JPH04505863A - 定量コンピュータ断層撮影システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 定量コンピュータ断層撮影システム 発明の背景 １、発明の分野 本発明は定量コンピュータ断層撮影法の分野に、および特に生物体中の組織サン プルのＣＴ値を再生できるように計測するためのシステムに関する。

２、関連した技術の記載 コンピュータ断層撮影法（ＣＴ）は侵入せずに患者内の冒された領域の３次元画 像を得ることによって柔らかい組織を定性分析するための方法として開発された 。しかし多くの病状の診断は、冒された器官或いは組織の定量分析を必要とする 。これは従来生物体外で分析を行うために、例えば冒された器官の相対的な密度 或いは構成を決定するために、組織サンプルを獲得する痛みをともないまたしば しば危険な侵入方法を必要としてきた。

ＣＴ分析の非侵入性および患者の正確な３次元断面を走査する能力の故に、ＣＴ 定走査ら得られたデータを定性的にと同様に定量的に使用することが提案されて きた。

定量的ＣＴ分析に対して適切であると認められた健康状態の１つのタイプは骨粗 壓である。骨粗壓の評価は、冒されたを椎組織内の骨ミネラル密度の計測を含む 。しかし骨粗壓の定量的ＣＴ分析は、このような非侵入定量的ＣＴ分析およびＣ Ｔ走査装置の広範囲にわたる有効性によって得られる潜在的な長所にも拘らず、 その精度を厳しく制限している実用上の欠点に悩んできた。

定量的ＣＴ分析を利用する際の第１の問題は、患者の多様性および患者の位置付 けに帰するＣＴ定走査得られたＣＴ値の較正であった。ＣＴ定走査使用されるＸ 線スペクトルの減衰は、例えば特定のを椎骨のような対象となる部分内の組織に よってのみならず、Ｘ線ビームを減衰させもする対象となる部分の周囲の組織の 厚さおよび密度によってもまた影響を受ける。冒された骨組織の密度はそれ自身 多様性であるから、付加的な基準なしにＣＴ定走査較正することは不可能である 。

最近では、“ファントム”として知られ患者に対して外部にあるがＣＴ定走査パ ス内に配置された基準を提供することによって、周辺の他の雑多な組織の中に位 置付けられたある組織のＣＴ値の多様性の問題を修正しようとする試みが成され てきた。このような基準“ファントム”はＸ線ビームの“硬化”および患者の多 様性に相関する散乱の影響を始末することによっである程度上手くいっているが 、それにも拘らず、Ｘ線スペクトルおよびファントムと目標となる組織との間の 散乱分布の位置による違い、基準ファントムに対する患者の動きから結果として 生じる変化、ＣＴ分布の平均を採る現在のやり方から結果として生じる容積平均 の困難さ、のような問題は免れない。

外部基準ファントムの使用に付随した問題を解決するため、冒された組織の近く にある内部の基準組織が利用され得ることが提案されている。可能性を包蔵する 生物体中の基準組織は脂肪および筋肉を含み、その比較的一定な密度およびを椎 骨組織に対して極めて近似していることは、それらを外部基準ファントムを必要 とすることなくＣＴ定走査較正するのに使用するための適切な候補にする。

しかし、今までは生物体中の脂肪および筋肉組織に対して有効なＣＴ値を再生で きるように得ることは不可能であった。

何故なら、脂肪および筋肉組織の混在という不可避の影響を排除するためのおよ びＣＴ断面全体にわたってこのような組織の不均一な分布を始末するための有効 な方法が存在しなかったからである。

脂肪および筋肉の領域に対するＣＴ定走査ら得られたいかなる定量的分布も、走 査のバス内の他の組織からのバックグランド（ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ）と同様脂 肪および筋肉の混在を示す領域を必ず具備するであろう。混在は基本的にランダ ムであるので、このような混在を示すＣＴ値はＣＴ値を組織の密度に相関させる ための参照基準を得るのには使用されない。

発明の概要 本発明は、適切に選択されたＣＴ値ヒストグラムを分析する方法を提供してバッ クグランドの散乱および組織の内部混在の影響を削除することによって、従来の 技術の問題を解決するための方法および手段を提供することである。

