JP5611614B2

JP5611614B2 - 磁気共鳴画像解析装置および磁気共鳴画像解析方法

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Publication number: JP5611614B2
Application number: JP2010033406A
Authority: JP
Inventors: 紀彦小澤
Original assignee: Hitachi Medical Corp
Current assignee: Hitachi Healthcare Manufacturing Ltd
Priority date: 2010-02-18
Filing date: 2010-02-18
Publication date: 2014-10-22
Anticipated expiration: 2030-02-18
Also published as: JP2011167333A

Description

本発明は、磁気共鳴画像解析装置およびそれを用いた画像解析方法に関する。より詳細には、脳灌流画像や拡散強調画像の異常領域抽出に関する画像解析方法である。

磁気共鳴画像の解析方法、特に、脳の磁気共鳴画像解析において、急性期の脳梗塞における異常領域の検出には、造影剤を用いてＭＲＩ画像を撮る方法としてＭＲ造影脳灌流画像（以下に、ＰＷＩと称する）があり、また梗塞部位が明瞭に画像に現れる拡散強調画像（以下に、ＤＷＩと称する）も用いられている。

このＰＷＩ(Perfusion-weighted Image)やＤＷＩ(Diffusion-weighted Image)の画像から脳に生じた異常領域を抽出する手法は、種々提案されている。以下に、その例を述べる。

先ず、ASIST-Japan(Acute Stroke Imaging Standardization Group - Japan)が提供しているフリーソフトPerfusion Mismatch Analyzer（以下、ＰＭＡと称する）の説明書（非特許文献１）では、異常領域を自動的に抽出するオートROIが記載されており（http://asist.umin.jp/）、自動または半自動でSeed点から異常領域を抽出する。

しかしながら、ASIST-Japan研究報告書（研究課題：17公-3、佐々木真理）「急性期脳梗塞におけるＣＴ、ＭＲＩ検査の標準化に関する研究」には、非可逆的虚血の白質脳血流量（CBF, 22ml/min/100g）の閾値は患者によるばらつきが大きいため、対側比などの半定量値がより有望であろうと記載されている。

また、特許文献１（特開2005-211672）では、危機的な脳組織の識別および区画のための磁気共鳴画像の評価方法において、同一の身体部位の灌流強調磁気共鳴画像と灌流強調磁気共鳴画像とを重ねてミスマッチ画像を形成する方法が記載されている。また、それぞれの画像の構造物に混合前に異なる色をつける方法が記載されている。

また、特許文献２（特開2006-198060）では、観察対象の器官の形状画像であるＣＴ原画像に脳血流量（ＣＢＦ：Cerebral Blood Flow）をディスプレイスメントマップで表示した機能画像、および、血液の平均組織通過時間（ＭＴＴ, mean transit time）をカラーマップで表示した機能画像を統合した画像を表示する方法が記載されている。

特開2005-211672号公報特開2006-198060号公報

フリーソフトPerfusion Mismatch Analyzer（PMA）の説明書：(http://asist.umin.jp/)

上述のＰＭＡの説明書には患側/健側（正常側）を自動的に判定するため、ＴＴＰの値で決定する方法が記載されている。この方法は、ＴＴＰに左右差がある場合は自動で判別することができるものの、ＣＢＶ(Cerebral Blood Volume)が低下するだけでＴＴＰに左右差がない場合は判定できないという課題がある。

また、上記特許文献１では、異なる画像の手間が掛かりかつ細部が不正確である視覚的相互比較を不要にする利点があるものの、それぞれの画像の異常領域を特定していないという課題を有している。

また、上記特許文献２では、機能異常を示す領域の重複部分を１つの画像で観察することができるものの、上記特許文献１と同様に、異常領域自体を特定はしていないという課題を有している。

そこで、本発明の目的は、急性期脳梗塞のＭＲＩを用いた脳灌流画像（ＰＷＩ）及び拡散強調画像（ＤＷＩ）において、異常領域及び両者のミスマッチ領域を簡易に抽出し、健側に対する患側の信号変化を可視化し定量的に解析する技術を提供することである。

上記課題を解決するために、本発明の請求項１に記載の磁気共鳴画像解析方法は、被検体の目的部位からのＮＭＲ信号を基にして画像を撮像するＭＲＩ装置であって、取得した画像がほぼ左右対称な形状を有する場合の磁気共鳴画像解析方法において、ＭＲＩ装置を用いて撮像した脳灌流画像(ＰＷＩ画像)および拡散強調画像（ＤＷＩ画像）を準備し、ＰＷＩ画像を２つの画像に分割し、分割した一方を左右反転し、該左右反転した画像と、分割した他方の画像との差分を取って得られた画像を第１の差分画像とし、ＤＷＩ画像を２つの画像に分割し、分割した一方を左右反転し、該左右反転した画像と、分割した他方の画像との差分を取って得られた画像を第２の差分画像とし、第１の差分画像と第２の差分画像からさらに差分を求めることにより被検体の目的部位の画像の異常領域を抽出することを特徴とする。

