[論文レビュー] A Simple, Fast and Fully Automated Approach for Midline Shift Measurement on Brain Computed Tomography

Huan-Chih Wang, Shih-Hao Ho+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 2, 2017

Traumatic Brain Injury and Neurovascular Disturbances参考文献 12被引用数 6

ひとこと要約

本論文では、画素強度に基づいて導出された重み付き中央線（WML）を用い、モノロの孔付近を基準とする理想中央線（IML）と照らし合わせて、頭部CT画像における中央線ずれ（MLS）を高速かつ完全自動で測定する手法を提示する。本システムは平均で90.24%の正確性を達成し、手動による頭部回転補正を施すと92.68%まで向上する。また、臨床的評価においてMLSと同等の性能を示す、新たな正規化パラメータであるMLS/ICWMAXを導入し、特に非DICOM画像において優れた性能を発揮する。

ABSTRACT

Brain CT has become a standard imaging tool for emergent evaluation of brain condition, and measurement of midline shift (MLS) is one of the most important features to address for brain CT assessment. We present a simple method to estimate MLS and propose a new alternative parameter to MLS: the ratio of MLS over the maximal width of intracranial region (MLS/ICWMAX). Three neurosurgeons and our automated system were asked to measure MLS and MLS/ICWMAX in the same sets of axial CT images obtained from 41 patients admitted to ICU under neurosurgical service. A weighted midline (WML) was plotted based on individual pixel intensities, with higher weighted given to the darker portions. The MLS could then be measured as the distance between the WML and ideal midline (IML) near the foramen of Monro. The average processing time to output an automatic MLS measurement was around 10 seconds. Our automated system achieved an overall accuracy of 90.24% when the CT images were calibrated automatically, and performed better when the calibrations of head rotation were done manually (accuracy: 92.68%). MLS/ICWMAX and MLS both gave results in same confusion matrices and produced similar ROC curve results. We demonstrated a simple, fast and accurate automated system of MLS measurement and introduced a new parameter (MLS/ICWMAX) as a good alternative to MLS in terms of estimating the degree of brain deformation, especially when non-DICOM images (e.g. JPEG) are more easily accessed.

研究の動機と目的

• 頭部CT画像における中央線ずれ（MLS）の測定を、完全自動的かつ高速かつ正確に行うための手法の開発。
• 緊急神経画像診断における、信頼性の高い再現性のあるMLSの定量的評価という臨床的課題に応えること。
• 非DICOM画像に対しても特に有効な、新たな正規化パラメータであるMLS/ICWMAXを提案・検証し、MLSの代替としての有効性を示すこと。
• 手動測定に代えて自動計算を導入することで、MLS評価における評価者間ばらつきと時間的負担を低減すること。

提案手法

• 画素強度に基づき重み付き中央線（WML）を計算し、暗い領域に高い重みを割り当てることで解剖学的対称性を反映する。
• 理想中央線（IML）は、モノロの孔付近を基準として定義され、WMLからの距離を測定する基準として用いられる。
• 中央線ずれ（MLS）は、冠状断層画像上におけるWMLとIML間のユークリッド距離として計算される。
• MLS/ICWMAX比が導入され、ICWMAXは頭蓋内領域の最大幅であり、患者のサイズやスキャナのばらつきを正規化する。
• 頭部回転補正のための自動画像補正が適用され、手動補正が性能ベンチマークとして用いられる。
• 1件あたりのCT画像処理時間は平均で約10秒である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 完全自動システムが、頭部CT画像における中央線ずれ測定で高い正確性を達成できるか？
• RQ2 提案されたMLS/ICWMAX比は、臨床的評価において従来のMLSと比較してどの程度の性能を示すか？
• RQ3 自動補正が、自動MLS測定の正確性にどの程度の影響を及ぼすか？
• RQ4 本手法は、臨床ワークフローで一般的なJPEGなど非DICOM画像を信頼性高く処理できるか？

主な発見

• 自動画像補正による頭部回転補正を適用した場合、本自動システムは全体で90.24%の正確性を達成した。
• 手動による頭部回転補正を施した場合、システムの正確性は92.68%まで向上した。
• MLS/ICWMAXパラメータは、MLSとほぼ同一の混同行列および受信者操作特性曲線（ROC）の結果を示し、同等の診断的性能を示した。
• 1件あたりの平均処理時間は約10秒であり、臨床応用に適した高速性と実用性を示した。
• JPEGなどの非DICOM画像に対しても、本手法は頑健で正確な性能を示し、実臨床環境への展開に適していることが示された。