JP6426201B2 - 同時磁気共鳴イメージング中の非接触式生理学的モニタリング - Google Patents

Description

本発明は、磁気共鳴イメージングシステムにおける生理学的モニタリングに関する。

磁気共鳴イメージング法（ＭＲＩ）は、ヒト及び動物のための有用なイメージング技術である。ＭＲＩは、研究目的及び臨床目的で、例えば、多くの疾患の診断のため、手術計画のために、人体をイメージングするために用いられることが多い。

磁気共鳴イメージング法は、通常、患者が細長いボア内に横たわりかつ検査部位に特定のコイルを装着した状態で行われるものであり、該コイルを用いて信号を受信し、画像再構成を行う。１スキャン当たり数分を要する。検査全体には通常、数回のスキャンが含まれ、数十分を要する。

多くのＭＲイメージングの状況において、患者の心臓の信号及び呼吸信号をモニタリングする必要がある。多くの場合、心電図（ＥＣＧ）信号を用いて心周期を追跡する。しかし、これには電極の取付けが必要であり、心電図信号は、スキャナＲＦ場、イメージング勾配によって、及び主磁場において電極の位置が動くことによって、エラーを含んだものとなる。１つの代替手段は指装着型パルスオキシメータ（フォトプレチスモグラフ）であるが、これもまた被検体（患者）との交信を必要とし、パルスオキシメータの位置が動くと、正しい測定値が得られないことがある。呼吸運動は、圧力センサに取り付けられた空気式ベルトを用いて測定されることが多い。これについても、被検体に装置を取り付ける必要がある。

Maclaren et al., "MRI with TRELLIS, a novel approach to motion correction" (Magnetic Resonance Imaging v26 (2008) pp. 474-483)

ＭＲＩ中に被検体からの生理学的信号を測定する新規な方法であって、スキャナオペレータによる追加の設定のための時間や被検体に対する物理的接触を必要とせず、ＭＲＩに用いられる全ての磁場強度で作動する方法が必要である。これらの磁場強度は約０．１〜１０Ｔの２桁に及ぶが、磁場強度としては１．５Ｔ及び３Ｔが臨床診療でしばしば用いられているので特に適切である。

本発明は、上記の必要性、すなわち、生理学的パラメータを入手して、ヒトまたは動物被検体に接触せずに、スキャナオペレータによる交信も高磁場強度におけるパフォーマンスペナルティもなしに、生理学的モニタリングを行う能力の必要性に応えるものである。

モーショントラッキングのためにＭＲＩスキャナ内でビデオカメラを操作することが可能であることは、当業者に公知である。これは、被検体にマーカを取り付けることによって行われ、その後、マーカを用いて姿勢（位置及び向き）情報を計算し、フレームからフレームへ動きを追跡する。この実施例においては、被検体から生理学的パラメータを入手するために光学的体動補正システムに対して行われ得る多くの適応について説明する。本願出願人は、従来のやり方を用いて生理学的パラメータの計算値と測定値とを比較する立証実験を行うことによって、本方法が有効であることを示す。

マーカをイメージングする代わりに、１台以上のカメラを該カメラの画角（ＦＯＶ）に被検体の前額部が含まれるようにＭＲＩシステムと一体化させる。このようにすれば、生理学的モニタリングのために被検体に対して余分な物理的接触がなされない。

或る好適実施形態では、１台のカメラがＭＲＩスキャナのヘッドコイルと一体化されており、かつヒト被検体の前額部に対して向けられているので、得られるビデオデータは皮膚の映像である。皮膚を白色発光ダイオード（ＬＥＤ）によって照明することができ、カメラを用いてカラービデオデータを収集することができる。ビデオデータは、光リンクを介してリアルタイムでＭＲＩスキャナ室から外へ伝送することができる。光リンクは、カメラとのガルバニック接触を有利に回避し、したがって、ＭＲＩ適合性を与える。

或る好適実施形態では、ビデオデータストリームは、スキャナ室外のスキャナオペレータが絶えず確認できる。さらに、ビデオストリームから、リアルタイム画像処理（後述）を用いて、心臓及び／または呼吸情報を抽出することができる。心臓の情報の場合には、これは、血液が血管床を通過する際に生じる僅かな反射光の変化により可能である。呼吸情報の場合には、これは、被検体が呼吸する際に生じる僅かな頭部の動きにより可能である。この処理された情報は、ＭＲＩスキャナを操作するために通常用いられるコンピュータを介してリアルタイムでオペレータに供することもでき、そこには通常、従来の方法（パルスオキシメータ、ＥＣＧ、呼吸ベルト）を用いて得られた心臓の情報及び呼吸情報が示される。

