JP6855476B2 - 組織分類の方法、コンピュータプログラム、及び磁気共鳴イメージングシステム - Google Patents

Description

本発明は、磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）の分野に関し、特に、ＭＲＩシステム及びＭＲＩシステム用のコンピュータプログラムに関する。本発明は更に、磁気共鳴画像の画像処理の分野に関する。

ＣＴ値（ハウンズフィールド値）は放射線の減衰に直接関連するので、放射線治療に用いられる減衰マップは、通常コンピュータトモグラフィスキャンから導き出される。更に、ＣＴ画像は、骨、軟組織、脂肪及び空気への組織分類を容易に提供する。しかしながら、それらは、被検体をイオン化放射線に曝し、従って、多くの場合において、磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）が、腫瘍及びリスク器官を視覚化するためにすぐれている。しかしながら、減衰マップのＭＲベースのシミュレーションは、放射線減衰に依存する利用可能なＭＲコントラストのタイプがないので、困難である。どのＭＲコントラスト／画像タイプの組み合わせ及びどの画像処理アルゴリズムが、ＣＴ画像及び減衰マップのシミュレーションに最も適しているかというのが、今日の研究の対象である。この分野における機会及び課題の概要は、Nyholm, T and Jonsson J, Counterpoint: Opportunities and Challenges of a Magnetic Resonance Imaging -Only Radiotherapy WorkFlow, Seminars in Radiation Oncology, 2014, pages 175-179によって与えられている。

特に頭頚部領域におけるＭＲＩのみに基づくＲＴ計画の１つの主要な問題は、骨（特に皮質骨）と空気とを区別することであり、これらは両方ともＭＲＩにおいて低強度である。

米国特許出願第2011/0286649号公報は、２つのＵＴＥ画像に基づいて疑似ＣＴ画像を生成する方法を記述している。訓練されたクラシファイヤが、骨をセグメント化するために使用される。第１のＵＴＥ画像は、第２のＵＴＥ画像より低いＴＥによって取得される。従って、第１のＵＴＥ画像は、ぼやけていることがある。ぼやけた領域（ブラー領域）は、形態学的方法を通じてわずかに損なわれることがある。第１のＵＴＥ画像内の損なわれた頭部マスクは、第２のＵＴＥ画像内の損なわれた頭部マスクと比較されることができる。ブラー領域は、第２のＵＴＥ画像内のヘッドマスクがバックグラウンドとして規定する損なわれた第１のＵＴＥ画像の部分として規定されることができる。ブラー領域は、最終のヘッドマスクを生成するために、第１のＵＴＥ画像ヘッドマスクから除去されることができる。

本発明の目的は、ＭＲＩ画像の組織分類を改善することである。特に、本発明の目的は、ＭＲＩ画像における骨及び空気の分類を改善することである。

本発明の第１の見地によれば、この目的は、請求項１に記載の方法によって達成される。本発明の第２の見地によれば、この目的は、請求項６に記載のコンピュータプログラムによって達成される。本発明の第３の見地によれば、請求項７に記載のＭＲＩシステムによって達成される。

骨組織は、一般に形状を容易には変化させない硬い組織であり、他方で、体内の空洞は、より容易に形状を変えることができる。本願発明者の洞察は、この知識が、ＭＲＩ画像において骨と空気とを区別するために利用されることができるということである。形状変化が空洞で生じる場合、形状のこの変化は、形状変化の前に取得される画像（第１の画像）及び形状変化の後に取得される画像（第２の画像）を比較することによって利用されることができる。形状変化に影響される低信号強度の領域は、空気として分類されることができ、形状変化に影響されない低信号強度の領域は、骨として分類されることができる。これによって、組織分類が改善されることができる。本願の全体にわたって、第１の領域は、空気を表現し、第２の領域は、骨を表現する。

