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JP2008526382A - 血流の表示方法およびシステム - Google Patents

血流の表示方法およびシステム Download PDF

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JP2008526382A
JP2008526382A JP2007550560A JP2007550560A JP2008526382A JP 2008526382 A JP2008526382 A JP 2008526382A JP 2007550560 A JP2007550560 A JP 2007550560A JP 2007550560 A JP2007550560 A JP 2007550560A JP 2008526382 A JP2008526382 A JP 2008526382A
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ツァオ、メイデ
メン、ニン
カーシオ、アンソニー
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ヴァッソル インコーポレーテッド
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Abstract

磁気共鳴画像化(MRI)データセットに含まれる解剖学的および血流情報を提示する方法およびシステムが開示される。本明細書で4次元(4D)提示または表示と称される、経時的に変動する血流の3次元(3D)表現が生成
される。このシステムは血流の力学の視覚化および異なるタイプのMRIデータセットの融合により解剖学的情報の視覚化を可能にする。

Description

関連出願の相互参照
本出願は2005年1月10日に出願された米国特許出願番号第11/032,306号の優先権の利益を主張するものであり、その内容を本明細書に引用して援用する。
超音波および位相コントラスト磁気共鳴(PCMR)を始めとする人体内の血流を測定するための多くのモダリティが今日使用されており、そのような測定の結果は通常多様な方法で表示される。しかし血流情報を描画する現存の医用ソフトウェアは通例かなり抽象的な形状で情報を提示する。血液情報を表示するより臨床的に有用な方法は、臨床医が解剖学的コンテクストで複数の血流の力学を視覚化することを可能にする。このような表示を視覚的に分析するとともに、脳卒中などの医療問題を処理するために診断および手術計画ツールとして利用することもできる。
本開示は磁気共鳴画像化(MRI)データセットに含まれる解剖学的および血流情報を提示する方法およびシステムに関する。血流の3次元(3D)表現および経時的進行が提供され、本明細書では4次元(4D)提示または表示と称する。このようなシステムは動脈および静脈フロー両方同時の力学の視覚化のみでなく、異なるタイプのMRIデータセットの融合により解剖学的情報の視覚化も可能にし得る。
本開示は時間および空間の4次元すべてのMRIデータセットのコンピュータ生成表現を作成するシステムに関する。特に本発明は血流関連PCMR画像を含むMRIデータセットを、本明細書で3Dフロー画像と称する3Dオブジェクトの時系列に変換するシステムおよび方法に関する。このようなPCMR画像は検出された心臓活動によりゲート制御され得る。そして3D画像の時系列を動画として表示して、ユーザが一時的空間的状況で血流を視認にするとともにMRIデータセットの時間変化特徴を分析することを可能にする4D提示を形成する。MRIデータセットまたは他のモダリティから得られる解剖学的情報を、4D提示に組み込んでもよい。ある実施形態においてユーザは動画と対話して操作することもできる。
