(57)【要約】【課題】  シネＭＲＩによる心室機能評価において、画像を表示する際の閾値（ウィンドウ・レベル）設定による影響を少なくすること、心室拡張機能の診断では動画像の自動化処理法を提供すること、及び、シネＭＲＩから得られた心室容積曲線から心室拡張機能の評価を正確に行う方法を提供することが本発明の課題である。【解決手段】  シネＭＲＩ画像にＶ−フィルター処理を行った後、該Ｖ−フィルター処理後の画像に微分処理・細線化処理を行って心室内腔血液と心筋内膜の境界を形成し、心室内腔の容積を決定する方法、及び、フーリエ級数によって近似した心室内腔容積曲線とその微分曲線を用いて、局所心筋壁運動と心室機能を定量評価する方法を提供することによって課題が達成される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
心臓の心電図同期シネ（Ｃｉｎｅ）磁気共鳴撮影法(シネＭＲＩ)を用いて局所心筋壁運動と心室機能を判定する方法において、シネＭＲＩ画像にＶａｒｉａｎｃｅ  ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ  ｆｉｌｔｅｒ（Ｖ−フィルター）処理を行う手段と、該Ｖ−フィルター処理後の画像に微分処理および細線化処理を行って心室内腔血液と心筋内膜の境界を形成し、心室内腔の容積を決定する手段とを備えていることを特徴とする局所心筋壁運動と心室機能の定量評価方法。
【請求項２】
請求項１の方法を用いて心臓各断面における心室内腔容積の時間変化曲線を求め、該心室内腔容積の時間変化曲線に対してフーリエ級数近似を行う手段と、該フーリエ級数により近似した心室内腔容積曲線と該心室内腔容積曲線の微分曲線を用いて、心室収縮機能と心室拡張機能を評価する手段とを備えていることを特徴とする、局所心筋壁運動と心室機能の定量評価方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は心電図同期シネ（Ｃｉｎｅ）磁気共鳴撮影（シネＭＲＩ）の撮影によって得られた動画像から、心室内腔血液と心筋内膜の境界を自動的に求め、得られた心室容積曲線に対してフーリエ級数近似を行い、心室収縮機能と心室拡張機能を定量評価する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
心疾患の診断と治療では、心室機能や局所心筋壁運動を正確に診断することが求められる。心室機能や心筋壁運動の診断には、これまで心エコーや心室造影検査が用いられてきたが、シネＭＲＩは心エコーや心室造影検査、心プールシンチグラフィーよりも精度や再現性の面で優れている（例えば特許文献１参照）。シネＭＲＩを用いた心機能評価では、心室の心尖部から心基部まで多断面における高解像度の動画像を撮影し、３次元画像からシンプソン法（ディスク総和法）を用いて心室容積と心筋重量を計測するため、心室変形や壁運動異常のある症例でも正確な計測値が得られる。また、心エコーでは肺の空気や骨によって撮像断面が制限されるが、MRIでは自由に撮像断面を選ぶことができる。さらに、心エコーでは画質が不良となる肥満や肺気腫の症例においても、シネＭＲＩを用いると鮮明な画像が得られる。
【０００３】
【特許文献１】特表２００２−５４１９６３号公報
【０００４】
更に、シネＭＲＩからは心室容積や収縮機能（心室駆出率など）だけではなく、心室拡張機能に関する指標(拡張期最大充満速度)も得ることができる。心室拡張機能は、心不全の病態と予後の判定において心室収縮機能よりも鋭敏な指標となり、心筋虚血においても収縮機能よりも早い段階で異常を示す。
【０００５】
ところで、拡張機能を正確に評価するためには時間分解能の高い心室容積曲線を得る必要がある。最近では、１心拍を４０時相に分割した呼吸停止シネＭＲＩが得られるようになり、シネＭＲＩによる心室拡張機能評価も可能となっている。しかし、心室拡張機能の定量評価には数百枚におよぶシネＭＲＩ画像において心室内腔と心筋の境界を正確にトレースする必要があり、画像解析に多大な手間と時間を要する。このため、シネＭＲＩにおける心室内腔血液と心筋内膜の境界を自動的かつ正確に検出し、収縮機能と拡張機能の両者を定量的に解析できる方法の開発が強く望まれてきた。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
