JP2008541794A - 仮想障害の定量化 - Google Patents

Abstract

医用画像、特にＰＥＴ画像において、関心領域を定量化するシステム及び方法である。このシステム及び方法は、臨床医に関心領域の定量分析をリアルタイムで行うことを可能にさせる。このシステム及び方法は、実際の障害と比較するための１組の仮想障害を生成することにより、関心領域内にある小さな障害を定量化するのに使用されることができる。例えば障害の大きさ及びトレーサーの活性度のような定量情報又はＳＵＶは、前記障害の診断及び治療中、臨床医又は医師を支援するために得られることができる。

Description

例えばＰＥＴ(positron emission tomography)のような機能医学画像の信頼できる定量化は、医学的異常の検出及び治療にとってますます重要な特徴となっている。ＰＥＴ画像は、関心領域（ＲＯＩ）の生理状態に関する情報を臨床医又は医師に提供するのに用いられる。

ＰＥＴにおける部分容積効果（ＰＶＥ）は、集められたデータの誤った解釈となってしまうことがあるので、定量トレーサーの研究にとって問題である。この部分容積効果は、撮像装置の限られた空間分解能から生じると共に、画像を再構成した後、２つのポイント間を識別するための機能を低下させる。このＰＥＴ撮像システムの限られた分解能がＰＶＥの主な理由であり、小さな物体に対するコントラスト及びピーク回復の減少となる。この部分容積効果は、隣接する領域に放射能を漏出することにより引き起こされる。部分容積効果は、データのぼやけとなり、このデータの定量化を提供することを難しくする。例えば、ＰＶＥは、小さな障害に対する活性度又は標準摂取率（ＳＵＶ）の過少評価となることがある。

この問題を解決するための２つの主な方法は、ボクセルベース及び領域ベースのデコンボリューションである。後者は、一例がＧＴＭ方法であり、例えば位置合わせされたＣＴ画像から追加の解剖学的情報を必要とする。しかしながら、この追加の情報は常に利用可能であるわけではない。その上、不正確な位置合わせが前記方法の恩恵を制限する新しいアーチファクトを生じさせるかもしれない。このＧＴＭ方法は従って、臨床医による正確な入力（均一な放射能濃度(activity concentration)を持つ関心領域の定義、位置合わせ誤差の手動訂正等）に頼ってしまう。

他方では、ボクセルベースのデコンボリューション、例えば反復ＲＬ方法は、臨床医からの追加の入力を必要とせず、これにより取り扱いが容易である。しかしながら、ＰＥＴ画像のノイズが多いという性質は、満足のいく定量結果をめったにもたらさないので、デコンボリューションを不適切問題にさせる。正則化を用いた反復アルゴリズムは、ノイズの増幅を防ぐのに必要であり、それを時間のかかる及びエラーを起しやすい手順にする。

本発明は、医用画像、特にＰＥＴ画像における関心領域を定量化するシステム及び方法に向けられている。このシステム及び方法は、ＣＴ画像から解剖学的情報を要求することなく、及び正則化するための複雑な反復アルゴリズムを持つことなく、臨床医にリアルタイムでの関心領域の定量分析を可能にする。

ある実施例において、システム及び方法は、関心領域内にある小さな障害を定量化するのに用いられる。１組の仮想障害(virtual lesion)が生成され、実際の障害と目視で比較される。例えば障害の大きさ及びトレーサーの活性度のような定量情報又はＳＵＶは、障害の診断及び治療の際に臨床医又は医師を支援するための得られる。

この明細書の一部に組み込まれると共に、その一部を構成する添付する図面において、上述した本発明の一般的記述、及び以下に述べられる詳細な説明と一緒に、本発明の原理を説明するのに役立つ本発明の実施例が説明される。当業者は、これら説明される実施例は本発明を制限することを意図するのではなく、本発明の原理を取り込んでいる実施例を提供することを分かるべきである。

本明細書に記載されるＰＥＴ画像を定量分析するシステム及び方法は、臨床医又は医師が自分の知識及び経験を利用して、関心領域内にある障害の定量化を可能にさせるために、リアルタイムの比較を行うことを可能にする。この手法は、例えば障害の大きさ又は障害のＳＵＶの決定のような定量的問題を解決するために、素早く簡単な目視手段を提供すると言う点で特に有用である。

