JP4972751B2 - 神経線維束計測システム及び画像処理システム - Google Patents

Description

本発明は、核磁気共鳴を用いた計測システムおよび情報処理システムに係わり、特に拡散テンソルから抽出される線維束を定量的に評価する計測システムおよび画像処理システムに関する。

近年、核磁気共鳴イメージング(magnetic resonance imaging、以下ＭＲＩと呼ぶ)を用いて、白質線維などの線維束を描出する線維束描画技術が開発され、脳科学研究の強力なツールとして定着しつつある。また、中枢神経疾患の診断や脳外科手術の術前検査などへの応用も期待されている。

線維束描画技術は、分子拡散による信号量変化を強調する傾斜磁場であるMPG（motion probing gradient)を7つ以上の方向に印加して拡散強調画像を計測し、これらの拡散強調画像から各画素に対応した拡散テンソルを算出する、拡散異方性計測に基づいている。神経線維で構成される白質のような線維状の組織では、内部の水分子が拡散する方向は線維により制限され、異方性を示す。従って、前記拡散テンソルを対角化して得られる固有値及び固有ベクトルの情報を用いて、拡散異方性の高いピクセルを、拡散係数が最大となる方向（最大固有値を有する固有ベクトルの方向）に沿って順次追跡していくことにより、線維束のイメージングが可能となる。拡散テンソルから線維束を画像化する技術は、例えば特許文献１や非特許文献１に記載されている。

線維束の追跡は、拡散テンソル画像上の任意の領域に含まれる画素を開始点として、各々の開始点を通る線維束を追跡し、各線維束を構成する一連の画素データを保存することにより行われている。開始点となる画素の領域は、開始点領域と呼ばれる。関心領域を選択する場合、例えば操作者が磁気共鳴画像上で任意の位置を指定する。あるいは、拡散テンソルから拡散異方性の高い領域を抽出したり、fMRI(functional ＭＲＩ)などの脳機能計測の結果から抽出した脳領域を用いたり、先験的な情報から得られた特定の部位を用いることもある。

fMRIなどの脳機能計測では、特定の刺激に伴う脳活動部位を画像化する。これらの脳活動部位間における形態学的な接続性（コネクティビティ）を知ることは、脳の機能を理解する上で重要である。このため、脳機能計測で得られた脳活動部位間の神経線維束画像を３次元的に表示し、各経路のコネクティビティを目視で評価する方法がよく用いられている。多くの場合、脳内の関心領域との位置関係を把握するために、核磁気共鳴画像などの形態画像上に神経線維束データを重畳表示している。

コネクティビティを定量的に評価する手法のひとつが、非特許文献２において述べられている。線維束描画には、ノイズやアーティファクト、拡散信号の不完全なモデル化等に起因する不確定性が存在する。この手法では、上記の不確定性を拡散モデルに基づくローカルな確率密度関数の形で表し、この確率密度関数を用いて任意の２点間に線維束の接続が存在する確率を推定する。
特開平１１−３２０号公報 PROCEEDINGS OF INTERNATIONALSOCIETY OF MAGNETIC RESONANCE IN MEDICINE, 320(1999) MAGNETIC RESONANCE INMEDICINE,1077-1088(2003)

しかしながら、神経線維束データを形態画像上に重畳表示する従来方法では、神経線維束を定量的に把握することができない。また、確率密度関数を用いて、任意の２点間に線維束の接続が存在する確率をグローバルなコネクティビティとして推定する手法では、任意の経路間のコネクティビティの強さを比較することができない。

本発明は、上述した従来技術による課題を解決するためになされたものであり、任意の観察領域を通過する線維束を定量的に把握することのできる計測システムあるいは画像処理システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、第1の態様では、以下のような計測システムを提供する。すなわち、この計測システムは、被検体に静磁場及び高周波信号を印加する磁場印加手段と、被検体からの核磁気信号を受信する手段と、核磁気信号から拡散テンソルを計算する計算部と、被検体の核磁気信号を受信する対象範囲に含まれる線維束を、計算部の計算した拡散テンソルに基づき、線維束ごとの座標点の群として抽出する線維束抽出部と、核磁気信号を受信する対象範囲について、少なくとも１つの観察領域を設定する観察領域指定部と、線維束抽出部が抽出した複数の線維束のうち、座標点の群の少なくとも一つが観察領域に含まれる線維束を判別し計数する線維束数判別部とを有する。これにより、観察領域を通過する線維束を計数できる。

上述の観察領域指定部は、１以上の前記観察領域を含む観察領域群と、観察領域群を構成する１以上の観察領域をどのような経路で通過する線維束を判別すべきかを示す判別条件とを設定する構成にすることができる。線維束数判別部は、観察領域群について、判別条件に従って線維束を判別し計数する。これにより、観察領域群の所定経路における接続性（コネクティビティ）を線維束数として定量的に把握できる。

例えば、判別条件は、観察領域群内の指定した２つの観察領域の少なくとも一方を通過するという第１の条件、観察領域群内の指定した２つの観察領域の両方を通過するという第２の条件、および、観察領域群内の指定した一つの観察領域を通過しないという第３の条件を含むように設定することができる。線維束数判別部は、第１の条件が設定されている場合には、座標点の群の少なくとも一つが、２つの観察領域の少なくとも一方に含まれる線維束を判別して計数し、第２の条件が設定されている場合には、座標点の群のいずれかの座標点が２つの観察領域の少なくとも一方の観察領域に含まれ、かつ、他の座標点が他方の観察領域に含まれる線維束を判別して計数し、第３の条件が設定されている場合には、前記指定された観察領域に座標点が含まれる線維束を判別して計数から除外することにより、判別条件を満たす線維束を判別して計数できる。

上述の観察領域指定部は、３以上の観察領域を含む観察領域群について、第１、第２および第３の条件を組み合わせて設定可能であり、これにより、所定の経路を通過する線維束を判別することができる。

観察領域指定部が２以上の観察領域または観察領域群を設定している場合、観察領域または観察領域群ごとに計数された線維束数を比較することが可能である。これにより、２以上の観察領域群のコネクティビティを比較することができる。

観察領域または観察領域群について、線維束数を比較する際には、線維束数から所定の評価関数値または統計解析値を算出し、比較することも可能である。評価関数値としては、計数した線維束数と、所定の背景領域に含まれる線維束数との比を用いることが可能である。所定の背景領域としては、複数の観察領域を足し合わせた領域を用いることができる。比較結果は、表示部に表示することができる。

上述の観察領域指定部は、異なる複数の位置について、それぞれ複数種類の大きさの観察領域を配置し、複数の大きさの観察領域について含まれる線維束数を線維束数判別部にそれぞれ計数させ、表示部に表示させることが可能である。これにより、表示を参照することにより、操作者は、適切な大きさの観察領域を判断することが可能になる。このとき、観察領域指定部は、複数の大きさの観察領域についての線維束数について、予め定めた演算を行うことにより、観察領域の大きさの最適範囲を求め、求めた最適範囲を表示部に表示させる構成にすることも可能である。

また、本発明の第２の態様によれば、以下のような画像処理システムが提供される。すなわち、この画像処理システムは、予め取得された核磁気共鳴信号データを格納する記憶部と、核磁気信号データから拡散テンソルを計算する計算部と、被検体の前記核磁気信号を受信した対象範囲に含まれる線維束を、計算部の計算した拡散テンソルに基づき、線維束ごとの座標点の群として抽出する線維束抽出部と、核磁気信号を受信した対象範囲について、少なくとも１つの観察領域を設定する観察領域指定部と、線維束抽出部が抽出した複数の線維束のうち、座標点の群の少なくとも一つが前記観察領域に含まれる線維束を判別し計数する線維束数判別部とを有する。これにより、別装置により取得された核磁気共鳴信号データから線維束数を計数することの可能な画像処理システムを提供できる。各部の動作については、第１の態様と同様の構成にすることが可能である。

また、本発明の第３の態様によれば、以下のようなプログラムが提供される。すなわち、コンピュータを、予め取得された核磁気共鳴信号データから拡散テンソルを計算する計算手段、被検体の前記核磁気信号を受信した対象範囲について、前記計算部の計算した拡散テンソルに基づき、所定の複数の開始点をそれぞれ通過する線維束を、該線維束ごとに座標点の群として抽出する線維束抽出手段、前記核磁気信号を受信した対象範囲について、少なくとも１つの観察領域を設定する観察領域指定手段、線維束抽出部が抽出した複数の線維束のうち、座標点の群の少なくとも一つが観察領域に含まれる線維束を判別し計数する線維束数判別手段として機能させるための画像処理プログラムである。このプログラムをコンピュータに実行させることにより、第２の態様と同様の画像処理を実現でき、線維束数を定量的に把握できる。

