JP5330041B2 - 磁気共鳴イメージング装置 - Google Patents

Description

本発明は、被検体中の水素や燐等からの核磁気共鳴（ＮＭＲ）信号を測定し、核の密度分布や緩和時間分布等を画像化する磁気共鳴イメージング装置に関する。

磁気共鳴イメージング装置（ＭＲＩ装置）は、被検体、特に人体の組織を構成する原子核スピンが発生するＮＭＲ信号を計測し、その頭部、腹部、四肢等の形態や機能を２次元的に或いは３次元的に画像化する装置である。

撮影においては、ＮＭＲ信号には、傾斜磁場によって異なる位相エンコードが付与されるとともに周波数エンコードされて、時系列データとして計測される。計測されたＮＭＲ信号は、２次元又は３次元フーリエ変換されることにより画像に再構成される。

近年、整形外科領域、特に関節炎のエビデンスベースの診療方法として、Ｔ２カラーマッピングが注目されている。Ｔ２カラーマッピングとは、グレースケールで表示される通常のＭＲ画像（形態画像）の上にＴ２値に対応した画像（Ｔ２マップ）をカラー化し、重ね合わせて表示することで、組織のＴ２値変化を視覚的に診断可能とする機能である。

Ｔ２マップを対象とはしていないが、ＭＲＩ画像から軟骨領域を抽出する技術が特許文献１に記載されている。この特許文献１に記載の技術は、ＭＲＩ画像データにおける各組織の画像信号値が異なることから、軟骨領域の画像信号上下限閾値を用いて、ＭＲＩ画像データから軟骨領域のみ抽出する技術である。

特開２０００−１３９８７０号公報

Ｔ２カラーマッピングを用いる際、関心領域を指定し、その部分に対応するＴ２マップをカラー化し重ね合わせて表示するが、関心領域である軟骨領域を自動で指定することができれば、手間を省くことができ便利である。

そこで、特許文献１に記載された技術により、Ｔ２マップから軟骨領域を抽出する方法も考えられる。つまり、Ｔ２マップから軟骨のＴ２値を元に閾値処理して抽出し、カラー化して元の画像に重ね合わせることも考えられる。

しかしながら、特許文献１に記載された技術をＴ２マップデータに適用すると、軟骨と同じＴ２値を持つ筋肉などの部位も抽出されてしまい、軟骨領域のみ、カラー化することは困難である。

本発明の目的は、関節軟骨を診断する際に用いられるＴ２マップから自動的に軟骨領域のみを抽出可能な磁気共鳴イメージング装置を実現することである。

上記目的を達成するために、本発明の核磁気共鳴イメージング装置は以下のように構成される。

磁気共鳴メージング装置において、演算制御手段は、被検体のＴ２マップを作成し、作成したＴ２マップから該被検体の軟骨分布範囲を決定し、上記決定した軟骨分布範囲に対応する領域を色彩化して該被検体の画像を上記画像表示手段に表示させる。

関節軟骨を診断する際に用いられるＴ２マップから自動的に軟骨領域のみを抽出可能な磁気共鳴イメージング装置を実現することができる。

本発明が適用されるＭＲＩ装置の概略構成図である。 膝関節の冠状断面を示す図である。 膝関節の矢状断面（パターンＸ）を示す図である。 膝関節の矢状断面（パターンＹ）を示す図である。 本発明の実施例１における動作フローチャートである。 本発明の実施例２の説明図であり、大腿骨の矢状断面図である。

以下、添付図面に従って本発明のＭＲＩ装置の好ましい形態について詳説する。なお、発明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。

図１は、本発明が適用されるＭＲＩ装置の全体概略構成ブロック図である。このＭＲＩ装置は、ＮＭＲ現象を利用して被検体の断層画像を得るものである。

図１において、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、信号処理系７と、シーケンサ４と、中央処理装置（ＣＰＵ：演算制御手段）８とを備える。

静磁場発生系２は、垂直磁場方式であれば、被検体１の周りの空間にその体軸と直交する方向に、水平磁場方式であれば、体軸方向に均一な静磁場を発生させるもので、被検体１の周りに永久磁石方式、常電導方式あるいは超電導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、ＭＲＩ装置の座標系（静止座標系）である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軸方向に傾斜磁場Ｇｘ、Ｇｙ、Ｇｚを印加する。

撮影時には、スライス面（撮影断面）に直交する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、そのスライス面に直交して且つ互いに直交する残りの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（ＲＦパルス）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と受信系６とにより高周波送受信手段が構成される。

