JP4532139B2 - 磁気共鳴イメージング装置 - Google Patents

Description

本発明は、手術ナビゲーション装置を備えた磁気共鳴イメージング装置に関し、特に神経繊維画像上に手術操作を行う個所を表示して手術ナビゲーションシを行う技術に関する。

外科手術の時にMRI装置やX線CT装置などで撮影した被検体の画像上に、術者が手術操作している個所を表示することで、術者の解剖学的な空間認識を支援する手術ナビゲーション装置が開発され、脳神経外科手術などの高精度な手術操作が要求される手術に適用されている。
例えば、[特許文献1]には、上記の被検体画像を直交する3断面で表示し、同時にその画像をボリュームレンダリング処理により3D表示することで、より直感的な空間認識を可能とする方法が開示されている。

特に、脳神経外科手術などでは、腫瘍摘出時には言語野や運動野など重要な脳機能を温存しながら腫瘍などを最大限摘出することが求められる。したがって、これらの脳機能に関係する神経線維の走行を術中に確認することが求められる。また、神経線維画像は、術前のMRI検査において拡散強調イメージングや拡散テンソルイメージングによって取得できる。

これらのイメージングでは、神経線維は線維方向に拡散が大きく、線維と垂直な方向には拡散が制限されていることを前提としている。拡散強調イメージングでは、目的としている神経線維が走行している面をスライス面とし、Motion Proving Gradient（以下、MPGと略記する）パルスをこの面に垂直方向に印加する方法がある。この手法は、MPGパルスが印加された方向に拡散がある場合はその信号が低下し、スライス面内で拡散している部位があればその部位の信号が相対的に高くなることを利用し、スライス面内を走行する神経線維を比較的高信号に描出する手法である。また、拡散テンソルイメージングは、MPGパルスの印加方向を変えて複数回撮影を行い、その後、数学的にテンソル解析を行って神経線維の走行を画像化する。
特開2003-79637号公報

術中にMRI撮影が可能なシステムとしては、オープンMRI装置を使用したシステムがあるが、静磁場強度は0.3T程度と低磁場強度であり通常の検査で使用されている1.5T程度の高磁場装置に比べ画像のSignal to Noise Ratio（以下、SNRと呼ぶ）が劣る。さらに、神経線維の走行を描出できる拡散強調イメージングでは、その画像のSNRが通常の撮影法に比べて低くなる。そのため、従来の手術ナビゲーションでは、解剖学的画像と術前の神経線維画像による空間認識は可能だであったが、術中の臓器の移動・変形に対応した神経線維画像を取得して、それに基づいたナビゲーションを行うことは困難であった。

そこで本発明の第1の目的は、術中の臓器の移動・変形にも対応して解剖学的画像と神経線維の走行状態を確認できる画像を同時に提供することによって、わかりやすい手術ナビゲーションを行うことである。
また、第2の目的は、比較的小さな（実効的）スライス間隔でありながら比較的高いSNRで神経線維画像を取得することである。

上記の目的を達成するために本発明は以下のように構成される。即ち、
被検体の解剖学的画像と神経線維の走行状態を表す神経線維画像をそれぞれ計測する計測手段と、前記解剖学的画像と前記神経線維画像を表示する表示手段と、前記被検体を指示するための指示器と、前記指示器の指示点を検出する検出器と、前記指示器の実空間上の座標と画像データの座標とを対応付けるレジストレーション手段と、を備えた磁気共鳴イメージング装置において、前記表示手段は、検出された前記指示点を前記解剖学的画像と前記神経線維画像の内の少なくとも一方の画像上に表示する。
これにより、指示器によって指示された点に対応して解剖学的画像と神経線維画像を撮影して表示し、それら画像上に指示点及び指示方向を表示することができるようになる。

好ましい実施態様は、前記計測手段は、前記神経線維画像をマルチスライスで複数回撮影する場合に、異なる撮影間でスライス厚の一部がオーバーラップする様にスライス位置をずらす。
これにより、神経線維画像のスライス厚を増加させつつ、実効的なスライス厚を薄くすることができるので、分解能を低減させることなく神経線維画像のSNRを向上させることができる。

