JP4316725B2 - 所望の構造の高品質画像を取得する方法及び該画像を表示するシステム - Google Patents
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Description
【発明の背景】
1.発明の分野
本発明は画像処理に関し、より具体的には、サイクルによって画定される運動を有する構造のイメージングに関する。
2.関連する従来技術
運動している構造はイメージングが困難であり、特に、該構造が、空間内に設定されたイメージング平面内とその外との間を移動するような場合に困難である。このイメージングは、別の周期的運動が加わると特に困難になる。例えば、呼吸している被検体の構造のイメージングは、内部構造の周期的運動を生ずる。このイメージングは更に、構造が心臓に位置している又は心臓の付近に位置しているときには、心臓の拍動によって複雑化する。心臓の拍動は、圧縮運動と捩り運動との複合した運動であり、この運動が呼吸運動に重ね合わされる。
【0002】
拍動する心臓の血管からの画像を取得する冠状血管アンジオグラフィ等では、運動している構造の画像を取得することがしばしば望ましい。画像を強調する目的のために、いくつかの画像を平均して、画像のノイズを減少させると共に視覚化の質を向上させている。
MR(磁気共鳴)冠状動脈アンジオグラフィは、典型的には、息を止めた状態での斜方単一スライス手法か、又は呼吸ゲート式3次元手法のいずれかを用いて実行されている。しかしながら、冠状血管疾患を持つ一部の患者にとっては、繰り返し息止めすることは可能でないことがあり、また現状のナヴィゲーション手法は、多岐にわたる患者の様々な呼吸パターンの範囲を網羅して作用するロバストな方法を一般的には提供していない。更に、これらのアプローチの両者とも、イメージングの開始後しばらくの間は、成功しているのか失敗しているのかが明確でないことが多い。本研究の目的は、冠状血管MRIのための適応平均化に基づくロバストで且つ息止めを要しない手法を開発することであった。
【0003】
現在、従来可能であったよりも更に明瞭な運動する構造の画像を形成するイメージング方法が必要とされている。
【0004】
【発明の概要】
被検体から、周期的運動を有している所望の構造の高品質の実時間画像が取得される。
いくつかの画像が取得されて、ユーザに対して表示される。ユーザは、所望の構造を含んでいる1つの画像を基準画像Rとして対話式で選択する。
【0005】
所望の構造を包含している関心領域(ROI1)が、基準画像R上で設定される。
次いで、ROI1を、取得された相次ぐ画像の各々と相互相関させて、相互相関画像を得る。最も効率的な実施態様では、相互相関は、フーリエ領域すなわちk空間領域における乗算によって実行される。
【0006】
相互相関画像の中央に、第2の関心領域を画定する。相互相関画像がこの関心領域内でピークを示しており、且つピークが関心領域のエッジから所定の距離よりも離隔しているならば、「有効(usable)」画像として設定される。
いくつかの有効画像を取得したら、これらの画像をシフトさせて平均してもよいし、又はそれらのオフセットによってソーティングして、同様なオフセットを有している画像のみを平均してもよい。
【0007】
このようにして、オフセットについての補償が行われているので、ぼやけの少ない平均画像が形成される。また、平均化によって、より高品質の画像が得られる。
代替的な実施態様では、カレントの画像が「有効」画像であるときに、データ・ソースへ帰還が行われる。元の生データを補強するために追加情報が取得されて、より高分解能の画像が得られる。
【0008】
【発明の目的】
本発明の目的は、周期的運動を有している構造についての高い信号対雑音比の画像を形成するシステムを提供することにある。
本発明のもう1つの目的は、イメージング中に被検体に対して息止めを要求することなく、被検体の構造についての高い信号対雑音比の画像を形成することにある。
【0009】
本発明のもう1つの目的は、被検体が常態で呼吸している状態で、被検体の冠状血管構造についての高い信号対雑音比の画像を形成することにある。
【0010】
【発明の詳しい説明】