本発明の計測システムおよび画像処理システムによれば、以下の効果が得られる。
（１）少なくとも１つの観察領域を設定し、観察領域に含まれる線維束の数を判別することができる。
（２）複数の観察領域に各々含まれる線維束の数を比較することができるので、複数の領域をそれぞれ通る線維束のコネクティビティを定量的に比較することができる。
（３）複数の観察領域からなる観察領域群に各々含まれる線維束の数を比較することができるので、複数の観察領域群をそれぞれ通る線維束のコネクティビティを定量的に比較することができる。
（４）線維束のコネクティビティとして相対的な評価関数の値を用いることができるので、線維束の発達度合いの個人差の影響を受けることなく、コネクティビティを定量的に比較することができる。
（５）同じ大きさの観察領域を比較対象とした場合には、観察領域の体積の違いにより線維束の数が左右されることなく、線維束のコネクティビティを比較することができる。
（６）複数通りの大きさの観察領域に対して線維束の数の比較を行って、比較の結果を参照することにより、最適な観測領域の大きさを選択することができる。
（７）比較部の比較結果の情報を表示部に表示することにより、複数の観察領域、あるいは複数の観察領域群に含まれる線維束のコネクティビティを定量的に比較した結果を表示することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、これにより本発明が限定されるものではない。
（第１の実施の形態）
第１の実施の形態として、本発明の計測システムについて説明する。この計測システムは、図１にその構成を示したように、核磁気共鳴撮像装置１１６と、画像処理部１２５とを有している。

核磁気共鳴撮像装置１１６は、被検体１０３が配置される撮像空間に静磁場を発生するコイル１０１と、傾斜磁場を発生するコイル１０２と、被検体１０３に対して高周波磁場を送信する高周波送信器１０９と、被検体１０３が発生した核磁気共鳴信号を受信する受信器１１０とを備えている。

傾斜磁場コイル１０２には、傾斜磁場電源１０５が接続されている。高周波送信器１０９には、高周波増幅器１０８、高周波変調器１０７および高周波発振器１０６が接続されている。高周波発振器１０６の生成した高周波は、高周波変調器１０７で所定の周波数に変調され、高周波増幅器１０８によって増幅された後、高周波送信器１０９に供給され、所定の高周波磁場が高周波送信器１０９によって被検体１０３に照射される。受信器１１０には、増幅器１１１、位相検波器１１２、AD変換器１１３が接続されている。被検体が発生した核磁気共鳴信号は、受信器１１０によって電気信号に変換された後、増幅器１１１によって増幅され、位相検波器１１２により検波され、AD変換器１１３によってディジタル信号に変換される。

また、核磁気共鳴撮像装置１１６は、ＣＰＵ１１４と、シーケンサ１０４と、記憶部１１５とを備えている。シーケンサ１０４は、傾斜磁場電源１０５および高周波発振器１０６を所定のタイミングで動作させ、AD変換器１１３および位相検波器１１２に所定のタイミングで検波させることにより、ＣＰＵ１１４の指示する所定の撮像パルスシーケンスを実行させる。ここでは、画像処理部１２５において、拡散テンソルを用いて神経線維束の抽出を行うため、拡散強調画像を取得する撮像パルスシーケンスを行う。

ＣＰＵ１１４は、AD変換器１１３の出力信号を受け取り、画像再構成等の信号処理を行うことにより、核磁気共鳴信号から被検体１０３についての核磁気共鳴画像（断層像等）、所望の再構成画像を得る。核磁気共鳴信号および核磁気共鳴画像は、必要に応じて記憶部１１５に保存される。

一方、画像処理部１２５は、計算部１１７、線維束抽出部１１８、線維束数判別部１２０、比較部１２１、表示装置１２２および観察領域指定部１１９を備えている。

計算部１１７は、一連の計測によって得られた核磁気共鳴画像から拡散テンソルを計算し、さらに拡散テンソルを対角化して固有値および固有ベクトルを計算する。線維束抽出部１１８は、被検体の核磁気共鳴画像を取得した対象範囲内で操作者から開始点領域の指定を受け、開始点領域内の一つの画素を開始点として、固有ベクトルの情報に基づいて拡散係数が最も大きい方向、すなわち線維束の主軸ベクトルの方向に位置する画素を核磁気共鳴画像内で順次追跡していく。これにより、一本の線維束を構成する一連の画素（すなわち座標点の群）を抽出することができる。この動作を、開始点領域内のすべての画素、もしくは所定条件にしたがって選択した複数の画素を開始点として行うことにより、開始点領域を通るすべての線維束を、線維束ごとに座標点の群として抽出することができる。線維束抽出部１１８は、抽出した一連の座標点群を内蔵するメモリに記録する。

観察領域指定部１１９は、被検体１０３の核磁気共鳴画像を取得する範囲内に、操作者が指定する少なくともひとつの観察領域を設定する。線維束数判別部１２０では、１本の線維束を構成する座標点群と観察領域の座標範囲とを比較して、観察領域の座標範囲に座標点群の少なくとも１つの座標が含まれるか否かを判別し、含まれる場合には、その１本の線維束は、観察領域を通過している線維束であると判別する。これを線維束抽出部１１８が記録しているすべての線維束について行う。すべての線維束について判別後、観察領域に含まれる線維束の数を計数する。観察領域指定部１１９に複数の観察領域が設定されている場合には、各観察領域ごとに、該観察領域に含まれる線維束を判別し、線維束数を計数する。比較部１２１では、観察領域指定部１１９に複数の観察領域が設定されている場合に、必要に応じて、複数の観察領域に含まれる線維束の数を比較し、表示装置１２２で比較結果の情報を表示する。また、表示装置１２２には、線維束を構成する一連の画素（座標点の群）を所定色で表すことにより生成した線維束画像を、核磁気共鳴画像等と重畳して表示する。

なお、核磁気共鳴撮像装置１１６のＣＰＵ１１４で行う画像再構成は、画像処理部１２５の計算部１１７で行うことも可能である。この場合、ＣＰＵ１１４では画像再構成を行わず、核磁気共鳴信号を記憶部１１５に保存する。保存した核磁気共鳴信号を計算部１１７に転送し、計算部１１７で画像再構成を行う。

つぎに、拡散強調画像を取得する撮像パルスシーケンスとして、拡散強調エコープラナー法によるパルスシーケンスを、図２を用いて説明する。図２のように、第１のスライス選択傾斜磁場パルス３０２を印加しながら、第１の選択高周波パルス３０１を照射し、時間TE/２の後に、第２のスライス選択傾斜磁場パルス３０４を印加しながら第２の選択高周波パルス３０３を照射する。第２の選択高周波パルス３０３からさらに時間TE/2の後にスピンエコーが発生する。このときリードアウト傾斜磁場３０６を、極性反転を繰り返して印加することによりマルチエコーを発生させ、これを検出する。リードアウト傾斜磁場３０６と同期して、ブリップ位相エンコード傾斜磁場３０８を印加することにより位相エンコードを行う。

反転高周波パルス３０１，３０３の印加の前後には、スピンの運動を検出するための傾斜磁場 (motion probing gradient, MPG)パルスをスライス方向、リードアウト方向、位相エンコード方向に印加する。パルス３０９はスライス方向の第1のMPG、パルス３１０はスライス方向の第2のMPG、パルス３１１はリードアウト方向の第1のMPG、パルス３１２はリードアウト方向の第2のMPG、パルス３１３は位相エンコード方向の第1のMPG、パルス３１４は位相エンコード方向の第2のMPGである。各方向についての第1および第2のMPGは、傾斜磁場波形が同一である。各方向のMPGは、図２では同時に印加する例を示しているが、各方向について同時に印加するとは限らず、いずれか1方向にのみ印加する場合や、複数方向に同時に印加することも可能である。また、MPGを複数方向に同時に印加する場合、複数方向のMPGの傾斜磁場波形が一致しているとは限らない。

図２のパルスシーケンスにより被検体内の拡散係数を求めるためには、第1および第2のMPG３０９〜３１４の傾斜磁場強度を変化させて、複数回の計測を行う。後述するように拡散テンソルを求めるためには、同一スライスについて、最低６つ以上の異なるMPGの組合せを用いた核磁気共鳴画像と、MPGを印加しないで得られた核磁気共鳴画像が必要であるため、それらが得られるように、MPGを変化させて計測を行うパルスシーケンスを実行する。また、第１の選択高周波パルス３０１の送信周波数を変化させて、図２のパルスシーケンスを実行することにより、異なるスライスの核磁気共鳴画像を得ることができる。

なお、図２のパルスシーケンスにおいて、傾斜磁場パルス３０５は、リードアウト方向のディフェーズ傾斜磁場、傾斜磁場パルス３０７は、位相エンコード方向のディフェーズ傾斜磁場である。スキャン方法によっては、位相エンコード方向のディフェーズ傾斜磁場３０７が不要な場合もある。また、位相エンコード傾斜磁場３０８は、ブリップパルスではなく、連続的な矩形パルスを用いることもある。

