(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
１つのサイクル中の複数のフェイズにわたって取得されたボリューム測定に関する一組のイメージを構造にセグメントするイメージ・セグメンテーション・システムであって、
（ａ） 複数のフェイズにわたって取得され、予め記憶された「スライス」を表す前記一組のボリューム測定に関するイメージを有しているイメージ・メモリと、
（ｂ） オペレータが定義した閾値、イメージ・スライスを対話的に受け取り、前記閾値を上回る又は下回る値を有しているピクセルをオペレータに表示する閾値イメージを作成するマスク装置と、
（ｃ） 前記マスク装置に接続されており、前記マスク装置から前記閾値を受け、オペレータが定義したシード点及び関心領域を受け取り、前記閾値を上回る値を有し、前記関心領域内にあるシード点の予定の隣接箇所から開始する前記画像の連続した点に基づいて、前記ボリューム測定に関するイメージをセグメントする２次元結合装置と、
（ｄ）前記イメージ・メモリと、前記マスク装置とに接続されており、前記イメージ・メモリからイメージのうちの１つのイメージを現在のイメージとして選択すると共に、該イメージを前記マスク装置へ通過させて、閾値イメージを発生するイメージ・セレクタと、
（ｅ） 前記マスク装置と、前記イメージ・セレクタとに接続されており、前記現在のイメージ、時間又は空間において前記現在のイメージに隣接するイメージ、前記セグメントされた構造及び前記関心領域を受け取り、前記セグメントされた構造内及び該セグメントされた構造の付近内のピクセルの強度を解析すると共に、現在のイメージを再びセグメントするために前記２次元結合装置に供給される更新された閾値を計算する閾値更新装置であって、該更新された閾値は、隣接したイメージに対する初期の閾値として用いられている、閾値更新装置と
（ｆ） 前記閾値更新装置は、隣接するイメージ・スライスを受け取り、前記セグメントされた構造を所定の量だけ拡張し、該拡張したセグメント構造の少なくとも１つのスライスのピクセル値のヒストグラムを作成し、該ヒストグラムのピークを分離する閾値を決定し、隣接するスライスをセグメントするために、該決定した閾値を前記マスク装置に提供するイメージ・セグメンテーション・システム。
【請求項２】
前記セグメントされた構造は、心臓の左心室である請求項１に記載のイメージ・セグメンテーション・システム。
【請求項３】
（ａ） 供給されたグラフィックス信号の視覚的イメージを表示するディスプレイ装置と、
（ｂ） 該ディスプレイ装置と、前記マスク装置と、２次元結合装置とに接続されており、オペレータに定義された入力に基づいて前記セグメントされた構造のグラフィックス信号を対話式に形成するグラフィックス・エンジンとを更に含んでいる請求項１に記載のイメージ・セグメンテーション・システム。
【請求項４】
閾値が、１つのスライスにおける各々のフェイズのイメージに対して、及びスライスごとに対して適用される請求項１に記載のイメージ・セグメンテーション・システム。
【請求項５】
１つの周期サイクルの複数のフェイズにわたって取得された所望のボリュームの複数のスライス・イメージを解剖学的構造にセグメントする方法であって、
（ａ） 初期のスライス及びフェイズで取得された初期のイメージを現在のイメージであるとして選択する工程と、
（ｂ） 初期の閾値を選択する工程と、
（ｃ） 前記閾値を上回る又は下回る値を有している一群の点を閾値イメージとして表示する工程と、
（ｄ） 初期に関心領域と、該関心領域内のシード点とを前記閾値イメージにおいて選択する工程と、
（ｅ） 前記関心領域内のイメージの点を前記閾値を上回るか及び該閾値を上回らないかで分類する工程と、
（ｆ）前記シード点と同一の閾付けされた範囲内の値を有しており、該同一の閾付けされた範囲内の値を有しているすべての点に基づいて前記シード点に接続されている隣接した点の領域を同定し、前記イメージ内のセグメントされた構造を画定する工程と、
（ｇ） 前記セグメントされた構造内及び該セグメントされた構造の付近内のピクセルを解析して、更新された閾値を以下の工程（一）−（三）により決定する工程と、
（一）同じフェーズ／スライス内の複数のイメージに含まれる前記セグメントされた構造を所定の量だけ拡張して、拡張された領域を発生する工程、
（二）時間又は空間的に隣接するイメージの該拡張した領域の強度のヒストグラムを形成する工程、
（三）該ヒストグラムのピークを分離する調整された閾値を選択する工程、
（ｈ） 工程（ｅ）及び工程（ｇ）を繰り返すことにより前記現在のイメージをセグメントして、更新された閾値を計算する工程と、
