JP4118119B2 - 磁気共鳴イメージング装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、核磁気共鳴（以下、「ＮＭＲ」と略記する）現象を利用して被検体の所望部位の断層画像を得る磁気共鳴イメージング装置に関し、特に、磁気共鳴イメージング装置の手術ガイドへの適用の技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
磁気共鳴イメージング装置は、ＮＭＲ現象を利用して被検体中の所望の検査部位における原子核スピン（以下、単に「スピン」と記す）の密度分布、緩和時間分布等を計測して、その計測データから被検体の任意の断面の画像を表示するものである。また、このような磁気共鳴イメージング装置における撮像シーケンスとしては、基本的な撮像シーケンスであるスピンエコー（ＳＥ）法、グラジェントエコー法の他、より高速な撮像が可能な高速スピンエコー（ＦＳＥ；Fast Spin Echo）法や、エコープラナー（ＥＰＩ；Echo Planar Imaging）法が知られている。
【０００３】
ＦＳＥ法は９０゜パルスによる励起で発生した横磁化のＲＦによる反転を繰り返すことで多重のエコーを発生させるマルチエコー法を応用して各々のエコー信号に異なる位相エンコードを付与して１枚の画像を高速に得るＲＡＲＥ（Rapid Acquisition with Relaxation Enhancement）法を複数のシーケンス列に分割することで、従来のＳＥ法に近い画質の画像を高速に撮像する方法である。一方、ＥＰＩ法はＲＦによる反転を用いないで、傾斜磁場を高速で反転させ１個の励起パルスで複数のエコーを取得する方法であり、数十ｍｓという超高速な撮像が可能であるが、静磁場不均一に極めて敏感である。
【０００４】
さて、これら高速シーケンスの応用のひとつとしてフルオロスコピー（透視撮像）と呼ばれるリアルタイム動態画像化法が臨床応用されている。フルオロスコピーでは１秒以下程度の短時間撮像とリアルタイム画像再構成を繰り返すことにより、体内組織の動態描出や、外部から体内に挿入した器具の位置把握を可能としている。このフルオロスコピーは、無侵襲を目的としたインターベンショナルMRI（以下、「ＩＶＭＲ」と記す）と総称される術中撮像への応用が進んでいる。ＩＶＭＲにおけるフルオロスコピーの用途としては、穿刺針やカテーテル（以下、「デバイス」と総称する）を患部への画像による誘導や、デバイスが治療部位に到達した後における、治療の進行によって生じる治療部位組織の物理的または化学的変化の画像化によるモニタなどがある。
【０００５】
これらの用途において、もし撮像断面を固定したフルオロスコピーを行うものとすると、目的とする患部とデバイスとを含む最適な撮像面を選択することができなくなる。そこで、従来より、デバイスにつけたＬＥＤを複数のカメラによって撮影した画像から、デバイスの位置や方向を検出し、検出したデバイスの位置や方向に応じて自動的に撮像面を設定し直すことが行われている。こうした撮像面の自動設定を行う技術は、デバイス追跡型のインタラクティブスキャンと呼ばれている。なお、デバイスの位置や方向を検出する方式としては上記のような光学式のものの他、機械式、磁気式、超音波式によるものが知られている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記したインタラクティブスキャンの技術は穿刺の様な単一のデバイスを追跡して撮像を行うのに適した技術であるが、単一のデバイスを追跡し、追跡したデバイスの位置や方向より撮像面を設定するものであるために、たとえば、術者が両手に対応する１対の鉗子を用いて患部を切除するような手術手技に対しては必ずしも術者が望むような最適な画像を撮像することができない。
【０００７】
また、ＩＶＭＲにおいては、術者が特に観察を必要とする部位を詳細に表した画像を、良好なリアルタイム性をもって撮像することが望まれる。そして、このためには、術者の観察の必要度に応じた解像度で、できるだけ効率的に撮像を行うことが必要となる。
【０００８】
そこで、本発明は、術者が観察を必要とするであろう範囲を適切に撮像範囲に設定し、当該撮像範囲を効率的に撮像することのできる磁気共鳴イメージング装置を提供することを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記課題達成のために、本発明は、被検体の撮像断面の断層像を核磁気共鳴現象を利用して撮像する磁気共鳴イメージング装置に、指示器の位置を検出する指示器検出手段と、前記指示器検出手段が検出した指示器の位置に応じて設定した直線を含む撮像断面を、前記直線を中心軸として回転させながら撮像を繰り返し、円筒状の領域の少なくとも３つの断面のデータを得る撮像手段と、前記撮像手段が撮像した３つ以上の断面データを用いて円筒状の領域の３次元ボリュームデータを再構成する再構成手段とを備えたものである。