運動している構造をイメージングする際には、様々な問題に遭遇する。これらのイメージングには多くの異なる研究分野があるが、最良の用途の1つは、冠状血管アンジオグラフィであろう。この用途について以下説明するが、本発明は、構造がイメージング平面内とその外との間を移動するような周期的運動を行う構造の任意のイメージングに利用することができる。
【0011】
心臓の血管は、被検体の心臓の拍動によってイメージング平面内とその外との間を移動する可能性がある。また、被検体の呼吸によって、冠状血管が被検体の胸部の運動に伴ってイメージング平面内とその外との間を移動する可能性もある。
所望の冠状血管がイメージング平面内に位置しているような画像を識別して、これらの画像を用いて平均画像、又は一連の画像を形成すれば、品質は大幅に向上するであろう。更に、各々の画像における冠状血管のオフセットを取り出せば、このオフセットを用いて、その系列内の他の画像と平均する前に画像の位置を補正し、これにより、イメージング平面における血管の運動に起因するぼやけを回避することができよう。
【0012】
ユーザは、実時間イメージング・ウィンドウを観察しながらシステムと対話して、所望の血管の周囲に関心領域(ROI1)を画定する。このROI1を用いてカーネルを作成し、新たなフレームが取得される都度、カーネルを新たなフレームの各々と相互相関させる。相互相関を高速化するために、フーリエ(k空間)領域における乗算によって相互相関を実行する。
【0013】
基準カーネルと緊密に整合するフレームは、比較的大きな中央ピークを持つ相互相関を生ずる。解剖学的構造が平面内で平行移動しているフレームは、ピークにオフセットを生じ、また血管が平面外へ移動したフレームは、中央領域には比較的小さな信号を有する。ピーク閾値が、フレームを排除する根拠として用いられる。回転又は変形がない場合には、平均化の前に画像を平行移動させることができ、相互相関画像の中心からのピークのオフセットは、元の画像に整列させるのに必要な平行移動量を表す。中心から所定の空間オフセットよりも大きなオフセットの位置にピークを有している画像もまた排除される。
【0014】
図1〜図4では、被検体が常態で呼吸している状態で、呼吸サイクル又は心拍サイクルのいずれかによるゲート駆動を行わないで取得された心臓アンジオグラフィ画像を示している。各々の画像は、心拍サイクル中の特定の時期を表している。
血管が明瞭に視認できる画像の1つにおいて、血管の周囲にROI1を設定した。図1では、ROI1は、淡色の線である冠状動脈の大部分を包含している白のボックスである。この同じ動脈は図2及び図3においても視認することができるが、図4では、心臓は、この動脈がもはやイメージング平面内に存在していない位置へ動いてしまっている。
【0015】
図1、図2、図3及び図4に対する相互相関を、それぞれ図5、図6、図7及び図8に示す。図5、図6及び図7は、基本画像(図1、図2及び図3)とカーネルとの間の緊密な対応性によって生じている顕著な相関ピークを示している(図5は、事実上、自己相関である。)。図3の冠状血管は、呼吸運動のため平面内で平行移動しており、図7における相関ピークも同様に上方にシフトしている。許容基準として閾値が設定されており、完全なデータ・セットから、許容されたフレームが平均された。図1とシフト後の図2及び図3との平均から図9が得られた。図9は、上記の各々の画像自体よりも明瞭である。
【0016】
図10及び図11は合わせて、本発明の冠状血管アンジオグラフィ・システムの簡単化したブロック図を示す。ユーザ1がユーザ・インタフェイス13と対話し、ユーザ・インタフェイス13は画像取得装置3へ入力を供給する。画像取得装置3は、磁気共鳴(MR)スキャナであってもよいし、k空間において生データを取得するような他のイメージング装置であってもよい。画像取得装置3は、冠状血管アンジオグラフィのスライス等の画像データを取得し、これらの画像データを生データ・バッファ5に記憶させる。この生データは、未処理のMRデータであり、フーリエ時間領域すなわち「k空間」内にある。この生データは、複数のMR画像を表すものである。画像取得装置及び生データ・バッファは一緒になって、データ・ソース6として動作する。
【0017】
生の画像は、2次元高速フーリエ変換(2DFT)装置7へ供給され、装置7は、これら生の画像を変換して画像空間領域に戻し、循環バッファ9を画像で充填する。
