JP6100792B2 - 灰白質における脳アミロイドを算出及び表示する方法 - Google Patents

灰白質における脳アミロイドを算出及び表示する方法 Download PDF

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Description

本発明は、診断撮像技術に関する。本発明は、アミロイド堆積の検出における特定の用途を見出し、とくにそのことに関して記載される。
脳内のアミロイド堆積(Aβ)は、アルツハイマー病の特徴の一つである。フルオロデオキシグルコース(FDG)放射性トレーサを使用する脳スキャンはよく行われるが、FDG放射性トレーサはAβを標的としていない。Aβ判定に使用するためフェーズIIIの臨床試験を受けている新規のポジトロン断層法(PET)放射性トレーサ、例えば[18F]−フルテメタモル、[18F]−フロルベタベン及び[18F]−フロルベタピルが存在する。Aβ定量の一方法は、動脈血サンプリングによる動的PET時系列の動力学モデリングである。これは優れた定量をもたらすけれども、臨床使用には問題がある。より実用的な代替案は、標的領域と比較しての参照領域における摂取の比較を使用する。選択された参照領域、例えば小脳は灰白質(GM)を優位に含有する。放射性トレーサの注入30乃至40分後約20分間の間に静止画像が撮られる。標的領域における標準摂取値(standard uptake values, SUV)について平均を取り、参照領域におけるSUVについて平均を取る。標準摂取値どうしの比率(SUVR)は、平均(SUVtarget)/平均(SUVreference)により得られる。脳画像中に存在する放射性トレーサの強度を正規化するためにSUVRは使用される。SUVRはまた、各イメージボクセルについて演算及び表示され得る(SUVRイメージ)。参照領域は、放射性トレーサの非特異的結合を表す。理論上は、参照領域は白質を排除すべきであるが、正確な描写は難しい。
白質摂取が非常に少ないFDGとは異なり、これら新規の放射性トレーサもまた白質に取り込まれる。灰白質(GM)摂取は、アルツハイマー病に関する診断価値を有する一方で、白質は非特異的結合に起因し、最低の診断価値を有する。
白質は脳の大部分を占め、放射性トレーサによりAβを示す脳画像は白質エリア内の放射性トレーサの存在に左右されることになる。ほとんどもしくは全く摂取がない脳スキャン及び大量の摂取を有する脳スキャンは容易に診断されるのに対して、中程度の量を有する脳スキャンは定量方法を必要とする。白質及び灰白質両方において摂取が多い場所のイメージについて、白質及び灰白質への投射光線に沿ったシグナルの分離が難しい。投射光線に沿った最大値はしばしば白質内に位置し、平均値もしくは分位値もまた一般に灰白質と白質とを区別しない。
本願は、上記の制限を克服する、灰白質内のアミロイドの新規で改善された算出及び表示を提供する。
一態様によると、撮像ワークステーションは、興味対象の領域内の放射性トレーサの分布を描くイメージを受信するようにプログラムされた1個以上のプロセッサを包含する。前記イメージは、分割された解剖学的特徴を包含する、前記興味対象の領域のテンプレートもしくはMRIイメージにより規定された共通空間に登録される。前記分割された解剖学的特徴内の放射性トレーサの分布を描き、かつ前記分割された解剖学的特徴外の放射性トレーサを抑制する前記イメージの体積表現が抽出される。
別の態様によると、放射性トレーサの投与後、脳撮像方法は、興味対象の領域内の放射性トレーサの分布を描く少なくとも1個のイメージを受信する。1個以上のプロセッサにより、前記イメージは、分割された解剖学的特徴を包含する、前記興味対象の領域のテンプレートもしくはMRIイメージにより規定された共通空間に登録される。前記分割された解剖学的特徴内の前記放射性トレーサの分布を描き、かつ前記分割された解剖学的特徴外の放射性トレーサを抑制する前記イメージの体積表現が抽出される。
別の態様によると、撮像システムはPETスキャナ及び撮像ワークステーションを包含する。前記撮像ワークステーションは、前記PETスキャナからの放射性トレーサ脳画像を受信し、テンプレート及びMR脳画像の少なくとも一方を使用して受信した脳撮像データの灰白質を分割し、そして強度として表される放射性トレーサ濃度の測定により灰白質内の放射性同位体のイメージを表示する。
