JP4139869B2 - 医用画像処理装置 - Google Patents
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Description
脳内血管の血流を画像化した、判別対象である3次元MRA画像から血管像を抽出する抽出手段と、
該抽出手段により抽出された血管像をアフィン変換することにより、当該アフィン変換された血管像の位置と、血管像に含まれる一又は複数の血管部位の位置及び名称が予め定められた参照画像における血管像の位置とを略一致させ、この略一致させた参照画像に予め定められた血管部位と対応する、前記3次元MRA画像の血管像部分を当該定められた血管部位であると判断することにより、前記3次元MRA画像における血管部位の位置及び名称を判別し、当該判別された血管部位に関する血管部位情報を前記3次元MRA画像に付帯させる画像制御手段と、
を備えており、
該画像制御手段は、
参照画像の血管像において予め設定され且つ血管の特徴点の箇所に設定されている複数のランドマークのボクセルと局所的に画像特性が類似するボクセルを3次元MRA画像より対応点として検索するにあたり、参照画像の各ランドマークのボクセルと対応する位置の3次元MRA画像のボクセルを開始点とし、3次元MRA画像および参照画像において当該開始点及びランドマークのボクセルからX軸、Y軸、Z軸方向に−10〜+10ボクセルの範囲内のボクセルを探索し、各ボクセルについて下記式より相互相関係数を算出し、最も大きな相関値をとるボクセルを参照画像のランドマークに対応する3次元MRA画像の対応点として設定する対応点検索処理と、
参照画像の血管像の重心位置と、3次元MRA画像の血管像の重心位置とに基づいて位置合わせを行うとともに、参照画像の全てのランドマークと、前記対応点検索処理により検索された3次元MRA画像の全ての対応点とに基づいて位置合わせを行う第1位置合わせ処理と、
該第1位置合わせ処理の後、参照画像のランドマークと3次元MRA画像の対応点における距離の最小二乗誤差を算出して当該最小二乗誤差が終了条件を満たすまでアフィン変換を繰り返して位置合わせを行う第2位置合わせ処理と、
参照画像の血管像の各血管部位のボクセルを対象に3次元MRA画像から抽出した血管像の対応点のボクセルとのユークリッド距離を求め、その求めたユークリッド距離が最短となる3次元MRA画像におけるボクセルの属する血管部位を、参照画像におけるボクセルの属する予め血管部位と判断する血管部位判別処理と、
を実行することを特徴とする医用画像処理装置が提供される。
また、α、βは、それぞれ参照画像、3次元MRA画像における探索領域内のボクセル値の平均値であり、下記式3、4により示される。σ A 、σ B は、それぞれ参照画像、3次元MRA画像における探索領域内のボクセル値の標準偏差であり、下記式5、6により示される。
前記画像制御手段は、アフィン変換に代えて剛体変形を行うことを特徴とする請求項1に記載の医用画像処理装置が提供される。
前記画像制御手段は、前記重心の位置合わせを行う前に、前記抽出した血管像に対し、画像の条件を統一するための正規化処理を施すことを特徴とする請求項1又は2に記載の医用画像処理装置が提供される。
請求項4に記載の発明によれば、
3次元MRA画像をMIP表示する表示手段と、
3次元MRA画像に付帯された血管部位情報に基づき、前記表示された3次元MRA画像の血管像に含まれる一又は複数の血管部位を判別し、それら血管部位のそれぞれを識別可能に表示させる表示制御手段と、
表示操作を行うための操作手段とを備えており、
前記表示手段および表示制御手段は、前記表示手段にMIP表示される3次元MRA画像の血管部位が前記操作手段を介して選択操作されると、3次元MRA画像の上方向からのMIP表示および側方からのMIP表示ならびに前記表示制御手段により表示される識別画像に加え、選択された血管像を同一画面上に並べて表示することを特徴とする請求項1〜3の何れか一項に記載の医用画像処理装置が提供される。
