JP4991697B2 - データセットにおいて構造体を分割する方法、システム及びコンピュータプログラム - Google Patents

Description

本発明は、夫々の時間フェーズに対し取得された複数の多次元画像を時系列で有するデータセットにおいて構造体を分割する方法に関し、各多次元画像は標的組織及び他の組織に関するデータを含んでいる。

本発明はさらに、夫々の時間フェーズに対し取得された複数の多次元画像を時系列で有するデータセットにおいて構造体を分割するシステムにも関し、各多次元画像は標的組織及び他の組織に関するデータを含んでいる。

本発明はまたさらに、夫々の時間フェーズに対し取得された複数の多次元画像を時系列で有するデータセットにおいて構造体を分割するためのコンピュータプログラムにも関し、各多次元画像は標的組織及び他の組織に関するデータを含んでいる。

冒頭の段落に述べたような方法の実施例は、欧州特許公開公報EP 0 542 414 A1から既知である。この既知の方法は特に、心臓における心室体積を決める。この目的のために、患者の心臓領域の第１の画像及び第２の画像は、僅かな時間変位間隔で撮られる。これら第１及び第２の画像は互いから減算され、前記間隔中に移動した、心室の組織のような組織、特に標的組織の位置を示す差分画像を生成する。従ってこの差分画像は前記心室の境界を示す。この差分画像は、ユーザ制御されるしきい値を加え、関心領域の計算に用いられ、続いて画像ボクセルを心室又は心室以外に自動分類する。連続する分割したボクセルが数えられ、ボクセルのサイズに対し調節され、夫々の心室体積の表示を作成する。

既知の方法の欠点は、本質的に低レベルのピクセルに基づく分割技術を表し、その品質は本来の画像品質に大きく影響していることである。さらに、この既知の方法におけるしきい値は、画像のコントラストに従って調節されることが必要である。

本発明の目的は、悪い品質の画像に対してもロバストな画像分割法を提供することである。

この目的のために、本発明による方法は、
−時系列順の２値化画像を生じさせる、前記時系列順の画像を２値分割(binary segmentation)した結果にアクセスするステップであり、これにより前記標的組織及び他の組織に対応する画像部分が２値化されているステップ、
−複数の離散値を有する多次元の時間的特徴マップを生じさせる、連続する対の２値化画像の間にある連続する差分を前記時系列から、全ての時間フェーズに対し計算するステップ、
−前記複数の離散値から選択可能な既定の離散値に対応する、データセットにおける空間位置を得るステップ、
−前記構造体の所定の変形可能な形状モデルにアクセスするステップ、及び
−前記空間位置に従って前記形状モデルを変形させることにより、前記構造体を分割するステップ
を有する。

本発明の技術的方策は、
−標的組織と他の組織との間、特に血液プールと心臓撮像用の画像の残りの部分との間にグレイレベルの画像コントラストが存在している、
−前記時系列の異なる時間フェーズに対し、前記標的組織の動きがある、及び
−画像分割の品質は、考えられる構造体の先験的に構築された形状モデルが用いられる場合、大幅に改善される
という洞察に基づいている。

これら仮定は、心臓撮像だけではなく、一般的な胸部の撮像にも有効であることが証明され、これにより前記動きは呼吸サイクルのために生じることを述べておく。前記公報EP 0 541 414 A1の既知の方法が時間で遅延した２つの画像間における減算を開示している一方、この減算は、本来のグレイレベルの符合化画像間において、且つ心臓が動く幅を大まかに分割することを目的として、行われる。これに代わり、本発明による方法に従って、前記本来の画像は、２値分割を行うことにより、最初に大まかに分割される。この２値分割は、手動で行われても又は自動的に実施されてもよい。

さらに、本発明による方法における減算ステップは、適切な変形可能な形状モデルを変形させるためのエッジ特徴を発生させることを目的に行われる。変形可能な形状モデルの一例は、M. Kaus他著、"Automated segmentation of the left ventricle in cardiac MRI", Medical Image Analysis, 8(2004) p.245-254に述べられている。本発明による方法の特別な利点は、形状モデル及び外観モデルに基づく分割アルゴリズムに関して、この本発明による方法が外観モデルを構成する必要を無くし、これにより計算方法を簡略化することである。定義毎の変形可能な形状モデルは、如何なるグレイレベルの情報も含まず、これにより撮像モダリティ間を移転可能である。所与の追求される構造体にとって、前記変形可能なモデルは１回だけ構築されなければならないという事実により、本発明の方法は、かなり用途が広く、計算上はロバストである。