本発明の実施形態によれば、第１の領域の形状差は、第３の領域内の変化によってもたらされる。この第３の領域は、例えば粘膜であり得、この変化は、例えば頭頸部領域におけるこの粘膜の厚さであり得る。本発明の他の実施形態によれば、形状変化が誘起される。形状変化を能動的に誘起することは有利であり、なぜなら、このようにして形状変化をより良好に制御することができるからである。形状変化は、例えば、頭頸部イメージングの場合に、ヒスタミン、メタコリン又はフェノトラミンの投与によって誘起されることができる。ヒスタミン、メタコリン又はフェノトラミンの投与は、頭頸部領域に存在する粘膜の厚さに影響を及ぼす。粘膜は、空洞の方向おいてのみ厚くなり、それにより、第１及び第２の磁気共鳴画像を比較することによって、骨と空気とを区別することが可能になる。反対の状況が、組織分類のために更に使用されることができる。例えば、ある患者は、アレルギー性鼻炎に苦しんでいる。これらの患者において、粘膜の厚さは、抗ヒスタミン薬の投与によって、第１及び第２の磁気共鳴画像の間で減少する可能性がある。

しかしながら、必ずしも形状変化が誘起される必要はない。形状変化は、時間の経過と共に生じることもある。この場合、形状の変化が生じるのを待つだけである。例えば、糞便が腸を通過すると、存在する空洞の形状に影響を及ぼすことができる。更に、呼吸が形状変化を誘起することができる。従って、形状の変化は、多くのさまざまなやり方で誘起されることができる。本発明は、この形状変化が画像処理及び組織分類のために利用されることができるという洞察に基づく。

本発明の実施形態によれば、関心領域の疑似ＣＴ画像及び／又は減衰マップ及び／又はデジタル再構成されたラジオグラフ（ＤＲＲ）ふが、組織分類に基づいて生成されることができる。これは、疑似ＣＴ画像及び／又は減衰マップ及び／又はＤＲＲは、放射線治療計画を生成するために放射線治療デリバリシステムを有するＭＲＩシステムによって使用されることができるので、有利である。更に、疑似ＣＴ画像及び／又は減衰マップ及び／又はＤＲＲは、ＰＥＴシステムを有するＭＲＩシステムによって、ＰＥＴ画像を補正するための減衰マップを生成するために使用されることができる。

本発明における方法ステップは、コンピュータプログラムのプログラムコード手段において実現されることができる。このコンピュータプログラムは、磁気共鳴画像内の組織分類のために構成されるスタンドアロンプログラムであり得る。更に、コンピュータプログラムは、ＭＲＩシステムに組み込まれることができる。ＭＲＩシステムは、第１及び第２の磁気共鳴画像を取得し、空気は経時的に形状を変えることができ、骨は経時的に形状を変えないという情報を利用することによって組織分類を実施するように構成されることができる。これは特に、ＭＲＩシステムが放射線治療デリバリシステム又はＰＥＴシステムと組み合わせられる場合、有利であり、なぜなら、これらの場合、組織分類は、放射線治療デリバリシステムによって使用される（オンライン）放射線治療計画計算又はＰＥＴシステムによって使用される減衰補正において使用されることができるからである。

本発明のこれらの及び他の見地は、以下に記述される実施形態から明らかになり、それらを参照して説明して説明される。

頭頸部領域、特に鼻腔を示す図。 本発明による方法のフロー図。 本発明による磁気共鳴イメージングシステムを概略的に示す図。

図１は、頭頸部領域、特に鼻腔の図を概略的に示す。この図は、骨組織１００及び空気１１０を示す。上の図１０１は、粘膜１２０の変化及びゆえに空気１１０の変化が誘起される前の状態を示す図である。下の図１０２は、（例えば、ヒスタミン、メタコリン又はフェノトラミンの投与により）変化が誘起された後の状態を示す。その結果、粘膜１２０は、上の左画像１２０ａと比較して下の画像１２０ｂのほうがより厚い。