ここで、核磁気共鳴画像から拡散係数を求める手法の原理について簡単に説明する。MPGによる信号減衰は、数１に示すように指数関数的である。

ここで、 S(b)はMPG印加時の信号強度、S(0)はMPGなしの信号強度、 Dは拡散係数である。また、ｂはMPGによる信号減衰の程度を表す因子ｂ値であり数２により求められる。TEはエコー時間、γは磁気回転比、G(t)は傾斜磁場強度である。

拡散異方性計測では、拡散係数Dは数３に示すテンソル量となり、拡散テンソルと呼ばれる。テンソルの独立要素は６つであるため、拡散テンソルを求めるためには、同一スライスについて、最低６つ以上の異なるMPGの組合せを用いた核磁気共鳴画像と、MPGを印加しないで得られた核磁気共鳴画像が必要である。拡散テンソルの各要素は、方向による異なる拡散係数の成分となっている。

拡散テンソルの主軸からなる座標系は、MRIの撮影軸からなる観測座標系とは異なるため、座標変換を行う必要がある。そこで、上記の計測値から得られた拡散テンソルを対角化して固有値λ1、λ2、λ3を求め、対角化された拡散テンソル（数４）を得る。

変換後の座標系は、それぞれの固有値に対応する固有ベクトルμ1、 μ2、 μ3で表される。線維束の方向は水分子が最も動きやすい方向であるため、固有値が最大となる固有ベクトル（主軸ベクトル）の向きが、線維束の方向と一致する。

拡散異方性の大小を示す指標値としては、数５で表されるfractional anisotropy
(FA値)を用いる。FA値は等方性拡散からのずれを表す指標であり、完全に等方的であれば0となり、異方性が大きいほど１に近づく。脳内の白質など、線維が存在する領域では、組織内の水分子の拡散方向が線維によって制限されるため、FA値は大きくなる。逆に灰白質など線維の存在しない領域ではFA値は小さくなる。

本実施の形態の計測システムは、上記数式により求められる固有ベクトルおよびFA値を用いて線維束の抽出を行う。以下、図３のフローを用いて、本発明による計測システムの動作について説明する。

まず、核磁気共鳴撮像装置１１６により、図２のパルスシーケンスを実行することにより、一つのスライスについて、異なるMPG３０９〜３１４の組合せを用いた最低６つ以上の核磁気共鳴画像と、MPGを印加しないで得られた核磁気共鳴画像とを取得する（ステップ４０１）。これら７つ以上の核磁気共鳴画像を所望の複数枚のスライスについて、それぞれ取得する。これにより３次元空間について、６つ以上の異なる組み合わせのMPG印加とMPG非印加の核磁気共鳴画像を得ることができる。撮像するスライス枚数は、抽出対象となる線維束の存在する領域の大きさ等を考慮して決定される。また、取得した核磁気共鳴画像は、必要に応じて標準脳座標への座標変換を行う。標準脳としては、例えばMontreal Neurological Institute(MNI)やTalairach（タライラック）の標準脳などを用いる。

計算部１１７は、各スライスについての７つ以上の核磁気共鳴画像から、数３に基づく拡散テンソルを画素毎に計算する（ステップ４０２）。続いて、画素毎に求めた拡散テンソルを対角化し、同時に固有値、固有ベクトルを算出する（ステップ４０３）。ここで得られた固有値は直交する３方向の拡散係数を表している。固有ベクトルの向きは直交する３方向に一致し、そのひとつが線維束の方向を示している。線維束の方向は、水分子が最も動きやすい方向であるため、固有値が最大となる固有ベクトル（主軸ベクトル）の向きが、線維束の方向と一致する。計算部１１７は、必要に応じて、固有値からFA値を計算する（ステップ４０４）。適当な閾値を設定し、FA値がこの閾値を超える領域を抽出することにより、線維束の存在する領域を抽出することができる。閾値は、例えば０．６とする。

次に、線維束抽出部１１８は、操作者から任意の開始点領域の指定を受け付ける（ステップ４０５）。開始点領域の指定方法は、例えば核磁気共鳴画像上で操作者がポインティングデバイスなどを用いて任意の領域を指定するようにする。あるいは、標準脳座標への座標変換を行っている場合には、先験的な知識に基づく標準脳座標系の座標値あるいは座標値の組を指定する構成にすることも可能である。あるいは、脳を対象とした計測を行っている場合には、ｆＭＲＩ（機能的ＭＲＩ）などの脳機能計測法により得られた脳活動部位を操作者が選択する構成にすることも可能である。あるいは、ステップ４０４で求めたFA値を用いて閾値処理することにより領域を抽出し、この領域を選択する構成にすることもできる。また、抽出した複数の領域の中から、操作者がポインティングデバイスなどで任意の領域を指定する構成にしても良いし、あるいは抽出した領域の中から、先験的な知識に基づく標準脳座標系の座標値あるいは座標値の組を指定する構成にしても良い。

つぎに、線維束抽出部１１８は、開始点領域に含まれる画素のうち一つの画素を開始点として、線維束を抽出する（ステップ４０６）。すなわち、開始点におけるFA値（ステップ４０４で求めたFA値）があらかじめ与えた閾値を越え、開始点の主軸ベクトル（すなわちステップ４０３で求めた固有ベクトル）の方向の隣接画素が画像データ空間内に存在する場合、開始点の主軸ベクトルの方向の隣接画素を線維束に沿った座標点（画素）であるとして追跡する。当該隣接画素においても、同様にして、FA値があらかじめ与えた閾値を越え、主軸ベクトル方向の隣接画素が画像データ空間内に存在する場合には、主軸ベクトルの方向の隣接画素を線維束に沿った座標点（画素）であるとして追跡する。この操作を、FA値があらかじめ与えた閾値以下になる画素に到達するか、あるいは、主軸ベクトル方向の隣接画素が画像データ空間外に出るまで繰り返し、追跡の結果得られた座標点の群を内蔵メモリに記録する（ステップ４０７）。ステップ４０６、４０７の動作を開始点領域に含まれるすべての画素に対して行う。これにより、開始点領域を通る線維束をすべて抽出することができる。

次に、観察領域指定部１１９により、観察領域の設定を操作者から受け付ける（ステップ４０８）。観察領域の形状は、例えば球、直方体などとする。複数の観察領域から構成される「観察領域群」を設定することも可能である。観察領域指定部１１９では、観察領域群を構成する複数の観察領域のうち、２つの観察領域の両方を通過しているという条件（ＡＮＤ）で線維束を線維束数判別部１２０で判別するのか、２つの観察領域のいずれか一方を通過しているという条件（ＯＲ）で線維束を判別するのか、その観察領域の通過している線維束を除くという条件（ＮＯＴ）で線維束を判別するのか、という判別条件の設定についても操作者から受け付ける。

具体的な観察領域指定部１１９のステップ４０８の動作について、図４のフロー、図５および図６の表示例を用いて説明する。観察領域指定部１１９は、表示装置１２２の画面に、図５（Ａ）の画像表示部７０１と操作画面７０６を表示させる。図５（Ａ）の画像表示部７０１には、核磁気共鳴撮像装置１１６により撮像した核磁気共鳴画像などの画像が表示される。観察領域指定部１１９は、まず観察領域群の数の指定を受け付ける表示を表示させ、操作者から所望の観察領域群数Ｎの指定する動作を図示しない入力部等から受け付ける（図４のステップ１３０１）。観察領域群を設定しない場合は、操作者は観察領域群の数ＮとしてＮ＝１を入力すればよい。図５（Ｂ）は、操作者が観察領域群数ＮとしてＮ＝３を入力した例であり、３つの観察領域群Ａ，Ｂ，Ｃごとに操作画面７０６が表示されている。

つぎに、操作者は、各操作画面７０６において、当該観察領域群（図５（Ｂ）では観察領域群Ａ）として設定する観察領域の数Ｍを１以上指定する（ステップ１３０５）。図５（Ｂ）の例では、４つの「観察領域（１）〜（４）」の表示の左側の○が黒色に反転表示されており、これらが操作者によって指定されていることがわかる。操作者が操作画面７０６の観察領域ごとに配置されている「編集」ボタン７１０をポインティングデバイスなどを用いて選択すると、図５（Ｃ）の操作画面６０２が表示される。操作画面６０２は、観察領域パラメータ入力部６０３を含み、当該観察領域の指定方法を選択することができる（ステップ１３０８）。操作画面６０２は、図６（Ａ）のように観察領域ごとに表示される。操作者が、観察領域パラメータ入力部６０３で「球」「立方体」を選択した場合には、画像表示部７０１上で操作者がポインティングデバイスなどを用いて指定する球形領域や立方体領域を観察領域７０２として受け付ける（ステップ１３０９）。「ブロードマン」を選択した場合には、画像表示部７０１上にブロードマン地図を表示し、操作者による任意の領野の指定を受け付ける。「球テキスト入力」「立方体テキスト入力」を選択した場合には、操作者が別のキーボード等の入力部によりテキスト入力する球形領域や立方体領域などを受け付ける。「座標ファイル」を選択した場合には、予め保存された、観察領域６０５を構成する座標の組を表す座標ファイルを指定する動作を操作者から受け付ける。なお、ブロードマン地図とは、大脳皮質の各部位を機能毎に分けて番地付けしたもので、該番地とTalairachの標準脳座標との対応関係がわかっている。

