JP5716238B2 - 急性脳卒中の組織状態をマッピングする方法及びシステム - Google Patents
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Description
(1)回復不能な程に損傷した組織の梗塞中心部、(2)更なる梗塞の危険性があるが、組織はその領域への血流を迅速に回復させることで救済可能な、血流が低下したペナンブラ領域。
従って、急性脳卒中の梗塞中心部及びペナンブラを無侵襲的に同定する血液灌流測定プロセスにより、患者に対する適切な治療法、例えば急性虚血性脳卒中患者に対する血栓溶解療法等を決定するための重要な情報を医師に提供できる。
量的な灌流指数を得る典型的な方法には、(a)画像診断療法の種類に応じて、信号強度プロファイルを造影剤濃度プロファイルに変換するステップ、(b)栄養血管から対象組織への動脈入力関数(AIF)を測定するステップ、(c)デコンボリューションを用いて組織プロファイルとAIFから組織衝動残留関数(IRF)を抽出するステップ、(d)IRFを使用して、脳血流量(CBF)、脳血液量(CBV)、平均通過時間(MTT)を含む量的灌流指数を計算するステップ、を含む複数のステップが必要となる。
実際には、対象組織に直接供給する血管からAIFを測定するのは困難である。その代わりに、包括的AIFg(global AIFg)を、内頚動脈(ICA)、中大脳動脈(MCA)、または前大脳動脈(ACA)といった大血管から検出することが多い。
しかしながら、正常な灰白質におけるCBF値とCBV値は、正常な白質においてより高い(通常約2〜3倍)ため、同じCBVまたはCBF閾値を灰白質と白質に適用すると、正確にペナンブラ領域と梗塞領域を描写できない可能性がある。その上、急性脳卒中等の深刻な血管疾患の場合には、測定した大動脈からの包括的AIFgが、虚血組織に到達するまでの遅延及び分散効果と関連することが多く、標準的なデコンボリューション法で計算したMTTの過大評価やCBFの過小評価の原因になっている。従って、MTTまたはCBF閾値を使用した虚血性病変部を同定する方法は、体系的に虚血性病変部とペナンブラの範囲を過大評価する危惧がある。
ここでも同様に、遅延及び分散効果については考慮されておらず、従って潜在的なCBF過小評価やMTT過大評価が、虚血性病変部及びペナンブラに関する過大評価に繋がる可能性がある。
従って、このパラメータは、血流が異常な領域に対する相対指標である。また、分散効果について全く考慮されておらず、どのように虚血性ペナンブラを同定するかについても全く開示していない。
しかしながら、虚血性ペナンブラをどのように同定するかについては全く開示していない。
(a)灌流画像データを電子メモリ要素にロードし、
(b)CBVマップ及びDTマップを含む灌流マップを、動脈遅延及び分散効果を考慮して、導出し、
(c)DTが所定の第1閾値より大きく、CBVが第2閾値より小さい虚血部画素を検出し、
(d)DTが所定の第3閾値より大きく、及び/またはCBVが第4閾値より小さい虚血性病変部の梗塞部分を検出し、
(e)検出した虚血性病変部画素及び梗塞部画素それぞれ全てに対して、小島を除去するまたは所定の第5閾値より小さい最大クラスタサイズを有する***を塞ぐことによってクラスタ分析を適用し、
(f)ペナンブラを、虚血性病変部と梗塞中心部との間のミスマッチ領域として同定すること、
によって虚血性病変部を同定する方法を提供する。
本発明では、デコンボリューションを繰返すアプローチを、一連の遅延時間値DTiを0〜Tmaxの範囲でループ化して、更に使用する。各遅延時間に対して、モデル化した動脈輸送関数を、測定した包括的AIFgでコンボリューションしてAIFiを求め、このAIFiを組織曲線のSVDデコンボリューションに使用して、その最大値がTmax(i)で現れるIRFiを生成する。実際の遅延時間DTを、Tmax(i)=0となる最小DTi値として求める。次に、CBFとCBVを、MTT=CBV/CBFで、それぞれIRFiの最大値と積分によって求められる。