個々の組織のＣＴ値は、個々の組織を示すヒストグラムの範囲内のヒストグラム 分布曲線の立ち上がり縁を位置付けることによって得られる。立ち上がり縁の値 は、例えばその立ち上がり縁の値から得られたバックグランドおよび内部混在に 対して仮定された値の減算に続いて、曲線のモーメント（ｍｏｍｅｎｔ）を算出 且つ調整することによって、それに対して実際のヒストグラム分布が計測され得 る純粋な組織サンプルを示すモデル曲線構成のための出発点として使用される。

調整されたＣＴ値は、それによって他のＣＴ値が他の組織を分析するのに使用す るための密度のような物理量に変換され得る基準プロットを作り出すために使用 される。

図面の簡単な説明 第１ａ図乃至第１ｅ図は、それによって意味のある曲線が最初のヒストグラム分 布から得られる過程を示す。

第２ａ図および第２ｂ図は、ＣＴ値を参照基準として使用するため既知量に変換 する処理を示す。

第３ａ図および第３ｂ図は、好ましい実施例の方法の詳細を示すフローチャート である。

好ましい実施例の記載 第１ａ図乃至第１ｅ図および第２ａ図および第２ｂ図は、第３ａ図および第３ｂ 図に示された好ましい方法を実行した結果を示している。方法の各ステップはＣ Ｔ走査装置に関連した適切なソフトウェアおよびハードウェアによって履行され る。

第１のステップ１００は冒されたを椎および脂肪と筋肉組織とに近似の部分とを 具備するＣＴ定走査することである。対象となる部分は、冒された骨組織の領域 内に脂肪および筋肉のできるだけ高いパーセンテージを具備するように選択され る。医者或いは資格を有する研究室技能者は分析に対する適当な範囲を選択し、 そして３次元の範囲の空間的パラメータをコンピュータに入力することができる であろう。規定された領域内の脂肪および筋肉のパーセンテージが高ければ高い ほど、より正確な較正が行われる。

そしてコンピュータはステップ１０１で示されるように、選択された範囲ＯＣＴ 走査から結果として生じる画素値のヒストグラムを算出する。画素値は、ビーム のパス内の種々の組織によるＸ線ビームの減衰を示す“ＣＴ値”に対応する。

この点で、明らかにシステムエラーおよびバックグランドの影響の結果であるヒ ストグラム値は、ステップ１０２で示されるように、隣接したＣＴ値のグループ にわたるヒストグラムを平均化することでフィルタされてヒストグラム内の鮮明 な不連続性を排除されることができる。

第１ａ図は、典型的にフィルタされたを椎の領域内のＣＴ値分布のヒストグラム を示す。ＣＴ値の頻度の分布は個々の脂肪および筋肉組織からのみならず、周囲 の身体組織によるＸ線の減衰および散乱の影響と同様脂肪と筋肉との不可避の混 在からの結果としても生じる。実際のヒストグラムは当然ながら患者によってお よび使用された走査装置のタイプによって変化するであろう。

本発明の好ましい実施例では、分離された筋肉および脂肪のＣＴ値が、を椎組織 を分析するのに使用するためこのヒストグラムから導出される。そして得られた ＣＴ値は脂肪および筋肉に対する既知の密度値に対してプロットされて、第２ｂ 図に示されるようなＣＴ値対密度の基準曲線１６を得る。

基準曲線が得られる方法は以下に詳細に記載されるであろうが、それによって調 整された曲線が得られる方法の記載が最初に所与されるであろう。

フィルタされたヒストグラムを得た後、ヒストグラムに対して脂肪および筋肉の ＣＴ値を位置付けるための探索パラメータが規定されねばならない（ステップ１ ０４）。これは、このようなヒストグラムの成る一般的な特徴を認識することに よって達成される。第１ａ図に示されるように、脂肪に対するＣＴ値は参照符号 １によって示され且つほぼ−１４０と−２０との間のＣＴ値を有するヒストグラ ム曲線の領域内に明確に位置するが、一方筋肉に対するＣＴ値はほぼ２０と１０ ０との間に位置する。走査装置によって、上述された範囲は事実上すべてのを椎 の筋肉および脂肪のピーク（ｐｅａｋ）をつかまえるであろうことがわかってき た。したがって探索は、下記により詳細に説明されるであろうように、ヒストグ ラムのそれらの領域を具備するように規定される。