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、被検体１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（送信コイル）１４ａとを備える。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（受信コイル）１４ｂと信号増幅器１５と直交位相検波器１６と、Ａ／Ｄ変換器１７とを備える。

送信側の高周波コイル１４ａから照射された電磁波によって誘起された被検体１の応答のＮＭＲ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でディジタル信号に変換されて、信号処理系７に送られる。

信号処理系７は、各種データ処理と処理結果の表示及び保存等を行うもので、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とを有し、受信系６からのデータが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。信号処理系７は、ＲＯＭ２１、ＲＡＭ２２も備えている。

操作部２５は、ＭＲＩ装置の各種制御情報や上記信号処理系７で行う処理の制御情報を入力するもので、トラックボール又はマウス２３、及び、キーボード２４から成る。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装置の各種処理を制御する。

なお、図１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、垂直磁場方式であれば被検体１に対向して、水平磁場方式であれば被検体１を取り囲むように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。

次に、本発明の実施例１におけるＴ２マップから軟骨領域を抽出する技術について、図２、図３、図４を用いて説明する。

図２は膝関節の冠状断像（骨部分画像）の例を示す図であり、大腿骨部２６、脛骨部２７を表している。大腿骨部２６と脛骨部２７との互いの距離が近い部分をａ、遠い部分をｂとする。ａの部分とｂの部分では軟骨の分布が互いに異なっている。

図３は、図２に示した部分ａでの矢状断像（骨部分画像）の例を示す図であり、軟骨２８の分布範囲を表している。図２に示した部分ａでは、軟骨２８の分布範囲の特徴は共通である。

この軟骨の分布範囲の共通の特徴を用い、大腿骨２６と脛骨部２７との距離が近い場合（以下パターンＸと表記）、つまり、図２に示した部分ａの軟骨の分布範囲を求める手法について、図３を用いて説明する。

はじめに、図３の横軸方向で大腿骨部２６の幅が最大になる部分２９を探す。次に、最大部分２９の横軸方向線から縦軸方向（垂直方向）に基準値ｄだけ図３の上方向に離間した基準線３０（第１の横軸方向基準線）を設定する。

また、大腿骨部２６の図３における縦方向で最底位置の点Ｚ１と脛骨部２７との距離が最小になる点Ｚ２を求め、点Ｚ１と点Ｚ２とを通る縦軸方向線である基準線３１を引き、点Ｚ２より垂直方向に基準値ｅだけ図３の下方向のところに基準線３１と垂直になるような横軸方向線である基準線３２（第２の横軸方向基準線）を設定する。基準線３０と３２との間の領域が第１の範囲となる。

基準線３０より下の部分の大腿骨部２６からの距離が基準値ｆ１の部分と、基準線３２より上で脛骨からの距離が基準値ｆ２の部分をパターンＸの場合での軟骨の分布範囲として決定する。ｆ１及びｆ２は第１の距離である。

ここで、基準値ｄ、ｅ、ｆ１、ｆ２の値は、年齢、性別等により決定される値であり、統計等に基づいて事前に決定され、磁気共鳴イメージング装置の記憶部（磁気ディスク１８、光ディスク１９等）に予め格納される。

図４は、図２に示したｂ部分での矢状断像の例を示す図である。軟骨の分布範囲の特徴は図２のｂ部分では共通である。

このｂ部分における軟骨分布の共通の特徴を用い、大腿骨部２６と脛骨部２７との距離が遠い場合（以下パターンＹと表記）、つまり、図２に示した部分ｂの軟骨の分布範囲を求める手法について、図４を用いて説明する。なお、パターンＸ、Ｙは軟骨分布パターンである。

はじめに、図４の横軸方向で大腿骨部２６の幅が最大になる部分を探し、そこに基準線３３を設定する。次に、大腿骨部２６の領域で、図４における縦方向で最底位置になる点Ｚ３を求め、この点Ｚ３を通る基準線３３に平行な基準線３４を設定する。基準線３３と３４との間で、Ａ方向（前面）側の大腿骨部２６からの距離が基準値ｆ３の部分をパターンＹの場合での軟骨の分布範囲として決定する。

ｆ３の値は、被検者の年齢、性別等により決定される値であり、統計等に基づいて事前に決定され、予め磁気共鳴イメージング装置の記憶部（磁気ディスク１８、光ディスク１９等）に格納される。

