JP5620668B2

JP5620668B2 - 椎間板変性の評価装置及びプログラム

Info

Publication number: JP5620668B2
Application number: JP2009245344A
Authority: JP
Inventors: 賢治天谷; 正樹長島; 阿部　均; 均阿部
Original assignee: Kitasato Institute
Current assignee: Kitasato Institute
Priority date: 2009-10-26
Filing date: 2009-10-26
Publication date: 2014-11-05
Anticipated expiration: 2029-10-26
Also published as: JP2011087844A

Description

本発明は、椎間板のＭＲＩ（Magnetic Resonance Imaging）正中矢状断像を用い、椎間板画像の輝度に基づいて椎間板変性を定量的に評価する装置及びプログラムに関する。

椎間板は、中央部のボール状の髄核、その周りを囲む繊維輪及び上下の軟骨性の終板の３つの組織によって構成されている。中央部の髄核は弾力性に優れ、運動時や荷重が掛かった時に重要な役割を果たす。この髄核の主成分はプロテオグリカンであり、加齢と共に組織変性を起こし、その水分量が減少し、弾力性を失っていく。若い人では、髄核の８８％が水分であるという報告がる。しかし、２０歳を過ぎると、髄核組織内のプロテオグリカンの減少が始まり、７０歳代になると、その水分量は６０％前後に減少すると言われている。そして、水分が減少した髄核内は、繊維性軟骨組織で置き換えられて行く。この変化が進むと、髄核と繊維輪が区別し得ない状態となり、髄核の機能を逸して行く。さらに、周囲を取り巻く繊維輪の水分量も減少し、大小種々の亀裂が入り始める。このように椎間板は薄くなりながら弱化して、弾力性も乏しくなる。つまり、椎間板変性の過程では、髄核の水分量から椎間板変性の進行度を評価することができる。

以上のことに鑑み、椎間板の髄核の水分量の低下はＭＲＩ画像においては椎間板の輝度に反映されるので、この輝度を基に椎間板変性を評価する方法が提案されている。

特開２００７−１６７３１２

Luoma, K., et al.,Disc Height and Signal Intensity of Nucleus Pulposus on Magnetic Resonance Imaging as Indicators of Lumbar Disc Degeneration.Spine,2001.26(6):p.680-6. Perry,J.,et al.,The Value of T2 Relaxation Times to Characterize Lumbar Intervertebral Disks:Preliminary Results.AJNR Am J Neuroradiol,2006.27(2):p.337-42. 笹岡竜,畔上秀幸「脊柱有限要素モデルの個体別モデリング」（ＧＳ−０２：イメージベーストモデリング）バイオエンジニアリング学術講演会・ゼミナー公演論文集 2004(17), 137-138, 20050121 R.Sasaoka and H.Azegami."Construction of finite-element models conforming to prescribed boundary shapes",日本計算工学学会論文集,No.200500002,pp 1-6,２００５年１月

従来、ＭＲＩを用いた椎間板変性の進行度を示す分類は、多くは５型分類であり、ある時点での椎間板の変性度を表現するには有用である。しかしながら、これらの５型分類では、同一患者の経時的な椎間板変性の進行度を詳細に評価する場合や、わずかな変性変化を評価する場合に不十分となることが多く、また、読影者によるバイアスが生じやすい。従って、客観的に連続変数で示される椎間板変性の指標が必要とされている。

非特許文献１には、ＭＲＩＴ２強調像を用いた髄核輝度の定量化法として、髄核内より幾つかの点を抽出し、脊髄液の輝度を基準に測定し、これらの点の平均輝度を求め、求めた平均輝度を定量化評価の結果とする方法が開示されている。しかし、この方法では、点の選択法により結果に偏りが生じる可能性がある。

非特許文献２には、髄核全体のＴ２値の平均値を用いることで髄核の輝度を定量化し椎間板変性の指標とする方法が開示されている。この方法では、測定領域を手動で決定しており、領域を広くとれば輝度平均値は下がり、領域を狭く設定すれば平均値は高くなるという選択バイアスが生じる。

この問題を解決するために、測定領域をＴ２値が３８msより大きい領域と定義し測定している。このようにすると領域設定の段階においてバイアスは生じないが、輝度の高い髄核では測定領域は広く、輝度の低い髄核では測定領域は狭くなり、椎間板ごとに測定領域の面積が異なってしまうという問題点がある。

本発明は上述のような事情からなされたものであり、本発明の目的は、被評価椎間板のＭＲＩ画像正中矢状断像を用い、椎間板変性の進行度を客観的且つ定量的に評価する装置及びプログラムを提供することにある。