さらに探索ルーチンは、バックグランドの影響および内部混在がないときは脂肪 および筋肉の分布が別々の“ガウス型”曲線であるという事実を利用する。

バックグランドの減衰および散乱の影響は“脂肪“および“筋肉”領域の外側の ＣＴ値の軸に沿った領域内の非ゼロＣＴ値頻度に見られることができ、そして混 在の影響は“デルタ“或いはガウス型分布からの分布の偏向に見られる。これは 特に第１ａ図に示されるように脂肪の“ピーク“の右側および筋肉の“ピーク” の左側において真である。何故なら、筋肉に対するＣＴ値の範囲は脂肪に対する 範囲の右に位置付けられているからである。

本発明の基礎的な方法は、脂肪および筋肉の各曲線の立ち上がり縁を位置付ける ことによって、純粋な脂肪および筋肉を示す理論的なガウス型曲線からの実際の ＣＴ値の分布曲線の偏差を計算することである。これは非常に重要である。何故 なら、これらは少なくとも内部混在によって影響されそうな領域だからである。

第１ａ図に示されるように、脂肪の分布の左側３は“立ち上がり“縁であると規 定されるが、一方筋肉の分布の右側４もまた“立ち上がり”縁であると規定され る。

立ち上がり縁のベースは、この曲線の傾斜が十分な数のサンプルに対する閾値傾 斜を越える領域を探索することによって決定される。これは、バックグランド内 のスパイクが第１ａ図の参照符号５によって示されるような間違った傾斜を作り 出すであろうからである。

立ち上がり縁を位置付けるために、上述されたように探索パラメータが規定され ねばならない。最も重要な探索パラメータは、特定の順序はないが、閾値、探索 開始点、探索方向、探索終了点、そしてベース幅である。

述べられた第１のパラメータ“閾値”は、ピークの始まりを示すように期待され た最小の傾斜である。閾値は対象となる範囲のサイズによって規定される。対象 となる範囲が大きくなればなるほど、ピークを規定するのに必要とされる傾斜は 小さくなる。

探索の開始点は、潜在的な脂肪および筋肉のピークが位置すると看取されたヒス トグラムのＣＴ値範囲の外側であるように規定される。第１図に示されたヒスト グラムでは脂肪に対する探索の開始点は−１４０より小さい値として選択され、 そして筋肉に対する探索の開始点は第１図に示されるように＋１００より大きい 値として選択される。

目標となる組織を具備するヒストグラムの領域の外側で探索を開始することによ って、重要な利点が実現可能な代わりの分析方法以上に得られることは注目され るべきである。これは探索が、平均的なＣＴ値を得るために最も高いと考えられ る脂肪および筋肉の領域をすぐに記録するように企てている場合であるかのよう に正確な開始地点を必要としないからである。この点での探索は単に“立ち上が り”縁のためのものであり、正確な筋肉或いは脂肪の場所のためのものではない 。

そして探索方向が、例えば探索“増分“という術語によって、選択される。好ま しい実施例では、＋１という脂肪に対する探索増分は探索が第１ｂ図の矢印７に よって示されたようなヒストグラムに沿って右に動きながら、分析のための各Ｃ Ｔ値頻度を検索するであろうことを意味する。同様に、筋肉に対する探索増分は 矢印８によって示されるように負である。

探索終了地点もまた、ステップ１０３の一部として選択される。もし探索が立ち 上がり縁が見つけられ易い地点を越えて進むならば、その探索は終結される。示 されたヒストグラムでは、＋２０は筋肉の探索に対しては適切な終了地点である が一方−６０は脂肪の探索に対して適切な終了地点である。

最後に“ベース幅”が選択される。“ベース幅”は基本的には、理想的な純粋の 脂肪或いは筋肉のヒストグラム分布の高さの約２０パーセントの幅である。脂肪 および筋肉の両者に対して、ベース幅は第１図に示されたヒストグラムに対して ８０であると選択される。この“ベース幅”は、さらなる分析のために仮定され た立ち下がり縁を位置付けるのに使用されるであろう。