あるいは、本発明の請求項７に記載の磁気共鳴画像解析装置は、被検体の目的部位からのＮＭＲ信号を基にして画像を撮像する磁気共鳴画像装置において、画像がほぼ左右対称な形状を有する場合に、磁気共鳴画像装置を用いて撮像した脳灌流画像(ＰＷＩ画像)および拡散強調画像（ＤＷＩ画像）を表示する表示手段と、ＰＷＩ画像およびＤＷＩ画像のそれぞれに対して、表示手段を参照しながらオペレータによりそれぞれの画像を２つの画像に分割し、分割した一方を左右反転し、該左右反転した画像と、分割した他方の画像との差分を取って、それぞれを第１の差分画像および第２の差分画像を作成し、第１の差分画像と第２の差分画像から差分を求めることにより被検体の目的部位の画像の異常領域を抽出する演算手段とを有することを特徴とする。

本発明によれば、ＰＷＩ異常領域とＤＷＩ高信号領域、及び、それらのミスマッチ領域を簡易に抽出し、健側に対する患側の信号変化を可視化し定量的に解析できる。あるいは、ＰＷＩやＤＷＩの元画像が高いコントラストを持っていても、背景・正常組織を抑制し異常領域を抽出することができる。あるいは、急性期脳梗塞のΔR2*曲線の形状に依らずに患側/健側を判定できる。

ＭＲＩ装置の構成概要を示す図。脳灌流画像における信号強度の経時変化を示す図。脳灌流画像（ＰＷＩ）を示す図。ＰＷＩ画像に中心線を設定した画像を示す図。ＰＷＩ画像に面内移動・回転を加えた画像を示す図。ＰＷＩ画像を分割した左側画像を示す図。ＰＷＩ画像を分割して左右反転した右側画像を示す図。左側画像から左右反転した右側画像の差分を取った図。ＰＷＩ画像とＤＷＩ画像とのミスマッチ画像を示す図。拡散強調画像（ＤＷＩ）を示す図。ＤＷＩ画像の図３Ｆに相当する図。超急性期脳梗塞灌流画像のΔR2^*曲線分類（type1〜5）を示す図。

ＭＲ造影脳灌流画像（ＰＷＩ）は、脳組織毛細血管レベルの微小循環動態を示すＭＲ画像である。急速静注（５秒以内）された高濃度Ｇｄ製剤は、大きな磁化率差を持つためダイナミックＴ２^*Ｗ画像で信号が低下する。脳組織では血液脳関門があるため、脳血流量に比例して経時的に急激な信号低下・ピーク形成・信号回復が計測される（First Pass）。この画像には、通常Gradient Echo-Echo Planar Imageのダイナミック撮影が用いられる。定性的な解析法（ファーストモーメント法）を例に挙げると以下のように解析される（画像診断1999 Vol.19 No.6 p.607-619 「拡散画像と灌流画像」井田正博、他を参照）。

すなわち、各時間の信号強度S(t)と、造影剤到達前の信号強度の平均値S(0)と、エコー時間TEを用いると、見かけのＴ２^*緩和率
ΔＲ２^* =−ln(S(t)/S(0))/TEが求まる。

図２に示すように、Central Volume Theoremにしたがうと、相対的局所脳血流量ｒＣＢＶ = ∫ΔＲ２^*dt（カーブ下面積）（ml/(100g)）、平均通過時間ｆＭＴＴ（カーブ下面積重心までの時間）（sec）、相対的局所脳血流量ｒＣＢＦ= ｒＣＢＶ／ＭＴＴ（ml/(100g・min)）が算出される。但し、関心領域が側副血行路からの供給がないこと、血液脳関門の破綻がないこと、局所のＧｄ濃度とＴ２^*変化率が量的に相関することを前提にしている。

この他の灌流解析パラメーターとして、ピークまでの時間であるTime-To-Peak（ＴＴＰ）や組織造影剤濃度曲線が最大値となるＣｍａｘなどがある。

また、拡散強調画像（以下に、ＤＷＩと称する）と上述したＰＷＩを用いて行うＤＷＩ/ＰＷＩＭｉｓｍａｔｃｈ解析は、ＤＷＩ高信号領域とＰＷＩ異常領域を抽出して、両者のＡＮＤとＯＲを表示し体積を計測する解析である。両者のＡＮＤは梗塞中心（Infarct Core）、両者のＯＲは梗塞周辺部（Penumbra）とされている。

