JP5840125B2 - 知識に基づいた頭部の減衰関連領域のセグメンテーション - Google Patents
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Description
http://de.wikipedia.org/wiki/Positronen-Emissions-Tomographie#Korrektur_der Messdaten (棒状発生源による測定減衰補正)
(目的は、骨組織からの分化を改善することが可能な新たなシーケンスの開発である。)
本発明の一実施形態では、頭部の検査の場合には、頭部の外側にある組織クラスBGのエリアは、データセットの全ての層で、例えば2D領域成長によって最初にキャプチャされる。したがって、例えば領域成長でキャプチャされない残りのBGボクセルは、頭部内に位置し、それらはバックグラウンドになり得ないため、CFSに再ラベル付けされる。次いで、頭部のエリアは、例えば、3D領域成長でキャプチャされる。頭部に属していない全てのボクセルは、組織クラスBGに割り当てられる。患者の測定中に、例えばノイズ又はモーションアーチファクトによって発生し得るバックグラウンドのエリアにおける虚偽の分類は、このように除去される。
一つの好ましい実施形態では、脳領域から脳外領域を分離するために、視神経による両領域間の顕著な接続があるので、頭部の2つの眼球領域を最初に検出し、セグメントしている。これらの領域は、頭部の中心層エリアにおいて横方向/前方に位置し、眼窩脂肪体に起因する脂肪組織に囲まれている。したがって、適切なサイズ及び形を有する、好ましくは正方形の組織クラスATの横断テンプレートによって、検出が行われる。テンプレートは、(特定の形状及びクラス特性の場合は)画像の領域上を移動する参照オブジェクトである。テンプレートの各位置において、テンプレートによってスキャンされる画像の全てのボクセルは、テンプレートの各ボクセル(この場合はクラス特性)と比較される。(基本的な原理は公知であり、以下のウェブサイトで明らかにされている。
http://en.wikipedia.org/wiki/Template_matching(2009年6月18日現在)。
しかし、私たちのケースでは、テンプレートは複雑な画像コンテントを有する画像セクションではなく、ここでは特定のクラス特性を有する画像セクションである。ここでの「適切な大きさ」とは、予想される大体のサイズ及び解剖学的領域の(非常に)大まかな形状を指す。
それに続いて、脳領域は、本方法の一実施形態においてエロージョンによって脳外領域から分離される。ダイレーションと同じように、エロージョンは、形態学的画像処理の基本的な操作である。エロージョンは、構造要素(例えば、サイズ3×3×3の要素)によって実現される。各構造要素に対して、特定のボクセル位置に要素を配置可能とする基準点が定義されている。実際の操作は、画像全体にわたる構造要素のボクセルごとの変位で構成されている。構造化された要素が完全に当該セットに合致するかどうかのチェックが実施される。
(http://de.wikipedia.org/wiki/Erosion_(Bildverarbeitung) 2009年6月18日現在を参照のこと)。
脳外領域を分離する目的で、脳領域は、エロージョンによって小さくされるので、これは、本発明の一実施形態においてダイレーション操作により逆にされる。脳の白質(WM)は、灰白質の薄い皮質(GM)に囲まれているが、このGMエリアは、いくつかの場所で完全にエロージョンされ得るため、クラスWMの領域がエリアCSFに最初にダイレーションされる。さらに、エロージョン前にATクラスに属していたボクセルは、このダイレーションにおいてクラスWMに再び割り当てられる。その後、皮質は、クラスGMのエリアがエリアCSFにダイレーションされることによって再構築される。最後に、領域EYEの全てのボクセルもまた、CSFに割り当てられる。脳は再構築され、脳外エリアは完全にクラスCSFに割り当てられる。