別の実施形態では、スキャナオペレータが見ることができるビデオデータが拡張され、その結果、被検体の心拍動がはっきりと見える。これは、画像中の特定の領域において起こる時間信号変化を強めるようにカラーチャンネルを変更することによって行うことができる。この実施形態に関するさらなる情報については後述する。

別の実施形態では、スキャナオペレータが見ることができるビデオデータが拡張され、その結果、被検体の呼吸に起因して生じる動きが強められ、この動きは元のビデオフレームよりも拡張ビデオフレームにおいて一目瞭然である。

別の実施形態では、カメラセンサが、電磁スペクトルの赤外部分に対する感度が高いセンサに置き換えられている。このようにすれば、ビデオデータを患者の皮膚温度の高時間分解能モニタリングに用いることができる。

ＭＲ適合性を有するカメラをＭＲＩイメージングヘッドコイルと一体化させることによって患者の前額部の皮膚の映像を取得することができるようにする方法を示す。 ビデオデータから心臓及び呼吸情報を計算することによって本明細書に示す結果を生むことができるようにする方法を示す例示的なブロック図である。 ビデオデータから呼吸運動を調べることに関連するさらなる詳細を示す例示的なブロック図である。 ビデオデータから計算した心臓の信号と、パルスオキシメータを用いて被検体から同時に得られた信号とを比較しているグラフを示す。 ビデオデータ心臓の信号によって提供されるトリガリングと、パルスオキシメータから得られた信号によって提供されるトリガリングとを比較しているグラフを示す。 ビデオデータから計算した心臓の信号によって提供されるトリガリングと、パルスオキシメータから得られた信号によって提供されるトリガリングとのさらなる比較である。 ビデオ動きデータから計算した呼吸信号と、呼吸ベルトを用いて被検体から同時に得られた信号と、ビデオ強度データとを比較しているグラフを示す。 異なる画像領域から得られる心臓の信号の違いを示す。

図１は、ＭＲＩシステムのヘッドコイル１０４に埋め込まれたＭＲ適合性を有するカメラ１０８を示している。ＭＲＩシステムには光源１０６が備わっており、光源１０６は、患者用テーブルに横たわってＭＲＩ検査を受けている被検体１０２の前額部の皮膚１１２の一画を照明するための光１１０を提供する。あるいは、符号１０６で示されるものは、照明用光源を含むカメラであってもよい。

図２は、ビデオデータから心臓の情報及び呼吸情報を計算することによって本明細書に示す結果を生むことができるようにする方法を示している。同じビデオストリームを用いて同じデータから心臓の信号及び呼吸信号の両方を生成する。この例では、開始点２０２は、３０フレーム／秒のレートで取得された映像である。サンプリングはこれより速くても遅くてもよいが、本願出願人は、ほとんどの場合、この用途には３０Ｈｚで十分であることを見出した。心臓の信号を計算するためには、画像全体にわたって、または画像の複数のサブセクションにわたって、フレーム毎に平均ピクセル強度２０４を求める。次に、この信号を、通過帯域が０．６〜１０Ｈｚであるバンドパスフィルタ２０６を用いてフィルタリングすることによって、心臓データ２０８を得る。呼吸信号を計算するためには、１Ｄサブピクセル画像レジストレーション部２１０を用いて頭足方向における画像の動きを計算する。これは、呼吸に伴って起こる僅かな「点頭」の動きを捉えるための有効な手段を提供する。次に、この信号を、通過帯域が０．２〜０．６Ｈｚであるバンドパスフィルタ２１２を用いてフィルタリングすることによって、呼吸データ２１４を得る。

図３は、呼吸信号の計算に関連するさらなる詳細を示している。図２に示した１Ｄ動きモジュール２１０は、サブピクセル精度を実現する位相相関法を用いて画像レジストレーション（位置合わせ）を行う。図３は、当該方法のブロック図である。ピクセル強度モジュールと同様に、各フレームを先ず３６０×３６０の正方形にクロッピングし、固定ヘッドコイルを取り除く。そうしなければ、固定ヘッドコイルは動き計算における交絡因子となるであろう。ビデオシーケンスの第１のフレームを基準フレーム３０６として用いる。ビデオシーケンスの後続フレーム３０２の各々をこの基準フレームと比較することによって、画像のｘ方向及びｙ方向における相対変位を計算する。これは、基準フレーム及びｉ番目のクロッピングされたフレーム（それぞれ３０８及び３０４）の両方に逆ＦＦＴを適用し、フーリエドメイン３１０における位相差を計算することによって行われる。この位相差は、２つのフレーム間における変位に比例する勾配を有する２Ｄ傾面である。この勾配は、そして変位も、サブピクセル位相相関法３１２を用いて求められ（詳しくは、Maclaren et al., "MRI with TRELLIS, a novel approach to motion correction" (Magnetic Resonance Imaging v26 (2008) pp. 474-483)（非特許文献１）に説明されており、非特許文献１は全文を引用することを以って本明細書の一部となす）、それによって出力ｘ及びｙシフト３１４が得られる。画像のｘ方向（患者の左右方向）のシフトは破棄され、画像のｙ方向（患者の頭足方向。長手方向とも呼ばれる）のシフトのみがさらなる処理に用いられる。