これまで、シネＭＲＩによる心室機能評価では、主に心内腔と心筋内膜の境界を視覚的に判定して手動トレースする方法が用いられてきた。しかし、従来の手動トレースによる方法は判定者の経験度や技量の影響を強く受け、画像を表示する際の閾値（ウィンドウ・レベル）設定によっても結果は変動する可能性がある。さらに、心室拡張機能の診断では、数百枚に及ぶ動画像を対象として心内膜縁をトレースする必要があり、臨床利用するためには処理の自動化が必須である。
【０００７】
また、シネＭＲＩから得られた心室容積曲線には、計測誤差による細かな変動が含まれており、心室容積曲線の微分カーブから拡張期最大充満速度などの計測値を直接求めると、雑音成分による変動の影響を受けて正確な結果が得られない問題がある。これまでにシネＭＲＩの自動計測法も提唱されてきているが、既存の方法では拡張機能の評価を正確に行うことは困難である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この課題を解決するために、本発明者らは、心臓の心電図同期シネ磁気共鳴撮影法(シネＭＲＩ)画像にＶａｒｉａｎｃｅ  ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ  ｆｉｌｔｅｒ（以下、Ｖ−フィルターと記述する。）処理を行った後、該Ｖ−フィルター処理後の画像に微分処理および細線化処理を行って心室内腔血液と心筋内膜の境界を形成し、心室内腔の容積を決定する方法を発明した。
更に、心臓各断面における心室内腔容積の時間変化曲線を求め、該心室内腔容積の時間変化曲線に対してフーリエ級数近似を行い、該フーリエ級数により近似した心室内腔容積曲線とその微分曲線を用いて、心室収縮機能と心室拡張機能を評価することにより、局所心筋壁運動と心室機能を定量評価する方法を発明した。
【発明の効果】
【０００９】
上記の本発明に係る心電図同期シネ磁気共鳴イメージングにおける局所心筋壁運動と心室機能を定量的に判定する方法は、心室内腔血液と心筋内膜の境界の位置とその動きを、観察者が閾値等を設定することなく、自動的に検出することが可能となる。さらに、得られた心室容積曲線から、心室収縮機能と心室拡張機能に関する指標を、統計的変動の影響を抑制して自動的に計測することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下本発明に係る、心電図同期シネＭＲＩの動画像から心室内腔血液と心筋内膜の境界を自動的に求め、心室収縮機能と心室拡張機能に関する指標を定量的に評価する方法の実施の形態について、図面を参照して説明する。
ところで、本発明に係る定量的評価方法は、心電図同期ないしリアルタイム超高速撮影法を用い、グラディエントエコー法、ステディー・ステート・フリー・プリセッション法、エコープラナー法、スピンエコー法のいずれかのデータ収集法を用いて撮影された、心臓のシネＭＲＩ動画像を対象とするものである。
【００１１】
最初に心電図同期シネＭＲＩの動画像から心室内腔血液と心筋内膜の境界を自動的に求める方法について、図１を参照しながら説明する。シネＭＲＩにおける心室のおよその位置を指定するために、再構成された心室短軸シネＭＲＩの中の１枚を対象に
手動で心室を囲む円を設定する。
【００１２】
次に、シネＭＲＩにおける心内腔血液の中隔付近と側壁付近の信号強度を検出し、この値を用いてコイル感度による心内腔血液の信号不均一性に対する信号検出感度不均一補正を行う。そして次に、心室内腔血液と心筋内膜の境界を自動的に検出するために、Ｖ−フィルター処理を行う。
【００１３】
Ｖ−フィルターは境界を保存したまま平滑化を行うフィルターであり、図３に示すように注目画素の近傍を４領域に分割し、各領域において平均、分散を算出する。分散が最小となる領域を選択し、その平均値を注目画素に代入する。境界の両側では選択領域の切換えが明確に行われるので鋭い境界を得ることができる。Ｖ−フィルター処理を行うことにより雑音を除去し、境界が強調され、輪郭抽出が容易となる。さらに、Ｖ−フィルター処理により、後述する微分処理時の閾値の設定が多少変動しても、画像変化が少なくなる特長を有する。