また、対象画像は被写体(患者)によってその血管像の形態に個体差が生ずるが、アフィン変換によってそれら血管像が略一致するように位置合わせすることにより、参照画像と対象画像の血管像を精度よく対応させることが可能となる。よって、被写体の個体差に拘わらず血管部位を判別することができ、汎用性が高い。
また、医師が観察したい特定の血管部位の血管像のみを対象画像から抽出して観察することが可能となる。血管像は複数の血管部位が重なって表示されることがあるため、その重複部分の観察がしづらくなる。よって、医師により選択された特定の血管部位のみを表示することにより、血管部位の重複を解消することができ、医師が読影しやすい環境を提供することができる。
11 制御部
12 操作部
13 表示部
14 通信部
15 記憶部
16 病変候補検出部
まず、構成を説明する。
図1に、本実施形態における医用画像処理装置10の構成を示す。
この医用画像処理装置10は、検査撮影により得られた医用画像を画像解析することにより、当該医用画像から病変部の候補領域を検出するものである。
なお、この医用画像処理装置10を、医用画像を生成する画像生成装置や医用画像を保存・管理するサーバ、医師の読影に付すため、サーバに保存された医用画像を取り寄せて表示手段上に表示する読影端末等、各種装置がネットワークを介して接続された医用画像システムに設けることとしてもよい。また、本実施形態では医用画像処理装置10単体で本発明を実現する例を説明するが、医用画像処理装置10における機能を上記医用画像システムの各構成装置に分散させて医用画像システム全体で本発明を実現することとしてもよい。
医用画像処理装置10は、図1に示すように、制御部11、操作部12、表示部13、通信部14、記憶部15、病変候補検出部16を備えて構成されている。
)等を備えて構成されており、記憶部15に格納されている各種制御プログラムを読み出して各種演算を行うとともに、各部12〜16における処理動作を統括的に制御する。
また、記憶部15は、病変候補の検出対象である医用画像やその検出結果の情報等を記憶している。
本実施形態では、MRIにより患者の頭部を撮影し、脳内血管の血流を画像化したMRA画像(3次元画像)から、未破裂の脳動脈瘤の病変候補を検出する例を説明する。脳動脈瘤は、動脈の壁内にできる膨隆(拡張)のことであり、動脈壁に血流による圧力がかかることにより生じるものである。脳動脈瘤の内部では血栓が生じやすく、この脳動脈瘤が破裂すると、くも膜下出血等の重篤な疾患を発症することとなる。
図2に示すように、検出処理ではまずMRAの3次元画像データの入力が行われる(ステップS1)。具体的には、病変候補検出部16により記憶部15に記憶されていた処理対象のMRA画像の読み込みが行われる。
MRIは、磁場内における核磁気共鳴(以下、NMR;Nuclear Magnetic Resonance)を利用して画像を得る方法である。
NMRでは、被検体を静磁場中に置き、その後、被検体において検出対象とする原子核の共鳴周波数のRFパルス(電波)を照射する。医用上は、通常、人体に多く存在する水を構成する水素原子の共鳴周波数が用いられる。被検体にRFパルスが照射されると、励起現象が生じ、共鳴周波数に共鳴する原子の原子核スピンの位相がそろうとともに、原子核スピンがRFパルスのエネルギーを吸収する。この励起状態でRFパルスの照射を止めると、緩和現象を生じ、原子核スピンの位相が不均一化するとともに、原子核スピンがエネルギーを放出する。この位相の緩和の時定数がT2、エネルギーの緩和の時定数がT1である。
図3Aに示すように、血流のある血管領域は高信号となるので、MRA画像では血管領域は白く表れている。
図5に示すように、脳動脈瘤の場合には線形状の血管上に球状の瘤が存在するため、勾配ベクトル(図中の矢印は、勾配ベクトルの向きを示す)は瘤の中心へ向かう傾向がある。一方、血管は線形状であるためそのような傾向は生じない。そのため、脳動脈瘤モデルの形状に近い領域は他の血管領域に比べてベクトル集中度の値が高い。従って、ベクトル集中度フィルタによりベクトル集中度が高い領域のみを出力することにより、脳動脈瘤の1次候補領域を検出することができる。
