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JP3254451B2 - 多チャンネルmri画像処理によるカラー化方法及び装置 - Google Patents

多チャンネルmri画像処理によるカラー化方法及び装置

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JP3254451B2
JP3254451B2 JP2000061244A JP2000061244A JP3254451B2 JP 3254451 B2 JP3254451 B2 JP 3254451B2 JP 2000061244 A JP2000061244 A JP 2000061244A JP 2000061244 A JP2000061244 A JP 2000061244A JP 3254451 B2 JP3254451 B2 JP 3254451B2
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経済産業省産業技術総合研究所長
茂 村木
敏晴 中井
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  • Image Analysis (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、多チャンネルMRI
画像からカラー画像を生成する多チャンネルMRI画像処
理によるカラー化方法及び装置に関する。
【0002】
【従来の技術】CT(computed tomography)やMRI(magn
etic resonance imaging)などの医用画像診断装置は、
ミリ単位の精度で生体の3次元形態を計測できる。これ
らの画像の輝度情報は、CTの場合はX線の吸収係数、MRI
の場合は原子核スピンの磁気緩和時間などに関係する量
で、生体組織の違いをよく反映する。特にMRIの輝度情
報は、撮影時のラジオパルスの加え方により様々なコン
トラストを与え、生体組織の診断に有効である。臨床現
場で良く撮影されるT1(縦緩和時間)強調画像、T2(横
緩和時間)強調画像、プロトン密度強調画像といった画
像も、スピンエコー法におけるMRI撮影時のパルス系列
の反復時間(TR)、エコー時間(TE)の大小関係によっ
て区別される(図1)。しかし、これらの画像の輝度情
報は、スピン緩和時間などの純粋な物理量ではなく、い
くつかの要因が混合したものとして観察され、MRI装置
の磁場強度の違いなどによっても変化する。つまり、TR
を長く、かつ、TEを短くすれば、プロトン密度の重みの
大きい画像が得られると言った大まかな目安があるだけ
で、診断におけるTRやTEの厳密な値が決められているわ
けではない。撮影に要する時間を考慮すると、診断に使
用できる画像の種類は自ずと制限され、どのような画像
を何種類撮影するかは、医師や放射線技師の判断で決め
られる。診断を行う医師は、撮影された複数の画像を並
べて、頭の中で被験者の形態、生体組織の状態を把握す
る(図2)。
【0003】図2に示したように医師が複数種類の医用
画像から、患者の生体組織情報を把握できるようになる
には、多くの経験と訓練が必要である。また、画像の種
類や枚数が増えると、人間が頭の中で対象物の状態をイ
メージすることは困難になり、計算機による支援が望ま
れている。近年、コンピュータグラフィックス技術の進
歩により、断面位置を少しずつ変えながら連続的に撮影
した複数枚の画像(ボリュームデータ)から、対象物の
3次元形状を表示する技術が普及してきている。その代
表は、対象物の境界面を表示するサーフェイスレンダリ
ングであるが、この手法では面の内側の輝度情報を完全
に破棄してしまう。それに対して、ボリュームレンダリ
ングと呼ばれる手法では、各ボクセルに色と不透明度を
与え、任意の始点からの透過映像を生成するので、微妙
な輝度情報の違いを可視化できる。ボリュームレンダリ
ングにおけるボクセルへの色の与え方は、図3に示すよ
うなボクセル輝度と色成分(RGB又は不透明度を加えたR
GBAなど)の対応を与える伝達関数を生成することによ
って行う。しかし、現時点では伝達関数の生成に確立さ
れた方法がなく、各ユーザーが経験的に生成するため、
得られたカラー画像には一般性がなく、診断などへの応
用は困難である。さらに、現在のカラー化方法は、単一
輝度のデータを対象にしたもので、カラー化しても1チ
ャンネル分の情報量しかないことに変りはない。多チャ
ンネルのMRI画像から一つのカラー画像が生成できれ
ば、個々の撮影条件でしかとらえることのできない情報
を一つの画像に盛り込むことができ、診断のための有力
なツールになると考えられるが、先に述べたMRIの輝度
の曖昧さから、どのような画像を何種類使ってカラーを