一般に、頭頚部領域の空気で満たされた空洞は、粘膜組織１２０によって囲まれている。言い換えると、粘膜は、空気１１０と骨１００の間の中間層を表す。粘膜の実質的な厚さ変化を誘起することが可能である。骨の構造は硬いので、粘膜の厚さの増加は、空気空洞に向かって拡張することによってのみ実現することができる。これは、ＭＲＩ画像において空気と骨組織を区別するために使用されることができる。

図２は、本発明による方法のフロー図を示す。

ステップ１：第１の磁気共鳴画像を取得する（２０１）。第１の磁気共鳴画像は、第１の領域１１０及び第２の領域１００を含む。

ステップ２：予め決められた組織タイプを有する第３の組織の形状変化を誘起する（２０２）。この例では、第３の組織は、粘膜１２０である。

ステップ３：第２の磁気共鳴画像２０３を取得する。第２の磁気共鳴画像は、第１の領域１１０及び第２の領域１００を含む。第２の磁気共鳴画像において、粘膜及びゆえに第１の領域は、第１の磁気共鳴画像と比較して、変化した形状を有する。任意に、第１及び第２の磁気共鳴画像は、患者動きによって引き起こされる残余誤差を補償するために位置合わせされることができる。

ステップ４：第１及び第２の磁気共鳴画像２０４において第１及び第２の領域を識別する。これは例えば、ノイズレベル強度を示す第１及び第２の磁気共鳴画像の患者の表現内のすべてのボクセルを、「第１又は第２の領域」又は「骨又は空気」として分類することによって、達成されることができる。

ステップ５：第１及び第２の領域に関して第１の磁気共鳴画像と第２の磁気共鳴画像とを比較する（２０５）。

ステップ６：第１及び第２の画像の間の形状差の存在に基づいて、空気を表す領域として第１の領域を分類し、第１及び第２の画像の間の形状差の不存在に基づいて、骨を表す領域として第２の領域を分類する（２０６）。これは、例えば以下のようにして達成されることができる。第１の磁気共鳴画像におけるノイズレベル強度から第２の磁気共鳴画像における標準粘膜信号に変わるこれらのピクセルを、空気として分類する。第１の磁気共鳴画像において空気として分類されたピクセルに領域成長アルゴリズムを適用して、全ての残りの空気ピクセルを分類する。第１の画像におけるノイズレベル強度の全ての残りのピクセルを、骨ピクセルとして分類する。

当業者は、上述の方法における幾つかのステップが入れ替え可能であることを理解するであろう。例えば、第２の磁気共鳴画像を取得する前に、第１の磁気共鳴画像の第１及び第２の領域を識別することができる。更に、例えば、第１及び第２の領域を識別する前に、第１及び第２の磁気共鳴画像間の形状変化を最初に検出することができる（例えば、第１及び第２の磁気共鳴画像における対応するボクセル間の信号強度の変化を検出する）。ステップ順序の他の時間的な変更も可能である。しかしながら、形状変化は、第１の磁気共鳴画像の取得と第２の磁気共鳴画像の取得との間にあることを必要とする。

第１及び第２の画像を取得する好適な方法は、T1w Dixon(T1強調Dixon)シーケンスによるものである。T1w DIXONスキャンは、水タイプ組織及び脂肪タイプ組織の区別を可能にすることが分かっている。データ取得は、送信用の身体コイル、及び例えば信号受信用の１２素子フェーズドアレイ後方コイル及び１６素子フェーズドアレイ前方コイルを使用して、臨床ＭＲＩシステム（図３、３００）を達成することができる。Ｔ１強調３Ｄデカルト高速フィールドエコー取得が用いられ、ほぼ逆位相であるＴＥ_１＝１．１ｍｓ及びほぼ同位相であるＴＥ_２＝２．１ｍｓの磁化で２つの信号エコーを取得する。他のイメージングパラメータは、例えば、繰返し時間 ＴＲ＝３．３ｍｓ、フリップ角 α＝１０°、ボクセルサイズ １．７×１．７×２．５ｍｍ^３、ＦＯＶ ３００×４００×３５０ｍｍ^３である。