（ｉ） 前記現在のイメージと隣接したフェイズ内又は空間内のイメージを選択する工程と、
（ｊ） 逐次前記更新された閾値を用いて、複数のイメージに対して工程（ｅ）から工程（ｉ）までを繰り返して、複数のフェイズに渡る３次元のセグメントされた構造を発生する工程とを備えた複数のスライス・イメージを解剖学的構造にセグメントする方法。
【請求項６】
最初のイメージ以外のすべてのイメージをセグメントするために用いられる前記シード点及び最初の閾値は、
（ａ） 時間において又は空間において隣接したイメージに対するシード点を前記更新されたセグメントされた構造の重心であるように選択する工程と、
（ｂ） 前記隣接したイメージの前記初期の閾値を前記現在のイメージの前記更新された閾値として選択する工程とを含んで選択されている請求項５に記載の複数のスライス・イメージを解剖学的構造にセグメントする方法。
【請求項７】
前記更新された閾値は、前記初期の閾値と同一である請求項６に記載の複数のスライス・イメージを解剖学的構造にセグメントする方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【関連出願】
本出願は、１９９６年１１月１日に出願されたリチャード・アイ・ハートレイ、ルパート・ダブリュ・メルドラム・カーウェン及びハーベイ・イー・クラインによる米国特許出願第６０／０２９，９６７号（発明の名称「心臓イメージの高速セグメンテーション（Fast Segmentation Of Cardiac Images）」）の継続出願であって、出願日として親出願の出願日を主張している出願である。
【０００２】
【産業上の利用分野】
本発明は、イメージ処理に関し、より明確には、一連の心臓イメージから３次元（３Ｄ）構造を区分分けすることに関する。
【０００３】
【従来の技術】
被検体の心臓の医療イメージは典型的には、心臓の３次元ボリューム（容積）にわたる多くのスライスから構成されている。加えて、心臓は心臓サイクルにおける多くの異なる瞬間に（フェイズで）イメージング（作像）され得る。従って、すべてのイメージの全体として、１つの心拍の全経過の間の心臓の画像が与えられる。
【０００４】
医療診断に有用な心臓の運動に関する定量的情報を抽出するために、このような組のイメージを用いることがしばしば望まれる。このような情報は、心臓の血液容量、排出率及び壁の運動量の測定値を含んでいる。この測定を実行するためには、心臓の種々の隣接した解剖学的領域を検出すると共に区別することが必要である。同一の物質の隣接した領域の同定は、セグメンテーション（区分分け）として知られている。心臓疾患の診断のための被検体の心臓室における血液容量をセグメントすること及び測定することができることが特に重要である。
【０００５】
左心室のセグメンテーションは、その重要な生理学的機能のため、特に重要である。
医療用イメージの集合において左心室を抽出するために、他の方法が用いられてきた。１つの方法は、ディー・メタクサス及びディー・テルゾポウロス（D.Metaxas and D.Terzopoulos）による「拘束された変形可能な超２次曲面及び非剛体運動のトラッキング（Constrained Deformable Superquadrics And Non-Rigid Motion Tracking）」、アイイーイーイー・コンピュータ・ビジョン・アンド・パターン・レコグニション、第３３７頁〜第３４３頁（IEEE Computer Vision and Pattern Recognition, pp.337-343）、１９９１年に記述されているようなボリュームを多面体としてモデル化し、モデル・パラメータを変化させて、測定された血液の質量と一致するようにモデルを誘導させるものである。
【０００６】
多面体の代わりに、３次元テンプレートを用いてもよい。３次元テンプレートを用いた方法は、非常に遅くなる傾向があり、現在のところ、臨床用途には適していない。
代替的な方法は、各々のイメージにおける曲線によって心室壁をモデル化すると共に、一度に１つのイメージのセグメンテーションを実行する。これらの技術は一般的に、「スネーク（snake）」技術として知られている。これらの不利な点は、それらが初期の未知のパラメータに概して絶対的に依存することである。又、集束速度が問題である。
【０００７】