本発明により、脳神経外科手術などで術者が術中に撮影部位の解剖学的構造と共に神経線維の走行を空間的に認識することができ、これらの画像上で手術操作部位を確認することにより、臓器の移動・変形に対応した手術ナビゲーションが可能となる。その結果、重要な脳機能などに関係する神経線維に損傷を与えることなく、より安全に腫瘍などを摘出することが可能となる。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。なお、発明の実施の形態を説明するための全図において、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
最初に、本発明を適用するMRI装置について説明する。図4は本発明を適用する磁気共鳴イメージング（以下、MRIという）装置の一実施例に関する全体構成を示すブロック図である。このMRI装置は、核磁気共鳴（NMR）現象を利用して被検体の断層画像を得るもので、図4に示すように、MRI装置は静磁場発生系2と、傾斜磁場発生系3と、送信系5と、受信系6と、データ処理系7と、シーケンサ4と、中央処理装置（CPU）8と、操作系25とを備えて構成される。

静磁場発生系2は、被検体1の周りの空間にその体軸方向（水平磁場方式）または体軸と直交する方向（垂直磁場方式）に均一な静磁場を発生させるもので、被検体1の周りに常電導方式、超電導方式、あるいは永久磁石方式の静磁場発生源が配置されている。

傾斜磁場発生系3は、X，Y，Zの3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9を駆動する傾斜磁場電源10とから成り、後述のシ−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3軸方向の傾斜磁場Gx，Gy，Gzを被検体1に印加する。より具体的には、X，Y，Zのいずれかの1方向にスライス方向傾斜磁場パルス（Gs）を印加して被検体1に対するスライス面を設定し、残り2つの方向に位相エンコード方向傾斜磁場パルス（Gp）と周波数エンコード方向傾斜磁場パルス（Gf）を印加して、エコー信号にそれぞれの方向の位置情報をエンコードする。

シーケンサ4は、高周波磁場パルス（以下、「RFパルス」という）と傾斜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制御手段で、CPU8の制御で動作し、被検体1の断層画像のデータ収集に必要な種々の命令を送信系5、傾斜磁場発生系3、および受信系6に送る。

送信系5は、被検体1の生体組織を構成する原子の原子核スピンに核磁気共鳴を起こさせるためにRFパルスを照射するもので、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とから成る。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からの指令によるタイミングで変調器12により振幅変調し、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、RFパルスが被検体1に照射される。

受信系6は、被検体1の生体組織を構成する原子核スピン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と信号増幅器15と直交位相検波器16と、A／D変換器17とから成る。送信側の高周波コイル14aから照射されたRFパルスによって誘起される被検体1の応答のエコー信号が被検体１に近接して配置された高周波コイル14bで検出され、信号増幅器15で増幅された後、シーケンサ4からの指令によるタイミングで直交位相検波器16により直交する二系統の信号に分割され、それぞれがA／D変換器17でディジタル量に変換されてエコーデータとしてデータ処理系7に送られる。

データ処理系7は、光ディスク19、磁気ディスク18等の外部記憶装置と、CRT等からなるディスプレイ20と、経時的な画像解析処理及び計測を行うプログラムやその実行において用いる不変のパラメータなどを記憶するROM（読み出し専用メモリ）21と、前計測で得た計測パラメータや上記受信系4で検出したエコーデータ及び関心領域設定に用いる画像を一時保管すると共にその関心領域を設定するためのパラメータなどを記憶するRAM（随時書き込み読み出しメモリ）22とを有し、受信系6からのエコーデータがCPU8に入力されると、CPU8が信号処理、画像再構成等の処理を実行し、その結果である被検体1の断層画像をディスプレイ20に表示すると共に、外部記憶装置の磁気ディスク18等に記録する。

操作系25は、トラックボール23及び、キーボード24とを有し、上記データ処理系７で行う処理の制御情報を入力する。この操作部25はディスプレイ20に近接して配置され、操作者がディスプレイ20を見ながら操作部25を通してインタラクティブにMRI装置の処理を制御する。