一旦探索パラメータがコンピュータプログラム内の変数として選択され且つ規定 されると、探索が始まる（ステップ１０４）。ヒストグラムの値がメモリバッフ ァから検索されると、分布曲線の導関数が計算されそして“閾値”と比較される （ステップ１０５）。もし導関数が増分の十分な値に対する閾値を越えるならば 、立ち上がり縁が検知されたと見なされる（ステップ１０６）。

゛　一旦立ち上がり縁の位置が確立されると、曲線の左側に対するＣＴ値の頻度 は立ち上がり縁でのバックグランドの寄与を示すベースラインを確立する。上述 されたように、もし脂肪および筋肉のＣＴ値がバックグランドの影響によって影 響されないならば、ベースラインはゼロであるだろう。

さらに、もしバックグランド或いは脂肪と筋肉との混在が存在しないならば、曲 線の立ち下がり側のその頻度は理論的にはゼロになるであろう。本発明の方法は 、組織混在の影響がピークを横断して線形に減少するということと、ピークのベ ースの理論的ベースより下のすべてのものは事実上削除されることとを仮定する 。

バックグランドの影響の中のベースライン寄与は実際、立ち上がり縁の頻度値す なわち曲線の高さ１１　（第１Ｃ図参照）を採ることによって決定される（ステ ップ１０７）。もしバックグランドおよび混在が存在しないならば、立ち上がり 縁の高さはゼロになるであろう。バックグランドのベースラインに対するより正 確な値を確実にするために、立ち上がり縁の直前に先行する値の平均が採られ得 る。

そして上述された“ベース幅“の値は立ち上がり縁のＣＴ値に加えられて、仮定 された立ち下がり縁を位置付ける（ステップ１０８）。バックグランド或いは組 織の内部混在のない純粋な組織サンプルの場合でも立ち下がり縁の高さはゼロで あるだろうということが、再度仮定される。

このとき、ＣＴ値の内部混在の影響が立ち下がり縁から立ち上がり縁へと線形に 減少するという仮定が利用される。立ち下がり縁の高さ引くバックグランドのベ ースラインの高さが採られて、組織の“ピーク”の立ち下がり縁での組織の内部 混在の量をもたらす。

基本的にステップ１０９および１１０では、１本のラインが立ち上がり縁から立 ち下がり縁へとひかれ、そしてこのラインより下のすべてのものはヒストグラム から削除される。これはこのようなラインがＸ軸に沿って増え且つヒストグラム 曲線のＹ値からベースラインの値にＹ値を足した値を減算するようにして傾斜を 算出することによって行われる（例えばもラインの傾斜はｍであり、ベースライ ン値はｂであるとするならば、減算された曲線ｆ−（ｘ）はｆ　−（ｘ）　＝ｆ 　（ｘ）−（ｍｘ＋ｂ）によって所与されるであろう）。

その結果は、バックグランドおよび内部混在の両者の影響をほぼ排除する均一に 調整されたヒストグラム曲線である。

適切な探索パラメータを使用してのバックグランドの減算の同様の行程は、ヒス トグラムの脂肪および筋肉の両者の範囲に対して実行される。

そしてバックグランドを減算された曲線は計算に適合する曲線に合わせられて、 真のガウス型曲線からのその偏差を決定する。上で説明したようにガウス型曲線 のパラメータ或いは“モーメント”は、周囲の組織および組織の内部混在によっ て影響されない曲線のパラメータを示している。ステップ１１６では、曲線のモ ードはこの分析に基いて選択され、そして走査装置を較正する際に使用するため の計測されたＣＴ値として採られる。

モードに適合させ且つモードを見つけるために曲線を分析するのに使用され得る 種々の統計的分析技術は既知である。

それはまた、他のどのモーメントも最も高い頻度のＣＴ値であるこのモードと同 じくらい意味があるとは信じないとしても、他のガウス型モーメントによって曲 線を分析することもまた可能である。

特に好ましい分析方法は“カイ２乗”検定であるが、その詳細は当業者にとって は既知であるので本発明には記載されない。一旦その曲線が“カイ２乗空間”に 転送されると、その高さの２０％で曲線の幅になるように規定されるその幅が理 論的に適切な幅、例えば上述されたベース幅、と比較され、そしてその曲線はも し純粋な脂肪或いは筋肉を示すようには見えないならば却下される。

曲線適合分析の間に得られた幅は初めに仮定されたベース幅の代わりにされるこ とができ、そして減算処理がより高い精度のための反復処理の中で繰り返される ことができる。