ベクトル集中度は、下記式1により算出される。
また、閾値はp−タイル法等により統計的に解析して得ることとしてもよい。p−タイル法は、濃度ヒストグラムを求め、この濃度ヒストグラムにおいてある一定の面積比率p%を占めるところの濃度値を閾値として求める方法である。本実施形態では、フィルタ処理画像の濃度ヒストグラムを求め、最高濃度値側から面積比率p%を占めるところの濃度値を閾値として決定する。
図10に、検出結果として表示部13に表示出力される検出結果例を示す。
図10に示すように、表示部13では、3次元MRA画像から作成されたMIP画像において、3次検出された脳動脈瘤の候補領域を指し示すマーカ情報(図10中の矢印のマーカ)が表示される。このような表示を行うことにより、脳動脈瘤候補領域と他の領域とを識別可能としている。MIP画像は、3次元MRA画像データにMIP処理を施して作成される2次元画像であり、画像中の構造物を3次元的に表示することが可能である。MIP処理は最大輝度投影法と呼ばれ、ある方向から平行光線によって投影を行い、ボクセル中の最大の輝度(信号値)を投影面に反映させて3次元的な観察を可能とする2次元画像を作成する処理である。
この血管部位判別処理は、制御部11と記憶部15に記憶された血管部位判別処理の処理プログラムとの協働により実現されるソフトウェア処理である。血管部位判別処理では、頭部を撮影した3次元MRA画像上に表れる血管像についてその血管像に含まれる一又は複数の血管部位を判別する。
参照画像は、図12Aに示すように、3次元MRA画像上の血管像について、一又は複数の血管部位の位置及びその名称が予め設定されたものである。ここで、血管部位とは解剖学上の血管の分類をいい、血管部位の位置とは当該血管部位に属するボクセルの位置をいう。
なお、参照画像g2の作成は医用画像処理装置10の制御部11で行ってもよいし、外部で作成されたものを記憶部15に保存することとしてもよい。また、血管像に含まれる8つの血管部位を示すため、図12Aでは各血管部位を識別表示したが、実際の参照画像g2は背景が黒(低信号値)、血管像が白(高信号値)と2値化された画像である。そして、各血管部位に属するボクセルの位置情報、名称の情報及びランドマークであるボクセルの位置情報は、参照画像に付帯されている、或いは参照画像と対応付けて別ファイルとして記憶部15に保存されている。
医用画像処理装置10では、まず判別対象の3次元MRA画像(以下、対象画像という)に対して制御部11により正規化処理が施される(ステップS11)。
対象画像として用いられるMRA画像は、血液の流れを画像化したものであるため、被写体や撮影条件によってボクセルが等サイズではない直方体となったり、ボクセル値の最大値、最小値にばらつきが生じたりする。そこで、対象画像に関する前提条件を統一するため、正規化処理を施す。
図13Aに示す対象画像g3、図13Bに示す対象画像g4はそれぞれ異なる患者を被写体としたものである。そのため、対象画像g3から得られたヒストグラムh1(図13A参照)と、対象画像g4から得られたヒストグラムh3(図13B参照)とでは、2つの極大点があるという特徴が共通するが、そのボクセル値の範囲にかなり相違があり、全体としてヒストグラム特性が異なるものとなっていることが分かる。このようなヒストグラム特性を有する対象画像g3、g4について上記の正規化処理を施した後に再度ヒストグラムを作成すると、図13Aに示すヒストグラムh2、図13Bに示すヒストグラムh4がそれぞれ得られる。ヒストグラムh2、h4から分かるように、正規化処理によって各対象画像g3、g4のヒストグラム特性がほぼ同じものとなっている。
まず、対象画像について閾値処理が施され、2値化が行われる。一般的に、MRA画像では、図14Aに示すように血管像は白く、その他の組織部分は黒っぽく表れるため、2値化画像では血管像はその他の領域とは異なる値となる。よって、領域拡張法により血管像と同程度の信号値を有する領域の抽出を行う。
