JPH11320A - 拡散テンソルの拡散係数を表示する磁気共鳴装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 神経線維の走行を表示するのに好適な表示装
置を提供する。 【解決手段】 表示装置に、画像上の各点における拡散
テンソルを用いて、（１）所定の点を始点として拡散係
数の最も高い方向を導出し、（２）該方向で所定の距離
離れた位置にある次の点を導出し、（３）導出された次
の点を始点としてステップ（１）、（２）を繰り返し、
（４）得られた一連の点からなるデータを作成する処理
手段と、該処理手段により得られたデータを表示する表
示手段を備える。（１）から（４）のステップにより神
経線維に沿った一連の点からなるデータが作成でき、こ
れを表示することで神経線維の走行が容易に把握可能と
なる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、磁気共鳴装置に関
し、特に、神経線維や繊維状の組織などの繊維状の生体
組織の走行状態を求める方法及び求めた繊維状の生体組
織の走行状態を表示するのに好適な表示装置を有する磁
気共鳴装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】磁気共鳴装置による拡散計測とは、測定
対象に含まれる分子の拡散係数を測定する方法である。
測定された拡散係数には、生体中での細胞膜や細胞内構
造物などの制限や細胞内流動などの流れや運動など様々
な要因が加味されている。このため、純粋な拡散係数を
得ることはできないが、逆に生体の状態を反映した情報
を持つために臨床応用が検討されている。

【０００３】特に、神経線維走行の計測は、拡散計測の
応用技術の一つである。神経線維およびそれをとりまく
ミエリン鞘内の水分子の拡散は、線維の走行方向と平行
な方向ではほとんど制限されないが、線維の走行方向と
直交する方向では細胞膜の影響で強く制限される。この
ため、拡散係数を測定すると神経繊維の走行と平行な方
向では高く、直交する方向では低くなる。これは拡散異
方性と呼ばれ、磁気共鳴装置によって３行３列の対称行
列からなる拡散テンソルが計測される。この拡散テンソ
ルの主値（最大固有値）と主ベクトル（最大固有値に対
応する固有ベクトル）を計算することで神経線維の走行
方向を求めることが可能となる。これについては、ジャ
ーナル・オブ・マグネチック・レゾナンス誌（Journal
of Magnetic Resonance誌）、B 103号、247-254頁、199
4年発行に報告されている。

【０００４】得られた神経線維の走行を表示する方法と
しては楕円球を用いる方法（バイオフィジカル・ジャー
ナル誌（Biophysical Journal誌）、66号、259-267頁、
1994年発行）、マクシマム・インテンシテイ・プロット
（Maximum Intensity Plot：MIP）を用いる方法（特開
平７−３７１）、矢印や三角形を用いる方法（マグネチ
ック・レゾナンス・イン・メジスン誌（Magnetic Reson
ance in Medicine誌）、 34号、786-791頁、1995年発
行）が提案されている。

【０００５】楕円球を用いる方法は各ボクセルで得られ
た拡散テンソルを楕円球で表すものである。楕円球の長
軸が神経線維の走行方向を、楕円球の扁平度が拡散異方
性の度合いを示していることから、各ボクセル内におけ
る神経線維の走行方向を確認するには適している。しか
し、２次元の画像をこの表示方法で表した場合、ボクセ
ル間の関係が明瞭ではなく、全体として神経線維がどの
ように走行しているか把握することは困難になる。さら
に３次元の場合には表示自体も困難である。

【０００６】ＭＩＰを用いる方法は、ある方向に拡散強
調を施した複数のスライスからなる画像を取得し、その
輝度の高い部分、すなわち神経線維の部分だけを表示す
る方法である。この方法では神経線維の脱髄疾患などの
異常を発見しやすいが、各ボクセルでの神経線維の走行
方向などを観察することはできないという欠点を持つ。

【０００７】矢印などを用いる方法は、拡散テンソルの
主成分を矢印などで表し、形態画像上に重ねて表示する
方法である。この表示方法では、２次元画像では神経線
維の走行を把握しやすいが、３次元の場合に困難になる
点、および空間分解能を落とすか形態画像を拡大して表
示させなければならない点が問題である。

【０００８】以上説明したように、以上の３つの方法で
は神経線維の走行を容易に把握することは困難である。
特に白質の神経線維が灰白質のどの領野を連結している
か、その神経線維の走行に異常はないかなどを同時に把
握することは、各ボクセルでの走行方向の情報とボクセ
ル間での連結情報が不可欠なことから困難であった。