【００１４】
Ｖ−フィルター処理を行った画像には、心室内腔血液と心筋内膜の境界を検出するために微分処理を行う。シネＭＲＩにおける心室内腔血液と心筋内膜の境界は画像の信号強度が変化する部分であり、信号の変化を抽出する微分演算が輪郭抽出に使用される。画像に対して１次微分を求めるため、数式１および２に示すＳｏｂｅｌの微分オペレータを用いてｘ方向、ｙ方向の微分値を算出する。
【００１５】
【数１】
2005270491.tif 000003
【００１６】
【数２】
2005270491.tif 000004
ここでｆｘをｘ方向の微分値、ｆｙをｙ方向の微分値とする。両方向の微分値を求めた後、数式３によりｘ及びｙ方向を合成した微分値ｆｘｙを算出する。画像の各画素について算出し、微分画像を作成する。微分オペレータは合計すると０となり、平坦な領域では出力は０となる。したがって信号変化のある領域、つまり輪郭領域が描出される。
【００１７】
【数３】
2005270491.tif 000005
【００１８】
次に、微分処理後の画像閾値処理により２値画像とし輪郭抽出を行う。輪郭抽出を行う場合、得られた輪郭は１画素幅ではないので、細線化処理により１画素幅の輪郭を作成する。図４に示す８パターンのいずれかと一致する場合、注目画素を削除する。この処理を図３のパターンと一致する画素がなくなるまで繰り返すことにより、複数画素幅を有する領域を外側から削除していき、１画素幅の輪郭を作成する。
【００１９】
次に、上記の方法によって決定された、シネＭＲＩにおける心室内腔血液と心筋内膜の境界から、心室容積曲線を作成し、心室収縮機能と心室拡張機能に関する指標を自動的に計測する方法について説明する。  心室容積曲線は、横軸に心電図同期Ｒ波からの時間を、縦軸に心室容積をプロットしたものである。心室容積曲線の拡張末期における最大値は心室拡張末期容積(EDV: end-diastolic volume )、収縮期における最小値は心室収縮末期容積(ESV: end-systolic volume)、心室拡張期容積と心室収縮期容積の差は駆出容積(SV: stroke volume), 駆出容積と心拍数の積は心拍出量(CO: cardiac output)、ＳＶ／ＥＤＶは心室駆出率(EF: Ejection fraction)と呼ばれ、心臓の機能的評価に用いられている。駆出量駆出率などの指標は心室の収縮ポンプ機能を示す。
【００２０】
また、心室容積曲線の一次微分曲線における、収縮期最小値は最大駆出速度(PER: peak ejection rate)、拡張期最小値は最大充満速度(PFR: peak filling rate)と呼ばれ、心室最大充満速度は心室の拡張機能を反映する。心室拡張機能は、心不全の病態と予後の判定などにおいて心室収縮機能よりも鋭敏な指標となり、心筋虚血においても心室拡張機能は収縮機能よりも早い段階で異常を示す。左室最大充満速度は、心室容積曲線の一次微分曲線の最小値として求められる。この微分曲線はシネＭＲＩ動画像の各時相における容積計測誤差の影響を受けやすいので、単純に微分曲線の最小値を算出しただけでは、正確な最大充満速度の計測結果は得られない。
【００２１】
今回発明者は、シネＭＲＩから心室容積曲線を作成し、心室収縮機能と心室拡張機能に関する指標を自動的に定量計測する方法を発明した（図２参照）。シネＭＲＩに対してＶ−フィルターと微分処理を行った後、心室内腔血液の中心点から放射状に微分値の最大値をスキャンすることにより、当該画像における心室内腔血液と心筋内膜の境界を示す関心領域を作成した。
【００２２】
この処理を心尖部から心基部までの各スライスについて行い、心室内腔血液と心筋内膜の境界内のピクセル数を求め、画像１ピクセル毎の体積を乗じて、各時相における心室容積を算出した。得られた左室容積曲線に対して４次項以上のフーリエ級数による近似を行った。
【００２３】