なお、図4において、送信側の高周波コイル14aと傾斜磁場コイル9は、被検体1が挿入される静磁場発生系2の静磁場空間内に被検体1に対向して設置されている。また、受信側の高周波コイル14bは、被検体1に対向して、或いは取り囲むように設置されている。
現在MRI装置の撮像対象核種は、臨床で普及しているものとしては、被検体の主たる構成物質である水素原子核（プロトン）である。プロトン密度の空間分布や、励起状態の緩和時間の空間分布に関する情報を画像化することで、人体頭部、腹部、四肢等の形態または、機能を2次元もしくは3次元的に撮像する。

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手術ナビゲーション装置の構成を示す。図示するように、本手術ナビゲーション装置は、被検体1の解剖学的な画像及び神経線維画像を計測するMRI装置などの撮影装置80と、指示器81と、位置検出器82と、処理装置90と表示装置100から主に構成される。
特に、処理装置90は、撮影データ記憶部91、位置検出処理部92、断層画像再構成部93、ボリュームレンダリング処理部94、表示処理部95、主制御部96から構成される。そして、撮影装置80内に被検体1を配置し、被検体1にマーカ51を固定して位置検出器82でマーカ51の位置が検出される。

なお、本実施形態では、手術ナビゲーション装置が撮影装置80から独立した構成としているが、手術ナビゲーション装置の上記構成要素の中で撮影装置80の構成要素と共用化できるものは共用してもよい。例えば、前述のMRI装置を撮影装置80として用いた場合は、処理装置90をデータ処理系7の内部に含め、表示装置100をディスプレイ20とすることができる。そして撮影データ記憶部91を磁気ディスク18や光ディスク19とし、断層画像再構成部93及びボリュームレンダリング処理部94をCPU8とすることができる。

以下、前述のMRI装置を撮影装置90とした場合を例にして、このような手術ナビゲーション装置の動作について説明する。まず、手術の開始前後に、複数のマーカ51が固定された被検体1を撮影装置80により撮影する。撮影装置80で撮影した撮影データは処理装置90に転送され、撮影データ記憶部91に記憶される。

手術開始後、処理装置90は以下のようなレジストレーションを行う。すなわち、術者が指示器81の先端で被検体1に固定されたマーカ51を指示し、入力装置97からレジストレーションが指示されると、主制御部96を介してこの指示を受け取った位置検出処理部92は指示器81先端の実空間上の座標を算出する。

この指示器81の座標を検出する位置検出器82としては光学式などの方法がある。光学式は、指示器81にマーカ（発光ダイオードなどの光源）を取り付け、視差を有する複数のカメラで撮影した画像より算出される各マーカの位置より指示器81の先端の位置を検出するか、又は、照射した赤外線の反射光を視差を有する複数のカメラで撮影し、撮影した画像より指示器81先端の位置を検出する。

次に、位置検出処理部92は、各被検体マーカ51を指示している状態に対して算出した指示器81先端の実空間座標より、撮影データ記憶部91に記憶されている撮影データの各座標と実空間上の座標との関係式、すなわち、実空間上における現在の被検体のある部分の位置と、撮影データ中の被検体1のその部分を撮影した位置を対応付ける関係式を求め、これをレジストレーション結果として記憶する。具体例としては、その時点で、指示器81の先端で被検体マーカ51を指しているときのその空間座標から、撮影データ中の指定された被検体マーカの座標へ座標変換を行う。
または、その逆の変換を行う座標変換式を求め、これをレジストレーション結果として記憶する。

以上のようにレジストレーションが終了すると、処理装置90は以下のようなナビゲーション動作を行う。すなわち、位置検出処理部92は、指示器81先端の位置とその指示方向を検出し、それらを先に求めたレジストレーション結果の関係式に従って、撮影データが存在する空間上の位置と方向に変換する。

断層画像再構成部93は、撮影データ記憶部91に記憶された撮影データから、操作位置を含む断層画像を、直交するそれぞれ所定方向の3平面について算出する。このとき、各断層画像には、操作位置を示すカーソルを表示する。
ボリュームレンダリング処理部は、撮影データ記憶部に記憶された神経画像の撮影データに対してボリュームレンダリングを行い、3D画像を生成する。この3D画像には、操作位置を示すカーソルを表示する。

