JP2004344244A - Method and apparatus for picture signal processing - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は画像信号処理方法およびそれを用いた画像信号処理装置に関する。
本発明は特に、磁気共鳴(MR:Magnet Resonance )現象を用いて検出したMR信号を用いて画像を構成する磁気共鳴画像処理(MRI:Magnet Resonance Imaging)装置、X線断層撮像信号を画像処理するCT(Computed Tomography)装置などの診断用画像信号処理装置および診断用画像信号処理方法に関する。
特定的には、本発明は、たとえば、MRI装置において、血管に造影剤を注入したときに得られる造影剤を示す信号の強度変化を利用して画像を構成する灌流画像処理(Perfusion Imaging )における前処理として、動脈入力関数(Arterial Input Function:AIF) の第1パス(第1波)期間を正確に、かつ、自動的に検出する画像信号処理方法と、そのような画像信号処理方法を適用したMRI装置に関する。同様に、本発明は、造影剤を血管に注入したときに得られるX線断層撮像信号に含まれる造影剤の存在を示す情報を利用して画像処理を行う前処理として第1パス期間を正確に、かつ、自動的に検出する画像信号処理方法と、そのような画像信号処理方法を適用したCT装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
MRI装置において、MR信号を用いて灌流画像(Perfusion Image )を生成する方法としては、(1)造影剤注入による信号の強度変化を利用する方法、(2)外部からパルスを印加してそれにより標識されたスピンの流れを観測する方法、(3)オキシヘモグロビン(oxyhemoglobin )とオキシヘモグロビンの変化による内因的な信号強度変化を利用する方法(BOLD法)などが知られている。
そのなかで、本発明は特に、造影剤注入による信号の強度変化を利用する方法に関する。
【0003】
造影剤を経静脈的に注入し(静注し)、動脈内の血液のT1短縮効果によるコントラストを画像化する造影MRA(またはMR−コントラスト灌流画像処理(Contrast−Perfusion Imaging) 方法)が知られている。
造影MRAは、造影剤に用いるガドリニウム(Gd)の濃度に依存するT1短縮効果により通常の血管造影に近い画像が得られる。したがって、造影MRAにより脳血流(Cerebral Blood Flow :CBF)を画像化することができ、全脳の灌流画像も得られるようになっており、そのような灌流画像を用いて脳の各部についての各種の診断が行われている。
MR−コントラスト灌流画像信号処理方法はまた、被検体への被爆はなく、検査時間が短いという利点があり、定量化手法として注目されつつある。
【0004】
他方、MR−コントラスト灌流画像信号処理方法は、MR−コントラスト灌流画像の精度が十分でないなど定量化手法を確立するには克服すべき多々の課題に遭遇している。
【0005】
【非特許文献1】
Katrin A.Rempp,Etc:Quantification of Regional Cerebral Blood Flow andVolume with Dynamic Susceptibility Contrast−enhanced MR Imaging,Radiology Vol,193,No、3.1994,pp287−304
【非特許文献2】
青木茂樹:MRI潅流画像.画像診断,Vol.19,No10,1999
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
MR−コントラスト灌流画像信号処理方法の課題の1つとして、定量化手法について述べる。
定量化手法として逆畳み込み演算法(Deconvolution)による定量化解析方法は有効な手法と考えられている。しかしながら、MR−灌流画像の定量解析において、動脈入力関数(AIF)の確定は定量解析の結果に大きく影響を与える。換言すれば、灌流画像処理に基づいた定量解析においては、動脈入力関数(AIF)の精度が脳血流(CBF)の定量値に大きく影響を与える。
【0007】
図1は造影剤を静注したとき、脳の動脈に造影剤の存在を示すMR信号を複数ピクセル分集めた動脈入力関数(AIF)(または造影剤濃度)が、時間の経過によってどのように変化するかを示す、造影剤濃度・時間変化グラフ(または造影剤濃度曲線グラフ、または、組織濃度曲線グラフ)である。横軸は時間経過を示し、縦軸は動脈入力関数(AIF)(造影剤濃度)を示す。
造影剤を静注した時点t=0から、所定時間が経過すると、造影剤が一回、第1パスとして、脳の動脈を抜けていき、その後、僅か残った造影剤が静脈と心臓を通して、再び、第2パスとして脳の動脈に入っていく。この第2波の微量の造影剤が画像信号上にノイズとなる。
【0008】
灌流画像を用いた定量解析においては通常、各ピクセルについて、または、複数のピクセルについての第1パス期間の動脈入力関数(AIF)を用いて組織濃度を考慮する。したがって、灌流画像処理に基づいた定量解析を正確に行うためには、ノイズとしての第2パス期間のAIFを排除して、第1パス期間のAIFを正確に検出する必要がある。換言すれば、組織濃度曲線(造影剤濃度曲線)における、第1パス(第1波信号)期間と、第2パス(第2波信号)期間とを分割(識別)して、第2パス期間のAIFの影響を排除すると定量解析結果の精度が向上することが知られている。
【0009】
第1パス期間の識別方法として現在行われている方法は、図1に図解のごとく、各ピクセルごと、または複数のピクセルについての動脈入力関数(AIF)を組織濃度曲線(造影剤濃度曲線)として表示装置に表示し、MRI装置を使用する医師、技師など(以下、オペレータという)が、表示された組織濃度曲線を観察して目視で判断して第1パス期間を決定する方法である。
しかしながら、このような方法は、第1パス期間の開始位置と終了位置の判定にオペレータの個人差、訓練度合い(または習熟度)などに起因するばらつきが回避できず、第1パス期間の判定がばらつくという問題に遭遇している。特に、第1パス期間と第2パス期間とが接近していると、その識別が困難になる。
加えて、MR信号には各種の高周波ノイズが重畳されていて波形が乱れており、造影剤が実質的に存在しないレベルの判定、造影剤濃度が最大値となる位置の判定などにおいてオペレータによる識別が困難な場合もある。
【0010】
上述した各MR信号に重畳するノイズの影響を排除する方法として、MR信号を脳全体について平均化してノイズを相殺した脳全体の平均組織濃度カーブを求め、平均組織濃度カーブからオペレータが上記同様、手動で第1パス期間を決めることも試みられている。しかしながら、このような手法は下記に述べる問題を惹起させる。
図2に例示したように、実際は、曲線CV1に例示した動脈内血液の流速は、曲線CV2に例示した静脈内血液の流速、曲線CV3に例示した筋肉組織(tissue) 内血液の流速などの他の組織より速い。つまり、動脈入力関数(AIF)にの第1パスは静脈、筋肉組織など他の組織の第1パスよりかなり早く到来する。そのため、動脈を流れる造影剤の第2パス期間も他の組織の第2パス期間より早く到来する。したがって、静脈または筋肉組織の第1パス期間を用いて定量解析を行うと、AIFの第2パス期間も第1パス期間に含まれる。その結果、定量解析の結果に大きな悪影響を及ぼす。
【0011】
図3は、動脈、静脈、筋肉組織など脳全体の平均組織濃度曲線CVAVと、動脈入力関数(AIF)の曲線CVAIF を示すグラフである。
脳全体の平均組織濃度曲線CVAVを用いて動脈入力関数(AIF)について第1パス期間を決定した場合、決定した第1パス期間は、AIFの第1パス期間の決定に適さない。
このように全脳平均はAIFの第1パス期間の決定には適していず、それを用いると、人為的原因で定量化の値に誤差を生じてしまうことが回避できない。
【0012】
上述したノイズに起因する問題を克服する方法として、コンピュータなどを用いた信号処理が考えられる。しかしながら、MR信号には各種のノイズが重畳しており、コンピュータによる信号処理に際しても、各種のノイズに対応可能な解決手段が求められている。種々のノイズの形態については実施の形態において例示する。
【0013】
以上、主として、MRI装置における脳部分の動脈入力関数(AIF)についての灌流画像処理について述べたが、他の被検部位についても上記同様の問題に遭遇する。
【0014】
MRI装置における第1パス期間の識別を例示して述べたが、上述した問題は、MRI装置に限らず、たとえば、造影剤を注入して脳部分、その他の被検部位をCT装置を用いてCTスキャンする場合についても同様である。
もちろん、MRI装置、CT装置以外の造影剤の静注による画像再構成を行う、他の診断装置における画像前処理においても同様の問題に遭遇する。
【0015】
