JP5676840B2 - 改良された弾性画像レジストレーション機能 - Google Patents

Description

本発明は、診断イメージング分野に関する。ＣＴイメージングシステムに関連して特定の応用を見つけ、これに関連して記載される。しかしながら、本発明は、広範囲の診断イメージングモダリティに適用可能であると理解されるべきである。

医学イメージングの分野において、同じ対象の異なる画像に基づいて検査されるべき対象の変化を認識することがしばしば必要である。異なる事例（instances）において取得された画像は、撮像された対象に表れるいずれの変化が自然な運動及び変形によるものであり、いずれの変化が、例えば腫瘍の成長のような病理学的な変化によるものであることができるかを、医師が認識することを可能にすべきであることが、しばしば望ましい。手術又は治療の前後に形成された対象の画像は、通常、前記治療の結果を評価するために比較される。

典型的には、同じ又は異なるモダリティにより異なる事例において形成される画像は、器官の位置及び形状を一致させるためにスケーリングする手段及び回転する手段等によりレジストレーションされ（registered）なければならない。剛体変換は、距離を保存する幾何学的変換として定義される。剛体変換は、線の直線性及び直線間の全ての非ゼロ角度をも保存する。剛体変換は、典型的には、平行移動及び回転からなる。関節を曲げること及び呼吸運動が可塑性又は非剛体運動を構成する場合、検査されるべき解剖学的対象は、回転及び平行移動のような剛体変換により元の位置にシフトされることができない。この場合、弾性レジストレーションが、典型的には、使用される。

弾性レジストレーションにおいて、画像は弾性体としてモデル化され、２つの画像内の点又はフィーチャ間の相似性は外力として働き、前記弾性体を伸縮させる。画像の弾性レジストレーションは、異なる時間において、異なるモダリティを用いて、又は異なる患者に対して取得された画像が互いに位置調整される（aligned）必要がある、様々な臨床的応用に対して使用される。弾性変換を要する画像の例は、腫瘍診断、手術及び治療を含み、画像は、典型的には、腫瘍の異なる側面を示すために異なるモダリティにおいて取られ、診療前の画像及び診療後の画像の効果を比較するために異なる時間において取られ、又はコホート研究（cohorts studies）から得られた解剖学的地図（anatomical atlases）と照合される。

典型的には、前記画像は、第一に、レジストレーションをガイドするために関心領域を指定するためにセグメント化される。前記画像がセグメント化され、２つの画像に対する共通点が確立された後に、前記画像は、ステップ１として剛体変換を、ステップ２として弾性変換を使用することによりレジストレーションされる。弾性変換の複雑さのため、時々、画像構造は、適切に位置調整されない。この場合、ユーザが、前記弾性変換レジストレーションに続いて、３次元画像におけるセグメント化された表面に変形を導入することにより、手動で前記レジストレーションを修正することが望ましい。一般に、３次元データセットは、手動変形に続いて変換されるべき大容積のデータを含むので、３次元画像レジストレーションの手動の修正は難しい。

本願は、上記の問題等を克服する新しい改良された方法及び装置を意図する。

本発明の一態様によると、診断イメージング用装置が開示される。第１のメモリは、第１の診断画像を供給する。第２のメモリは、第２の診断画像を供給する。レジストレーションルーチンは、前記第１及び第２の画像メモリから前記第１及び第２の診断画像を自動的にレジストレーションする。ディスプレイは、前記第１及び第２のレジストレーションされた診断画像の２次元スライスの少なくとも対応する対を同時に表示する。１つの手段は、前記第１及び第２のレジストレーションされた診断画像の１つに対応する現在表示されている２次元スライスの少なくとも１つを手動で変形する。

本発明の他の態様によると、診断イメージング方法が開示される。選択された領域の第１の診断画像が供給される。前記選択された領域の第２の診断画像が供給される。前記第１及び第２の診断画像が自動的にレジストレーションされる。前記第１及び第２のレジストレーションされた診断画像の２次元スライスの対応する対が同時に表示される。前記第１及び第２のレジストレーションされた診断画像の１つに対応する現在表示されている２次元スライスの少なくとも１つが手動で変形される。

本発明の１つの利点は、計算効率にある。

他の利点は、ミスレジストレーションされた（misregistered）画像の修正の効率にある。

他の利点は、修正された画像のリアルタイム表示にある。

本発明の他の利点及び利益は、好適な実施例の以下の詳細な記載を読み、理解すると、当業者に明らかになる。

本発明は、様々なコンポーネント及びコンポーネントの構成、並びに様々なステップ及びステップの構成の形を取ることができる。図面は、好適な実施例を説明する目的のみであり、本発明を限定するように解釈されるべきでない。

