JP2007130462A - 左右対称の器官系の三次元画像の評価方法、医用画像撮影システムおよびコンピュータプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】左右で異なる状態を自動的に検出するために、左右対称の器官系の三次元画像の評価が広い部分で自動化される方法を提供する。
【解決手段】三次元画像（１）で左右対称の器官系（１１）をセグメント化し、セグメント化された器官系（１１）を変形させて、変形された器官系（１１’）がその外形に関して鏡面対称な２つの半分となるようにし、変形された器官系（１１’）の鏡面対称な両半分間の相違（１７）を、一方の半分と他方の半分との比較に基づいて求め、求められた相違（１７）を表示する。
【選択図】図１

Description

本発明は、左右対称の器官系の三次元画像の自動評価方法、この方法のための医用画像撮影システム、およびコンピュータプログラムに関する。

検査すべき患者の器官系の三次元画像を作成する撮像法は、医用画像化においてその優れた診断可能性からしっかり定着している。これに使用される方法、例えばコンピュータ断層撮影法または磁気共鳴断層撮影法によって大量のデータが生じる。例えば最近のコンピュータ断層撮影装置は数百ミリ秒に多数の断層画像を作成する。得られた大量の画像は、放射線専門医によってしばしば著しく長い時間を費やして評価される。さらに、大量のデータが評価される際に、状態が見過ごされる危険が増大する。

左右対称に位置する器官を評価する際、器官の両側を相互に比較しながら分析することは放射線専門医にとって役に立ち、それどころか必要であることがしばしばである。左右で異なる状態は先ず病気を明らかに示すことが多い。あるいは逆の場合、器官系の一方の半分がどうやら疑わしいと思われる状態は、この状態が器官系の他方の半分にも見いだされる場合には、無害な正常変化であると判明する。

特に腫瘍についての問題提起の際には大量のデータが評価されなければならない。というのは、しばしば患者の全身または少なくとも大部分をこれにより転移に典型的な病変について探さなければならないからである。典型的な例は、骨格の多くの箇所に現われることのある骨髄腫である。左右で異なる状態は可能性のある転移に関して特に疑わしいとみなされる。

このことから、疑わしい箇所を特別にマーキングし、次いでこの疑わしい箇所に使用者が注目するように使用者、特に放射線専門医を支援する自動的な評価方法に対する要求が高まっている。

特許文献１およびこの対応特許文献２には、それぞれ断層画像データに基づいた検査対象の結果画像の自動作成方法が開示されている。先ず診断上の問題提起に応じて目標の構造が求められ、形状がモデルパラメータに依存して変化可能である解剖学的な基準モデルが、自動的に目標の構造にマッチングされる。このマッチングさせた基準モデルに基づいてセグメンテーションが行なわれ、かつ診断上の問題提起に関して検査対象の重要な解剖学的構造が、基準モデルにより識別されることによって分離される。引き続き、その重要な解剖学的構造は分離されて視覚化され、および／または後からの視覚化のために記憶される。

特許文献３には、磁気共鳴断層撮影法装置を使用した人体の病変を求める方法が開示されている。３Ｄ画像データセットが自動的に同じ患者の古いデータセットおよび／または解剖地図と、病変を求めるために比較される。
独国特許出願公開第１０３５７２０５号明細書 米国特許出願公開第２００５／０１４８８５２号明細書 独国特許出願公開第１９９２０３００号明細書 米国特許出願公開第２００５／０１９０１８９号明細書

本発明の課題は、特に左右で異なる状態を自動的に検出するために、左右対称の器官系の三次元画像の評価が広い部分で自動化される方法を提供することである。さらに本発明の課題は、特に左右で異なる状態を自動的に検出するために、左右対称の器官系の三次元画像の評価が広い部分で自動化され、その結果使用者が効果的に支援される医用画像撮影システムおよびコンピュータプログラムを提供することである。

本発明の課題は、請求項１および７に記載の方法によって解決される。方法の有利な実施態様はその他の請求項に記載されている。さらに、本発明の課題は、請求項２０に記載の医用画像撮影システムおよび請求項２１に記載のコンピュータプログラムによって解決される。