本発明の目的は、造影剤を注入してその状態を検出した画像を生成する時、第2パス(第2波)期間の信号が時間期間においてノイズ成分となる場合、または、各信号にノイズが重畳されている場合でも、正確に、かつ、自動的に、画像の各ピクセルごと、または、複数のピクセルなど診断の対象となる微小単位期間ごとに、1パス目の造影剤の実質的な存在の開始から終了まで(第1パス期間)を識別(決定)できる、画像信号処理方法と画像信号処理装置を提供することにある。
【0016】
本発明の他の目的は、上記のごとく正確に第1パス期間を識別し、それを用いた信号を用いて画像処理して再構成した画像結果を用いて定量解析の精度を向上させることにある。
【0017】
【課題を解決するための手段】
本発明の第1の観点によれば、(a)造影剤を静注した造影剤濃度を示す造影剤濃度信号を連続的に入力し、(b)前記連続的に入力された画像再構成するときの1ピクセル分または複数ピクセル分の造影剤濃度信号を前記連続的に入力された時間経過に従って平滑処理し、(c)前記平滑処理された造影剤濃度信号の最大値を求め、(d)前記求めた造影剤濃度信号の最大値を参照して、前記連続的に入力した造影剤濃度信号に含まれる造影剤の実質的な存在の開始を求めるための第1しきい値、および、前記連続的に入力した造影剤濃度信号に含まれる造影剤の実質的な存在の終了を求めるための第2しきい値を算出し、(e)前記平滑処理された造影剤濃度信号と前記第1のしきい値を比較して前記造影剤の実質的な存在の開始を決定し、前記平滑処理された造影剤濃度信号と前記第2のしきい値を比較して前記造影剤の実質的な存在の終了を決定する、画像信号処理方法が提供される。
【0018】
本発明の第2の観点によれば、造影剤を静注した造影剤濃度を示す造影剤濃度信号を連続的に入力する手段と、前記連続的に入力された画像再構成するときの1ピクセル分または複数ピクセル分の造影剤濃度信号を前記連続的に入力された時間経過に従って平滑処理する手段と、前記平滑処理された造影剤濃度信号の最大値を求める手段と、前記求めた造影剤濃度信号の最大値を参照して前記連続的に入力した造影剤濃度信号に含まれる造影剤の実質的な存在の開始を求めるための第1しきい値、および、前記連続的に入力した造影剤濃度信号に含まれる造影剤の実質的な存在の終了を求めるための第2しきい値を算出する手段と、前記平滑処理された造影剤濃度信号と前記第1のしきい値を比較して前記造影剤の実質的な存在の開始を決定し、前記平滑処理された造影剤濃度信号と前記第2のしきい値を比較して前記造影剤の実質的な存在の終了を決定する手段とを有する、画像信号処理装置が提供される。
【0019】
【発明の実施の形態】
本発明の画像信号処理装置および画像信号処理方法の1例として、MRI装置およびこのMRI装置における信号処理方法について述べる。
【0020】
図4は本発明の第1実施の形態としてのMRI装置の構成図である。
図4に図解したMRI装置は、マグネットシステム100と、データ収集部150と、RFコイル駆動部140と、勾配コイル駆動部130と、制御部160と、データ処理部170と、表示部180と、操作部190とを有する。
【0021】
マグネットシステム100は、主磁場コイル部102と、勾配コイル部106と、RF(Radio−Frequency)コイル部108とを有しており、電磁波および磁気に対する遮蔽を施したスキャンルームに設置されている。
主磁場コイル部102と、勾配コイル部106と、RF(Radio−Frequency)コイル部108は概ね円筒状の形状に構成されており、マグネットシステム100の内部空間(ボア)に被検体である人体300が、クレードル500に載置されて、図示しない搬送手段によってクレードル500とともに被検部位に応じて、搬入、排出可能に移動される。
【0022】
主磁場コイル部102は、マグネットシステム100のボアに静磁場を形成する。静磁場の方向は被検体である人体300の体軸方向に概ね平行していて、水平磁場を形成している。
本実施の形態においては、主磁場コイル部102は、たとえば、超伝導磁石などの永久磁石で構成した例を示している。したがって、主磁場コイル部102の駆動部は設けられていない。
【0023】
勾配コイル駆動部130は、制御部160の制御のもとで、勾配コイル部106を駆動して、マグネットシステム100に形成された静磁場強度に勾配(傾斜)を持たせる。勾配コイル部106によって発生する勾配磁場としては、スライス勾配磁場、リードアウト勾配磁場、フェーズコンコード勾配磁場の3種があり、勾配コイル部106は、これら3種の勾配磁場を発生させる3種の勾配コイルを有する。
【0024】
RFコイル部108は送信コイルと受信コイルとを有する。送信コイルと受信コイルはそれぞれ専用のコイルを2つ設けてもよいし、両者を共用して1つのコイルを設けるだけでもよい。RFコイル駆動部140は、データ処理部170の制御のもとで、RFコイル部108の送信コイルを駆動して(励起して)、マグネットシステム100の静磁場空間に被検体である人体300内のスピンを励起するための高周波磁場を形成する。RFコイル部108の受信コイルが励起されたスピンが発生する電磁波である磁気共鳴(MR)信号を検出する。
【0025】
データ収集部150は、制御部160の制御のもとで、RFコイル部108の受信コイルで検出したMR信号を入力して(収集して)データ処理部170に出力する。
【0026】
データ処理部170はコンピュータを有しており、コンピュータのメモリに記憶されている各種のプログラムに従って、MRI処理に関する各種の動作を遂行する。データ処理部170は、たとえば、データ収集部150で収集したMR信号をデータ処理部170内の2次元フーリエ空間のデータ空間が規定されているメモリに保存し、そのメモリに保存したMR信号を用いて、たとえば、最大輝度投影法(MIP)などによる灌流画像処理を含む各種の信号処理を行う。
以下、本明細書において、データ処理部170は灌流画像処理に関する処理についてのみ述べる。
データ処理部170において処理して得られた再構成画像が表示部180に表示される。
【0027】
制御部160は、データ処理部170と協働して、勾配コイル駆動部130、RFコイル駆動部140、データ収集部150を制御し、被検体である人体300の被検部位の撮像のための制御を行う。
【0028】
操作部190は、MRI装置を使用する医師、技師など(以下、オペレータ)が所望の動作処理を指示するために使用する。操作部190において指示された内容を、データ処理部170と制御部160とが協働して処理する。
【0029】
MRI装置の概略動作
MRI装置を操作するオペレータが、操作部190から希望するMRI操作を指示する。
データ処理部170は操作部190の指示に応じて制御部160とともに、勾配コイル駆動部130を介して、主磁場コイル部102によって発生されている静磁場内に、スライス勾配磁場、リードアウト勾配磁場、フェーズコンコード勾配磁場などを発生させる。また、データ処理部170は操作部190の指示に応じて制御部160とともに、RFコイル駆動部140を介して送信コイルを励起してマグネットシステム100の静磁場空間に被検体である人体300内のスピンを励起するための高周波磁場を形成する。
データ処理部170および制御部160は被検体である人体300の被検部位に応じて図示しない搬送手段を駆動してクレードル500をマグネットシステム100のボア内に移動させる。
【0030】
たとえば、医師が被検体である人体300にMR造影剤、たとえば、ガドリニウム(Gd)化合物の造影剤を経静脈的に注入(静注)する。GdはMR画像には直接には写らないが、組織中の水素の陽子(プロトン)の緩和を促進することになり、その存在が間接的にMR画像として写ることになる。したがって、造影剤を注入した後に検出されたMR信号は、間接的に、造影剤の位置と濃度を示している。通常、10ピクセル以下の隣接する非常に小さなROTについてのMR信号は動脈入力関数(AIF)を示す。
【0031】
RFコイル部108の受信コイルは、励起されたスピンが発生する電磁波であるMR信号を連続して検出する。
データ収集部150は、RFコイル部108の受信コイルで連続的に検出したMR信号を、たとえば、1〜2秒周期(TR=1〜2秒)で連続的に入力し、データ処理部170に連続的に出力する。
データ処理部170は、上述したように、データ処理部170を構成するコンピュータのメモリに記憶されているMRI処理に関する各種のプログラムを動作させて、データ収集部150で収集したMR信号をデータ処理部170内の2次元フーリエ空間のデータ空間が規定されているメモリに保存し、そのメモリに保存したMR信号を用いて、たとえば、最大輝度投影法(MIP)などの手法で灌流画像処理を行うなど、各種の信号処理を行う。データ処理部170は灌流画像を表示部180に表示する。
【0032】
本実施の形態において、基本的には、再構成画像1ピクセルについての造影剤濃度の第1パス期間を決定するものとする。
ただし、実用的には、動脈入力関数(AIF)を用いるから、以下、本実施の形態においては、データ処理部170に連続的に入力されたMR信号について、たとえば、通常、10ピクセル以下の隣接するピクセルについての非常に小さなROIについてAIFを計算して、データ処理部170のメモリに記憶し、求めたAIFについて第1パス期間を決定する。
【0033】
第1例の処理方法
以下、データ処理部170において行われる灌流画像処理の前処理として、動脈入力関数(AIF)の第1パス期間の決定に関する処理内容について述べる。