本願の一つの利点は、放射性トレーサの測定において優勢な白質摂取の抑制である。
別の利点は、患者のGMの位置を決定するための他のイメージ情報の使用である。
別の利点は、アルツハイマー病の診断に重要な脳GM Aβに焦点を合わせていることである。
別の利点は、臨床診断意思決定支援システム(CDS)もしくは画像蓄積伝送システム(PACS)との統合である。
本発明は、様々なコンポーネント及びコンポーネントの配置、及び様々なステップ及びステップの配置の形態を取り得る。図面は、好ましい実施形態を説明する目的のためだけにあり、本発明を限定するものとして解釈すべきではない。
図1は、図式的に撮像システムの一実施形態を説明する。 図2は、非診断白質を抑制する放射性トレーサにより撮像する方法の一実施形態を表すフローチャートである。 図3は、一実施形態の一実施例における撮像の違いを表す。
図1に関して、撮像システムの一実施形態が図式的に説明される。前記撮像システムは、放射性トレーサの存在もしくは摂取について被験者の脳をスキャンする核スキャナ10、例えばPETもしくはSPECTスキャナを包含する。スキャナは、放射性トレーサの放射のせいで生じるイベントを記録する。前記イベントは、撮像ワークステーション20に伝達されるイベントリスト内に記録される、前記撮像ワークステーション20は脳内の放射性トレーサの分布を描くイメージを再構築する。前記ワークステーション20はスキャナ10と通信しており、ローカル接続でも遠隔接続でもよい。別の実施形態におけるPETスキャナは、白質と灰白質とを区別するイメージを生成する他のスキャナ、例えば磁気共鳴撮像(MRI)スキャナ15と任意に組み合わせられてよい。一実施形態において、核スキャナ及びMRスキャナは組み合わされ、それらのイメージが本質的に登録されるような共通の撮像エリアを有する。
ワークステーション20は、PETスキャナからの撮像データを直接受信するか、保存され、次いで後で記憶メモリ30から検索する。ワークステーション20は、スタンドアローンで動作もしくはシステム35、例えば画像蓄積伝送システム(PACS)もしくは臨床診断意思決定支援システム(CDS)と統合可能である。ワークステーションは、入力デバイス50、通信デバイス60及び表示デバイス70と相互接続した1個以上のプロセッサ40を包含する。1個もしくは複数の入力デバイス50は、医療従事者をシステムと交流可能にする。ワークステーション20は通信デバイス60を使用するのであって、その通信デバイス60は当該ワークステーションを他のシステムもしくはインターネット80と通信可能にする。ワークステーションは、ローカルでテンプレートにアクセス可能であるか、脳テンプレートを貯蔵するテンプレートライブラリーもしくはリポジトリ90からテンプレートを検索可能である。イメージ及びテンプレートは、ローカルデータストア、もしくは遠隔で、もしくは統合システム(例えばPACSもしくはCDS)の一部としてに貯蔵可能である。表示デバイス70は、イメージ、イメージの一部、もしくは他のパラメータ及びメニューを表示する。
図2に関して、フローチャートは、プロセッサ40で実行されるプロセスの一実施形態を説明する。いくつかの選択肢の一つを使用すると、灰白質(GM)マップが得られる。ステップ100の一選択肢は、脳テンプレート(例えば脳の各ボクセルが白質もしくは灰白質である確率を提供する脳テンプレート)を使用することである。前記テンプレートは、名目上の患者に基づき得るか、又は年齢、性、サイズの詳細もしくはその種ものであり得る。テンプレートは大きさで分けるか、あるいは現在の患者に適合可能である。テンプレートは、テンプレート空間内にGMマップを包含する。このようなGMマップは無料公開されている、例えばMNI−ICBM atlasである。GMマップはマップされた名目上の脳の各ボクセル内にGMが存在する確率を示す。