請求項１に記載の本発明による左右対称の器官系の三次元画像の評価方法は次の処理ステップを有する。
三次元画像で左右対称の器官系をセグメント化するステップ、
セグメント化された器官系を変形させて、変形された器官系がその外形に関して鏡面対称な２つの半分となるようにするステップ、
変形された器官系の鏡面対称な両半分間の相違を、一方の半分と他方の半分との比較に基づいて求めるステップ、
求められた相違を表示するステップ。

この方法に基づいて第１のステップにおいて、器官系の形状を得るために、器官系は三次元画像でセグメント化される。このセグメント化された左右対称の器官系は確かに十分に鏡面対称であるが、しかしながら器官系の両半分は、自然の左右の変化に基づいて両半分がまれな場合にしかその形状に関して完全に等しくならないので、依然として直接に比較することができない。例えば軽度の脊柱側弯症の場合の脊柱は傾いており、その結果脊柱は、基本的に左右対称に位置しているにもかかわらず、この特別な場合には鏡面対称ではない。

第２の処理ステップにおいて、セグメント化された器官系を変形させて、変形された器官系がその形状に関して鏡面対称の２つの半分となるようにされる。この種の変形は、例えば特許文献４に記載されているいわゆる非剛体レジストレーションアルゴリズム（「ｎｏｎｒｉｇｉｄ−ｒｅｇｉｓｔｒａｔｉｏｎ」）を用いて行なうことができる。

この変形後に器官系は形状に関して鏡面対称な２つの半分を有するので、第３の処理ステップにおいて、変形された器官系の両半分の比較は簡単に実施することができる。両半分間の相違は両半分の比較によって見いだされ、かつ使用者に表示される。今や使用者は求められた相違に注目することができ、従ってこの方法により使用者は画像を判定する際に支援される。

有利な実施態様において、セグメント化された器官系の変形は、セグメント化された器官系の両半分のうちの一方の半分が鏡映され、一方の半分が他方の半分とその外形に関して一致するように変形されることによって、行なわれる。
他の有利な実施態様において、セグメント化された器官系の変形は、セグメント化された器官系の両半分のうちの一方の半分が鏡映され、他方の半分が、鏡映された半分とその外形に関して一致するように変形されることによって、行なわれる。
これらの２つの実施態様は、セグメント化された器官系のそれぞれ一方の半分だけが変形されることによって計算時間が節約されるという利点を有する。

ある１つの実施態様において、セグメント化された器官系の一方の半分の鏡映は、鏡映が実施される鏡映面が自動的に求められるようにして行なわれる。

特に有利な実施態様において、鏡映面は次の処理ステップで求められる。
器官系の画像から二次元の断層画像を抽出するステップ、
この二次元の断層画像の面重心を求めるステップ、
この面重心に基づいて鏡映面を求めるステップ。

この実施態様は、器官系がこのようにして求められた鏡映面に関して十分な対称性を有する利点を持っている。両半分のうちの一方の半分の形状が他方の半分と一致するように一方の半分が変形される処理ステップは簡単に構成される。というのは、変形前にありうる平行移動および回転はもはや考慮される必要がないかあるいは僅かに考慮されればよいからである。

別の実施態様によれば、セグメント化された器官系の変形は器官系の鏡面対称な基準モデルに合わせて行なわれる。この種の基準モデルは例えば患者集団から作成することができ、そのことにより実際の撮像された器官系はこの基準モデルに十分に一致している。器官系の一方の半分の鏡映はこの実施態様においては不要である。

請求項７に記載の本発明による左右対称の器官系の三次元画像の評価方法は次の処理ステップを有する。
三次元画像で左右対称の器官系をセグメント化するステップ、
器官系の鏡面対称の基準モデルが器官系に合わせられるように鏡面対称の基準モデルを変形させるステップ、
変形された基準モデルに基づいて器官系の両半分の対応領域を求めて、器官系の両半分の対応領域の比較に基づいて器官系の両半分間の相違を求めるステップ、
求められた相違を表示するステップ。