本発明の一実施形態では、脳外領域でのエリアCSFは、減少している。この目的のため、クラスSBは、頭部の外側のバックグラウンド(BG)に隣接するCSFボクセルから始めて、脳の方向に頭部の境界領域から各横断層においてダイレーションされる。これを達成するために、CSFボクセルは、同じレイヤーにおいて、クラスBG、CSF又はSBの隣接ボクセルにより排他的に囲まれて、クラスSBに変換される。次いで、当該隣接部分は3Dで検査される。GM又はWMの近傍にあるSBボクセルは、CSFボクセルに変換される。なぜなら、脳脊髄液は、脳の周りにある必要があるからである。脳外エリアはSBに割り当てられ、脳エリアはクラスGM、WM及びCSFに割り当てられる。
問題は、耳道のエリアで発生する可能性がある。なぜなら、BGとして分類される耳道のこのエリアは、実際に頭外にあるバックグラウンドのエリアにさらに関連付けられ得るからである。一方、耳道は、乳突蜂巣領域の近傍にあり、またBGとして分類されるこれらの広範囲のエリアに関連付けられ得る。これは、(BGに属しているので)頭部の外にあるとして誤ってみなされる頭部内の広い領域を作り出す結果となる。一実施形態では、実際のバックグラウンド近傍において、耳道はかなり小さいサイズなので、この領域は、クラスSBがエリアBGにダイレーションされることにより、まずクローズされる。したがって、頭部の境界領域もまた、当然にバックグラウンドにダイレーションされる。その後、頭部外側のクラスBGのエリアで成長する3D領域により、バックグラウンドをキャプチャすることができる。領域成長ではキャプチャされないBGボクセル及びダイレーションされたSBボクセルの領域は、TEMPとして再ラベル化される。頭部エリアの拡大は、エリアBGがエリアTEMPにダイレーションされることにより逆転する。次いで、残りのTEMPボクセルはSBに再ラベル化し、脳外エリアは完全に分割される。上記手順の順序が厳守されている場合、特に良好な結果が得られることがわかった。上記の順序が部分的にしかに守られていない場合、得られた結果は最適ではないが、従来技術と比較して改善されたものとなる。
側頭骨領域[lat. os temporale]:
乳突蜂巣領域[lat. processus mastoideus](クラス:MASTOID);
前頭洞[lat. sinus frontalis](クラス:SINUS1)、鼻腔の領域[lat. cavum nasi]、篩骨蜂巣[lat. cellulae ethmoidales]及び蝶形骨洞[lat. sinus sphenoidalis](クラス:SINUS2)、上顎洞[lat. sinus maxillaris](クラス:SINUS3)及び咽頭[lat. pharynx](クラス:SINUS4);
頭蓋骨[lat. neurocranium]及び顔面頭蓋骨[lat. viscerocranium](クラス:BONE)
頭部の脳外領域の軟部組織、例えば、筋肉、脂肪組織、皮膚等(クラス:SOFT)
ただし、CSFボクセルが脳外領域(データセット2)に位置するのであれば、脳外領域(データセット2)に位置するクラスBG(データセット1)の領域は、クラスCSF(データセット1)の領域にダイレーションされる。なぜなら、BG領域は、どのような場合でも空洞又は骨に属し、BG領域の周りのCFS領域もまた、部分体積効果のために空洞又は骨に属しているからである。これに対して、BG領域の近傍にないCSFボクセルは、むしろ空洞又は骨に属していないので、クラスSOFTに(最初は)割り当てられる。次いで、領域BGは、相互に関連付けられた領域を分離するために、再びエロージョンされる。このために、エロージョンによって生成された境界領域は、最初、一時的なクラスTEMPに割り当てられている。
2つの乳突蜂巣領域を検出し、第1領域としてセグメントする。これらの領域は、耳道の横方向/後方に頭部内で位置している。したがって、解剖学的領域に適切なサイズ及び形状(この場合は正方形の形状)を有するクラスBGの横断テンプレートを用いて、検出は行われる。このテンプレートは、左側及び右側において(解剖学用語ではlateral)背面からスタートして、BGテンプレートのボクセルの最大数がBG領域のボクセルと重なるクラスBGの領域が、それぞれ両側において互いに独立して見出されるまで、マトリックスの下方/後側(解剖学用語では尾方/後方(caudal/posterior))の領域において変位する。右側及び左側でテンプレートと重なるクラスBG(データセット1)の全てのボクセルには、クラスラベルMASTOIDが与えられる。次いで、エリアMASTOIDは、エリアBGにダイレーションされ、乳突蜂巣領域の全体をキャプチャする。