単純な閾（境界）付け（thresholding）が又、イメージの領域を抽出するために用いられてきた。強度に従ってイメージを２つの領域に分離する閾値を選択する方法が、ノブユキ・オーツ（Nobuyuki Otsu）の「判別式及び最小自乗法による閾値の選択（Discriminant and Least-Squares Threshold Selection）」、プロシーディングズ・オブ・ザ・フォース・インターナショナル・ジョイント・コンファランス・オン・パターン・レコグニション、京都、日本、１９７８年、第５９２頁〜第５９６頁（Proceedings of the Fourth international Joint Conference on Pattern Recognition, Kyoto Japan, 1978, pp.592-596）に記述されている。このアルゴリズムは、ＤＴＳＭ閾付け（thresholding）と呼ばれている。すべてのスライス及びフェイズにわたる単一の閾値を用いた閾付けは通常、イメージからイメージへのイメージ強度変化のため、不成功に終わってしまう。これらの強度変化は、種々の血流速度により及びイメージング・パラメータを変化させることにより引き起こされる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
現在、１つのサイクルの種々の時間周期で取得された３次元ボリューム・イメージ内の構造をセグメント（区分分け）するより正確なシステムが必要とされている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明では、１つの周期サイクルの複数のフェイズにわたって取得された望ましいボリューム内の複数のスライス・イメージが受け取られる。これは、心臓サイクルにわたる種々の時間で取得された心臓の磁気共鳴（ＭＲ）アンジオグラフィ（血管造影法）・イメージであってもよい。これらのイメージは、３次元解剖学的構造に時間にわたってセグメントされる。
【００１０】
初めに、関心領域（ＲＯＩ）及び関心領域内のシード（seed）点、並びに初期閾値が同定される。初期のスライス及びフェイズで取得された初期イメージから開始して、関心領域内のイメージの点が、閾値を上回るか及び閾値を上回らないかで分類される。シード点と同一の分類を有している隣接した点が、この同一の分類を有している点を介してシード点に接続されており、これらの隣接した点が同定されて、このイメージ内のセグメントされた構造を画定する。
【００１１】
イメージ内のセグメントされた構造は、所定の量だけ拡張されて、拡張された領域を生ずる。拡張された領域の強度のヒストグラムが決定される。次いで、ヒストグラムのモードを分離する調整された閾値が選択される。次いで、現在のイメージと隣接したフェイズ内又は空間内のイメージが選択される。
調節された新たな閾値に関して強度を分類する工程と、シード点に接続されている同一の分類の点を決定する工程とが決定される。これにより、もう１つのセグメントされた構造が発生される。このことは、複数のイメージに対して繰り返されて、結果として、時間にわたるセグメントされた３次元構造が得られる。中間のイメージを補間することにより、サイクルにわたる構造の運動を示す短い映画が構築され得る。
【００１２】
【本発明の目的】
本発明の目的は、ある時間にわたって所与のボリュームにわたり取得された複数のイメージにおけるセグメントされた構造を同定するシステムを提供することにある。
【００１３】
【実施例】
本発明の新規であると考えられる特徴は、特許請求の範囲に詳細に記述されている。しかしながら、本発明自体は、構成及び動作方法のいずれに関しても、本発明の更なる目的及び利点と共に、図面と関連した以下の記載を参照することにより最もよく理解され得る。
【００１４】
本発明は、適応可能な閾付けを採用しており、ここでは、血液ボリュームは閾付けによって抽出されているが、その閾値は、スライスごとに又はフェイズごとに変化してもよい。
閾値が左心室の血液の質量を同定するために、関心領域（ＲＯＩ）内で局所的にのみ用いられ得る。これは、その強度閾値を上回って存在するほど十分に明るいであろうイメージの他の領域が存在し得るからである。例えば、右心室の血液は、左心室の血液と同様の強度を有するであろう。従って、イメージ全体の全体的な閾付け（thresholding）は、左心室の血液ボリューム（容積）をセグメントするのに十分ではない。
【００１５】
次の特性が、左心室の血液ボリュームをセグメントする際に有用である。
１．  各々のイメージ（即ち、単一のスライス及びフェイズ）では、血液はイメージ強度に基づいて、周囲の組織から識別され得る。
２．  各々のイメージでは、血液の溜まりは、結合した集合体である。
３．  各々のイメージをセグメントするために用いられる閾値は、隣り合うフェイズ及びスライスにおけるイメージに対して用いられる閾値に接近しているであろう。