生成すれば良いかといった明確な基準が存在しない。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】以上述べたように、従
来技術には以下の問題点がある。 i.従来の可視化技術は対象物体の境界を表示する方法
が主流で、MRIの輝度情報を有効利用していない。 ii.多チャンネルMRI画像からカラー画像を生成するため
に、どのようなMRI画像を何種類使えば良いかという明
確な基準が存在しない。 iii.ボクセルに色を割り付ける伝達関数の生成には、確
立された方法がない。そこで、本発明は、係る問題点を
解決して、多チャンネルMRIのカラー化を実現すること
を目的としている。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明の多チャンネルMR
I画像処理によるカラー化方法は、組織標本などの、色
の決定とMRI撮影が可能なサンプルについて、条件を変
えて複数(Mチャンネル)のMRI画像を撮影し、前記Mチ
ャンネルMRI画像のデータに第一の独立成分分析(ICA)
を行って、L個(L≦M)の独立成分画像に分解し、サンプ
ル上からN点を選び、L個の独立成分画像輝度と色成分の
組である訓練サンプルを作成する。前記訓練サンプルを
用いて、L個の独立成分画像輝度の任意の組み合わせに
対して一つの色成分を出力する伝達関数を、色成分の数
だけ生成する。カラー化MRIを生成したい対象に対し
て、条件を変えて撮影したM’チャンネル(M'≧L)のMR
I画像を撮影し、前記M’チャンネルのMRI画像のデータ
に第二の独立成分分析を行って、L個の独立成分画像を
生成する。そして、前記第二の独立成分を、前記第一の
独立成分の輝度スケールに合わせるキャリブレーション
処理を行い、前記訓練サンプルを用いて得た伝達関数
を、前記キャリブレーションを行った独立成分画像に適
用してカラー画像を得ることを特徴としている。
【0006】また、本発明の多チャンネルMRI画像処理
によるカラー化装置は、MRI装置と、成分抽出部と、
伝達関数生成部と、キャリブレーション部と、成分・色
変換部とから構成される。MRI装置は、組織標本など
の、色の決定とMRI撮影が可能なサンプルについて、条
件を変えて複数(Mチャンネル)のMRI画像を撮影し、ま
た、カラー化MRIを生成したい対象に対して、条件を変
えて撮影したM’チャンネル(M'≧L)のMRI画像を撮影
する。成分抽出部は、前記MチャンネルMRI画像のデータ
に独立成分分析(ICA)を行って、L個(L≦M)の独立成
分画像に分解し、また、前記M’チャンネルのMRI画像の
データに独立成分分析を行って、L個の独立成分画像を
生成する。伝達関数生成部は、サンプル上からN点を選
び、L個の独立成分画像輝度と色成分の組である訓練サ
ンプルを作成し、該訓練サンプルを用いて、L個の独立
成分画像輝度の任意の組み合わせに対して一つの色成分
を出力する伝達関数を、色成分の数だけ生成する。キャ
リブレーション部は、伝達関数生成部から伝達関数を選
択し、カラー化しようとする対象の独立成分を、伝達関
数の独立成分のスケールに合わせるキャリブレーション
処理を行う。成分・色変換部は、キャリブレーションの
済んだ独立成分に伝達関数を適用し、カラー画像を生成
する。
【0007】
【発明の実施の形態】本発明は、以下の段階処理により
多チャンネルMRIのカラー化を実現する。 1.組織標本などの、色の決定とMRI撮影が可能なサン
プルについて、条件を変えて複数(Mチャンネル)のMRI
画像を撮影する。 2.上記1の多チャンネルMRI画像に独立成分分析(IC
A)を行い、L個(L≦M)の独立成分画像に分解する。
(図4参照) 例えば、3チャンネルのMRI画像(T1強調画像、T2
強調画像、プロトン密度強調画像)を独立成分分析(ICA)
すると、三つの独立成分画像(脂肪、自由水、緩和時間
の短い水)に分解できる。この場合 M=L=3 である。ちょ
うどこれは、テレビのR(赤)、G(緑)、B(青)のような基
本成分と考えられる。
【0008】3.サンプル上からN点を選び、L個の独立
成分画像輝度と色成分(通常3個)の組である訓練サン
プルを作成する(図5参照)。 4.訓練サンプルを用いて、L個の独立成分画像輝度の
任意の組み合わせに対して一つの色成分を出力する伝達
関数を、色成分の数(通常3)だけ生成する。
【0009】例えばL=3の場合、カラー化のためには、
この三つの独立成分画像の輝度値と出力される色成分
(通常3)の値とを対応づける必要がある。これは、色
成分がR、G、Bの3成分である場合、伝達関数 R=f1(s1, s2, s3) G=f2(s1, s2, s3) B=f3(s1, s2, s3) を決めることに相当する。伝達関数を作る一番簡単な方