この方法の場合、今回は器官系自体が変形されるのではなく、鏡面対称の基準モデルが器官系に合わせて変形される。変形されていない基準モデルが鏡面対称であることによって、この鏡面対称に関して基準モデルの対応領域が分かる。この対応領域は基準モデルの変形によって同じく変形されかつ今度は器官系において、器官系の対応領域を求めるのに使われる。器官系の両半分間の相違はこうして簡単に求めることができる。

これら２つの本発明による方法、つまり請求項１に記載の方法および請求項７に記載の方法は、両半分における対応領域が分かりかつ識別されている場合に初めて両半分間の比較が可能であるという上位の問題点に基づいている。これは、一方のケースでは器官系の画像の変形によって達成され、他方のケースでは鏡面対称の基準モデルの変形によって達成される。

方法の一実施態様において、相違は、一方の半分と他方の半分との対応するボクセル、特にその信号強度の比較によって求められる。このことによって、両半分間の相違はボクセルの１つに相応する分解能で求めることができる。画像による表示のほかに、両半分のボクセルごとの比較から得られたデータがコンピュータユニットに記憶されかつ他の場所で評価され得る。例えば、これから両半分間の相違を定量的に特徴付ける値を求めることができる。

方法の有利な実施態様において、両半分間の相違はサブトラクション画像の形で表示される。このサブトラクション画像においては、変形された器官系の一方の半分が他方の鏡映された半分から減算される。このようにして左右で異なる状態は特に簡潔に表示される。というのは、左右で同じ状態は画像のサブトラクション（減算）によって消されるからである。

方法の別の有利な実施態様において、画像における相違の表示は、両半分間の相違を含む領域が表示において特別に特徴付けられることによって行なわれる。好ましくは、両半分間の相違を含む領域は相違の強さに応じてカラーコード化されて表示される。このようにして放射線専門医はどの領域に左右で異なる状態が特に現われているのかを認識することができる。

表示の特に有利な実施態様において、相違を含む領域の特徴付けは閾値に依存して行なわれ、器官系の、相違が閾値より大きい領域のみが特徴付けられる。このようにして、自然の左右の変化に起因し従って強くは特色を示していない比較的小さい差異の、左右で異なる状態は次第に消される。好ましくは、閾値は表示の際に対話形式で使用者によって変更されるよい。

閾値は、方法の別の有利な実施態様においては可変の閾値として形成され、その値は器官系内の位置に応じて変えられる。このようにして、器官系の特定領域において生理学的ではない経過に基づいて病理学的に評価しえない或る強さの相違は、器官の他の領域において病理学的に評価しうる同じ強さの相違とは異なって評価されかつ表示される。例えば右利きの人の場合に右手と左手の骨は、両手の異なる使用に基づいて、例えば上腕骨に顕著で比較的大きな生理学的な相違を有することがある。このことは可変の閾値によって考慮される。

別の実施態様において、表示において最小相違および／または最大相違を有する領域が特別に特徴付けられる。

方法の変形例によれば、三次元画像は磁気共鳴断層撮影法、コンピュータ断層撮影法、超音波画像化法または光断層撮影法により作成される。

本発明による医用画像撮影システムは、請求項１乃至１９の１つに記載の方法を実施するために形成されているコンピュータユニットを含む。

本発明によるコンピュータプログラムは、コンピュータプログラムがコンピュータユニットで実行される場合に請求項１乃至１９の１つに記載の方法を実施する。

次に、本方法ならびに従属請求項の特徴部による有利な実施態様を図面における概略的に示された実施例につき説明するが、本発明はこの実施例に限定されない。
図１は大腿骨の画像の例における処理ステップの概略的な一覧を示す。
図２は鏡面対称画像の２つの半分を得るための大腿骨の変形の実施例を示す。
図３は鏡面対称画像の２つの半分を得るための大腿骨の変形の別の実施例を示す。
図４は器官系がほぼ鏡面対称な対称面を得るための方法を示す。
図５は鏡面対称の２つの半分の比較を示す。
図６〜８は得られた結果の種々の表示形態を示す。