次の領域として、前頭洞領域を検出し、セグメントする。この領域は、頭部の中央/頭方/前方にある。したがって、解剖学的領域に適切なサイズ及び形状(この場合、横方向において狭く長い長方形)を有するクラスBGの横断テンプレートを用いて、検出は行われる。このテンプレートは、MASTOIDテンプレートのテンプレート位置の間(すなわち、中央エリアにおいて)前方からスタートし、BGテンプレートのボクセルの最大数がBG領域のボクセルと重なるクラスBGの領域が見出されるまで、マトリックスの上方/前方エリア(解剖学用語では頭方/前方(cranial/anterior))において変位する。テンプレートと重なるクラスBG(データセット1)の全てのボクセルには、クラスラベルSINUS1が与えられる。エリアSINUS1は、前頭洞領域の全体をキャプチャするために、エリアBGにダイレーションされる。
次の領域として、鼻腔、篩骨蜂巣および蝶形骨洞の領域を検出し、セグメントする。この領域には、単一のクラスラベルSINUS2を与えている。なぜなら、遷移が非常に大きいために、分離がほとんど不可能だからである。この領域は、前頭洞領域の中央/前方で尾方(下方)に位置する。したがって、解剖学的領域に適切なサイズ及び形状(この場合、前後方向において狭く長い長方形)を有するクラスBGの横断テンプレートを用いて、検出は行われる。マトリックスの中央/前方領域のSINUS1テンプレートのテンプレート位置から開始し、このテンプレートは、前方/上方(前方/頭方)から開始し、BGテンプレートのボクセルの最大数がBG領域のボクセルと重なるクラスBGの領域が見出されるまで変位する。テンプレートと重なるクラスBG(データセット1)及びSINUS1の全てのボクセルには、クラスラベルSINUS2が与えられる。エリアSINUS2は、鼻腔、篩骨蜂巣および蝶形骨洞の領域全体をキャプチャするために、エリアBG及びSINUS1にダイレーション(最初に横断2D、次に3D)される。
2つの上顎洞を検出し、次の領域としてセグメントする。その領域は、頭部内の中央/前方で、鼻腔、篩骨蜂巣及び蝶形骨洞の領域の尾方(下方)に位置している。したがって、解剖学的領域に適切なサイズ及び形状(この場合、前後方向にやや長く、ほぼ正方形)を有するクラスBGの横断テンプレートを用いて、検出は行われる。マトリックスの中央/前方エリアのSINUS2テンプレートのテンプレート位置から開始し、このテンプレートは、左側及び右側において前方/上方(前方/頭方)から開始し、BGテンプレートのボクセルの最大数がBG領域のボクセルと重なるクラスBGの領域が、それぞれ両側において互いに独立して見出されるまで変位する。テンプレートと重なるクラスBG(データセット1)及びSINUS2の全てのボクセルには、左側及び右側においてクラスラベルSINUS3が与えられる。エリアSINUS3は、上顎洞領域の全体をキャプチャするために、エリアBG及びSINUS2にダイレーション(最初に横断2D、次に3D)される。
次の領域として、咽頭領域を検出し、セグメントする。この領域は、頭部内の中央/前方で、鼻腔、篩骨蜂巣および蝶形骨洞の尾方(下方)であって、上顎洞領域の背後に位置している。したがって、解剖学的領域に適切なサイズ及び形状(この場合、正方形)を有するクラスBGの横断テンプレートを用いて、検出は行われる。マトリックスの下方/前方にあるSINUS3テンプレートの中心位置の背後(後方)にあるSINUS2テンプレートのテンプレートの位置から開始し、このテンプレートは、前方/上方(前方/頭方)から開始し、BGテンプレートのボクセルの最大数がBG領域のボクセルと重なるクラスBGの領域が見出されるまで変位する。テンプレートと重なるクラスBG(データセット1)の全てのボクセルには、クラスラベルSINUS4が与えられる。エリアSINUS4は、咽頭領域の全体をキャプチャするために、エリアBG及びSINUS3にダイレーションされる。
ダイレーションを用いたので、顔面頭蓋内にある空洞の領域全体が完全にキャプチャされているかは、まだ保証されていない。したがって、領域間の可能性のあるギャップは、閉鎖されている。これらは、まだラベルが与えられていない領域SINUS1-SINUS4の間のクラスBG(データセット1)の領域である。これは、中央領域、最初にSINUS2、次いでSINUS3のエリアBGへのダイレーションにより生じる。エリアSINUS4は、ダイレーションによって、エリアBG(データセット1)へと下方(尾方)に拡張される。次いで、領域SINUS4は、横断方向の中でTEMPにダイレーションされる。咽頭は、顔面頭蓋骨で囲まれていないからである(下記参照)。