初期ステップとして、空気及び骨は、標準の医用画像処理によって可能な限り識別される（例えば頭頸部領域の場合には、口及び耳など）。残りの低強度画像領域が識別され、空気又は骨として分類されなければならないＮ個の領域を与える。全ての空気領域及び骨領域は、非空隙領域によって分離されており、すなわち、識別された各低強度領域は、空気又は骨のみを含むと仮定される。Ｎ個の低強度領域が、第１及び第２の画像の両方において識別され、対応するボリュームＶ_ｉｎがそれぞれ決定され、ここで、インデックスｉは、第１又は第２の画像を表し、インデックスｎ（１≦ｎ≦Ｎ）は、個々の低強度領域を表す。領域ｎは、以下の場合は空気として分類される：

すなわち、領域ｎの（正規化された）ボリューム変化は、特定の閾値Ｔより大きく、これは変化する粘膜の影響を示す。他方、領域ｎは、以下の場合は骨として分類される：

すなわち、領域ボリュームの観察される変化があまりに小さく、粘膜の変化に影響されていないことを示す。

個々の方法ステップは、コンピュータプログラムにおいて実現されることができる。このコンピュータプログラムは、組織分類のために構成されるコンピュータプログラムでありうる。この場合、第１及び第２の磁気共鳴画像が、コンピュータプログラムによって受け取られ、コンピュータプログラムは、そののち、方法ステップ４−６を実施するように構成される。更に、コンピュータプログラムは、ＭＲＩシステムに組み込まれることができる。それら場合、方法ステップ１及び３−６は、コンピュータプログラムによって実施されることができる。

図３は、本発明による磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）システムを概略的に示す。ＭＲＩシステム３００は、関心領域３０７からＭＲデータを取得するように磁気共鳴イメージングシステムを制御するプロセッサ３０５を有し、このプロセッサは更に、ここに記述された組織分類の方法を実施するコンピュータプログラムを実行するように構成される。ＭＲＩシステム３００は、放射線治療デリバリシステム３１０又はＰＥＴシステム３１０のいずれか一方と組み合わせられることができる。ＭＲＩシステムは、組織分類を使用して放射線治療計画を生成するように構成されることができる。ＭＲＩシステムは、組織分類を使用してＰＥＴ画像の減衰補正するように構成されることができる。

本発明は、図面及び前述の説明において詳細に図示され説明されているが、そのような図示及び説明は、限定的ではなく例示的又は例示的であると考えられるべきである。本発明は、開示される実施形態に限定されない。

Claims (12)