図5は、データ処理部170で行われる、データ収集部150で連続的に収集し、データ処理部170に連続的に入力されたMR信号についての画像前処理、すなわち、動脈入力関数(AIF)の第1パス期間を識別(決定)する第1例としての処理を示すフローチャートである。
【0034】
ステップ1:MR信号の入力
データ処理部170は、データ収集部150で、所定の周期、たとえば、TR=1〜2秒周期で、連続的に収集し、データ処理部170に連続的に出力された造影剤濃度を示すMR信号を入力して、データ処理部170内のメモリに記憶する。
【0035】
ステップ2:AIFの算出
データ処理部170のメモリに連続的に記憶されたMR信号について、たとえば、10ピクセル以下の隣接するピクセルについての非常に小さなROIについて動脈入力関数(AIF)を計算して、データ処理部170のメモリに再度記憶する。
【0036】
なお、データ処理部170は、データ収集部150から連続的にMR信号を入力してデータ処理部170内のメモリに記憶するとき、上述した動脈入力関数(AIF)の演算を行って、データ処理部170のメモリに記憶しておいてもよい。すなわち、ステップ1の処理とステップ2との処理を連続して1ステップとして行うこともできる。
【0037】
ステップ3:AIFの平滑処理
データ処理部170は、求めた動脈入力関数(AIF)について、式1、2を適用して移動平均処理を行い、AIFの平滑処理を行う。
【0038】
【数3】
【0039】
式1は、i≧nにおいて、i番目の動脈入力関数(AIF)、H(i+j)について、i番目の前後−n、+n個(j)についての移動平均H(i)’を求めることを意味している。
式2は、i<nにおいて、i番目の動脈入力関数(AIF)、H(i+j)について、1〜n個(j)についての移動平均H(i)’を求めることを意味している。
【0040】
本実施の形態は、TR=1〜2秒であり、nは、たとえば、4である。すなわち、1〜2秒周期で検出したMR信号に基づく動脈入力関数(AIF)について、4個ごとに移動平均処理を行う。
もちろん、n=4は例示であり、ノイズの重畳状態、MR信号検出周期などに応じてnを決定することができる。
【0041】
ステップ4:傾き計算
データ処理部170は、平滑処理した動脈入力関数(AIF)の各点を微分して傾きG(i)を求める。傾きG(i)を求める意味は、後述する平滑処理したAIFの最大値Hmaxおよび最小値Hminを見いだすためである。
すなわち、傾きG(i)=0は極大値か極小値であるから、造影剤濃度が増加していく方向にそって最初にG(i)=0となる点を見いだせば、そこが平滑処理したAIFの最大値Hmaxである。次に、最大値Hmaxから造影剤濃度が減少していく方向にそってG(i)=0となる点を見いだせば、そこが平滑処理したAIFの最小値Hminである。
【0042】
ステップ5:最大値を探索
データ処理部170は、平滑処理した動脈入力関数(AIF)を微分して求めた傾き(微分値)G(i)が0となる最初の位置のAIFを最大値Hmaxとして見つけ出す。
【0043】
ステップ6:第1しきい値計算、第1パス期間の開始点の決定
データ処理部170は、検出した最大値Hmaxから第1のしきい値Hmax/p1を求める。次いでデータ処理部170は、第1しきい値Hmax/p1より大きい、ステップ3において平滑処理された動脈入力関数(AIF)でこのAIFの始点に一番近い位置を、実質的に造影剤が検出されたAIFの第1パス期間の開始点と決定する。
本実施の形態においては、第1のしきい値Hmax/p1を固定した絶対値ではなく、検出した最大値Hmaxを基準として求めた第1しきい値Hmax/p1を参照して開始点を決定しているので、造影剤濃度の状況に則して最適な開始点を決定できるという利点がある。
【0044】
第1のしきい値Hmax/p1を規定する第1しいき値パラメータp1は、第1のしきい値Hmax/p1が、被検部位において予想される最大値Hmaxの、たとえば、25%の値とする(p1=4のとき)。
第1のしきい値Hmax/p1が大きければ、第1パス期間の開始点を検出する信頼性が高いが、開始点の検出が遅れる。逆に、第1のしきい値Hmax/p1が小さいと、第1パス期間の開始点を検出する信頼性が低くなるが、開始点が遅れずに検出できる。このような事情を考慮して経験的に、しいき値パラメータp1を決定することができる。
また、第1のしきい値Hmax/p1は被検部位に応じて決定することができる。
さらに、第1のしきい値Hmax/p1は動脈入力関数(AIF)の造影剤濃度曲線のプロファイル(形状)に応じて決定することができる。
【0045】
ステップ7:最小値を探索
データ処理部170は、ステップ4において平滑処理した動脈入力関数(AIF)を微分して求めた傾きG(i)=0から最小値Hminを求める。
上記検出した最大値Hmaxから造影剤濃度が減少していく方向にそって、G(i)=0となる点を最初の位置として見いだせば、そこがAIFの最小値Hminである。
【0046】
ステップ8:第2しきい値計算、第1パス期間の終了点の決定
データ処理部170は、算出した最小値Hminから第2のしきい値Hmin/p2を求める。
データ処理部170は次いで、ステップ3において平滑処理した動脈入力関数(AIF)が正で(AIF≧0)、最大値Hmaxから造影剤濃度が減少していく方向に沿って最初に現れる、第2しきい値Hmin/p2より小さい平滑処理されたAIFの位置(点)をAIFの第1パス期間の終了点と決定する。
本実施の形態においては、第2のしきい値Hmin/p2を固定した絶対値ではなく、検出した最小値Hminを基準として終了点を決定しているので、造影剤濃度の状況に則して終了点を決定できるという利点がある。
【0047】
第2のしきい値Hmin/p2を規定する第2しいき値パラメータp2は、第2のしきい値Hmin/p2が、被検部位において予想される最大値Hmaxの、たとえば、25%の値とする(p2=4の時)。
第2のしきい値Hmin/p2が大きければ、第1パス期間の終了点を検出する信頼性が高いが、終了点の検出が早まり、第1パス期間が狭くなる。逆に、第2のしきい値Hmin/p2が小さいと、第1パス期間の終了点を検出する信頼性が低くなるが、終了点の検出が早まることはない。このような事情を考慮して、経験的に、しいき値パラメータp2を決定することができる。
また、第2のしきい値Hmin/p2は被検部位に応じて決定することができる。
さらに、第2のしきい値Hmin/p2は動脈入力関数(AIF)の造影剤濃度曲線の状況に応じて決定することができる。
【0048】
ステップ9:結果保存
データ処理部170は、上述した方法で求めた動脈入力関数(AIF)の第1パス期間の開始点、終了点、最大値、最小値、および、開始点と終了点との間のAIFを保存する。
保存したこれらデータは、特にAIFは、データ処理部170における灌流画像処理などに使用される。
【0049】
上述した処理において、ステップ5の後ステップ7の処理を行い、時間的な順序の制約がないステップ6と8とを同じ処理工程において行うこともできる。
【0050】
第2例の処理方法
図6はデータ処理部170で行われる、動脈入力関数(AIF)の第1パス期間を識別(決定)する第2例としての処理を示すフローチャートである。
図5を参照して述べた処理と、図6に図解した処理との相違は、図6に図解したステップ8Aにおける、第2しきい値と、終了点の検出方法が異なるだけである。以下、その相違点を中心に述べる。
【0051】
ステップ8A:第2しきい値計算、第1パス期間の終了点の決定
データ処理部170は、算出した最大値Hmaxから第2のしきい値Hmax/p3を求める。すなわち、図5のステップ8においては、第2のしきい値として最小値Hminを用いたが、第2例においては最大値Hmaxを用いる。
さらに、データ処理部170は、最大値Hmaxから造影剤濃度が減少していく方向に沿って最初に現れる、上記第2しきい値Hmax/p3より小さい平滑処理された動脈入力関数(AIF)の位置(点)で、しかも、ステップ7において検出した最小値Hminの位置より前の位置をAIFの第1パス期間の終了点と決定する。
【0052】
第2例のステップ8Aの処理を、図5を参照して述べた第1例のステップ8の処理と比較すると、第2のしきい値は振幅が大きく、正確に検出できる最大値Hmaxを用いるので、しきい値判定の信頼性が高くなるという利点がある。
もちろん、最小値Hminの位置より前の位置を動脈入力関数(AIF)の第1パス期間の終了点としているので、さらに第1パス期間の終了点の検出の信頼性は高い。
【0053】
第2例においても、第2のしきい値を固定した絶対値ではなく、検出した最大値Hmaxを基準として終了点を決定しているので、造影剤濃度の状況に則して終了点を決定できるという利点がある。
【0054】
第2のしきい値Hmax/p3を規定する第2しきい値パラメータp3は、第2のしきい値Hmax/p3が、被検部位において予想される最大値Hmaxの、たとえば、25%の値とする(p3=4の時)。
第2のしきい値Hmax/p3が大きければ、第1パス期間の終了点を検出する信頼性が高いが、終了点の検出が早まり、第1パス期間が狭くなる。逆に、第2のしきい値Hmax/p3が小さいと終了点の検出が早まることはない。もちろん、最小値Hminより前を終了点として検出しているので、終了点の検出の信頼性が低下することはない。このような事情を考慮して、経験的に、しきい値パラメータp3を決定することができる。