【０００９】また、神経線維だけでなく心筋などの筋線
維の走行についても上記方法を応用した計測方法が提案
されている。これについては、例えばマグネチック・レ
ゾナンス・イン・メジスン誌、 34号、786-791頁、1995
年発行に報告されている。これについても同様の問題が
ある。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術では、神
経線維の走行を容易に把握できるように表示することは
困難である。特に、ボクセル間で神経線維がどのように
連結しているか把握することが難しいために、神経線維
全体の走行を把握することは困難である。例えば、灰白
質のどの領野が神経線維によって結ばれているか把握す
ることや、その走行に異常が存在しないかを把握するこ
とは困難であった。本発明の課題は、神経線維の走行を
把握するのに好適な表示装置を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明では、画像上の各
点における拡散テンソルを用いて、最も拡散係数の高い
方向にある点を導出し、導出された一連の点からなるデ
ータを作成する処理手段と、作成された一連の点からな
るデータの表示手段を備える表示装置を提供する。具体
的な処理手段は、任意の始点において拡散係数が最も高
い方向を計算し、その方向で前記始点から所定の距離だ
け離れた次の点を導出し、この次の点においても拡散係
数が最も高い方向を計算し、所定の距離だけ離れた次の
点を導出して順次繰返し、この繰返しによって一連の点
からなるデータを作成することからなる。拡散係数の最
も高い方向が神経線維などの繊維状の生体組織の走行方
向と一致するため、この処理によって生体組織の走行に
沿った点が一連のデータとして作成され、この一連のデ
ータを表示することで生体組織の走行が容易に把握可能
となる。

【００１２】また、本発明は、始点となる一点もしくは
ある領域の中の複数の始点からそれぞれ一連のデータを
作成してもよい。これにより、注目したい点もしくは領
域のみの繊維状の生体組織を選択することが可能とな
る。

【００１３】また、次の点までの距離を設定する際に、
計算された拡散係数の大きさに応じて該距離を変化させ
ても良い。ボクセル内で繊維状の生体組織の曲率が小さ
い箇所ではこの組織が同一方向に整った形状を成すため
に、この方向での拡散係数が高くなる。このため、拡散
係数の高い箇所で該距離を大きくすることで、誤差はあ
まり大きくならないが、繰り返し計算の回数低減、すな
わち、処理時間の短縮が可能となる。

【００１４】また、導出された点における信号強度の大
きさが所定の値よりも小さい場合、または拡散係数の拡
散異方性が小さい場合の少なくとも一方の条件が満たさ
れた場合には繰り返しする処理を終了しても良い。これ
により対象物体の存在しない点や信号強度が低く十分な
精度が得られない点、もしくは繊維状の生体組織の走行
が整っておらず拡散異方性が小さくなった点を一連のデ
ータから除外することが可能となる。

【００１５】また、一連の点からなるデータを表示する
手段において、該データを折れ線もしくは曲線で連結
し、磁気共鳴装置により得られた画像上に重ねて表示し
ても良い。これにより、形態画像と繊維状の生体組織の
走行の両方を同時に観察可能なことから、繊維状の生体
組織の位置が把握可能になる。

【００１６】また、一連のデータを連結した線上に縞模
様を描画し、この縞模様が連結した方向に時間的に移動
するように動画表示しても良い。これにより、複数の一
連の点からなるデータを同時に表示した場合に、それぞ
れのデータを判別しやすくなる。また、ある所定の領域
に含まれる繊維状の生体組織の走行を観察する場合に、
領域内でのその組織の走行方向に縞模様が移動するよう
に動画表示されることから、該領域全体でのその組織の
走行が把握しやすくなる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて説明する。

【００１８】図１は本発明にかかる磁気共鳴装置の概略
構成図である。図１において、１は静磁場を発生する磁
石、２は測定対象、３は高周波磁場の発生と測定対象２
から生じる磁気共鳴信号の検出のためのコイル、４、
５、６はそれぞれＸ方向、Ｙ方向およびＺ方向の傾斜磁
場を発生させるための傾斜磁場発生コイルである。７は
上記各傾斜磁場発生コイル４、５、６に電流を供給する
ためのコイル駆動装置である。８は各装置の動作を制御
するための計算機、９は測定されたデータの処理および
表示を行う表示装置である。

