JP4871505B2

JP4871505B2 - 核磁気共鳴撮像装置

Info

Publication number: JP4871505B2
Application number: JP2004356703A
Authority: JP
Inventors: 秀和仲本; 賢正宗
Original assignee: Hitachi Medical Corp
Current assignee: Hitachi Healthcare Manufacturing Ltd
Priority date: 2004-12-09
Filing date: 2004-12-09
Publication date: 2012-02-08
Anticipated expiration: 2024-12-09
Also published as: JP2006158767A

Description

本発明は、術中画像と患者を対応づけ、画像合成して表示する核磁気共鳴撮像装置に関するものである。

核磁気共鳴撮像装置（以下、MRI装置と称する）は、連続的に被検体中の水素や燐等からの核磁気共鳴信号（以下、MR信号と称する）を測定し、核の密度分布や緩和時間分布等を映像化するものである。

このようなMRI装置を用いて、心臓イメージングや、手術時の穿刺モニタリング、経皮的治療などに使用されるI−MRI装置（Interventional−MRI装置、または、Intraoperative−MRI装置の略称）では、リアルタイムで撮像する断層面を任意に設定したいという要望がある。撮像する断層面を任意に選択する手法として、グラフィカルユーザインタフェースにMRI画像を表示して、画面上のボタンをクリックして、次に撮像する断層面を決定する方法や、3次元マウスなどを使う方法などが提案されている。（例えば特許文献1、非特許文献1）
米国特許第５５１２８２７号 Magnetic Resonance in Medicine：Real−time interactive MRI on a conventional scanner；AB．Kerr他、38巻、pp。355−367（1997）

しかし、撮影した断層画像と患者の位置を合わせる作業（Resistration）があるため、調整専用器具が必要であった。また、そのキャリブレーションにかける時間がかかっていたため、手技が遅れてしまった。

上記の課題解決するため、本発明は、被検体を収容する空間に静磁場を発生する静磁場発生手段と、前記空間に傾斜磁場を発生する傾斜磁場発生手段と、前記被検体に磁気共鳴を生じさせる高周波磁場を照射する照射手段と、磁気共鳴による前記被検体からの受信信号を検出し受信する受信手段と、前記受信手段で受信した受信信号に基づいて画像を表示させる表示手段と、前記各手段を制御する制御手段と、を有する核磁気共鳴撮像装置において、前記表示手段の移動を検出する検出手段を備え、前記制御手段は、前記検出手段で検出した前記表示手段の移動量に対応して、前記表示手段に表示させる前記画像を変化させる。前記表示手段は、前記被検体の実像と、前記実像に対応した画像とを重ね合わせて表示させるミラー表示手段を有する。

本発明は、ポインタとMRI装置の相対位置関係が予め定義されているので、術者・オーバーレイシステムが移動しても再度レジストレーションを行う必要がなく、相当位置に応じた画像を随時提供することができる。また、オーバーレイシステムが3次元位置情報を持っていることから、術具や血管、腫瘍などの3次元情報も相対表示することもできる。

以下、本発明の実施例を添付図面に基づいて詳細に説明する。図1は本発明の実施の形態1の磁気共鳴イメージング装置の概略構成を説明するための図であり、図2は実施の形態1の磁気共鳴イメージング装置の概略構成を説明するための外観図である。

図1及び図2において、101は被検体、102は静磁場発生手段、103は傾斜磁場発生手段、104は照射コイル、105は受信コイル、106は信号検出手段、107は信号処理手段、109は傾斜磁場電源、110はRF送信手段、111は制御手段、112は位置演算手段、113は検出カメラ、130は基準ポインタ、138は処置器具、132はモニタ、200は術者を示す。ただし、処置器具138は、穿刺針，生検針，腹腔鏡，内視鏡，カテーテル，ガイドワイヤ，冷凍治療用プローブ等のI−MRIに一般的に用いられる器具であり、被検体に挿入して使用される器具である。