図１を参照すると、対象が、フォローアップ検査のためにＣＴスキャナのような診断イメージャ（imager）１０内に配置される。生成されたデータは、再構成プロセッサ１２により再構成され、３次元容積画像メモリ１４に記憶される（画像Ａ）。当技術分野において既知である様々な画像向上操作が好ましくは実行される。

病院アーカイブ又は他の記憶媒体１６からの同じ対象の同じ領域の画像データが取り出され、アーカイブされた３次元容積画像メモリ１８に記憶される（画像Ｂ）。もちろん、現在の３次元画像メモリ１４及びアーカイブ３次元画像メモリ１８の両方が、共通の記憶媒体の部分であってもよい。

図１を参照し続けると、セグメント化手段又はプロセス３０は、好ましくは自動的に、前記対象の関心領域の１つ以上の選択された解剖学的構造の境界の輪郭を描く。このように、同じ選択された構造の表面が、画像Ａ及びＢの両方で規定される。一実施例において、前記診断画像においてセグメント化されるべき関心領域又は器官の予め決定された３次元モデルが選択される。前記モデルは、膀胱（bladder）又は大腿骨（femur）のような解剖学的器官を表すが、放射線療法に対する標的体積のような構造を表すこともできる。前記モデルは、自動セグメント化プロセス３０に対する初期開始点として器官形状の情報を提供することにより自動画像セグメンテーションを助けるために使用される。

位置調整手段又はプロセス３８は、１つ以上のモニタ又はディスプレイ４０に同時に表示するために画像Ａ及びＢをレジストレーションする。より具体的には、アフィン変換手段４２が、位置調整プロセス３８の第１のステップを実行し、現在の３次元画像Ａの点ランドマークとアーカイブされた３次元画像Ｂの点ランドマークとの間のずれ（misalignment）を決定することにより画像Ａ及びＢを近似的に位置調整する。特に、アフィン変換手段４２は、関心領域の周りの肉体の特徴的部分、例えば頭蓋骨又は脊椎における一意的な場所のような画像Ａ及びＢのセグメント化された領域において最も区別される解剖学的フィーチャを検索し、ずれたランドマーク間のアフィン変換を決定する。代替的には、アフィン変換手段４２は、前記関心領域に密接に隣接した対象に加えられた基準又は画像化可能なマーカを検索する。このような共通点が決定される場合、アフィン変換手段４２は、画像Ａ及びＢを位置調整するために当技術分野において既知である適切なアルゴリズムを使用する。一実施例において、アフィン変換手段４２は、レジストレーションエラーを規定する、３つの直交軸の周りの９つの回転成分と、前記３つの軸に沿った３つの平行移動成分とを決定する。随意に、スケーリングパラメータも決定されることができる。

弾性変換手段４４は、点ベースの弾性レジストレーションの使用による位置調整プロセス３８の第２のステップを実行する。より具体的には、弾性変換手段４４は、非剛体運動等により生じたランドマーク間のずれを決定し、ずれたランドマークに閉じた形式の（closed-form）弾性変換を適用する。より具体的には、閉じた形式のガウシアン弾性変換が、前記ランドマークの位置を中心にしたガウシアン形状の力を使用し、所定のランドマーク対応（変位）が保存されるような形で画像Ａ及びＢを弾性的に変形する。

弾性変換手段４４は、好ましくは、弾性変換演算子を使用し、即ち、

であり、ここで、
ｐ_iはソース画像におけるｉ番目の位置であり、
Ｇ(ｘ−ｐ_i)は基底関数を示し、
Ｎは前記画像内のランドマークの総数であり、
ｃ_iは、補間拘束条件及び対応するランドマークの変位に起因する線形連立方程式を解くことにより計算される係数である。

アフィン変換手段４２及び弾性変換手段４４により位置調整される画像Ａ及びＢは、位置調整画像メモリ４６に記憶される。

ビデオプロセッサ５０は、ワークステーション５２のモニタ４０に表示するために位置調整された画像Ａ及びＢをフォーマットし、位置調整された画像Ａ及びＢの２次元スライスの対応する第１及び第２のセットが同時に表示されるようにする。ユーザは、ＣＰＵプロセッサ又はハードウェア手段５４及び必要な画像処理機能及び操作を実行するソフトウェア手段５６を含むワークステーション５２を使用して、表示されるスライスを操作する。ワークステーション５２は、好ましくは、１つ以上の入力デバイス５８を含み、入力デバイス５８を使用することにより、前記ユーザは、ワークステーション５２及び／又はスキャナ１０を選択的に制御することができる。