多次元の時間的特徴マップが計算される場合、本発明の方法に従って、先験的に構築された変形可能な形状モデルが前記特徴マップの０以外の値の空間分布に従って変形される。この技術的方策は、前記特徴マップの０以外のボクセルが心室の境界に対応しているのに対し、０ボクセルは、異なる時間フェーズで略静止している他の組織（又は前記心室の境界ではないエリア）に対応しているという洞察に基づいている。その上、前記特徴マップの０以外のボクセルの符号は有益であり、時間フェーズｔに対応する画像が時間フェーズｔ＋１に対する画像から減算される場合、心内膜の境界は、心収縮中は−１ボクセルに対応し、心弛緩中は＋１ボクセルに対応している。この情報を使用して、ロバスト且つ正確な画像分割法が可能となる。

本発明による方法の実施例において、前記方法はさらに、データセットのデータ領域を制限するために考えられるデータセットにおける関心領域を決める準備ステップを有する。

前記データセット内にある関心領域に対応する前記データ領域内において本発明の方法を実施することが好ましく、これにより関心領域を超えた情報を切り捨てることが分かる。前記関心領域の自動分割は、例えば、C. Cocosco他著、"Automatic Cardiac Region-of Interest Computation in Cine 3D Structural MRI", Proceedings CARS, 2004のようなそれ自体は知られている何らかの適切な技術に従って行われる。

本発明による方法の他の実施例において、分割された構造体が表示手段上に表示される。

適切な表示手段上に結果生じた分割を表示することにより、オペレータにフィードバックを提供することが特別な利点であることが分かる。好ましくは、分割された構造体が本来の画像データ上に重畳され、この構造体は時間情報を含み、２、３又は４次元で表示される。さらに好ましくは、示される分割された構造体は、特に適切なカラーコードを用いて強調表示される。

本発明による方法のさらに他の実施例において、前記方法はさらに、時系列順の画像の自動的な２値分割を行うさらに他の準備ステップを有する。

好ましくは、前記自動的な分割は最初に、空間的次元及び時間次元を含む多次元のデータ領域全体に対し強度ヒストグラムを計算することにより、標的組織、特に血液と、他の組織との間を識別し、次いで適切な２値化閾値法(binary thresholding method)を利用することにより可能となる。自動的な２値分割を目的として、それ自体は知られている何らかの技術が用いられることができることをさらに述べておく。適切な自動的な２値分割技術の一例は、N. Otsu著、"A threshold selection method from gray-level histograms", IEEE Transactions on Systems, Man, And Cybernetics, Vol. SMC-9 No.1, January 1979に述べられている。

本発明によるシステムは、
−時系列順の２値化画像を生じさせる、前記時系列順の画像を２値分割した結果にアクセスする、及び
−前記構造体の所定の変形可能な形状モデルにアクセスする
ための入力部、並びに
−複数の離散値を有する多次元の時間的特徴マップを生じさせる、連続する対の２値化画像の間にある連続する差分を前記時系列から、全ての時間フェーズに対し計算し、
−前記複数の離散値から選択可能な既定の離散値に対応する、データセットにおける空間位置を得て、及び
−前記空間位置に従って前記形状モデルを変形させることにより、前記構造を分割させる
計算手段を有する。

好ましくは、本発明によるシステムはさらに、前記分割された構造体を表示するための表示手段を有する。本発明によるさらに他のシステムは、多次元のデータセットを取得するためのデータ取得ユニットを有する。適切なデータ取得ユニットの一例は、磁気共鳴撮像ユニット、ＣＴユニット、超音波ユニット、Ｘ線ユニット及びこれらの如何なる組み合わせを含んでいる。