図1から明らかなように、実施の形態1の磁気共鳴イメージング装置は、周知の核磁気共鳴現象を利用して被検体101の再構成像として例えば断層像や3次元像を得るためのものであり、静磁場発生手段102、傾斜磁場発生手段103、送信系、受信系、信号処理系、制御手段111及び図示しない操作卓とからなっている。

静磁場発生手段102は、被検体101の周りの所定の広がりを持った空間に配置された永久磁石、常電導磁石または超電導磁石のいずれかからなり、被検体101の周囲にその体軸方向または被検体の体軸と直行する方向に均一な静磁場を発生させる。傾斜磁場発生手段103は、X，Y，Zの3軸方向に巻かれた周知の傾斜磁場コイルとこれらの各々のコイルを磁化させる傾斜磁場電源109とからなり、制御手段111からの命令に従って傾斜磁場電源109の各々のコイルを磁化させることにより、X，Y，Zの3軸方向の傾斜磁場を被検体101に印加する。この傾斜磁場の加え方により、被検体101を撮影して表示する断面が設定される。

送信系は、図示しない周知の高周波発振器及び変調器並びに高周波増幅器等からなるRF送信手段110と照射コイル104とからなり、傾斜磁場発生手段103で設定された被検体101の撮影断面の生体組織に核磁気共鳴を励起するために、高周波発振器から出力された高周波パルスを高周波増幅器で増幅した後に、被検体101に近接して配置された照射コイル104に供給することにより、被検体101に高周波磁場を照射する。

受信系は、受信コイル105と信号検出手段106とからなり、送信系の照射コイル104から照射された高周波の電磁波による被検体101の生体組織の原子核の核磁気共鳴によるエコー信号であるMR信号を、被検体101に近接して配置された受信コイル105で受信し、信号検出手段106でディジタル信号に変換し、得られたデータを当該計測のパルスシーケンスによるタイミングでサンプリングされた収集データとして、信号処理手段107に出力する。

信号処理手段107は、収集データに対しフーリエ変換や補正係数計算等の再構成演算を行うことにより収集データから断層像を再構成し、得られた断層像をモニタ132に出力してモニタ132の表示面上に断層像を表示させる。

制御手段111は、前述した被検体101に対する磁場の印加を制御し、被検体101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所定のパルスシーケンスで繰り返し印加する手段であり、傾斜磁場発生手段103、送信系及び受信系を制御して、被検体101の断層像のデータ収集と得られた収集データからの断層像の再構成とを制御する。また、操作卓は、トラックボールまたはマウス、キーボード等からなり制御手段111で行う処理の制御情報を入力する。

モニタ132は、把持する検出ポインタ131により指示された被検体101の断層面の画像を表示するもので、モニタ支持部により、同様上部磁石102に連結されている。位置検出デバイスは、2台の赤外線の検出カメラ113と、赤外線を発光する図示しない発光ダイオードを含んで構成され、断層面指示デバイスである検出ポインタ131の位置及び姿勢を検出するものである。この位置検出デバイスは、アームにより移動可能に上部磁石102に連結され、MRI装置に対する配置を適宜変更することができる。基準ツール130は、赤外線カメラ113の座標系とMRI装置の座標系をリンクさせるもので、3つの反射球を備え、上部磁石102の側面に設けられている。制御手段111には、赤外線カメラ113が検出し算出した検出ポインタ131の位置が、位置データとして、例えば、RS232Cケーブルを介して送信される。制御手段111は、ワークステーションで構成され、図示しないRF送信器、RF受信器などを制御する。

制御手段111では赤外線カメラ113が検出し算出した検出ポインタ131の位置をMRI装置で利用可能な位置データに変換し送信する。位置データは、撮像シーケンスの撮像断面へ反映される。新たな撮像断面で取得された画像はモニタ132に表示される。