【００１０】
このような磁気共鳴イメージング装置によれば、指示器の位置に応じて設定した中心軸を回転中心として一つの平面を所定角度づつ回転して得られる複数の撮像断面による撮像を行う。このような撮像によれば、中心軸に近い領域は中心軸から離れた領域より、より高い解像度で撮像されることになる。したがって、指示器の位置より推定される指示器を操作する術者が特に興味ある領域の中心を通るように中心軸を定めるようにすることにより、術者が特に興味ある部分については詳細に撮像を行うと共に、その周辺については解像度を低くして撮像することにより、全体としての撮像時間の短縮化を図ることができる。したがって、本磁気共鳴イメージング装置によれば、効率的な撮像が可能となる。
【００１１】
ここで、このような磁気共鳴イメージング装置においては、前記指示器検出手段を、二つの手術具を前記指示器として、当該二つの手術具の先端位置を検出するものとし、前記撮像断面設定手段において、前記位置検出手段が検出した二つの手術具先端位置を通る直線を前記中心軸とするようにしてもよい。
【００１２】
このようにすることにより二つの手術具を用いて行われる施術において、通常術者が特段の観察を必要とする、二つの手術具を結ぶ直線を中心とする領域を動的に撮像領域に設定し、その撮像を行うことができるようになる。
また、このような磁気共鳴イメージング装置においては、前記撮像断面設定手段が、前記指示器検出手段が検出した二つの手術具先端位置間の距離に応じて、前記円筒形状の高さで規定される視野サイズを変化させるようにしてもよい。
このようにすることにより、術者の手術具の操作に視野サイズを追従させることができ、これにより、たとえば術者が常に二つの手術具を含む範囲を見やすい大きさで観察することができるようにすることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について説明する。
図１に、本実施形態に係る磁気共鳴イメージング装置の構成を示す。
磁気共鳴イメージング装置は、核磁気共鳴（ＮＭＲ）現象を利用して被検体の断層像を得るもので、静磁場発生磁石２と、傾斜磁場発生系３と、送信系５と、受信系６と、信号処理系７と、シーケンサ４と、中央処理装置（ＣＰＵ）８と、位置検出器５２と、位置計算ユニット５１とを備えている。
【００１４】
静磁場発生磁石２は、被検体１の周りにその体軸方向または体軸と直交する方向に均一な静磁場を発生させるもので、上記被検体１の周りのある広がりをもった空間に永久磁石方式または常電導方式あるいは超電導方式の磁場発生手段が配置された、被検者へのアクセスが容易なように開口を広く取ったオープン型の構造となっている。
【００１５】
傾斜磁場発生系３は、Ｘ、Ｙ、Ｚの三軸方向に巻かれた傾斜磁場コイル９と、それぞれの傾斜磁場コイルを駆動する傾斜磁場電源１０とから成り、後述のシーケンサ４からの命令に従ってそれぞれのコイルの傾斜磁場電源１０を駆動することにより、Ｘ、Ｙ、Ｚの三軸方向の傾斜磁場Ｇｘ、Ｇｙ、Ｇｚを被検体１に印加するようになっている。この傾斜磁場の加え方により被検体１に対する撮像面を設定することができる。
【００１６】
シーケンサ４は、上記被検体１の生体組織を構成する原子の原子核に核磁気共鳴を起こさせる高周波磁場パルスをある所定のパルスシーケンスで繰り返し印加するもので、ＣＰＵ８の制御で動作し、被検体１の断層像のデータ収集に必要な種々の命令を、送信系５及び傾斜磁場発生系３並びに受信系６に送るようになっている。
【００１７】
送信系５は、上記シーケンサ４から送り出される高周波パルスにより被検体１の生体組織を構成する原子の原子核に核磁気共鳴を起こさせるために高周波磁場を照射するもので、高周波発振器１１と変調器１２と高周波増幅器１３と送信側の高周波コイル１４ａとから成り、上記高周波発振器１１から出力された高周波パルスをシーケンサ４の命令にしたがって変調器１２で振幅変調し、この振幅変調された高周波パルスを高周波増幅器１３で増幅した後に被検体１に近接して配置された高周波コイル１４ａに供給することにより、電磁波が上記被検体１に照射されるようになっている。
【００１８】
