下に示す次の３つのソフトウェア群で構成されている．

A screening bus equipped with a mobile X-ray CT

A management software
on a control computer

Chibauniv.

OsakaMed.C.

Osaka

Daemon programs
which start our CAD engine
software on distributed computers

Tokyo

NagoyaLinux,WindowsNTT

Toyohashi univ.
CAD center

Calculation computers

A control computer

YAMAMOTO LAB.
LANNat.Inst.
Rad.Sci.

AP
I

GUI :java applet

A doctor anda reading browser

web browser

LA
NA
P
I

CAD eng. soft.
Daemon programs

UNIX-WSSuper
ComputerFig. 2: Our CAD engine system.
COMPUTER C.

MULTI MEDIA C.

1. ユーザが制御用計算機でシステム全体を対話的に操作するための GUI(Fig.2 参照)．GUI は Java アFig. 1: Conﬁguration of our network CAD sytem.

プレットで作成されていて，Netscape や Internet

Explorer などの通常の Web ブラウザで起動する

各検診施設に読影ブラウザ，読影センタに自動読影ことが可能である．この GUI を通して，LAN 内用の分散計算機とそれらの分散処理を管理する制御用に接続されている分散計算機上の任意のプログラの計算機を配置する．制御用計算機は我々の研究室にムを起動することができる．

設置し，自動読影用の計算機には我々の研究室のパーソナルコンピュータ，豊技大情報処理センターのスー

2. 制御用計算機と分散計算機群との通信，ファイル操作，DB 操作等を支援する API プログラム．

パーコンピュータ，同マルチメディアセンターのスー- 13 –2–

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3. 分散計算機上で，読影エンジンを起動するデーモンプログラム．デーモンプログラムは読影エンジ

X-ray CT Reading Browser

Main Window
Original images

ンを「exec()」関数を使って起動する．読影エンジン自体に特別なコーディングは必要ない．

Sub Window

Cancer positions
MIP, direct MIP
Lung area extraction

制御用ソフトウェアを使うことで，LAN 上の複数の計算機を一括操作することができ，これらを仮想的な１台の計算機として取り扱うことができる．本研究では，この制御用ソフトウェアを使って，読影エンジンの起動，監視・管理，結果の統合処理などを行う．

3.2

読影ブラウザ

各検診施設において読影医は，Fig.3 に示すような読影ブラウザ [13] を用いて読影作業を行なうことができ

Fig. 3: Our reading browser.

る．この読影ブラウザは，原画像を表示するメインウィンドウと，肺がん候補点やその他の付加情報を表示すOriginal
CT images

るサブウィンドウ群から構成される．メインウィンド
ウは，原画像のシネ表示，明度やコントラストの調整，#2

関心領域の切り出し等の機能をもつ．サブウィンドウ

Globalnetwork

は，自動診断の結果得られた病巣候補点に○印 (がんマーク) を表示する機能，MIP 画像や３次元動的 MIP
画像 [14] を表示する機能，肺野領域の抽出結果をポリA doctor and#1Starta reading browser CAD

ゴン表示する機能等をもつ．

Clinic#6 The (red) circles in the reading browser

読影ブラウザは SUN ワークステーション Ultra 60

are "cancer marks" indicating positionsof cancer candidates detected by the CAD engine.

Model 2360 (計算能力は製品カタログより SPECfp 95= 29.5, SPECint 95 = 16.1) 上に実装されており，３A control computer

#3

#4

#5
Positionsof cancers
Distributed computers
CAD Center

Fig. 4: Data ﬂow in our network CAD system.

次元動的 MIP 画像の表示等もストレスなく動作していることを確認した．なお，現在読影ブラウザはパーソ

2. 指定された症例画像が自動的に検診施設から読影センターの制御用計算機へ転送される (「#2」)．

ナルコンピュータに移植中である．
また，文献 [13] において，8 名の読影医に実際に読影ブラウザを操作して頂き，アンケートをとった結果，一部機能の見直しが必要であるが，全体的には読影医

しくは DICOM を使用する．症例画像及びその付加情報は全て暗号化されてネットワーク上を伝送の要望を満足しているとの評価を受けている．

4

画像は DICOM 形式，転送プロトコルは FTP もされる．

3. 読影センターの制御用計算機は，制御ソフトウェア遠隔読影の支援プロセスを用いて，読影用計算機に症例画像を転送 (「#3」)

本節では，上記のネットワークとソフトウェアを用し，インストールしてある読影エンジンプログラいて実行される読影支援のプロセスについて述べる．

ムを起動する．なお本システムでは、各読影用計算機に割当る症例の最大数を、計算能力などを参

1. 各検診施設において，読影医が読影ブラウザで読影したい症例画像を指定し，「CAD 開始ボタン」を考に予め設定しておき、計算実行中の症例数がこ押下 (クリック) する (Fig.4 における「#1」がそ最大症例数が１と設定されている計算機では、実の手順に相当する)．

行中のプログラムが終了した時点で、次の症例のれ以下になったら新しい症例を投入する．例えば、- 14 –3–

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認識計算を開始させる．

Table 1: Translation times of sample images by globalnetworks.