操作者がポインティングデバイスなどを用いて球形領域や立方体領域を指定した場合、あるいはブロードマン地図における任意の領野を指定した場合は、操作画面６０２に配置されている「適用」ボタン６０４を押す（すなわち、ポインティングデバイス等により選択する）ことにより、指定した観察領域７０２が観察領域指定部１１９内の記憶部に保存される（ステップ１３１０，１３１１）。また「保存」ボタン６０６を押すことにより、観察領域指定部１１９の記憶部に、観察領域を構成する座標の組を保存することができる。

上述の「球テキスト入力」「立方体テキスト入力」により球形領域や立方体領域などを指定する場合、あるいは上述の座標ファイルを用いて指定する場合は、「適用」ボタン６０４を押すことにより、テキスト入力あるいは座標ファイル選択のための画面が表示される。図６（Ｂ）は、テキスト入力画面６０８の例である。このテキスト入力画面６０８は、「球テキスト入力」により球状領域を指定する例である。テキスト入力画面６０８では、「追加」ボタン６０９を押すことにより、新規にパラメータを指定する観察領域に対して、「X」方向の中心座標入力部６１０、「Y」方向の中心座標入力部６１１、「Z」方向の中心座標入力部６１２、領域の「半径」入力部６１３からなるパラメータ入力部が、観察領域６０５ごとに現れる。ここでは、４つの観察領域６０５のためのパラメータ入力部が表示されている。該パラメータ入力部に、キーボード等から数値をテキスト入力した後、「適用」ボタン６１４を押すことにより、指定した座標および半径の観察領域６０５が設定される。また「保存」ボタン６１５を押すことにより、観察領域指定部１１９に内蔵される記憶部において、当該観察領域６０５の座標の組と半径とを保存することができる。

操作画面６０２において、「終了」ボタン６０７を押すことにより、当該観察領域（１）の操作画面６０２は終了する。この操作画面６０２による観察領域の設定を図６（Ａ）のように、観察領域群Ａに設定した数Ｍの観察領域のすべてについて行う（ステップ１３１２，１３０６，１３０７）。

図５（Ｂ）に示したように操作画面７０６には、論理式入力部７１２が備えられている。論理式入力部７１２は、Ｍ個の観察領域７０２〜７０４が属する観察領域群Ａについて、どのように観察領域を通る線維束をカウントすることを望むかを、操作者が論理式で表して入力する部分である。具体的には、領域１、２、３、４を通る線維束をＲ（１）、Ｒ（２）、Ｒ（３）、Ｒ（４）と表し、２つの観察領域の両方を通過しているという条件（ＡＮＤ）を「×」、２つの観察領域のいずれか一方を通過しているという条件（ＯＲ）を「＋」、その観察領域の通過している線維束を除くという条件（ＮＯＴ）を「−」として、操作者が入力する論理式を受け付ける。例えば、観察領域（１）と観察領域（２）を両方通過するか、もしくは、観察領域（３）を通過する線維束であって、観察領域（４）を通過している線維束を除くという条件をカウントする場合、カウントすべき線維束数ＲＡは、ＲＡ＝（Ｒ（１）×Ｒ（２）＋Ｒ（３））−Ｒ（４）という論理式で表されるので、操作者は、これを論理式入力部７１２に入力する。このように、論理式の入力を操作者から受け付けることにより、操作者が知りたい経路を通る線維束を計数することができる。なお、観察領域が一つのみの場合には、論理式の入力は不要であり、その観察領域を通る線維束をカウントする。

操作者が、必要に応じて論理式入力部７１２に論理式を入力し、「終了」ボタン７０９を選択すると、観察領域指定部１１９は論理式７１２を内蔵記憶部に記憶する（ステップ１３１３，１３１４）。以上の動作を、すべての観察領域群について行う（ステップ１３１５，１３０２，１３０３，１３０４）。画像表示部７０１には、観察領域が表示される。このとき観察領域の表示色は、観察領域群毎に異なる色を割り当て、画像上で観察領域群の位置を容易に確認できるようにすることができる。。

なお、画像表示部７０１に表示する画像としては、核磁気共鳴画像やブロードマン地図の他に、Ｘ線ＣＴ（エックス線コンピュータ断層撮影）などによって得られた形態画像、ｆＭＲＩ、ＰＥＴ（陽電子放出断層撮影）、脳波計測装置、脳磁界計測装置、生体光計測装置、ＳＰＥＣＴ（単光子放出コンピュータ断層撮影）などの脳機能画像、ＭＮＩやTalairachなどの標準脳モデル等を用いることが可能である。

観察領域指定の操作画面６０２は、図６（Ａ）のように観察領域７０２，７０３毎に異なる操作画面を有することも可能であるが、同一の操作画面上で複数の観察領域の指定操作を行なう構成にすることもできる。同様に、同一の操作画面上で複数の観察領域群の指定操作を行なう構成にすることもできる。また、図６（Ａ），（Ｂ）の例では、観察領域指定の操作画面６０２とテキスト入力画面６０８を別画面としているが、観察領域指定の操作画面６０２がテキスト入力部を備える構成にすることもできる。同様に、観察領域指定の操作画面６０２が座標ファイル選択部を備える構成にすることもできる。

次に、図３のステップ４０９に進み、線維束数判別部１２０において、指定された観察領域に含まれる線維束を判別し、論理式を満たす線維束の数をカウントする。これを図７および図８のフローを用いて説明する。

線維束数判別部１２０は、観察領域群ごとに線維束の判別とカウントを行う。まず、線維束抽出部１１８から、抽出されている線維束数Ｌを受け取るとともに、観察領域指定部１１９から観察領域群Ａに含まれる観察領域の数Ｍ（ここではＭ＝４）を受け取り（ステップ１４０１、１４０５）、観察領域（１）に、１番目の線維束（ｌ＝１）を規定する座標点の少なくとも１つが含まれるかどうかを判別する（ステップ１４０９）。含まれる場合、１番目の線維束は観察領域（１）に含まれると判断し、Ｒ（１）に１という数字を割り当てる（Ｒ（１）＝１）（ステップ１４１１）。含まれない場合、Ｒ（１）＝０とする（ステップ１４１０）。つぎに、この１番目の線維束が観察領域（２）に含まれるかどうか判別し（ステップ１４１２，１４０９）、含まれている場合、Ｒ（２）＝１、含まれない場合、Ｒ（２）＝０とする（ステップ１４１１，１４１０）。これを観察領域群Ａの全ての観察領域（１）〜（４）について繰り返すことにより、Ｒ（１）〜Ｒ（４）を求めた後（ステップ１４０６，１４０７）、図８のステップ１４１５に進む。

ステップ１４１５では、観察領域指定部１１９の記憶部から観察領域群Ａの操作画面７０６に入力された論理式（例えば図５（Ｂ）ではＲＡ＝（Ｒ（１）×Ｒ（２）＋Ｒ（３））−Ｒ（４））を読み込む（ステップ１４１６）。この論理式を１番目の線維束が満たすかどうかを調べる。すなわち、論理式に上記ステップ１４０５〜１４１２で求めたＲ（１）〜Ｒ（４）の１又は０の値を代入し、ＲＡを求める（ステップ１４１７）。ＲＡが０よりも大きい値であれば、１番目の線維束は、論理式で定められた条件、例えば観察領域（１）と観察領域（２）を両方通過するか、もしくは、観察領域（３）を通過する線維束であって、観察領域（４）を通過している線維束を除くという条件を満たししているので、線維束数をカウントする（ステップ１４１８，１４１９）。

つぎに、図７のステップ１４１３に戻り、２番目の線維束（ｌ＝２）について、上記図７のステップ１４０５〜１４１２、および、図８の各ステップを行う。２番目の線維束が論理式の条件を満たしていれば、線維束数をカウントする。上記動作を全ての線維束について行う（図７のステップ１４１４，１４０３，１４０４）。これにより、観察領域群Ａについて、論理式を満たす線維束数をカウントすることができる。線維束数判別部１２０は、これを観察領域指定部１１９に設定されたすべての観察領域群（Ａ〜Ｃ）について行う。