図１には、左右対称に位置する器官系の評価に使用される処理ステップが概略的に示されている。図面に基づいて説明される実施例は、骨格構造の一部、詳しくは大腿骨１１について説明され機能するが、しかし同様に全ての左右対称に位置する器官系、例えば脳または筋肉組織の場合に、および、左右対称であるが対で位置していない器官、例えば脊柱の場合でも説明でき機能する。処理の目的は、左右で異なる状態に関して器官系の自動的な評価を実施することである。左右で異なる状態は例えば腫瘍についての問題提起の場合に重要である。というのは、この左右で異なる状態が腫瘍の転移の可能性を示唆しかつ場合によっては疾患の治療を必要とする進行を示すからである。

この方法の出発点は、左右対称に位置する器官系、この場合には２本の大腿骨１１の三次元画像１である。この画像には、評価すべき器官構造すなわち大腿骨１１のほかに、別の器官および組織類、例えば筋肉組織１３および脂肪組織１５も含まれる。第１の処理ステップ３において、評価にとって些細な構造から大腿骨１１を分離するために、検査すべき大腿骨１１がこの画像ではセグメント化されて抜き出される。セグメンテーションによって、左右対称に位置する大腿骨１１は他の構造、例えば筋肉組織１３および脂肪組織１５から分離されている。

２本の大腿骨１１は左右対称に位置しているが、しかしながら完全な左右対称の事例は自然界では実際には存在しない。従って、第２の処理ステップ５において大腿骨１１が変形され、その変形された大腿骨１１’の外形が２つの一致する鏡面対称の半分であるようにされる。すなわち、大腿骨１１は、その変形された大腿骨１１’の外形が２つの一致する鏡面対称の半分であるように変形される。

次に第３の処理ステップ７において、２つの変形された半分に基づいて、左右で異なる相違１７が容易に決定される。相違１７はマーキングされ、使用者、例えば放射線専門医に示される。

図２および図３は大腿骨２１，２３の画像の変形の可能な実施例を示す。大腿骨２１，２３の画像は大腿骨２１，２３の外形が一致する鏡面対称の２つの半分から成る。

図２では、鏡映された右大腿骨２１’が左大腿骨２３と完全には一致していないことが明確に分かる。この左右の相違を補正するために、左大腿骨２３は、例えば特許文献４に記載されているいわゆる非剛体レジストレーションアルゴリズムを用いて変形され、鏡映された右大腿骨２１’に合わせられる。このことによって左大腿骨２３は右大腿骨２１の外形と一致する。左右で異なる状態は、これにより容易に右大腿骨２１を、変形された左大腿骨と比較することによって検出することができる。

ここに示した例では、左大腿骨２３の外形が鏡映された右大腿骨２１’と一致するように左大腿骨２３が変形される。同じく、一致を達成するために、鏡映された右大腿骨２１’を変形させることもできる。

図３では２本の大腿骨２１，２３が鏡面対称の基準モデル２５に合わせられる。この合致は好ましくはここでも非剛体レジストレーションを用いて行なわれる。２本の大腿骨２１，２３を基準モデル２５に一致させて変形させることによって、これらの大腿骨の外形は鏡面対称となる。今や骨構造における相違は簡単に両半分の比較によって見いだされる。

図３に示した基準モデル２５は本発明の他の変形例にも使用することができる。この変形例では大腿骨２１，２３が基準モデル２５に合わせて変形されるのではなく、その逆である。変形させていない基準モデル２５における鏡面対称の対応領域が分かっていることによって、変形させた基準モデルにおける対応領域が同じく分かり、それにより２本の大腿骨２１，２３の対応領域も分かる。

図４には、器官系に関する対称面を見いだす処理ステップが記述されている。この対称面によって、一方の半分を他方の半分に反映させることは可能なかぎり完全に等しく行なわれることが達成される。今やただ非剛体変形を考慮すればよいだけであるので、変形アルゴリズムは例えば簡単に形成することができる。このアルゴリズムの適用前に場合によってはありうる平行移動ないしは回転は、実施されたとしてもごくわずかな程度でしか実施する必要がない。

図４においては、２本の大腿骨２１，２３が、その２本の大腿骨２１，２３の対称面２７に対して垂直に作成される断層画像にほぼ対称に表示されるという事実が利用される。矢状面に対して左右対称に位置する２本の大腿骨２１，２３の場合、横断面および（ここでは図示されていない）前額面に作成される断層画像２９ａ，２９ｂ，２９ｃはほぼ対称である。