４．  左心室の血液の溜まりのイメージは、１つのスライスから次のスライスまで又は１つのフェイズから次のフェイズまであまり遠く離れて移動しないであろう。
【００１６】
図１では、医療イメージング（作像）装置１５が、心臓サイクルのような周期的サイクル中の複数のフェイズで被検体１０の複数のスライス・イメージを取得する。医療イメージング装置１５は、磁気共鳴（ＭＲ）イメージング装置であってもよい。閾値更新装置１４が、これら２つの領域を分離する最適な閾値を決定する。閾値を決定する多くの異なる従来の方法が存在する。一実施例では、閾値更新装置１４は、心臓サイクルの様々なフェイズのアンジオグラフィ・データ・セットを獲得するヒストグラム装置１３を含んでいる。
【００１７】
イメージされた被検体の左心室内の血液は、周囲組織の強度レベルとは異なる強度レベルを有しているであろう。この強度差はしばしば、血液の質量に対応しているイメージの関心領域の同定を閾値のみによって可能にするのに十分なものである。
以下の記述を通して、暗い血液のイメージも用いられ得るが、血液は明るい（高強度である）ことが仮定されており、暗い血液のイメージも、異なる閾値を用いることにより、即ちイメージの強度を反転させることにより、本発明によってセグメントされ得る。
【００１８】
医療イメージング装置１５からのイメージは、メモリ１７に記憶されている。イメージ・コントローラ２１が、どのフェイズ及びイメージが次に処理されるべきであり、又、そのスライス及びフェイズを、メモリ１７内のイメージを見つけ出すと共にそのイメージをマスク装置９に供給するイメージ・セレクタ１９へ通過させるべきかを決定する。イメージ・コントローラは典型的には、所定の時間内又は所定の空間内で、隣り合ったイメージを選択する。ここで、隣り合ったイメージとは、同一のフェイズ（取得時間）に対して物理的に隣り合ったスライス、言い換えれば、すぐ前の又はすぐ後に続く時間周期、隣りのフェイズにおいて取得されたイメージに対して同一のスライスを意味する。
【００１９】
マスク装置９が、関心領域と閾値とを受け取って、関心領域内の点を閾値を超えるか又は超えないかで分類する。シード点自体が閾値を下回って存在する状態を回避するために、シード点は所定の数のピクセル、例えば５つのピクセルによって拡張されて、シード点が小さな低強度の領域内に存在する可能性を減少させる。
【００２０】
関心領域内の分類された点、及びシード点は、２次元（２Ｄ）結合装置１２へ通過させられており、２次元結合装置１２は、シード点をも包含する同一の分類を有している隣接した点を決定する。結合された構成要素は、シード点の小さな周囲から開始する従来の結合アルゴリズムを用いて計算される。同一の閾付けされた範囲内の関心領域内でのすべての結合された位置の集合体（セット）は、セグメントされた構造であると考えられる。
【００２１】
２次元結合装置１２によって決定された隣接した点は、シード点とも隣接しており、グラフィックス（図形）・エンジン１１に供給され、グラフィックス・エンジン１１は、これらの点をディスプレイ３にオペレータ１に対して表示する。
初期化
初期化は、イメージ・セット内の１つのイメージに対して次のことを手動で特定することにより実行され得る。
１．  すべてのイメージにおいてセグメントされるべき領域を含むほど十分に大きな関心領域（ＲＯＩ）
２．  セグメントされるべき領域（例えば、左心室）の内部におけるシード点、及び
３．  セグメントされるべき領域における強度を周囲組織の強度から正確に分離する閾値
関心領域は、オペレータ１が視覚型ディスプレイ３を見ながら、従来の製図プログラムにおいて描かれるような方式で矩形又は楕円を描くようにポインティング装置５を対話式に位置決めして同定され得る。
【００２２】
シード点は、オペレータ１によって関心領域の内部で特定される単一の点であり、ポインティング装置５を用いて指示され得る。
閾値は制御パネル７で、適当な手段によって、例えばスライダ（摺動）・バー８を操作することにより入力される。
好ましい実施例では、スライダ・バーの各々の位置は、特定の閾値を特定する。スライダ・バー８が新しい値へ移動するときに、関心領域内のイメージの一部がシステムの残余の部分によってセグメントされると共に、シード点の小さな周囲を含んでいる関心領域内の上述した閾付けされた点の結合された構成要素が、スクリーンに新たな色で表示される。スライド・バー８を移動させることにより、オペレータ１は、このように表示されるセグメントされた領域を心室の内部のような関心領域内のセグメントされた構造に対応させるための閾値を対話式に選択する。この閾値は、初期の閾値として採用される。