図４Ａは、上記方法を用いてビデオデータから計算した心臓の信号と、パルスオキシメータを用いて被検体から同時に得られた信号とを比較するグラフを示している。この実験では、３０秒後にＭＲＩスキャナによるイメージングを開始し、６０秒後にＭＲＩスキャナによるイメージングを停止した。この期間は、グラフ上に示されている。この期間を通して、計算された心臓の信号に変化は見られず、このことは、スキャニングがカメラにほとんど影響を及ぼさなかったことを示している。両システムにより測定された拍動は一致し、このことは、映像処理アルゴリズムから得られる信号が真に心拍動に関連があることを示している。タイミング及びピークの大きさに関して、パルスオキシメータデータとビデオ強度信号とがよく一致していることは明らかである。

心拍ゲーティングのための心臓の信号の潜在的有用性をさらによく比較するべく、検出されたパルスの時間周期（ＥＣＧのＲＲ間隔に相当する）の一貫性を調べるために単純なアルゴリズムを適用した。２つのパラメータ、すなわち、任意に０．６に設定されたしきい値（信号はピーク値が１になるように正規化される）と、ここでは３００ミリ秒（ｍｓ）に設定された最小時間間隔とに基づき、各曲線に対してトリガ位置を求めた。その後、トリガ位置を、信号が０．６のしきい値を超えかつ正の勾配を有するような、前のトリガから３００ミリ秒以上が経過した任意の時点として定義した。その後、これらのトリガ位置を用いて、トリガ−トリガ時間間隔を計算した。

上記の如く計算したトリガ位置は、参照パルスオキシメータデータとビデオ強度信号との間でよく一致している。図４Ｂは、図４Ａの中央の３０秒間の部分を拡大したトリガ位置の一部（黒い点で示されている）を示している。設定では２つの信号間の同期は完全ではなかったが、２つの信号から得られるトリガ間には明白な１対１の写像が存在する。すなわち、パルスオキシメータデータストリームにおいて検出されたトリガはビデオ強度信号においても検出され、パルスオキシメータ信号において検出されなかった余分なトリガはビデオ強度信号においても検出されなかった。この１対１の写像は、図４Ｃに示すようなトリガ間の時間間隔の比較を可能にする。両者の変化する時間間隔は、高い相関がある：パルスオキシメータ及びビデオ強度信号から得られるトリガ間隔の差は、平均で０．０１秒未満であり、標準偏差が０．０５秒であるが、このことは、２つの信号から計算されるほとんどのトリガ間隔が互いから５０ミリ秒以内であることを意味している。

図５では、呼吸ベルトから得られた呼吸データと、ビデオデータから得られた強度信号及び動き信号とを比較している。この場合、強度に基づく信号が呼吸ベルトからの信号と相関しているという証拠はない。しかし、動きに基づくデータは呼吸ベルトからの信号と強く相関している。場合によっては、呼吸ベルト信号は飽和したように見えるが、ビデオ動き信号はそうではなく、このことは、恐らくはさらなる動きが呼吸ベルトの最大範囲を超えたことを示している。同様に、ＭＲイメージングは、得られた生体情報に影響を及ぼさないようにも見える。要約すれば、呼吸ベルトからの信号は、ビデオ動き信号から計算した結果とよく一致しており、このことは、計算された信号がまさに被検体の呼吸によるものであることを示している。

図６は、画像の異なる部分において実質的に異なるビデオ強度信号がどのように存在し得るかを示している。例えば、ＭＲＩヘッドコイル６０２は心臓の信号６１０を出さないが、患者６０４の皮膚を示す画像の各部分は、その１つ１つに応じた強い信号６０６または弱い信号６０８を出すことができる。或る領域に関しては心臓の信号が特に強いが、それ以外の領域（皮膚をほとんど含まない領域など）に関しては心臓の信号は事実上存在しない。この空間情報をフィードバックして用いることによって、画像を色の重ね合わせ（オーバレイ）により向上させることができる。