神経内科2003.59(6).592-600（名倉博史）「脳梗塞における拡散強調画像」（脳梗塞急性期の治療選択）には、血栓溶解療法を行なう際は、ＤＷＩ高信号部分は非可逆的変化と考え、ＭＲＡやＰＷＩを参考に、血流再開によりどの機能が救出しうるか検討すると記載されている。特に、MR Angiographyで閉塞が確認されＰＷＩ異常領域がＤＷＩ高信号領域に比べて大きい場合、発症３時間以内であれば血栓溶解療法を選択し、その他は保存療法とされている。ＤＷＩ高信号領域やＰＷＩ異常領域を抽出するには、通常、閾値の設定が必要となる。

図１には、本実施例で用いるＭＲＩ装置の構成概要を示す。本装置は、データを入力する入力装置10、データあるいはＭＲＩ装置本体11で撮像した画像を表示する表示装置8、入力されたデータや画像を記憶する記憶装置9、ＭＲＩ装置本体11や上記表示装置8、あるいは記憶装置9などを制御する演算制御装置7を備える。なお、上記の各装置は、信号線12を介してデータの伝送が行われる。

被検体（本実施例では、人体頭部とする）の画像を得るために、先ず、被検体1を磁場内に配置し、高周波コイル6aから発した高周波により被検体1の目的部位からＮＭＲ信号が放出され、そのＮＭＲ信号を受信して演算制御装置7で処理することで、目的部位の画像を得る。この画像は表示装置8に表示される。

以下に、図２を用いて、脳灌流画像（ＰＷＩ）の撮像について述べる。先ず、被検体1に造影剤（Ｇｄ製剤）を注入し、所定の時間ごとにＭＲＩ画像を撮像し、複数の画像を得る（ダイナミック撮像）。図２は、縦軸にＴ２^*Ｗ画像信号強度を、横時に時間を取った場合を示す。図２において、Ｔ０は、造影剤が被検体の目的部位に到達した時刻を示し、ＴＴＰ(Time To Peak)は、造影剤が最大流入した時刻を示し、ｒＣＢＶ(Cerebral Blood Volume)は、図中で網掛けした曲線領域に相当し、流入した造影剤の総量を示す。ＭＴＴ(Mean Transit Time)は、ｒＣＢＶ領域を二等分する境界点を示す。

図３Ａ−３Ｇに脳灌流画像（ＰＷＩ）と拡散強調画像の異常領域、及び、それらのミスマッチ領域を抽出する処理手順を示す。
先ず、ＰＷＩ画像を入力する。入力した人体頭部横断面（もしくは冠状断面）のＰＷＩは、正常組織101と背景103からなり、病変部には異常領域102がある（図３Ａ）。

次に、ＰＷＩ画像を左右に分割するため、縦方向の中心線を設定する。この設定は、オペレータにより入力装置8を介して行われる。簡単には、撮像野（Field Of View, FOV）の左右方向の半分に中心線を設定して正中とする。中心線が実際の正中線とずれているときは、中心線104を手動で移動・回転して調節しても良い（図３Ｂ）。

次に、中心線を移動・回転したときは、画像をその分だけ逆に面内移動・回転する（図３Ｃ）。移動・回転によって生じる外周のデータがない領域は0詰めする。このようにすることで、画像が中央に表示され、横方向を左右方向として左右を分割できる。ここで、上記の移動や回転は、オペレータが行っても良いし、あるいはプログラムを記憶装置9に記憶して置き、演算制御装置7でそれらの移動や回転を算出しても良い。

なお、本画像処理では、左右がほぼ対称な画像を扱うために、ＰＷＩ画像は、Axialか、Coronal画像を対象とし、Sagittal画像は扱わないものとする。以下に述べるＤＷＩ画像も同様である。

次に、ＰＷＩの輪郭を抽出する。輪郭の抽出は、画像の信号に閾値を設定して行なっても良い。特開2007-167374の方法にしたがって、対象画像の２値化画像を作成するための閾値を判別分析法により自動的に決定して２値化画像を作成しても良い。２値化画像と元の画像とのＡＮＤをとり、輪郭を抽出する。