モニタ132について、図3を用いて説明する。このモニタ132は、周知技術のハーフミラー機能を備えている。例えば、PC125に蓄えられた画像を2次元画像134として読み出し、モニタ132は、2次元画像134のバーチャルスライス画像である2次元画像135と被検体101の実像を合成して共に表示させる。モニタ132に検出ポインタ131が設置されている。操作卓からモニタ132の追跡指示が入力されると、位置演算手段112には制御手段111から撮影パラメータが入力される（120）。ただし、このときの撮影パラメータとしては、例えば、初期の撮影位置、スライス厚、スライス間隔、FOV（Field of View：撮像視野の大きさ）、位相方向、被検体の体位等がある。制御手段111は位置演算手段112を制御して、検出カメラ113を制御し（121）、検出カメラ113で撮像された基準ポインタ130の位置とモニタ132が備える検出ポインタ131の位置とから演算されたモニタ132の位置情報を取得する（122）。

ここで、術者200が被検体101への位置合わせによるモニタ132の移動にともない、表示されるスライス画像も変更する。検出カメラ113は検出ポインタ131が移動する移動位置を検出し、被検体101のスライス面に合わせてモニタ132に表示する画像もそのモニタ132の位置に対応させている。

位置演算手段112は、検出カメラ113を制御して基準ポインタ130とモニタ132に配置される検出ポインタ131とをそれぞれ検出し、得られた検出データを取得する。この後に、位置演算手段112は、まず得られた基準ポインタ130とモニタ132の検出ポインタ131との位置関係を、初期設定時に生成した変換データで変換することによって、検出カメラ113でのモニタ132の検出ポインタ131の検出位置を装置本体での位置データに変換する（123）。このように装置本体の座標軸での位置をモニタ132でポイントし、そのポイント位置を検出カメラ113で位置検出することによって、装置座標系での座標値と検出カメラ113で検出された座標値との関係から検出カメラ113で検出された座標位置を装置本体での座標位置に変換する変換データを生成する。そして、このデータを制御手段111に送信し（124）、制御手段111はそのデータに基づきスライス面150の位置制御を行う。

具体的に図4を用いて説明する、まず、スライス面150にて表示される画像と被検体101の実像が一致するよう設定し、モニタ132の検出ポインタ131の位置を（a，b，c）、回転角度を（α）として設定する。そしてモニタ132を平行移動量（a’，b’，c’）、回転角度（α’）分移動させると、モニタ132に連動する検出ポインタ131の位置は（a＋a’，b＋b’，c＋c’）、回転角度（α＋α’）となる。ここで回転移動については、例えばX軸について座標点（x，y，z）を回転したい場合、下記の座標変換式を用いて、
Ｘ＝ｘ
Ｙ＝ｙcosθ−ｚcosθ
Ｚ＝ｙsinθ＋ｚcosθ
X軸周りの回転移動を演算する。Y軸周り、Z軸周りの回転移動についても同様に座標変換を行う。なお、上記では、X軸周り、Y軸周り、Z軸周り座標変換を行った後の回転角度を（α＋α’）として表記している。

このようにモニタ132に連動する検出ポインタ131を平行移動と回転移動した後の座標及び回転角度を記憶部（図示しない。）へ記憶する。そして、その記憶された平行移動と回転移動の移動量である平行移動量（a’，b’，c’）、回転角度（α’）をスライス面150の位置情報に制御手段111へフィードバックを行う。フィードバックされた平行移動量（a’，b’，c’）、回転角度（α’）に基づいてスライス面150を移動させ、移動されたスライス面150に対応した画像をモニタ132に表示させる。

このように、得られた装置本体の座標系での位置情報に変換されたモニタ132の位置情報は、位置演算手段112から制御手段111に出力される。ただし、制御手段111と位置演算手段112とをそれぞれ異なる周知の情報処理装置上で動作するプログラムにより実現する場合には、それぞれの情報処理装置が備える周知の通信インターフェースを介して情報を送受信する。位置演算手段112からモニタ132に検出ポインタ131の位置情報が入力された制御手段111は、傾斜磁場発生手段103及び照射コイル104から被検体101に印加する磁場、並びに受信コイル105でMR信号を受信する際の読み出し磁場を制御することによって、モニタ132の位置での断層像を再構成する。