受信系６は、被検体１の生体組織に含まれる原子核の核磁気共鳴により放出されるエコー信号（ＮＭＲ信号）を検出するもので、受信側の高周波コイル１４ｂと増幅器１５と直交位相検波器１６と、Ａ／Ｄ変換器１７とから成り、上記送信側の高周波コイル１４ａから照射された電磁波による被検体１の応答の電磁波（ＮＭＲ信号）は被検体１に近接して配置された高周波コイル１４ｂで検出され、増幅器１５及び直交位相検波器１６を介してＡ／Ｄ変換器１７に入力されディジタル量に変換され、さらにシーケンサ４からの命令によるタイミングで直交位相検波器１６によりサンプリングされた二系列の収集データとされ、その信号が信号処理系７に送られるようになっている。
【００１９】
この信号処理系７は、ＣＰＵ８と、磁気テープ１８や磁気ディスク１９等の記録装置と、ＣＲＴ等のディスプレイ２０とから成り、上記受信系６で形成された二系列のデータに対しフーリエ変換、補正等の処理を行い、信号強度分布を画像化し、ディスプレイ２０に撮像面の断層像として表示するようになっている。
【００２０】
なお、図２において、送信側及び受信側の高周波コイル１４ａ、１４ｂと傾斜磁場コイル９は、被検体１の周りの空間に配置された静磁場発生磁石２の磁場空間内に配置されている。
そして、位置検出器５２は被検体１の手術シーンを撮像する装置であり、位置計算ユニット５１は位置検出器５２が撮像した映像より、二つの手術具の位置や方向を計算しＣＰＵ８に通知するものである。
【００２１】
次に、図２に、ＣＰＵ８の内部機能構成について示す。
図示するようにＣＰＵ８は、中心軸及び視野サイズ計算部８１、撮像領域計算部８２、スライス断面計算部８３、画像再構成部８４、３次元画像構築部８５とを有する。
【００２２】
また、図示するように位置計算ユニット５１は、位置検出器５１が撮像した手術シーンの画像より、トロカール創を介して被検体１内に挿入された二つの手術具５３上に設けられているマーカ５４の位置を算出し、算出した各マーカ５４の位置より各手術具５３の先端位置の座標と各手術具５３の指示方向（手術具５３の向き）を算出する。ここで、二つの手術具５３は、たとえば、一人の術者が両手で片手に一つずつ持って操作する鉗子その他の手術器具である。なお、以下では便宜上、二つの手術具５３のうちの一方の手術具５３を第１手術具と、他方の手術具５３を第２手術具と呼ぶ。
【００２３】
図３に、このようなＣＰＵ８が行う撮像処理の手順を示す。
図示するようにこの処理では、まず、中心軸及び視野サイズ計算部８１において、位置計算ユニット５１より第１、第２手術具５３の先端の座標と指示方向を読み込む（ステップ３０１）。そして、図４（ａ）に示すように、第１、第２手術具５３の先端の座標を通る直線を中心軸として設定する（ステップ３０２）。そして、第１、第２手術具５３の先端間の距離を求め（ステップ３０３）、求めた距離をｋ倍した長さＬ１を視野サイズに設定する（ステップ３０４）。ここで、ｋは定数であり、たとえば、１．２〜２．０とするのが良い。
【００２４】
次に、撮像領域計算部８２において、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、中心軸を中心とする所定半径Ｌ２の円筒の領域を撮像領域に設定する（ステップ３１０）。この円筒の高さは、ステップ３１０で設定したＬ１であり、第１、第２手術具先端の中点を高さ方向中心とする。また半径Ｌ２は、横方向の視野サイズをＬ１に設定した場合に決まる縦方向の視野サイズの１/２である。
【００２５】
このように円筒状の撮像領域が設定されると、スライス断面計算部８３において、図４（ｂ）に示すように、第１、第２手術具５３の指示方向の中心軸と垂直な方向を法線とし中心軸を通る平面であって、円筒形状の撮像領域の断面を形成する平面を第１撮像面（ｉ＝１の撮像面）として設定する（ステップ３１４）。そして、予め定めた撮像面数をｎとして、第１撮像面を３６０゜／ｎづつ中心軸を回転中心として回転させたｎ−１個の撮像面を設定し（ステップ３１１〜３１５）、第１撮像面と併せてｎ個と撮像面とし、各撮像面についての撮像をシーケンサ４に行わせる（ステップ３１６）。すなわち、撮像領域の円筒形状を周方向に等角度間隔で２×ｎ分割する各々中心軸を通るｎ個の平面を撮像面として、各撮像面についての撮像をシーケンサ４に行わせる。そして、ステップ３０１に戻り、以上の処理を繰り返す。
【００２６】
シーケンサ４の制御によって撮像された各撮像面の収集データは、受信系６より画像再構成部８４に入力される。画像再構成部８４は、入力する各断面の収集データより断面画像を作成する。３次元画像構築部８５は作成された各断面画像より、図４（ｃ）に示すように、円筒の撮像領域の３次元ボリュームデータを再構成する。この再構成においては、撮像面上に存在しなかったボクセルについてはデータが存在する周辺ボクセルから補間によって作成する。このようにして作成された３次元ボリュームデータに基づき、被検体１の断層像や、被検体１の組織を３次元的に表す２次元画像等をディスプレイ２０に表示する。