本発明によるコンピュータプログラムは、
−時系列順の２値化画像を生じさせる、前記時系列順の画像を２値分割した結果にアクセスするステップ、
−複数の離散値を有する多次元の時間的特徴マップを生じさせる、連続する対の２値化画像の間にある連続する差分を前記時系列から、全ての時間フェーズに対し計算するステップ、
−前記複数の離散値から選択可能な既定の離散値に対応する、データセットにおける空間位置を得るステップ、
−前記構造体の所定の変形可能な形状モデルにアクセスするステップ、及び
−前記空間位置に従って前記形状モデルを変形させることにより、前記構造体を分割するステップ
をプロセッサに実行させるための命令を含んでいる。

好ましくは、本発明によるコンピュータプログラムはさらに、データセットのデータ領域を制限するために考えられるデータセットにおける関心領域を決めるステップを前記プロセッサに実行させるための命令を含んでいる。さらに好ましくは、本発明によるコンピュータプログラムはさらに、前記時系列順の画像の自動的な２値分割を行う他の準備ステップを前記プロセッサに実行させるための命令を含んでいる。

本発明のこれら及び他の態様は、図を参照して以下に詳細に説明される。

図１は、本発明による方法の実施例の概略図を示す。本発明による方法は、心臓撮像からの一例を用いて説明される。方法１は概略的に３つの主要なフェーズに分けられる。フェーズ２は準備ステップ、すなわち適切なデータセットを取得するステップ、特に例えばｂＦＦＥ(balanced Fast Field Echo)技術により磁気共鳴撮像ユニットを使用して取得した時系列順の心臓画像を有するデータセットを取得するステップ３を有する。取得したデータセット（図示せず）は次に、ステップ４において適切に２値分割され、その結果はステップ５においてアクセスされる。これら結果は時系列順の２値化画像を有し、これにより血液に対応する画像部分は１に分類され、残りの部分は０に設定される。

本発明による方法の後続するフェーズ１２は、画像データから構造体、特に心室を分割するための画像処理を行うことに向けられる。これにより、ステップ８において、計算が行われ、これにより前記時系列からフェーズｔに対応する先行する２値化画像８ａは、フェーズｔ＋１に対応する後続する２値化画像８ｂから減算される。後続する如何なる画像もこの用途に適し、必ずしも直後の画像ｔ＋１であるわけではないことを述べておく。この操作は、前記取得した時系列から各フェーズｔ'に対し繰り返される。その結果は、多次元の時間的特徴マップ８ｃを有し、これにより０以外のボクセルが心室の境界に対応する。ステップ９において、あるボクセル値（＋１又は−１）に対応する空間位置が得られ、前記心室を分割するのに用いられる。この目的のために、所定の変形可能な形状モデルがステップ１１においてアクセスされ、この形状モデルは次にステップ９で得られた空間位置に従って、ステップ１４において変形する。好ましくは、分割の結果はステップ１６において記憶される。最後に、本発明による方法の他のフェーズ２２の間、前記分割の結果が適切な表示手段を用いてステップ１８において表示される。好ましくは、分割された表面は、２、３又は４次元映像化技術を用いて本来のデータ上に重畳される。さらに好ましくは、前記結果の理解を容易にするため、分割された表面は、適切な透過モードでの色コードとして表される。

図２は、選択した方法のステップの概略的なやり方を図を参照して示す。方法２０は、本来の多次元画像２１ａ、２２ｂにアクセスすることで始まり、これら画像において好ましくは、夫々の関心領域Ｒ１、Ｒ２が線引きされている。ステップ２３ａ、２３ｂにおいて、時系列順の画像の自動的な２値分割が行われる（ここでは明瞭性のために２つの画像だけしか示されない）。その結果は、時系列順の２値化画像を有し、これにより標的組織及び他の組織に対応する画像部分が２値化される。次に、前記２値分割した結果がアクセスされ、複数の離散値を有する多次元の時間的特徴マップを生じさせる、先行する２値化画像と後続する２値化画像との差分が計算される。前記差分を計算するために、前記時系列から直後の画像が選択されることが可能であることを述べておく。代わりに、前記差分を計算するために、時間的に離間したシーケンスから何らかの後続する画像が選択されてもよい。前記差分が計算された後の結果生じる画像が画像２５に与えられる。この画像２５は離散値、すなわち−１、０、＋１を持つ画素を有する。本発明による方法は、０以外の画素の符号が有益であるという洞察を使用する。すなわち、内心膜の境界は、心収縮フェーズ中は−１であるのに対し、心弛緩フェーズ中は＋１である。本発明の方法によれば、前記複数の離散値（−１、０、＋１）から選択可能な既定の離散値（＋１、−１）に対応する、前記データセットにおける空間位置が計算される。本発明による方法のステップ２６において、前記構造体の所定の変形可能な形状モデルがアクセスされる。前記所定の変形可能なモデルは、統計の形状モデルを有する、又は簡単な幾何／位相的な変形可能モデルを有してもよいことを述べておく。前記変形可能な形状モデルがアクセスされた後、追求される構造体はステップ２７において、この追求される構造体Ｓを生じさせる前記空間座標に従って前記形状モデルを変形させることにより分割される。