以下の詳細な記述は多数の説明目的の具体例を含むが、以下の例示的な細部に対する多数の変形例や変更例も本発明の範囲内とする。以下の本発明の好適実施形態は、特許請求の範囲に記載した発明に対する一般性を喪失することなく、特許請求の範囲に記載した発明を限定することなく記載するものである。
CTスキャナ20、MRIスキャナ30またはNMスキャナ35等からのスキャンで収集した生データを、図2の画像保管通信システム(PACS)の形をしたデータ保存システム40に転送する。コンピュータの形をしたプロセッサ50で動作するコンピュータプログラムを使用して、スキャナ20、30または35の何れか1台から、或はデータ保存システム40からの様々な画像や生データを検索する。次に、プログラムによりこれらの画像を、特に血流量、血液量、平均通過時間、動脈遅延時間、動脈分散時間、相対動脈分散、組織分散時間または相対組織分散を含む灌流指標に関して、臨床医が使用できるよう改良したデータセットを提供するように処理する。コンピュータプログラムは、コンピュータ50に存在させる必要はなく、スキャナ20、30または35の何れか1台にリンクさせたコンソールコンピュータに存在させてもよい。或はまた、プログラムはワークステーション(スタンドアロン、またはシステム内)に、またはPACS40に存在させてもよい。
ユーザは、最良の動脈入力関数を確認するために、選択したAIFに対するプロファイルを動的に見ながら、特定の画素を更に選択してもよい。より良好な動脈画素を保存し、保存したAIFと置換または平均化でき、その後ユーザは、自分が選択したAIFに満足するまで、更なる画素を更新したAIFと比較するために、更なる画素を「クリック」してもよい。最良のAIFを選択するが、動脈の一部だけが画素に含まれる際の部分容積効果(PV)を抑制するための対策として、異なるスライスでこれを行なってもよい。同様に、最良のVIFプロファイルもユーザによって確認できる。
実施例に関する説明を図3に対して行なうと、図3では動脈入力関数を動脈8で測定した結果、図3(A)のグラフを得た。造影剤の注入から動脈入力関数を動脈8で測定する点に到着するまでに、時間taがかかることがグラフから分かる。振幅が大きく幅狭の「パルス」になっている。次に、図3(C)では、60で示した組織6の入力動脈で測定した場合の動脈入力関数について示している。グラフが若干分散しているまたは広がっている他、脳卒中または狹窄症等の血管疾患が発生した可能性がある細動脈62を横断する際の時間の遅延tdも起きていることが分かる。別の組織に供給する他の正常な細動脈では、殆ど遅延や分散がないかも知れない。そのため、正常な内頚動脈(ICA)、中大脳動脈(MCA)、前大脳動脈(ACA)または後大脳脈(PCA)といった大血管を、患者の頭頸部で複数スライスして選択するのは、実際に有用である。造影剤が動脈8から単独または複数の動脈62を経由して組織6への入口点60まで通過することについて、遅延tdと推定分散パラメータを用いて、組織入力動脈60での模擬関数AIFt(t)を導出する血管輸送モデル(VTM)によって記述する。次に造影剤濃度が通過する部分について、造影剤が組織6を入力部60から出力部64まで横断する、組織灌流モデル(TPM)によって記述する。測定した造影剤濃度プロファイルC(t)は、図3(E)で示した曲線で表したように、組織6に残留する造影剤を表していて、組織の血流Ftと衝動残留関数(IRF)Re(t)を、特異値分解(SVD)法等のモデルフリーなデコンボリューション法を使用して推定できる。しかしながら、そうしたデコンボリューションはノイズに影響を受けるため、Re(t)の幾つかの数理解を出せるかも知れないが、生理的意義はない。その上、推定したFtとRe(t)は、遅延及び分散効果が不明なことで不確定となり、精確でない可能性がある。図3(D)で示したような典型的な形状を有するモデルから導出したIRF Rs(t)を用いた制約デコンボリューション処理を使用するのが望ましい。推定Re(t)を使用してRs(t)のパラメータを導出できる。