【００２３】
関心領域、シード点及び初期閾値のこの初期化は、１つのイメージのみに対して実行されてもよく、後続の自動的な処理は、関心領域内の構造の完全な４次元（（４ｄ）時間を加えた３つの空間次元）セグメンテーションを得るために、この領域を他のイメージにわたってトラッキング（追跡）する。
閾値の調整
最初のイメージが処理された後に、閾付けされた領域は、探し求められている領域（心室）の内部に近似する。しかしながら、スライスごとの閾値の変動のため、対話式の初期化により与えられた、即ち隣りのスライスから得られた最初の閾値の評価値とは異なる閾値を用いるべきである可能性がある。この理由のため、閾値の新しい評価値が探し求められ、この新しい評価値は、外部からの心室領域の内部の最もよい分離をもたらす。
【００２４】
もとの閾付けされた領域は、心室の内部を（おおよそ）確定する。これを５つのピクセル分拡張することにより、心臓壁、即ち隔壁の部分を含めることができ、言い換えれば、非内部領域が含まれる。この領域のヒストグラムは、必要とされるように、内部ピクセル及び外部ピクセルの両方を含んでいる２モード（bi-modal）であろう。
【００２５】
閾値更新装置１４が、これら２つの領域を分離する最適な閾値を決定する。閾値を決定する多くの異なる従来の方法が存在する。一実施例では、閾値更新装置１４は、セグメントされた構造を所定の量だけ拡張するヒストグラム装置１３を含んでいる。ヒストグラム装置１３は、拡張された領域における強度のヒストグラムを計算するように構成されており、そのヒストグラムを２つの範囲に分離する最適な閾値が計算される。
【００２６】
ヒストグラムが２モードであれば、ヒストグラム装置１３は、調整された閾値を選択するために、上で参照したノブユキ・オーツ（Nobuyuki Otsu）の論文に記載されているようなＤＴＳＭアルゴリズムを採用してもよい。他の従来の技法を用いることもできる。
１つのスライスにおけるすべてのフェイズのヒストグラムは、閾値を計算する前に一緒に加えられ得る。即ち、閾値は、各々のイメージに対して個別に計算されてもよい。
【００２７】
調整された閾値が計算されると、その閾値はマスク装置９において、現在のイメージをまたセグメントし、その結果、更新されたセグメントされたイメージが得られる。
一実施例では、閾値は、異なるスライスに対して適用され、そのスライスのすべてのフェイズが同一の閾値を用いる。
【００２８】
第２の実施例では、閾値は、異なるフェイズに対して適用され、そのフェイズのすべてのスライスが同一の閾値を用いる。
第３の実施例では、閾値は、１つのスライスにおける各々のフェイズのイメージに対して、及びスライスごとに対して適用される。これは、更なる処理を要求するが、よりきれいなイメージを形成するはずである。
他のイメージ
こうして、この調整された閾値は、すぐ隣りのイメージでマスク装置９によって閾値として用いられる。最後に処理されたイメージは、重心及び関心領域を決定するために用いられる。現在のイメージの重心は、すぐ隣りのイメージに対するシード点として用いられる。
【００２９】
一旦、すべてのスライスのすべてのフェイズがセグメントされると、所与のフェイズに対する各々のスライスの２次元セグメンテーションの輪郭（アウトライン）は、３次元表面を構成するために用いられてもよく、又、従来の技法で滑らかにしてもよい。これにより、各々のフェイズに対する３次元の立体物体が得られる。フェイズを再生すること及び中間のフェイズを補間することにより、セグメントされたボリュームの３次元映像が得られる。これは、弱った又は損傷した心筋を確定する際に非常に有効である。
【００３０】
新規な本発明の現在の段階で好ましい多くの実施例をここに詳細に記述してきたが、多くの改変及び変更が当業者には明らかになろう。従って、特許請求の範囲は、本発明の要旨の範囲内にあるこのようなすべての改変及び変更を網羅するものと理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の簡略されたブロック図である。
【符号の説明】
１  オペレータ
３  ディスプレイ
５  ポインティング装置
７  制御パネル
８  スライダ・バー
９  マスク装置
１０  被検体
１１  グラフィックス・エンジン
１２  ２次元結合装置
１３  ヒストグラム装置
１４  閾値更新装置
１５  医療イメージング装置
１９  イメージ・セレクタ
２１  イメージ・コントローラ
【図１】
0004020470.tif 000002