JP2006508746A - Mriにおける等方性撮像用の複数撮像平面の融合並びに等方性又は近似的等方性撮像を用いた量的画像解析 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明によれば、身体部分について取られた画像の解像度及び/又は組織のセグメンテーションを改良する方法が記載される。この方法は、典型的に、異なる平面内の少なくとも2個の画像を収集することと、全方向で同程度の(例えば、高い)解像度を得るように、その画像を組合せることを含む。その画像は、例えば、MRIを用いることによって収集することができる。しかしながら、他の撮像装置が入手できるので、当業者は、これらの手法が、本発明の範囲から逸脱することなく、他の撮像装置にも提供することができることを認識するだろう。
MRIを一般用語で記載すると、生体組織内の全てのプロトンは、正味の磁化又は方向をランダムに発生しない固有磁気モーメントとスピンを有する。検体がMRスキャナの磁場内に配置される時、プロトンは、スピンと、低エネルギー状態と高エネルギー状態に夫々対応する磁場B0の方向に平行又は非平行な整列とを続ける。MR検査の途中に、高周波(RF)パルスB1が、B0に垂直に設定された送信コイルから試料に印加されると共に、プロトンは、瞬間的に整列から傾斜して、静的磁場B0の軸心の回りに生じた正味の横磁化の歳差運動が、MR信号として検出される受信コイルの両端をまたぐ電圧を生成する。基本的なMRI原理と手法の一般的な説明のために、マーク・エー・ブラウン(Mark A. Brown)及びリチャード・シー・セーメルカ(Richard C. Semelka)著「MRI基本原理と応用(MRI Basic Principles and Applications)」第2版、ウィリー・リス・インク(Wiley-Liss, Inc.)、1999年とハーグリーブス(Hargreaves)等の米国特許第6,219,571号を参照されたい。
MRIは、撮像されている領域の異なる部分のより良いコントラストをもたらすパルスシーケンスを用いる。異なるパルスシーケンスが、異なる解剖領域の視覚化により適している。2個以上のパルスシーケンスを同時に用いることができる。異なる型式のパルスシーケンスの簡単な説明が、2002年3月21日に公開されたアレクサンダー(Alexander)等の国際公開第02/22014号になされている。
ランダム熱運動の結果、試料内のプロトンのスピンは互いにコヒーレンスを失う。干渉性の喪失は、信号減衰に帰着する。MR信号がゼロに戻るのに要する時間は多くの要因に依存し、一要因は、エネルギー付与されたスピンがすぐ近くの環境に対して過剰エネルギーを失う速度である。この現象は、スピン格子又はT1緩和と呼ばれて、B0に平行な磁化に主に影響すると共に、スピンシステムからのエネルギーの正味の損失につながる。
勾配リコールエコー(GRE)撮像は、3D能力と、相対的に短いスキャン時間で高解像度画像を提供する能力とを有する。脂肪抑制3Dスポイル型勾配エコー(FS−3D−SPGR)撮像は、膝に典型的に生じるような硝子軟骨欠陥の検出において標準的なMR撮像より高感度であることが示された。
磁化移動撮像は、関節軟骨を近傍の関節分泌液と炎症を起こした滑膜から分離するのに使用することができる。
高速スピンエコー(FSE)撮像は、別の有用なパルスシーケンスMRI手法である。付随的な磁化移動コントラストが、高速スピンエコー画像の信号特性に貢献すると共に、組織間のコントラストを強調することができる。関節鏡関係の調査において、高速スピンエコー撮像の感度と特異性は87%と94%であると報告された。
エコープラナーイメージング(EPI)は、一連のエコーが単一の高周波(RF)パルスの後に直ちに誘起される。より詳しくは、RFパルスとスライス選択勾配が、選択したスライスに共鳴を励起するように印加され、位相エンコード勾配が、その共鳴を位相エンコードするように印加される。交番極性の一連の周波数エンコード勾配又は読取り勾配が連続的に印加される。各読取り勾配中に、磁気共鳴信号又はエコーが読出される。各読取り勾配の間に、位相エンコード勾配軸に沿う短いパルス又はブリップが、選択したスライスにおいて共鳴の位相エンコードを1ラインだけ増分させるように印加される。各エコーの1次元逆フーリエ変換が、読取り軸に沿うスピン分布の投影を提供する。位相エンコードされたエコーに沿う第2の逆フーリエ変換が、空間エンコードの第2の次元を提供する。典型的に、位相エンコード勾配ブリップは、完全な視野のためのデータが各RFパルスに続いて取られる適当な大きさに選択される。全サンプリング時間は、読取り勾配当たりのサンプリング点の数と位相エンコード勾配ステップの数によって決定される。