ユーザ1はユーザ・インタフェイス13と対話して、表示装置11に対話式で表示されている循環バッファ9内の画像から、基準画像Rとして1つの画像を選択する。
【0018】
次いで、ユーザ1はユーザ・インタフェイス13と対話して、イメージング対象の所望の構造、例えば冠状血管を包含している関心領域(ROI1)を基準画像R上で選択する。
インタフェイス13からのROI1はマスク装置15へ供給され、マスク装置15は、ROI1の外部のすべての区域が0であり且つROI1の内部が1であるようなマスクMを作成する。
【0019】
マスクMは、循環バッファ9からの選択された基準画像Rと共に乗算装置17へ供給され、そこで乗算され、その結果としてマスク済み画像Im を生じる。マスク済み画像Im は、ROI1の外部では本質的にゼロとなり、基準画像RのROI1の内部の部分に相当するものとなる。
マスクMは、逆フーリエ変換装置21へ供給されて、マスクMのk空間表現を形成する。
【0020】
このマスクMのk空間表現は、その座標値のすべてがフリップX装置25においてx軸に関してフリップさせられ、この結果をフリップY装置29に渡すと、フリップY装置29がこれらの係数のすべてをY軸に関してフリップさせて、その結果として1組の加重係数Wを生じ、この1組の加重係数Wは、加重メモリ33に記憶される。
【0021】
マスク済み画像Im についても、それぞれ逆FFT装置19、フリップX装置23及びフリップY装置27によって同様の処理が行われる。フリップY装置27の出力は、カーネル・セットKとなり、カーネル・セットKはカーネル・メモリ31に記憶される。
カーネル・セットK及び加重係数セットWは両者とも、k空間にある。カーネル・セットK及び加重係数セットWを用いて、生データ・バッファ5からのk空間画像データDに乗算する。即ち、生データ・バッファ5からのk空間画像スライスDが、加重係数セットW及びカーネル・セットKの各々と共に、それぞれ乗算器35及び乗算器37へ供給される。
【0022】
乗算器35及び37の結果は、それぞれ前方2次元フーリエ変換(2DFT)装置39及び41へ供給されて、それぞれ画像空間表現(A1 ,φ1 )、(A2 ,φ2 )を生成する。ここで、Aは振幅情報であり、φは位相情報である。
濃淡度装置43及び45が、対応するそれぞれの前方2DFT装置から位相及び振幅を受け取って、画像の2次元に広がる各々の点における画像の濃淡度(magnitude )を表す画像濃淡度‖I1 ‖及び‖I2 ‖を作成する。各々の位置において、I2 をI1 で除算して、その位置における相関の強度であるIc を得る。これにより、2次元相関マップが得られる。
【0023】
図中、破線で囲まれた構成要素は、k空間内での相関を実行するものであり、集合的にk空間相関装置30と呼ばれる。
最大値検出装置49が、2次元相互相関画像領域内の中央に位置している第2の関心領域(ROI2)の全体にわたって、局所的な最大強度Ic であるピークが存在するか否かを決定する。ROI2は、予め決定されていて記憶されていてもよいし、ユーザ・インタフェイス13を介してユーザによって供給されてもよい。
【0024】
相関マップ上のROI2内での最大画像強度Ic の位置を画像の中心から減算して、オフセットを決定する。最大相関画像強度Ic の高さが、最大相関値Rとなる。
画像選択装置51が、最大値検出装置49から前述のオフセットにあるRを受け取ると共に、生データ・バッファ5からk空間画像を受け取る。
【0025】
画像選択装置51は、相関マップ内にピークが存在するか否かを決定すると共に、このピークが相関画像のエッジから所定の距離の範囲内に位置しているか否かを決定するための所定のロジックを内部に有している。画像選択装置51はまた、ピークは存在していないがROIのエッジに向かって定常的に増大する相関強度値Ic が存在しているか否かを決定することもできる。このことは、ROI1が相関画像の冠状血管に重なり合っていないことを示す。この場合には、画像を廃棄して、他の画像を乗算器35及び37へ供給し、ここまでの処理を繰り返す。
【0026】