全ての空洞領域が完全にラベル化されているので、依然として残っている脳外BGボクセルは、骨再構築の準備のためにTEMPラベルを最初に付けている。頭部を囲むバックグラウンドBG(データセット2)の境界領域に位置する脳外領域のTEMPのボクセルは、SOFTに再ラベル化される。なぜなら、骨は、頭部内に位置し、軟部組織(SOFT)で囲まれているからである。
乳突蜂巣領域及び前頭洞領域から始めて、骨の再構築が行われる。MASTOID及びSINUS1のボクセルの近傍にあるTEMPのボクセルは、BONEに再ラベル化される。それらは、領域TEMPに成長するその後の領域のためのシードボクセルとして機能する。頭蓋骨と顔面頭蓋骨とが接続されているという事実は、この場合に活用される。成長する領域によってキャプチャされない全てのTEMPボクセルには、明らかに骨領域に属していないので、SOFTのラベルが付される。領域SINUS2-SINUS4を囲むクラスBONE領域は、さらなる骨の再構築から除外されると考えられる。なぜなら、ここでは骨があまり太くないので、拡張されるとは考えられないからである。この目的のために、領域SINUS2は尾方にダイレーショされ、SINUS3-SINUS4はエリアBONEにダイレーションされ、そのダイレーションされたエリアは、TEMPに再ラベル化される。
脳組織(大脳、小脳、脳幹)を囲むエリアCSF(データセット1)から始めて、骨の再構築が、さらに生じる。なぜなら、脳が脳脊髄液中を「泳ぐ」からであり、それは、骨に囲まれているからである。この目的のために、データセット1での検査される脳外ボクセルがクラスBG又はCSFに属する場合は、CSF領域(データセット2)は、エリアSOFTにダイレーションされる。この脳外CSFエリアはTEMP1に再ラベル化され、頭蓋骨エリアの拡大のための出発点として機能する。この目的のために、エリアTEMP1は、エリアBONEにダイレーションされる。
Claims (31)
- 生物における減衰領域を決定するための方法であって、
動物やヒトの体を磁気共鳴断層撮影法によって完全又は部分的にキャプチャして、それによりMR画像データセットを取得し、
前記MR画像データセットのグレー値を、そのグレー値が組織クラスに割り当てられるように分類し、
前記グレー値に基づいて分類されたボクセルを身体の解剖学的生体構造と比較し、その結果に従って再分類し、
最終的に割り当てられたクラスに、そのクラスに対応する減衰値を与える、という工程を含み、
前記MR画像データセットは、T1強調入力画像のデータセットである、方法。 - 頭部を磁気共鳴断層撮影法によってキャプチャし、それによりMR画像データセットを得て、前記MR画像データセットのグレー値が灰白質、白質、髄液(脳脊髄液)、脂肪組織及びバックグラウンドとして読み取られ、それに応じて割り当てられる、請求項1に記載の方法。
- 陽電子放出断層撮影法、好ましくはMR/PETデバイスにより、動物又はヒトの身体を完全又は部分的にキャプチャする、請求項1又は2に記載の方法。
- 体内にあり、バックグラウンド(BG)として分類されたそれらのボクセルを決定し、そして、これらのボクセルを身体の既知の解剖学的生体構造に従って再分類する、請求項1〜3のいずれか1つに記載の方法。
- 体外にあるボクセルを決定し、これらのボクセルの各々がクラスバックグラウンド(BG)に割り当てられるとともに、それらのグレー値に起因して異なって以前に分類されていたボクセルをクラスバックグラウンド(BG)に割り当てる、請求項1〜4のいずれか1つに記載の方法。
- 頭部の脳領域から脳外領域を分離するため、頭部の他の領域をセグメントする前に、2つの眼球領域をセグメントする、請求項1〜5のいずれか1つに記載の方法。
- 眼球領域のセグメントに続いて、脳領域をエロージョンにより分離し、領域成長によってキャプチャする、請求項6に記載の方法。
- 前記エロージョンに続いて、脳をダイレーションにより再構築する、請求項7に記載の方法。
- 脳の再構築に続いて、脳を囲む脳脊髄液のエリアを再構築し、そして前記脳外領域をクラスに割り当てる、請求項8に記載の方法。
- 脳外領域のクラス割り当てに続いて、耳道を通って頭部の外側のバックグラウンドに接続されるそれらの領域を別々にセグメントする、請求項9に記載の方法。