なお、ステップ１４１６において、当該観察領域群に設定されている観察領域が一つで、論理式が入力されていない場合には、ＲＡ＝Ｒ（１）とすることにより、一つの観察領域を通過する線維束をカウントする。

続いて比較部１２１において、線維束数判別部１２０により判別した前記線維束の数を比較し、比較結果を表示部１２２に表示する（図３のステップ４１０、４１１）。例えば、下記（１）〜（４）のような比較を行うことができる。（１）観察領域に含まれると判別された線維束の数を観察領域間で比較すること、（２）観察領域群に含まれると判別された線維束の数を観察領域群間で比較すること、（３）観察領域に含まれる線維束の数、あるいは観察領域群に含まれる線維束の数に対して分散分析などの統計解析を行い、異なる観察領域間あるいは異なる観察領域群間で、線維束の数に有意な差が見られるかを判断することが可能である。また（４）線維束の数に基づいて算出する相対的な評価関数を導入して算出した値を、観察領域間あるいは観察領域群間で比較あるいは統計解析を行なうことも可能である。

具体的には、比較部１２１は、図９のフローのように処理を行う。まず、比較部１２１は、操作者に比較対象となる線維束を選択するよう操作者に促す表示を表示部１２２に表示させ、操作者の選択を受け付ける（ステップ１６０１）。比較対象となる線維束は、線維束数判別部１２０で観察領域群ごとにカウントした線維束であり、所望の論理式によって表される経路を通過している。操作者は、比較する対象として２以上の観察領域群を選択することにより、線維束を選択することができる。なお、２以上の観察領域間で、通過する線維束数を比較する場合には、一つの観察領域のみが設定された観察領域群を２つ以上選択することにより、比較を行うことができる。

つぎに、比較部１２１は、表示部１２２に図１０のような表示１７０１を行い、比較手段選択部１７０２および表示方法選択部１７０３において、それぞれ操作者から比較手段と比較結果の表示方法の選択を受け付ける。比較手段としては、「線維束数」の比較、予め定めた「評価関数１，２，３」のいずれかによる比較、予め定めた「統計解析」による比較を選択することができる。表示方法としては、図１１（Ａ）、（Ｂ）のように「数値表」として表示する方法、図１１（Ｃ）の画像表示部９０３のように、核磁気共鳴画像と線維束を表す座標点群の画像の重畳画像上に比較結果を「数値表示」する方法、図１１（Ｄ）の画像表示部９０９のように、比較結果を線維束の色で「色分け画像表示」する方法を選択することができる。図１１（Ｄ）の色分け表示は、画像表示する線維束の色に、線維束数、評価関数の値あるいは統計解析の結果などを割り当て、線維束の表示色の違いにより比較結果を示す表示方法である。

比較部１２１は、ステップ１６０２で受け付けた比較手段が「線維束数」である場合には、選択されている２以上の観察領域群（観察領域）の線維束数を線維束数判別部１２０からそれぞれ読み込んで（ステップ１６０３）、表示方法として数値表が選択されている場合には、図１１（Ａ）の数値表９０１のように観察領域群（観察領域）と線維束数との関係を示す表を表示する（ステップ１６１０、１６１１）。数値表９０１により、観察領域群（観察領域）間の線維束数の差が数値として容易に把握できる。また、表示方法として、「画像上に数値表示」が選択されている場合には、図１１（Ｃ）のように、観察領域群に設定されている観察領域の位置と、それを指し示すように線維束数を表示する。

図１１（Ｃ）の例では、一方の観察領域群には観察領域９０４のみが設定され、観察領域９０４を通過する線維束数は２３４５本であり、他方の観察領域群は、観察領域９０５と観察領域９０６を両方通る線維束数がカウントされ、その数１２３４本であることがわかる。また、観察領域９０４〜９０６の位置関係、線維束の方向も容易に把握できる。また、ポインティングデバイスを用いて観察領域９０４をクリックすると、観察領域９０４に含まれる線維束数９０７が表示され、観察領域９０５および観察領域９０６を続けてクリックすると、観察領域９０５および９０６に含まれる線維束数９０８が表示される構成にすることもできる。

また、「色分け表示」が選択されている場合には、図１１（Ｄ）のように色分け表示により、画像表示する線維束の色に、線維束数を割り当て、線維束の表示色の違いにより統計値を示すこともできる。一般に線維束のデータは３次元の情報を持つため線維束の画像も３次元画像で表すことが可能である。図１１（Ｄ）に示すように、表示色の割当てを表すカラーバー９１３が表示される。観察領域９１０に含まれる線維束９１４および、観察領域９１１および９１２に含まれる線維束は、カラーバー９１３の割当規則に従い、線維束数に応じてそれぞれ決定される。

図９のステップ１６０２で受け付けた比較手段が「評価関数」である場合（ステップ１６０４）、評価関数の種類が評価関数１，２，３のいずれかによって（ステップ１６０６）、内蔵する記憶部から評価関数Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３を読み出し、選択されている観察領域群（観察領域）の線維束数をそれぞれＲ１，Ｒ２・・・ＲＮとして代入し、評価関数の値を算出する（ステップ１６０７）。算出した値は、選択されている表示方法で表示する（ステップ１６１０、１６１１）。図１１（Ｄ）の色分け表示を行う場合、観察領域９１０に含まれる線維束９１４および、観察領域９１１および９１２に含まれる線維束は、カラーバー９１３の割当規則に従い、評価関数値数に応じてそれぞれ決定される。

ステップ１６０２で受け付けた比較手段が「統計解析」である場合（ステップ１６０５）、統計解析に用いるパラメータの設定を操作者から受け付け（ステップ１６０８）、統計解析を行う。例えば、分散分析のｐ値（有意確率）やＦ値などの統計解析の結果を表示する。具体的には、複数の観察領域あるいは複数の観察領域群に含まれる線維束数を複数の被検者に対して求め、「観察領域（あるいは観察領域群）」、「被検者」、「両者の相互作用」という３つの要因について分散分析を行い、統計的に有意な差があるかどうかを示すｐ値、Ｆ値などを算出する。また、統計的な有意な差があった場合は、多重比較などを用いて実際に差のある要因の組み合わせを探す。

算出した統計値は、図１１（Ｂ）の数表９０２などのように、操作者が選択した表示方法で表示する（ステップ１６１０，１６１１）。また、統計解析の結果から、異なる観察領域間あるいは異なる観察領域群間で、それぞれに含まれる線維束の数に有意な差が見られる場合、図１１（Ｄ）のように該有意な差が見られる観察領域あるいは観察領域群を、異なる表示色で表示することもできる。あるいは、有意な差が見られる観察領域あるいは観察領域群に含まれる線維束と、それ以外の観察領域あるいは観察領域群に含まれる線維束とを、異なる表示色で表示してもよい。

ここで、ステップ１６０６，１６０７で用いる評価関数について具体的に説明する。評価関数としては、観察領域あるいは観察領域群に含まれる線維束の数と、他の観察領域あるいは他の観察領域群に含まれる線維束数の比から算出する相対的な評価関数を用いることができる。評価関数の例を図１２および下記数６乃至数８を用いて説明する。図１２において、８０１は線維束、８０２は観察領域（１）、８０３は観察領域（２）である。観察領域（１）を通る神経線維束の数をＲ１（８０４）、観察領域（２）を通る神経線維束の数をＲ２（８０５）、観察領域（１）または観察領域（２）を通る神経線維束の数をＲall（８０６）とし、これらを用いて評価関数を演算する。よって、線維束数判別部１２０では、観察領域（１）のみが設定された観察領域群、ならびに、観察領域（２）のみが設定された観察領域群により、観察領域（１）を通る線維束数Ｒ１（８０４）ならびに観察領域（２）を通る線維束数Ｒ２（８０５）をカウントし、観察領域（１）、（２）が設定され、論理式ＲＡ＝Ｒ（１）＋Ｒ（２）が設定された観察領域群により、観察領域（１）、（２）の少なくとも一方を通る線維束数Ｒallをカウントし、これらの結果を用いて評価関数の演算を行う。

評価関数の一例としては、数６のようにＲ１およびＲ２の平均値でＲallを割ることにより得られるＳ１を用いることができる。数６乃至数８において、Ｎは観察領域の数を表し、本実施例ではＮ＝２となる。

また、評価関数の別の例としては、Ｒ１およびＲ２のうち最小となる値でＲallを割ることにより得られるＳ２を用いることができる。

さらに別の評価関数の例としては、RａｌｌとR１の比、およびRａｌｌとR２の比の平均値を求めることにより得られるＳ３を用いることができる。

ここではＮ＝２の場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、Ｎが３以上の場合についても同様の評価関数を用いることができる。