したがって、モニタ132の移動とともにリアルタイムにスライス面を移動させ、スライス面に対応した2次元画像134を表示することができる。モニタ132の位置における断層像の収集をリアルタイムで順次行うことによって、術者200はI−MRI時におけるでの断層像を観察しながらの検査あるいは治療を行うことができる。1枚の画像についての画像再構成及び表示は、撮像シーケンスに連続して次の撮像シーケンスを実行する。このように連続して撮像、画像再構成、表示を行うことにより時間遅れなくリアルタイムの表示が可能となる。

なお、スライス面150は任意に移動させることもできる。被検体101の頭部を側面から撮影した場合、スライス面150はデフォルトとして被検体101の鼻を含む最大断面像を表示させるよう設定されている。また、被検体101の頭部を正面から撮影した場合、スライス面150はデフォルトとして被検体101の耳を含む最大断面像を表示させるよう設定されている。

そこで、観察したい部位がずれている際、位置設定を行う。モニタ132の面に対して例えば腫瘍等を含むようにスライス面150を平行に移動させ、モニタ132はスライス画像と実像とを対応させたまま表示させ、位置設定を行う。そして、モニタ132に一体化している検出ポインタ131の移動に追従させて、スライス面150を設定し、設定されたスライス面150に対応する画像をモニタ132に表示させる。このように、腫瘍等を含むようにスライス画像の位置を任意に設定することにより、術者200は観察したい部位を常に観察することができる。

次にモニタ132の表示形態について、図5を用いて説明する。モニタ132には、ハーフミラーのスライス像が実像と重ね合わせて表示されている。他にMRI座標系202と予め術前に撮影されたボリューム画像203は、スライス画像のスライス位置と共に表示されている。

スキャンボタン（T1）204、スキャンボタン（T2）205を入力することにより、撮像条件T1，T2を変更することができる。また、ISC＋オーバーレイシステムON/OFF206を入力することにより、システムのON/OFFを設定することができる。

各種手術情報表示ON/OFF207を入力することにより、手術情報表示のON/OFFを設定することができる。ONの場合、モニタ132上にタッチパネル或いはマウス等の入力手段を用いて、手術経路271を設定することができる。表示されているスライス画像を見て、例えばカテーテル等の針を挿す際、術者200は、カテーテルが腫瘍270に到達できる最短経路を示すようにモニタ132に表示させたり、太い血管を避けて設定したりする経路を示すようにモニタ132に表示させたり設定する。このように、手術計画をモニタ132上に表示させることにより、設定した手術経路271を見ながら、被検体101の実像に対応させ手術を行うことができ、そのため手術時間を短縮させたり、安全性を増したりすることができる。

透明度操作器208を制御することにより、モニタ132に表示されるスライス画像の透明度を調整することができる。例えば、透明度を100パーセントに設定すれば、実像のみが表示され、透明度を0パーセントに設定すれば、スライス画像のみが表示され、透明度を50パーセントに設定すれば、実像とスライス画像が半々の割合で表示される。

針の刺入経路を正しく操作するためには、体内の状態・腫瘍の位置等を把握する必要があり、そのため予めX線CT装置やMRI装置等の画像を投影し、画像情報の持つ患部の位置や大きさなどの情報を的確に処理し把握することがまず重要となる。しかしながら、実際に穿刺を行う際は、ハーフミラーを介して患者に直接画像を重ね合わせるため、患者は脇に設置されたモニタ画面上に映し出されたCGなどを観察しながら針刺入作業を行っているため、目標位置および画像との位置関係を容易に把握することができる。また、内部が透けて見えるような効果が得られる。液晶モニタが幾何的に移動するため、あらゆる方向の断層画像が正しい位置で合成できる。

本実施形態の動作手順を図6に示す。オーバーレイシステム起動後301、MRI装置においてISC撮像を開始する302と共に画像位置情報及び画像データをオーバーレイシステムに対して転送開始する303。オーバーレイシステムは情報取得後、専用モニタに表示304することで、術者に対して必要な情報を提供することが可能となる。ここで、術者の場所（位置）が変更しても305、相対的に撮像断面も変更するので306、実像とMRI画像の位置ズレもなく位置相当の画像情報を提供可能となる307。また、終了指示308がなければ術者の場所をリアルタイム検出・撮像及びオーバーレイ表示することで術者にストレスをかけないシステムを提供可能となる。

