JP4961566B2

JP4961566B2 - 磁気共鳴画像処理方法および磁気共鳴画像処理装置

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Publication number: JP4961566B2
Application number: JP2007540884A
Authority: JP
Inventors: 清隆鈴木; 力中田
Original assignee: 国立大学法人新潟大学
Priority date: 2005-10-20
Filing date: 2006-07-12
Publication date: 2012-06-27
Anticipated expiration: 2026-07-12
Also published as: JPWO2007046172A1; WO2007046172A1

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、脳梗塞などの画像診断に応用され、特にペナンブラ領域に相当する画像成分の抽出に好適な磁気共鳴画像処理方法および磁気共鳴画像処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
脳梗塞の画像診断法において、血流が低下して一時的に機能停止に陥っているものの、血流増加により可逆的に機能回復を起こすことが期待される神経細胞の存在する領域、いわゆるペナンブラ（penumbra）を明瞭に描出することは、急性期血栓溶解療法の方針決定に重要な貢献をもたらす。従来、脳循環の測定にはＳＰＥＣＴ（single photon emission computed tomography）やＰＥＴ（positron emission tomography）が用いられているが、近年では核磁気共鳴画像装置（magnetic resonance imaging：ＭＲＩ）を用いた灌流強調画像（perfusion weighted imaging：ＰＷＩ）が選択されることもある。
【０００３】
灌流とは臨床医学において経験的に構築された概念であり、上記ＰＷＩは特に毛細管レベルの微小循環を捉えるものと考えられている。これらの方法によって検出される虚血領域と、拡散強調磁気共鳴画像法（diffusion weighted magnetic resonance imaging：以下、単にＤＷＩという）による（みかけの）拡散値の低下に伴って高輝度に描出される領域との間、すなわち脳組織障害と灌流障害の解離（diffusion-perfusion mismatch）が認められる領域が、上述のペナンブラに相当する。上記ＰＷＩでは、非拡散性トレーサー（Ｇd（ガドリニウム）造影剤）を急速投与した後、対象部位を局所的磁場不均一に敏感なＴ２^*（tee two star）強調型高速撮像法を用いて時系列的に撮像する。こうして得られた時系列的な各画像に対して、ピクセル毎に信号モデルの当てはめを行なうことで、局所血流量の画像を得ることができる。
【０００４】
ところが、こうしたペナンブラ領域の特定に際しては、脳内の微小な血流低下（循環）を見分けるための灌流成分と、脳細胞の生死を見分けるための拡散成分の評価を別々な撮影方法で行なう必要がある。とりわけ、上記ＳＰＥＣＴやＰＥＴを用いて灌流成分を測定しようとすると、拡散成分の測定には別なＭＲＩを利用するので、二種類の装置と二種類の撮影方法が必要になる。また、灌流成分をＰＷＩにより評価する場合には、装置（ＭＲＩ）を一種類とすることができるが、トレーサーを生体に投与しなければならず、被験者の負担が増大する。
【０００５】
一方、拡散強調磁気共鳴画像法すなわちＤＷＩを用いて、脳内灌流を画像化しようとする試みが、フランスのディー．ルビーアン（D. Le Bihan）氏らの非特許文献１によって既に提案されている。ここでは、拡散の感度（拡散強調係数）であるｂ値として、ｂ_１，ｂ_２，ｂ_３（ｂ_１＜ｂ_２＜ｂ_３）の３つを用いて得られたＤＷＩ画像Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３から、次の数３〜数５の式で与えられるｆを画像化するというものである。
【０００６】
【数３】
【０００７】
【数４】
【０００８】
【数５】
ここで、ｆはボクセル内の灌流成分の体積比（perfusion fraction）、１−ｆは拡散成分の割合と解釈できる。また、Ｄは拡散の大きさを表わす拡散係数，ＡＤＣはみかけの拡散係数（apparent diffusion coefficient）である。この方法によれば、同じＭＲＩの装置によって、生体にトレーサーを投与することなく、脳内灌流を画像化することが可能になる。
【非特許文献１】
ディー．ルビーアン（D. Le Bihan）氏など，「ＭＲ画像のランダムな方向への動きにおける拡散および灌流の分離（Separation of diffusion and perfusion in intravoxelincoherentmotion MR imaging）」，ラジオロジー（Radiology），北米放射線学会（Radiological Society of North America），第168巻（Vol.168），1988年，pp.497-505
