シネ MRI の画像解析による心機能の定量評価に関する研究

岡山大 学医学部放射線医学教室(指 導:平 木祥夫教授)

清

哲

朗

(平 成5年11月30日 受 稿)

Key words: MRI, cardiac function, image processing, three dimensional reconstruction

緒 言 心 臓 疾 患 の 診 断,治 療 方 針 の決 定 にお い て心 臓 内血 流 の状 態,心 機 能 の 評価 は重 要 な課 題 で あ り,従 来 そ の た め に は理 学 的所 見 に加 えて心 血管 造 影,ラ ジオ ア イ ソ トー プ(RI)検 査,心 エ コー な どが 用 い られ て き た. 近 年,心 血 流 を視 覚 化 す る画像 診断 として磁 気共 鳴 画像 診 断装 置(MRI)が 造 影 剤 を使 用せ ず,放 射 線被 爆 の な い非 侵 襲 的 手法 として 脚光 を浴 びて い る1)-11).これ に よ る心 臓 や 血 流 の動 的 な観 察 は 心 電 図 同期 と高 速 撮像 法 と組 み あ わ せ て デー タ を収 集 し画 像 作 成 した後,連 続(シ ネ)表 示 す る方法 で お こ なわ れ る.心 血 管 造影 をは じめ とした従 来 の画 像 診 断 に よ る心 機 能評 価 の 方 法 は,主 と して あ る適 当 な一 断 面 ない し 直交 す る2断 面 で の二 次 元 画像 で評 価 す る もの で あ った.こ の場 合,心 臓 の 局所 壁 運 動 や全 体 的 な心 機 能 の評 価 を行 うこ とは しば しば 困 難 で あ る. MRIは 本 来 三 次 元 的 な検 査 が可 能 で は あ るが,現 存 のMRI装 置 に は 心臓 の立 体 的 な機 能解 析,立 体 画像 表 示 が 可 能 な ア プ リケー シ ョ ンは 未 だ 組 み こ まれ て いな い. 本研 究 で はMR画 像 処 理 シ ステ ム を構 築 し, これ を用 い て心 室 容 積 の 算 出 お よ び心 室 の 立体 画像 構 成 を行 うこ とに よ り,心 機 能 を定 量 的 に 評価 す るこ との有 用 性 に つ い て検 討 を行 った の で報 告 す る. 方 法 1.心 臓MRIの 撮 像 使 用MRI装 置 は 静 磁 場 強 度1.5 T超 電 導 型 (シー メ ン ス 社 製Magnetom H 15)で あ る. 心 臓 の 位 置 決 め の た め にTurbo-FLASH法 で 胸 部 の 冠 状 断 の 画 像 を得 た 後,心 臓 の シ ネ 画 像 を 撮 像 し た.心 電 図 同 期FISP法(TR=40 msec, TE=12 msec, Flip angle=20°, Thickness=

7mm, FOV=250mm, Matrix=256×128,加 算 回 数2回)を 用 い,デ ー タ補 間 に よ り, 256×256 の 画 像 を得 た. 2.左 室 お よ び 右 室 の 検 出 と立 体 画 像 表 示 本 研 究 で 構 築 し たMR画 像 処 理 シ ス テ ム の 構 成 を 図1に 示 す.本 体 の コ ン ピ ュ ー タ に はNEC 製PC-9801を 用 い た.本 シ ス テ ム を 用 い た 心 機 能 の 定 量 評 価 の 処 理 過 程 を 図2に 示 す.画 像 の 入 力 は シ ャ ウ カ ス テ ン に 掛 け ら れ た フ ィ ル ム か ら テ レ ビ カ メ ラ を 介 し て 行 う.収 集 さ れ た 画 像 フ ァ イ ル は 光 磁 気 デ ィ ス ク上 仁 保 存 す る.つ づ い て,得 られ たMR画 像 か ら左 室 お よ び 右 室 の 輪 郭 を検 出 す る.輪 郭 検 出 に は 種 々 の 手 法 が 開 発 さ れ て い る が,こ こ で は 左 室 や 右 室 の よ う な 対 象 物 の 境 界 に 沿 っ て3×3画 素 の 小 領 域 を考 え,対 象 物 の 輪 郭 を 連 結 し た 点 列 と し て 検 出 す る 手 法 を用 い て い る.得 ら れ た 断 面 の 各 時 相 に お い て 左 室 お よ び 右 室 の 輪 郭 を求 め,デ ィ ス プ レ イ上 で マ ウ ス に よ り若 干 の 修 正 を 加 え た 後 , Zバ ッ フ ァ 法 を 用 い て 左 室 と右 室 を 立 体 画 像 表 示 す る.立 体 画 像 表 示 に は32ビ ッ ト グ ラ フ ィ 163