各断層画像２９ａ，２９ｂ，２９ｃにおいて面重心３１ａ，３１ｂ，３１ｃが求められる。続いて平面２７が、平面２７に対する面重心３１ａ，３１ｂ，３１ｃの距離二乗の和が最小になるように面重心３１ａ，３１ｂ，３１ｃを通って配置される。このようにして得られた平面２７に対して両大腿骨２１，２３は既に大きな対称性を有しており、その結果、完全な鏡面対称を得るために、今やただ若干左右で異なる形状の比較的小さな補正が上記アルゴリズムに基づいて実施されればよい。

両大腿骨２１，２３の外形が鏡面対称になるように両大腿骨２１，２３が変形された後、簡単に両大腿骨２１，２３の比較を実施することができる。このことは図５に示されている。両大腿骨２１，２３の比較はボクセルごとに行なうこともでき、又はより大きな領域の比較によって行なうこともできる。左右で異なる状態、例えば転移によって引き起こされこの事例では骨幹にある病変４１、４３、または負荷によって誘発されこの事例では末端の骨隆起部にある相違４５が発見されて使用者に表示されてもよい。

図６〜８は相違の視覚化の可能な形態を示す。図６において、左右で異なる状態は、その相違が特定の閾値５１を越えている場合にのみ特別にマーキングされて表示される。ここに示した例では、骨幹の領域における転移に典型的な病変４１、４３がこれに該当し、一方末端の骨隆起部における負荷によって誘発された相違４５は、この相違が閾値５１を下回りかつ特にマーキングされない程度に小さい。

図６に概略的に示した閾値５１は可変の閾値５３として形成されていてもよく、この可変の閾値５３は器官系内の位置に応じて異なる値をとる。ここに示した大腿骨２１の場合、例えば、末端の骨隆起部の領域の閾値５３を、骨幹の領域の閾値より大きく選択すると有利である。踏み切り脚および軸足としての右足および左足の異なる使用によって、例えば、末端の骨隆起部の領域において（異なる負荷によって誘発されて）、骨幹の領域におけるより大きな生理学的相違が存在していることがある。可変に形成される閾値５３によって、この事実が考慮される。

図７は、相違が強さに応じてカラーコード化して表示される、左右で異なる状態の別の表示を示す。さらに、この表示の場合、最大相違４７および最小相違４９を有する領域が特別に特徴付けられる。

他の実施例において、ここで示していない使用者は閾値５１を表示を見て対話形式で変更することができる。このことによって使用者は、どの閾値５１から両大腿骨２１，２３間での相違が著しくなるのかを簡単に決定することができる。

図８は、サブトラクション法による左右で異なる状態の別の表示を示す。このサブトラクション法では、変形された器官系の鏡映した一方の半分を他方の半分から「減算」し、その結果サブトラクション画像５５において左右で同じ状態が消え、相違が表示に明確に現われる。

大腿骨の画像の例における処理ステップの概略的な一覧を示す図 鏡面対称画像の２つの半分を得るための大腿骨の変形の実施例を示す図 鏡面対称画像の２つの半分を得るための大腿骨の変形の別の実施例を示す図 器官系がほぼ鏡面対称な対称面を得るための方法を示す図 鏡面対称の２つの半分の比較を示す図 得られた結果の種々の表示形態を示す図 得られた結果の種々の表示形態を示す図 得られた結果の種々の表示形態を示す図

符号の説明

１ 器官系の三次元画像
３ 第１の処理ステップ
５ 第２の処理ステップ
７ 第３の処理ステップ
１１ 大腿骨
１１´ 変形された大腿骨
１３ 筋肉組織
１５ 脂肪組織
１７ 相違

Claims (21)