以下により詳細に説明する一実施形態において、ユーザはまず医学的データセット記憶システムから、ゲート制御された位相コントラスト磁気共鳴(PCMR)画像を含む医学的データセットを問い合わせて検索する。ここでPCMR画像および他のデータは、医学画像を送信、受信および格納する標準プロトコルであるDICOM(医用デジタル画像と通信)などの形式であり得る。2D位相(または速度)画像が反映されたフロープロファイルから得られる1つまたは複数の3Dフロー表面が、3Dフロー画像を作成するために生成される。次に2Dマグニチュード画像を3Dフロー画像に重ねることにより、3Dフロー画像を構成するフロー表面のピクセル輝度を変更する。上記の2つのステップを心臓周期で各対の2D PCMR画像に適用して、その後シーケンス内の3Dフロー画像をすべて動画にしてまたは手動で閲覧して4D提示を提供することにより拍動流の力学を明らかにすることができるようにする。この手法は医学的データセットの時間変化特徴を視覚化し、それにより診断および手術計画を容易にする直感的方法を提供する。解剖学的コンテクストを4D提示に提供するために3Dフロー画像を、3Dフロー画像により画像化された血液が流れる血管系の3D表面描画と融合させてもよい。血管系の3D表面描画をMRIまたは他の画像化モダリティにより得てもよい。2つの3Dオブジェクトの融合により、動脈および静脈の両方を含む多数の血管の容易な識別が可能になるとともに、このような融合3D画像の時系列が表示される場合、心臓周期の各回においてフロー方向の視覚化を可能にする。このため動脈および静脈流を、血管系の3D表面描画および拍動流プロファイルの3D表面描画の両方のコンテクストから容易に識別することができる。またシステムは、ユーザが選択された血管内の流れおよび流れの方向の視覚化を制限することを可能にし、3Dフロー画像内の他の領域を平坦にして、視認者が関心のある血管にのみ集中することを助け得る。
1.システムの説明
図1は本明細書に説明するような血流の4D提示を生成するのに適当な例示的環境のシステム構成要素を示す。環境は特定の患者のために生成されたDICOM画像源としてMRIシステム101を含む。場合によってはCT(コンピュータ断層)または超音波などの異なる画像化モダリティを用いるさらなる画像化システムも設け得る。画像化システムはローカルネットワークにより、臨床および放射線環境で幅広く用いられているPACS(画像保管通信システム)などのDICOM記憶装置120に接続されている。PACSシステムはネットワークを介して受信された質問に応答してDICOM画像を検索する機能を提供する。環境は4D視覚化ソフトウェアのすべてまたは一部がある1つまたは複数のユーザコンピュータ130も含む。ユーザコンピュータは入力装置(例えばキーボード)と血流の4D提示をユーザに表示する装置(例えばモニタ)とを含む。ユーザコンピュータ130はLAN(ローカルエリアネットワーク)によりまたはインターネットによりPACS120に接続されている。(代替的にはPACSシステムはユーザコンピュータ130に組み込まれ得る)。4D視覚化ソフトウェアは独立アプリケーション、現存の医学画像または管理ソフトウェアの追加特徴、またはウェブブラウザ内の埋め込みアプレットなどのいくつかの形状を取ることができる。ユーザコンピュータ130とPACS120との間の通信および対話は、セキュリティの要件に応じてHTTPまたはHTTPSなどのインターネットプロトコルに基づき得る。
MRIシステム101はDICOM画像データの一次発生源であり、そこから血流の4D提示が得られ得る。磁気共鳴画像において組織内の特異的核(通常水素核)のスピンが、選択方向の印加静電磁界の存在下で高周波(RF)パルスにより励起され、その大きさを規定された時系列で空間的に変動させる。励起スピンの歳差回転運動の周波数は印加された磁界の大きさに関連して変動し、それによりスピンの空間位置を得ることができる自由誘導減衰(FID)信号を生成する。励起RFパルスおよび勾配パルスと称される印加された磁界の線形空間変動の特定シーケンスを印加することにより、得られたFID信号を、組織の選択部分におけるスピン密度の空間分布のフーリエ変換により変調された搬送波形振幅として解釈することができる。この場合の搬送波形は勾配が印加されていないスピン共鳴周波数における複合正弦波である(すなわちスピン種のラーモア周波数)。FID信号の復調後に生成されるk空間信号を逆フーリエ変換することにより、k空間と称される空間周波数ドメインから画像位置ドメインへの変換を達成することができる。k空間信号はそれにより、画像を生成するために用いることができる位置空間のスピン密度関数に変換され、画像ピクセルの輝度はそのピクセル位置におけるスピン密度関数の大きさに応じて変動する。体内の選択関心体積(VIO)を画像化するために、2次元(2D)スピン密度関数から得られる複数のスライスまたは3次元(3D)スピン密度関数複数のスラブで構成されるMRIデータセットを得る。用語が本明細書で用いられるように、「画像」は実際の視覚表現またはそのような表現が描画することができるデータを表わすために用いられるものである。同様に「ピクセル」または「ボクセル」は、それぞれ実際の2Dまたは3Dの視覚表現の個々の要素、あるいはそのような表現を描画することができる2Dまたは3Dオブジェクトの対応要素を表わすために用いられるものである。