4. 制御ソフトウェアは，読影エンジンが終了するの平均時間

標準偏差[s/被検者][s/被検者]

千葉大→豊技大1170.39

放医研→豊技大140

2.26

大成セ→豊技大1910.38

6. 得 ら れ た 結 果 ファイ ル が 検 診 施 設 に 転 送 さ れ(「#5」)，読影ブラウザに自動読影の結果得られＮＴＴ→豊技大1040.63

豊技大への平均13833.9

たがんマーク (「#6」)」が表示される．また３次

豊技大→千葉大89

0.05

元動的 MIP などの付加情報も表示される．

豊技大→放医研92

1.86

豊技大→大成セ124

0.38

豊技大→ＮＴＴ

103

0.34

豊技大からの平均

102

14.1

を監視し，終了次第，計算結果が記述されたファイルを制御用計算機に転送する (「#4」)．

5. 以下全ての症例画像が処理し終るまで繰りかえす．

5

実験結果と考察
本論文では，提案システムの性能を評価するための指標となる以下の２つの項目について実験を行った．

5.2
1. ネットワークにおける画像転送速度の測定．

分散計算機システムによる読影時間の測定

2. 分散計算機システムによる読影時間の測定．
３０症例を単一の計算機を使って読影実験した場合の以下に詳細を述べる．

計算時間と，２台，３台の計算機を備えた分散計算機システムを使って読影実験した場合の計算時間を Table2に示す．なお読影実験には、Intel Pentium 3 プロセッ

5.1

ネットワークにおける画像転送速度の測定

サ，メモリ 512MByte，パーソナルコンピュータを用いた．

実験には一被検者あたり 512[pixel] × 512[pixel] ×30[slice] × 16[bit/pixel] のテスト用画像を用いた．この画像を各検診施設から豊技大へ，豊技大から各検診

Table 2: Calculation times by distributed computers.

施設へ，それぞれ 5 回転送し，その平均転送時間と標準偏差を計測した．Table1 に被検者あたりの平均転送時間とその標準偏差を示す．
画像の転送速度は施設によって様々であるが，これは計算機数

平均時間 [s]標準偏差 [s]

１9150

4.1

２4600

4.7

３3090

10.7

中継地点の計算機の性能や，JGN と施設とを結ぶローカルネットワークの伝送性能によるものだと考えられる．全ての施設において，検診施設から豊技大への転複数の計算機を使った時の計算時間は，単一計算機送により多くの時間を必要としているが，一被検者あの計算時間のほぼ台数倍になった．完全な台数倍になたり約 2[分] で転送が完了できるので，実用上問題ない

らないのは，画像を格納している計算機が一台であると考える．なお，実際の運営段階において豊技大からことが主な理由だと考えられる．すなわち，複数の読各検診施設へ送り返す情報は，がん侯補点の座標値な影用計算機が同じタイミングで制御（画像格納）用計ど少量なので，その転送時間は数秒から数十秒で済む算機に画像の転送を要求した場合に，幾つかの読影用と考えられる．

計算機は待ち状態になるからである．
- 15 –4–

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6

おわりに

detection of lung cancer by X-ray CT”. In Computer Assisted Radiology and Surgery(CAR’98),

本論文では，分散計算機システムとグローバルネッ

pp. 242–247, 1998.

トワークとを統合した高速ネットワーク診断支援システムの構想について述べた．また，その性能を予測す[9] 五十嵐亮, 滝沢穂高, 山本眞司, 奥村俊昭, 中川徹,るための指標となるネットワークにおける画像転送時

松本徹, 舘野之男, 飯沼武, 松本満臣. “胸部 X 線間，分散計算機システムにおける読影時間の測定実験

CT 画像からの病巣抽出処理における精度改善”.

を行い，その結果を述べた．

電子情報通信学会技術研究報告 MI2000-71〜105,

Vol. 100, No. 597, pp. 139–144, 2001.

参考文献[10] 深野元太朗, 滝沢穂高, 山本眞司, 中川徹, 松本徹,舘野之男, 飯沼武. “胸部 X 線 CT 画像における肺[1] 舘野之男, 飯沼武, 松本徹, 遠藤真広, 山本眞司, 松

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医療, Vol. 17, No. 10, pp. 28–32, 1990.