表示処理部95は、断層画像再構成部93が直交する3方向それぞれについて算出した断層画像と、ボリュームレンダリング処理部が生成した3D画像を表示装置に表示する。
この表示装置100の表示例を図2，3に示す。表示装置100のモニタには、図2に示す様なフォーマットで、直交する3断面の断層画像110，120，130とその表示パラメータ140、及び神経線維画像のボリュームレンダリング（3D）表示150とその表示パラメータ160を表示する。図3は、図2のフォーマットで表示した具体例である。図3では、左側のAnatomical Viewの第1，2，3画面（左上、中央、左下）をTRS（Transaxial), SAG（Sagittal）, COR（Coronal）像とし、それぞれの表示パラメータはそれら表示方法の設定値であり、変更可能である旨を設定値を□で囲んで表示してある。つまり、図3の表示パラメータは、第1画面ではHorizontal方向をRL（Right-Left）, Vertical方向をAP（Anterior-Posterior）とし、第2画面ではHorizontal方向をHF（Head-Foot）, Vertical方向をAPとし、第3画面ではHorizontal方向をRL, Vertical方向をHFとした場合を示している。また、図3の右側にはCOR（Coronal）像を切り出した3Dの神経繊維画像とその表示パラメータを表示している。それぞれの画像上には操作位置を（十字）カーソル（Cursor）で表示(ON)している。また、Loadは、画像データを読み込むボタンであり、Linkは、指示器との連動を開始／停止するボタンである。
それぞれの表示方法を変更する場合には、変更する項目毎にその値を変更する。例えば、Horizontal方向を左右反転するために、RL→LRと表示設定値を変更すれば良い。

この神経線維画像は、指示器81で指示した断面を切り出して表示することができる。例えば、重要な神経経路である錐体路を観察する場合、表示パラメータにて通常COR断面が設定される。このとき、指示器81の先端が指す位置に応じて、その先端を含むCOR断面が即時に表示される。このようにして、術中に必要なときにMRI撮影を行うことにより術中画像を更新し、術者は術中の臓器の移動・変形に対応した解剖学的構造と神経線維の走行、及び手術操作部位を空間的に認識しながら、手術を行うことができる。

ここで、術中に撮影を行う場合には、撮影と手術を同位置で行う場合と、撮影時のみ患者をMRIガントリー内へ挿入し、撮影後はガントリーの外へ搬出し、手術を行う場合がある。手術ナビゲーション装置は、術者が持つ術具先端位置を室内モニターで解剖学的画像と神経線維画像上に表示し、術者が実際に手術操作している位置が臓器の中のどこなのかを視覚的に示すことにより、術者の手術操作を支援する。術者は脳の深部など臓器に隠れた位置を手術操作する場合に、又は、肉眼では確認し難く、顕微鏡を使用しても視野が限られている場合などに、ナビゲーション画像を見ることによりその周囲に何があるのかを立体的に把握することができる。上記いずれの場合も、指示器81で示された位置の画像を表示して手術をナビゲートする。

神経線維画像を取得する方法の一つは、MRI装置において目的とする神経線維に直交する少なくとも1つのMPGパルスを印加して拡散強調イメージングを行う方法である。EPI法にこのイメージング法を適用した場合の詳細は、[非特許文献1]の46頁に記載されている。例えば、重要な神経線維である錐体路を描出する場合、錐体路を含むスライス面を位置決め画像での解剖学的な構造を基に設定し、このスライス面に垂直な方向にMPGパルスを印加して拡散強調イメージングを行う。このような神経線維画像を術中に取得し、臓器の移動・変形に対応した手術ナビゲーションを行う。

神経線維画像を取得するその他の方法として、MRI装置において拡散テンソルイメージングを行う方法がある。拡散テンソルイメージングの詳細は、[非特許文献1]の80〜103頁に記載されている。このような神経線維画像を術中に取得し、臓器の移動・変形に対応した手術ナビゲーションを行う。
青木茂樹・阿部修、「これでわかる拡散MRI」