また、本発明は、椎間板のＭＲＩ正中矢状断像を用い、椎間板変性の進行度を評価する装置に関し、本発明の上記目的は、脊髄液の位置の輝度を基準にして画像全体の輝度を規格化する画像輝度規格化手段と、頂点が少なくとも前記椎間板上方脊柱骨の下角の２点及び下方脊柱骨の上角の２点を含む多角形を椎間板領域として抽出する椎間板領域抽出手段と、前記椎間板領域の規格化された輝度の重心を算出する輝度重心算出手段と、前記輝度重心を中心として前記椎間板領域を縮小して得た領域を測定領域として抽出する測定領域抽出手段と、前記測定領域の規格化された輝度の平均値を算出する平均輝度算出手段とを備えることにより達成される。また、本発明の上記目的は、前記測定領域抽出手段が、前記椎間板領域を表わす多角形の相似縮小形を測定領域として抽出することによって、さらに効果的に達成される。

また、本発明は、椎間板のＭＲＩ正中矢状断像を用い、椎間板変性の進行度を評価するプログラムに関し、本発明の上記目的は、コンピュータを、脊髄液の位置の輝度を基準にして画像全体の輝度を規格化する画像輝度規格化手段、頂点が少なくとも前記椎間板上方脊柱骨の下角の２点及び下方脊柱骨の上角の２点を含む多角形を椎間板領域として抽出する椎間板領域抽出手段、前記椎間板領域の規格化された輝度の重心を算出する輝度重心算出手段、前記輝度重心を中心として前記椎間板領域を縮小して得た領域を測定領域として抽出する測定領域抽出手段、及び前記測定領域の規格化された輝度の平均値を算出する平均輝度算出手段として機能させることにより達成される。また、本発明の上記目的は、前記測定領域抽出手段が、前記椎間板領域を表わす多角形の相似縮小形を測定領域として抽出するように前記コンピュータを機能させることによって、さらに効果的に達成される。

また、本発明の上記目的は、前記面積縮小率が１/９〜９/１６範囲内であることによって、さらに効果的に達成される。

本発明のＭＲＩ正中矢状断像を用い、椎間板変性を評価する方法、装置及びプログラムによれば、椎間板領域の輝度重心を中心としての椎間板領域の相似形を測定領域にするので、測定領域は椎間板の髄核との近似度が高い、且つ、抽出された測定領域は識別度が高い。更に、測定領域を抽出過程に手動操作を可能な限り省くので、客観的に測定領域を抽出することができる。また、連続変数で椎間板変性進行度を定量的に示すことができるので、客観的で確実な椎間板変性の指標になり得る。更に、５型分類評価方法より変性進行度を詳細に表現でき、同一患者を追跡する縦断的研究に有用である。

本発明の一実施形態に係る椎間板変性評価装置を示すブロック図である。脊柱の正中矢状断面の模式図である。本発明の実施形態に係る椎間板変性評価方法、装置及びプログラムの椎間板領域及び測定領域の抽出方法を示す模式図である。本発明の一実施形態に係る椎間板変性評価方装置の動作例を示すフローチャートである。各椎間板変性評価方法の識別度評価方法の説明図である。各椎間板変性評価方法の識別度評価結果の一例を示す図である。本発明の他の実施形態に係る椎間板変性評価方法、装置及びプログラムの椎間板領域の抽出方法を示す模式図である。本発明の他の実施形態に係る椎間板変性評価装置のブロック図である。本発明の他の実施形態に係る評価方法の再現性評価結果の一例を示す図である。本発明の他の実施形態に係る椎間板変性評価方法、装置及びプログラムの年齢と椎間板輝度の対応関係を示す曲線である。

本発明は、ＭＲＩ正中矢状断像を用いた椎間板変性の進行度を評価する方法、装置及びプログラムである。本発明は、椎間板のＭＲＩ正中矢状断像が入力された後、脊髄液の位置のＭＲＩ画像の輝度を基準にして画像全体の輝度を規格化し、頂点が少なくとも椎間板上方脊柱骨の下角の２点及び下方脊柱骨の上角の２点を含む多角形を椎間板領域として抽出し、椎間板領域の規格化された輝度の重心を求め、算出された輝度重心を中心として椎間板領域を縮小して得た領域を測定領域として抽出し、測定領域の規格化された輝度の平均値を算出し、輝度平均値を椎間板変性の評価値とする。