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記非特許文献１による手法では、ペナンブラの描出という目的にとっては、その精度が問題となる。すなわち、定性的には血流量の低下が体積比ｆの減少をもたらすものの、灌流成分の変化に対する感度は、拡散の感度であるｂ値の設定の仕方に大きく依存する。また、単純な拡散と灌流による２成分の指数関数モデルを仮定しているため、他の成分の混入が、誤差要因となってあらわれてしまう。
【００１０】
本発明は上記の諸問題点に鑑みなされたもので、その目的は、灌流の評価に際して別な撮影装置や撮影方法を必要とすることなく、ペナンブラなどの関心のある領域を精密に描出することが可能な磁気共鳴画像処理方法および処理装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明における磁気共鳴画像処理方法は、少なくとも０〜1000［s／mm²］の範囲を含む拡散の感度をあらわすｂ値を複数個設定し、個々の前記ｂ値に基づき、核スピンの運動を検出する運動検出傾斜磁場（ＭＰＧ）の強度を変化させて、前記各ｂ値に対応した拡散強調画像系列を収集し、前記収集した拡散強調画像系列を信号処理することにより、関心のある領域の成分画像を抽出する磁気共鳴画像処理方法であって、前記ｂ値は５個以上設定され、前記収集した拡散強調画像系列を、列数を拡散強調画像のピクセル数Ｍとし、行数を収集した拡散強調画像の数Ｎとする単一のデータ行列Ｘに変換し、この変換したデータ行列Ｘに対して独立成分分析（ＩＣＡ）を適用することで、統計的に独立した灌流および拡散成分の画像に対応した行列Ｓと、混合行列Ａとの積に分解し、前記混合行列Ａに含まれる独立画像成分の振幅Ｓ（ｂ）の系列に、上記数１の式に示す解析モデルを当てはめ、前記４つのパラメータＳ _o ，α，Ｄ _１，Ｄ _２をそれぞれ推定することで、前記関心のある領域の成分画像を抽出するものである。
【００１２】
上記磁気共鳴画像処理方法において、前記ＭＰＧの印加方向を固定するのが好ましい。
【００１３】
また、上記磁気共鳴画像処理方法において、前記ｂ値が大きくなるに従って、その間隔が次第に広がるように、各々の前記ｂ値を設定するのが好ましい。
【００１４】
本発明における磁気共鳴画像処理装置は、磁気共鳴画像を出力する磁気共鳴装置に接続され、少なくとも０〜1000［s／mm²］の範囲を含む拡散の感度をあらわすｂ値を複数個設定するｂ値設定手段と、個々の前記ｂ値に基づき、前記磁気共鳴装置において核スピンの運動を検出する運動検出傾斜磁場（ＭＰＧ）の強度を変化させて、前記各ｂ値に対応した拡散強調画像系列を前記磁気共鳴装置から収集する拡散強調画像収集手段と、前記収集した拡散強調画像系列を信号処理することにより、関心のある領域の成分画像を抽出する画像抽出手段と、を備えた磁気共鳴画像処理装置であって、前記ｂ値設定手段は、前記ｂ値を５個以上設定するものであり、前記画像抽出手段は、前記収集した拡散強調画像系列を、列数を拡散強調画像のピクセル数Ｍとし、行数を収集した拡散強調画像の数Ｎとする単一のデータ行列Ｘに変換し、この変換したデータ行列Ｘに対して独立成分分析（ＩＣＡ）を適用することで、統計的に独立した灌流および拡散成分の画像に対応した行列Ｓと混合行列Ａとの積に分解するＩＣＡ適用手段と、前記混合行列Ａに含まれる独立画像成分の振幅Ｓ（ｂ）の系列に、上記数２の式に示す解析モデルを当てはめ、前記４つのパラメータＳ _o ，α，Ｄ _１，Ｄ _２をそれぞれ推定することで、前記関心のある領域の成分画像を抽出する解析モデル適用手段と、により構成される。
【００１５】
上記磁気共鳴画像処理装置において、前記拡散強調画像収集手段は、前記磁気共鳴装置による前記ＭＰＧの印加方向を固定させる構成であることが好ましい。
【００１６】
また、上記磁気共鳴画像処理装置において、前記ｂ値設定手段は、前記ｂ値が大きくなるに従って、その間隔が次第に広がるように、各々の前記ｂ値を設定する構成であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１７】
請求項１の方法および請求項４の装置では、予め少なくとも０〜1000［s／mm²］の範囲を含む複数のｂ値を設定し、この設定したｂ値に基づいて、被験者に印加するＭＰＧの方向ではなく、ＭＰＧの強度を変化させた拡散強調画像系列を収集することで、灌流と拡散のそれぞれについて、ほぼ等しいサンプル数を有する拡散強調画像系列を高い精度で得ることができる。そのため、この拡散強調画像系列を適宜信号処理すれば、灌流の評価に際して別な撮影装置や撮影方法を必要とすることなく、ペナンブラなどの関心のある領域を精密に描出することが可能になる。
【００１８】
また、拡散強調画像系列を独立成分分析の対象とすることにより、特定のモデルに依存せずに灌流および拡散の画像データを得ることができ、そこから例えばペナンブラなどの関心のある領域の成分画像を精密に抽出することが可能になる。
【００１９】
さらに、ペナンブラ領域を抽出するための解析モデルが、灌流および拡散成分の画像に対応した行列Ｓと混合行列Ａとの成分分離後に行われるので、解析モデルのパラメータＳ_o，α，Ｄ_１，Ｄ_２を推定する際の誤差が小さく、ペナンブラ領域などのより精密な描出が可能となる。また、少なくとも５つ以上のｂ値を予め設定することで、解析モデルの４つのパラメータＳ_o，α，Ｄ_１，Ｄ_２を確実に推定することができる。