1. 三次元画像（１）で左右対称の器官系（１１）をセグメント化し、
   セグメント化された器官系（１１）を変形させて、変形された器官系（１１’）がその外形に関して鏡面対称な２つの半分となるようにし、
   変形された器官系（１１’）の鏡面対称な両半分間の相違（１７）を、一方の半分と他方の半分との比較に基づいて求め、
   求められた相違（１７）を表示する
   ことを特徴とする左右対称の器官系の三次元画像の評価方法。
2. セグメント化された器官系（２１，２３）の変形は、セグメント化された器官系（２１、２３）の両半分のうちの一方の半分（２１）が鏡映され、一方の半分（２１）が他方の半分（２３）とその外形に関して一致するように変形されることによって、行なわれることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. セグメント化された器官系（２１，２３）の変形は、セグメント化された器官系（２１，２３）の両半分のうちの一方の半分（２１）が鏡映され、他方の半分（２３）が、鏡映された半分（２１’）とその外形に関して一致するように変形されることによって、行なわれることを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 一方の半分（２１）の鏡映は自動的に求められた鏡映面（２７）で実施されることを特徴とする請求項２又は３に記載の方法。
5. 鏡映面（２７）は、
   器官系の画像（１）から二次元の断層画像（２９ａ，２９ｂ，２９ｃ）を抽出し、
   この二次元の断層画像（２９ａ，２９ｂ，２９ｃ）の面重心（３１ａ，３１ｂ，３１ｃ）を求め、
   この面重心（３１ａ，３１ｂ，３１ｃ）に基づいて鏡映面（２７）を求めることによって、
   求められることを特徴とする請求項４に記載の方法。
6. セグメント化された器官系（２１，２３）の変形は器官系の鏡面対称な基準モデル（２５）に合わせた器官系（２１，２３）の変形に基づいて行なわれることを特徴とする請求項１に記載の方法。
7. 三次元画像（１）で左右対称の器官系をセグメント化し、
   器官系の鏡面対称の基準モデル（２５）が器官系（２１，２３）に合わせられるように鏡面対称の基準モデル（２５）を変形させ、
   変形された基準モデル（２５）に基づいて器官系（２１，、２３）の両半分の対応領域を求めて、器官系（２１，２３）の両半分の対応領域の比較に基づいて器官系（２１，２３）の両半分間の相違を求め、
   求められた相違（１７）を表示する
   ことを特徴とする左右対称の器官系の三次元画像の評価方法。
8. 相違（４１，４３，４５）は、一方の半分と他方の半分との対応するボクセルの比較によって求められることを特徴とする請求項１乃至７の１つに記載の方法。
9. 両半分間の相違（４１，４３，４５）はサブトラクション画像（５５）の形で表示されることを特徴とする請求項１乃至８の１つに記載の方法。
10. 両半分間の相違（４１，４３，４５）を含む領域は表示において特別に特徴付けられることを特徴とする請求項１乃至９の１つに記載の方法。
11. 両半分間の相違（４１，４３，４５）を含む領域はカラーコード化して表示されることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
12. 相違（４１，４３，４５）を含む領域の特徴付けは閾値（５１）に依存して行なわれ、器官系の、相違（４１，４３）が閾値（５１）より大きい領域のみが特徴付けられることを特徴とする請求項１０又は１１に記載の方法。
13. 閾値（５１）は表示の際に対話形式で使用者によって変更可能であることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
14. 閾値は可変の閾値（５３）として形成され、その値が器官系内の位置に応じて変えられることを特徴とする請求項１２又は１３に記載の方法。
15. 相違の表示において最小相違（４９）および／または最大相違（４７）を有する領域が特別に特徴付けられることを特徴とする請求項１０乃至１４の１つに記載の方法。
16. 三次元画像（１）は磁気共鳴断層撮影法により作成されることを特徴とする請求項１乃至１５の１つに記載の方法。
17. 三次元画像（１）はコンピュータ断層撮影法により作成されることを特徴とする請求項１乃至１５の１つに記載の方法。
18. 三次元画像（１）は超音波画像化法により作成されることを特徴とする請求項１乃至１５の１つに記載の方法。
19. 三次元画像（１）は光断層撮影法により作成されることを特徴とする請求項１乃至１５の１つに記載の方法。
20. 請求項１乃至１９の１つに記載の方法を実施するために形成されているコンピュータユニットを含む医用画像撮影システム。
21. 請求項１乃至１９の１つに記載の方法を実施するためにコンピュータユニットで実行されるコンピュータプログラム。

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