本発明のある実施例において、臨床医は、ＰＥＴ画像において高温領域として見える障害に対する定量パラメタを容易に設定することができる。臨床医が障害を一度特定すると、その障害は、例えば大きさ及び活性度のような既定のパラメタが異なる１組の計算された仮想障害と比較される。臨床医は、前記仮想障害がＰＥＴ画像の障害と"一致(match)"するまで、仮想障害のパラメタを素早く簡単に調節することができる。この仮想障害をＰＥＴ画像にある障害と"一致"させることにより、これら仮想障害とＰＣＴ画像の障害とは、仮想障害のパラメタが正しく選択されたかを判断するために、目視で比較されることが可能であることを意味している。例えば、仮想障害がサブトラクションモード又はオーバーレイモードで表示されてもよい。図２に最も良く示されるサブトラクションモードにおいて、仮想障害のパラメタが正しく選択される場合、差分画像は前記障害の無い関心領域の画像を作り出す。図６に最も良く示されるオーバーレイモードにおいて、仮想障害は、この仮想障害のパラメタを決めるために、ＰＥＴ画像上を自由に位置決めされることができる。両方のモードにおいて、本来のＰＥＴ画像を維持することが一般的に望ましく、例えば差分画像又はオーバーレイ画像は、別の画像又は表示として製造されてもよい。

本発明を実施する方法の１つの実施例は以下のようである。本発明の実施を効果的な方法で可能にする臨床医にソフトウェアを提供する。このソフトウェアは、シミュレーション又はファントム画像から点広がり関数（ＰＳＦ）をモデル化するためのアルゴリズムを含んでいる。この点広がり関数は、以下に詳細に説明されるような仮想障害の組を計算するのに使用される。

図１を参照すると、ＰＥＴ画像１０は、定量化すべき１つ以上の障害２０を含む関心領域に対し取得される。前記障害はＰＥＴ画像１０においてホットスポット２０として見える。臨床医は、障害を選択することにより特定の障害に着目する。これは、例えばマウスのカーソル又は他のユーザ入力装置を用いてこのホットスポット２０の上をクリックすることにより行われることができる。臨床医は所望する仮想障害の一般的な幾何学形状も提供する。例えば、球形の仮想障害は、殆どのＰＥＴ腫瘍学の研究に使用されることが可能である。他の既定の形状、例えば、矩形、三角形又は楕円形を用いることも可能である。幾つかの場合において、臨床医は、関心領域又は障害若しくはホットスポットの形状に基づいて特定の幾何学形状を規定したいと思っている。臨床医が所望する幾何学形状を入力する又はソフトウェアがデフォルトで例えば球形のような標準形状にすることができ、この標準形状は所望するならば後で変更されることも可能である。

ホットスポット２０の中心及び仮想障害の所望する形状が一度決まったら、ソフトウェアは、点広がり関数を用いて、事前に選択したパラメタが異なる多数のシミュレーションした画像、又は仮想障害を計算する。例えば、１組の仮想障害は、様々な大きさ又は活性度を用いて作成される。特定の実施例として、直径を１ｍｍから２０ｍｍの範囲を１ｍｍ刻みで増加して変更する２０個の仮想障害３０（図２参照）が生成される。一般的に、異なる仮想障害は、係数を乗算することにより前記活性度が決められるので、仮想障害の活性度を変更するために計算される必要は無い。ノイズ特性のような追加のパラメタが前記点広がり関数に取り入れられ、従って仮想障害により決められることも可能であるが、しかしながら、このような追加のパラメタは一般的に必要とされず、しばしばこの処理を単に複雑にするだけであることは当業者には明らかである。

仮想障害３０の１つがグラフィックユーザーインタフェース（ＧＵＩ）４０に見え、このＧＵＩは仮想障害のパラメタを変更するための１組のスライダー５０を含む。仮想障害３０のパラメタを変更するための他の手段、例えば数値入力又は上下の矢印も使用することができる。ＰＥＴ画像１０も前記ＧＵＩ４０に見える。上述したように、仮想障害３０は、図２に示されるようなサブトラクションモード又は図１に示されるようなオーバーレイモードで見ることができる。サブトラクションモードでは、仮想障害は、ホットスポット２０の中心に位置決めされ、仮想障害のパラメタは、このホットスポットが差分画像から消えるまで変更される。オーバーレイモードでは、仮想障害は、そのホットスポットを正しい大きさ及び活性度のパラメタで覆うまで自由に移動することができる別のウィンドウにおいて製造される。両方のモードにおいて、前記スライダー５０の組は、前記正しい仮想障害のパラメタを決めるために、正しい値に調節される。正しい仮想障害の大きさを決めるために前記スライダーを調節することは、仮想障害３０の大きさが実際に変化しているように見えるのに対し、ソフトウェアは、前記仮想障害の組に生成される次の大きさの仮想障害に実際に移動する。これに関して、前記大きさのスライダーの移動は、仮想障害の再計算を必要としない。これは情報のシームレスな表示を提供すると共に、処理時間を必要としない。