なお、この被検体１の組織を３次元的に表す２次元画像の生成には、一般には、２次元スクリーンのある座標に投影される位置にあるボクセルの内の最大値のボクセルのみをその座標に投影する最大値投影法（Maximum Intensity Projection）と光線追跡法（Ray tracing）の組み合わせの他、サーフェイスレンダリング、ボリュームレンダリングなどの周知のレンダリング手法が用いられる。
【００２７】
以上、説明したように、本実施形態によれば、二つの手術具５３の先端を結ぶように設定した中心軸を回転中心として一つの平面を所定角度づつ回転して得られる複数の撮像断面による撮像を行うので、中心軸に近い領域は中心軸から離れた領域より、補間によって生成されるボクセルの割合が小さく、実効的により高い解像度で撮像されることになる。したがって、術者が特段の観察を要する領域と推定される二つの手術具５３を結ぶ直線近傍については詳細に撮像を行うと共に、その周辺については解像度を低くして撮像することにより、全体としての撮像時間の短縮化を図ることができる。
また、本実施形態によれば、視野サイズすなわち撮像領域の大きさを、二つの手術具５３の先端間距離に応じて二つの手術具５３を含むように設定するので、術者が常に二つの手術具５３を含む範囲を適切に観察することができるようにすることができる。
【００２８】
なお、以上の実施形態においては、視野サイズを第１、第２手術具５３の先端間距離に応じて変化させる場合を説明したが、撮像領域は固定しておいてもよい。特に撮像開始後所定の間は手術具の位置（先端間距離や軸）の変化が大きいので、撮像領域をある程度広い領域に固定しておき、手術の進行によって手術具の位置の変化が少なくなった時点で、手術具の先端間距離に応じて視野を変化させるようにすることが好ましい。このような実施形態を図５及び図６に示す。
【００２９】
図５に示す処理でも、最初に第１及び第２の手術具の先端座標と指示方向を読み込み（ステップ５０１）、先端座標を通る直線を中心軸として設定する（ステップ５０２）。次に第１手術具及び第２手術具の先端間距離Ｌを算出する（５０３）。第１回目の処理では、図３の実施形態と同様に、この距離Ｌをｋ倍して視野サイズＬ1を求め（ステップ５０５）、中心軸を中心とし、この視野サイズでサイズが決まる円筒形状の撮像領域を決定する（５１０）。次いで、この円筒の、中心軸を通るｎ個の断面を撮像面として順次撮像を行う（５１１）。
【００３０】
但し、この実施形態では、第２回目以降の処理では、ステップ５０３で求めた手術具先端間距離Ｌをｋ倍した値と前回設定した視野サイズＬ１との差が所定の閾値α以下であれば（ステップ５０４）、視野サイズを変更することなく撮像を繰り返し、閾値を超えた場合には、改めて視野サイズＬ１を算出し（ステップ５０５）、新たな視野サイズで撮像を行う(ステップ５１０、５１１)。これにより、たとえば手術の進行に伴い、手術具先端間距離Ｌが視野サイズに対し小さくなった場合に、視野サイズを小さくして、手術具に挟まれた監視対象部位を常に見易くすることができる。なお、図示する実施例では、ステップ５０４において、閾値はＬ×ｋとＬ１との差の絶対値の閾値以下か否かを判断するようにしているが、視野サイズＬ１は、手術具先端間距離Ｌより大きいことが望ましいので、Ｌが前回の視野サイズを超える場合には、視野サイズを変更するようにしてもよい。
【００３１】
このように手術具先端間距離Ｌが視野サイズとの関係で所定の範囲にあるときは視野を固定して撮像することにより、頻繁な視野変動によって画像が見にくくなるのを回避し、しかも手術具近傍を常に観察しやすくすることができる。
【００３２】
図６に示す処理は、操作者（術者）の指示により視野サイズの変更を行うようにしたものであり、図中、ステップ６０１、６０２、６０５、６１０及び６１１はそれぞれ図５のステップ５０１、５０２、５０５、５１０及び５１１と同じ処理を行う。但し、この実施形態では、視野サイズを変更する指令がない状態では、手術具先端間距離Ｌを算出した後（ステップ６０２）、視野サイズを求めるステップを経ることなく、撮像ステップ６１０、６１１を行う。すなわち固定した視野サイズによる撮像を続行する。そして、たとえば撮像中に入力装置（図１のキーボードやマウス等２５）を介して視野サイズを変更する指令が入力された場合には（ステップ６０３）、手術具先端間距離Ｌを算出した後、この距離を元に視野サイズを算出し、算出された視野サイズで撮像を行う。
【００３３】
この実施形態によれば、操作者はモニタを見ながら、必要に応じて視野を変更し、常に監視対象部位を適切な視野で表示することができる。尚、図では視野サイズの変更のみを指示する場合を示しているが、視野サイズの変更の指示とともに視野サイズの固定の指示をできるようにしてもよい。