先の実施例は、ＭＲＩとは無関係であるが、肉眼で確認できる微妙な強度変化をもたらすようにビデオデータを拡張することが可能であることを示した。同様の方法を用いて、この実施例のために取得したビデオデータを、ビデオデータから得られた心臓の信号及び次のアルゴリズムを用いて拡張した。ビデオフレームを正方形にクロッピングして当該正方形内の全ピクセルを一斉に処理するのではなく、フレームをｍ×ｎグリッドに分割する。各グリッド正方形内の全ピクセルに別々に処理を適用することによって、各ｍ，ｎについてビデオデータから得られた心臓の信号を抽出する。その後、このｍ×ｎ信号に対してバイキュービック補間を用いてリサンプリングを行って元の映像解像度とし、これを用いて「変調映像」を生成する。この変調映像を、本来グレースケールである画像の赤のチャンネルに重ね合わせる。その結果、心拍動を、元の映像に重ね合わせられた赤色の色調として、容易に見ることができる。ｍ及びｎに選んだ値にもよるが、空間識別と引き換えに信号のＳＮＲ及びロバスト性を手に入れることができる。

要約すれば、以上のデータは、本明細書において教示されている方法により、被検体に対する物理的接触なしに、パルスオキシメータ及び呼吸ベルトと同様の情報を得ることができることを示している。指装着型パルスオキシメトリは１９３０年代から存在しており、臨床ＭＲＩにおいては当初からパルスオキシメータ及び呼吸ベルトの両方を用いることが一般的であった。本明細書において、本願出願人は、カメラハードウェアを生理学的モニタリングのために用いて、患者に物理的に接触する装置を用いる必要をなくすことができる可能性があることを示している。

本願出願人は、頭部の大きな動きに対するアルゴリズムのロバスト性を完全には定量化していない。示されているデータでは、最初の位置からの最大画像変位は１６ピクセル（約３ｍｍ）であったが、これは、被検体が実験中に完全に動かなかったわけではないことを示している。したがって、幾分かの動きに対するロバスト性を推測することができる。しかし、皮膚の十分に大きな領域が常にカメラの画角内にとどまっていることを確実にするために、おそらく複数のカメラを用いることができる。動き感度はパルスオキシメトリに共通の課題であるので、本発明の方法は、実際には、最新技術よりもロバストであり得る。

この実施例において説明したアルゴリズムは、ビデオ信号において色情報を必要としない。このことは、本明細書において教示されている方法をモノクロ画像センサにもカラー画像センサにも適用可能ならしめる。照明（本明細書においては白色ＬＥＤ）については、明らかに必要である。以前行った環境光を用いた光電式容積脈波記録法（フォトプレチスモグラフィ）の試みは十分に明るい環境で行われており、それはＭＲＩスキャナのボアを代表するものではないからである。

Claims (13)

1. 磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）システムにおける患者の生理学的モニタリングのための装置であって、
   ＭＲＩシステム内に配置されかつ患者の前額部を観察するように構成されたＭＲＩ適合性を有する光学カメラと、
   前記ＭＲＩシステム内に配置されかつ前記患者の前記前額部を照明するように構成されたＭＲＩ適合性を有する光源と、
   前記ＭＲＩ適合性を有する光学カメラからビデオ信号を受信し、該ビデオ信号の解析によって得られた生体情報の出力を与えるように構成されたプロセッサとを含み、
   前記生体情報が、少なくとも、前記ビデオ信号における長手方向の画像の動きの測定から得られた呼吸データを含むことを特徴とする装置。
2. 前記ビデオ信号における長手方向の画像の動きの測定が、位相相関法を用いたサブピクセルの長手方向の画像の動きの計算を含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記生体情報が、前記ビデオ信号の強度変化の測定から得られた心臓のデータをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
4. 前記ビデオ信号の強度変化の測定が、２つ以上のカラーチャンネルの相対強度測定を含むことを特徴とする請求項３に記載の装置。
5. 前記ＭＲＩ適合性を有する光源が、可視光を提供し、
   前記ＭＲＩ適合性を有する光学カメラが、前記可視光に対して高感度であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
6. 前記ＭＲＩ適合性を有する光源が、赤外光を提供し、
   前記ＭＲＩ適合性を有する光学カメラが、前記赤外光に対して高感度であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
7. 前記ＭＲＩ適合性を有する光源が、発光ダイオードを含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
8. 前記プロセッサが、時間的変化を強調するように向上された画像をさらに出力するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
9. 前記時間的変化が、カラーコーディングによって強調されるように構成されていることを特徴とする請求項８に記載の装置。
10. 前記時間的変化が、心臓活動に関連していることを特徴とする請求項８に記載の装置。
11. 前記時間的変化が、呼吸に関連していることを特徴とする請求項８に記載の装置。
12. 前記ＭＲＩシステムが、ＭＲＩスキャニング中に前記生体情報を明らかにするように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
13. 前記ＭＲＩ適合性を有する光学カメラ及び前記ＭＲＩ適合性を有する光源が、一体型の光源−カメラユニットとして構成されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。

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