フーリエ級数で近似した左室容積曲線とその曲線の微分曲線を用いて、心室拡張末期容積(EDV:end-diastolic volume )、心室収縮末期容積(ESV:end-systolic volume)、駆出容積(SV:stroke volume)、心拍出量(CO:cardiac output)、心室駆出率(EF:Ejection fraction)、最大駆出速度(PER:peak ejection rate)、最大充満速度(PFR:peak filling rate)の指標と、心電図Ｒ波から心室収縮末期容積(ESV:end-systolic volume)、最大駆出速度(PER:peak ejection rate)、最大充満速度(PFR peak filling rate)に達するまでの時間を算出した。
【実施例】
【００２４】
男性９名、女性２名の計１１症例の心疾患患者(平均年齢67.8歳)を対象として心電図同期シネＭＲＩを施行し、検討を行った。
【００２５】
＜試験方法＞
ＭＲＩ装置にはＧＥ社製 １．５Ｔ 心臓用高速MR装置（ＣＶ／ｉ）およびＧＥ社製心臓用フェーズドアレイコイルを用い、呼吸停止下で１心拍（Ｒ−Ｒ波間隔）を２０−３２分割して撮像した。撮像パルスシーケンスにはＳｔｅａｄｙ  ｓｔａｔｅ法（TR=4.3ms  TE=1.7ms,スライス厚：10mm,FOV：31.9×31.9cm）を用いた。
【００２６】
まず、心室短軸シネＭＲＩの中の１枚において、心室心筋を含む円を設定し、心室の位置を指定した。次に、中隔付近と側壁付近の血液信号強度を用いて、コイル感度不均一性に対する補正を行った。次に、心室内腔血液と心筋内膜の境界を自動的に検出するために、Ｖ−フィルター処理と微分処理を行った。次に、心室内腔血液の中心点から放射状に微分値の最大値をスキャンし、各画像における心室内腔血液と心筋内膜の境界を求めた。この処理を心尖部から心基部までの各画像について行い、心室内腔血液のピクセル数を求め、心室容積を算出した。得られた左室容積曲線に対して４次項のフーリエ級数による近似を行った。フーリエ級数で近似した左室容積曲線とその曲線の微分曲線を用いて、左室収縮機能と拡張機能の指標を求めた。
【００２７】
＜症例１＞
図５に下壁急性心筋梗塞の症例における処理結果を示す。左室短軸断層像に作成されたＲＯＩを重ね合わせた画像より、作成されたＲＯＩは左室内腔の辺縁とほぼ一致していることが確認された。また、算出された左室駆出率は４９．０％であり、正常値６２±５％に比して低く、軽度の心機能の低下が認められた。また、４次項のフーリエ級数近似を行うことにより、雑音成分が効果的に除かれた良好な左室容積曲線とその一次微分曲線が得られ、左室拡張期充満速度を自動的・定量的に求めることが可能となった。
【００２８】
なお、シネＭＲＩ画像から心室内腔容積を求める場合の、従来法（閾値法）と本法（Ｖ−フィルター法）を用いた場合の結果に与える影響について述べる。図６に示すように、本法では従来法に比べ常に一定の心室内腔容積が得られ、視覚的に心室内腔とよく一致している。また、他の１０症例においても、本法により自動的に作成された左室内腔血液と心筋の境界線は左室内膜縁とよく一致し、この方法の臨床例における有効性が確認された。
【００２９】
＜まとめ＞
シネＭＲＩ画像は骨や空気の影響を受けにくく、空間解像度も高いため、本法により得られた左室容積曲線から算出された心機能評価の指標は、心電図同期ＳＰＥＣＴおよび心エコー検査により得られるパラメータ値に比べ高精度であり、より精度の高い左室機能評価が可能であると考えられる。
さらに、左室容積を求めるために必要な関心領域は自動的に設定される。したがって、オペレータに対する負荷の軽減、観察者間の再現性の向上、処理時間の短縮等の利点を有する。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】心電図同期シネＭＲＩにおける心室と心筋内膜の境界を自動的に決定するための処理の流れを示す図である。
【図２】心室機能に関する指標を示す図である。
【図３】Ｖ−フィルター処理における注目画素の近傍４領域を示す図である。
【図４】細線化処理において注目画素を削除する８パターンを示す図である。
【図５】心筋梗塞症例における左室機能自動計測処理結果を示す図である。
【図６】心室内腔容積に与える閾値の影響について、本法（Ｖ−フィルター法）と従来法（閾値法）の比較を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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