また、大腿骨部２６の領域の縦軸方向における最底値の点Ｚ３から、脛骨部２７の領域への最短距離Ｎを大腿骨部２６と脛骨部２７との距離と定義し、最短距離Ｎが基準値ｎより小さい場合は、パターンＸ、Ｎがｎ以上の場合パターンＹと判断する。

基準値ｎは被検者の年齢、性別などを元に事前に決めておき、磁気共鳴イメージング装置の記憶部（磁気ディスク１８、光ディスク１９等）に予め格納される。

次に、本発明の実施例１における動作について、動作フローチャートを示す図５を用いて説明する。

図５のステップＰ１では、ＭＲＩ装置で得られたＴ２マップのデータに基づいて、閾値処理や、ｗａｔｅｒｓｈｅｄ法などを用い大腿骨部２６と脛骨部２７とを、それぞれ抽出する。

次に、ステップＰ２では、上記した手法を用い、大腿骨部２６と脛骨部２７との距離Ｎを計算し、パターンＸかＹからのパターン分けを行う。

続いて、ステップＰ３では、ステップＰ２で決定したパターンに応じて、上述した手法を用い、軟骨の分布範囲を特定する。

そして、ステップＰ４では、ステップＰ３で決定した軟骨分布の範囲部分に対応するＴ２マップを抜き出し、カラーにして、通常のＭＲＩ形態画像に重ねあわせる。重ねあわされた画像は、ディスプレイ２０に表示される。

上記動作は、Ｔ２マップに基づいて、ＣＰＵ８が実行する。

以上のように、本発明の実施例１によれば、ＣＰＵ８が被検体のＴ２マップデータから大腿骨部２６と脛骨部２７とを抽出し、大腿骨部２６と脛骨部２７との間の形状特徴から、軟骨存在領域のパターンＸ、Ｙを判別し、判別したパターンＸ、Ｙ毎に、予め定めたパラメータ（ｄ、ｅ、ｆ１、ｆ２、ｆ３、ｎ）を用いて、軟骨存在領域を定める。そして、ＣＰＵ８は、定めた軟骨存在領域に対応するＴ２マップを抽出し、色彩化（カラー化）して通常のＭＲＩ画像に重ね合わせ、ディスプレイ（表示手段）２０に表示させる。

したがって、大腿骨部と、脛骨部との周囲に存在する関節軟骨を診断する際に用いられるＴ２マップから自動的に軟骨領域のみを抽出して、カラー化し、通常のＭＲＩ画像に重ね合わせることが可能な磁気共鳴イメージング装置を実現することができる。

次に、本発明の実施例２について、図６を用いて説明する。実施例１と実施例２との異なる点は、パターン分けの方法であり、他は同様であるので、実施例１と異なる箇所のみ説明し、同じ箇所の説明は省略する。

図６は、大腿骨の矢状断像の例を示す図である。図６において、縦軸方向で、大腿骨部２６の最低値（最小値）となる点Ｚ４を通る横軸と平行な基準線３５（第４の横軸方向基準線）と、横軸方向で大腿骨部２６の幅が最大となる部分を通る横軸方向基準線３６（第３の横軸方向基準線）と、基準線３５と３６との間のＰ方向（背面）側の大腿骨部２６からの距離が基準値ｆ４（第２の距離）の部分を探索領域３７として定義する。基準線３５と３６との間は第２の範囲となる。

そして、Ｔ２マップの探索領域３７の部分で、軟骨のＴ２値（ｔ１以上ｔ２以下）の範囲内にある領域を求め、その領域の面積Ｓを求める。求めた面積Ｓが基準値ｓより大きい場合はパターンＸ、面積Ｓがｓより小さい場合はパターンＹと判断する。

その後の処理は、実施例１と同様となる。

なお、基準値ｆ４とｓの値は年齢、性別などに基づいて決定される値であり、統計等に基づいて事前に決定され、磁気共鳴イメージング装置の記憶部（磁気ディスク１８、光ディスク１９等）に予め格納される。

本発明の実施例２においても、実施例１と同様な効果を得ることができる。

なお、上述した例は、本発明を膝関節の軟骨部分の抽出に適用した例であるが、Ｔ２マップにおける他の部分の軟骨部分の抽出にも適用可能である。

つまり、以下に示す本発明の技術的思想に基づいて、Ｔ２マップから軟骨領域を抽出することができる。

本発明は、軟骨が存在する領域を含む対象領域部分の軟骨存在領域の特徴毎にパターン分けし、パターン毎に予め定めたパラメータ（被検体の年齢、性別等により決定される）に基づいて、一定範囲内における骨部表面から基準距離までの領域を軟骨領域と判断する。そして、判断した軟骨領域に対応する部分をＴ２マップから抽出し、抽出した部分をカラー化して、元画像に重ね合わせる。