法は、独立成分画像の輝度が256階調とすれば、 R[256,256,256] G[256,256,256] B[256,256,256] のような256x256x256の3次元配列のテーブルを3つ作
ることに相当する。そうすると各テーブルについて1670
万の値を定義する必要が生じ、実際には容易にはできな
い。本発明は、s1, s2, s3で張られる3次元空間からN
個の訓練サンプル点を選び、その点と色成分の対応づけ
を行い、それ以外の点は、訓練サンプルから決まる滑ら
かな伝達関数を使って値を決める。
【0010】N点の選び方は、脳の白質はクリーム色、
灰白質はピンク色、といった具合に人間が決めることも
可能であるが、アメリカの国立医学図書館が発行してい
る、Visible Human Dataset (http://www.nlm.nih.gov/
research/visible/visible_human.html)を利用して、自
動的に作成することができる。このデータには、死体の
三つのMRI画像と、断面カラー写真があるので、MRIの独
立成分とカラーを簡単に対応づけることができる。
【0011】これらの点をできるだけ忠実に再現する滑
らかな伝達関数を発生させるのに、ニューラルネットの
手法を使うことができる。つまり、訓練サンプルを使っ
て、ネットワークを学習させ、訓練の終ったネットワー
クを伝達関数として使うということになる。なお、断面
カラー写真を作るだけならば、Visible Human Dataset
から作った伝達関数をいつも使うことができるが、しか
し、例えば癌を赤色に強調するとか、脂肪を緑色にする
と言った、診断目的の特殊なカラー化を行おうとする
と、あらかじめ手作業で、各独立成分の癌の輝度と色成
分を対応づけた訓練サンプルを用意する必要がある。
【0012】5.カラー化MRIを生成したい対象に対し
て、条件を変えて撮影したM’チャンネル(M'≧L)のMR
I画像を撮影する。 6.上記5のデータに独立成分分析を行い、上記2と同種
のL個の独立成分画像を生成する。 7.上記6の独立成分を、上記2の独立成分の輝度スケー
ルに合わせる処理(キャリブレーション)を行う。 8.上記4で得た伝達関数を、上記7でキャリブレーショ
ンを行った独立成分画像に適用し、カラー画像を得る。
(図6)
【0013】このカラー化によって、多チャンネルMRI
の輝度情報が一つのカラー画像として統合され、従来技
術の問題点iが解決する。米国の国立医学図書館が発行
するVisible Human Datasetが提供する死体の3チャンネ
ルMRI(T1強調、T2強調、プロトン密度強調)と断面カ
ラー写真が、上記1,2,3の訓練サンプル作成に適してい
ることについては前述したが、それ以外にも、組織サン
プルの多チャンネルMRIとカラー写真の組み合わせを使
っても良いし、特定の組織に特定の色を対応づけるよう
に意図した人工的サンプルを使っても良い。上記2と6で
用いられる独立成分分析は、混合信号から信号源を見つ
ける信号処理法で、図1の3チャンネルMRIデータに適用
すると、図4に示すような、物理的違いを反映する独立
成分画像が生成される。これらの独立成分はTRやTEなど
の撮影パラメタやMRI装置の違いに影響を受けにくく、
カラー化のための基準となり、従来技術の問題点iiを解
決する。上記4の伝達関数の生成は、L次元空間中のN点
の訓練サンプルを滑らかに補間することに等しい。N点
の訓練サンプルからこのような滑らかな関数を生成する
方法はいろいろ考えられるが、ラジアル・ベーシス・フ
ァンクション法(RBF)を使うのが効果的で、これによ
って従来技術の問題点iiiを解決する。RBFの詳細は補足
説明に記す。ここで伝達関数としては、独立成分画像を
そのまま出力するような物も含むこととする。(熟練し
た医師には、そのような表示が好まれる。)
【0014】
【実施例】A.ソフトウェアによる実現法 上記の処理を汎用計算機上のソフトウェアで行う場合の
手順は図7のようになる。入力された多チャンネルMRIデ
ータは、独立成分分析を実行される。ここでのパラメタ
入力は、MRI画像のサイズ、チャンネル数(M又はM')、
独立成分数(L)、データの種類(訓練サンプルである
かどうか)などである。独立成分分析の詳細は補足説明
に記す。
【0015】訓練サンプルを生成する場合、Visible Hu
man Datasetのような多チャンネルMRIとカラー断面写真
の組が与えられるようなデータを用いれば、組織の色を
生成する伝達関数を自動的に生成できる。しかし使用者
の目的に合わせた特別のカラー化を行おうとする場合
は、人手により独立成分と色情報の入力が必要になる。
【0016】訓練サンプルを生成しない場合はカラー化
処理とみなされ、伝達関数選択部に送られる。伝達関数
はどのようなカラー化を行うかによってデータベースの
中から選択して使用する。訓練サンプルの独立成分と、
カラー化を行う多チャンネルMRIデータの独立成分は別