図１を参照し続けると、前記ユーザは、手動局所ツール７２のセットを含む画像再フォーマット手段７０によって位置調整修正を開始する。画像再フォーマット手段７０は、前記ユーザが、より正確に又はユーザの嗜好に応じて２次元画像Ｂと一致するように２次元画像Ａの局所領域を（又はその逆に）操作することを可能にする。好ましくは、ビデオプロセッサ５０は、２次元直交スライスの第１及び第２のセットを取り出し、表示するオーソビューワ（orthoviewer）を含む。より具体的には、画像Ａ内の選択された交点を通る３つの２次元直交視野（views）が、画像Ｂ内の対応する交点を通る同じ３つの直交視野と共に表示される。いずれかの画像内の交点が、両方の視野において同時に表示される２次元スライスにインデックスを付けるのに使用される。前記ユーザは、モニタ４０に同時に表示される前記スライスの第１及び第２のセットにおいてのみ位置調整を修正する。最大で３つの２次元スライスのみが修正ごとに更新されるので、現在利用可能なハードウェアプラットフォームは、実質的にリアルタイムドメイン内で画像再フォーマットを実行する。局所ツール７２は、３つの主要な機能、即ち、修正されるべき局所領域（頂点）の選択と、前記頂点が変形される方法と、前記変形を規定するパラメータへのマウス運動（mouse motion）の変換とを有する。

図１を参照し続け、更に図２ないし３を参照すると、前記局所ツールの一例は、マウス運動ｄのガウシアン重み付け距離だけ選択された表面を引っ張ることにより２次元画像Ａ表面を変形するガウシアンプルツール（Gaussian pull tool）７４である。したがって、マウス５８の初期位置７６にある点は、マウス運動ｄと同じ距離ｄの位置７８に移動する。マウス５８から遠く離れて位置する表面点は、前記マウス運動のガウシアン関数スケーリングに基づいてより短い距離を移動する。典型的には、ツール７４は、ガウシアン状の広がりの幅を規定する単一のガウシアン半径により制御される。代替的には、ガウシアンツール７４は、異なるｘ及びｙガウシアン半径により制御され、これは、ｘ半径が前記マウスの運動の平面で使用され、ｙ半径が描画面に直交して使用されることを可能にする。他の実施例において、ガウシアンツール７４は、前記選択された頂点の変形を達成するためにパラメータの適切なセットを用いて１から０まで滑らかに遷移する関数、例えば三角、放物線等により制御される。

一実施例において、ガウシアンプルツール７４は、ガウシアン形状の歪（又は１から０まで滑らかに遷移する他の関数形状）を引っ張るが、しかしながら、前記歪が２次元画像面からの前記マウス位置の距離から引っ張られる距離を得る。この２次元表面は、前記器官をつかんで伸ばすために前記マウス上で上下にクリックしなければならないのではなく、むしろ前記マウス位置まで直接的に引っ張られ、滑らかな描画を可能にする。ガウシアンが前記表示されるスライス内の画像に適用されるが、前記交点の近くに適用される場合には、他の２つの直交スライスに作用することができる。更に、このガウシアン変形は、近隣の平行なスライスにも影響を与える。しかしながら、前記近隣のスライスは、この時点では修正されない。むしろ、他の面内の変形パラメータは保存され、各近隣の面内の表面に対する修正は、このような近隣の面がディスプレイに呼び出される場合に行われる。

図１を参照し続け、更に図４ないし５を参照すると、前記局所ツールの他の例は、セグメント表面部分を、表示される面内の球又は円の表面までのマウス場所８２の周りの指定された半径Ｒに適合するプッシュ球（push sphere）のようなプッシュツールである。マウス５８が場所８２を移動することによりプッシュツール８０を移動すると、２次元画像Ａは、マウス場所８２に対する前記表面の場所に依存して内側又は外側のいずれかに押される。図示された球ツール８０は、単一の球半径パラメータにより制御される。このように、前記表面は、前記選択された半径の球状ツールを軟らかい粘土の表面に対して押すのに類似するように変形される。もちろん、楕円形のような所定の形状の他の表面も考えられる。

再フォーマットされたスライスは、データメモリ９０に記憶される。好ましくは、前記再フォーマットされたスライスは、要求される場合、再検査を速めるためにキャッシュを意識した態様で記憶される。