RF励起および勾配パルスの時系列を、k空間信号から得られたスピン密度関数がスピン密度に加えて、スピン格子緩和時間定数T1またはスピン−スピン緩和時間定数T2などの他のパラメータに依存するように操作し得る。時間定数T1は励起パルス後にスピンが長手方向磁化を回復するために必要な時間に関し、長手方向磁化は励起パルスに続くFID信号を生成するために必要である。パルスシーケンスは、短いT1を有するスピンがスピン密度関数でより重く重み付けされるように設計され、いわゆるT1重み付け画像がそのようなスピン密度関数から得られ得る。組織内の血流を画像化するタイム・オブ・フライト(TOF)法は、非励起領域からパルスにより励起された領域内に流れる血液が励起領域の静止組織より大きい長手方向磁化を有するように時間調整された繰り返し励起パルスの利用を含む。移動血液はそのため短いT1を有する組織を再現するとともに強化スピン信号を生成する。血管内に含まれる移動血液のためTOF画像化を用いて血管を選択的に画像化し得る。
他の技術、位相コントラスト磁気共鳴(PCMR)により血流を画像化するとともに定量化し得る。励起スピンからのk空間信号は、真および仮想成分が同相直交の搬送波形を変調する複合信号である。k空間信号の逆フーリエ変換が純粋に真のスピン密度関数を生じることが理想的である。あるアーティファクトによりスピン密度関数が真および仮想部の両方を有するが、スピン密度関数の大きさによりに画像ピクセルまたはボクセル輝度を変化させていわゆるマグニチュード画像を作成することにより、この問題を通常画像化において回避することができる。一方PCMRにおいてバイポーラ勾配パルスを用いて流動スピンに、勾配方向のスピンの速度に比例する位相を獲得させる。このような速度の位相符号化後、位相をスピン密度関数から抽出して血流の大きさを測定することができる。抽出された位相を用いて、ピクセルまたはボクセル輝度がピクセルまたはボクセルの位置でスピン密度関数の位相と共に変動する、位相画像と称される画像を構成することもできる。適当な平面バイポーラ勾配パルスの印加後にk空間信号から得られる位相画像は、そのためが像の平面を通る血流の大きさの視覚表現を提供することができる。
2.方法の説明
図2は図1に示したシステムにより実施形態され得る例示的方法のフロー図を提供する。この方法を実施形態するための4D視覚化ソフトウェアをコンピュータ読み取り可能媒体(例えばハードディスクまたは光学記憶媒体)に格納してユーザコンピュータにより実行し得る。本実施形態の4D視覚化ソフトウェアは、ユーザが患者名または患者IDを提供することにより研究リストおよび各研究用画像リストを問い合わせることを可能にするユーザインターフェースを提供し得る。関心のある画像が選択されるとともにロード動作が引き起こされた後、選択画像に対応するDICOM画像データがPACSからユーザコンピュータに取り出されるとともに処理されて4Dフロー提示を生成する。
ユーザコンピュータにより受信されたDICOM画像データの一部分は、選択された解剖面を通る血流を表わす時系列2D位相画像である。これらの2D位相画像はPCMR画像化を用いてMRI画像化システムによりステップS1で生成される。特定の解剖面が選択されるとともに平面勾配が印加されて、得られたk空間信号内の平面を通過する血液速度を位相エンコードする。このような2D位相画像の時系列が作成され、それが心臓周期に同期されるようにゲート制御され得る。一実施形態において、時系列内の2D位相画像の各連続対は心臓周期の収縮期および拡張期を表現する。他の実施形態において、時系列の各2D位相画像は心臓周期の同一位相を表現する。