物であるため、訓練サンプルとカラー化しようとするデ
ータの独立成分画像輝度の対応づけを行う必要がある。
この処理は、訓練サンプルとカラー化しようとするデー
タに同じ物質サンプルを一緒に撮影しておくことで自動
化できるが、そうでない場合は、人手による組織の対応
付けが必要になる。図8は、Visible Human Datasetを訓
練サンプルとして、健康なボランティアの多チャンネル
MRIをカラー化する場合のキャリブレーションの例であ
る。ここではクラスタリングという画像処理の手法で、
訓練サンプルと健康なボランティアの各独立成分を6つ
の領域に分け、それらの領域から、眼球や背景などの他
と区別しやすい2つの領域を対応付け、健康なボランテ
ィアの独立成分を訓練サンプルの独立成分の輝度スケー
ルに変換する線形のキャリブレーション関数を生成した
例である。キャリブレーション関数でスケール補正した
独立成分に伝達関数を適用し、カラー化されたMRI画像
が生成される。
【0017】B.ハードウェアによる実現法 上記の処理を行うハードウェアは図9のような構成にな
る。各部分は、デジタル計算機により実現できる。ハー
ドウェアはMRI装置と一体となり、成分抽出部が被験者
や組織標本の多チャンネルMRIの独立成分分析を行う。
伝達関数生成部は、訓練サンプルから伝達関数を生成
し、伝達関数データベースに格納する。キャリブレーシ
ョン部は、伝達関数生成部から伝達関数を選択し、カラ
ー化しようとする対象の独立成分を、伝達関数の独立成
分のスケールに合わせる。成分・色変換部は、キャリブ
レーションの済んだ独立成分に伝達関数を適用し、カラ
ー画像を生成する。
【0018】(補足説明) A.多チャンネルMRIの独立成分分析 異なる撮影条件で撮影されたMチャンネルMRIデータを
【数1】 とすると、独立成分分析(ICA)では、XがM 個の独立な
ソース信号
【数2】 の線形結合、
【数3】 として観察されたと考える(図10)。ここで、xmは平
均値がゼロになるような変換を受けているものとする。
ICA は、Sの個々の要素が互いにできるだけ独立になる
ようなM×M行列AとSを決定する問題とみなせる。実際に
はAとSを同時に決定することは困難なので、まず、適当
なM×M行列Wを定義し、
【数4】 を計算し、Yの各要素ができるだけ独立になるようにWを
逐次修正する。計算が収束すれば、Yはスケールと順番
を除いてSに一致すると考えられる。
【0019】yiを独立にする方法はいくつか提案され
ているが、いずれの場合も自然勾配、
【数5】 に従って、
【数6】 のようにWを修正すれば良いことが知られている。ここ
でηは適当な学習係数である。「数5」の
【数7】 は、数学的にはyiの累積密度関数であるが、ソースの
確立密度関数を事前に知ることはできないので、
【数8】 などの非線型関数が用いられる。
【0020】以上の説明では、観測データXとSの成分数
はどちらもMであると仮定されているが、前もってXを主
成分分析し、有意成分だけを使ってMより小さい成分数
のSを求めることもできる。 B.ラジアル・ベーシス・ファンクション法による伝達
関数生成 M個の独立成分S(tn)=[s1(tn),・・・,sM(tn)]と色
成分C(tn)=[c1(tn),c2(tn),c3(tn)]の組である
訓練サンプルから伝達関数を生成する問題は、
【数9】 のよう滑らかな関数fj(S)を求める問題とみなすことが
できる。ここで tn (n=1,・・・,N)は訓練サンプルと
して選ばれたボクセルへのインデックスである。「数
9」のような関数の生成に、我々はラジアル・ベーシス
・ファンクション法(RBF)を用いる。
【0021】RBF法はp個の放射状の基底関数φp(S)の
線形結合
【数10】 によって、滑らかな関数fj(S)を定義する。ここでS=[s
1,・・・,sM]はM次元ベクトル、ωj,pは重み係数
である。基底関数φp(S)としては様々なものが利用で
きるが、ガウス関数の積を使うのが一般的である。基底
関数が決まれば、訓練サンプルを用いてωj,pを決定
できる。つまり、
【数11】 として、fj(S)を、
【数12】 のようなベクトル表現で表すことにより、
【数13】 を最小にするベクトルΩjを、
【数14】 を解くことによって求める。ここで、
【数15】 とすると、ΦはN×P行列Φの一般逆行列である。
【0022】本出願人はp個の基底関数φp(S)を、Sで
張られるM次元空間中の格子上に置く。1次元のガウス関
数を
【数16】 とすれば、φp(S)はこれらの積として定義される。つ
まり、2次元(M=2)の場合、
【数17】 のような関数を、図11のように配置する。この時、K1、
K2は各独立成分をk-mean法などで領域分類(クラスタリ
ング)した時のクラス数であり、P=K1*K2である。同様
に、M=3の場合は、
【数18】 のようになり、P=K1*K2*K3である。(3)式のgm,iとし