このように評価関数を用いることにより、線維束数の直接比較では正しく評価できないコネクティビティを評価することが可能となる。例えば、白質内の特定の領域間を接続する神経線維束の数を個体間で比較する場合、脳神経の発達の度合いには個人差があるため、神経線維束の数を直接比較しても正しい評価結果が得られないことが予想されるが、線維束の数から算出される、相対的な評価関数を導入し、前記線維束の数のかわりに評価関数の値を比較することにより、個人差の影響を除いて正しく評価することが可能である。例えば、白質の場合、「観察領域あるいは観察領域群」に含まれる線維束の数と、「他の観察領域あるいは他の観察領域群」に含まれる線維束の数の比から算出する相対的な評価関数を用いることができ、上記「他の観察領域」の一例としては、例えば白質全体あるいは、観察領域あるいは観察領域群を除く白質全体とすることができる。

上述してきたように、本実施の形態の計測システムによれば、操作者が設定した観察領域を通過する線維束、または、複数の観察領域を論理式で表した条件で通過する線維束を判別し、計数することができる。計数した線維束を、線維束数、評価関数または統計解析によって比較して表示することができる。これにより、任意の観察領域を通過する線維束を定量的に比較することができるとともに、任意の観察領域間を接続する線維束の接続性（コネクティビティ）を定量的に比較することが可能である。

本実施の形態の計測システムを臨床に適用する例について説明する。ここでは、脳梗塞などで錐体路の一部を損傷し、運動障害を来した患者に対して線維束のコネクティビティを調べ、最適なリハビリの選択を行う例について説明する。

錐体路は大脳皮質運動野から内包、脳幹、脊髄、末梢神経を通って筋末梢へと運動の指令を伝える神経経路であり、脳幹部の延髄で左右の錐体路が交差している。このため、延髄より上部の病変では対側に、下部の病変では同側の上下肢に障害が出ることが知られている。脳梗塞などで錐体路の一部を損傷し、運動障害を来した患者がリハビリを行なう場合、リハビリにより運動機能が回復していく段階では、運動負荷時の脳活動も変化することが予想される。そこで、脳活動の変化をモニタリングして結果をフィードバックすることができれば、患者のやる気を促し、より効率的なリハビリ効果を得ることが期待できる。

しかし、損傷の場所や程度によって、脳活動をモニタリングするべき部位が異なる場合がある。すなわち、損傷が軽度であれば、病変部位の脳機能が回復することにより運動障害も回復していくが、錐体路が著しく損傷した場合、病変部位の脳機能を回復することができず、本来活動するべき部位とは異なる部位で、障害を受けた脳機能を代行する現象が生じる。これにより脳機能の回復の過程も異なる可能性があるので、最適なリハビリのメニューが異なる場合がある。

そこで、本実施の形態の計測システムを用いて、錐体路のどの位置がどの程度損傷しているのかを計測することにより、脳活動をモニタすべき部位の特定に役立つとともに、最適なリハビリ方法をカスタマイズすることが可能になる。これを図１３（Ａ），（Ｂ）を用いて具体的に説明する。

まず、図３のステップ４０１〜４０７により、脳の前額断面の線維束を抽出する。ステップ４０８では、観察領域指定部１１９が画像表示部７０１に脳の前額断画像１００１を表示し、操作者から観察領域の指定を受け付ける。ここでは、左右の錐体路１００２、１００３のコネクティビティを求めるために、例えば、大脳皮質運動野上で選択した観察領域（1）１００４と、内包を含む領域で選択した観察領域（2）１００６からなる観察領域群と、観察領域(1)１００５と観察領域(2)１００７からなる観察領域群を、左右の脳に対して設定する。各観察領域群には、観察領域(1)と観察領域(2)の両方を通過する線維束を求めるように論理式ＲＡ＝Ｒ（１）×Ｒ（２）を入力する。

続いて、線維束数判別部１２０において、観察領域群に含まれる線維束の数を求める。操作者の指示に応じて、線維束の数から相対的な評価関数の値を算出する。比較部１２１においては、線維束の数あるいは相対的な評価関数の値から、左右の錐体路のコネクティビティの差を計算する。比較部１２１は、表示部１２２に数表１００８により、左右の錐体路のコネクティビティを示す評価関数値を表示する。

さらに比較部１２１は、予め定めた閾値Ａ，Ｂ（Ａ＜Ｂ）を用いて、左右の錐体路１００２，１００３のコネクティビティの差が閾値Aよりも小さい場合は損傷は軽度、閾値Aよりも大きく閾値Bよりも小さい場合は損傷は中等度、閾値Bよりも大きい場合は損傷は重度であると判断し、損傷程度に応じて、予め定めておいたリハビリメニューを割り当て、表１００９として表示部１２２に表示する。なお、閾値を用いず、コネクティビティの値に応じて、損傷の程度を連続値に割り当てることも可能である。コネクティビティの値や差等の結果に応じて、予め定めておいた、最適な脳活動のモニタリング部位を割り当て、これを操作者に表示することも可能である。

このように、本実施の形態の計測システムを用いることにより、所定の経路（例えば錐体路）を通過する線維束数（コネクティビティ）を定量的に比較することができるため、脳の損傷位置を把握し、リハビリメニューを提案することが可能である。

第１の実施の形態では、観察領域群に設定された複数の観察領域について、どのような条件でそれらの観察領域を通過している線維束を判別し計数するかを、論理式として操作者が入力する構成であった。しかしながら、本発明は論理式で入力する構成に限定されるものではなく、例えば、図５（Ｂ）の操作画面７０６において、「条件設定ボタン」を設け、２つの観察領域の両方を通過しているという条件（ＡＮＤ）、２つの観察領域のいずれか一方を通過しているという条件（ＯＲ）、その観察領域の通過している線維束を除くという条件（ＮＯＴ）の指定と、その条件を適用する観察領域を、操作者がボタンで選択できるように構成することも可能である。

（第２の実施の形態）
第２の実施の形態として、観察領域を最適な大きさに設定するため機能を備えた計測システムについて説明する。
第２の実施の形態の計測システムの構成は、観察領域指定部１１９に観察領域を最適な大きさに設定するための機能が付加されているが、他の構成及び動作は、第１の実施の形態の計測システムと同様である。よって、観察領域指定部１１９および線維束数判別部１２０の動作のうち、第１の実施の形態とは異なる部分について以下説明し、第１の実施の形態と同様の動作および構成については説明を省略する。

観察領域の大きさは、線維束数や相対的な評価関数の値や、その比較結果に影響を与えることが予想されるので、これらの値に影響を与えにくい観察領域の大きさを選択することが望ましい。そこで本実施の形態では、複数通りの大きさ（体積）の観察領域について、線維束数や評価関数の値を算出し、これらの結果または比較結果を表示することにより、操作者が最適な観察領域の大きさを選択できるようにする。ここでは、図１４および図１５を用いて、複数通りの観察領域の大きさを設定する動作について説明する。

観察領域指定部１１９は、図４のステップ１３０８において、図６（Ａ）の観察領域パラメータ入力部６０３上で「テキスト入力」が選択された場合に、図１４のテキスト入力画面１１０１を表示部１２２に表示する。なお、ここではテキスト入力により球形領域を指定する場合について説明する。球形領域のためのテキスト入力画面６０８では、領域の「追加」ボタン６０９を押すことにより、新規にパラメータを指定する観察領域（１）〜（４）に対して、X中心座標入力部６１０、Y中心座標入力部６１１、Z中心座標入力部６１２、半径入力部６１３を含むパラメータ入力部が表示される。半径入力部６１３は、半径最小値入力部１１０２、半径最大値入力部１１０３、半径ステップ入力部１１０４を含む。

半径最小値入力部１１０２には、操作者が所望する複数通りの体積の観察領域のうちの、最小半径の値を入力する。半径最大値入力部１１０３には、複数通りの体積の観察領域のうちの最大半径の値を入力する。半径ステップ入力部１１０４には、観察領域の半径の変化量を入力する。これにより、観察領域の中心座標と半径の種類を決定することができる。

テキスト入力画面６０８への入力後、「適用」ボタン６１４を押すことにより、観察領域指定部１１９に観察領域が設定される。また「保存」ボタン６１５を押すことにより、観察領域指定部１１９の記憶手段に観察領域を構成する座標の組、半径の最小・最大値ならびに変化量が保存される。