フローまたは速度情報を含む2D位相画像から、ソフトウェアはステップS2において3Dフロー画像の時系列を作成する。3Dフロー画像は2D位相画像から得られるとともに、解剖面の上方または下方で2D位相画像内の位相に対応する高さにプロットされた1つまたは複数のフロー表面を含む。3Dフロー画像内のフロー表面の高さは2Dフロー画像内の上層および下層ピクセルの位相に対応するか、または2Dフロー画像内の上層および下層ピクセルの群の位相に対応し得る。換言すれば2D画像内のピクセルの位置およびサイズ情報は、X−Y面内の表面要素の座標内にマップされるとともに、ピクセルの輝度が表面要素に対する高さ(またはZ座標)にマップされる。代替的にはいくつかのピクセルをグループ化して、表面生成のためにより大きなピクセルとして機能することができる。例えば4(2×2)隣接ピクセルをXおよびYの両方の寸法で2倍のサイズを有する1つのピクセルに融合するとともに、融合ピクセルの輝度を4つのピクセルの平均値にすることができる。このようにして3D表面(多角形)を形成するために用いられる表面要素総数が低減されるとともに、3D表面を表示するために必要なリソース量(メモリおよびCPU)が低減される。3Dフロー画像を2D位相画像毎に作成して、3Dフロー画像の時系列を生成し得る。代替的には3Dフロー画像は2D位相画像のために作成された後、次の2D位相画像からの情報で更新されて、3Dフロー画像の時系列を生成する。2D位相画像は通常画像取得プロセス中に多様な要因により生じるいくつかのアーティファクトを有する。外来ノイズは画像に含まれる情報の理解を妨害する。平滑またはブラーリングアルゴリズム(例えばカーネルの畳み込み平滑アルゴリズムまたはエッジ保存平滑アルゴリズム)を用いて、それらのアーティファクトの影響を低減することができると同時に、実情報のより美的な表示を提供する。
そして3Dフロー画像のシーケンスを動画として連続的に表示して4次元フロー提示を形成する。動画中3Dフロー画像は時系列を均等または任意の時間間隔で、または対応位相画像が得られたリアルタイム間隔に対応する時間間隔で表示され得る。一実施形態において、3Dフロー画像の時系列を固定媒体に記憶するためのおよびその後の表示のための映像形式に記録する。他の実施形態において、3Dフロー画像の時系列はブラウザソフトウェアによって視認可能なページの形状でネットワークを介して送信される。その場合4D提示は、ユーザが3Dフロー画像の特徴を変更可能な双方向のものであり得る。例えばユーザは3Dフロー画像内の1つまたは複数のフロー表面を選択的に平坦化して、特定の関心のある血流のみを表示し得る。
3Dフロー画像の3D表面が作成されると、それらをより多くの情報を表現するように強化することができる。一実施形態において、3D表面の各表面要素の色特性が、解剖学的構造に関する情報を担持する画像などの、関心のある他の2D画像内のピクセルの輝度値に従って変更される。例えば3Dフロー画像内のフロー表面を形成するために用いられるピクセル輝度を、2D位相画像と同じ解剖面の2Dマグニチュード画像内の対応ピクセル輝度に関連させることにより、3Dフロー画像を強化し得る。従って選択解剖面の2Dマグニチュード画像が、ステップS3においてMRIまたはCTなどの他の画像化モダリティを用いて生成される。このようにして2Dマグニチュード画像内で動脈血液を静脈血液と区別する異なるピクセル輝度が3Dフロー画像内にその情報も提供し得る。実際の3Dフロー画像ではピクセル輝度は色範囲に色マップされ、または黒および白の濃淡に階調マップされ得る。そのため、一例において色変更は、関心のある2D画像のピクセルの輝度値をR、G、B値の3つ組にマッピングすることにより実施される。このような色マッピング手法に多様な種類がある。一実施形態では、緑色から赤色への平滑移行の色マップを用いて血管構造を強調する。階調マッピング、黒から白までの色範囲を有する特別な色マップを用いても、解剖学的構造のよく知られたフィルム状描画を放射線医に提供することができる。臨床的に重要な異なる組織または器官を強調表示するように構成され得る色マッピングの他の可能性がある。