これにより、椎間板変性の測定領域を客観的且つ確実に抽出することができ、識別度の高い測定領域を得ることができる。その結果、椎間板変性進行度を定量的に且つ客観的に評価することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら詳しく説明する。

図１は本発明の椎間板変性を評価する装置の構成例を示すブロック図であり、この椎間板変性装置は、画像入力手段１０、画像輝度規格化手段２０、椎間板領域抽出手段３０、輝度重心算出手段４０、測定領域抽出手段５０、測定領域平均輝度算出手段６０、評価結果表示手段７０を備えている。

本実施形態では、画像入力手段１０によって、被評価対象の脊柱のＭＲＩＴ２強調像の正中矢状断像が入力され、関心のある椎間板画像が評価結果表示手段７０としてのディスプレイに表示されると共に、輝度規格化手段２０に入力される。

画像輝度規格化手段２０は、画像入力手段１によって入力されたＭＲＩ画像の脊髄液の位置の輝度を基準として画像全体の輝度を規格化する。本実施形態ではＭＲＩＴ２強調像を用いているので、含水量が高いほど輝度が高い。脊髄液は含水量が一番高い部分であるため、画像輝度規格化手段２０は、脊髄液の輝度を例えば数値“１００”として画像全体の輝度を規格化する。

椎間板領域抽出手段３０は、椎間板領域４を自動的に抽出する機能を有している。図２は脊柱の正中矢状断面の模式図であり、多数の椎間板２はそれぞれ２つの脊柱骨１の間にあって、上下終板はそれぞれ図示上方の脊柱骨１と下方の脊柱骨１に接している。点線で表示される部分が椎間板領域である。従って、椎間板領域抽出手段３０は、図３に示すように、椎間板上方の脊柱骨１の下角の２点と下方の脊柱骨１の上角の２点を頂点とする四角形、即ち被評価椎間板の上下終板の前後縁の４点を頂点とする四角形を椎間板領域４として抽出する。椎間板領域４を自動的に抽出するために、脊柱骨の自動抽出技術を利用することができる。非特許文献３及び４に記載されている脊柱骨の自動抽出技術に基づいて、抽出された脊柱骨１領域の境界の曲率の極大の位置を探索すれば、脊柱骨１領域の角点を決定し、これらの角点から成る四角形を椎間板領域４として抽出することができる。

輝度重心算出手段４０は、抽出された椎間板領域４の輝度分布の重心３を算出する（図３参照）。

測定領域抽出手段５０は、図３に示すように椎間板領域４の重心３を中心として椎間板領域４を縮小し、縮小して得た領域を測定領域５として抽出する。本実施形態では、椎間板領域４が１/４に縮小される領域を測定領域としている。即ち、測定領域抽出手段５０は、図３に示すように椎間板領域４の輝度重心３と椎間板領域４の頂点を結ぶ線分をそれぞれに描き、それらの線分の中点を算出し、この４つの中点から成る椎間板領域４の相似形を測定領域５として抽出する。

測定領域の平均輝度算出手段６０は、抽出された測定領域５の規格化された輝度の平均値を算出する。

評価結果表示手段７０は、測定領域５の平均輝度算出手段６０によって算出された輝度平均値を評価値としてディスプレイに表示する。本実施形態では、評価値は“０〜１００”の範囲の数値であって、椎間板変性が大きいほど評価値が低くなっている。従って、定量的且つ連続変数で椎間板変性の進行度を表示することができ、椎間板変性を追跡する縦断的研究や治療に適している。

次に、本実施形態の椎間板変性評価装置の動作を図４を参照しながら説明する。

先ず、画像入力手段１０によって、撮像された被評価椎間板のＭＲＩＴ２強調像正中矢状断像を輝度規格化手段２０に入力し（ステップＳ１）、輝度規格化手段２０は、入力された画像の脊髄液を表す位置の輝度を基準として画像の全体を規格化する（ステップＳ２）。例えば、脊髄液の輝度を“１００”として画像全体に相応の数値を付す。被評価椎間板の上方脊柱骨１の下角の２点及び下方脊柱骨１の上角の２点を確定し、この４点を頂点とする四角形を椎間板領域４として抽出する（ステップＳ３）。輝度重心算出手段４０は、抽出された椎間板領域４の輝度重心３を算出する（ステップＳ４）。測定領域抽出手段５０は、算出された椎間板領域４の輝度重心３を中心として、椎間板領域４を表す四角形を１/４に縮小し、縮小された四角形を測定領域５として抽出する（ステップＳ５）。平均輝度算出手段６０は、抽出された測定領域５の平均輝度を算出し（ステップＳ６）、評価結果表示手段７０が、算出された平均輝度を被測定椎間板変性の進行度の評価結果として表示する（ステップＳ７）。