ピーク立上り時間(RT)=σ2α2
平均通過時間(MTT)=σ2(1+α2)
ピーク高さ(PH)=1/σ2
平均通過時間(MTT)=t2+σ2
血流量(BF)=Ft
平均通過時間(MTT)=t2+σ2(1+α2)
血液量(BV)=BF×MTT
動脈遅延時間(DT)=t1+σ1(1+α1)
動脈分散時間(ADT)=σ1(1+α1)1/2
組織分散時間(TDT)=σ2(1+α2)1/2
相対動脈分散(RAD)=ADT/DT
相対組織分散(RTD)=TDT/MTT
ステップ134では、プログラムによりt2、σ2、α2を(α2=0またはt2=0のどちらかで)式(数7b)または式(数8b)を用いて、he(t)曲線から導出する。ステップ136では、hs(t)を、プログラムによって、第2モデルを用いてt2、σ2、α2に対する値を知ることで導出する。ステップ138では、Rs(t)を、式(数10)からプログラムによって導出する。ステップ140では、Cs(t)を、プログラムによってRs(t)、AIFt(t)、kH、Ftの推定値を用いて、求める。ステップ142では、最小二乗法をプログラムで使用して、C(t)にCs(t)を適合させ、パラメータFt、t1、σ1、α1、σ2、α2、t2を式(数12)でSを最小化することを繰返して最適化する。最後に、ステップ144では、プログラムにより、式(数13)を用いて、BF、MTT、BV等といった灌流指標の値を計算する。
CTスキャナ602、MRIスキャナ604等からスキャンして取得した生データ及び/または画像を、図6の画像保管通信システム(PACS)の形をしたデータ保存システム606に転送する。コンピュータの形のプロセッサ608で動作するコンピュータプログラムを使用して、スキャナ602、604の何れか1台からまたはデータ保存システム606から様々な画像または生データを検索する。コンピュータプログラムはコンピュータ608に存在させる必要はないが、スキャナ602または604の何れか1台にリンクさせたコンソールコンピュータに存在させてもよい。或はまたプログラムはワークステーション(スタンドアロンの、またはシステム内の)に、またはPACS608に存在させてもよい。
図7では、急性脳卒中患者において現行手法で検出した急性虚血性ペナンブラの例を示しているが、効果的な治療がされず、初期ペナンブラ領域が翌日までに更に進行して梗塞になっている。対照的に、別の急性脳卒中患者において現行手法で検出した、早期に処置が行なわれたペナンブラ領域は、図8に示すように、翌日までに殆ど救済された(梗塞中心部が殆ど拡大せず)。これら2例は、現行手法で同定した虚血性ペナンブラと梗塞部が、急性期の組織状態をより精確に反映する可能性があることを実証していて、従って、組織状態マップと併せて虚血性病変部全体に占める割合としてペナンブラの測定値とを、急性脳卒中患者の治療を誘導するのに使用すると、一層良い結果を出すことが期待できる。
8 動脈
10 静脈
20、602 CTスキャナ
30、604 MRIスキャナ
35 NMスキャナ
40、606 データ保存システム
50、608 プロセッサ
60 入力部
62 細動脈
64 出力部
80 AIFプロファイル
82、86 極大値
84 VIFプロファイル
87、89 コンター
88 AIF
702 梗塞領域
704 ペナンブラ
Claims (18)
- コンピュータに入力した灌流画像データについてコンピュータプログラムを介して、コンピュータが被検者における虚血性病変部を同定する方法であって、