PCMR画像内に動脈および静脈の両方を含む多数の血管があり、3Dフロー表面の描画のみからそれらの血管を認識することが困難である場合がある。そのためさらなる強化において、3Dフロー画像を血管系の3D画像と融合することにより解剖学的情報を3Dフロー画像に追加してもよい。血管系の3D画像を、3D再構成アルゴリズムを用いてタイム・オブ・フライト(TOF)磁気共鳴画像に基づいて得ることができる。2つの3D表面オブジェクトを、透明性を用いて描画することにより、視認者が3D血管を透視して拍動流およびその動画を観察することを可能にする。その後心臓周期の各回におけるフロー方向を3D融合画像で視覚化することができる。動脈および静脈フローを、血管系の3D表面描画および拍動流表面の3D描画の両方のコンテクストから容易に区別することができる。例示的アルゴリズムのステップS4で選択された解剖面を通過する選択された血管の3D画像が生成され、ここで血管は透明導管として描画される。その後ステップS5で選択血管の3D画像が3Dフロー画像と重畳または融合されるため、フロー表面は透明血管内に含まれる。
図3は4Dフロー提示を示す、用いられている例示的システムのスナップ写真である。下パネル303は「開始」、「停止」、「一時停止」、「送り」、「戻し」、「早送り」、「早戻し」、および「リアルタイム動画」等などの制御ボタンを含む。中心パネルは動作中の多数の3Dフロー表面300の動画を示し、ここでは3Dフロー画像内の3D表面の各々は平面301を通る血流の速度をその周囲の血管構造302と一緒に表現する。フローおよびフロー方向の視覚化を関心のある領域内に限定し、他の領域を平坦にして視認者が関心のある血管に焦点を合わせることを助けることもできる。ユーザは異なるペースで(例えば1つずつまたは2つずつ)手動でこれらの3Dフロー画像を閲覧する(送るまたは戻す)ことができる。またユーザは3Dフロー画像のシーケンスを2つの方法、均一およびリアルタイムで動画にすることができる。動画の均一方法は各3Dフロー画像を各所定の間隔後に順次描画する。リアルタイム動画はまずDICOM画像から時間遅延情報を検索するとともに、この時間マーカを各3Dフロー画像に貼付する。動画が開始すると、動画の各フレームが時間マーカにより特定される時間量留まり、そのためリアルタイムで動画の錯覚をもたらす。時間遅延は心臓周期間すべての2D画像に対して同等ではないこともあるため、動画のリアルタイム描画は非均一である可能性がある。加えて開始、停止および一時停止制御子も動画を操作するために利用可能である。4Dフロー提示はその提示を多くの一般的な映像形式(AVI、MPEGおよびクイックタイム他)のうちの1つで保存することにより、ハードディスク、CD、DVDまたはフラッシュメモリなどの固定媒体に保存することができる。1秒あたりのフレーム、圧縮/品質率などのパラメータを調整および保存することもできる。
以上の特定の実施形態と共に本発明を説明したが、当業者には多数の代替例、変形例および変更例が明らかになろう。他のそのような代替例、変形例および変更例は以下の添付の特許請求の範囲内に含まれるものとする。
例示的システムを構成する構成要素の図である。 4Dフロー提示を生成する例示的方法に含まれるステップを図示する。 例示的システム内の4D提示のスナップ写真である。

Claims (25)

  1. 選択された解剖面を通る血流を、PCMR画像化を用いて表現する2D位相画像の時系列を生成するステップと、
    3Dフロー画像の時系列を作成するステップと、
    前記3Dフロー画像のシーケンスを連続的に表示して4次元フロー提示を形成するステップと
    を含み、
    3Dフロー画像が2D位相画像から得られるとともに、前記解剖面の上方または下方で前記2D位相画像内の位相に対応する高さにプロットされた1つまたは複数のフロー表面を含む、血流の表示方法。
  2. MRIを用いて前記選択された解剖面の2Dマグニチュード画像を生成するステップと、
    前記2Dマグニチュード画像の対応するピクセル輝度と一致するピクセル輝度を有する前記3Dフロー画像の前記フロー表面を表示するステップとをさらに含む請求項1に記載の方法。
  3. 前記ピクセル輝度が色範囲に色マップされる請求項2に記載の方法。
  4. 前記ピクセル輝度が黒および白の濃淡に階調マップされる請求項2に記載の方法。
  5. 前記選択解剖面を通過する選択血管の3D画像を生成するステップと、
    前記フロー表面が前記血管内に含まれるように前記選択血管の前記3D画像を前記3Dフロー画像と重畳するステップと
    をさらに含み、
    前記血管が透明導管として描画される請求項1に記載の方法。