しかしながら、画像選択装置51が、ピークIc が存在しており、且つピークIc はROIのエッジから最小距離よりも離隔して位置していると決定したならば、画像選択装置51は、この画像をよい画像、即ち「有効」画像であるものと決定し、前方2DFT装置52がこの画像を画像空間へ変換し、オフセット情報と共にこの画像をルータ装置53へ供給する。
【0027】
1つの実施態様では、ルータ53は単純に、画像スライスを表す情報を各々保持することが可能な複数の位置を有しているセグメント型メモリ55に画像を記憶させる。
第2の実施態様では、ルータ53は、メモリ55のビン(bin )の数よりも多い画像及びオフセットを受け取る。すると、ルータ53内に設けられているソート器52が、セグメント型メモリ55内のビンの各々に、所定のオフセット範囲によって、画像を記憶させる。あるビンに配置された各々の追加画像は、このビンに記憶されている以前の画像のすべての途中経過平均と共に平均化される。
【0028】
これにより、「平均化された映画」が得られる。平均化された映画では、心臓の運動は本質的に除去されており、冠状血管が呼吸と共に上下に運動する様子が見られる。
更にもう1つの実施態様では、ルータ53は、画像選択装置51に接続されているシフト装置57として実現され得る。シフト装置57は、各画像及び各画像のオフセットを受け取り、各々の画像をそのオフセット分だけシフトさせて画像を正規化した後に、シフト後の画像を平均化器59へ供給する。平均化器59はまた、連続処理用メモリ62に既に記憶されている内容、即ち処理中の画像平均を受け取る。次いで、平均化器は、これらの画像を平均し、平均後の画像を新たな処理中の平均として連続処理用メモリ62に記憶させる。これらの実施態様の各々は、異なる用途及び結果を有する。
【0029】
この適応平均化された画像は、実時間画像と比べて信号対雑音比(SNR)について顕著な向上を示す。適応平均化は、冠状血管のイメージングに適している。
更にもう1つの代替的な実施態様では、画像取得装置3が、画像選択装置51に結合されて、画像選択装置51に応答するようにしてもよい。画像は、通常の方式で取得してもよいし、通常のイメージングの際の取得速度を高速化するために簡略化された方式で取得してもよい。但し、画像選択装置51が、相関画像における高い相関ピークによって示されているようにカレント画像D内に所望の構造が存在しているものと決定したら、画像取得装置3に信号が送信されて、画像の追加情報を取得する。即ち、画像取得装置3は、高速取得の際にはk空間において低めの空間周波数をサンプリングするが、画像選択装置51からの信号を受け取ると、高めの空間周波数をサンプリングすることになる。この追加情報は、画像選択装置51へ直接渡されてもよいし、先ず生データ・バッファを通過させてもよく、既に取得された生画像データDを補強することを目的とするものである。これにより、所望の構造が視認可能であるときにはより高分解能の画像を取得し、その他の場合には、より低分解能の「迅速(quick )」画像を取得することが可能になる。
【0030】
このシステムには、第1の表示装置11と、第2の表示装置71とが存在しているので、ユーザ1に対して少なくとも2つの異なる表現を同時に表示することができる。第1の表示装置11は、被検体の拍動する心臓の実時間画像を連続表示してもよいし、接続を切断して、循環バッファ9に保存されている画像の任意のもの又はすべてを再生してもよい。
【0031】
第2の表示装置は、第1の表示手段11の実時間表示と比較させながら「平均化された映画」を再生してもよいし、連続処理用メモリ61の平均画像を表示して、平均画像をユーザの入力に従って更新してもよい。また、更新の進行を連続的に表示することも可能である。
第2の表示装置71はまた、メモリ55内にある画像のすべて又は任意のものを再生してもよく、これらの画像を連続的に更新してもよいし、静止させていてもよい。
【0032】
結 果
図1〜図4の冠状血管画像は、高性能勾配システム(GEメディカル・システムズ製のシグナ・ホリゾン・エコースピード(Signa Horizon EchoSpeed) )上でスパイラル・フルオロスコピー・パルス・シーケンスを用いて取得された。このスキャナは、ウルトラスパーク2(UltraSparc 2)から制御されており、画像の戻し転送、再構成及び表示を行って、拍動する心臓の実時間画像を形成した。6インタリーブ・スパイラル・パルス・シーケンスによって、128×128のマトリクス・サイズが形成され、1秒当たり5つの完全な新たな画像を形成し、1秒当たり9回の再構成を行った。適応冠状血管イメージングに先立って、10秒〜20秒の範囲内で最適な冠状動脈走査平面の位置を対話式で決定するために、スクリーン方式のツールを用いた。