別の選択肢は、ステップ110における具体的患者の磁気共鳴撮像(MRI)イメージを生成するもしくは検索〔取得〕することである。前記イメージは、PCSを使用して貯蔵及び検索可能であるか、MRIスキャナ15から直接検索可能である。ステップ120で、GMはネイティブMRIイメージ空間内でMRIイメージにおいて分割〔セグメンテーション〕される。あるいは、ステップ140でイメージはテンプレート空間へ変換され、ステップ150でGMはテンプレート空間において分割される。前記変換及び分割を逆にしてもテンプレート空間内にGMマップをもたらし、前記変換はテンプレートとネイティブ空間との間の関係を説明する。統合した分割アプローチの使用は、GM組織の確率マップをもたらし、及び任意にはステップ130でネイティブMRIイメージ空間をテンプレート空間に変換する。別の方法は、バイナリGMマップを生成する。
テンプレート空間内のGMマップは、ステップ160で、例えば約5乃至10mmのガウス核(Gaussian kernel)により平坦化可能である。前記ガウス核はMRI歪み及びMR−PETアライメントの両方における残余アライメント誤差を許す。
ステップ170において、スキャナ10を使用してPETもしくはSPECTイメージが受信される。PETイメージは、放射性トレーサ、特に[18F]−フルテメタモル、[18F]−フロルベタベン、[18F]−フロルベタピルもしくはGM内のAβに特異的な別の放射性トレーサの投与後に取得される。前記ステップ170は、GMマップを得るステップと同時にもしくは後で、実施可能である。
一度PETイメージが受信されたら、ステップ180でPETイメージはテンプレート空間もしくはネイティブMRIイメージ空間に登録される。もし分割が脳テンプレート由来であれば、PETイメージはテンプレート空間に変換される。もしステップ120において分割されたGMマップを得るためにMRIが使用されたなら、PETイメージをテンプレート空間ではなく、ネイティブMRIイメージ空間内のMRIイメージに登録可能である。別の選択肢として、PET及びMRIイメージは、ステップ140からの変換により両方ともテンプレート空間に変換可能である。
強度正規化は、ステップ190において参照領域(例えば小脳)を使用して行われる。参照領域の名目もしくは平均ボクセルについての標準摂取値(SUV)が算出される。ステップ200において、各ボクセルについての標準摂取値比率(SUVR)を生成するため、PETイメージの各ボクセルのSUVは参照領域のSUVで割られる。SUVRは、イメージボクセルの強度を正規化するのに使用される。
ステップ160からの平坦化したGMマップを使用して、ステップ210においてPETイメージで表現されるGM体積が抽出される。GM体積表現は、PETイメージをGMボクセルに制限する。より詳細には、各ボクセルiに関する白質摂取
を抑制するため、ボクセルiが灰白質である平坦なGMマップ由来の確率GM(i)により、各ボクセルiに関するボクセル強度I(i)は重みづけられた。このやり方で、体積イメージが生成され、GM内の各ボクセルは、放射性同位体トレーサの正規化摂取に比例した値を有し、白質内の各ボクセルはゼロ化されているか、実質的にゼロ化されている。この値イメージは、いろいろなやり方で(例えばスライスイメージ、立体レンダリング、最大強度投影イメージ、その他)表示デバイス70に表示可能である。
一実施形態の任意のステップ220において、ボクセル値は脳の表面に投影される。表面投射光線が作り出される。各投射光線について、一つの値が算出され、皮質表面へ投影される。各表面ピクセルについて、前記表面ピクセルに垂直に(normal to)投影された光に沿ったイメージボクセルが組み合わされる。一例において、ピクセル値は、
(式中、GM(x)はボクセルxにおけるGM存在であり、I(x)はボクセルxにおける強度であり、pは投射光線(垂直投射光線に沿ったイメージボクセル)であり、及びfはGM及び強度に基づいたスカラー値を算出する関数である)により表される。例えば、
の場合、光線に沿った最大重みづけ強度ボクセルが表面ピクセルに投影される。別の例として、
(式中Zは正規化因子であり(例えば1(unity)(Z=1)であるように選択される)、もしくは光線に沿ったGM密度に関して正規化される)の場合、表面ピクセル値は、光線に沿ったボクセルの重み付された強度の重み付された合計もしくは平均である。FDG PETにおける、投射光線は典型的には固定長さ、例えば13mmである。このテクニックでの使用のため、GMマップにより制限されたより大きな光線長さ、例えば15mm乃至20mm及び射影関数fが考慮される。