【００２０】
請求項２の方法および請求項５の装置では、ＭＰＧをある特定の方向に固定して、ｂ値により強度を変化させているので、複数の拡散強調画像を独立成分分析の対象にする際に、灌流成分と拡散成分を同時に解析の対象とすることができる。
【００２１】
請求項３の方法および請求項６の装置では、灌流成分と拡散成分のそれぞれについて、ほぼ同数のサンプル数を有する拡散強調画像系列を採取することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、添付図面に基づき、本発明における好適な実施例を詳細に説明する。図１は、磁気共鳴装置10の一例を示す全体構成図である。同図において、１は核磁気共鳴を起こすための静磁場発生手段としての静磁場コイルで、これは例えば超伝導磁石や永久磁石などで構成してもよい。２は傾斜磁場発生手段としての傾斜磁場コイルで、静磁場コイル１と傾斜磁場コイル２からなる例えば円筒状のマグネットアセンブリ11内に、検査対象である被験者Ａを載置するベッド３が設けられる。４は傾斜磁場駆動回路であり、これはシーケンサ５からの命令を受けて、傾斜磁場コイル２に高電流の駆動信号を供給するためのものである。
【００２３】
被験者Ａにはその他に、高周波磁場発生手段（ＲＦコイル）として構成される高周波送信器６と、被験者からの磁気共鳴信号を取得する信号検出手段としての受信器７がそれぞれ配置される。シーケンサ５と高周波送信器６との間には、発信器12，変調器13，増幅器14が順に接続され、シーケンサ５からの命令を受けて、被験者Ａ内の原子核スピンを励起させる高周波パルスが、高周波送信器６から被験者Ａに印加される。一方、受信器７とシーケンサ５との間には、増幅器17，位相検波器18，Ａ／Ｄ変換器19が順に接続され、被験者Ａから発生したＭＲ信号を受信器７で検知すると、このＭＲ信号が増幅器17，位相検波器18およびＡ／Ｄ変換器19を通って制御部20に送られる。制御部20は、シーケンサ５からの各制御信号やＡ／Ｄ変換器19からのＭＲ信号を入力として、画像再構成などの信号処理を行なうもので、必要に応じて記憶媒体21に信号や演算結果，測定条件などを記憶させることもできるし、信号処理の結果を表示装置22に表示させることもできる。
【００２４】
図２は、本実施例が行なうＤＷＩ画像を得るための一般的なパルスシーケンスを示したもので、横軸は時間を表している。そして、最上段のＲＦは核スピン励起用電磁波としての高周波パルスを示し、以下、Signalは核磁気共鳴信号（ＭＲ信号）の波形、Ｇｓはスライス選択励起用傾斜磁場の波形、Ｇｒは周波数エンコード用傾斜磁場の波形、Ｇｐは位相エンコード用傾斜磁場の波形、ＭＰＧは運動検出傾斜磁場（motion probing gradient）の波形をそれぞれ示している。ここでの高周波パルスは高周波送信器６から被験者に印加されると共に、Ｇｓ，Ｇｒ，Ｇｐの各傾斜磁場に対応して、傾斜磁場コイル２は３つのコイル部（図示せず）から構成される。
【００２５】
本実施例では、前記制御部20がＤＷＩ画像を生成できるようにするために、図２に示す分子拡散（ブラウン運動）を強調するような二つの運動検出傾斜磁場ＭＰＧを、傾斜磁場コイル２から印加している。すなわちＤＷＩ画像は、通常、水分子の拡散の度合いを画像化したものを指すが、その画像化には、図２に示すようなスピンエコー採取型のパルスシーケンスに、拡散のプローブとなる傾斜磁場（ＭＰＧ）をある時間間隔（ｔ１，ｔ２）を持つペアとして組み込んだものが用いられる。最初の時間ｔ１のＭＰＧ印加により、各スピンはそれぞれの存在する場所に応じた強度の傾斜磁場を感受するため、歳差運動の周波数が場所毎に変化し、位相変化が生じる。この位相変化は傾斜磁場の印加量（強度と時間の積）に従う。その後、時間１と同じ形状のＭＰＧ印加が時間ｔ２に行われると、静止した部位では時間ｔ１と時間ｔ２のＭＰＧ印加時点におけるスピンの場所が同じであるため、時間ｔ２のＭＰＧ印加によって上記位相変化が相殺され、ＭＰＧ印加に起因するＭＲ信号量の減少は起こらない。
【００２６】
一方、動きのある部位では、時間ｔ１と時間ｔ２のＭＰＧ印加時点におけるスピンの場所が異なるため、時間ｔ２のＭＰＧ印加によって上記位相変化が相殺されず、ＭＲ信号量が減少する。特に、運動が一定の速度である場合には位相変化は一定量となるが、ランダムな動きの場合には位相の分散と共に信号量の減少が大きくなる。以上のメカニズムにより、計測部位の動きやすさ（拡散係数）を、ＭＲＩ画像のコントラストとして反映したＤＷＩ画像を得ることができる。
【００２７】