撮像におけるガドリニウムの使用は、いくつかの異なる形で行われてきた。例えば、ガドリニウムを含む薄い溶液が組織、例えば、関節に直接注入される直接磁気共鳴(MR)関節造影は、軟骨と関節造影剤の間のコントラストを改良する。侵襲性のより少ない静脈注射による間接MR関節造影を適用することもできる。ガドリニウム増強撮像は、損傷した軟骨等の軟部組織の長期的な評価に関わりを持つグリコサミノグリカン含有量を監視する可能性を有する。
開発された別の3D撮像方法は、被駆動平衡フーリエ変換(DEFT)パルスシーケンスに基づく(1997年9月30日に発行されたラング(Lang)等の米国特許第5,671,741号)と共に、軟部組織(例えば、軟骨)の撮像に専用にしてもよい。DEFTは、T2/T1強調と、関心構造を描くスピン密度コントラストとの間の効果的なトレードオフを提供する。ある組織/構造では、DEFTのコントラストノイズ比はスポイル型勾配エコー(SPGR)のよりも大きい。DEFTは、SPGRへの代替措置である。DEFTコントラストは、関節軟骨を撮像するのに非常にうまく適している。滑液は信号強度において高く、関節軟骨は信号強度において中間である。骨は暗く、脂質は、脂肪飽和パルスを用いて抑制される。
MR撮像は、1.5T(例えば、GE・SR−120高速勾配[184μsecの立上り時間で2.2ガウス/cm]を備えたGEシグマ)の磁場強度で動作するホールボディ磁石を使用して行うことができる。MR撮像の前に、Gd−DTPA(ニュージャージー州ウエイン(Wayne)のバーレックス(Berlex)社のMagnevist.RTM.)をドープした水(T1緩和時間=約1.0秒)を満たした外部マーカーを皮膚に当てることができる。外部マーカーは、全ての撮像調査の視野内に含めることができる。患者はスキャナ内に仰臥位置で配置されて、適当な領域が撮像される。軸方向スカウトシーケンスの後、冠状又は矢状のT1強調画像を、ボディコイル(スピンエコー、TR=500msec、TE=15msec、1励起(NEX)、行列256×128要素、視野(FOV)48cm、スライス厚7mm、スライス間隔1mm)を使用して収集することができる。次に、同じシーケンスパラメータを使用して冠状又は矢状の画像を得るように、スキャナテーブルを移動させることができる。これらのT1強調画像は、後で組織の構造を定義するのに使用することができる軸を識別するのに用いることができる。高速スカウトスキャンを、勾配エコーシーケンス(GRASS、2次元フーリエ変換(2DFT)、TR=50msec、TE=10msec、フリップ角40°、1励起(NEX)、行列256×128要素、視野(FOV)24cm、スライス厚7mm、スライス間隔3mm)を使用して軸方向平面に行うことができる。このスカウトスキャンは、身体部分に心出しした全ての後の高解像度撮像シーケンスを決定するのに使用することができる。それに加えて、スキャナソフトウエアを設けたグラフィック、画像ベースのシーケンス・プリスクリプション・モードを使用して、スカウトスキャンは、全ての外部マーカーが高解像度MRシーケンスの視野内に含まれることを確実することを支援し得る。
MR撮像は、又、0.5T垂直開放MR装置(ウィスコンシン州ミルウォーキーのゼネラルイレクトリックのGEシグマ)とMRトラッキングシステムを使用して行うことができる。MR撮像の前に、Gd−DTPA(ニュージャージー州ウエイン(Wayne)のバーレックス(Berlex)社のMagnevist.RTM.)をドープした水(T1緩和時間=約1.0秒)を満たした外部マーカーを皮膚に当てることができる。被検者を、磁石内に直立位置に配置することができる。身体部分は、主磁場に対して垂直になることができる。2DFT高速スピンエコーパルスシーケンスを、矢状平面(FSE、TR=400msec、TE=25msec、帯域幅7.8kHz、エコートレイン長8、3励起、スライス厚4mm、スライス間隔0.5mm、行列256×192要素、視野24cm)内で行うことができる。スキャン平面トラッキングを有するラピッドスキャン収集のために、高速の単一スライス勾配エコーパルスシーケンスを、矢状平面又は軸方向平面(GRASS、TR=14msec、TE=5msec、フリップ角40度、帯域幅32kHz、1励起、スライス厚4mm、行列256×128要素、視野20cm、時間的解像度2sec/画像)内で行うことができる。上下に解剖を十分にカバーするために、20cmの視野を選択することができる。