第2の実施形態として図7にモニタ表示部を眼鏡式に応用した例を示す。図7では都合上、片目しか記していないが、眼鏡として両目にかけられ、モニタ400はハーフミラー機能を備えた表示手段である。

上記の実施形態と同様にして、モニタ400は検出ポインタ131と一体化しており、モニタ400に連動する検出ポインタ131を平行移動と回転移動した後の座標及び回転角度を記憶部（図示しない。）へ記憶する。そして、その記憶された平行移動と回転移動の移動量である平行移動量（a’，b’，c’）、回転角度（α’）をスライス面150の位置情報に制御手段111へフィードバックを行う。フィードバックされた平行移動量（a’，b’，c’）、回転角度（α’）に基づいてスライス面150を移動させ、移動されたスライス面150に対応した画像をモニタ400に表示させる。よって、術者200が顔を動かしても、その動きに追従してスライス面を移動させることにより、眼鏡に映るスライス画像が実像に一致させることができる。なお、この2つのモニタ400のうち片目眼鏡を実像、別の片目眼鏡を映し出すようにしてもよいし、両目の眼鏡をオーバーレイシステムの機能を採用してもよい。

上記では、モニタ132の移動とともにリアルタイムにスライス面を移動させ、スライス面に対応した2次元画像134を表示させると説明していたが、被検体101の表面の3次元画像を表示してもよい。また、その3画像上に上述したような手術経路271を表示させてもよい。

本発明の実施形態を示す全体構成図。本発明の実施形態を示す外観図。本発明のオーバーレイシステム基本構成を示す模式図。本発明の実施形態の構成要件の位置関係を示す図。本発明の実施形態の表示形態を示す図。本発明の実施形態の動作手順を示す図。本発明の第２の実施形態を示す構成図。

符号の説明

１０１被検体、１０２静磁場発生手段、１０３傾斜磁場発生手段、１０４照射コイル、１０５受信コイル、１０６信号検出手段、１０７信号処理手段、１０９傾斜磁場電源、１１０ RF送信手段、１１１制御手段、１１２位置演算手段、１１３検出カメラ、１３０基準ポインタ、１３８処置器具、１３２モニタ、１５０スライス面、２００術者

Claims

被検体を収容する空間に静磁場を発生する静磁場発生手段と、前記空間に傾斜磁場を発生する傾斜磁場発生手段と、前記被検体に磁気共鳴を生じさせる高周波磁場を照射する照射手段と、磁気共鳴による前記被検体からの受信信号を検出し受信する受信手段と、前記受信手段で受信した受信信号に基づいて画像を表示させる表示手段と、前記各手段を制御する制御手段と、
前記表示手段の移動を検出する検出手段を備え、
前記制御手段は、前記検出手段で検出した前記表示手段の移動量に対応して、前記表示手段に表示させる前記画像を変化させ、
前記表示手段は、前記被検体の実像と、前記実像に対応した画像とを重ね合わせた重ね合わせ画像を表示させるミラー表示手段を有し、
前記表示手段は、術者に装着する眼鏡に備えられた、
核磁気共鳴撮像装置において、
前記ミラー表示手段は、透明度の設定が任意に調整されるようになっており、片目眼鏡に前記実像を、別の片目に前記画像を映し出したり、両目眼鏡に前記重ね合わせ画像を映し出したりする表示の切り替え手段を備えることを特徴とする核磁気共鳴撮像装置。
前記画像は、前記被検体に設定されたスライス面の画像であることを特徴とする請求項１記載の核磁気共鳴撮像装置。
前記制御手段は、前記表示手段の移動に対応して前記スライス面を移動し、該移動されたスライス面の撮影を行うと共に、該移動されたスライス面を撮影して取得した画像を該表示手段に表示させるよう制御することを特徴とする請求項２記載の核磁気共鳴撮像装置。