前記ユーザは、キーボード又は他の入力デバイス５８により、ビデオプロセッサ５０にデータメモリ９０から対応する２次元スライスを引き出させ、モニタ４０に表示させるステッピング（stepping）手段９２を制御する。前記ユーザが、前記スライスをスクロールすることにより視野を変更する場合、対応する手動で変形された領域が、好ましくは、オンザフライ（on the fly）で計算及び更新される。一実施例において、更新手段９４は、ユーザインタラクションを待つことなく、現在表示されている修正されたスライスに隣接したスライスを予め計算する。前記ユーザが、電子アーカイブに記憶される永久の記録の一部になる前記再フォーマットされたスライスを選ぶ場合、３次元画像は自動的に更新される。好ましくは、前記２次元スライスの手動変形による前記３次元画像の更新は、セッションの終わり又はデッドタイムに行われる。例えば、前記ユーザは、モニタ４０上で"保存"オプション（図示されない）を起動し、このアクションは前記３次元画像の保存及び更新を開始する。

一実施例において、画像Ａ及びＢの対応するスライスが重ねられる。前記ユーザは、画像Ａ及びＢを互いに位置調整するために一方又は両方の画像Ａ，Ｂ内の表面を変形するのに手動ツール７２を使用する。

特にＣＴスキャナイメージングに関連して記載されているが、この手法は、磁気共鳴画像、ＰＥＴ画像、ＳＰＥＣＴ画像及び他の３次元診断画像にも適用可能であると理解されるべきである。更に、レジストレーションされる画像は、混合したモダリティからであってもよい。例えば、ＣＴ画像が、この手法を使用してＰＥＴ画像とレジストレーションされることができる。モダリティを混合する場合、フィーチャが両方のイメージングモダリティにおいて規定されるか、又は適切な調整が行われることを保証するように注意すべきである。この手法は、結腸、肝臓又は他の非剛体器官のような様々な器官の調査に適用可能であると理解されるべきである。更に、この手法は、頭部のような肉体の剛体部分にも適用可能である。

本発明は、好適な実施例に関連して記載されている。先行する詳細な記載を読み、理解すると、修正及び変更が他に思いつくだろう。本発明は、添付の請求項及び同等物の範囲に入る限り全てのこのような修正及び変更を含むと解釈されることが意図される。

診断イメージングシステムの概略図である。 ガウシアンプルツールのグラフィック表現である。 ガウシアンプルツールのグラフィック表現である。 球プッシュツールのグラフィック表現である。 球プッシュツールのグラフィック表現である。

Claims (22)