図３は、本発明によるシステムの実施例の概略図を表す。システム３０は、前記時系列順の画像を２値分割した結果にアクセスする、従って時系列順の２値化画像を提供するための入力部３２を有し、これにより標的組織、特に血液に対応する及び他の組織、特に残りの部分に対応する画像部分が符合化される。前記２値分割は手動又は自動的に得られることを述べておく。好ましくは、前記標的組織に対応するピクセル又はボクセルは１に設定され、これにより他のピクセル又はボクセルは０に設定される。前記データセットは、適切な記憶ユニット（図示せず）からアクセスされてもよく、このユニットは局所的又は遠隔的に置かれてもよい。代わりに及び／又はそれに加えて、入力部３２は、データセットを適切なコンピュータ読取可能形式で提供する適切なデータ取得ユニット（図示せず）からデータを入力するように構成されることが可能である。加えて、入力部３２は前記追求される構造体の所定の形状モデルにアクセスするように構成される。好ましくは、変形可能な形状モデルが使用される。２値分割ステップの結果は、入力部３２により、システム３０の計算ユニット３５に利用可能にさせ、このユニットは追求される解剖学的構造、特に心室を生じさせる、本発明による画像の分割を実行するように構成される。これらステップは、それ自体は知られている上述されている夫々の計算アルゴリズムを使用して行われる。

システム３０の中心は、装置３０の構成要素を操作するために設けられたプロセッサ３４により形成され、その構成要素は入力部３２、計算ユニット３５、作業メモリ３６及びバックグラウンド記憶ユニット３８である。適切なプロセッサ３４の一例は、従来のマイクロプロセッサ又は信号プロセッサ、（通例はハードディスクベースの）前記バックグラウンド記憶ユニット３８及び（通例はＲＡＭベースの）作業メモリ３６である。前記バックグランド記憶ユニット３８は、処理を行っていないときは適当なデータセット（又はその一部）を記憶するのに用いられ、２値画像分割ステップ、前記夫々対の２値化画像の間にある差分を計算するステップ等の結果を記憶するのに用いられる。作業メモリ３６は通例、処理されているデータセット（の一部）、及び前記構造体を分割した結果を保持する。前記計算ユニット３５は好ましくは、適当な数の実行可能なサブルーチン３５ａ、３５ｂ、３５ｃ、３５ｄ、３５ｅを有する。サブルーチン３５ａは、２値化画像を生じさせる、画像、特に心臓画像の２値画像分割を行い、標的物体、特に血液と、他の物体、特に心筋とを区別するために設けられる。サブルーチン３５ｂは、複数の離散値を有する多次元の時間的特徴マップを生じさせる、連続する対の２値化画像の間にある連続する差分を計算するために構成される。サブルーチン３５ｃは、前記複数の離散値から選択可能な既定の離散値に対応する、前記データセットにおける空間位置を得るために構成される。好ましくは、ある値は構造体に関するある情報を保持していると既定される。例えば、フェーズｔに対する２値化画像がフェーズｔ＋１に対する２値化画像から減算される場合、値＋１を持つピクセル又はボクセルは、心弛緩中の心内膜の境界に対応するのに対し、値−１を持つピクセル又はボクセルは、心収縮時の心内膜に対応する。サブルーチン３５ｄは、前記変形可能な形状モデルにアクセスする、又は代わりに、適当な複数の形状パラメタに基づいて、前記変形可能な形状モデルを作るために設けられる。サブルーチン３５ｅは、ステップ３５ｃにおいて決められた空間座標に従って、形状モデルを変形させる（３５ｄ）ことにより、前記構造体を分割するために設けられる。