164 清 哲 朗 図1  MR画 像 処 理 シ ス テ ムの 構 成 図2  心機能の定量評価 の処理 過程 ッ ク ス プ ロ セ ッ サ ボ ー ドを パ ー ソ ナ ル コ ン ピ ュ ー タ の 拡 張 ス ロ ッ トに 装 着 して 使 用 し て い る . こ の ボ ー ドを 用 い る こ とに よ り,左 室 お よ び 右 室 の 立 体 動 画 表 示 が 可 能 で あ る. Zバ ッ フ ァ法12)を 用 い た 立 体 画 像 表 示 の 方 法 を 図3,図4に 示 す.ま ず 左 室 の 輪 郭 の 重 心 を 求 め る.こ の 重 心 と 同 一 水 平 方 向 上 に お け る 左 室 の 輪 郭 との 交 点Aを 求 め る.こ の 点Aよ り 輪 郭 をn等 分 し た 点B, C, D, E… を 求 め る. 同 様 に し て 異 な る 断 面 に お い て 輪 郭 線 をn等 分 し た 点A´, B´, C´, D´, E´… を 求 め る.こ こ でAとA´ とB, BとA´ とB´, BとB´ と 図3  n等 分 し た輪 郭 線 図4  三 角 形 面 表 示 C,… の よ うに3つ の点 の座 標 を用 い ることによ り三角 形面 が決 定 で き る.こ の 面 を カ ラー表示 す る こ とに よ り左 室 が 立体 的 に 表示 で き るこ と に な る.同 様 に して右 室 の 立体 表示 を行 う.コ ン ピュ ー タの デ ィス プ レ イは 二 次 元平 面 で ある の で,視 点 の位 置 に よ って 左 室 と右 室 の いず れ が よ り手 前 に あ るか とい っ た奥 行 情報 を求め る 必 要 が あ る.す な わ ち手 前 の 物 を表示 し奥 にあ る物 は 表 示 しな い とい っ た隠 面 消 去 を行 う.必要 が あ る.こ こで は ア ル ゴ リズム が 簡単 なZバ ッ フ ァ法 を用 いて 左 室 お よび右 室 を構 成す る三角 形 面 と視 点 の 位 置 との奥 行 情 報 と面 の輝 度情 報 を計 算 に よ り求 め る.こ の よ うに して左 室 お よ び右 室 の立 体 画 像 表 示 が 可能 に な る. 臨 床 例 心疾 患 の既 往 の な い健 康 な27歳 でMRIを 行 い,そ の左 室 お よび右 室 に つ い て容 積 測 定お よ び 立体 画像 表示 を行 っ た. Turbo-FLASH法 で 胸 部 の 冠状 断 を撮 像 し,こ の 画面 を基 準 と して, 心 電 図 同期 の シネMRIを 撮 像 した.体 軸 に対 して垂 直 方 向 に 肺動 脈 分 岐部 か ら心 下縁 まで を ス ラ イ ス厚7mm,ス ラ イ ス間 隔0mm,平 均R-R間 隔 の約80%で, 1断 面 に つ き17枚 の経 時的 な シ ネ画 像 を得 た.本 例 では 心 臓 を含 む断 面 は8断 面 で あ っ た.図5に 心 電 図R波 よ り10msec後