血管抽出画像g6は、図14Aに示す正規化後の対象画像g5から血管像を抽出し、当該血管像の領域を白(濃度値1024)、その他の領域を黒(濃度値0)で2値化したものである。
図15Aは、位置合わせ前の血管抽出画像と参照画像とを重ね合わせた図である。図15Aから単に血管抽出画像と参照画像を合わせただけではそれぞれの血管像の位置が一致していないことが分かる。
そこで、制御部11では、図15Aに示すように血管抽出画像の重心P(x1、y1、z1)、参照画像の重心Q(x2、y2、y3)の位置が求められる。次いで、この重心位置P、Qが一致するように、血管抽出画像又は参照画像が平行移動される。平行移動により各重心位置P、Qを一致させた結果が、図15Bに示す図である。図15Bから血管抽出画像の血管像と参照画像の血管像の位置が大まかに一致していることが分かる。
まず、剛体変形の前処理として相互相関係数を用いた対応点の検索が行われる。これは、位置合わせを行う2つの画像についてそれぞれ複数の対応点を設定し、この2つの画像において設定された対応点がそれぞれ一致するように一方の画像を剛体変形するためである。ここでは、参照画像において予め定められているランドマークのボクセルと、局所的に画像特性が類似する血管抽出画像のボクセルが対応点として設定される。画像特性の類似性は、血管抽出画像と参照画像について相互相関係数が求められ、この相互相関係数に基づいて判断される。
そこで、最も大きな相関値Cをとるボクセルの位置が、参照画像g7のランドマークに対応する血管抽出画像g8の対応点として設定される。
まず、参照画像の各血管部位に属するボクセル全てを対象に(これを対象ボクセルという)、血管抽出画像におけるある注目ボクセルとのユークリッド距離の2乗が求められる。そして、その求めたユークリッド距離が最短となる対象ボクセルが属する血管部位が、注目ボクセルが属する血管部位であると判断される。またこのとき、対象ボクセルに設定されている血管部位の名称から、注目ボクセルの血管部位の名称が判断される。
図17Aに示す血管抽出画像g9と図17Bに示す血管抽出画像g11は、それぞれ異なる被写体から得られた画像であり、図17Aに示す画像g10、図17Bに示す画像g12はそれぞれ血管抽出画像g9、g11から各血管部位が判別され、その血管部位毎に色を変えて識別表示した画像である。画像g10、g12から、剛体変形による位置合わせを行うことにより、画像g10、g12の血管像が異なる形態(血管の位置、大きさ、延在方向等)であるにも拘わらず、同じように血管部位を識別できていることが分かる。
そして、このような対象画像について操作部12を介して表示指示操作がなされると、制御部11により対象画像にMIP処理が施されてMIP画像が生成され、表示部13上に表示される。以下、MIP画像の表示をMIP表示という。
図18においてMIP画像g13は対象画像が頭部上方向からMIP表示されたものである。このMIP画像g13が表示された状態で各血管部位の識別表示が指示操作されると、識別表示画像g14が表示される。識別表示画像g14は、血管抽出画像において8種類の血管部位にそれぞれ異なる色を付す等して、各血管部位を識別表示したものである。
識別表示画像g14において、医師によりある血管部位が選択操作されると、制御部11の表示制御により当該選択された血管部位に関連づけて「脳底動脈」等の血管部位の名称を示すアノテーションmが表示される。
制御部11では、操作部12を介して何れか一の血管部位が選択操作されると、当該選択された血管部位のボクセルの輝度のみを投影させたMIP画像、つまり対象画像のMIP画像g15から選択された血管部位のみが抽出された血管選択画像g17が表示される。血管選択画像g17では、選択された血管部位のみMIP表示され、その他の血管部位が非表示とされているため、医師は関心のある血管部位のみに注目して観察することができる。