このように、付加的な傾斜磁場ＭＰＧを用いて拡散を重みとする核磁気共鳴信号を得る方法は、ステジェスカル（Stejskal）氏とタナー（Tanner）氏によって「ジャーナルオヴケミカルフィジックス（Journal of Chemical Physics），第42巻（Vol.42），1965年，pp．288〜292）」のなかで提案されたものであり、1965年にまで遡る。拡散に対する感度はＭＰＧの振幅（磁場勾配の大きさ），勾配の印加時間および二つのＭＰＧの間隔で決まり、ｂ値と呼ばれるパラメータによって表わされる。つまり、本発明の提案するｂ値系列は、実際にはＭＰＧの大きさによって制御される。拡散の大きさは拡散係数Ｄで表わされるが、この場合の信号減衰はexp(−ｂＤ)で与えられる。しかしながら、ＤＷＩが捉えるのは純粋な物理量としての拡散ではなく、生体組織の構造による種々の拘束を受けた状態での制限拡散や（微視的な）流れの成分を含むみかけの拡散であるため、信号減衰が単一の指数関数で表現できるという仮定が厳密には成り立たない。また、拡散は方向依存性を有するため、みかけの拡散係数(apparent diffusion coefficient：ＡＤＣ)は本質的にはテンソル量として取り扱う必要があるが、本発明の範疇においては、ＭＰＧをある特定の方向に固定して印加した場合のＡＤＣをスカラー的（方向性は考慮しない）に取り扱い、これをＤで表すこととする。
【００２８】
本実施例における磁気共鳴画像処理方法は、少なくとも５つ以上の異なるｂ値を使うことで灌流と拡散の両方に同程度の感度を持つようなＤＷＩデータを採取し、そこからペナンブラ領域に相当する画像成分を抽出することを特徴としている。その際、サンプル数の増加に見合うだけの精度の向上を見込めるような解析モデルを設定するのは困難であるため、近年盛んに研究が進められている独立成分分析（independent component analysis：ＩＣＡ）と呼ばれる統計処理を用いる。独立成分分析はデータ駆動型の成分分離を可能とするものであり、何らの仮定無しに灌流と拡散の特徴的な空間分布を有する画像を得ることが期待されるためである。
【００２９】
因みに、拡散強調画像に独立成分分析を適用する概念は、米国のアーファナキス（Arfanakis）氏らによって2002年に提案されている（磁気共鳴医学会誌（Magnetic Resonance in Medicine），第47巻（vol.47），2002年，pp.354-363)。しかし、当該方法は拡散のプロ−ブとなる傾斜磁場（ＭＰＧ）の方向をいく通りかに変化させた複数の拡散強調画像を用いるというものであり、拡散感度（プロ−ブの強度）は固定している。すなわち、この方法で得られるのはいわゆる等方拡散成分に相当する画像であり、体動の影響が軽減される点がその主たる効果として挙げられている。複数の拡散強調画像を独立成分分析の対象とする点では本発明と共通しているが、本発明においては脳内微小循環成分と拡散成分を同時に解析の対象とするべく、拡散プローブの方向ではなくその強度を変化させており、目的および方法論の本質的な部分が根本的に相違する。
【００３０】
次に、上述した本発明独自の方法を装置として実現するべく、制御部20の特に磁気共鳴画像処理装置30としての機能的な構成を図３に示す。制御部20の一部を成す磁気共鳴画像処理装置30は、拡散と灌流の両方に同程度の感度を持つＤＷＩデータ（拡散強調画像系列）を採取できるような、少なくとも５つ以上の異なる前記ｂ値を設定するｂ値設定手段31と、この設定された各ｂ値に基づき、多数の独立したピクセル（画素）で構成される拡散強調画像系列を収集する拡散強調画像収集手段32と、拡散強調画像収集手段32で得た拡散強調画像系列の行列に独立成分分析を適用することで、互いに統計的に独立した灌流および拡散の画像成分からなる行列と当該画像成分の振幅系列を含む混合行列との積に分解するＩＣＡ適用手段33と、前記各画像成分の振幅系列を、４つのパラメータを有するペナンブラ描出のための解析モデルに当てはめて、前記各パラメータ値を推定し、この推定した各パラメータ値に基づき、前記画像成分の中から例えばペナンブラ領域に相当すると考えられる特定の画像成分を抽出する解析モデル適用手段34と、を備えている。また特に、ＩＣＡ適用手段33と解析モデル適用手段34は、拡散強調画像収集手段32で収集した拡散強調画像系列を信号処理することにより、関心のある領域の成分画像を抽出する画像抽出手段35に相当する。
【００３１】
なお、記憶媒体21や表示装置22を含む磁気共鳴画像処理装置30の各構成は、例えば計算処理機能を有するパーソナルコンピュータなどにより、図１に示す磁気共鳴装置10から独立させてもよい。こうすれば、既存の種々なタイプの磁気共鳴装置10に対して、オプションとして共通の磁気共鳴画像処理装置30を用いることができる。勿論、磁気共鳴装置10の一部に、最初から磁気共鳴画像処理装置30が組み込まれていても構わない。
【００３２】
次に、図４に基づいて、上記磁気共鳴画像処理装置30における作用を説明する。この図４は、拡散と灌流を同時に解析するための方法、すなわち、ｂ値設定手段31で設定したＮ個のｂ値（＝ｂ_１…ｂ_Ｎ）に基づき、拡散強調画像収集手段32が最適な拡散強調画像系列を収集し、この拡散強調画像系列の行列に対して、ＩＣＡ適用手段33が独立成分分析を適用するまでの手順を、模式的に示したものである。
【００３３】
先ず、前述の数３〜数５において、制限拡散成分のみかけの拡散係数は、高々10^-3［mm²／s］のオーダーであるが、微小循環成分を拡散係数に換算すると10^-2［mm²／s］のオーダー以上の値になる。ここで、拡散の感度であるｂ値を小さく設定すれば、ＤＷＩの信号強度は拡散と微小循環（灌流）成分の両方の影響を受けるが、ある程度大きなｂ値では、灌流成分の信号は完全に消失してしまうため、拡散成分に相当する信号のみが残る。これが、前記非特許文献１において、ルビーアン氏らが数３〜数５の各式を提案した根拠である。
【００３４】