(a)灌流画像データを電子メモリ手段にロードし、灌流画像データに、組織を含む対象領域(ROI)を通過する造影剤の情報を含み、
(b)正常な主幹動脈から包括的動脈入力関数AIFを測定し、そのAIFを、時間に沿って測定される強度プロファイルとし、
(c)組織において組織造影剤曲線C(t)を測定し、そのC(t)を、時間に沿って測定される強度プロファイルとし、
(d)遅延補正デコンボリューション法を用いて、画素毎にC(t)からAIFをデコンボリューションすることで灌流マップを導出し、その灌流マップを、動脈遅延時間(DT)マップと、脳血液量(CBV)マップ、脳血流(CBF)マップ、平均通過時間(MTT)マップとを含むものとし、
(e)DTを所定の第1閾値より大きく、CBVを第2閾値より小さくし、灌流画像データから虚血性病変部画素を決定するステップにおいて、
上記ステップ(d)を、
(a)モデルフリーのデコンボリューション法を用いて、C(t)からAIFをデコンボリューションして、組織衝動残留関数(IRF)を計算し、そのIRFの最大値を特定の時点Tmaxで現し、
(b)得られたTmaxを用いて、一連の遅延時間値DT i を、0〜Tmaxの範囲でループ化し、各遅延時間に対して、遅延時間DTiと既知の相対分散係数を有する動脈輸送関数を、AIFでコンボリューションしてAIF i を求め、IRF i を、モデルフリーのデコンボリューション法を用いて、C(t)からAIF i をデコンボリューションして計算し、IRF i の最大値をTmax(i)で現し、
(c)Tmax(i)=0となる最小DT i 値でDTを求め、対応するIRF i をIRF o として記録し、
(d)CBFとCBVを、それぞれIRF o の最大値と積分によって求め、MTT=CBV/CBFとする
ことによって実行する
ことを特徴とする虚血性病変部同定方法。 - 虚血性病変部の梗塞部分を決定するステップを含み、(i)DTを所定の第3閾値より大きく、(ii)CBVを第4閾値より小さくする
請求項1に記載の虚血性病変部同定方法。 - 虚血性病変部画素及び梗塞部画素それぞれに対して、小島を除去または***を塞いでクラスタ分析を適用するステップを含み、小島または***の最大クラスタサイズを、所定の第5閾値より小さくする
請求項2に記載の虚血性病変部同定方法。 - 虚血性病変部と梗塞部との間のミスマッチ領域によりペナンブラを決定するステップを含む
請求項2に記載の虚血性病変部同定方法。 - ペナンブラ体積を虚血性病変部体積に占める割合として求めるステップを含む
請求項4に記載の虚血性病変部同定方法。 - (a)所定の第1閾値を、3〜4秒とし、
(b)所定の第2閾値を、9ml/100gとする
請求項1に記載の虚血性病変部同定方法。 - (a)所定の第3閾値を、10秒とし、
(b)所定の第4閾値を、1.5ml/100g、或は、(c)所定の第4閾値を、被検者の影響を受けていない正常な組織から測定した平均CVB値の50%とする
請求項2に記載の虚血性病変部同定方法。 - 所定の第5閾値を、3〜5mmとする
請求項3に記載の虚血性病変部同定方法。 - ステップ(d)に、下記のいずれかのステップを適用する:
(a)AIFを血管輸送に対する第1モデルでコンボリューションして、組織入力関数AIFtをシミュレートし、
(b)AIFtを組織輸送関数に対する第2モデルでコンボリューションして、組織曲線Cs(t)をシミュレートし、
(c)最小二乗法を用いて、少なくとも4つの調整可能なパラメータの値を最適化することで、模擬Cs(t)を測定した組織曲線C(t)に適合させ、
(d)モデルフリーのデコンボリューション法を用いて、調整可能なパラメータの最適値を導出するために、最小二乗法処理のための調整可能なパラメータの初期値を推定し、
(e)灌流マップを、調整可能なパラメータの最適値から計算する
請求項1に記載の虚血性病変部同定方法。 - ステップ(a)で灌流画像データをロードした後に、運動修正を適用するステップを含む