線維束数判別部１２０は、観察領域指定部１１９に設定された複数種類の半径の観察領域について、第１の実施の形態の図７および図８のフローにおいて、観察領域群に一つの観察領域が設定されている場合と同様にすることにより、複数種類の半径の観察領域をそれぞれ通過する線維束を判別し、その数をカウントする。さらに相対的な評価関数の値を求める構成にすることも可能である。線維束数判別部は、図１５のように評価関数の値（または線維束数）を比較する数表１２０１を表示部１２２に表示する。数表１２０１は、観察領域番号表示部１２０２および観察領域の半径表示部１２０３を備え、観察領域ごとに複数の種類の半径にそれぞれ設定した場合について、相対的な評価関数の値を表示する。よって、数表１２０１の表示結果を操作者が参照することにより、操作者は自己の判断で観察領域の半径の最適範囲を選択することが可能になる。

また、観察領域設定部１１９は、操作者が最適な観察領域の半径を選択する際の判断を助ける情報を提供することも可能である。例えば、観察領域設定部１１９は、以下のような演算を順に実行することにより、判断を助ける情報を得る。
（１）評価関数の値を比較する数表１２０１の各列の平均値、すなわち、半径毎の平均値を求める。
（２）数表１２０１の評価関数値を、その値が属する列について（１）で求めた半径毎の平均で割った値をそれぞれ求める。
（３）（２）で求めた値について、観察領域毎の平均値を求める。
（４）（２）で求めた値について、（３）で求めた観察領域毎の平均値との差を求め、その絶対値を求める。
（５）（４）で求めた値を、半径毎に予め設定した閾値と比較し、該閾値を超える観察領域が存在しない場合、その半径の値は最適範囲内であると判断する。閾値の値は、例えば０．１とすることができる。
（６）最適範囲内と判断した半径の数表１２０１の列を、着色して表示する等、操作者がその半径が最適範囲内と把握できるように表示する。

これにより、操作者は、表示部１２２に表示された数表１２０１の数値および最適範囲を表す着色等により、最適な半径を選択することが可能である。また、操作者が自動選択を設定することにより、観察領域指定部１１９が最適範囲として判断した半径を、操作者の選択を待つことなく自動で設定する構成にすることも可能である。

自動設定の場合、観察領域指定部１１９は、操作者が選択した半径、もしくは最適範囲内の半径を観察領域の半径と自動設定し、線維束数判別部１２０および比較部１２１は、第１の実施の形態と同様に線維束の数の判別及び比較および表示を行う（図３のステップ４０９〜４１１）。

このように、第２の実施の形態の計測システムによれば、線維束数や相対的な評価関数の値や、その比較結果に影響を与えにくい最適な大きさに観察領域を設定することができる。よって、観察領域の大きさから受ける影響を低減して、より正確に線維束数やそのコネクティビティの定量評価を行うことができる。

（第３の実施の形態）
次に、第３の実施の形態の画像処理システムについて図１６、図１７を用いて説明する。この画像処理システムは、図１６に示したように、第１の実施の形態の計測システムと同様の構成の画像処理部１２５を備えているが、第１の実施形態の計測システムとは異なり核磁気共鳴撮像装置を備えず、核磁気共鳴画像を格納するための記憶部２０１を備えている。

画像処理部１２５の構成については、第１の実施の形態と同じであるので説明を省略する。記憶部２０１には、別途撮像された拡散強調画像が格納される。拡散強調画像としては、第１の実施の形態と同様に、最低６つ以上の異なるMPGの組合せを用いた核磁気共鳴画像と、MPGを印加しないで得られた核磁気共鳴画像が格納される。

本画像処理システムの動作は、図１７にそのフローを示したように、第１の実施の形態の計測システムの図３のフローのステップ４０２〜４１１と同様である。ただし、計算部１１７は、ステップ４０２において拡散テンソルを計算する際に、記憶部２０１に保存された核磁気共鳴画像から拡散テンソルを計算する。

第３の実施の形態の画像処理システムを用いることにより、核磁気共鳴撮像装置を備えず、別途撮像した拡散強調画像を用いて、観察領域の線維束数や、観察領域間のコネクティビティを定量的に把握することが可能となる。

また、第３の実施の形態の画像処理システムに、第２の実施の形態の観察領域を最適な大きさに設定する機能を持たせることも可能である。

（第４の実施の形態）
第４の実施の形態の画像処理機能を実現するコンピュータについて説明する。
第１および３の実施の形態では、画像処理部１２５に含まれる計算部１１７、線維束抽出部１１８、線維束数判別部１２０、比較部１２１および観察領域指定部１１９が別々の構成である場合について示したが、第４の実施の形態では、コンピュータのＣＰＵがプログラムを読み込んで実行することによって、計算部１１７、線維束抽出部１１８、線維束数判別部１２０、比較部１２１および観察領域指定部１１９として機能する。

第４の実施の形態のコンピュータは、図１８のように、ＣＰＵ１８１と入力部１８２と表示部１２２と記憶部２０１とを有する。ＣＰＵ１８１には、プログラム格納部１８３が内蔵され、プログラム格納部１８３には、計算部１１７、線維束抽出部１１８、線維束数判別部１２０、比較部１２１および観察領域指定部１１９の動作を実現するためのプログラムが予め格納されている。記憶部２０１には、第３の実施の形態と同様に別途撮像した拡散強調画像が予め格納される。入力部１８２は、操作者からの観察領域の指定や条件の選択等を受け付ける部分である。

ＣＰＵ１８１は、プログラム格納部１８３内のプログラムを読み込んで実行することにより、計算部１１７、線維束抽出部１１８、線維束数判別部１２０、比較部１２１および観察領域指定部１１９として機能し、これらの動作を行う。具体的には、図１７のステップ４０２〜４１１の処理を行う。ステップ４０２〜４１１の処理内容については、第１および第３の実施の形態で説明した処理と同じであるので説明を省略する。

第４の実施の形態の画像処理機能を有するコンピュータのハードウエア構成は、市販されているパーソナルコンピュータ等の構成と同じであり、プログラムを格納してＣＰＵに実行させることにより、第３の実施の形態の画像処理システムと同様の動作を実現できる。

なお、第１の実施の形態の計測システムについても、画像処理部１２５を、第４の実施の形態のコンピュータの構成にすることが可能である。

上述してきた第１〜第４の実施の形態による計測システムおよび画像処理システムを用い、特定の領域の神経線維束数や領域間の神経線維束のコネクティビティを計測することにより、神経線維束の状態が定量的に把握できるため、最適なリハビリ方法のカスタマイズが実現できる可能性がある。これにより、残存する神経線維束の状態によって脳機能の回復の過程が患者ごとに異なり、最適なリハビリ方法が患者ごとに異なる場合であっても、リハビリ中の損傷脳患者の脳活動の変化をモニタリングし、結果をフィードバックすることによって、より効率的なリハビリ効果を得ることが期待できる。

また、第１〜第４の実施の形態による計測システムおよび画像処理システムを用いることにより、特定の脳領域間のコネクティビティを定量的に評価できるため、今後の脳科学研究から、特定の脳領域間のコネクティビティと特定の能力との関係が明らかになれば、この能力を育むための学習効果のモニタリングツールや教材開発の支援ツールの開発に応用できる可能性がある。

上記各実施の形態では、脳の神経線維束を例に説明してきたが、本発明の計測システムおよび画像処理システムは、計測および画像処理対象が脳に限られるものではない。筋肉に存在する筋線維を計測および画像処理することも可能である。これにより、筋肉を損傷した患者がリハビリ効果をモニタリングする際にも役立つ可能性がある。

第1の実施形態に係わる計測システムの全体構成を示すブロック図。 第１の実施の形態の計測システムで実行するパルスシーケンスの例を示す説明図。 第１の実施の形態の計測システムの動作を示すフローチャート。 図３のステップ４０８の観察領域の指定動作を詳細を示すフローチャート。 （Ａ），（Ｂ）および（Ｃ）第１の実施の形態の計測システムにおいて、観察領域指定部１１９が表示部１２２に表示される画面の例を示す説明図。 （Ａ）および（Ｂ）第１の実施の形態の計測システムにおいて、観察領域指定部１１９が表示部１２２に表示される画面の例を示す説明図。 図３のステップ４０９の線維束数の判別動作を詳細を示すフローチャート。 図３のステップ４０９の線維束数の判別動作を詳細を示すフローチャート。 図３のステップ４１１の比較および結果表示動作を詳細を示すフローチャート。 第１の実施の形態の計測システムにおいて、比較部１２１が表示部１２２に表示される画面の例を示す説明図。 （Ａ），（Ｂ），（Ｃ）および（Ｄ）第１の実施の形態の計測システムにおいて、比較部１２１が表示部１２２に表示される画面の例を示す説明図。 第１の実施の形態の計測システムにおいて、比較部１２１が演算に用いる評価関数を説明するための説明図。 （Ａ）第１の実施の形態の計測システムを用いて錐体路のコネクティビティを計測する場合の全額断面画像例を示す説明図、（Ｂ）計測されたコネクティビティとリハビリメニューの提案を表す画面例を示す説明図。 第２の実施の形態の計測システムにおいて、観察領域の指定を受け付ける表示画面例を示す説明図。 第２の実施の形態の計測システムにおいて、観察領域半径ごとの評価関数値を表す数表の画面例を示す説明図。 第３の実施形態に係わる画像処理システムの全体構成を示すブロック図。 第３の実施の形態の画像処理システムの動作を示すフローチャート。 第４の実施形態に係わる画像処理システムの全体構成を示すブロック図。