また、第2のしきい値Hmax/p3は被検部位に応じて決定することができる。
さらに、第2のしきい値Hmax/p3は動脈入力関数(AIF)の造影剤濃度曲線の状況に応じて決定することができる。
【0055】
図6を参照して上述した処理においても、ステップ5の後ステップ7の処理を行い、時間的な順序の制約がないステップ6と8Aとを同じ処理工程において行うこともできる。
【0056】
処理内容の総合的な説明
図6に図解したステップ8Aにおける処理の場合を例示して上述した処理の全体内容を述べる。
MR−コントラスト灌流画像処理においては、造影剤が静注されると、MR信号で示される造影剤濃度を示す信号(動脈入力関数(AIF))の強度が急激に変化する。したがって、図1、図3に例示したように、造影剤濃度曲線(または動脈入力関数曲線)で示すAIFの傾きが大きくなる。逆に、造影剤が血管または組織から出て行くと、AIFの信号強度が弱くなる。理想的な状態は元の画像強度に戻る(図1を参照)。しかし、造影剤が僅かに残りながら、一回、静脈を抜けて、再び動脈に入ってくる。これがノイズとなる第2パスを引き起こす。
AIFの画像強度が大きく変化する部分は、AIFの傾きは大きく変化する。したがって、本実施の形態においては、基本的に、造影剤濃度曲線におけるAIFの各点について微分してその傾きを求め、その値を評価の指標として第1パス期間を検出する。
しかしながら、AIFは、非常に小さなROI(通常、10以下のピクセルの場合が多い)を使って算出されているためノイズの影響を大きく受け、AIFの微分値だけで第1パス期間を判定すると誤判断を招く。
【0057】
以下、図7(A)、図8、図10に図解した例示的な動脈入力関数(AIF)の造影剤濃度曲線を参照して具体的に述べる。
各MR信号には各種のノイズが重畳されている。複数のMR信号から計算した動脈入力関数(AIF)は部分的にノイズが除去されているが、非常に小さなROIについて計算して求めたAIFであるので、図7(A)、図8、図10に例示したように、ノイズの影響は依然として残っている。
【0058】
図7(A)に図解したグラフは、図1または図3に図解した動脈入力関数(AIF)の第1パス期間と第2パス期間とが比較的離れているが、MR信号に高周波ノイズが重畳されている状態を示す。破線CV11で示した曲線がノイズの影響を受けない動脈入力関数(AIF)を示し、実線CV12で示した曲線がノイズが重畳された動脈入力関数(AIF)を示す。
このようなランダムな高周波ノイズは、ステップ3における式1、2に示した移動平均処理によってキャンセルされて、図7(B)に実線CV13で示したように、破線CV11で示したノイズの影響を受けない動脈入力関数(AIF)と同等のAIFが得られる。
図7(B)に実線CV13で示した平滑処理したAIFについて微分して傾きを算出すれば、ステップ5においてa1点を最大値Hmaxとして検出でき、ステップ6において第1しきい値Hmax/p1からa2点を第1パス期間の開始点と検出でき、ステップ7においてa3から最小値Hminを検出でき、ステップ8において第2しきい値Hmax/p3からa4点を第1パス期間の終了点と検出できる。
【0059】
以上により、単に高周波ノイズが重畳した場合は問題なく、正確に第1パス期間を検出できることが理解されよう。したがって、単なる高周波ノイズが重畳した場合は問題ないとして、その他のノイズが発生した場合について述べる。
【0060】
図8の実線で示した曲線CV21は最大値の近傍に2つの極大値b1、b2を含む動脈入力関数(AIF)の造影剤濃度曲線である。AIFは非常に小さなROI(通常、10以下のピクセルの場合が多い)を使って算出されているため、ノイズの影響を大きく受けて、曲線CV21に例示したAIFが得られる場合もある。この曲線の傾きだけを見ると、b1部分が最大値を示すピーク点として検出されれば、b2部分で微分値が逆転するので、b2点が第1パス期間の終点として検出される。
このようなノイズの影響による誤決定を回避するため、ステップ4におけるAIFを微分してAIFの傾きを求める前に、ステップ3において、AIFの平滑処理を行う。その結果を破線で示した曲線CV22として示す。曲線CV22においては、2つの極大値b1、b2の間に新たな1つの極大値b3が内挿され、全体のAIFも平滑になっている。しかしながら、元のAIFが失われたわけではない。したがって、図8に例示したように、第1しきい値Hmax/p1および第2しきい値Hmax/p3を用いて、第1パス期間を正確に決定できる。
【0061】
図9は図8を参照して述べた前処理をした後、画像再構成した脳頭部の脳血流(CBF)についての灌流画像の例を示す。図解の限界により正確な図解ではないが、斜線部分が赤で表示されたCBFを示す。図8の曲線CV21のような動脈入力関数(AIF)でも、CBFが鮮明に画像化されている。
図9に図解したCBFをプロトン放射断層画像(Proton Emission Tomography:PET) によるCBFと比較すると、PETによるCBFと非常に高い相関を持つことが分かった。
【0062】
図10の実線で示した曲線CV31は、ノイズにより動脈入力関数(AIF)の立ち上がり部分が瞬間的に0以下に低下しているAIFの造影剤濃度曲線である。このようなノイズは、ステップ3におけるAIFの平滑処理により、破線で示した曲線CV32のごとく修正される。ステップ4以降の処理によって、上記同様、正確に第1パス期間を検出することができる。
【0063】
他の応用例
本発明の画像信号処理方法は、動脈入力関数(AIF)の造影剤濃度曲線だけでなく、他の特定期間の検出にも適用できる。
また本発明の画像信号処理方法は、AIFだけではなく、筋肉組織など他の造影剤濃度曲線にも応用できる。
【0064】
また上述した実施の形態においては、動脈入力関数(AIF)について述べたが、本発明の画像信号処理方法は、基本的に1ピクセルごとの信号についても適用できる。すなわち、本発明の画像信号処理方法によれば、ピクセルごとに(Pixel by Pixelで)第1パス期間を正確に検出できる。
【0065】
さらに本発明は、MRI装置に限らず、造影剤を用いたCT−灌流画像処理における前処理として、第1パス期間の検出に適用でき、CT−灌流画像処理においても、上述したMR−灌流画像処理におけると同様の問題、すなわち、第1パス期間の決定の不正確さ、および、それに起因する脳血流(CBF)マップの精度の不足を改善することができる。
【0066】
【発明の効果】
本発明によれば、MRコントラスト灌流画像信号処理方法、CTコントラスト灌流画像信号処理方法などに用いる原検出信号が各種のノイズの影響を受けている場合でも、平滑処理によりノイズの影響を排除して、さらに、適切なしきい値を設定し、正確に、かつ、自動的に、第1パス期間を検出できる。
さらに本発明によれば、このように前処理して正確に検出した第1パス期間の信号を用いることにより、灌流画像の精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は造影剤濃度・時間変化グラフである。
【図2】図2は動脈内血液の流速、静脈内血液の流速、筋肉組織内血液の流速を図解したグラフである。
【図3】図3は動脈、静脈、筋肉組織など脳全体の平均組織濃度曲線CVAVと、動脈入力関数(AIF)の曲線CVAIF を示すグラフである。
【図4】図4は本発明の第1実施の形態としてのMRI装置の構成図である。
【図5】図5は図4に図解したデータ処理部で行われる動脈入力関数(AIF)の第1パス期間を検出する第1例としての処理を示すフローチャートである。
【図6】図6は図4に図解したデータ処理部で行われる動脈入力関数(AIF)の第1パス期間を検出する第2例としての処理を示すフローチャートである。
【図7】図7(A)はMR信号に高周波ノイズが重畳したときの動脈入力関数(AIF)の造影剤濃度曲線を示すグラフであり、図7(B)は本発明の平滑処理したAIFの造影剤濃度曲線を示すグラフである。
【図8】図8は最大値の近傍に2つの極大値b1、b2を含む動脈入力関数(AIF)の造影剤濃度曲線である。
【図9】図9は図8の動脈入力関数(AIF)を処理して得られた第1パス期間の信号を用いて生成した脳血流(CBF)を示す画像を概略的に図解した図である。
【図10】図10は動脈入力関数(AIF)の立ち上がり部分にノイズによる瞬間的な低下が見られるAIFとその平滑処理結果を示すグラフである。
【符号の説明】
100・・マグネットシステム
102・・主磁場コイル部
106・・勾配コイル部
108・・RFコイル部
130・・勾配コイル駆動部 140・・RFコイル駆動部
150・・データ収集部 160・・制御部
170・・データ処理部 180・・表示部
190・・操作部
300・・被検体 500・・クレードル[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an image signal processing method and an image signal processing device using the same.