【００１９】次に本装置の動作の概要を説明する。測定
対象２の核スピンを励起する高周波磁場は、シンセサイ
ザ１０により発生させた高周波を変調器１１で波形整
形、電力増幅し、コイル３に電流を供給することにより
発生させる。コイル駆動装置７から電流を供給された傾
斜磁場発生コイル４、５、６は傾斜磁場を発生し、測定
対象２からの磁気共鳴信号を変調する。該変調信号はコ
イル３により受信され、増幅器１２で増幅、検波器１３
で検波された後、計算機８に入力される。計算機８は入
力データを表示装置９に転送し、表示装置９でデータ処
理および処理結果を表示する。なお、処理の高速化のた
めに計算機８でデータ処理を行う場合もある。また、計
算機８は予めプログラムされたタイミング、強度で各装
置が動作するように制御を行う。該プログラムの内、特
に高周波磁場、傾斜磁場、信号受信のタイミングや強度
を記述したものはシーケンスと呼ばれている。

【００２０】図２にシーケンスの一例を示す。励起高周
波磁場パルス２１を印加し、測定対象に磁気共鳴現象を
誘起する。高周波磁場パルス印加と同時にスライス傾斜
磁場２４を印加し、Ｚ方向のスライスを選択する。反転
高周波磁場パルス２２を印加することで磁化を反転し、
エコー２３を発生させる。発生したエコー２３はＡＤサ
ンプリングにて、データとして格納される。また、ＡＤ
サンプリングと同時にＸ方向にリードアウト傾斜磁場２
５を印加し、Ｘ方向の位置情報をデータに付与する。ま
た、Ｙ、Ｚ方向の位置情報をデータに付与するために位
相エンコード傾斜磁場２６を印加し、繰り返し計測毎に
その強度を変化させる。拡散の情報を付与するために励
起高周波磁場パルス２１と反転高周波磁場パルス２２と
の間、および反転高周波磁場パルス２２とエコー２３と
の間に互いに補償する二つの拡散傾斜磁場２７を印加す
る。該拡散傾斜磁場は、傾斜磁場発生コイル４から発生
するＸ方向の傾斜磁場、傾斜磁場発生コイル５から発生
するＹ方向の傾斜磁場、および傾斜磁場発生コイル６か
ら発生するＺ方向の傾斜磁場の合成または単独として与
えられる。この二つの拡散傾斜磁場を強度の時間積分が
等しくなるように調整する。このとき、もし拡散運動が
なければ、第１番目の拡散傾斜磁場でディフェーズされ
た磁化の位相は、第２番目の拡散傾斜磁場で完全にリフ
ェーズされ、拡散傾斜磁場が印加されない場合と比較し
て信号強度は減衰しない。しかし、拡散があれば完全に
リフェーズできなくなるために、その激しさに応じた割
合で信号強度が減衰する。理想的な場合、信号強度の減
衰は次式で与えられる。

【００２１】

【数１】

【００２２】ここで、Dは拡散テンソルを表し、３行３
列の対称行列である。bは傾斜磁場因子とよばれ、拡散
傾斜磁場の印加時間と印加強度とから次式で計算され
る。

【００２３】ｂij=∫γ²{∫Ｇi(τ)dτ∫Ｇj(τ)dτ}dt 拡散テンソルを計算するためには、傾斜磁場因子の印加
方向を変えて少なくとも７回の計測を行い、（数１）に
より算出する。拡散テンソルから線維の走行を求めるに
は主値と主ベクトルが大きな意味をもつ。主ベクトルは
拡散係数の最も高い方向を示しており、これが線維の走
行方向と一致する。固有値および固有ベクトルの計算方
法は、例えば数値計算ハンドブック、大野、磯田、監
修、オーム社、１９９０年発行に詳述されているのでこ
こでは省略する。

【００２４】次に、本発明の表示装置の動作について説
明する。本発明の表示装置は拡散テンソルデータを処理
する処理手段と該処理手段により得られたデータを表示
する手段を備える。具体的な処理手段および表示手段は
図３に示すアルゴリズムによる。まず、始点となる所定
の点aにおいて拡散係数が最も高い方向、すなわち主ベ
クトルの方向を導出する。次に前記方向で点aから所定
の距離bだけ離れた点bを導出する。次に、導出された点
bを始点として、この処理を繰り返す。繰り返し処理で
導出された一連の点からなるデータを作成し、これを表
示する。図４に画像上での本処理の模式図を示す。図４
において画像の画素に相当する格子の上の矢印は、上記
方法により算出された主ベクトルを表している。まず、
始点となる点p0を設定する。次に、この点p0での主値、
主ベクトルを計算する。この際、点p0が格子上にある場
合には算出されている主値、主ベクトルを用い、格子上
にない場合には、周囲の格子点から線形補間などにより
算出する。これにより点p0での神経線維の走行方向が導
出される。算出した主ベクトルの方向に所定の距離離れ
た点p1を導出する。次に点p1を始点としてこの処理を繰
り返し、一連のデータp0、 p1、 ...、pnを作成する。
これにより神経線維に沿った点からなる一連のデータが
得られる。最後にこの一連のデータを表示する。