符号の説明

１０１：静磁場を発生するコイル、１０２：傾斜磁場を発生するコイル、１０３：被検体、１０４：シーケンサ、１０５：傾斜磁場電源、１０６：高周波発信器、１０７：高周波変調器、１０８：高周波増幅器、１０９：高周波送信器、１１０：受信器、１１１：増幅器、１１２：位相検波器、１１３：AD変換器、１１４：CPU、１１５、２０１：記憶部、１１６：核磁気共鳴撮像装置、１１７：計算部、１１８：線維束抽出部、１１９：観察領域指定部、１２０：線維束数判別部、１２１：比較部、１２２：表示装置、１２５：画像処理部、１８１：ＣＰＵ、１８２：入力部、１８３：プログラム格納部、３０１：第１の選択高周波パルス、３０２：第１のスライス選択傾斜磁場パルス、３０３：第２の選択高周波パルス、３０４：第２のスライス選択傾斜磁場パルス、３０５：リードアウト方向のディフェーズ傾斜磁場、３０６：リードアウト傾斜磁場、３０７：位相エンコード方向のディフェーズ傾斜磁場、３０８：ブリップ位相エンコード傾斜磁場、３０９：スライス方向の第1のMPG、３１０：スライス方向の第2のMPG、３１１：リードアウト方向の第1のMPG、３１２：リードアウト方向の第2のMPG、３１３：位相エンコード方向の第1のMPG、３１４：位相エンコード方向の第2のMPG、６０２：観察領域指定の操作画面、６０３：観察領域パラメータ入力部、６０４、６１４：適用ボタン、６０６、６１５：保存ボタン、６０７、６１６：終了ボタン、６０８：テキスト入力画面、６０９：領域追加ボタン、６１０：X中心座標入力部、６１１：Y中心座標入力部、６１２：Z中心座標入力部、６１３：半径入力部、７０１：画像表示部、７０２、７０３、７０４、７０５：観察領域、７０６：観察領域郡指定画面、７０７：適用ボタン、７０８：保存ボタン、７０９：終了ボタン、７１０：編集ボタン、８０１：線維束、８０２：観察領域（１）、８０３：観察領域（２）、８０４：観察領域８０２を通る神経線維束の数、８０５：観察領域８０３を通る神経線維束の数、８０６：観察領域８０２および観察領域８０３を通る神経線維束の数、９０１：線維束数の比較結果の数表、９０２：線維束数の統計解析結果、９０３、９０９：画像表示部、９０４，９１０：観察領域１、９０５、９１１：観察領域２、９０６、９１２：観察領域３、９０７：観察領域９０４に含まれる線維束数、９０８：観察領域９０５および９０６に含まれる線維束数、９１３：カラーバー、９１４：観察領域９１０に含まれる線維束、９１５：観察領域９１１および９１２に含まれる線維束、１００１：画像表示部、１００２：脳の前額断画像、１００３、１００４：錐体路、１００４，１００５：観察領域、１００６，１００７：観察領域、１００８：情報表示部、１００９：表、１１０１：テキスト入力画面、１１０２：半径最小値入力部、１１０３：半径最大値入力部、１１０４：半径ステップ入力部、１２０１：評価関数の値の比較結果の数表、１２０２：観察領域番号表示部、１２０３：観察領域の半径表示部

Claims (8)

1. 被検体に静磁場及び高周波信号を印加する磁場印加手段と、
   前記被検体からの核磁気信号を受信する手段と、
   前記核磁気信号から拡散テンソルを計算する計算部と、
   前記被検体の前記核磁気信号を受信する対象範囲に含まれる複数の線維束を、前記計算部の計算した拡散テンソルに基づき、前記線維束ごとの座標点の群として抽出する線維束抽出部と、
   前記核磁気信号を受信する対象範囲について、少なくとも１つの観察領域を含む観察領域群と、該観察領域群の１以上の観察領域について判別すべき線維束の経路を示す判別条件とを設定する観察領域指定部と、
   前記線維束抽出部が抽出した複数の線維束のうち、前記座標点の群の少なくとも一つが前記観察領域に含まれる線維束を判別し計数する線維束数判別部とを有し、
   前記観察領域指定部は、前記判別条件として、前記観察領域群内の指定した２つの観察領域の少なくとも一方を通過するという第１の条件、前記観察領域群内の指定した２つの観察領域の両方を通過するという第２の条件、および、前記観察領域群内の指定した一つの観察領域を通過しないという第３の条件のいずれかの指定を受け付け、指定された判別条件を設定し、
   前記線維束数判別部は、前記第１の条件が設定されている場合には、前記座標点の群の少なくとも一つが、前記２つの観察領域の少なくとも一方に含まれる線維束を判別して計数し、前記第２の条件が設定されている場合には、前記座標点の群のいずれかの座標点が前記２つの観察領域の少なくとも一方の観察領域に含まれ、かつ、他の座標点が他方の観察領域に含まれる線維束を判別して計数し、前記第３の条件が設定されている場合には、前記指定された観察領域に座標点が含まれる線維束を判別して計数から除外することを特徴とする計測システム。
2. 請求項１に記載の計測システムにおいて、前記観察領域指定部は、３以上の前記観察領域を含む観察領域群について、前記第１、第２および第３の条件を組み合わせた指定を受け付け、指定された判別条件を設定することを特徴とする計測システム。
3. 請求項１または２に記載の計測システムにおいて、前記観察領域指定部が、２以上の前記観察領域または２以上の前記観察領域群を設定している場合、前記観察領域または前記観察領域群ごとに計数された線維束数と所定の背景領域に含まれる線維束数との比である評価関数をそれぞれ算出し、それぞれ算出した評価関数を比較する比較部をさらに有することを特徴とする計測システム。
4. 請求項３に記載の計測システムにおいて、前記所定の背景領域は、複数の前記観察領域の和であることを特徴とする計測システム。
5. 予め取得された核磁気共鳴信号データを格納する記憶部と、
   前記核磁気信号データから拡散テンソルを計算する計算部と、
   被検体の前記核磁気信号を受信した対象範囲に含まれる複数の線維束を、前記計算部の計算した拡散テンソルに基づき、前記線維束ごとの座標点の群として抽出する線維束抽出部と、
   前記核磁気信号を受信した対象範囲について、少なくとも１つの観察領域を含む観察領域群と、該観察領域群の１以上の観察領域について判別すべき線維束の経路を示す判別条件とを設定する観察領域指定部と、
   前記線維束抽出部が抽出した複数の線維束のうち、前記座標点の群の少なくとも一つが前記観察領域に含まれる前記線維束を判別し計数する線維束数判別部とを有し、
   前記観察領域指定部は、前記判別条件として、前記観察領域群内の指定した２つの観察領域の少なくとも一方を通過するという第１の条件、前記観察領域群内の指定した２つの観察領域の両方を通過するという第２の条件、および、前記観察領域群内の指定した一つの観察領域を通過しないという第３の条件のいずれかの指定を受け付け、指定された判別条件を設定し、
   前記線維束数判別部は、前記第１の条件が設定されている場合には、前記座標点の群の少なくとも一つが、前記２つの観察領域の少なくとも一方に含まれる線維束を判別して計数し、前記第２の条件が設定されている場合には、前記座標点の群のいずれかの座標点が前記２つの観察領域の少なくとも一方の観察領域に含まれ、かつ、他の座標点が他方の観察領域に含まれる線維束を判別して計数し、前記第３の条件が設定されている場合には、前記指定された観察領域に座標点が含まれる線維束を判別して計数から除外することを特徴とする画像処理システム。
6. 請求項５に記載の画像処理システムにおいて、前記観察領域指定部は、３以上の前記観察領域を含む観察領域群について、前記第１、第２および第３の条件を組み合わせた指定を受け付け、指定された判別条件を設定することを特徴とする画像処理システム。
7. 請求項５または６に記載の画像処理システムにおいて、前記観察領域指定部が、２以上の前記観察領域または２以上の前記観察領域群を設定している場合、前記観察領域または前記観察領域群ごとに計数された線維束数と所定の背景領域に含まれる線維束数との比である評価関数をそれぞれ算出し、それぞれ算出した評価関数を比較する比較部をさらに有することを特徴とする画像処理システム。
8. 請求項７に記載の画像処理システムにおいて、前記所定の背景領域は、複数の前記観察領域の和であることを特徴とする画像処理システム。

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