In particular, the present invention provides a magnetic resonance imaging (MRI) apparatus configured to form an image using an MR signal detected by using a magnetic resonance (MR) phenomenon, and an X-ray tomographic imaging signal. The present invention relates to a diagnostic image signal processing device such as a CT (Computed Tomography) device and a diagnostic image signal processing method.
Specifically, the present invention relates to perfusion image processing (Perfusion Imaging) in which, for example, in an MRI apparatus, an image is formed using a change in the intensity of a signal indicating a contrast agent obtained when a contrast agent is injected into a blood vessel. As preprocessing, an image signal processing method for accurately and automatically detecting a first pass (first wave) period of an arterial input function (AIF), and applying such an image signal processing method MRI apparatus. Similarly, according to the present invention, the first pass period is accurately set as a pre-process for performing image processing using information indicating the presence of a contrast agent included in an X-ray tomographic imaging signal obtained when a contrast agent is injected into a blood vessel. In addition, the present invention relates to an image signal processing method for automatically detecting an image signal and a CT apparatus to which such an image signal processing method is applied.
[0002]
[Prior art]
In the MRI apparatus, as a method of generating a perfusion image (Perfusion Image) using an MR signal, (1) a method using a change in the intensity of a signal due to injection of a contrast agent, (2) a pulse is applied from the outside, thereby There are known a method of observing the flow of labeled spin, (3) a method of using oxyhemoglobin and an intrinsic signal intensity change due to a change in oxyhemoglobin (BOLD method), and the like.
In particular, the present invention relates to a method that utilizes a change in signal intensity due to a contrast agent injection.
[0003]
Contrast-enhanced MRA (or MR-Contrast-Perfusion Imaging) is known in which a contrast agent is injected intravenously (intravenously) and the contrast of the blood in the artery due to the T1 shortening effect is imaged. ing.
In contrast-enhanced MRA, an image close to ordinary angiography can be obtained by a T1 shortening effect that depends on the concentration of gadolinium (Gd) used as a contrast agent. Therefore, cerebral blood flow (CBF) can be imaged by contrast-enhanced MRA, and a perfusion image of the whole brain can be obtained. Using such a perfusion image, each part of the brain can be imaged. Various diagnoses have been made.
The MR-contrast perfusion image signal processing method also has the advantage that the subject is not exposed and the examination time is short, and is attracting attention as a quantification method.
[0004]
On the other hand, the MR-contrast perfusion image signal processing method has encountered many problems to be overcome to establish a quantification method, such as insufficient accuracy of the MR-contrast perfusion image.
[0005]
[Non-patent document 1]
Katrin A. Rempp, Etc: Quantification of Regional Cerebral Blood Flow and Volume with Volume Dynamic Susceptibility Contrast-enhanced, Radiology, No. 19, No. 3, No. 19, No. 19, No. 19, No. 34, No. 19, No. 19, No. 19, No. 19, No. 19, No. 19, No. 34, No. 19, No. 19, No. 19, No. 19, No. 19, No. 34, No. 19, No. 19, No. 19, No. 19, No. 19, No. 19, No. 19, No. 19, No. 19, No. 34, No. 19, No. 19, No. 19, No. 19, No. 19, No. 19, No. 19, No. 19, No. 19, No. 19, No. 19, No. 19, Revolution, Etc.
[Non-patent document 2]
Shigeki Aoki: MRI perfusion image. Image Diagnosis, Vol. 19, No10, 1999
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
A quantification method will be described as one of the problems of the MR-contrast perfusion image signal processing method.
As a quantification method, a quantification analysis method using a deconvolution method (Deconvolution) is considered to be an effective method. However, in the quantitative analysis of the MR-perfusion image, the determination of the arterial input function (AIF) greatly affects the result of the quantitative analysis. In other words, in the quantitative analysis based on the perfusion image processing, the accuracy of the arterial input function (AIF) greatly affects the quantitative value of the cerebral blood flow (CBF).
[0007]
FIG. 1 shows how an arterial input function (AIF) (or contrast agent concentration) obtained by collecting MR signals indicating the presence of a contrast agent in a cerebral artery for a plurality of pixels when an intravenous contrast agent is injected changes over time. 6 is a contrast agent concentration / time change graph (or a contrast agent concentration curve graph or a tissue concentration curve graph) showing whether the change occurs. The abscissa indicates the passage of time, and the ordinate indicates the arterial input function (AIF) (contrast agent concentration).
When a predetermined time elapses from the time point t = 0 when the contrast medium is intravenously injected, the contrast medium once passes through the artery of the brain as a first pass, and then a small amount of the contrast medium passes through the vein and the heart. Again, it enters the brain artery as a second pass. The minute amount of the contrast agent of the second wave becomes noise on the image signal.
[0008]
In the quantitative analysis using the perfusion image, the tissue concentration is usually considered using the arterial input function (AIF) of the first pass period for each pixel or a plurality of pixels. Therefore, in order to accurately perform quantitative analysis based on perfusion image processing, it is necessary to exclude the AIF in the second pass period as noise and accurately detect the AIF in the first pass period. In other words, the first pass (first wave signal) period and the second pass (second wave signal) period in the tissue concentration curve (contrast agent concentration curve) are divided (identified), and the second pass period It is known that eliminating the influence of AIF improves the accuracy of quantitative analysis results.
[0009]
As a method of identifying the first pass period, as shown in FIG. 1, an arterial input function (AIF) for each pixel or a plurality of pixels is used as a tissue concentration curve (contrast agent concentration curve). This is a method in which a doctor, a technician, or the like (hereinafter, referred to as an operator) who displays a tissue concentration curve on a display device and uses the MRI apparatus observes the displayed tissue concentration curve and visually determines the first pass period.
However, such a method cannot avoid the variation caused by the individual difference of the operator, the degree of training (or the degree of proficiency), etc. in the determination of the start position and the end position of the first pass period. I have encountered the problem of variation. In particular, if the first pass period and the second pass period are close to each other, it becomes difficult to identify them.
In addition, various high-frequency noises are superimposed on the MR signal and the waveform is disturbed, and the operator discriminates the level at which the contrast agent does not substantially exist and the position at which the contrast agent concentration reaches the maximum value. Can be difficult.
[0010]
As a method of eliminating the influence of noise superimposed on each MR signal described above, an average tissue density curve of the entire brain is obtained by averaging the MR signal for the entire brain and canceling the noise. Attempts have also been made to manually determine the first pass period. However, such an approach raises the following problems.
As illustrated in FIG. 2, actually, the flow rate of the blood in the artery illustrated in the curve CV1 is different from the flow rate of the blood in the vein illustrated in the curve CV2, the flow rate of the blood in the muscle tissue illustrated in the curve CV3, and the like. Faster than the organization. That is, the first path to the arterial input function (AIF) arrives much earlier than the first path of other tissues, such as veins and muscle tissue. Therefore, the second pass period of the contrast agent flowing through the artery also arrives earlier than the second pass period of another tissue. Therefore, when the quantitative analysis is performed using the first pass period of the vein or muscle tissue, the second pass period of the AIF is also included in the first pass period. As a result, it has a serious adverse effect on the results of the quantitative analysis.
[0011]
FIG. 3 is a graph showing an average tissue concentration curve CVAV of the whole brain such as arteries, veins, and muscle tissues, and a curve CVAIF of an arterial input function (AIF).
When the first pass period is determined for the arterial input function (AIF) using the average tissue concentration curve CVAV of the whole brain, the determined first pass period is not suitable for determining the first pass period of the AIF.