別の実施形態において、位置依存性投射光線長さが、定量的精度を改善するのに使用される。位置依存性投射光線は、皮質表面にわたるGM厚さの解剖学的変動性を捕捉する。
ステップ230において統計的マッピングを、対象の体積もしくは表面表現に適用する。
各ボクセルもしくはピクセルiについて、t値(zスコア)を算出する。
(式中、v(i)はボクセル強度であり、μ(i)及びρ(i)は、放射性トレーサロードのはっきりしたステータス(well−defined status)を有する共通空間に登録〔位置合わせ〕された対象のグループ(例えばAβ陰性脳)内のPET放射性トレーサイメージのボクセルiについて推定される平均及び標準偏差である。)このようなグループ内の平均及び標準偏差の推定は、一貫して処理され、強度正規化及びGMマップの選択に関して現在の対象と同じである。統計的マッピングは、イメージの「標準的(normal)」個人のグループとの比較を提供し、標準とは異なるイメージボクセルの確率をもたらす。
ステップ240において、統計的にマップした体積もしくは表面表現、脳表面投影、体積スライス、等がディスプレイ70に表示される。一例において、GM Aβを、強度を表すため色を使用して表したAβレベルによりGMのみを包含するイメージとして表示する。その表示は、様々な視点、例えば体積及び/又は表面投影の側面、内側、上位、下位、前方及び後方透視図を包含する。
図3に関して、一例は摂取について非診断領域の抑制によるイメージの変化を描写する。イメージ300,320,340はAβ陰性脳であり、イメージ310,330,350はAβ陽性脳である。一番上のペアのイメージ300,310において、白質及びGMの両方が放射性トレーサにより表示される。イメージ300において、Aβ陰性イメージはAβを描写しない。イメージ310において、Aβがイメージのほとんどを占める。対照的に、イメージ330において、白質を抑制し、GMのみを表示すると、表示されるAβは格段に低減する。イメージ350におけるさらなる増強は、個々にGM分割(図2の120,130)を適用することにより生じる。イメージ320及び340は、GMのみを使用するAβ陰性イメージの、及びGMのみの個々のGM分割との比較を提供する。
診断値の領域を分割し、摂取を有する他の領域を抑制する方法を、撮像のほかのエリアに適用可能である。放射性トレーサを摂取するが診断に貢献しない抑制領域を、身体のいずれの領域もしくはいずれの放射性トレーサの使用に適用可能である。非診断領域を抑制し、診断価値がある領域だけを表示すると、より正確な診断がもたらされる。より多くの非診断領域が堆積のほとんどを占めると抑制の利点はより大きくなる。
本発明を、好ましい実施形態に関して説明してきた。先の詳細説明を読み、理解すれば、他の人々には修正及び変更が思い浮かぶかもしれない。添付の請求項もしくはその同等物の範囲内に該当する限り、そのような修正及び変更を全て包含するものとして本発明は構成されることを意図している。
いくつかの態様を記載しておく。
〔態様1〕
興味対象の領域内の放射性トレーサの分布を描くイメージを受信すること;
分割された解剖学的特徴を包含する、前記興味対象の領域のテンプレートもしくはMRIイメージにより規定された共通空間に前記イメージを登録すること;及び
前記分割された解剖学的特徴内の前記放射性トレーサの分布を描き、かつ前記分割された解剖学的特徴外の放射性トレーサを抑制する前記イメージの体積表現を抽出すること;
をプログラムされた1個以上のプロセッサを有する撮像ワークステーション。
〔態様2〕
前記興味対象の領域は脳を包含し、前記放射性トレーサはアミロイド堆積を強調表示する、態様1に記載の撮像ワークステーション。
〔態様3〕
前記放射性トレーサは[18F]−フルテメタモル,[18F]−フロルベタベン及び[18F]−フロルベタピルの少なくとも1個を包含する、態様1及び態様2のいずれか1項に記載の撮像ワークステーション。
〔態様4〕
前記分割された解剖学的特徴は灰白質である、態様1乃至3のいずれか1項に記載の撮像ワークステーション。
〔態様5〕