請求項1に記載の虚血性病変部同定方法。 - 灌流画像データを、ダイナミック画像スキャン中に被検者の体管腔に造影剤を投与して生成し、体管腔には動脈または静脈を含み、造影剤からの画像レスポンスを、コンピュータのコンピュータデータストレージに記録する
請求項1に記載の虚血性病変部同定方法。 - C(t)を、灌流画像データから得た造影剤の時間的濃度とし、灌流画像データに、被検者のROIを造影剤が通過中に連続して取得する造影剤画像を含み、造影剤濃度を時間に対してプロットする
請求項1に記載の虚血性病変部同定方法。 - 被検者における虚血性病変部を同定するシステムであって、
造影剤をダイナミック画像スキャン中に被検者に投与し、被検者の灌流画像データを取得するスキャン手段と、
画像データをスキャン手段から検索するまたは受信する保存手段と、
(a)灌流画像データを電子メモリ手段にロードし、灌流画像データには、対象領域(ROI)を通過する造影剤の情報を含み、そのROIは組織を含み、
(b)正常な主幹動脈から包括的な動脈入力関数AIFを測定し、そのAIFを、時間に沿って測定される強度プロファイルとし、
(c)組織において組織造影剤曲線C(t)を測定し、C(t)を、時間に沿って測定される強度プロファイルとし、
(d)遅延及び分散補正デコンボリューション法を用いて、画素毎にC(t)からAIFをデコンボリューションすることで灌流マップを導出し、その灌流マップは、動脈遅延時間(DT)マップと、脳血液量(CBV)マップ、脳血流(CBF)マップ及び平均通過時間(MTT)マップとを含み、
(e)灌流画像データから虚血性病変部画素を決定し、DTは所定の第1閾値より大きく、CBVは第2閾値より小さいこと、
を含むプロセッサ手段と、をみ、
上記(d)では、
(a)モデルフリーのデコンボリューション法を用いて、C(t)からAIFをデコンボリューションして、組織衝動残留関数(IRF)を計算し、そのIRFの最大値を特定の時点Tmaxで現し、
(b)得られたTmaxを用いて、一連の遅延時間値DT i を、0〜Tmaxの範囲でループ化し、各遅延時間に対して、遅延時間DTiと既知の相対分散係数を有する動脈輸送関数を、AIFでコンボリューションしてAIF i を求め、IRF i を、モデルフリーのデコンボリューション法を用いて、C(t)からAIF i をデコンボリューションして計算し、IRF i の最大値をTmax(i)で現し、
(c)Tmax(i)=0となる最小DT i 値でDTを求め、対応するIRF i をIRF o として記録し、
(d)CBFとCBVを、それぞれIRF o の最大値と積分によって求め、MTT=CBV/CBFとする
ことによって実行する
ことを特徴とする虚血性病変部同定システム。 - 虚血性病変部の梗塞部分を決定する手段を含み、(i)DTは所定の第3閾値より大きく、(ii)CBVは第4閾値より小さくする
請求項13に記載の虚血性病変部同定システム。 - 虚血性病変部画素及び梗塞部画素それぞれに対して、小島を除去または***を塞いでクラスタ分析を適用する手段を含み、小島または***の最大クラスタサイズを、所定の第5閾値より小さくする
請求項13に記載の虚血性病変部同定システム。 - 虚血性病変部と梗塞部との間のミスマッチ領域によりペナンブラを決定する手段を含む
請求項14に記載の虚血性病変部同定システム。 - ペナンブラ体積を虚血性病変部体積に占める割合として求めて、急性脳卒中患者の治療を誘導する手段を含む
請求項16に記載の虚血性病変部同定システム。 - スキャン手段を、コンピュータ断層(CT)撮影システム及び磁気共鳴断層撮影(MRI)システムの少なくとも1つとする
請求項13に記載の虚血性病変部同定システム。
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