As described above, the whole brain average is not suitable for determining the first pass period of the AIF, and if it is used, it is impossible to avoid an error in the quantification value due to an artificial cause.
[0012]
As a method of overcoming the above-mentioned problem caused by noise, signal processing using a computer or the like can be considered. However, various noises are superimposed on the MR signal, and there is a need for a solution that can cope with the various types of noise even when performing signal processing by a computer. Various noise modes will be described in the embodiments.
[0013]
As described above, the perfusion image processing for the arterial input function (AIF) of the brain part in the MRI apparatus has been mainly described. However, the same problem as described above is encountered in other test sites.
[0014]
Although the identification of the first pass period in the MRI apparatus has been described by way of example, the above-described problem is not limited to the MRI apparatus. For example, the brain part and other test sites are injected using a contrast agent by using a CT apparatus. The same applies to the case of CT scanning.
Of course, a similar problem is encountered in image preprocessing in another diagnostic apparatus that performs image reconstruction by intravenous injection of a contrast agent other than the MRI apparatus and the CT apparatus.
[0015]
An object of the present invention is to generate an image in which the state is detected by injecting a contrast agent, when a signal in a second pass (second wave) period becomes a noise component in a time period, or when noise is included in each signal. Is superimposed accurately and automatically for each pixel of the image or for each minute unit period to be diagnosed, such as a plurality of pixels, of the first pass of the contrast agent substantially. It is an object of the present invention to provide an image signal processing method and an image signal processing device which can identify (determine) a period from the start to the end of the existence (first pass period).
[0016]
It is another object of the present invention to accurately identify the first pass period as described above, and to improve the accuracy of quantitative analysis using a reconstructed image result by performing image processing using a signal using the first pass period. is there.
[0017]
[Means for Solving the Problems]
According to the first aspect of the present invention, (a) a contrast agent concentration signal indicating a contrast agent concentration into which a contrast agent is intravenously injected is continuously input, and (b) the continuously input image is reconstructed. The contrast agent density signal for one pixel or a plurality of pixels at that time is subjected to smoothing processing in accordance with the lapse of the continuously input time, and (c) the maximum value of the smoothed contrast agent density signal is obtained; With reference to the maximum value of the determined contrast agent concentration signal, a first threshold value for determining the start of substantial presence of the contrast agent included in the continuously input contrast agent concentration signal, and Calculating a second threshold value for determining the end of the substantial presence of the contrast agent contained in the continuously input contrast agent concentration signal; and (e) calculating the smoothed contrast agent concentration signal and the first contrast agent concentration signal. Determine the onset of substantial presence of the contrast agent by comparing the thresholds of The determining termination of a substantial presence of the contrast agent by comparing the smoothed contrast agent concentration signal and the second threshold value, the image signal processing method is provided.
[0018]
According to a second aspect of the present invention, a means for continuously inputting a contrast agent concentration signal indicating a contrast agent concentration into which a contrast agent has been intravenously injected, and one pixel for reconstructing the continuously input image Means for smoothing the contrast agent density signal for one minute or a plurality of pixels in accordance with the lapse of the continuously input time, means for obtaining the maximum value of the smoothed contrast agent density signal, and the obtained contrast agent density A first threshold value for determining the start of substantial presence of the contrast agent contained in the continuously input contrast agent concentration signal with reference to the maximum value of the signal, and the continuously input contrast agent Means for calculating a second threshold value for determining the end of substantial presence of the contrast agent contained in the density signal, and comparing the smoothed contrast agent density signal with the first threshold value Determine the onset of substantial presence of the contrast agent , And means for determining the end of the substantial presence of the contrast agent by comparing the smoothed contrast agent concentration signal and the second threshold value, the image signal processing apparatus is provided.
[0019]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
An MRI apparatus and a signal processing method in the MRI apparatus will be described as an example of the image signal processing apparatus and the image signal processing method of the present invention.
[0020]
FIG. 4 is a configuration diagram of the MRI apparatus according to the first embodiment of the present invention.
The MRI apparatus illustrated in FIG. 4 includes a magnet system 100, a
[0021]
The magnet system 100 includes a main magnetic field coil unit 102, a gradient coil unit 106, and an RF (Radio-Frequency) coil unit 108, and is installed in a scan room that is shielded from electromagnetic waves and magnetism.
The main magnetic field coil unit 102, the gradient coil unit 106, and the RF (Radio-Frequency) coil unit 108 are formed in a substantially cylindrical shape, and a
[0022]
The main magnetic field coil unit 102 forms a static magnetic field in the bore of the magnet system 100. The direction of the static magnetic field is substantially parallel to the body axis direction of the
In the present embodiment, an example is shown in which main magnetic field coil section 102 is formed of a permanent magnet such as a superconducting magnet. Therefore, a drive unit for the main magnetic field coil unit 102 is not provided.
[0023]
The gradient
[0024]
The RF coil unit 108 has a transmission coil and a reception coil. The transmission coil and the reception coil may each be provided with two dedicated coils, or both may be shared and only one coil may be provided. The RF
[0025]
The
[0026]
The
Hereinafter, in the present specification, the
The reconstructed image obtained by processing in the
[0027]
The
[0028]
The
[0029]
Schematic operation of MRI system
An operator who operates the MRI apparatus instructs a desired MRI operation from the
The
The
[0030]
For example, a doctor injects (intravenously) an MR contrast agent, for example, a contrast agent of a gadolinium (Gd) compound into a
[0031]
The receiving coil of the RF coil unit 108 continuously detects an MR signal which is an electromagnetic wave generated by the excited spin.
The
As described above, the
[0032]
In the present embodiment, basically, the first pass period of the contrast agent density for one pixel of the reconstructed image is determined.
However, in practice, the arterial input function (AIF) is used, so in the present embodiment, the MR signal continuously input to the
[0033]
Processing method of the first example
Hereinafter, as the preprocessing of the perfusion image processing performed in the
FIG. 5 shows image pre-processing performed on the MR signals continuously collected by the
[0034]
Step 1: MR signal input
The
[0035]
Step 2: AIF calculation
For the MR signals continuously stored in the memory of the
[0036]
When the
[0037]
Step 3: AIF smoothing process
The
[0038]
(Equation 3)
[0039]
Equation 2 means that, for i <n, a moving average H (i) ′ for 1 to n (j) is obtained for the i-th artery input function (AIF), H (i + j).
[0040]
In the present embodiment, TR = 1 to 2 seconds, and n is 4, for example. That is, a moving average process is performed on the arterial input function (AIF) based on the MR signal detected at a period of 1 to 2 seconds for every four.
Of course, n = 4 is an example, and n can be determined according to the superimposed state of the noise, the MR signal detection cycle, and the like.
[0041]
Step 4: Tilt calculation
The
That is, since the gradient G (i) = 0 is a maximum value or a minimum value, if a point where G (i) = 0 is first found along the direction in which the contrast agent concentration increases, the point is smoothed. This is the maximum value Hmax of the obtained AIF. Next, when a point where G (i) = 0 is found along the direction in which the contrast agent concentration decreases from the maximum value Hmax, that point is the minimum value Hmin of the smoothed AIF.
[0042]
Step 5: Search for maximum value
The
[0043]
Step 6: Calculate the first threshold value and determine the start point of the first pass period
The
In the present embodiment, the starting point is determined with reference to the first threshold value Hmax / p1 obtained based on the detected maximum value Hmax, instead of the absolute value where the first threshold value Hmax / p1 is fixed. Therefore, there is an advantage that an optimum starting point can be determined according to the situation of the contrast agent concentration.
[0044]
The first threshold value parameter p1 that defines the first threshold value Hmax / p1 is such that the first threshold value Hmax / p1 is, for example, a value of 25% of the maximum value Hmax expected at the test site. (When p1 = 4).
If the first threshold value Hmax / p1 is large, the reliability of detecting the start point of the first pass period is high, but the detection of the start point is delayed. Conversely, if the first threshold value Hmax / p1 is small, the reliability of detecting the start point of the first pass period is low, but the start point can be detected without delay. The threshold parameter p1 can be empirically determined in consideration of such circumstances.
In addition, the first threshold value Hmax / p1 can be determined according to the test site.
Further, the first threshold value Hmax / p1 can be determined according to the profile (shape) of the contrast agent concentration curve of the arterial input function (AIF).
[0045]
Step 7: Search for minimum value
The
If the point where G (i) = 0 is found as the first position along the direction in which the contrast agent concentration decreases from the detected maximum value Hmax, that point is the minimum value Hmin of the AIF.