  6. 前記選択血管の3D画像がTOF磁気共鳴画像化を用いて生成される請求項5に記載の方法。
  7. 前記3Dフロー画像内の前記フロー表面の高さが、前記2Dフロー画像の下層または上層ピクセルの位相に対応する請求項1に記載の方法。
  8. 前記3Dフロー画像内の前記フロー表面の高さが、前記2Dフロー画像内の下層または上層ピクセルの群の位相に対応する請求項1に記載の方法。
  9. 3Dフロー画像が前記3Dフロー画像の時系列を生成するために2D位相画像毎に作成される請求項1に記載の方法。
  10. 3Dフロー画像が2D位相画像のために作成された後、次の2D位相画像からの情報で更新されて、前記3Dフロー画像の時系列を生成する請求項1に記載の方法。
  11. 前記2D位相画像の時系列が心臓周期に同期される請求項1に記載の方法。
  12. 前時系列内の2D位相画像の各連続対が、心臓周期の収縮期および拡張期を表現する請求項11に記載の方法。
  13. 前記時系列の各2D位相画像が心臓周期の同一位相を表現する請求項11に記載の方法。
  14. 均等時間間隔で前記3Dフロー画像の時系列を表示するステップをさらに含む請求項1に記載の方法。
  15. 前記対応位相画像が得られたリアルタイム間隔に対応する時間間隔で前記3Dフロー画像の時系列を表示するステップをさらに含む請求項1に記載の方法。
  16. 前記3Dフロー画像の時系列を、ブラウザソフトウェアによって視認可能なページの形状でネットワークを介して送信するステップをさらに含む請求項1に記載の方法。
  17. 前記3Dフロー画像の時系列を固定媒体に記憶するための映像形式に符号化するステップをさらに含む請求項1に記載の方法。
  18. 前記3Dフロー画像内の1つまたは複数のフロー表面を選択的に平坦化するステップをさらに含む請求項1に記載の方法。
  19. 選択された解剖面を通る血流を表現する2D位相画像を、PCMR画像化を用いて生成するように構成されたMRIシステムと、
    3Dフロー画像の時系列を作成するようにプログラムされたコンピュータと
    を備え、
    3Dフロー画像が2D位相画像から得られるとともに、前記解剖面の上方または下方で前記2D位相画像内の位相に対応する高さにプロットされた1つまたは複数のフロー表面を含み、さらに
    前記コンピュータが、前記3Dフロー画像のシーケンスを連続的に表示して4次元フロー提示を形成するようにさらにプログラムされている血流の表示システム。
  20. 前記MRIシステムが、MRIを用いて前記選択された解剖面の2Dマグニチュード画像を生成するようにさらに構成されており、さらに
    前記コンピュータが、前記2Dマグニチュード画像の対応するピクセル輝度と一致するピクセル輝度を有する前記3Dフロー画像の前記フロー表面を表示するようにさらにプログラムされている請求項19に記載のシステム。
  21. 前記ピクセル輝度が色範囲に色マップされる請求項20に記載のシステム。
  22. 前記MRIシステムが、
    前記選択解剖面を通過する選択血管の3D画像を生成するとともに、
    前記フロー表面が前記血管内に含まれるように前記選択血管の前記3D画像を前記3Dフロー画像と重畳するようにさらに構成され、
    前記血管が透明導管として描画される請求項19に記載のシステム。
  23. 前記選択血管の3D画像がTOF磁気共鳴画像化を用いて生成される請求項22に記載のシステム。
  24. 前記コンピュータが、前記3Dフロー画像の時系列を、ブラウザソフトウェアによって視認可能なページの形状でネットワークを介して送信するようにさらにプログラムされている請求項19に記載のシステム。
  25. 選択された解剖面を通る血流を表現する2D位相画像の時系列からPCMR画像化を用いて3Dフロー画像の時系列を作成する命令と、
    前記3Dフロー画像のシーケンスを連続的に表示して4次元フロー提示を形成する命令と
    を含み、
    3Dフロー画像が2D位相画像から得られるとともに、前記解剖面の上方または下方で前記2D位相画像内の位相に対応する高さにプロットされた1つまたは複数のフロー表面を含む、コンピュータ読み取り可能記憶媒体。

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