【００３４】
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されることなく種々の変更が可能である。たとえば、以上では、第１、第２手術具５３の先端を結ぶ直線を撮像領域の円筒形状の中心軸として設定したが、この中心軸は、たとえば単一の手術具や指示器の位置や方向に応じて適当に設定するようにしてもよい。その場合、たとえば、単一の手術具や指示器の先端を通りその指示方向を向いた直線を中心軸として設定したり、単一の手術具や指示器の先端を通り単一の手術具や指示器の指示方向に対して所定角度を持つ方向を向いた直線を中心軸として設定するなどするようにしても良い。また、以上の実施形態において作成した３次元ボリュームデータに基づく画像を、経皮的に術野に挿入した内視鏡によって撮像した内視鏡画像と合成して表示するなど、表示についても種々の変更を加えることができる。
【００３５】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、術者が観察を必要とするであろう範囲を適切に撮像範囲に設定し、当該撮像範囲を効率的に撮像することのできる磁気共鳴イメージング装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る磁気共鳴イメージング装置の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施形態に係るＣＰＵの機能構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の実施形態に係る撮像処理の手順の一例を示すフローチャートである。
【図４】本発明の実施形態に係る撮像処理による撮像面の設定法を示す図である。
【図５】本発明の実施形態に係る撮像処理の手順の他の例を示すフローチャートである。
【図６】本発明の実施形態に係る撮像処理の手順のさらに他の例を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１：被検体、２：静磁場発生磁石、３：傾斜磁場発生系、４：シーケンサ、５：送信系、６：受信系、７：信号処理系、８：中央処理装置（ＣＰＵ）、９：傾斜磁場コイル、１０：傾斜磁場電源、１１：高周波発振器、１２：変調器、１３：高周波増幅器、１４ａ：送信側高周波コイル、１４ｂ：受信側高周波コイル、１５：増幅器、１６：直交位相検波器、１７：Ａ／Ｄ変換器、１８：磁気テープ、１９：磁気ディスク、２０：ディスプレイ、５１：位置計算ユニット、５２：位置検出器、８１：中心軸及び視野サイズ計算部、８２：撮像領域計算部、８３：スライス断面計算部、８４：画像再構成部、８５：３次元画像構築部

Claims (3)

1. 被検体の撮像断面の断層像を核磁気共鳴現象を利用して撮像する磁気共鳴イメージング装置であって、
   指示器の位置を検出する指示器検出手段と、
   前記指示器検出手段が検出した指示器の位置に応じて設定した直線を含む撮像断面を、前記直線を中心軸として回転させながら撮像を繰り返し、円筒状の領域の少なくとも３つの断面のデータを得る撮像手段と、
   前記撮像手段が撮像した３つ以上の断面データを用いて円筒状の領域の３次元ボリュームデータを再構成する再構成手段とを備え、
   前記指示器検出手段は、二つの手術具を前記指示器として、当該二つの手術具の先端位置を検出し、
   前記撮像手段は、前記指示器検出手段が検出した二つの手術具先端位置を通る直線を前記中心軸として撮像断面を設定する撮像断面設定手段を備えたことを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
2. 請求項１記載の磁気共鳴イメージング装置であって、
   前記再構成手段は、前記円筒状の領域のうち、断面データのない領域について、前記断面データからの補間を行い、前記３次元ボリュームデータを作成することを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
3. 請求項１記載の磁気共鳴イメージング装置であって、
   前記撮像断面設定手段は、前記指示器検出手段が検出した二つの手術具先端位置間の距離に応じて、前記円筒形状の高さで規定される視野サイズを変化させることを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。

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