本発明によるシステム３０は、前記分割ステップの結果を用いて、本来のデータに適切に重畳した図を作成するために設けられる重複符号器３７をさらに有する。好ましくは、計算された重複がファイル３７ａに記憶されている。好ましくは、重複符号器３７、計算ユニット３５及びプロセッサ３４は、好ましくはメモリ３８に記憶されているコンピュータプログラム３３により操作可能である。出力部３９は、分割された構造体の適当な図を用いて重畳された心臓の解剖図を表示する重畳された画像データのような処理の結果を計算するのに用いられる。

図４は、本発明によるシステムの他の実施例の概略図を示す。複数の時間的に離間した心臓画像を有する多次元のデータセットにおいて、構造体、特に心室を分割するためにシステム４０は構成される。好ましくは、前記システム４０は、前記データセットを取得するためのデータ取得ユニット４１、特に磁気共鳴撮像器、Ｘ線断層撮影ユニット、超音波装置又はＸ線ユニットを有する。通常は、前記データは適当に符合化された信号Ｓを用いて、データ取得ユニット４１からプロセッサ４２へ転送されると考えられる。前記プロセッサは、図２を参照して説明したように、適当なデータ分割を実行し、それにより、その出力部において、多様な可能なデータが作成される。例えば、データ４２ａは、左心室の分割を有し、前記データ４２ｂは右心室の分割を供給し、データ４２ｃはデータ４２ａ及び４２ｂから導き出される心外膜の分割を供給することが可能である。

データ４２ａ、４２ｂ、４２ｃ又はそれらの適当な組み合わせの何れかは、適当なビューワ４３の他の入力部４５に利用可能となる。好ましくは、この他の入力部４５は、解剖学的データの画像が前記分割ステップの結果、特に画像部分４８ａ、４８ｂ、４８ｃを生じさせるデータ４２ａ、４２ｂ及び／又は４２ｃを用いて適切に重畳されるように、ユーザインタフェース４８を制御するのに適応するプログラム４６を用いて適切なユーザインタフェースを操作するために設けられた適当な他のプロセッサを有する。好ましくは、ユーザの便宜のために、ビューワ４３は高解像度の表示手段４７を具備し、ユーザインタフェースは、適当な対話手段４９、例えばマウス、キーボード又は何らかの他の適当なユーザ入力装置を用いて操作可能である。

図５は、本発明によるコンピュータプログラムの実施例のフローチャートを概略的に示す。このコンピュータプログラム５０は概略的に３つの主要なフェーズに分けられる。フェーズ５２は準備ステップ、すなわち適当なデータセットを取得するステップ、特に時系列順の心臓画像を有するデータセットを取得するステップ５３を有する。この取得したデータセット（図示せず）は次にステップ５４において、適切に手動又は自動的に２値分割され、その結果はステップ５５においてアクセスされる。これら結果は、時系列順の２値化画像を有し、これにより血液に対応する画像部分は１に分類され、残りの部分は０に設定される。

本発明によるコンピュータプログラムの動作の後続するフェーズ６２は、画像データから構造体、特に心室を分割するための画像処理を行うことに向けられる。これにより、ステップ５８において、計算が行われ、これにより前記時系列からフェーズｔに対応する先行する２値化画像５８ａは、フェーズｔ＋１に対応する後続する２値化画像５８ｂから減算される。この操作は、前記取得した時系列から各フェーズｔ'に対し繰り返される。その結果は、多次元の時間的特徴マップ５８ｃを有し、これにより０以外のボクセルが心室の境界に対応する。ステップ５９において、あるボクセル値（＋１又は−１）に対応する空間位置が得られ、前記心室を分割するのに用いられる。この目的のために、所定の変形可能な形状モデルがステップ６１においてアクセスされ、この形状モデルは次にステップ５９で得られた空間座標に従って、ステップ６４において変形する。好ましくは、分割の結果はステップ６６において記憶される。最後に、本発明による方法の他のフェーズ７２の間、前記分割の結果が適切な表示手段を用いてステップ６８において表示される。好ましくは、分割された表面は、２又は３次元映像化技術を用いて本来のデータ上に重畳される。さらに好ましくは、前記結果の理解を容易にするため、分割された表面は、適切な透過モードでの色コードとして表される。