1. 第１の領域及び第２の領域を有する磁気共鳴画像内の関心領域における組織分類の方法であって、
   前記第１及び前記第２の領域の表現を有する第１の磁気共鳴画像を取得するステップと、
   空気領域に形状変化を誘起する、又は空気領域に形状変化が生じるのを待つ、ステップと、
   前記第１及び前記第２の領域の表現を有する第２の磁気共鳴画像を取得するステップであって、
   前記第１の領域は、前記第１の磁気共鳴画像の取得中と比較して、前記第２の磁気共鳴画像の取得中は異なる形状を有する、ステップと、
   前記第１及び前記第２の磁気共鳴画像において前記第１の領域及び前記第２の領域を識別するステップと、
   前記第１の領域及び前記第２の領域の前記表現に関して前記第１の磁気共鳴画像と前記第２の磁気共鳴画像とを比較するステップと、
   前記第１及び前記第２の磁気共鳴画像の間の形状差の存在に基づいて、前記第１の領域を、空気を表現する領域として分類し、
   前記第１及び前記第２の磁気共鳴画像の間の形状差の不存在に基づいて、前記第２の領域を、骨として分類するステップと、を有する方法。
2. 前記第１の領域の前記形状差が、予め決められたタイプの第３の組織の形状変化によって引き起こされ、
   前記第３の組織は、前記第１及び前記第２の磁気共鳴画像の一方又は両方に存在する、請求項１に記載の方法。
3. 前記第１の磁気共鳴画像の取得と前記第２の磁気共鳴画像の取得との間に、前記第３の組織の形状変化を誘起するステップを更に有する、請求項２に記載の方法。
4. 前記組織分類を使用して、前記関心領域の疑似ＣＴ画像及び／又は減衰マップ及び又はデジタル再構成されたラジオグラフを生成するステップを更に有する、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記第１及び前記第２の磁気共鳴画像は、被検体の頭部／頸部領域の画像であり、前記形状差は、粘膜の厚さの変化によってもたらされる、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の方法。
6. 第１の領域及び第２の領域の表現を有する磁気共鳴（ＭＲ）画像内の関心領域における組織分類の方法の各ステップをコンピュータに実行させるプログラムコード手段を有するコンピュータプログラムであって、前記第１の領域は空気を表し、前記第２の領域は骨を表し、
   前記方法が、
   前記関心領域から取得されるＭＲデータに基づいて前記第１及び第２の領域の表現を有する第１の磁気共鳴画像を受け取るステップと、
   前記関心領域から取得されるＭＲデータに基づいて前記第１及び第２の領域の表現を有する第２の磁気共鳴画像を受け取るステップであって、前記第１の磁気共鳴画像における前記第１の領域の表現の形状が、前記第２の磁気共鳴画像と異なり、前記形状の差が、前記第１の磁気共鳴画像の取得と前記第２の磁気共鳴画像の取得との間の前記第１の領域の変化によってもたらされる、ステップと、
   前記第１及び前記第２の磁気共鳴画像内の前記第１の領域及び前記第２の領域を識別するステップと、
   前記第１の領域及び前記第２の領域の表現に関して前記第１の磁気共鳴画像と前記第２の磁気共鳴画像とを比較するステップと、
   前記第１及び前記第２の磁気共鳴画像の間の前記形状の差の存在に基づいて、前記第１の領域を、空気を表す領域として分類し、前記第１及び前記第２の磁気共鳴画像の間の形状の差の不存在に基づいて、前記第２の領域を、骨を表す領域として分類するステップと、
   を有するコンピュータプログラム。
7. 前記第１及び前記第２の磁気共鳴画像は、被検体の頭部／頸部領域の画像であり、前記形状の差が、前記第１及び前記第２の磁気共鳴画像の間の粘膜の厚さの変化によってもたらされる、請求項６に記載のコンピュータプログラム。
8. 前記方法が、前記組織分類を使用して、前記関心領域の疑似ＣＴ画像及び／又は減衰マップ及び又はデジタル再構成されたラジオグラフを生成するステップを更に有する、請求項６又は７に記載のコンピュータプログラム。
9. 前記第１及び前記第２の磁気共鳴画像がT1w Dixon画像である、請求項６乃至８のいずれか１項に記載のコンピュータプログラム。
10. 関心領域からＭＲデータを取得するように磁気共鳴イメージングシステムを制御するプロセッサを有する磁気共鳴イメージングシステムであって、前記プロセッサが、請求項６乃至９のいずれか１項に記載のコンピュータプログラムを実行するように構成される、磁気共鳴イメージングシステム。
11. 放射線治療デリバリシステムを更に有し、前記磁気共鳴イメージングシステムが、前記組織分類を使用して放射線治療計画を生成するように構成される、請求項１０に記載の磁気共鳴イメージングシステム。
12. ポジトロンエミッショントモグラフィ（ＰＥＴ）システムを更に有し、前記磁気共鳴イメージングシステムが、前記組織分類を使用してＰＥＴ画像の減衰補正を行うように構成される、請求項１０に記載の磁気共鳴イメージングシステム。

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