[2] 飯沼武, 舘野之男, 松本徹, 山本眞司, 松本満臣. “
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[12] http://www.hitachi―to.co.jp/.

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検診用Ｘ線ＣＴ像の計算機支援画像診断システム

援システムの検討”. 胸部 CT 検診, Vol. 7, No. 2,”. 電子情報通信学会論文誌, Vol. J83-D-II, No. 1,

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[14] 奥村俊昭, 三輪倫子, 加古純一, 奥本文博, 増藤信
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Vol. 7, No. 2, pp. 127–132, 2000.
[7] http://www.jgn.tao.go.jp/.
[8] Toshiaki Okumura, Tomoko Miwa, Junichi Kako,
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Tateno, Takeshi Iinuma, and Toru Matshmoto.
“Variable N-Quoit ﬁlter applied for automatic- 16 –5–

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松本 徹 (まつもと とおる)

著者紹介

1967 年東海大学工学部応用物理学

滝沢 穂高 (たきざわ ほたか)科卒．同年科学技術庁放射線医学総1998 年大阪大学大学院工学研究科電子制御機械工学専攻博士後合研究所入所．1979 年臨床研究部主任研究官．1992 年重粒子線治療期課程修了，博士 (工学)．同年，センター障害・臨床研究部主任研究豊橋技術科学大学助手．医用画官．現在放医研特別研究員．医博，医学物理士．日

像処理，コンピュータビジョン

医放学会，日医放物理学会，日本医学物理学会，コの研究に従事．日本医用画像工

ンピュータ支援学会，日本行動計量学会各会員．

学会，電子情報通信学会，日本エム・イー学会，日本ロボット学会各会員．

舘野 之男 (たての ゆきお)
1959 年千葉大学医学部卒．放射線医

山本 眞司 (やまもと しんじ)学，核医学専攻の医師．著書:「放射1966 年名古屋大学工学部電子工学「放射線と人線医学史」岩波 1973，科卒．同年日立製作所中央研究所入間」岩波 1974，「核医学概論」東大出所．1974 同所主任研究員．1980 年「原典放射線障害」東大出版会 1983，同所研究部長．1987 年日立製作所那版会 1988，訳書: アッカークネヒト「パリ病院」思珂工場開発部長．1990 年豊橋技術科

策者 1978，プロディ「医の倫理」東大出版会 1985．

学大学教授．文字認識，医用画像処理の研究などに従事．工博．著書 (共著)「パタン認識とその応用」，「医用画像処理」他．

飯沼 武 (いいぬま たけし)
1956 年東京大学工学部応用物理学科卒．同年東京大学工学部助手．1958

藤野 雄一 (ふじの ゆういち)

年放射線医学総合研究所物理研究部

1983 年北大大学院工学研究科修士課

研究員．1978 年同所臨床研究部医用程了．同年，ＮＴＴ電気通信研究所物理研究室長．1994 年埼玉工業大学に入所．以来，高機能画像通信方式，基礎工学課程教授．現在放医研特別研究員．日本医画像処理ＬＳＩ，医療画像通信シス

用画像工学会，日本医学物理学会，日本磁気共鳴医テム，などの研究開発に従事．現在，

学会，日本医学放射線学会，日本核医学会，日本 ME

同サービスインテグレーション基盤研究所主幹研究

学会，日本放射線腫瘍学会各会員．

員．電子情報通信学会，映像情報メディア学会，ＩＥＥＥ，日本医用画像工学会，日本エム・イー学会各会員．

阿部 郁男 (あべ いくお)1990 年日本大学文理学部応用地学科卒業．同年，(株) 日立東北ソフトウェ
ア入社．主にスーパーコンピュータ向けソフトウェアの開発に従事．2000
年より並列分散システムの開発に従事．2002 年より東北大学大学院工学研究科に共同研究員として出向．土木学会会員．

- 17 –6–コンピュータ支援画像診断学会論文誌 Vol.7 May 2003

Eﬃcient Network CAD System Using Distributed Computers
Hotaka Takizawa∗1 , Shinji Yamamoto∗1 ,Yuichi Fujino∗2 , Ikuo Abe∗3 ,Tohru Matsumoto∗4 , Yukio Tateno∗4 , Takeshi Iinuma∗4

Abstract:In this paper, we describe an eﬃcient network computer-aided diagnosis systemequipped with distributed computers. Two experimental results are shown to evaluate theeﬃciency of our new system. Ones are translation times of sample CT images using ourexclusive global network. The others are calculation times of cancer shadow recognition
using distributed computer systems.

∗1 Toyohashi University of Technology∗2 NTT∗3 Hitachi East Japan Solutions, Ltd.

∗4 National Institute of Radiological Science- 18 –7–