本発明による方法の実施例の概略図を示す。 選択した方法のステップの概略的なやり方を画像を参照して示す。 本発明によるシステムの実施例の概略図を示す。 本発明によるシステムの他の実施例の概略図を示す。 本発明によるコンピュータプログラムの実施例のフローチャートの概略図を示す。

Claims (10)

1. 夫々の時間フェーズに対し取得された複数の多次元画像を時系列で有するデータセットにおいて構造体を分割する方法であり、各多次元画像は標的組織及び他の組織に関するデータを含んでいる方法において、
   −時系列順の２値化画像を生じさせる、前記時系列順の画像を２値分割した結果にアクセスするステップであり、これにより前記標的組織及び他の組織に対応する画像部分が２値化されているステップ
   −複数の離散値を有する多次元の時間的特徴マップを生じさせる、連続する対の２値化画像の間にある連続する差分を前記時系列から、全ての時間フェーズに対し計算するステップ、
   −前記複数の離散値から選択可能な既定の離散値に対応する、前記データセットにおける空間位置を得るステップ、
   −前記構造体の所定の変形可能な形状モデルにアクセスするステップ、及び
   −前記空間位置に従って、前記形状モデルを変形させることにより、前記構造体を分割するステップ
   を有する方法。
2. 前記データセットのデータ領域を制限すると考えられる前記データセットにおける関心領域を決める準備ステップをさらに有する請求項１に記載の方法。
3. 前記分割された構造体を表示手段上に表示するステップをさらに有する請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記時系列順の画像の自動的な２値分割を行うさらに他の準備ステップをさらに有する請求項１、２又は３に記載の方法。
5. 夫々の時間フェーズに対し取得された複数の多次元画像を時系列で有するデータセットにおいて構造体を分割するシステムであり、各多次元画像は標的組織及び他の組織に関するデータを含んでいるシステムにおいて、
   −時系列順の２値化画像を生じさせる、前記時系列順の画像を２値分割した結果にアクセスする、及び
   −前記構造体の所定の変形可能な形状モデルにアクセスする
   ための入力部、並びに
   −複数の離散値を有する多次元の時間的特徴マップを生じさせる、連続する対の２値化画像の間にある連続する差分を前記時系列から、全ての時間フェーズに対し計算し、
   −前記複数の離散値から選択可能な既定の離散値に対応する、前記データセットにおける空間位置を得て、及び
   −前記空間位置に従って、前記形状モデルを変形させることにより、前記構造体を分割する
   計算手段を有するシステム。
6. 前記分割された構造体を表示するための表示ユニットをさらに有する請求項５に記載のシステム。
7. 前記データセットを取得するためのデータ取得ユニットをさらに有する請求項５又は６に記載のシステム。
8. 夫々の時間フェーズに対し取得された複数の多次元画像を時系列で有するデータセットにおいて構造体を分割するコンピュータプログラムであり、各多次元画像は標的組織及び他の組織に関するデータを含んでいるコンピュータプログラムにおいて、
   −時系列順の２値化画像を生じさせる、前記時系列順の画像を２値分割した結果にアクセスするステップ、
   −複数の離散値を有する多次元の時間的特徴マップを生じさせる、連続する対の２値化画像の間にある連続する差分を前記時系列から、全ての時間フェーズに対し計算するステップ、
   −前記複数の離散値から選択可能な既定の離散値に対応する、前記データセットにおける空間位置を得るステップ、
   −前記構造体の所定の変形可能な形状モデルにアクセスするステップ、及び
   −前記空間位置に従って、前記形状モデルを変形させることにより、前記構造体を分割するステップ
   をプロセッサに実行させるための命令を含んでいるコンピュータプログラム。
9. 前記データセットのデータ領域を制限すると考えられる前記データセットにおける関心領域を決めるステップを前記プロセッサに実行させるための命令をさらに有する請求項８に記載のコンピュータプログラム。
10. 前記時系列順の画像の自動的な２値分割を行うステップを前記プロセッサに実行させるための命令をさらに有する請求項８又は９に記載のコンピュータプログラム。