20人の患者についての3次元MRA画像データを得た。これらの画像データは、そのマトリクスサイズが256×256であり、空間分解能は0.625〜0.78mm、スライス厚は0.5〜1.2mmである。これらの画像データには7つの未破裂脳動脈瘤が含まれていることが分かっている。未破裂脳動脈瘤は、経験のある脳神経外科医により決定されたものである。
例えば、上記説明では、3次元MRA画像を用いて脳動脈瘤候補を検出していたが、2次元MRA画像を用いて検出を行うこととしてもよい。この場合、脳動脈瘤候補の大きさはピクセル数、球形度は円形度として2次元の特徴量を算出することとなる。
しかしながら、本実施形態によれば各血管部位の識別表示が可能となるため、医師は各血管部位についての位置や名称を容易に特定することができ、読影作業の効率化を図ることができる。
しかしながら、本実施形態のように最終的に剛体変形により血管像の主な屈曲点等の特徴点の位置を合わせこむことにより、対象画像中の各血管部位がどのような形態を呈していても、精度よく参照画像の血管部位と対応させることができる。従って、被写体によらず一律に血管部位を判別することができ、汎用性が高い。
例えば、MRA画像を用いた例を説明したが、造影剤を用いて血管を撮影した造影MRA画像等、他の撮影方法によるMRI画像を用いてもよい。また、CTA(Computed Tomography Angiography)、DSA(Digital Subtraction Angiography)等、他の撮影装置により血管が撮影された画像を用いることとしてもよい。
第2実施形態では、GCフィルタバンクによる検出処理の例を説明する。
第2実施形態に係る医用画像処理装置は、第1実施形態に係る医用画像処理装置10と同一構成であり、動作が異なるのみである。よって、第1実施形態に係る医用画像処理装置10(図1参照)と同一構成部分には同一の符号を付し、以下、第2実施形態の医用画像処理装置10の動作について説明する。
図19に示す検出処理では、まずMRAの3次元画像データの入力が行われ(ステップS101)、この3次元画像データに対して前処理が行われる(ステップS102)。前処理が終了すると、3次元画像データから血管の画像領域が抽出される(ステップS103)。なお、このステップS101〜S103は、第1実施形態において図2を参照して説明したステップS1〜3と同様の処理であるため、ここでは詳細な説明を省略する。
以下、GCフィルタバンクによる検出方法について説明する。
GCフィルタバンクは、各種フィルタ処理を組み合わせたものであり、分析バンクと再構成バンクに分かれている。分析バンクは原画像(血管領域の3次元MRA画像)の多重解像度解析を行って解像度レベルの異なる画像(以下、部分画像という)を作成し、この部分画像から重み画像を作成するものである。一方、再構成バンクは重み画像によって各部分画像を重み付けした後、この重み付けられた部分画像から原画像の再構成を行うものである。
図20に示すように、分析バンクでは血管領域の3次元MRA画像を原画像S0としてフィルタバンクA(zj)においてフィルタ処理が行われ、各解像度レベルjの部分画像が順次作成される。ここでは、解像度レベル1〜3の部分画像を作成する例を説明する。
フィルタバンクA(zj)は、図21に示すようにフィルタH(zj)、G(zj)によるフィルタ処理を経て、画像Sj−1を部分画像Sj、Wzj、Wyj、Wxjに分解するものである。ここで、Sjはx、y、zの各方向においてSj−1に平滑化フィルタH(zj)を施したものである。平滑化フィルタH(zj)は下記式7により表される。
ニューラルネットワークNNでは、予め教師データを用いて脳動脈瘤の可能性が高いほど1の値を、逆に低ければ0の値で出力するように、0〜1の範囲で出力値を出力するように設計されている。
再構成バンクは、各部分画像Sj、Wzj、Wyj、Wxjに重み付け処理を施した後、フィルタバンクS(zj)を経て元の原画像S0を再構成するものである。
重み付け処理では、各部分画像Sj、Wzj、Wyj、Wxjに重み画像Vが乗算される。すなわち、重み画像Vにおいてボクセル毎に設定された1又は0の値は、重み付け処理において重み付け係数として用いられることとなる。重み画像Vが乗算された各部分画像はフィルタバンクS(zj)に入力される。