[0046]
Step 8: Calculate the second threshold, determine the end point of the first pass period
The
Next, the
In the present embodiment, the end point is determined not based on the absolute value of the second threshold value Hmin / p2 but on the basis of the detected minimum value Hmin. There is an advantage that the end point can be determined.
[0047]
The second threshold value parameter p2 that defines the second threshold value Hmin / p2 is such that the second threshold value Hmin / p2 is, for example, a value of 25% of the maximum value Hmax expected at the test site. (When p2 = 4).
If the second threshold value Hmin / p2 is large, the reliability of detecting the end point of the first pass period is high, but the end point is detected earlier and the first pass period becomes narrower. Conversely, when the second threshold value Hmin / p2 is small, the reliability of detecting the end point of the first pass period is reduced, but the end point is not detected earlier. In consideration of such circumstances, the threshold value parameter p2 can be empirically determined.
Further, the second threshold value Hmin / p2 can be determined according to the test site.
Further, the second threshold value Hmin / p2 can be determined according to the state of the contrast agent concentration curve of the arterial input function (AIF).
[0048]
Step 9: Save results
The
These stored data, especially AIF, is used for perfusion image processing in the
[0049]
In the above-described processing, the processing of step 7 can be performed after step 5, and steps 6 and 8, which have no restriction on the temporal order, can be performed in the same processing step.
[0050]
Processing method of the second example
FIG. 6 is a flowchart illustrating a process performed by the
The only difference between the processing described with reference to FIG. 5 and the processing illustrated in FIG. 6 is that the second threshold value and the method of detecting the end point in step 8A illustrated in FIG. 6 are different. Hereinafter, the differences will be mainly described.
[0051]
Step 8A: Calculation of Second Threshold, Determination of End Point of First Pass Period
The
Further, the
[0052]
Comparing the processing of step 8A of the second example with the processing of step 8 of the first example described with reference to FIG. 5, the second threshold uses a maximum value Hmax that has a large amplitude and can be detected accurately. Therefore, there is an advantage that the reliability of the threshold value determination is increased.
Of course, since the position before the position of the minimum value Hmin is set as the end point of the first pass period of the arterial input function (AIF), the detection of the end point of the first pass period is more reliable.
[0053]
Also in the second example, the end point is determined based on the detected maximum value Hmax instead of the absolute value in which the second threshold value is fixed. Therefore, the end point is determined based on the state of the contrast agent concentration. There is an advantage that you can.
[0054]
The second threshold value parameter p3 that defines the second threshold value Hmax / p3 is such that the second threshold value Hmax / p3 is, for example, a value of 25% of the maximum value Hmax expected at the test site. (When p3 = 4).
If the second threshold value Hmax / p3 is large, the reliability of detecting the end point of the first pass period is high, but the end point is detected earlier and the first pass period is narrowed. Conversely, if the second threshold value Hmax / p3 is small, the detection of the end point is not accelerated. Of course, since the end point is detected before the minimum value Hmin, the reliability of detection of the end point does not decrease. Considering such circumstances, the threshold parameter p3 can be empirically determined.
Further, the second threshold value Hmax / p3 can be determined according to the test site.
Further, the second threshold value Hmax / p3 can be determined according to the state of the contrast agent concentration curve of the arterial input function (AIF).
[0055]
In the processing described above with reference to FIG. 6 as well, the processing in step 7 after step 5 can be performed, and steps 6 and 8A with no restriction on the temporal order can be performed in the same processing step.
[0056]
Comprehensive explanation of processing contents
The entire contents of the above-described processing will be described by exemplifying the case of the processing in step 8A illustrated in FIG.
In MR-contrast perfusion image processing, when a contrast agent is injected intravenously, the intensity of a signal (arterial input function (AIF)) indicating the concentration of the contrast agent indicated by the MR signal rapidly changes. Therefore, as illustrated in FIGS. 1 and 3, the slope of the AIF indicated by the contrast agent concentration curve (or the arterial input function curve) increases. Conversely, as the contrast agent leaves the blood vessel or tissue, the signal intensity of the AIF decreases. The ideal state returns to the original image intensity (see FIG. 1). However, once the contrast agent slightly remains, it passes through the vein once and reenters the artery. This causes the second path to become noise.
In a portion where the image intensity of the AIF changes greatly, the inclination of the AIF changes greatly. Therefore, in the present embodiment, basically, each point of the AIF in the contrast agent concentration curve is differentiated to obtain its slope, and the first pass period is detected using the value as an index for evaluation.
However, since the AIF is calculated using a very small ROI (usually, the number of pixels is usually 10 or less), the AIF is greatly affected by noise, and it is erroneous to determine the first pass period using only the differential value of the AIF. Invite judgment.
[0057]
Hereinafter, a specific description will be given with reference to the contrast agent concentration curves of the exemplary arterial input function (AIF) illustrated in FIGS. 7A, 8, and 10.
Various noises are superimposed on each MR signal. Although the arterial input function (AIF) calculated from a plurality of MR signals is partially noise-free, but is an AIF calculated by calculating a very small ROI, FIG. 7A, FIG. As illustrated in FIG. 10, the effects of noise still remain.
[0058]
The graph illustrated in FIG. 7A shows that the first pass period and the second pass period of the arterial input function (AIF) illustrated in FIG. 1 or FIG. 3 are relatively separated, but high frequency noise is included in the MR signal. This shows a state in which they are superimposed. A curve indicated by a broken line CV11 indicates an artery input function (AIF) that is not affected by noise, and a curve indicated by a solid line CV12 indicates an artery input function (AIF) on which noise is superimposed.
Such random high-frequency noise is canceled by the moving average processing shown in
If the slope is calculated by differentiating the smoothed AIF indicated by the solid line CV13 in FIG. 7B, the point a1 can be detected as the maximum value Hmax in Step 5, and in Step 6, the first threshold value Hmax / p1 is calculated. The point a2 can be detected as the start point of the first pass period, the minimum value Hmin can be detected from a3 in step 7, and the point a4 can be detected as the end point of the first pass period from the second threshold value Hmax / p3 in step 8. it can.
[0059]
From the above, it can be understood that the first pass period can be accurately detected without any problem when the high frequency noise is simply superimposed. Therefore, it is assumed that there is no problem when mere high-frequency noise is superimposed, and a case where other noise occurs is described.
[0060]
A curve CV21 indicated by a solid line in FIG. 8 is a contrast agent concentration curve of the arterial input function (AIF) including two local maximum values b1 and b2 near the maximum value. Since the AIF is calculated using a very small ROI (usually, the number of pixels is usually 10 or less), the AIF illustrated in the curve CV21 may be obtained under the influence of noise. Looking only at the slope of this curve, if the b1 part is detected as the peak point indicating the maximum value, the differential value is reversed at the b2 part, so the b2 point is detected as the end point of the first pass period.
In order to avoid such an erroneous decision due to the influence of noise, the AIF is smoothed in step 3 before the AIF is differentiated in step 4 to obtain the slope of the AIF. The result is shown as a curve CV22 indicated by a broken line. In the curve CV22, one new maximum value b3 is interpolated between the two maximum values b1 and b2, and the entire AIF is also smoothed. However, the original AIF was not lost. Therefore, as illustrated in FIG. 8, the first pass period can be accurately determined using the first threshold value Hmax / p1 and the second threshold value Hmax / p3.
[0061]
FIG. 9 shows an example of a perfusion image of the cerebral blood flow (CBF) of the brain reconstructed after performing the preprocessing described with reference to FIG. Although not an accurate illustration due to the limitation of the illustration, a hatched portion indicates the CBF displayed in red. Even in the arterial input function (AIF) such as the curve CV21 in FIG. 8, the CBF is clearly imaged.
Comparing the CBF illustrated in FIG. 9 with the CBF based on Proton Emission Tomography (PET), it was found that the CBF had a very high correlation with the CBF based on PET.
[0062]
A curve CV31 indicated by a solid line in FIG. 10 is an AIF contrast agent concentration curve in which the rising portion of the arterial input function (AIF) is instantaneously reduced to 0 or less due to noise. Such noise is corrected by the AIF smoothing process in step 3 as shown by the curve CV32 indicated by the broken line. By the processing after step 4, the first pass period can be accurately detected as described above.
[0063]
Other application examples
The image signal processing method of the present invention can be applied not only to the contrast agent concentration curve of the arterial input function (AIF), but also to detection of other specific periods.
Further, the image signal processing method of the present invention can be applied not only to AIF but also to other contrast agent concentration curves such as muscle tissue.
[0064]
Although the arterial input function (AIF) has been described in the above-described embodiment, the image signal processing method of the present invention can be basically applied to a signal for each pixel. That is, according to the image signal processing method of the present invention, the first pass period can be accurately detected for each pixel (in a pixel by pixel).