輪郭抽出したＰＷＩ画像を中心線で左右に分割し、左側画像（Ｌ）（図３Ｄ）と右側画像（Ｒ）に分ける。分割した画像の一方（右側：Ｒ）を左右反転する(右側反転：Ｒ’)（図３Ｅ）。左右の形状差を補正するため両者の位置合わせを行なっても良い。位置合わせは、主として左右方向の平行移動・拡大縮小・剪断歪み補正を行なっても良い。特開2007-167374の方法にしたがって、両者の位置合わせを行なっても良い。

分割した一方の画像（Ｌ）から左右反転した他方の画像(Ｒ’)を差分し、残留信号領域に閾値を設定して異常領域を求める（図３Ｆ）。または、これらの画像の除算を行なっても良い。残留信号領域には左右の形状差がある領域も含まれるため、閾値を設定してこのような信号を削除して異常領域を抽出しても良い。

ＰＷＩのＴＴＰとＣｍａｘ画像で上述のようにして抽出した異常領域の左右差を比較する。左右差の比較にはｔ検定など統計的な手法を用いても良い。ＴＴＰが有意に大きな方を患側とする。ＴＴＰに有意な左右差がないときは、Ｃｍａｘの低い方を患側とする。Ｃｍａｘにも左右の有意差がないときは、左右共に正常と判定する。ＴＴＰの代わりにＭＴＴを用いて同様に判定しても良い。

図５には、図２に基づいて求めた急性期脳梗塞灌流画像のΔR2*曲線を示す。
画像診断Vo..19 No.6 1999「拡散画像と灌流画像」（井田正博、他）p.607-619によると急性期脳梗塞灌流画像のΔR2*曲線は、type1〜5（図５）に分類できるため、患側の判定は、上記の手順で行うことが可能となる。

次に、ＤＷＩ画像についても、上述したＰＷＩ画像の処理と同様な処理を施すことができる。すなわち、図４Ａに示すＤＷＩ画像の元画像を図３Ａ〜３Ｆに示す手順に従って、図４Ｂを得る。

図３Ｆと図４Ｂの結果を利用して、ＰＷＩとＤＷＩの異常領域のＡＮＤとＯＲをとり、ＯＲからＡＮＤを差分することでミスマッチ領域106が求まる（図３Ｇ）。

通常、ＤＷＩ高信号領域はＰＷＩ異常領域内に含まれる。ＰＷＩ/ＤＷＩ上に患側の異常領域と健側の対応する領域を表示し、それぞれの領域の体積や信号値の平均などの定量的な解析を行なう。

患側から健側の画像を差分または除算することで、ＰＷＩ/ＤＷＩの異常領域が健側に比べ高信号か低信号かが分かる。差分をとると信号値の差が分かり、除算をおこなうと健側に比べ患側の信号変化の割合が分かる。正常組織の領域はＤＷＩで高信号であっても差分後はノイズレベルとなり、残留信号領域が異常領域として求まる。

本実施例は、患側と健側の判定ができないケースに対応するものである。
患側と健側の判定が、何らかの理由でできない場合にも、左右いずれかの異常領域を両側で比較表示することはできる。すなわち、上記の方法に従い、一方から他方の反転した画像を差分または除算する。左右のどちらが異常かを判定はできないものの、異常領域を両側で比較表示することができる。

異常領域が複数ある場合は以下のとおりである。典型的には異常領域が２個ある場合を考えれば良い。２個の異常領域が同側にある場合は、１個の場合と同様の扱いとなる。２個の異常領域が両側にわたる場合は、患側と健側という概念が成り立たない。

但し、一方を反転したときに他方の異常領域と重ならない場合、異常領域ごとに患側が異なるという扱いはできる。一方を反転したときに他方の異常領域と重なる場合は、１個の異常領域が両側にわたるときと同様に患側と健側という概念が成立しない。

本実施例では、人体頭部横断面の形状を標準脳に変換する場合を示す。
脳には左右の形状差が考えられるため、ＰＷＩ/ＤＷＩから左右対称な形状を有する標準脳へ変換した上で、実施例１に従って患側・健側とＰＷＩ/ＤＷＩの異常領域・ミスマッチ領域を求める。

ＰＷＩ/ＤＷＩの標準脳は、多数の被験者のＰＷＩ/ＤＷＩのデータを平均するなどして作成することができる。ＰＷＩ/ＤＷＩの左右対称な形状を有する標準脳は、ＰＷＩ/ＤＷＩの標準脳を左右に分割し、一方を反転して他方を置き換えることで作成することができる。
異常領域・ミスマッチ領域を求めた後に、標準脳から元の画像へ逆変換により戻しても良い。