これらの撮像手法の存在にも拘わらず、2個以上の平面内の解像度は困難なままである。本発明によれば、MRIスキャン等の2個の別の画像からの少なくとも2個のデータ量を組合せて、等方性又は近似的等方性を有する単一データ量を形成するという解像度の困難を解消する方法が提供される。
本発明の別の実施の形態によれば、少なくとも2個の撮像スキャンから等方性又は近似的等方性MRIスキャンデータを製作する方法が提供される。
A×T=B
ここで、Aは、元の座標を有する行列であり、Tは変換行列であり、Bは新しい座標を有する行列である。上記系に対する解は次式で与えられる。
T=B×A−1
上述したように3D収集を使用することにより、又は、2個以上の2Dスキャンを融合することにより、3D・MR画像を得た後、及び、例えば、セグメンテーション手法を使用して1個以上の解剖対象を抽出した後、対象情報は、コンピュータプログラムを使用して表面表示に変換することができる。プログラムは、例えば、AVS・Express(マサチューセッツ州、ウォルサムのアドバーンスト・ビジュアル・システムズ社(Advanced Visual Systems Inc.))で展開することできる。各ボクセルは、関心対象内で無ければゼロの値又は1.5T・MRで記録する時の信号強度に応じて1から4095までの範囲の値を有する。次に、関心体積の境界要素に対応する等表面を計算することができる。この等表面の碁盤目状配列は、碁盤目状配列の各多角形の外方に向く垂線に沿って計算される。これらの多角形は、標準グラフィクスフォーマット(例えば、仮想現実モデリング言語、バージョン1.0:VRML出力言語)でファイルに書込むと共に、コンピュータ画面上に視覚化することができる。
220 物理的事項
300 ボクセル
330 ボクセル
360 ボクセル
400 矢状スキャン
450 冠状スキャン
500 インプラント設計
Claims (41)
- 第1画像データ量を生成する、身体部分の第1画像を第1平面内に得るステップと、第2画像データ量を生成する、前記身体部分の第2画像を第2平面内に得るステップと、第1及び第2画像データ量を組合せて、等方性の合成画像データ量を形成するステップとを備える画像解析方法。
- 前記組合せステップが、第1及び第2画像データ量から3次元位置における第1及び第2グレー値を得るステップと、第1及び第2グレー値から合成グレー値を補間するステップと、前記合成データ量の前記3次元位置におけるボクセルに、前記合成グレー値を割当てるステップとを備える請求項1に記載の画像解析方法。
- 第2画像が、第1画像から約0度と約180度の間の角度で取られる請求項1に記載の画像解析方法。
- 第1画像が第1角度で取られる一方、第2画像が第2角度で取られ、更に、第1角度は第2角度と等しくない請求項1に記載の画像解析方法。
- 第1画像が第1時間において取られる一方、第2画像が第2時間において取られる請求項1に記載の画像解析方法。
- 第2画像が、第1画像から約0度と約90度の間の角度で取られる請求項3に記載の画像解析方法。
- 合成画像データ量に応じて療法を選択するステップを更に備える請求項1に記載の画像解析方法。
- 合成画像データ量に応じて処置を選択するステップを更に備える請求項1に記載の画像解析方法。
- 他の平面と異なる平面内で身体部分の少なくとも1個の追加画像を得るステップを更に備え、又、追加画像が追加画像データ量を生成し、更に、追加画像データ量が、第1及び第2画像データ量と組合されて、合成データ量を形成する請求項1に記載の画像解析方法。
- 合成画像データ量から境界画像データ量を抽出するステップを更に備える請求項1に記載の画像解析方法。
- 等方性又は近似的等方性の画像データを製作する方法において、
第1平面内の第1画像から第1画像データ量を得るステップと、第2平面内の第2画像から第2画像データ量を得るステップと、第1及び第2画像データ量の各々から境界画像データを抽出するステップと、抽出された境界画像データを組合せて、合成画像データ量を形成するステップとを備える方法。 - 第1平面及び第2平面と異なる平面内の少なくとも1個の追加画像から、少なくとも1個の追加画像データ量を得るステップと、追加画像データ量から追加境界画像データを抽出するステップと、追加境界画像データを合成画像データ量と組合せるステップとを更に備える請求項11に記載の方法。
- 合成画像データ量が近似的等方性である請求項11に記載の方法。
- 合成画像データ量が等方性である請求項11に記載の方法。
- 第1平面が、第2平面に対して角度を成す請求項11に記載の方法。
- 前記角度が約0度と約180度の間である請求項15に記載の方法。
- 前記角度が約0度と約90度の間である請求項16に記載の方法。
- 3次元データ量を生成する方法において、