臨床医は、リアルタイムで別の表示を観察している間、仮想障害のパラメタ、例えば半径及び活性度を対話形式で変化させることができる。これらパラメタは正しいパラメタが決められるまで連続して調節される。その結果は、障害の活性度又はＳＵＶと同様に、障害の大きさの正確な推定である。

これら図は、上述した方法の実施例を説明するようにさらに詳細に論じられるであろう。図１は、２つの球形のホットスポット２０を備える円筒形のファントムを描いている。これら球形のホットスポット２０は、撮像システムの限られた解像度の結果としてぼやけて見える。活性度及び大きさの厳密な決定はこれにより難しい。

図２は、ホットスポット２０の活性度及び大きさを決めるために、仮想障害３０の使用を実演している。臨床医は大きい球形のホットスポット２０を関心領域としてマークしてある。この場合、ホットスポット２０の中心は、サブボクセル精度で自動的に決められる。１組の仮想障害３０は、ホットスポットの中心位置において計算される。最初の仮想障害としてランダムに選択される仮想障害３０の１つが表示される。図２は、サブトラクションモードの仮想障害を示す。臨床医は、正しいパラメタが決められるまで、スライダー５０を動かすことにより仮想障害３０のパラメタを調節する必要がある。図２において、仮想障害３０の大きさに対する選択された値は小さすぎる。これは仮想障害３０を囲んでいる明るいリングにより図に見られる。加えて、仮想障害の活性度に対する選択された値が大きくなるように選択される。これは、仮想障害３０の中心が暗すぎることに気付くことにより分かる。臨床医は、前記パラメタが正しくなるまで、仮想障害の大きさ及び活性度を調節する必要がある。

図３及び図４はさらに、仮想障害のパラメタが決められる方法を説明している。図３において、仮想障害の活性度は適当に選択され、仮想障害の大きさは正しい値を決めるために変更される。左側にある画像において、仮想障害の大きさは１５ｍｍに設定されている。真ん中の画像において、仮想障害の大きさは１６ｍｍに設定されている。右側にある画像において、仮想障害の大きさは１７ｍｍに設定されている。仮想障害の大きさに対する正しい値は１６ｍｍであることが分かる。左側にある画像において、仮想障害は、仮想障害の周りにある前記明るいリングにより証明されるように小さすぎる。右側にある画像において、仮想障害は、仮想障害の周りにある暗いリングにより証明されるように大きすぎる。

図４において、仮想障害の大きさが適当に選択され、仮想障害の活性度は正しい値を決めるために変更される。仮想障害の活性度は、左から右へ正しい値の９０％、９５％、１００％、１０５％及び１１０％に設定されている。左側にある２つの画像は、仮想障害の相対的な明るさにより証明されるように、仮想障害の活性度の正しい値を下回っている。右側にある２つの画像は、仮想障害の相対的な暗さにより証明されるように、仮想障害の活性度の正しい値を上回っている。

図３及び図４に示される実施例は、パラメタ適応の全処理が容易に自動化されるほど簡単なかなり単純な画像を実演している。しかしながら、実際の臨床応用において、これら画像ははるかに複雑である。図５に示されるように、ＰＥＴ画像は通例ノイズが多く、完全自動化アルゴリズムを用いて正しく操縦するが難しい全ての種類の解剖学的構造を含んでいる。しかし臨床医にとって、前記パラメタを対話形式で適合させ、正しいパラメタの組を見つけることは依然として簡単な作業である。これは、臨床医が大量の画像の知識を持ち、仮想障害の正しいパラメタを比較的容易に決めることができるからである。

ここで述べられる方法は、臨床医が仮想障害のパラメタ値を素早く簡単に決めることを可能にする。これらパラメタ値は実際の障害の物理特性に変換する。臨床医が障害の活性度又はＳＵＶ及び大きさを決める速さ及び精度は、従来の技術を上回り飛躍的に向上される。これは、撮像システムの限られた解像度による不良のコントラスト回復を示す小さな障害の有名な問題事例について特に当てはまる。