図5  成 人 ボ ラン テ ィア の心 臓 を含 む8断 面 のMRI 横 断 像 図6  心 室 中央 レベ ル に お け る40 msec間 隔 で 得 ら れ た シ ネ 画像 図7  輪郭検 出の過 程 図8  検 出 された左 心室 内腔 の,心 室 を含 む連 続 した断 面像 を示 す.同 図 の 左 上 か ら4番 目の 画像 は,心 臓 の ほぼ 中央 を通 る断 面 に おけ る心 電 図R波 よ り10 msec後 の 画 像 で あ る.こ の 断 面 に お い て40 msec間 隔 で得 ら れ た15枚 の シ ネ画 像 を図6に 示 す.こ れ らの 図 よ り一 番 目の画像 に お い て心 室 が 最 も拡 張 して い るの が わか る.図5の 左 上 か ら4番 目の画 象, す なわ ち 図6の 左 上 か ら1番 目にお け る左 室 輪 郭検 出 の過 程 を図7に 示 す.図8に 検 出 され た 左 室 の輪 郭 線 と左 室 の領 域 を示 す. この よ うに して得 られ た左 室 お よ び右 室 の 輪 郭 か ら, Zバ ッフ ァ法 に よ り立体 画 像 表 示 した 結 果 を図9(a)に 示 す.同 様 に して それ ぞれ の時 相 に お い て 立体 画像 表 示 を行 い,こ れ らの 立 体 画 像 を グ ラフ ィ ッ クスプ ロセ ッサ を用 い て一 定 時 間 間 隔 で表 示 す る こ とに よ り,左 室 お よ び右 室 の 立体 的 な挙 動 を動 画 像 と して 表現 す る こ と が で き る.図9(a)-(h)は 左 室 お よび右 室 を拡 張 末期 か ら80msec間 隔 で 表 示 した 結 果 で あ る. 図10に 左 室 お よび右 室 の時 間 容積 曲 線 を示す. こ こ で最 大容 積 とな る時 相 が 拡 張 末期 に,最 小 容 積 とな る時相 が収 縮 末 期 に,そ れ ぞれ 対 応 し

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図9  (a)(b)(c)(d)(e)(f)(g)(h)Zバ ッ フ ァ 法 に よ る80msec間 隔 の 心 室 の 立 体 画 像 表 示 (対 象 の 右 前45°か ら の 像.向 か っ て 左 が 左 室,右 が 右 室 に 対 応)

図10 左室 お よび右室の 時間容積 曲線 て い る.本 例 で の 左 室 拡 張 末 期 容 積 は163ml,収 縮 末 期 容 積 は64mlで あ り,左 室 駆 出率(LVEF) は61%で あ っ た.右 室 拡 張 期 容 積 は143ml,収 縮 末 期 容 積 は57mlで あ り,右 室 駆 出 率 は60%で あ っ た.こ の 結 果 か ら,本 例 の 心 機 能 は 正 常 で あ る こ と が 示 さ れ た.比 較 対 象 と し て 左 心 室 に 関 し超 音 波Mモ ー ド法 に よ る心 機 能 評 価 を行 っ た.使 用 機 種 は 東 芝 製SSH-140Aで あ る. B モ ー ド心 エ コー に よ り断 面 を 設 定 し た 後, Mモ ー ド法 に よ る 計 測 を 行 っ た .収 縮 期 と拡 張期 の 短 軸 形 を計2回 測 定 し そ の 平 均 と し た.左 室 容 積 はTeichholz法 に よ り算 出 し,収 縮 期 心 室 容 積 と拡 張 期 心 室 容 積 を 得 て, LVEFを 計 算 し た. 結 果LVEFは66%と,シ ネMRIに よ る 結 果 に 近 似 し て い た. 考 察 1.収 縮 期 と拡 張 期 の 心 室 容 積 か ら求 め ら れ る 駆 出 率(EF)は 心 機 能 を 評 価 す る 上 で 最 も 重 要 な 情 報(指 標)の 一 つ で あ る.