ては、領域分類した独立成分のクラスタ中心を用い、σ
m,iとしては、
【数19】 のような値を用いた。ここでλは適当な定数である。
【0023】
【発明の効果】本発明は、MRIの輝度情報を有効利用し
て、多チャンネルMRIのカラー化を実現し、それ故、個
々の撮影条件でしかとらえることのできない情報を一つ
の画像に盛り込むことができ、診断のための有力なツー
ルを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】臨床現場で良く撮影されるT1強調画像、T2強調
画像、プロトン密度強調画像を例示する図である。
【図2】複数の医用診断画像を見て医師がイメージする
ことについて説明するための図である。
【図3】単一輝度画像の擬似カラー表示を説明するため
の図である。
【図4】独立成分分析を説明するための図である。
【図5】訓練サンプルを説明するための図である。
【図6】多チャンネル画像処理によるカラー化MRIを
説明するための図である。
【図7】ソフトウェアにより実現する場合の手順を例示
するための図である。
【図8】Visible Human Datasetを訓練サンプルとし
て、健康なボランティアの多チャンネルMRIをカラー化
する場合のキャリブレーションの例を示す図である。
【図9】ハードウェアにより実現した構成を例示する図
である。
【図10】多チャンネルMRIの独立成分分析を説明する
ための図である。
【図11】ラジアル・ベーシス・ファンクション法によ
る伝達関数生成を説明するための図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き 審査官 新井 則和 (56)参考文献 特表 平7−505805(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G06T 1/00 290 G06T 1/00 510 A61B 5/055 G01R 33/32 H04N 7/18

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 組織標本などの、色の決定とMRI撮影が
    可能なサンプルについて、条件を変えて複数(Mチャン
    ネル)のMRI画像を撮影し、 前記MチャンネルMRI画像のデータに第一の独立成分分析
    (ICA)を行って、L個(L≦M)の独立成分画像に分解
    し、 サンプル上からN点を選び、L個の独立成分画像輝度と色
    成分の組である訓練サンプルを作成し、 前記訓練サンプルを用いて、L個の独立成分画像輝度の
    任意の組み合わせに対して一つの色成分を出力する伝達
    関数を、色成分の数だけ生成し、 カラー化MRIを生成したい対象に対して、条件を変えて
    撮影したM’チャンネル(M'≧L)のMRI画像を撮影し、 前記M’チャンネルのMRI画像のデータに第二の独立成分
    分析を行って、L個の独立成分画像を生成し、 前記第二の独立成分を、前記第一の独立成分の輝度スケ
    ールに合わせるキャリブレーション処理を行い、 前記訓練サンプルを用いて得た伝達関数を、前記キャリ
    ブレーションを行った独立成分画像に適用してカラー画
    像を得る、 ことから成る多チャンネルMRI画像処理によるカラー化
    方法。
  2. 【請求項2】 組織標本などの、色の決定とMRI撮影が
    可能なサンプルについて、条件を変えて複数(Mチャン
    ネル)のMRI画像を撮影し、また、カラー化MRIを生成し
    たい対象に対して、条件を変えて撮影したM’チャンネ
    ル(M'≧L)のMRI画像を撮影するMRI装置と、 前記MチャンネルMRI画像のデータに独立成分分析(IC
    A)を行って、L個(L≦M)の独立成分画像に分解し、ま
    た、前記M’チャンネルのMRI画像のデータに独立成分分
    析を行って、L個の独立成分画像を生成する成分抽出部
    と、 サンプル上からN点を選び、L個の独立成分画像輝度と色
    成分の組である訓練サンプルを作成し、該訓練サンプル
    を用いて、L個の独立成分画像輝度の任意の組み合わせ
    に対して一つの色成分を出力する伝達関数を、色成分の
    数だけ生成する伝達関数生成部と、 伝達関数生成部から伝達関数を選択し、カラー化しよう
    とする対象の独立成分を、伝達関数の独立成分のスケー
    ルに合わせるキャリブレーション処理を行うキャリブレ
    ーション部と、 キャリブレーションの済んだ独立成分に伝達関数を適用
    し、カラー画像を生成する成分・色変換部と、 から成る多チャンネルMRI画像処理によるカラー化装
    置。
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