ここで、フィルタL(zj)、K(zj)は、下記式9、10により表される。
Claims (4)
- 脳内血管の血流を画像化した、判別対象である3次元MRA画像から血管像を抽出する抽出手段と、
該抽出手段により抽出された血管像をアフィン変換することにより、当該アフィン変換された血管像の位置と、血管像に含まれる一又は複数の血管部位の位置及び名称が予め定められた参照画像における血管像の位置とを略一致させ、この略一致させた参照画像に予め定められた血管部位と対応する、前記3次元MRA画像の血管像部分を当該定められた血管部位であると判断することにより、前記3次元MRA画像における血管部位の位置及び名称を判別し、当該判別された血管部位に関する血管部位情報を前記3次元MRA画像に付帯させる画像制御手段と、
を備えており、
該画像制御手段は、
参照画像の血管像において予め設定され且つ血管の特徴点の箇所に設定されている複数のランドマークのボクセルと局所的に画像特性が類似するボクセルを3次元MRA画像より対応点として検索するにあたり、参照画像の各ランドマークのボクセルと対応する位置の3次元MRA画像のボクセルを開始点とし、3次元MRA画像および参照画像において当該開始点及びランドマークのボクセルからX軸、Y軸、Z軸方向に−10〜+10ボクセルの範囲内のボクセルを探索し、各ボクセルについて下記式より相互相関係数を算出し、最も大きな相関値をとるボクセルを参照画像のランドマークに対応する3次元MRA画像の対応点として設定する対応点検索処理と、
参照画像の血管像の重心位置と、3次元MRA画像の血管像の重心位置とに基づいて位置合わせを行うとともに、参照画像の全てのランドマークと、前記対応点検索処理により検索された3次元MRA画像の全ての対応点とに基づいて位置合わせを行う第1位置合わせ処理と、
該第1位置合わせ処理の後、参照画像のランドマークと3次元MRA画像の対応点における距離の最小二乗誤差を算出して当該最小二乗誤差が終了条件を満たすまでアフィン変換を繰り返して位置合わせを行う第2位置合わせ処理と、
参照画像の血管像の各血管部位のボクセルを対象に3次元MRA画像から抽出した血管像の対応点のボクセルとのユークリッド距離を求め、その求めたユークリッド距離が最短となる3次元MRA画像におけるボクセルの属する血管部位を、参照画像におけるボクセルの属する予め血管部位と判断する血管部位判別処理と、
を実行することを特徴とする医用画像処理装置。
また、α、βは、それぞれ参照画像、3次元MRA画像における探索領域内のボクセル値の平均値であり、下記式3、4により示される。σ A 、σ B は、それぞれ参照画像、3次元MRA画像における探索領域内のボクセル値の標準偏差であり、下記式5、6により示される。
- 前記画像制御手段は、アフィン変換に代えて剛体変形を行うことを特徴とする請求項1に記載の医用画像処理装置。
- 前記画像制御手段は、前記重心の位置合わせを行う前に、前記抽出した血管像に対し、画像の条件を統一するための正規化処理を施すことを特徴とする請求項1又は2に記載の医用画像処理装置。
- 3次元MRA画像をMIP表示する表示手段と、
3次元MRA画像に付帯された血管部位情報に基づき、前記表示された3次元MRA画像の血管像に含まれる一又は複数の血管部位を判別し、それら血管部位のそれぞれを識別可能に表示させる表示制御手段と、
表示操作を行うための操作手段とを備えており、
前記表示手段および表示制御手段は、前記表示手段にMIP表示される3次元MRA画像の血管部位が前記操作手段を介して選択操作されると、3次元MRA画像の上方向からのMIP表示および側方からのMIP表示ならびに前記表示制御手段により表示される識別画像に加え、選択された血管像を同一画面上に並べて表示することを特徴とする請求項1〜3の何れか一項に記載の医用画像処理装置。
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