前記解剖学的特徴分割は、各ボクセルが灰白質である確率を表し、前記プロセッサは、前記イメージの各ボクセルと灰白質である前記ボクセルの前記確率とを組み合わせることにより体積表現を抽出する、態様1乃至4のいずれか1項に記載の撮像ワークステーション。
〔態様6〕
前記プロセッサは、
前記体積表現のボクセル値を脳表面に投影することにより表面投影イメージを計算すること
をさらにプログラムされている、態様1乃至5のいずれか1項に記載の撮像ワークステーション。
〔態様7〕
前記プロセッサは、
各ボクセルをはっきりしたステータスをもつ被験者のグループ由来のイメージと比較して、前記体積表現もしくは前記表面投影の少なくとも1個を統計的にマップすること
をさらにプログラムされている、態様1乃至6のいずれか1項に記載の撮像ワークステーション。
〔態様8〕
前記プロセッサは、
磁気共鳴イメージを受信すること;
前記解剖学的特徴により前記磁気共鳴イメージを分割すること;及び
前記分割された解剖学的特徴を前記共通空間に登録すること;
をさらにプログラムされている、態様1乃至7のいずれか1項に記載の撮像ワークステーション。
〔態様9〕
前記解剖学的特徴内の前記放射性トレーサの分布の表現を表示するディスプレイデバイス
をさらに包含する、態様1乃至8のいずれか1項に記載の撮像ワークステーション。
〔態様10〕
当該撮像ワークステーションは、ポジトロン断層法(PET)スキャナ及び磁気共鳴(MR)スキャナの少なくとも1個からのイメージを受信する、態様1乃至9のいずれか1項に記載の撮像ワークステーション。
〔態様11〕
以下のステップ:
興味対象の領域内の放射性トレーサの分布を描く少なくとも1個のイメージを受信するステップ;
1個以上のプロセッサにより、
分割された解剖学的特徴を包含する、前記興味対象の領域のテンプレートもしくはMRIイメージにより規定された共通空間に前記イメージを登録するステップ;及び
前記分割された解剖学的特徴内の前記放射性トレーサの分布を描き、かつ前記分割された解剖学的特徴外の放射性トレーサを抑制する前記イメージの体積表現を抽出するステップ;
を有する脳撮像方法。
〔態様12〕
前記興味対象の領域は脳を包含し、前記放射性トレーサはアミロイド堆積を強調表示する、態様11に記載の脳撮像方法。
〔態様13〕
前記放射性トレーサは[18F]−フルテメタモル,[18F]−フロルベタベン及び[18F]−フロルベタピルの少なくとも1個を包含する、態様11及び態様12のいずれか1項に記載の脳撮像方法。
〔態様14〕
前記分割された解剖学的特徴は灰白質である、態様11乃至13のいずれか1項に記載の脳撮像方法。
〔態様15〕
抽出するステップは、
イメージの各ボクセルと灰白質であるボクセルの確率とを組み合わせるステップ
をさらに包含する、態様11乃至14のいずれか1項に記載の脳撮像方法。
〔態様16〕
前記体積表現のボクセル値を脳表面に投影することにより表面投影イメージを計算するステップ
をさらに包含する、態様11乃至15のいずれか1項に記載の脳撮像方法。
〔態様17〕
各ボクセルをはっきりしたステータスをもつ被験者のグループ由来のイメージと比較して、前記体積表現もしくは前記表面投影の少なくとも1個を統計的にマップするステップ
をさらに包含する、態様11乃至16のいずれか1項に記載の脳撮像方法。
〔態様18〕
磁気共鳴イメージを受信するステップ;
前記解剖学的特徴により前記磁気共鳴イメージを分割するステップ;及び
前記分割された解剖学的特徴を前記共通空間に登録するステップ;
をさらに包含する、態様11乃至17のいずれか1項に記載の脳撮像方法。
〔態様19〕
態様11乃至18のいずれか一項に記載の方法を実施するため、1個以上のプロセッサを制御するソフトウェアを運搬する、コンピュータによって読み取り可能な非一時的媒体。
〔態様20〕
以下のステップ:
興味対象の領域内の放射性トレーサの分布を描く少なくとも1個のイメージを受信するステップ;
1個以上のプロセッサにより、
前記興味対象の領域内の解剖学的特徴を分割するステップ;及び
前記分割された解剖学的特徴内の前記放射性トレーサの分布を描き、かつ前記分割された解剖学的特徴外の放射性トレーサを抑制する前記イメージの体積表現を抽出するステップ;
を有する脳撮像方法。

Claims (13)