【0033】
適応平均化を行う実時間スパイラル・フルオロスコピーは、冠状血管のMRIのためのロバストな手法としての可能性を示している。この手法は、息止めも、別個のナヴィゲーション・シーケンスも、ECGゲート駆動も必要としない。更に、この手法は、画像の開始時から、関心のある血管を連続して視覚化することを可能にする。冠状血管の走査平面の対話式での位置決定を、これらの走査平面の実時間イメージングの際の適応平均化とインタリーブさせることも容易に行うことができる。
【0034】
新規の発明の現状で好ましいいくつかの実施の形態についてここに詳細に記載したが、当業者には今や、多くの改変及び変形が明らかになっていることであろう。従って、特許請求の範囲は、本発明の要旨の範囲内に含まれるこれらのようなすべての改変及び変形を網羅しているものとする。
【図面の簡単な説明】
【図1】被検体の心臓の断面についてのゲート駆動なし且つ息止めなしの実時間画像である。
【図2】被検体の心臓の断面についてのゲート駆動なし且つ息止めなしの実時間画像である。
【図3】被検体の心臓の断面についてのゲート駆動なし且つ息止めなしの実時間画像である。
【図4】被検体の心臓の断面についてのゲート駆動なし且つ息止めなしの実時間画像である。
【図5】関心領域1(ROI1)の図1との相互相関である。
【図6】関心領域1の図2との相互相関である。
【図7】関心領域1の図3との相互相関である。
【図8】関心領域1の図4との相互相関である。
【図9】図1〜図3の画像の平均化から取得される被検体の断面画像である。
【図10】本発明の実施態様の一部の簡略ブロック図である。
【図11】本発明の実施態様の他の部分の簡略ブロック図である。
Claims (10)
- 一連の画像において周期的運動を有している所望の構造の高品質画像を取得する方法であって、
(a)前記一連の画像を表示して、前記所望の構造を含んでいる選択された画像を基準画像Rとして設定するユーザ供給入力を受け取る工程と、
(b)基準画像Rにおいて前記所望の構造を包含する関心領域ROI1を設定する工程と、
(c)前記一連の画像からの他の画像の各々とROI1を相互相関させて、一連の相互相関画像を結果として得る工程と、
(d)各々の相互相関画像の中央に位置する第2の関心領域ROI2を画定する工程と、
(e)各相互相関画像のROI2内でROI2のエッジから所定の距離よりも離隔した位置にピークを有している画像を「有効」画像として設定する工程と、
(f)前記「有効」画像のみを処理して、より高品質の処理済み画像を結果として得る工程とを有している、前記高品質画像を取得する方法。 - 前記の相互相関を行う工程は、
(a)前記基準画像Rを前記ROI1内で逆フーリエ変換してk空間画像とする工程と、
(b)前記k空間画像をそのX座標に関してフリップさせる工程と、
(c)前記k空間画像をそのY座標に関してフリップさせて、カーネル・セットKを結果として得る工程と、
(d)前記ROI1の外部で0を有し且つROI1の内部で1を有するマスクMを作成する工程と、
(e)前記マスクMを逆フーリエ変換してk空間画像とし、該マスクMのk空間画像をそのX座標に関してフリップさせる工程と、
(f)前記マスクMのk空間画像をそのY座標に関してフリップさせて、加重係数セットWを結果として得る工程と、
(g)前記カーネル・セットK及び加重係数セットWを、生データ画像Dにそれぞれ乗算して、積K及び積Wをそれぞれ結果として得る工程と、
(h)前記積K及び積Wに対して2次元前方フーリエ変換を実行して、振幅及び位相情報(A2,φ2)及び(A1,φ1)をそれぞれ結果として得る工程と、
(i)前記情報(A2,φ2)及び(A1,φ1)から濃淡度‖I2‖、‖I1‖をそれぞれ決定する工程と、
(j)Ic=‖I2‖/‖I1‖に従って相互相関画像Icを決定する工程とを含んでいる請求項1に記載の方法。 - 前記相互相関は、k空間における乗算により実行されて、高速相互相関を結果として得る請求項1に記載の方法。