- クラス白質及び灰白質のボクセルを、前記第2のデータセットに基づいてクラス(WMGM)に割り当てる、請求項1〜10のいずれか1つに記載の方法。
- クラス白質、灰白質及び脂肪組織のボクセルを、これらのボクセルが前記第2のデータセットにおいて頭部の脳外領域に属している場合、前記第1のデータセットに基づいて統一クラス(SOFT)に割り当てる、請求項11に記載の方法。
- 脳脊髄液ボクセルが脳外領域に位置する場合、前記脳外領域に位置するエリア(BG)を脳脊髄液(CSF)のエリアにダイレーションする、請求項11又は12に記載の方法。
- 相互接続された領域を分離するために、前記脳外領域に位置するエリア(BG)をエロージョンする、請求項13に記載の方法。
- 2つの乳突蜂巣領域及び顔面頭蓋内に位置する空洞のエリアを、互いの解剖学的領域の位置関係を考慮して検出及びセグメントする、請求項13又は14に記載の方法。
- 前記検出及びセグメントが、テンプレートマッチング及びその後のダイレーションによって実行される、請求項15に記載の方法。
- 2つの乳突蜂巣領域を検出及びセグメントする、請求項13〜16のいずれか1つに記載の方法。
- 2つの乳突蜂巣領域の検出及びセグメントに続いて、前頭洞の領域を検出及びセグメントする、請求項17に記載の方法。
- 前頭洞の領域の検出及びセグメントに続いて、鼻腔、篩骨蜂巣および蝶形骨洞の領域を検出及びセグメントする、請求項18に記載の方法。
- 鼻腔、篩骨蜂巣および蝶形骨洞の領域の検出及びセグメントに続いて、2つの上顎洞を検出及びセグメントする、請求項19に記載の方法。
- 2つの上顎洞の検出及びセグメントに続いて、咽頭の領域を検出及びセグメントする、請求項20に記載の方法。
- 前記空洞領域の間の空隙をダイレーションにより閉じ、前記領域をダイレーションにより拡張する、請求項13〜21のいずれか1つに記載の方法。
- 第2のデータセットにおいて脳外領域に属し、第1のデータセットにおいてクラスバックグラウンド(BG)に属し、そして前記クラスMASTOID、SINUS1-4のいずれにもまだ割り当てられていない全てのボクセルが、骨の再構築に備えるために再分類される、請求項13〜22のいずれか1つに記載の方法。
- 骨の接続を考慮し、さらに骨と脳領域及び空洞との位置関係を考慮して、骨を続いて検出し、再構築する、請求項23に記載の方法。
- 骨の再構築が、最初に乳突蜂巣領域及び前頭洞領域から始まり、次に脳を囲む脳脊髄液の領域から起こる、請求項24に記載の方法。
- 骨の検出とセグメントが、再分類、領域成長及びダイレーションにより実行される、請求項23〜25のいずれか1つに記載の方法。
- 第2のデータセットにおいて脳外領域に属し、そしてクラスMASTOID、SINUS1-4又はBONEのいずれにも割り当てられていない全てのボクセルが、軟部組織SOFTに割り当てられる、請求項13〜26のいずれか1つに記載の方法。
- クラス(WMGM)のボクセル及びクラス脳脊髄液のボクセルが、統一クラス(BRAIN)に割り当てられる、請求項13〜27のいずれか1つに記載の方法。
- クラス(SINUS1-SINUS4)のボクセルが、統一クラス(SINUS)に割り当てられる、請求項1〜28のいずれか1つに記載の方法。
- MR画像データセットのグレー値を組織クラスに割り当て、分類された前記グレー値を身体の解剖学的生体構造と比較し、その結果に応じて前記グレー値を再分類し、最終的に割り当てられたクラスに、そのクラスに対応する減衰値を与える手段を有し、前記MR画像データセットは、T1強調入力画像のデータセットであり、
頭部について、第1のデータセットを組織分類から取得し、第2のデータセットを脳領域と脳外領域とを分離することによって取得し、続いて頭部の前記脳外領域を2つの前記データセットに基づいてセグメントし、それによりこの領域の各ボクセルを空洞領域(クラスMASTOID、SINUS1-SINUS4)、骨(クラスBONE)、又は脳外軟部組織(クラスSOFT)のいずれか1つに割り当てる、断層撮影システム、特にMR/PET断層撮影システム。 - 請求項1〜29のいずれか1つに記載の方法を実行するための手段を有する、請求項30に記載の断層撮影システム。
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