本発明の有効性を検証するために、本発明の椎間板変性の定量的評価法に対して性能評価を行った。２００７年１０月の１ヵ月間に北里研究所病院整形外科で腰痛を愁訴として、もしくはメディカルチェックを目的に来院し、腰椎ＭＲＩを撮像した症例のうち、椎間板の評価が可能であった４８例（年齢１７-６９歳、平均４７.４歳）、２８８椎間板を評価対象とした。

ＭＲＩはシーメンス社製１.５Ｔ超伝導ＭＲＩを用い、同一のプロトコルで施行した。腰椎のＴ２強調矢状断像の条件は、ＴＲ：３０００ms、ＴＥ：１２０ms、field of view：２６.０mm、slice thickness：８.０mmとした。

椎間板の読影は、Ｔ２強調像正中矢状断像を用いて行い、２人の検者がＴＨ１２/Ｌ１からＬ５/Ｓ１までの６椎間板についてそれぞれ３回ずつ読影した。それぞれの髄核について「bright」、「moderate」、「dark」の３段階に分類した。読影者は、一人は整形外科専門医であり、もう一人は放射線科専門医である。

測定領域の抽出方法が評価結果に大きい影響を与えることを考慮して、本発明を評価するために、測定領域の抽出に選択バイアスの生じにくい６つの比較用の評価方法を設けた。
Ａ：脊髄液の輝度に対し、１０％以上の輝度を示す領域を測定領域とする方法
Ｂ：脊髄液の輝度に対し、２０％以上の輝度を示す領域を測定領域とする方法
Ｃ：脊髄液の輝度に対し、３０％以上の輝度を示す領域を測定領域とする方法
Ｄ：脊髄液の輝度に対し、４０％以上の輝度を示す領域を測定領域とする方法
Ｅ：椎間板領域を表す四角形の図心を中心として、１/４に縮小して得た領域を測定領域とする方法
Ｆ：椎間板領域を測定領域とする方法
先ず、上記の６つの評価方法及び本発明に係る評価方法を利用して２８８の椎間板評価し、それぞれの評価値を記録した。次に、２名の読影者は椎間板毎に３回、計６回読影した。読影結果が「bright」と判定した場合は、点数を「＋１」し、読影結果が「dark」と判定した場合は、点数を「−１」した。読影した後、６回の読影点数和が「＋３」以上である椎間板を１つのグループにし、該グループの評価値の平均値μｂ及び標準偏差σｂを算出した。同様に、読影点数和が「−３」以下である椎間板を１つのグループにし、該グループの評価値の平均値μd及び標準偏差σdを算出した。

一椎間板変性の評価方法において、読影点数「＋３」以上のグループ及び読影点数「−３」以下のグループの評価値の分布は図５に示すようになった。図５に示すように両グループは離れており、両グループの距離が大きいほど、１グループが他のグループに誤認識される可能性が低い。そのため、識別度は、図５に示すように両グループの距離、即ち（μｂ−σｂ）−（μd＋σd）で評価した。その結果６種の比較用の評価方法及び本発明に係る評価方法の識別度は、図６に示すようになった。従って、本発明の識別度が高くて、良い信頼性を有していることが分かる。

以上本発明の椎間板変性評価方法、装置及びプログラムの好ましい実施形態について説明したが、本発明は必ずしも上述した実施形態に限定されるものではない。

例えば、上記実施形態ではＭＲＩＴ２強調像を用いているが、ＭＲＩＴ１強調像を用いることもできる。ＭＲＩＴ２強調画像では、水分は高信号、即ち白く映し出され、逆にＭＲＩＴ１強調画像では、水分は低信号、即ち黒く映し出される。

また、上記実施形態では、頂点が椎間板の上方脊柱骨１の下角の２点及び下方脊柱骨１の上角の２点から成る四角形を椎間板領域と定義しているが、このような四角形に限らない。少なくとも上方脊柱骨１の下角の２点及び下方脊柱骨１の上角の２点とを含めば良い。例えば、図７に示すように脊柱骨１の中央部の凹み点も特徴点として追加することも可能である。この場合、椎間板領域４は６角形で表現される。従って、この椎間板領域４に対応する測定領域５も６角形となる。