第１ｅ図は反復処理の結果を示しており、比較のために結締組織のヒストグラム をも含んでいる。

曲線が適切かどうかを分析するためにベース幅以外のパラメータを使用すること もまた可能である。例えば立ち上がり縁の実際の傾斜は、その曲線の有効性を示 すのに幅よりもさらに信頼できるインジケータになり得る。

一旦脂肪および筋肉に対するＣＴ値が得られると、その値はＣＴ値対密度の較正 されたプロットを得るのに使用されることができる（ステップ１１８）。第２ａ 図および第２ｂ図を参照すると、ＣＴ値はＣＴ値対“等価骨密度”のグラフのＹ 軸に沿ってプロットされる。筋肉および脂肪の両者の等価骨密度は既知であり、 グラフのＸ軸に沿ってプロットされる。

そして計測されたＣＴ値と等価骨密度との間の関係を示すライン１６がひかれる 。

等価骨密度は当然ながら、走査ビームのエネルギによって異なるであろう。また 、好ましい等価骨密度は皮質骨のｍｇ／ｃｃを単位として表現されるが、等価骨 密度の多くの他の単位もまた既知であることが認識される。

第２ｂ図に示されるように、そのときライン１６は対象となる結締組織の等価骨 密度を得るのに使用されることができる。

結果として生じる密度値は大いに再生可能であり、従来の技術の方法によって得 られた値とは異なって、患者の正確な位置付けに依存しない。再生性は、結締骨 に対する１乃至２のＣＴ値のサンプル標準偏差を出した１、５乃至２．５ｍｍの 対象となる位置付は違いの故意の範囲を伴う３３の画像を調査する。

これは、通常の患者に対して１％そして骨粗幹症患者に対して１乃至２％より良 い精度に変える。従来の技術の方法は、通常の患者に対して２％よりもわずかに 低いそして骨粗眩症患者に対しては３乃至４％高い再生性エラーを生じた。

結論として、本発明は生物体中の組織に対する定量的ＣＴ値の便利な信頼できる 導出に対して有効な道具を提供する。

道具は外部較正ファントムを必要とせず、そしてそれ故に実際に臨床の場で使用 される。本発明は、患者の位置付けへの依存度が減少している故に再生性におけ る重要な改善を可能にする。

本発明の方法および手段はまた、肺、腎臓或いは肝臓組織のような組織を含んだ 健康状態の評価に対して、および腫瘍の評価に対してもまた有効であるだろうこ とが予想される。

多数の他の変形例もまた当業者に思い浮かぶであろう。それ故に本発明は記載さ れた実施例に限定されないが、添付の請求の範囲によってのみ規定されることに なっている。

ＦＩＧ、ｌａ　ＦＩＧ、１ｂ ＦＩＧ、ｔｅ 脂肪　筋肉 既知の等偏置密度（鴎ｏ／ｃｃ） 既知の等偏置密度（ｍｇ／ｃｃ） 国際調査報告 −１−−＾噛−Ｎ４ＰＣＴ／［ＩＳ８９１０５２７７

Claims (20)