本発明ではこの考えを拡張し、前記ｂ値を、好ましくは０から1000［s／mm²］程度までの範囲内で灌流と拡散の２つの成分について同等量の情報を含むようにし、かつ、後に述べるフィッティングの自由度の要請から、５つ以上設定する（ｂ_１，ｂ_２，…,ｂ_Ｎ，Ｎ＞４）（図４の（ａ）を参照）。ｂ値系列の具体的な設定方法については、後ほど説明するが、いずれにせよ最適なｂ値の設定は、ｂ値設定手段31により行われ、このｂ値に基づく拡散強調画像系列が、拡散強調画像収集手段32によって収集される。拡散強調画像は、拡散強調画像収集手段32自体が再構成してもよいし、拡散強調画像収集手段32以外の制御部20が再構成してもよい。
【００３５】
次いで解析の第一段階として、独立成分分析（ＩＣＡ）による成分分離を行なう。磁気共鳴画像の解析に独立成分分析を用いる考えは、1998年に米国のマッケオン（McKeown）氏らによって最初に提案された（米国科学アカデミー紀要（Proc Natl Acad Sci USA），第95巻（vol.95），1998年，pp．803〜810；ヒューマンブレインマッピング（Hum Brain Mapp），第６巻（vol.6），1998年，pp．160〜188）。解析の対象は機能的磁気共鳴画像（functional MRI；ｆMRI）の時系列データであったが、個々の画像を構成するピクセルの集合をそれぞれ単一の行ベクトルに置き換えることで画像時系列全体を一つの入力行列として表現し、これを独立成分分析の対象とした点に方法論としての汎用性が認められる。これにより互いに空間的に独立な成分を抽出し得ることが示され、ｆMRI解析の場合の具体的効果として、脳賦活に関連した画像成分といわゆるアーチファクト成分を分離できることが挙げられた。本発明においても、詳細な脳機能解析を実現する方法論として独自の実験デザインの手法と独立成分分析との融合を行ない、その過程で磁気共鳴画像に適合性の高い独立成分分析のアルゴリズムの検討等、関連技術の習熟やノウハウの蓄積を行なっている。
【００３６】
本発明では、先ず拡散強調画像収集手段32で取得した拡散強調画像系列を、上述したマッケオン氏らにより提案された方法に基づき、列数を拡散強調画像のピクセル数Ｍとし（列数＝ピクセル数Ｍ）、行数を収集した拡散強調画像の数Ｎ（行数＝系列数Ｎ）とする単一のデータ行列Ｘに変換する（図４の（ｂ）を参照）。ここでの各行列要素は、該当するピクセルの強度（輝度）を値として持つ。次に、データ行列Ｘに独立成分分析（ＩＣＡ）を適用し、このデータ行列Ｘを、互いに統計的に独立な画像成分からなる灌流および拡散成分の画像に対応した行列Ｓと、混合行列Ａとの積に分解する（図４の（ｃ）を参照）。これらの一連の手順は、全てＩＣＡ適用手段33によって行なわれる。データ行列Ｘの分解は、次の数６および数７のように示される。
【００３７】
【数６】
【００３８】
【数７】
上記各数式で、記号の上に記されている波は推定量を表す。ＩＣＡ適用手段33は、実際には数７に示すように、行列Ａの逆行列Ｗを推定する。多くの場合、行列Ｗは白色化行列Ｑと回転行列Ｕの積で与えられるが、白色化の手続は特異値分解のような標準的手法を用いて行なうことができるので、独立成分分析のアルゴリズムを見出すことはいかにして最適な行列Ｕを推定するかということと等価になる。行列Ｕを推定するためには、統計的独立性の何らかの近似的評価量を設定し、それを最大化(あるいは最小化）する方法を見出す必要がある。ＩＣＡの実践的アルゴリズムは種々提案されているが、本発明では経験的な判断から、フランスのカルドソ（Cardoso）氏らによって開発されたＪＡＤＥ（米国電気電子学会会報（IEEE Proceedings-F），第140巻（vol．140），1993年，pp．362-370）を採用する。
【００３９】
こうして、ＩＣＡ適用手段33により得られる独立成分の数Ｎ’は、前述の系列数Ｎに等しいか、それよりも小さい（Ｎ’≦Ｎ）。真の成分数を事前に知ることはできないため、いくつかのＮ’についての結果を比較する必要がある。比較のための解析モデルに関しては、後ほど説明する。
【００４０】
なお、独立成分分析として採用するアルゴリズムは、上述したものに限定されない。但し、本実施例では灌流と拡散の各成分を正しく分離できるような、ある程度の精度を要求される。また、アルゴリズムによっては処理速度に違いがあるので、拡散強調画像収集手段32が取得する拡散強調画像系列の数（＝Ｎ）を考慮して、処理時間が極端に長くならず、かつある程度の精度を有するアルゴリズムを、ＩＣＡ適用手段33に組み込めばよい。
【００４１】
次に、前述したｂ値設定手段31に関し、有効なｂ値系列の設定方法を詳述する。
【００４２】
ＩＣＡで分離される成分の中にペナンブラ領域に相当するものが含まれることを保証するには、灌流成分について十分なサンプル数を持つような拡散強調画像系列のデータを得る必要がある。そこで、ｂ値の小さいところでは増分を小さくすることにより、系列全体のサンプル数Ｎを灌流成分と拡散成分とに効果的に配分する意図のもと、例えば次の数８や数９で与えられるような等比数列的なｂ値系列の算出手段を、ｂ値設定手段31に組み込むのが好ましい。
【００４３】
【数８】
【００４４】
【数９】