現 在 の 臨 床 の 場 で は,心 室 造 影,心 エ コ ー,心 プ ー ル シ ン チ グ ラ フ ィー な ど に よ り計 測 さ れ る.正 常 値EFは 報 告 者 に よ り ば ら つ き は あ る が, 60∼70%で あ れ ば 正 常, 50%以 下 は 機 能 低 下 と考 え ら れ て い る. 2.心 室 造 影 は 空 間 分 解 能 に 優 れ,心 室 容 積 算 出 のgolden standardと さ れ て き た が,観 血 的 で 侵 襲 が 大 き い た め ス ク リー ニ ン グ や フ ォ ロ ー ア ッ プ に は 使 い に くい ,造 影 剤 を必 要 とし造 影 剤 に よ る容 積 負 荷 の 影 響 が あ る,な ど の 問 題 が あ る13)-18).心 室 容 積 の 算 出 は 左 室 に お い て は 影 か ら算 出す る簡 略化 され た1方 向area-length 法 が使 用 され る.こ の場 合 左 室 の長 軸 を いつ も 捉 えて い る とは 限 らず,不 正 確 に な る症例 が あ る.心 筋 梗 塞 患 者 の よ うに局 所 壁 運 動 の 異常 を 伴 う場 合 も正 確 な 測定 は望 め な い. area-length 法 の 欠点 を補 う方 法 して,心 室 を楕 円 形 の ス ラ イス の集 合 とみ な したChapman法 が あ り,心 形 態 異常 を ともな っ た症 例 では よ り有 用性 が 高 い とされ る.ま た右室 は左室に比べ解剖学 的に 複雑 な こ とか ら, area-length法 の 変法 な どの 幾 つか の方 法 が考 案 さ れ て い るが,決 定 的 な も の は な い とされ て い る.さ らに 心 室 造影 は投 影 像 で あ る ため 拡大 や 傾 斜 に よ る補正 が 必要 で あ り,補 正 に よ る誤差 も生 じう る可能 性 が あ る. 心 エ コー 図 は 非観 血 的 で リア ル タ イム に画 像 が得 られ,臨 床 的有 用 性 は高 いが13),18)-19),超音 波 を用 い た診 断 手 法 で体 表 面 か らの 操作 で あ る た め,特 に高 齢 者,肥 満 者 では 可視 範 囲 が制 限 され るこ と,診 断精 度 が 術 者 の 技 量 に依 存 す る, な どの 問題 が あ る. Mモ ー ド法 に よ る心 室容 積 の 算 出 に は各 種 の 幾何 学的 仮 定 を必 要 と し,こ とに局 所 壁 運 動 の 異常 を伴 っ た心 筋 梗塞 で は信 頼 性 が低 くな る.断 層心 エ コー 図 では 左 室心 尖 部 を全 て の症 例 で正確 に描 画す る こ とは 難 し く 左 室長 軸 を捉 えに くい 点 で 問題 が 残 る.心 室 造 影 と同様 に右 室 の 容積 を高 い精 度 で測 定 す るの は 困 難 で あ る. 心 室造 影 お よ び心 エ コー 等 で行 われ て い る幾 何 学 的仮 定 に基 づ く方 法 で は心 内腔 に突 出す る 乳 頭 筋,肉 柱 を無 視 す る こ とに な り,理 論 的 に は 容積 を過 大 評 価 して い る と考 え られ る.ま た い ろい ろ に 異 な っ た大 き さ と型 を持 ち変 形 を繰 り返 す 心腔 に,一 定 の 数 式 に よ る算 出法 を採 用 す るに は 多少 の無 理 が 伴 って い る. 超 高 速CTを 用 い た心 容 積 測 定 は,高 空 間分 解 能 を維持 した真 の リア ル タ イム の撮 影 が可 能 で あ り,ま た 断層 像 で あ る ため 現在 の とこ ろ最 も精 度 が高 い方 法 で あ るが19)-21)装置 が大 き く高 価 であ り,ご く一 部 の施 設 で試 み られ るに 留 ま