上記パラメータは、軟骨が存在する領域を含む対象領域部分毎に設定可能である。

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・・・高周波発振器、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、２１・・・ＲＯＭ、２２・・・ＲＡＭ、２３・・・トラックボール又はマウス、２４・・・キーボード、２５・・・操作部、２６・・・大腿骨部、２７・・・脛骨部、２８・・・軟骨の分布範囲、２９・・・大腿骨の最大幅、３０〜３６・・・基準線、３７・・・探索領域

Claims (8)

1. 静磁場発生手段と、傾斜磁場発生手段と、高周波送受信手段と、上記静磁場発生手段、傾斜磁場発生手段及び高周波送受信手段に動作を制御すると共に、上記高周波送受信手段により受信された核磁気共鳴信号に基づいて、画像を再構成する演算制御手段と、画像表示手段とを有する磁気共鳴メージング装置において、
   上記演算制御手段は、被検体のＴ２マップを作成し、作成したＴ２マップから該被検体の軟骨分布範囲を決定し、上記決定した軟骨分布範囲に対応する領域を色彩化して該被検体の画像を上記画像表示手段に表示させ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、
   上記軟骨分布範囲を決定するために用いられるパラメータを記憶する記憶手段を備え、
   上記演算制御手段は、上記作成したＴ２マップから上記被検体の骨部分を抽出した骨部分画像を作成し、作成した骨部分画像を予め定めた軟骨分布パターンに分け、軟骨分布パターン毎に、上記記憶手段に記憶されたパラメータに従って、上記骨部分画像上の前記軟骨分布範囲を決定し、決定した軟骨分布範囲に対応する部分を上記Ｔ２マップから抽出し、色彩化し、上記被検体の画像に重ね合わせて上記画像表示手段に表示させ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、上記演算制御部は、上記パラメータに基づいて、上記骨部分画像の軟骨領域が存在する第１の範囲を設定し、この第１の範囲内であって、上記骨部分の表面からパラメータにより示された第１の距離までの領域を軟骨領域と決定す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３に記載の磁気共鳴イメージング装置において、上記被検体の骨部分画像は関節部分であって、関節部分の互いに対向する一方の骨部と他方の骨部との距離の大小に従って、２つの軟骨分布パターンに分け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３に記載の磁気共鳴イメージング装置において、上記被検体の骨部分画像の第２の範囲内であって、上記骨部分の表面からパラメータにより示された第２の距離までの領域を決定し、決定した領域の面積を算出し、算出した面積の大小に従って、２つの軟骨分布パターンに分けることを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
6. 請求項３に記載の磁気共鳴イメージング装置において、上記パラメータは、被検体の年齢、性別毎に設定されていることを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
7. 請求項３に記載の磁気共鳴イメージング装置において、上記骨部分は、互いに対向する一方の骨部分と他方の骨部分とを有する関節部分であり、上記演算制御部は、
   上記骨部分の画像上の横軸方向最大幅を探し、探した横軸方向最大幅を示す横軸方向線から画像上の縦軸方向に、パラメータで示された基準値だけ、画像上の上方向に離間し、横軸方向に延びる線を第１の横軸方向基準線として設定し、
   上記横軸方向最大幅を有する上記一方の骨部分の画像上の縦軸方向最底位置と、上記他方の骨部分のとの互いの距離が最小となる上記他方の骨部分の位置である最小位置を求め、上記最底位置と最小位置とを通る縦軸方向線の、上記最小位置から画像上の下方向に第１の基準値だけ離間した点を通る横軸方向線を第２の横軸方向基準線として設定し、
   上記第１の横軸方向基準線と第２の横軸方向基準線との間の領域を上記第１の範囲とすることを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
8. 請求項５に記載の磁気共鳴イメージング装置において、上記骨部分は、互いに対向する一方の骨部分と他方の骨部分とを有する関節部分であり、上記演算制御部は、
   上記一方の骨部分の画像上の横軸方向最大幅と、上記一方の骨部分の画像上の最底位置とを探し、上記横軸方向最大幅部分を通過する線を第３の横軸方向基準線とし、上記最底位置を通過する、画像上の横軸方向線を第４の横軸方向基準線とし、上記第３の横軸方向基準線と第４の横軸方向基準線との間の領域を上記第２の範囲とする特徴とする磁気共鳴イメージング装置。

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