上記各式において、ａとｒは初期の刻み幅と増加率にそれぞれ対応した任意の増分パラメータであり、これはｂの最大値の条件を満たすように適切な値を設定する。このような算出手段を組み込んだｂ値設定手段31があれば、パラメータａ，ｒと、最小ｂ値であるｂminと、サンプル数Ｎをキーボードなどの入力手段から入力するだけで、灌流成分について十分なサンプル数を持つような複数のｂ値が設定され、このｂ値に対応するＭＰＧを印加して得た拡散強調画像を、拡散強調画像収集手段32によって自動的に収集することが可能になる。
【００４５】
また、別なｂ値設定手段31として、予め上記数式に基づく算出手段によって算出された一乃至複数のｂ値系列を記憶媒体21に記憶させておき、必要に応じてそこから最適なｂ値系列を読み出し、設定してもよい。いずれにせよ、上記数式８や数式９のような等比数列を導出する算出手段を利用すれば、ｂ値が大きくなるに従って、その間隔が次第に広がるようなｂ値系列を設定でき、灌流（脳内微小循環）成分と拡散成分のそれぞれについて、ほぼ同様のサンプル数を有する拡散強調画像系列を採取することが可能になる。
【００４６】
続いて、前記ＩＣＡ適用手段33で分離した独立成分画像の振幅系列に対して、信号モデルの当てはめを行ない、ぺナンブラ領域に相当する成分画像を自動的に選び出す手順について説明する。
【００４７】
前記ＩＣＡ適用手段33で得た混合行列Ａの列ベクトル要素は、それぞれ対応する成分画像の振幅系列として解釈できる。そのため、この混合行列Ａの列ベクトル要素に対して、解析モデル適用手段34が適切な解析モデルへの当てはめを行うことにより、成分画像の各々に意味付けを行うことができる。ここでは、ペナンブラ描出のための解析モデルとして、以下に示すような２成分モデルを提案する。
【００４８】
【数１０】
ＩＣＡ適用手段33による独立成分分析によって、予め成分分離がなされていることが、このような単純な解析モデルの利用を可能とする。実際には、観測データである成分画像の振幅Ｓ（ｂ）が、上記２成分モデルの特性線に完全に一致する訳ではないので、解析モデル適用手段34は、非線形最小二乗法等により上記数１０への観測データの当てはめを行なうことによって、４つのパラメータＳ_o，α，Ｄ_１，Ｄ_２をそれぞれ推定する。ｂ値設定手段31がｂ値系列に５個以上のサンプルを設定しているのは、このためである。なお、数１０のパラメータＳ_oはＭＰＧを印加していない状態での振幅、パラメータαは灌流成分の占める割合（体積比）、パラメータＤ_１，Ｄ_２は、各信号減衰の項に対応した減衰係数である。
【００４９】
上記数１０の式では、二つの減衰成分に特定の意味付けがなされているわけではなく、単に２種類の信号減衰が、α：１−αの比率で含まれることが仮定されているに過ぎない。灌流と拡散の成分が両方とも含まれる場合には、各々の成分に特徴的な値が減衰係数Ｄ_１，Ｄ_２に割り当てられることが期待される。もし灌流成分が含まれないような画像が分離された場合にはα＝０となり、Ｄ_２は拡散成分の減衰係数を与えるはずである。また、脳脊髄液（cerebral blood flow；ＣＳＦ）のように水分子の自由拡散の拡散係数、あるいはそれよりも若干大きなみかけの拡散係数を示すような成分も、数１０の式で検出可能である。ペナンブラ領域は、灌流成分の比率αが小さく、拡散成分の減衰係数Ｄ_２が正常組織のそれに近い画像成分として抽出することができる。
【００５０】
前記解析モデルの当てはめによる観測データとの残差は、その観測データと解析モデルとの適合度合いを表す。従って、異なる成分数Ｎ’で独立成分分析を行ったセットに対して、ペナンブラ領域に相当すると考えられるパラメータを有する画像成分について、その残差が最小になるものを選び出せば良いことになる。
【００５１】
こうして前記解析モデル適用手段34は、ＩＣＡ適用手段33で得た混合行列Ａに含まれる観測データを上記解析モデルに当てはめることで、予め設定したｂ値に基づく拡散強調画像系列から、ペナンブラ領域のみならず、他の特徴となる領域の画像をも抽出することができる。そのため、特に灌流成分の評価に際して、従来のＳＰＥＣＴやＰＥＴのような他の撮像モダリティを必要としない。また、従来の方法では不可能な高い精度での灌流および拡散成分の画像化によって、ペナンブラ領域の精密な描出が可能となる。さらに、上記解析モデル適用手段34において、ペナンブラ領域を抽出するための解析モデルが、上述した行列Ｓと混合行列Ａの成分分離後に行われるので、解析モデルのパラメータを推定する際の誤差が小さく、この点でもペナンブラ領域の精密な描出が可能となる。
【実施例】
【００５２】
本発明の作用は、計算機シミュレーションによって示すことができる。図５および図６は、本発明の有効性を実験的に示すためのシミュレーションモデルの一例をあらわしており、図５では、Ａ〜Ｄに示すような４つの特徴的空間分布の組み合わせにより、正常組織の拡散に相当する部分と、正常な灌流を表わす部分と、虚血により障害を受けた結果、みかけの拡散係数（ＡＤＣ）が著名に低下した領域と、脳脊髄液に相当する部分と、からなる４つの成分を混合した拡散強調信号モデルを作成している。また、図５の右枠には、０〜1800［s／mm²］の範囲で、前述のように灌流と拡散の２つの成分について同等量の情報を含むような、21個のｂ値系列に対応する拡散強調画像系列が示されている。
【００５３】