上述した方法の変形例も実施され得ることに注意すべきである。例えば、パラメタ決定処理又はその処理の一部が自動化されることができる。例えば、仮想障害の半径が対話形式の反復処理を介して手動で決められる一方、仮想障害の活性度はリアルタイムの最適化アルゴリズムを用いて決められる。前記処理は空間分解能のほかに他の効果の原因となるように修正されることも可能である。例えば、点広がり関数は、ＰＥＴ画像内のノイズのような他のパラメタの原因にもなる。その上、前記方法は、ＰＥＴ画像の定量化に限定されるつもりはないが、ＳＰＥＣＴのような他の医用撮像システムに用いられてもよい。

本発明は、医用画像の定量分析のためのシステムにも向けられ、ＰＥＴ撮像システムにおける特定応用がある。このシステムは、１つ以上の検出器、ガントリ及び患者台を含む標準的な撮像機器を用いる。本システムは、画像を製造するのに用いられる放射線源、並びにデータを入力及び処理すると共に、前記放射線源の画像を製造するソフトウェアシステムも含んでいる。他の撮像システムが使用され得ること、及びここで説明されるシステムが限定を意味していないことに注意すべきである。

本システムはさらに、画像定量化向上部分を含む。この部分は一般的にソフトウェアパッケージから構成され、このパッケージは標準的な画像取得及び関心領域のソフトウェアに実装されてもよいし、又は別々に実現されてもよい。画像定量化向上ソフトウェアは、撮像システムの点広がり関数のモデルを含む。シミュレーション又はファントム画像から供給されるデータは、この点広がり関数のモデルを展開するのに使用されることができる。アルゴリズムは、臨床医が選択された関心領域をＰＥＴ画像に一度供給すると、１組の仮想障害を生成することに用いられる。生成される擬似的画像の組は、常設の記憶情報源、特に仮想障害の次の組が生成した場合、上書きされる仮説の記憶情報源に記憶される。

本システムはさらに、ＧＵＩ４０、例えば図１及び図２に示されるＧＵＩを含む。当業者は、これら図に示されるＧＵＩは単に例示的な実施例に過ぎず、他のＧＵＩが使用されることも可能であることを分かるべきである。組織的及び容易に理解可能な方法でデータ及び画像を供給すると共に、１つ以上のパラメタの素早く簡単な操作も可能にするＧＵＩを提供することが望ましい。図１及び図２に示されるように、ＧＵＩ４０は、ＰＥＴ画像１０及び仮想障害３０からなる、ここではサブトラクションモードで示される合成画像、並びに仮想障害のパラメタを調節するための１組のパラメタスライダー５０を含んでいる。ＧＵＩ４０は、ＰＥＴ画像の不変の表示を示してもよいし、仮想障害をオーバーレイモードで示してもよい。前記スライダー５０を動かす、またそうでなければパラメタの値を変更することにより、画像定量化向上ソフトウェアは、関心領域において設定される仮想障害の画像から異なる仮想障害を生成するか、又は現在の仮想障害に係数を乗算し、これにより例えば仮想障害の活性度のようなパラメタを変更するかのどちらかである。両方の場合において、スライダー５０の操作は、臨床医が異なるパラメタを持つ仮想障害をＰＥＴ画像に示される実際の障害と目視で比較することを可能にする。これが臨床医に仮想障害のパラメタの正しい値を決めさせることを可能にして、このことが実際の障害の物理特性を提供する。前記システムは、ファイナライズされた合成画像若しくは仮想障害のパラメタデータを保存するための記憶情報源、又は例えば仮想障害のパラメタデータからなる前記ファイナライズされた合成画像を印刷するためのプリンターのような出力情報源を含んでいる。

本発明は、１つ以上の好ましい実施例を参照して説明されている。本明細書を読み、理解する際、他の者に修正及び代替案が明らかに思い浮かぶことがある。本発明は、それらが添付される特許請求の範囲又はそれに相当するものの範囲内にある場合に限り、上記修正及び代替案の全てを含むことを意味する。

仮想障害を通るスキャンが、例えば大きさ及び活性度のような正しい変数の組を決めることを可能にするグラフィカルユーザーインタフェース（ＧＵＩ）を説明する。 サブトラクションモードで稼動している（正しいパラメタに設定されていない）仮想障害を用いた図１に示される障害を説明する。 仮想障害の活性度が正しく選択され、前記仮想障害の大きさが１５ｍｍ（左）、１６ｍｍ（中央）及び１７ｍｍ（右）に設定されている１組の画像を説明する。 仮想障害の大きさが正しく選択され、前記仮想障害の活性度が（左から右へ）正しい値の９０％、９５％、１００％、１０５％及び１１０％に設定されている１組の画像を説明する。 ＮＥＭＡ−ＩＥＣファントム測定であり、オリジナル（左）、２２ｍｍの球体に対し差分された仮想障害（中央）及び１７ｍｍの球体に対し差分された仮想障害（右）である。 オーバーレイモードでの仮想障害を備える障害。