【００２５】ここで、始点から次の点までの距離は小さ
いほど誤差が小さくなるが、計算時間が長くなるという
問題が生じる。実際には、この距離は格子の幅よりも小
さい値に設定しておけば十分である。また、この距離を
主値の大きさに応じて変化させることで、計算時間を短
縮することが可能である。なぜなら、ボクセル内で神経
線維の曲率が小さい場合には神経線維が同一方向に整っ
た形状を成し、主値が大きくなる。このため、主値の大
きな点で次の点までの距離を大きくすることで、誤差は
あまり大きくならないが、繰り返し計算の回数低減、す
なわち処理時間の短縮が可能となる。

【００２６】また、点p1での信号強度が予め設定された
閾値よりも小さい場合もしくは点p0での拡散異方性の度
合いが小さい場合のいずれか、もしくは両方が成立した
場合には、繰り返し操作を終了するステップを備えても
良い。これにより、測定対象の存在しない点や信号強度
が小さく十分な精度が得られない点、もしくは神経線維
が整った形状をしていない点を除外することが可能とな
る。なお、図４では簡単のため主ベクトルの方向にのみ
点を導出しているが、主ベクトルとは逆方向にも導出し
ていく。これにより、線維の中間点を始点としても両方
向に点が導出される結果、線維全体を描出可能となる。
また、一方向に点を導出していくと、誤差が累積してい
き、本来の線維から離れた点を導出してしまう可能性が
ある。これを抑制するために、終点や中間点から点の導
出を始めて前記データを補正しても良い。

【００２７】本発明の表示手段による表示結果の一例を
図５に示す。図５では、磁気共鳴装置で測定された形態
画像上に、一連の点からなるデータを折れ線または曲線
で連結して表示している。これにより、神経線維の形態
画像上での位置が把握しやすくなる。また、形態画像を
白黒濃淡で表現し、神経線維を表す線を他の色で表現し
たり、その色の濃淡を主値の大きさにより変化させたり
することで、神経線維の走行をより把握しやすくでき
る。また、図５では２次元で表現しているが３次元画像
でも同様な表示が可能である。このときには、ボリュー
ムレンダリング等で表示された３次元形態画像上に一連
の点からなるデータを折れ線または曲線で描画する。ま
た、立体視可能なディスプレイを用いて表示すること
で、奥行き情報を持たせることも可能である。

【００２８】また、図５において、白十字は設定した始
点を表している。始点の設定手段として、マウス等のポ
インティングデバイスや、キーボードなどによる座標値
の入力手段を備えても良い。

【００２９】また、一連のデータを連結する線分の輝度
値が縞模様を成すように描画し、その縞模様が連結した
方向に移動するように動画表示しても良い。これによ
り、複数の始点が設定された場合でも、複数の折れ線ま
たは曲線の区別が容易になる。なお、縞模様を描画する
のに輝度ではなく明度や彩度など色彩を変えても良い。
また、縞模様としては、点線や破線のように輝度の設定
を２値化する関数を用いる方法やサイン関数などの連続
値をとる関数を用いる方法が使用可能である。

【００３０】なお、始点の設定手段だけではなく、始点
となる領域の設定手段を備えても良い。例えば、画像上
で観察したい領域を設定するためのポインティングデバ
イスや座標値を入力する手段、または信号強度に閾値を
設定し、閾値以上の信号強度の領域を抽出する手段、拡
散異方性に閾値を設定し、閾値以上の拡散異方性をもつ
領域を抽出する手段などがある。また、始点となる領域
が設定された場合、次のようにデータ処理を行う。領域
内のある１点を始点として、前記方法で一連の点からな
るデータを作成し、この一連のデータを領域から除く。
この処理を領域内に点が無くなるまで繰り返し、複数の
一連のデータを作成する。このデータから表示データを
次のように作成する。まず、各データの端点を基準とし
て各データを表す折れ線または曲線上に縞模様が描画さ
れるように輝度値を割り当てる。各ボクセルに含まれる
輝度値が複数ある場合にはその平均もしくは代表値を計
算し、それを輝度値とする画像を１枚作成する。次に該
縞模様が連結した方向に時間的に移動するように輝度値
を割り当て直し、各ボクセルの輝度値を前期と同様に計
算した２枚目の画像を作成する。これを繰り返し、得ら
れた一連の画像データを動画表示する。図６に作成され
た１枚の画像の模式図を示す。点線で囲まれた領域は設
定された観察領域を表し、画像上の縞模様は、一連の点
からなるデータごと割り振られた縞模様から算出された
ものである。この縞模様が神経線維の走行方向に時間的
に移動するように動画表示されることとなり、神経線維
の走行を容易に把握可能にできる。