1. 第１の３次元診断画像を供給する第１のメモリと、
   第２の３次元診断画像を供給する第２のメモリと、
   前記第１及び第２のメモリからの前記第１及び第２の３次元診断画像を自動的にレジストレーションするレジストレーションルーチンと、
   前記第１及び第２のレジストレーションされた３次元診断画像の２次元スライスの少なくとも対応する対を同時に表示するディスプレイと、
   前記第１及び第２のレジストレーションされた３次元診断画像の１つに対応する現在表示されている２次元スライスの少なくとも１つを手動で変形する手段と、
   前記変形を規定する変形パラメータを保存する手段と、
   を有し、前記第１及び第２のレジストレーションされた３次元診断画像の他の２次元スライスが、前記ディスプレイに表示される場合に前記変形パラメータに基づいて修正される、診断イメージング装置。
2. 前記診断画像内の適切な標的器官をセグメント化するセグメンテーション手段、
   を更に含む、請求項１に記載の装置。
3. 前記第１及び第２のメモリから前記第１及び第２のレジストレーションされた３次元診断画像を通るスライス対を対応するように同時に引き出す手段と、
   近隣のスライス上で実行された手動変形に応じて前記引き出されたスライスを同時に更新する手段と、
   を更に含む、請求項１に記載の装置。
4. 前記レジストレーションする手段が、
   前記第１及び第２の３次元診断画像のずれを表すアフィン変換を決定し、前記第１及び第２の３次元診断画像の位置調整を近似するために前記決定されたアフィン変換によって前記第１及び第２の３次元診断画像の一方を操作する手段、
   を含む、請求項１に記載の装置。
5. 前記レジストレーションする手段が、
   近似的に位置調整された前記第１及び第２の３次元診断画像のずれを表す弾性変換を決定し、前記第１及び第２の３次元診断画像をレジストレーションするために前記決定された弾性変換により前記第１及び第２の３次元診断画像の一方を操作する手段、
   を更に含む、請求項４に記載の装置。
6. 前記手動で変形する手段が、
   前記スライス画像をより近い一致に至らせるように前記スライス画像の一方又は両方を変形するためにユーザにより採用される手動ツール、
   を含む、請求項１に記載の装置。
7. 前記手動ツールが、
   選択された表面を所定の滑らかな曲線に沿って引っ張ることにより前記スライス内の表面を変形するプルツール、
   を含む、請求項６に記載の装置。
8. 前記所定の滑らかな曲線が、ガウシアン、球又は楕円の１つである、請求項７に記載の装置。
9. 前記変形がマウスにより制御される、請求項７に記載の装置。
10. 前記手動ツールが、
    選択された表面に対して所定の滑らかな表面を押すことにより前記スライス内の前記選択された表面を変形するプッシュツール、
    を含む、請求項６に記載の装置。
11. マウスが前記変形を調整するのに使用される、請求項６に記載の装置。
12. 前記第１のメモリ手段と接続され、対象の関心領域の第１の３次元診断画像表現を生成する診断イメージング装置と、
    アーカイブ手段であって、より早い時間に取られた前記対象の前記関心領域の第２の３次元画像表現が、当該アーカイブ手段から引き出され、前記第２のメモリ手段にロードされる、当該アーカイブ手段と、
    を更に含む、請求項１に記載の装置。
13. 選択された領域の第１の３次元診断画像を供給するステップと、
    前記選択された領域の第２の３次元診断画像を供給するステップと、
    前記第１及び第２の３次元診断画像を自動的にレジストレーションするステップと、
    前記第１及び第２のレジストレーションされた３次元診断画像の２次元スライスの対応する対を同時に表示するステップと、
    前記第１及び第２のレジストレーションされた３次元診断画像の１つに対応する現在表示されている２次元スライスの少なくとも１つを手動で変形するステップと、
    前記変形を規定する変形パラメータを保存するステップと、
    前記第１及び第２のレジストレーションされた３次元診断画像の他の２次元スライスが表示される場合に前記変形パラメータに基づいて前記他の２次元スライスを修正するステップと、
    を有する診断イメージング方法。
14. 前記３次元診断画像内の適切な標的器官をセグメント化するステップ、
    を更に含む、請求項１３に記載の方法。
15. 前記第１及び第２のメモリから前記第１及び第２のレジストレーションされた３次元診断画像を通るスライス対を対応するように同時に引き出すステップと、
    近隣のスライスに実行された手動変形に応じて前記引き出されたスライスを同時に更新するステップと、
    を更に含む、請求項１３に記載の方法。
16. 前記第１及び第２のメモリから前記第１及び第２のレジストレーションされた３次元診断画像を通るスライス対を対応するように同時に引き出すステップと、
    前記引き出されたスライスを手動変形に応じて更新するステップと、
    を更に含む、請求項１３に記載の方法。
17. 前記レジストレーションするステップが、
    前記第１及び第２の３次元診断画像のずれを表すアフィン変換を決定するステップと、
    前記第１及び第２の３次元診断画像の位置調整を近似するために前記決定されたアフィン変換によって前記第１及び第２の３次元診断画像の一方を操作するステップと、
    を含む、請求項１３に記載の方法。
18. 前記レジストレーションするステップが、
    近似的に位置調整された前記第１及び第２の３次元診断画像のずれを表す弾性変換を決定するステップと、
    前記第１及び第２の３次元診断画像をレジストレーションするために前記決定された弾性変換により前記第１及び第２の３次元診断画像の一方を操作するステップと、
    を更に含む、請求項１７に記載の方法。
19. 前記手動で変形するステップが、
    手動ツールの使用により前記表示されているスライスをより近い一致に至らせるように前記表示されているスライスの一方又は両方をユーザにより変形するステップ、
    を含む、請求項１３に記載の方法。
20. 前記手動で変形するステップが、
    選択された表面を所定の滑らかな曲線に沿って引っ張ることにより前記表示されている２次元スライスの１つの前記表面を変形するステップ、
    を更に含む、請求項１９に記載の方法。
21. 前記手動で変形するステップが、
    選択された表面に対して所定の滑らかな表面を押すことにより前記表示されている２次元スライスの１つの前記表面を変形するステップ、
    を更に含む、請求項１９に記載の方法。
22. 請求項１３に記載の方法を実行する診断イメージング装置。

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