2個の異なる平面内に形成される少なくとも2個の画像から、少なくとも2個のデータ量を収集するステップと、データ量を組合せて、合成データ量を形成するステップと、合成データ量を使用して療法を選択するステップとを備える方法。 - 前記組合せステップが、各々のデータ量の各データ点のグレー値を得るステップと、グレー値から合成グレー値を補間するステップと、合成データ量の各データ点に合成グレー値を割当てるステップとを備える請求項18に記載の方法。
- 各々の平面内でスキャンされる表面に対応するデータを組合せる前に、該データを抽出するステップを更に備える請求項19に記載の方法。
- 2個のスキャンが、互いに90度で行われる請求項18に記載の方法。
- 3次元データを生成する方法において、
デフォルト解像度を有する第1データ量を製作する第1平面内に、第1画像を得るステップと、前記デフォルト解像度を有する第2データ量を製作する第2平面内に、第2画像を得るステップと、第1及び第2データ量を組合せて、合成解像度を有する合成データ量を製作するステップとを備える方法。 - 合成解像度がデフォルト解像度より大きい請求項22に記載の方法。
- 少なくとも第1平面と第2平面内で身体部分の少なくとも1個の画像を得て、第1平面が第1画像データ量を生成する一方、第2平面が第2画像データ量を生成するステップと、第1及び第2画像データ量を組合せて、等方性の合成画像データ量を形成するステップとを備える画像解析方法。
- 少なくとも第1平面と第2平面内で身体部分の少なくとも1個の画像を得て、第1平面が第1画像データ量を生成する一方、第2平面が第2画像データ量を生成するステップと、第1及び第2画像データ量を組合せて、近似的等方性の合成画像データ量を形成するステップとを備える画像解析方法。
- 3次元データ量を生成する方法において、
少なくとも第1画像と第2画像から少なくとも第1データ量と第2データ量を収集するステップと、第1データ量と第2データ量を組合せて、合成データ量を形成するステップと、合成データ量を利用して療法を監視するステップとを備え、又、第1画像は第1平面内で得られる一方、第2画像は第2平面内で得られ、更に、第1平面は第2平面と等しくない方法。 - 前記組合せステップが、各々のデータ量の各データ点のグレー値を得るステップと、グレー値から合成グレー値を補間するステップと、合成データ量の各データ点に合成グレー値を割当てるステップとを備える請求項26に記載の方法。
- 各々の平面内でスキャンされる表面に対応するデータを組合せる前に、該データを抽出するステップを更に備える請求項27に記載の方法。
- 2個のスキャンが、互いに90度で行われる請求項26に記載の方法。
- 前記療法が薬剤を含む請求項26に記載の方法。
- 前記療法が生体作用薬剤を含む請求項26に記載の方法。
- 前記療法が手術を含む請求項26に記載の方法。
- 第1データ量が第一時点T1で得られる一方、第2データ量が第2時点T2で得られる請求項26に記載の方法。
- 3次元データ量を生成する方法において、
2個の異なる平面内に形成される少なくとも2個の画像から、少なくとも2個のデータ量を収集するステップと、データ量を組合せて、合成データ量を形成するステップと、合成データ量を利用してインプラントを選択するステップとを備える方法。 - 前記組合せステップが、各々のデータ量の各データ点のグレー値を得るステップと、グレー値から合成グレー値を補間するステップと、合成データ量の各データ点に合成グレー値を割当てるステップとを備える請求項34に記載の方法。
- 各々の平面内でスキャンされる表面に対応するデータを組合せる前に、該データを抽出するステップを更に備える請求項35に記載の方法。
- 2個のスキャンが、互いに90度で行われる請求項34に記載の方法。
- 3次元データ量を生成する方法において、
2個の異なる平面内に形成される少なくとも2個の画像から、少なくとも2個のデータ量を収集するステップと、データ量を組合せて、合成データ量を形成するステップと、合成データ量を利用してインプラント形状を引出すステップとを備える方法。 - 前記組合せステップが、各々のデータ量の各データ点のグレー値を得るステップと、グレー値から合成グレー値を補間するステップと、合成データ量の各データ点に合成グレー値を割当てるステップとを備える請求項38に記載の方法。
- 各々の平面内でスキャンされる表面に対応するデータを組合せる前に、該データを抽出するステップを更に備える請求項39に記載の方法。
- 2個のスキャンが、互いに90度で行われる請求項38に記載の方法。
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