【００３１】なお、本発明では神経線維の走行について
説明を行ったが、他の線維状の構造物、例えば心筋など
の筋線維などにも本発明は適用可能である。

【００３２】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明に
よれば、拡散係数が最も高い方向に応じる１連の点の主
ベクトルそれぞれを導出し、主ベクトルから得られるデ
ータを折れ線または曲線、もしくはこれらを縞模様で表
示できるようにしたことで、神経線維等の繊維状の生体
組織の状態を好敵に表示できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の適用装置である磁気共鳴装置の装置構
成の一例を示す図である。

【図２】神経線維描画に用いられる基本的シーケンスの
一例を示す図である。

【図３】本発明の表示装置が備える処理手段と表示手段
のアルゴリズムを示す図である。

【図４】本発明の処理手段と表示手段のアルゴリズムを
画像上で模式的に示した図である。

【図５】本発明の表示手段による表示結果を示す模式図
である。

【図６】本発明の表示手段による表示結果の他の一例を
示す模式図である。

【符号の説明】

１ 静磁場発生用磁石 ２ 測定対象 ３ 高周波磁場発生および信号検出用コイル ４、５、６ 傾斜磁場発生用コイル ７ コイル駆動装置 ８ 計算機 ９ 表示装置 １０ シンセサイザ １１ 変調器 １２ 増幅器 １３ 検波器 ２１ 励起高周波磁場パルス ２２ 反転高周波磁場パルス ２３ エコー ２４ スライス傾斜磁場 ２５ リードアウト傾斜磁場 ２６ 位相エンコード傾斜磁場 ２７ 拡散傾斜磁場

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 磁気共鳴によって生体中の分子の拡散テ
   ンソルを計測して得られる前記生体中の各点での拡散テ
   ンソルデータを処理して前記生体中の繊維状の生体組織
   の走行状態を求める処理手段と、該処理手段により得ら
   れた前記走行状態を表示する表示手段とを備え、 前記処理手段は、任意の点を始点としてその始点におけ
   る拡散係数が最も高い方向を計算し、その方向で前記始
   点から所定の距離だけ離れた次の点を導出し、この次の
   点においても拡散係数が最も高い方向を計算し、所定の
   距離だけ離れた次の点を導出して順次繰返し、この繰返
   しによって一連の点からなるデータを作成し、 前記表示手段は、前記処理手段により得られた一連の点
   からなるデータを連結して表示することを特徴とする磁
   気共鳴装置。
2. 【請求項２】 前記始点は任意の１つの点または任意の
   領域の中の複数の点であることを特徴とする請求項１記
   載の磁気共鳴装置。
3. 【請求項３】 前記所定の距離を、前記処理手段におい
   て計算された拡散係数の大きさに応じて設定することを
   特徴とする請求項１記載の磁気共鳴装置。
4. 【請求項４】 導出された点における信号強度の大きさ
   が所定の値よりも小さい場合、または前記点における拡
   散係数の方向による拡散異方性の度合が所定の値よりも
   小さい場合の少なくとも一方の条件が満たされた場合、
   次の点を導出する繰り返し処理を終了することを特徴と
   する請求項１記載の磁気共鳴装置。
5. 【請求項５】 一連の点からなるデータを折れ線もしく
   は曲線で連結し、磁気共鳴装置により計測された画像上
   に重ねて表示することを特徴とする請求項１記載の磁気
   共鳴装置。
6. 【請求項６】 前記処理手段において得られた一連の点
   からなるデータを折れ線または曲線で連結し、連結した
   線分上に縞模様が描画されるように設定し、前記縞模様
   が連結した方向に時間的に移動するように動画表示する
   ことを特徴とする請求項１記載の磁気共鳴装置。