[0065]
Further, the present invention is not limited to the MRI apparatus, and can be applied to the detection of the first pass period as preprocessing in CT-perfusion image processing using a contrast agent. The same problem as in the processing, that is, the inaccuracy of the determination of the first pass period and the resulting lack of accuracy of the cerebral blood flow (CBF) map can be improved.
[0066]
【The invention's effect】
According to the present invention, even when the original detection signal used in the MR contrast perfusion image signal processing method, the CT contrast perfusion image signal processing method, and the like is affected by various kinds of noise, the influence of the noise is eliminated by smoothing processing. Furthermore, an appropriate threshold value can be set, and the first pass period can be detected accurately and automatically.
Further, according to the present invention, the accuracy of the perfusion image can be improved by using the signal of the first pass period that is accurately detected by performing the preprocessing.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a graph showing a contrast agent concentration / time change graph.
FIG. 2 is a graph illustrating the flow rate of blood in an artery, the flow rate of blood in a vein, and the flow rate of blood in a muscle tissue.
FIG. 3 is a graph showing an average tissue concentration curve CVAV of the whole brain such as arteries, veins, and muscle tissues, and a curve CVAIF of an arterial input function (AIF).
FIG. 4 is a configuration diagram of an MRI apparatus as a first embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a flowchart showing a process as a first example of detecting a first pass period of an arterial input function (AIF) performed by the data processing unit illustrated in FIG. 4;
FIG. 6 is a flowchart illustrating a process as a second example of detecting the first pass period of the arterial input function (AIF) performed by the data processing unit illustrated in FIG. 4;
7A is a graph showing a contrast agent concentration curve of an arterial input function (AIF) when high frequency noise is superimposed on an MR signal, and FIG. 7B is a graph showing a smoothed AIF of the present invention. 3 is a graph showing a contrast agent concentration curve of FIG.
FIG. 8 is a contrast agent concentration curve of an arterial input function (AIF) including two maximum values b1 and b2 near the maximum value.
FIG. 9 is a diagram schematically illustrating an image showing a cerebral blood flow (CBF) generated by using a signal of a first pass period obtained by processing the arterial input function (AIF) of FIG. 8; It is.
FIG. 10 is a graph showing an AIF in which an instantaneous decrease due to noise is observed in a rising portion of an arterial input function (AIF), and a result of the smoothing process.
[Explanation of symbols]
100 magnet system
102 ・ ・ Main magnetic field coil
106..Gradient coil section
108 RF coil part
130 ・ ・
150
170
190 ・ ・ Operation unit
300 subject 500 cradle
Claims (14)
画像再構成するときの1ピクセル分または複数ピクセル分の前記連続的に入力された造影剤濃度信号を前記連続的に入力された時間経過に従って平滑処理し、
前記平滑処理された造影剤濃度信号の最大値を求め、
前記求めた造影剤濃度信号の最大値を参照して、前記連続的に入力した造影剤濃度信号に含まれる造影剤の実質的な存在の開始を求めるための第1しきい値、および、前記連続的に入力した造影剤濃度信号に含まれる造影剤の実質的な存在の終了を求めるための第2しきい値を算出し、
前記平滑処理された造影剤濃度信号と前記第1のしきい値を比較して前記造影剤の実質的な存在の開始を決定し、前記平滑処理された造影剤濃度信号と前記第2のしきい値を比較して前記造影剤の実質的な存在の終了を決定する
画像信号処理方法。Contrast agent concentration signal indicating the contrast agent concentration intravenously injected contrast agent is continuously input,
Smoothing the continuously input contrast agent density signal for one pixel or a plurality of pixels when reconstructing an image according to the continuously input time lapse;
Find the maximum value of the smoothed contrast agent concentration signal,
With reference to the maximum value of the determined contrast agent concentration signal, a first threshold value for determining the start of substantial presence of the contrast agent included in the continuously input contrast agent concentration signal, and Calculating a second threshold value for determining the end of the substantial presence of the contrast agent contained in the continuously input contrast agent concentration signal;
Comparing the smoothed contrast agent concentration signal with the first threshold to determine the onset of substantial presence of the contrast agent, and determining the smoothed contrast agent concentration signal with the second threshold; An image signal processing method for comparing thresholds to determine the end of substantial presence of the contrast agent.
請求項1記載の画像信号処理方法。Reconstructing an image using the contrast agent concentration signal between the start and end of the substantial presence of the determined contrast agent,
The image signal processing method according to claim 1.
前記複数ピクセル分の造影剤濃度信号は、動脈入力関数(AIF)を示す信号である、
請求項1記載の画像信号処理方法。The continuously input contrast agent concentration signal is an MR signal detected in the MRI apparatus after intravenous injection of the contrast agent,
The contrast agent concentration signal for the plurality of pixels is a signal indicating an arterial input function (AIF).
The image signal processing method according to claim 1.
請求項3記載の画像信号処理方法。
The image signal processing method according to claim 3.
請求項1〜4いずれか記載の画像信号処理方法。The first threshold value is defined by Hmax / p1 (where Hmax is a maximum value and p1 is a first threshold value parameter).
The image signal processing method according to claim 1.
請求項5記載の画像信号処理方法。The second threshold value is defined by Hmax / p3 (where Hmax is a maximum value and p3 is a second threshold value parameter).
An image signal processing method according to claim 5.
請求項1記載の画像信号処理方法。The continuously input contrast agent concentration signal is an XG tomographic imaging signal detected by the CT device after intravenous injection of the contrast agent.
The image signal processing method according to claim 1.
前記連続的に入力された画像再構成するときの1ピクセル分または複数ピクセル分の造影剤濃度信号を前記連続的に入力された時間経過に従って平滑処理する手段と、
前記平滑処理された造影剤濃度信号の最大値を求める手段と、
前記求めた造影剤濃度信号の最大値を参照して前記連続的に入力した造影剤濃度信号に含まれる造影剤の実質的な存在の開始を求めるための第1しきい値、および、前記入力した造影剤濃度信号に含まれる造影剤の実質的な存在の終了を求めるための第2しきい値を算出する手段と、
前記平滑処理された造影剤濃度信号と前記第1のしきい値を比較して前記造影剤の実質的な存在の開始を決定し、前記平滑処理された造影剤濃度信号と前記第2のしきい値を比較して前記造影剤の実質的な存在の終了を決定する手段と
を有する、画像信号処理装置。Means for continuously inputting a contrast agent concentration signal indicating a contrast agent concentration obtained by intravenously injecting a contrast agent,
Means for smoothing the contrast agent density signal for one pixel or a plurality of pixels when the continuously input image is reconstructed in accordance with the lapse of the continuously input time;
Means for determining the maximum value of the smoothed contrast agent concentration signal,
A first threshold value for determining the start of substantial presence of a contrast agent contained in the continuously input contrast agent concentration signal with reference to the maximum value of the determined contrast agent concentration signal; and Means for calculating a second threshold value for determining the end of the substantial presence of the contrast agent included in the contrast agent concentration signal obtained,
Comparing the smoothed contrast agent concentration signal with the first threshold to determine the onset of substantial presence of the contrast agent, and determining the smoothed contrast agent concentration signal with the second threshold; Means for comparing thresholds to determine the end of substantial presence of the contrast agent.
請求項8記載の画像信号処理装置。Means for reconstructing an image using the contrast agent concentration signal between the start and end of the substantial presence of the determined contrast agent,
The image signal processing device according to claim 8.
前記複数ピクセル分の造影剤濃度信号は、動脈入力関数(AIF)を示す信号である、
請求項8記載の画像信号処理装置。The continuously input contrast agent concentration signal is an MR signal detected in the MRI apparatus after intravenous injection of the contrast agent,
The contrast agent concentration signal for the plurality of pixels is a signal indicating an arterial input function (AIF).
The image signal processing device according to claim 8.
請求項10記載の画像信号処理装置。
The image signal processing device according to claim 10.
請求項8〜11いずれか記載の画像信号処理装置。The first threshold value is defined by Hmax / p1 (where Hmax is a maximum value and p1 is a first threshold value parameter).
The image signal processing device according to claim 8.
請求項11記載の画像信号処理装置。The second threshold value is defined by Hmax / p3 (where Hmax is a maximum value and p3 is a second threshold value parameter).
The image signal processing device according to claim 11.
請求項8記載の画像信号処理装置。The continuously input contrast agent concentration signal is an XG tomographic imaging signal detected by the CT device after intravenous injection of the contrast agent.
The image signal processing device according to claim 8.
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