図６は、前記図５に示す21個の拡散強調画像系列に独立成分分析を適用して得られた画像成分（ＩＣ１〜ＩＣ４）と、それらに対応する振幅系列のプロット（横軸はｂ値，縦軸は振幅Ｓ（ｂ））とを示している。また、右側にある数字は、数１０にある解析モデルの式の当てはめによって推定された各パラメータ値である。このシミュレーション結果から判るように、解析モデル適用手段34で抽出された４つの画像成分のうち、灌流成分の比率αが極端に小さく、かつ、拡散成分の減衰係数Ｄ２が正常組織のそれに近いものとして、ペナンブラ領域を表すＩＣ２の画像成分が単独で分離され得る。
【００５４】
以上のように本実施例では、少なくとも０〜1000［s／mm²］の範囲を含み、好ましくは等比数列的に抽出された拡散の感度をあらわすｂ値を複数個設定し、この設定した個々のｂ値に基づき、核スピンの運動を検出する運動検出傾斜磁場（ＭＰＧ）の強度を変化させて、各ｂ値に対応した拡散強調画像系列を収集し、この拡散強調画像系列を信号処理することにより、関心のある例えばペナンブラ領域の成分画像を抽出する磁気共鳴画像処理方法を採用している。
【００５５】
この場合、予め少なくとも０〜1000［s／mm²］の範囲を含む複数のｂ値を設定し、この設定したｂ値に基づいて、被験者に印加するＭＰＧの方向ではなく、ＭＰＧの強度を変化させた拡散強調画像系列を収集することで、灌流と拡散のそれぞれについて、ほぼ等しいサンプル数を有する拡散強調画像系列を高い精度で得ることができる。そのため、この拡散強調画像系列を適宜信号処理すれば、灌流の評価に際して別な撮影装置や撮影方法を必要とすることなく、ペナンブラなどの関心のある領域を精密に描出することが可能になる。
【００５６】
そして、このような作用効果は、磁気共鳴画像を出力する磁気共鳴装置10に接続され、少なくとも０〜1000［s／mm²］の範囲を含む拡散の感度をあらわすｂ値を複数個設定するｂ値設定手段31と、個々のｂ値に基づき、磁気共鳴装置10において核スピンの運動を検出するＭＰＧの強度を変化させて、各ｂ値に対応した拡散強調画像系列を磁気共鳴装置10から収集する拡散強調画像収集手段32と、収集した拡散強調画像系列を信号処理することにより、関心のある例えばペナンブラ領域の成分画像を抽出する画像抽出手段35と、を備えた磁気共鳴画像処理装置30によっても実現できる。
【００５７】
また本実施例では、収集した拡散強調画像系列に独立成分分析（ＩＣＡ）を適用して、統計的に独立した画像成分に分解し、この独立画像成分の振幅系列に解析モデルを当てはめることで、関心のある例えばペナンブラ領域の成分画像を抽出する方法を採用している。
【００５８】
この場合、拡散強調画像系列を独立成分分析の対象とすることにより、特定のモデルに依存せずに灌流および拡散の画像データを得ることができ、そこから例えばペナンブラなどの関心のある領域の成分画像を精密に抽出することが可能になる。
【００５９】
そして、このような作用効果は、収集した拡散強調画像系列に独立成分分析を適用して、統計的に独立した画像成分に分解するＩＣＡ適用手段33と、このＩＣＡ適用手段で得た独立画像成分の振幅系列に解析モデルを当てはめることで、前記関心のある領域の成分画像を抽出する解析モデル適用手段34と、を画像抽出手段35に備えた磁気共鳴画像処理装置30によっても実現できる。
【００６０】
さらに本実施例では、前記ｂ値が５個以上設定され、収集した拡散強調画像系列を、列数を拡散強調画像のピクセル数Ｍとし、行数を収集した拡散強調画像の数Ｎとする単一のデータ行列Ｘに変換し、この変換したデータ行列Ｘに対して独立成分分析（ＩＣＡ）を適用することで、統計的に独立した灌流および拡散成分の画像に対応した行列Ｓと、混合行列Ａとの積に分解し、混合行列Ａに含まれる独立画像成分の振幅Ｓ（ｂ）の系列に、数１０の式に示す解析モデルを当てはめ、ここにある４つのパラメータＳ_o，α，Ｄ_１，Ｄ_２をそれぞれ推定することで、関心のある例えばペナンブラ領域の成分画像を抽出する方法を採用している。
【００６１】
この場合、ペナンブラ領域を抽出するための解析モデルが、灌流および拡散成分の画像に対応した行列Ｓと混合行列Ａとの成分分離後に行われるので、解析モデルのパラメータＳ_o，α，Ｄ_１，Ｄ_２を推定する際の誤差が小さく、ペナンブラ領域などのより精密な描出が可能となる。また、少なくとも５つ以上のｂ値を予め設定することで、解析モデルの４つのパラメータＳ_o，α，Ｄ_１，Ｄ_２を確実に推定することができる。
【００６２】
そして、このような作用効果は、ｂ値設定手段31が前記ｂ値を５個以上設定するように構成し、かつ画像抽出手段35が、収集した拡散強調画像系列を、列数を拡散強調画像のピクセル数Ｍとし、行数を収集した拡散強調画像の数Ｎとする単一のデータ行列Ｘに変換し、この変換したデータ行列Ｘに対して独立成分分析（ＩＣＡ）を適用することで、統計的に独立した灌流および拡散成分の画像に対応した行列Ｓと混合行列Ａとの積に分解するＩＣＡ適用手段33と、混合行列Ａに含まれる独立画像成分の振幅Ｓ（ｂ）の系列に、数１０の式に示す解析モデルを当てはめ、ここにある４つのパラメータＳ_o，α，Ｄ_１，Ｄ_２をそれぞれ推定することで、関心のある例えばペナンブラ領域の成分画像を抽出する解析モデル適用手段34と、を備えた磁気共鳴画像処理装置30によっても実現できる。
【００６３】