また、上記実施形態では椎間板領域４を抽出する時、椎間板領域抽出手段３０によって自動的に抽出するようになっているが、図８に示すように操作手段８０によって手動的に抽出することもあり得る。手動の場合では、コンピュータディスプレイ上に表示された椎間板画像の椎間板領域を表す多角形の頂点をマウス等の入力手段で決定する。マウスでの頂点の位置の決定は選択バイアスがあるので、評価結果にばらつきを生ずる可能性がある。評価方法の再現性を評価ために、椎間板領域が頂点が椎間板の上方脊柱骨１の下角の２点及び下方脊柱骨１の上角の２点から成る四角形である評価方法では、椎間板領域を表す四角形の４つの頂点の位置に乱数で標準偏差３ピクセルの誤差を与えたときの評価値の変動を検証した。検証は6つの椎間板に対し、それぞれ１９回の試行を行った。結果は図９に示しているように、全ての椎間板で評価値の擾乱は２ポイント以内にあり、この実施形態は点指定の選択バイアスはわずかであり、十分な再現性を確保しているといえる。

また、測定領域５を抽出する際に、上記実施形態では椎間板領域４の輝度重心３を中心として椎間板領域４を１/４に縮小した四角形を測定領域５として抽出するが、面積の縮小率は１/４に限られていない、１/９〜９/１６の間の数値であれば、いずれでも良い。

また、上記実施形態では評価結果を連続的な数値（０〜１００）で表示しているが、図１０に示されている正常健康人間の年齢と椎間板輝度の対応関係を示す曲線に基づいて、被測定椎間板の評価値に対応する年齢値を求め、この年齢値を評価結果として出力することも可能である。この評価結果の表示方法は、より直感的、わかり易い利点を有している。

また、以上に述べた、椎間板のＭＲＩ正中矢状断像を用い、椎間板変性の進行度を評価装置の各手段をコンピュータに実行させるプログラムは、任意の装置外部の記録媒体又は装置内部の記録媒体に格納されており、当該装置のコンピュータにより読み出されて実行される。

１脊柱骨
２椎間板
３椎間板領域の輝度重心
４椎間板領域
５測定領域
６脊髄液
１０画像入力手段
２０輝度規格化手段
３０椎間板領域抽出手段
４０輝度重心算出手段
５０測定領域抽出手段
６０平均輝度算出手段
７０評価結果の表示手段
８０操作手段

Claims

椎間板のＭＲＩ正中矢状断像を用い、椎間板変性の進行度を評価する装置において、脊髄液の位置の輝度を基準にして画像全体の輝度を規格化する画像輝度規格化手段と、頂点が少なくとも前記椎間板上方脊柱骨の下角の２点及び下方脊柱骨の上角の２点を含む多角形を椎間板領域として抽出する椎間板領域抽出手段と、前記椎間板領域の規格化された輝度の重心を算出する輝度重心算出手段と、前記輝度重心を中心として前記椎間板領域を縮小して得た領域を測定領域として抽出する測定領域抽出手段と、前記測定領域の規格化された輝度の平均値を算出する平均輝度算出手段とを備えたことを特徴とする椎間板変性の評価装置。
前記測定領域抽出手段が、前記椎間板領域を表わす多角形の相似縮小形を測定領域として抽出する請求項１に記載の椎間板変性の評価装置。
前記面積縮小率が１/９〜９/１６範囲内である請求項１又は２に記載の椎間板変性の評価装置。
椎間板のＭＲＩ正中矢状断像を用い、椎間板変性の進行度を評価するために、コンピュータを、脊髄液の位置の輝度を基準にして画像全体の輝度を規格化する画像輝度規格化手段、頂点が少なくとも前記椎間板上方脊柱骨の下角の２点及び下方脊柱骨の上角の２点を含む多角形を椎間板領域として抽出する椎間板領域抽出手段、前記椎間板領域の規格化された輝度の重心を算出する輝度重心算出手段、前記輝度重心を中心として前記椎間板領域を縮小して得た領域を測定領域として抽出する測定領域抽出手段、及び前記測定領域の規格化された輝度の平均値を算出する平均輝度算出手段として機能させることを特徴とする椎間板変性の評価プログラム。
前記測定領域抽出手段が、前記椎間板領域を表わす多角形の相似縮小形を測定領域として抽出するように前記コンピュータを機能させる請求項４に記載の椎間板変性の評価プログラム。
前記面積縮小率が１/９〜９/１６範囲内である請求項４又は５に記載の椎間板変性の評価プログラム。