Claims (20)

1. 医用画像の定量分析を提供するシステムにおいて、
   ａ）少なくとも１つの障害を含んでいる医用画像を生成するシステム、並びに
   ｂ）ｉ）前記医用画像内の選択したポイントに、１組の仮想障害を生成するのに使用されるシステムの点広がり関数のモデル、及び
   ｉｉ）前記仮想障害の組から選択された仮想障害を前記医用画像の目視比較に提供するグラフィカルユーザーインタフェースであり、前記医用画像と目視での比較が可能である前記仮想障害を変更する１つ以上のパラメタ調節機構を含んでいるグラフィカルユーザーインタフェース、
   を有する画像定量化向上装置
   を有するシステム。
2. 前記医用画像はＰＥＴ画像である請求項１に記載のシステム。
3. 前記パラメタ調節機構の少なくとも１つは、操作時に前記仮想障害の組から異なる仮想障害を選択する請求項１に記載のシステム。
4. 前記パラメタ調節機構の少なくとも１つは、操作時に係数により前記仮想障害を変更する請求項１に記載のシステム。
5. 前記仮想障害の組は、各々が増分値ずつ異なっている異なる大きさの仮想障害を有する請求項１に記載のシステム。
6. 前記仮想障害を用いた前記医用画像の前記目視比較は、差分表示である請求項１に記載のシステム。
7. 前記仮想障害を用いた前記医用画像の前記目視比較は、オーバーレイ表示である請求項１に記載のシステム。
8. 医用画像を生成する前記システムは、１つ以上の検出器、ガントリ、患者台及び放射線素子を含む線源を有する請求項１に記載のシステム。
9. 医用画像において選択したポイントに１組の仮想障害を生成するために、前記システムの点広がり関数のモデルを使用する手段、及び
   前記仮想障害の組から選択された仮想障害を前記医用画像の目視比較に提供するグラフィカルユーザーインタフェースであり、前記医用画像と目視での比較が可能である前記仮想障害を変更する１つ以上のパラメタ調節機構を含んでいるグラフィカルユーザーインタフェース
   を有する医用画像定量化向上装置。
10. 前記医用画像はＰＥＴ画像である請求項９に記載の装置。
11. 前記パラメタ調節機構の少なくとも１つは、操作時に前記仮想障害の組から異なる仮想障害を選択する請求項9に記載の装置。
12. 前記パラメタ調節機構の少なくとも１つは、操作時に係数により前記仮想障害を変更する請求項9に記載の装置。
13. 前記仮想障害の組は、各々が増分値ずつ異なっている異なる大きさの仮想障害を有する請求項９に記載の装置。
14. 前記仮想障害を用いた前記医用画像の前記目視比較は、差分表示である請求項９に記載の装置。
15. 前記仮想障害を用いた前記医用画像の前記目視比較は、オーバーレイ表示である請求項９に記載の装置。
16. 医用画像の定量分析を向上させる方法において、
    １組のシミュレーション又はファントム画像に基づいて点広がり関数を導出するステップ、
    少なくとも１つの障害を含む医用画像を取得するステップ、
    前記医用画像内において関心領域を決めるステップ、
    前記関心領域において前記点広がり関数から１組の仮想障害を生成するステップ、
    前記医用画像の比較表示及び前記仮想障害の組から選択された仮想障害を生成するステップ、
    前記比較表示において前記仮想障害を変更するために１つ以上の仮想障害のパラメタを操作するステップ、及び
    前記１つ以上の仮想障害のパラメタを前記少なくとも１つの障害の物理特性に変換するステップ
    を有する方法。
17. 前記仮想障害を変更するために１つ以上の仮想障害のパラメタを操作する前記ステップは、前記１つ以上の仮想障害のパラメタの操作時に前記仮想障害の組から異なる仮想障害を選択するステップをさらに有する請求項１６に記載の方法。
18. 比較表示を生成するステップは、サブトラクションモードで比較表示を生成するステップを有する請求項１６に記載の方法。
19. 比較表示を生成するステップは、オーバーレイモードで比較表示を生成するステップを有する請求項１６に記載の方法。
20. 前記仮想障害の組は、各々が増分値ずつ異なっている異なる大きさの仮想障害を有する請求項１６に記載の方法。

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