1…被検体、
2,3…傾斜磁場コイル、
4…傾斜磁場電源、
5…シーケンサ、
6a,6b…高周波コイル、
7…演算制御装置、
8…表示装置、
9…記憶装置、
10…入力装置、
11…ＭＲＩ装置本体、
12…信号線、
50…正常時の曲線、
60,61,62,63,64…異常を持つ被検体の曲線、
101…脳の正常組織、
102…脳灌流画像（ＰＷＩ）の異常領域、
103…背景、
104…正中に設定した中心線、
105…拡散強調画像（ＤＷＩ）の高信号領域、
106…脳灌流画像（ＰＷＩ）異常領域と拡散強調画像（ＤＷＩ）高信号領域のミスマッチ領域。

Claims

被検体の目的部位からのＮＭＲ信号を基にして画像を撮像するＭＲＩ装置を用いてほぼ左右対称な形状を有する前記目的部位の画像を解析する磁気共鳴画像解析方法において、
前記ＭＲＩ装置を用いて撮像した脳灌流画像(ＰＷＩ画像)および拡散強調画像（ＤＷＩ画像）を準備する第１ステップと、
前記ＰＷＩ画像を２つの画像に分割し、分割した一方を左右反転し、該左右反転した画像と、前記分割した他方の画像との差分を取って得られた画像を第１の差分画像とする第２ステップと、
前記ＤＷＩ画像を２つの画像に分割し、分割した一方を左右反転し、該左右反転した画像と、前記分割した他方の画像との差分を取って得られた画像を第２の差分画像とする第３ステップと、
前記第１の差分画像と第２の差分画像からさらに差分を求めることにより前記被検体の目的部位の画像の異常領域を抽出する第４ステップとを有することを特徴とする磁気共鳴画像解析方法。
前記ＭＲＩ装置は、データを入力する入力装置と該ＭＲＩ装置で取得した画像を表示する表示装置とを有し、
前記第２および第３ステップにおいて、
前記ＰＷＩ画像および前記ＤＷＩ画像のそれぞれに対して、オペレータにより中心線を前記入力装置から入力して該中心線を正中線とする設定を行い、
前記中心線に基づいて前記ＰＷＩ画像および前記ＤＷＩ画像のそれぞれを表示画像の中央に配置し、配置された画像の横方向を左右方向と決定することを特徴とする請求項１に記載の磁気共鳴画像解析方法。
前記第２および第３ステップにおいて、
前記ＰＷＩ画像および前記ＤＷＩ画像のそれぞれを左右分割し、
前記それぞれの画像において、分割した画像の一方を左右反転し、
反転した画像と分割した他方の画像の位置を合わせた場合に、左右ほぼ対称な形状に起因して生じる形状差に対して補正を施し、
該補正した画像を用いて反転した画像と分割した他方の画像との差分画像を求めることを特徴とする請求項１に記載の磁気共鳴画像解析方法。
前記ＰＷＩ画像および前記ＤＷＩ画像のそれぞれは、AxialまたはCoronal画像のいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の磁気共鳴画像解析方法。
前記第２および第３ステップにおいて、
前記ＰＷＩ画像および前記ＤＷＩ画像のそれぞれを、左右対称な形状を持つ標準化した人体画像へ変換し、該人体画像の左右対称性を用いて左右対称のずれの補正を行うことを特徴とする請求項１に記載の磁気共鳴画像解析方法。
前記ＰＷＩ画像の解析で得られたTime-To-Peak画像またはCmax（組織造影剤濃度曲線の最大値）画像を用いて、前記目的部位の画像の左右差を算出することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一つに記載の磁気共鳴画像解析方法。
被検体の目的部位がほぼ左右対称な形状を有し、該目的部位からのＮＭＲ信号を基にして画像を撮像する磁気共鳴画像装置において、
前記磁気共鳴画像装置を用いて撮像した脳灌流画像(ＰＷＩ画像)および拡散強調画像（ＤＷＩ画像）を表示する表示手段と、
前記ＰＷＩ画像および前記ＤＷＩ画像のそれぞれに対して、前記表示手段を参照しながらオペレータにより入力されたデータに基づいて前記画像のそれぞれを２つの画像に分割し、分割した一方を左右反転する分割反転手段と、
該左右反転した画像と、前記分割した他方の画像との差分を取って、それぞれを第１の差分画像および第２の差分画像を作成する差分画像作成手段と、
前記第１の差分画像と第２の差分画像から差分を求めることにより前記被検体の目的部位の画像の異常領域を抽出する抽出手段と、
を有することを特徴とする磁気共鳴画像解析装置。
前記ＰＷＩ画像および前記ＤＷＩ画像のそれぞれは、AxialまたはCoronal画像のいずれかであることを特徴とする請求項７に記載の磁気共鳴画像解析装置。