- (a)各相互相関画像の中心点からの有効画像の相互相関ピークの位置からオフセットを算出する工程と、
(b)前記オフセットの大きさだけ前記有効画像を平行移動させて、前記オフセットを補正する工程と、
(c)前記平行移動された画像を平均して、ぼやけが減少した処理済み画像を結果として得る工程とを更に含んでいる請求項1に記載の方法。 - (a)各相互相関画像の中心点からの有効画像の相互相関ピークの位置からオフセットを算出する工程と、
(b)前記オフセットに従って画像をソートする工程と、
(c)前記画像をソートされた順序で再生して、前記オフセットに従って変化する「平均化された映画」を提供する工程とを更に含んでいる請求項1に記載の方法。 - (a)前記画像は、取得中に呼吸している被検体の冠状血管アンジオグラフィ画像であり、
(b)前記イメージングされる構造は、冠状血管であり、
(c)前記オフセットは、呼吸運動によるものであり、
(d)前記「平均化された映画」は、心臓の運動を除去したものである請求項5に記載の方法。 - 周期的運動を有している所望の構造から取得される一連の画像から導出される高品質の処理済み画像を表示するシステムであって、
(a)フーリエk空間において複数の生画像を取得すると共に該画像を接続された構成要素へ供給するデータ・ソースと、
(b)データ・ソース6に結合されており、ユーザが指定した画像を選択すると共に表示し、ユーザ選択の基準画像R上でROI1を画定するように動作する対話式画像選択装置と、
(c)前記対話式画像選択装置に結合されており、ROI1を受け取ると共に、ROI1の外部ですべて0を有し且つROI1の内部ですべて1を有するマスクMを作成するように動作するマスク装置と、
(d)前記対話式画像選択装置、マスク装置及びデータ・ソースに結合されており、基準画像R、マスクM及び生データ画像Dから相関画像Ic を作成するk空間相関装置と、
(e)前記k空間相互相関装置に結合されており、ピークが存在しているならば、存在するピークについて、ピークの高さ、及び前記相互相関画像Ic の中心からの該ピークのオフセットを算出するように動作する最大値検出装置と、
(f)前記最大値検出装置に結合されていると共に生データ・バッファから結合されており、前記オフセット、ピークの高さ及び生データ画像Dを受け取り、前記ピークの高さが所定の閾値よりも大きいか否か、また前記オフセットが、「有効」画像を画定する所定の閾値よりも小さいか否かを決定するように動作すると共に、「有効」画像に対して2次元フーリエ変換を実行するように動作する画像選択装置と、
(g)複数の画像を記憶すると共に検索することが可能な画像メモリと、
(h)前記画像選択装置に結合されており、前記有効画像の2次元フーリエ変換表現を受け取って、該画像を更に処理した後に、該処理済み画像を画像メモリに記憶させるように動作するルータと、
(i)前記画像メモリに結合されており、画像メモリに記憶されている前記処理済み画像を表示する表示装置とを有している前記高品質の処理済み画像を表示するシステム。 - 前記ルータは、当該ソート器に供給された有効画像をそのオフセットに従ってソートすることにより画像を処理するソート器を含んでいる請求項7に記載のシステム。
- 前記ルータは、
(a)画像及びオフセットを受け取って、各々の画像をそのオフセットで平行移動させるシフト装置と、
(b)画像データを記憶することが可能であり、処理中の画像平均を収容している連続処理用メモリと、
(c)前記連続処理用メモリ及びシフト装置に結合されており、前記処理中の平均画像及び前記シフト装置からの前記平行移動後の画像を受け取ると共に平均し、結果を連続処理用メモリに記憶させる平均器とを含んでいる請求項7に記載のシステム。 - (a)画像取得装置は、少なくとも2つのモードで動作し、その第1のモードは簡略化された画像の「迅速」取得であり、信号を受け取ったときに高分解能取得モードである第2のモードで動作し、
(b)前記画像選択装置は、前記画像取得装置に接続されており、カレントの「有効」画像が検出されたときに画像取得装置に対して信号を送信して、画像取得装置を、元の生データDを補足する追加情報を取得するように動作させる請求項7に記載のシステム。
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