  1. 興味対象の領域内の放射性トレーサの分布を描くイメージを受信する段階
    記興味対象の領域のMRIイメージにより規定された共通空間に前記イメージを登録する段階であって、前記興味対象の領域のMRIイメージにおいて解剖学的特徴が分割されており、該分割は各ボクセルが灰白質である確率を表わす、段階;及び
    前記分布を描くイメージの各ボクセルをそのボクセルが灰白質である確率と組み合わせることによって、前記分割された解剖学的特徴内の前記放射性トレーサの分布を描き、かつ前記分割された解剖学的特徴外の放射性トレーサを抑制する前記イメージの体積表現を抽出する段階
    実行するようプログラムされた1個以上のプロセッサを有する撮像ワークステーション。
  2. 前記興味対象の領域は脳を包含し、前記放射性トレーサはアミロイド堆積を強調表示する、請求項1に記載の撮像ワークステーション。
  3. 前記プロセッサは、
    前記体積表現のボクセル値を脳表面に投影することにより表面投影イメージを計算すること
    をさらにプログラムされている、請求項1または2に記載の撮像ワークステーション。
  4. 前記プロセッサは、
    ボクセルの、所定の被験者のグループ由来のイメージとの比較を表わすよう、前記体積表現もしくは前記表面投影の少なくとも1個を統計的にマップすること
    をさらにプログラムされている、請求項1乃至のいずれか1項に記載の撮像ワークステーション。
  5. 前記プロセッサは、
    磁気共鳴イメージを受信すること;
    前記解剖学的特徴により前記磁気共鳴イメージを分割すること;及び
    前記分割された解剖学的特徴を前記共通空間に登録すること;
    をさらにプログラムされている、請求項1乃至のいずれか1項に記載の撮像ワークステーション。
  6. 前記解剖学的特徴内の前記放射性トレーサの分布の表現を表示するディスプレイデバイス
    をさらに包含する、請求項1乃至のいずれか1項に記載の撮像ワークステーション。
  7. 当該撮像ワークステーションは、ポジトロン断層法(PET)スキャナ及び磁気共鳴(MR)スキャナの少なくとも1個からのイメージを受信する、請求項1乃至のいずれか1項に記載の撮像ワークステーション。
  8. 以下のステップ:
    興味対象の領域内の放射性トレーサの分布を描く少なくとも1個のイメージを受信するステップ;
    1個以上のプロセッサにより、
    記興味対象のMRIイメージにより規定された共通空間に前記イメージを登録するステップであって、前記興味対象の領域のMRIイメージにおいて解剖学的特徴が分割されており、該分割は各ボクセルが灰白質である確率を表わす、ステップ;及び
    前記分布を描くイメージの各ボクセルをそのボクセルが灰白質である確率と組み合わせることによって、前記分割された解剖学的特徴内の前記放射性トレーサの分布を描き、かつ前記分割された解剖学的特徴外の放射性トレーサを抑制する前記イメージの体積表現を抽出するステップ;
    を有する脳撮像方法。
  9. 前記興味対象の領域は脳を包含し、前記放射性トレーサはアミロイド堆積を強調表示する、請求項に記載の脳撮像方法。
  10. 前記体積表現のボクセル値を脳表面に投影することにより表面投影イメージを計算するステップ
    をさらに包含する、請求項8または9に記載の脳撮像方法。
  11. ボクセルの、所定の被験者のグループ由来のイメージとの比較を表わすよう、前記体積表現もしくは前記表面投影の少なくとも1個を統計的にマップするステップ
    をさらに包含する、請求項乃至10のいずれか1項に記載の脳撮像方法。
  12. 磁気共鳴イメージを受信するステップ;
    前記解剖学的特徴により前記磁気共鳴イメージを分割するステップ;及び
    前記分割された解剖学的特徴を前記共通空間に登録するステップ;
    をさらに包含する、請求項乃至11のいずれか1項に記載の脳撮像方法。
  13. 請求項乃至12のいずれか一項に記載の方法を実施するため、1個以上のプロセッサを制御するソフトウェアを運搬する、コンピュータによって読み取り可能な非一時的媒体。
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