神経線維画像を術中MRI撮影で拡散強調イメージングによって撮影する場合に、スライス間隔を小さくしつつ画像のSNRを向上させるため、スライスをオーバーラップさせる（以下、スライスオーバーラップ法という）。スライスオーバーラップ法は、図3に示すようにスライス位置をずらしてマルチスライス撮影を複数回（図では3回）行い、厚めに設定したスライス厚の一部を複数回の撮影間で互いにオーバーラップさせる。計測後に複数回撮影したデータを、スライス位置を指標として並べ直す。図4の場合では、401-1，402-1，403-1，401-2，402-2，403-2，…というように、左側からのスライス開始位置順に並べ直す。

通常は、スライス位置のずらす量を一定量ずつとすることで、実効的なスライス間隔を一定にする。例えば、スライス厚を8mm、ギャップを1mmとすると、この場合の1回の撮影におけるスライス間隔は9mmである。一方、スライスオーバーラップ法にて3回撮影すると、スライス位置を3mmずつ、ずらして撮影し実効的なスライス間隔は3mmとなる。撮影した画像を見るときには、スライス方向の分解能に注意する必要があるが、術中に臓器の移動・変形に対応した神経線維画像を、比較的小さな（実効的）スライス間隔ながら、比較的高いSNRの画質で見ることが可能となる。

本発明の実施形態に係る手術ナビゲーション装置の構成を示すブロック図。 本発明の実施形態に係る手術ナビゲーションの表示フォーマットを示す図。 図2の具体例を示す図。 本発明の実施形態に係るスライスオーバーラップ法を示す図。 MRI装置の一実施例の全体構成を表すブロック図。

符号の説明

１…被検体、２…静磁場発生系、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…高周波発信器、１２…変調器、１３…高周波増幅器、１４ａ…高周波コイル（送信コイル）、１４b…高周波コイル（受信コイル）、１５…信号増幅器、１６…直交位相検波器、１７…A／D変換器、１８…磁気ディスク、１９…光ディスク、２０…ディスプレイ、５１…対象に固定されたマーカ、８０…撮影装置、８１…指示器、８２…位置検出器、９０…処理装置、９１…撮影データ記憶部、９２…位置検出処理部、９３…断層画像再構成部、９４…ボリュームレンダリング処理部、９５…表示処理部、１００…表示装置、１１０…断層画像TRS、１２０…断層画像SAG、１３０…断層画像COR、１４０…断層画像表示パラメータ、１５０…神経線維画像、１６０…神経線維画像表示パラメータ

Claims (5)

1. 被検体の解剖学的画像と神経線維の走行状態を表す神経線維画像をそれぞれ計測する計測手段と、前記解剖学的画像と前記神経線維画像を表示する表示手段と、前記被検体を指示するための指示器と、前記指示器の指示点及び指示方向を検出する検出器と、前記指示器の実空間上の座標と画像データの座標とを対応付けるレジストレーション手段と、を備えた磁気共鳴イメージング装置において、
   前記計測手段は、術中に、拡散強調イメージング法を用いて、異なる撮影間でスライス厚の一部がオーバーラップする様にスライス位置をずらした複数回のマルチスライス撮影で前記神経線維画像をそれぞれ計測し、
   前記表示手段は、検出された前記指示点を前記解剖学的画像と前記神経線維画像の内の少なくとも一方の画像上に表示する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に記載の磁気共鳴イメージング装置において、前記表示手段は、前記解剖学的画像として互いに異なる３つの断面画像を表示し、前記神経線維画像として３次元神経線維画像データの投影像と前記指示器で指示された断面像とを表示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２に記載の磁気共鳴イメージング装置において、
   前記表示手段は、前記３つの断面画像についての第１のパラメータと、前記神経線維画像についての第２のパラメータを表示し、
   前記第１のパラメータは、前記３つの断面画像の各々について、前記表示手段の上下方向と水平方向に表示する画像の方向を設定するパラメータを含み、
   前記第１のパラメータの表示領域と前記第２のパラメータの表示領域には、前記指示器と画像表示との連動を開始/停止するボタンが表示されることを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
4. 請求項１に記載の磁気共鳴イメージング装置において、前記表示手段は、前記指示器の先端を含むCOR断面の神経線維画像を表示することを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
5. 請求項１に記載の磁気共鳴イメージング装置において、前記複数回のマルチスライス撮影で計測された各神経線維画像は、スライス位置を指標として並べ直されたものであ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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