【特許請求の範囲】
1. １．選択された組織のＣＴ値を決定するための方法であり、前記組織を含む走査 範囲のコンピュータ断層撮影走査から得られたＣＴ値のヒストグラムを算出する ことと、その立ち上がり縁を位置付けることによって前記ヒストグラム内のピー クを同定することと、 前記ピークの第１のモーメントが予め定められた限界内にあるかどうかを決定す ることと、 ピークを調整して、前記第１のモーメントを前記予め定められた限界内に適合す るように変化させることによって調整されたピークを得ることと、 前記選択された組織のＣＴ値を示す第２のモーメントであるピークの第２のモー メントを算出することのステップを具備する方法。
2. ２．前記組織が脂肪かあるいは筋肉かのいずれかである請求項１記載の方法。
3. ３．組織の混在によって最も影響されそうにないピークの縁を位置付けることに よってピークが同定されるように、ピーク探索開始地点および方向を選択すると いうステップをさらに具備する請求項１記載の方法。
4. ４．バックグランドのおよび組織の内部混在の影響から結果として生じるＣＴ値 を減算するステップをさらに具備する請求項１記載の方法。
5. ５．ピークの立ち上がりおよび立ち下がり縁のベースを位置付けることによって 、および前記立ち上がりおよび立ち下がり縁の前記ベースを結ぶラインの下にあ るピークの領域に対応するそれらのＣＴ値を減算することによって、前記ＣＴ値 が減算される請求項４記載の方法。
6. ６．前記第１のモーメントが前記ピークのベース幅である請求項１記載の方法。
7. ７．前記第２のモーメントが前記ピークのモードである請求項１記載の方法。
8. ８．前記ヒストグラム内の第２のピークを同定することと、前記第２のピークの 第１のモーメントが予め定められた限界内にあるかどうかを決定することと、第 ２のピークを調整して前記第１のモーメントを前記予め定められた限界内に適合 するように変化させることによって第２の調整されたピークを得ることと、第２ のピークの第２のモーメントが第２の組織を代表するＣＴ値を示している前記第 ２のピークの前記第２のモーメントを算出することのステップをさらに具備する 請求項１記載の方法。
9. ９．前記選択された組織の前記ＣＴ値および第２の組織を代表する前記ＣＴ値が 基準グラフの１つの座標軸上にプロットされ、そして前記選択されたそして第２ の組織の物理的パラメータの既知の値が前記基準グラフの第２の座標軸上にプロ ットされてＣＴ値による前記物理的パラメータの未知の値を見出すために使用さ れることができる基準ラインを得る請求項８記載の方法。
10. １０．前記物理的パラメータは密度である請求項９記載の方法。
11. １１．選択された組織のＣＴ値を決定するためのシステムであり、 前記組織を含む走査範囲のコンピュータ断層撮影走査から得られたＣＴ値のヒス トグラムを算出するための手段と、その立ち上がり縁を位置付けることによって 前記ヒストグラム内のピークを同定するための手段と、前記ピークの第１のモー メントが予め定められた限界内にあるかどうかを決定するための手段と、ピーク を調整して、前記第１のモーメントを前記予め定められた限界内に適合するよう に変化させることによって調整されたピークを得るための手段と、 前記選択された組織のＣＴ値を示す第２のモーメントであるピークの前記第２の モーメントを算出するための手段とを具備するシステム。
12. １２．前記組織が脂肪かあるいは筋肉かのいずれかである請求項１１記載のシス テム。
13. １３．組織の混在によって最も影響されそうにないピークの縁を位置付けること によってピークが同定されるように、ピーク探索開始地点および方向を選択する という手段をさらに具備する請求項１記載のシステム。
14. １４．バックグランドのおよび組織の内部混在の影響から結果として生じるＣＴ 値を減算するための手段をさらに具備する請求項１１記載のシステム。
15. １５．ピークの立ち上がりおよび立ち下がり縁のベースを位置付けることによっ て、および前記立ち上がりおよび立ち下がり縁の前記ベースを結ぶラインより下 にあるピークの領域に対応するそれらのＣＴ値を減算することによって、前記Ｃ Ｔ値が減算される請求項１４記載のシステム。
16. １６．前記第１のモーメントが前記ピークのベース幅である請求項１１記載のシ ステム。
17. １７．前記第２のモーメントが前記ピークのモードである請求項１１記載のシス テム。
18. １８．前記ヒストグラム内の第２のピークを同定するための、前記第２のピーク の第１のモーメントが予め定められた限界内にあるかどうかを決定するための、 第２のピークを調整して前記第１のモーメントを前記予め定められた限界内に適 合するように変化させることによって第２の調整されたピークを得るための、そ して第２のピークの第２のモーメントが第２の組織を示すＣＴ値を示している前 記第２のピークの前記第２のモーメントを算出するための手段をさらに具備する 請求項１１記載のシステム。
19. １９．前記選択された組織の前記ＣＴ値および第２の組織を代表する前記ＣＴ値 が基準グラフの１つの座標軸上にプロットされ、そして前記選択されたそして第 ２の組織の物理的パラメータの既知の値が前記基準グラフの第２の座標軸上にプ ロットされてＣＴ値による前記物理的パラメータの未知の値を見出すために使用 されることができる基準ラインを得る請求項１８記載のシステム。
20. ２０．前記物理的パラメータは密度である請求項１９記載のシステム。