さらに本実施例では、前記被験者へのＭＰＧの印加方向を固定している。この場合、ＭＰＧをある特定の方向に固定して、ｂ値により強度を変化させているので、複数の拡散強調画像を独立成分分析の対象にする際に、灌流成分と拡散成分を同時に解析の対象とすることができる。
【００６４】
そしてこれは、前記磁気共鳴装置10によるＭＰＧの印加方向を固定させるような拡散強調画像収集手段32を備えることでも実現できる。
【００６５】
さらに本実施例では、ｂ値が大きくなるに従って、その間隔が次第に広がるように、例えば数式８や数式９に当てはめて各々のｂ値を設定しているので、灌流成分と拡散成分のそれぞれについて、ほぼ同数のサンプル数を有する拡散強調画像系列を採取することができる。
【００６６】
そしてこれは、前記ｂ値が大きくなるに従って、その間隔が次第に広がるように、各々の前記ｂ値を設定するｂ値設定手段31を備えていても実現できる。
【００６７】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲において種々の変形実施が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明の一実施例を示す磁気共鳴装置の構成をあらわしたブロック図である。
【図２】同上、拡散強調画像を得るための一般的なパルスシーケンスを示す波形図である。
【図３】同上、磁気共鳴画像処理装置の機能的な構成をあらわしたブロック図である。
【図４】同上、拡散と灌流を同時に解析するための方法を模式的にあらわした概略図である。
【図５】同上、本発明の有効性を示すシミュレーションモデルの一例をあらわした概略図である。
【図６】同上、本発明の有効性を示すシミュレーションモデルの一例をあらわした概略図である。
【符号の説明】
【００６９】
10 磁気共鳴装置
30 磁気共鳴画像処理装置
31 ｂ値設定手段
32 拡散強調画像収集手段
33 ＩＣＡ適用手段
34 解析モデル適用手段
35 画像抽出手段

Claims

少なくとも０〜1000［s／mm²］の範囲を含む拡散の感度をあらわすｂ値を複数個設定し、
個々の前記ｂ値に基づき、核スピンの運動を検出する運動検出傾斜磁場（ＭＰＧ）の強度を変化させて、前記各ｂ値に対応した拡散強調画像系列を収集し、
前記収集した拡散強調画像系列を信号処理することにより、関心のある領域の成分画像を抽出する磁気共鳴画像処理方法であって、
前記ｂ値は５個以上設定され、
前記収集した拡散強調画像系列を、列数を拡散強調画像のピクセル数Ｍとし、行数を収集した拡散強調画像の数Ｎとする単一のデータ行列Ｘに変換し、
この変換したデータ行列Ｘに対して独立成分分析（ＩＣＡ）を適用することで、統計的に独立した灌流および拡散成分の画像に対応した行列Ｓと、混合行列Ａとの積に分解し、
前記混合行列Ａに含まれる独立画像成分の振幅Ｓ（ｂ）の系列に、次の式に示す解析モデルを当てはめ、
（但し、パラメータＳ _o はＭＰＧを印加していない状態での振幅、パラメータαは灌流成分の占める割合、パラメータＤ _１，Ｄ _２は各信号減衰の項に対応した減衰係数である。）
前記４つのパラメータＳ _o ，α，Ｄ _１，Ｄ _２をそれぞれ推定することで、前記関心のある領域の成分画像を抽出することを特徴とする磁気共鳴画像処理方法。
前記ＭＰＧの印加方向を固定したことを特徴とする請求項１記載の磁気共鳴画像処理方法。
前記ｂ値が大きくなるに従って、その間隔が次第に広がるように、各々の前記ｂ値を設定したことを特徴とする請求項１または２に記載の磁気共鳴画像処理方法。
磁気共鳴画像を出力する磁気共鳴装置に接続され、
少なくとも０〜1000［s／mm²］の範囲を含む拡散の感度をあらわすｂ値を複数個設定するｂ値設定手段と、
個々の前記ｂ値に基づき、前記磁気共鳴装置において核スピンの運動を検出する運動検出傾斜磁場（ＭＰＧ）の強度を変化させて、前記各ｂ値に対応した拡散強調画像系列を前記磁気共鳴装置から収集する拡散強調画像収集手段と、
前記収集した拡散強調画像系列を信号処理することにより、関心のある領域の成分画像を抽出する画像抽出手段と、を備えた磁気共鳴画像処理装置であって、
前記ｂ値設定手段は、前記ｂ値を５個以上設定するものであり、
前記画像抽出手段は、
前記収集した拡散強調画像系列を、列数を拡散強調画像のピクセル数Ｍとし、行数を収集した拡散強調画像の数Ｎとする単一のデータ行列Ｘに変換し、この変換したデータ行列Ｘに対して独立成分分析（ＩＣＡ）を適用することで、統計的に独立した灌流および拡散成分の画像に対応した行列Ｓと混合行列Ａとの積に分解するＩＣＡ適用手段と、
前記混合行列Ａに含まれる独立画像成分の振幅Ｓ（ｂ）の系列に、次の式に示す解析モデルを当てはめ、
（但し、パラメータＳ _o はＭＰＧを印加していない状態での振幅、パラメータαは灌流成分の占める割合、パラメータＤ１，Ｄ２は各信号減衰の項に対応した減衰係数である。）
前記４つのパラメータＳ _o ，α，Ｄ _１，Ｄ _２をそれぞれ推定することで、前記関心のある領域の成分画像を抽出する解析モデル適用手段と、からなることを特徴とする磁気共鳴画像処理装置。
前記拡散強調画像収集手段は、前記磁気共鳴装置による前記ＭＰＧの印加方向を固定させるものであることを特徴とする請求項４記載の磁気共鳴画像処理装置。
前記ｂ値設定手段は、前記ｂ値が大きくなるに従って、その間隔が次第に広がるように、各々の前記ｂ値を設定するものであることを特徴とする請求項４または５に記載の磁気共鳴画像処理装置。