168 清 哲 朗 っ て い る. 心 プ ー ル シ ン チ グ ラ フ ィ ー に よ る 容 積 計 測 に お い て は 放 射 カ ウ ン ト法,幾 何 学 的 方 法 の2つ が 用 い られ る.放 射 カ ウ ン ト法 はSlutkyら22) に よ り確 立 さ れ た 形 の 影 響 を受 け に く い 比 較 的 精 度 の 高 い 優 れ た 方 法 で あ る が,心 臓 を と り囲 む 体 壁 に よ る 放 射 線 の 線 源 弱,散 乱 線 な ど の 複 雑 な 補 正 が 必 要 で あ り21)-24),心房 と心 室 の 重 な りに よ る 誤 差 が 生 じ う る.幾 何 学 的 方 法 は 空 間 分 解 能 が 他 のmodalityに 比 べ 低 い の が 問 題 で あ る. 3. MRIは 放 射 線 被 曝 が な く非 観 血 的 に 心 機 能 の 評 価 が 可 能 で あ る.現 在 の 装 置 で は 真 の リ ア ル タ イ ム で の 撮 像 は 不 可 能 で あ る が,高 度 の 不 整 脈 の 患 者 を 除 け ば 安 静 時 の 心 室 容 積 の 検 討 は,シ ネMRIを 用 い た 方 法 で 十 分 可 能 で あ る. MRIを 用 い た 心 室 容 積 の 算 出 に 関 して は す で に い くつ か の 報 告 が あ る1)-7),9)-11).初期 の 報 告1)-4) は 装 置 の 制 約 もあ り心 室 造 影 で 確 立 され たarea-length法 な ど の 幾 何 学 的 近 似 法 を 用 い た もの が 主 体 で あ っ た.グ ラ ジ ェ ン トエ コ ー 法 を利 用 し た シ ネMRIが 実 用 化 さ れ,ま た 比 較 的 短 時 間 で 高SN比 を保 っ た シ ネ 画 像 が 撮 像 で き る高 磁 場 装 置 が 開 発 さ れ た た め,心 全 体 の シ ネ 画 像 を 撮 像 し,容 積 測 定 を行 うこ とが 可 能 に な っ た5)-8). Dulceら は 正 常 例 に お け る 左 室 容 積 は,幾 何 学 的 仮 定 に 基 づ い た 計 測 で 精 度 の 高 い 計 測 が 可 能 と報 告 して い る が11),局 所 壁 運 動 障 害 を 伴 う場 合 や,右 室 の よ う な 複 雑 な 心 室 容 積 を 正 確 に 計 測 す る に は,多 くの 平 行 な 断 面 を得 て 各 断 面 で の 計 測 を 加 算 し算 出 す る の が 理 想 と思 わ れ る . こ の 方 法 の 場 合,全 体 の 撮 像 に 長 時 間 を 要 す る の が 最 大 の 問 題 点 で あ る.最 近 で はturbo-FLASH法 な ど の 高 速 撮 像 法 を 応 用 し た 高 速 シ ネMRIに よ る 検 討8)や 特 別 な ハ ー ドウ ェ ア を加 え たMR装 置 で のecho-planar法 に よ る リア ル タ イ ム の 撮 像 が 試 み ら れ て い る が,一 般 臨 床 装 置 で 使 わ れ る に は 至 っ て は い な い. 4.本 研 究 で は 位 置 決 め が 簡 単 な 横 断 像 を用 い,撮 像 マ ト リ ク ス を少 な くす る こ と で,多 断 面 の 撮 像 を 比 較 的 短 時 間 で 行 う こ と を 可 能 に し た.こ の 断 面 像 を も と に し て,幾 何 学 的 仮 定 に よ ら な い 心 室 容 積 と駆 出 率 の 算 出 を行 っ た.心 全 体 を含 め た シネMRIを 行 っ た場 合,多 くの 断 面 の 心 室 輪 郭 を検 出 す る必 要 が 生 じるが,こ れ を人 間 が 用 手 的 に トラ ッ クボー ル な ど を用 い て行 っ た場 合,か な りの繁 雑 さ を伴 う こ と,ま た再 現 性 に 乏 し くな るこ と も問 題 に な る.こ れ に対 しパ ー ソナ ル コ ン ピュー タ上 で半 自動 化 し た輪 郭 検 出 を行 な い効 率 的 な シス テ ム を構 築 し た. 心機 能 異常 の 診断 の 上 で機 能低 下 が心 全体 に お よぶ もの な のか,限 局 した もの な のか を区別 す るの は重 要 な点 で あ る.こ れ は 断面 像 の み で の 観察 で もあ る程 度 は可 能 で あ るが,連 続 す る 断 面 に また が る異 常 の 評 価 は容 易 で な い.比 較 的 限 られ た 断面 を利 用 した立体 画 像 の作 成 は英 保 らに よ り報 告 され て い る25)が,局所 壁 運 動 異常 を伴 う症 例 の評 価 では 心 全体 を含 ん だ断 層像 か らの立 体 画像 が必 要 に な る26).本研 究 では多断 面 の 撮像 を元 に して立 体構 成 画像 をZバ ッフア法 で 作成 して お り,任 意 の視 点 か らの再 構 成画像 を観 察 す る こ とに よ り,局 所 壁 運 動 の 異常 を容 易 に捉 え る こ とを可 能 と した. 結 論 心 疾 患の 診 断 お よび 治療 方 針 の決 定 において, 心 機 能 の定 量 評 価 は 重要 な 問題 で あ る. MRIは 造 影 剤 を使 用 せ ず,心 全 体 の横 断 画 像 を比較的 容 易 に得 る こ とが で き る.こ の 画像 を利 用 して, 各 時相 での 心 室 容積 の 測 定 を従 来 心 室造 影 な ど で用 い られ て い た よ うな幾 何 学 的 仮 定 に よ らな い精 度 の高 い算 出 を行 っ た.心 全体の横 断像 を シネMRIを 撮 像 し容 積 算 出 を行 う場合,多 く の 断面 で心 内腔 を検 出 す る必要 が 生 じ るが,本 シス テ ム で は これ を コ ン ピュー タ上 で半 自動化 す るこ とで,さ らに 簡便 で再 現 性 の 高 い検査 と す るこ とを可 能 に した.ま た心 室 の 立体 画像 表 示 を行 い任 意 の 角 度 か ら観 察 し連 続 表 示 す るこ とで,局 所 壁 運 動 の 異 常 を容 易 に把 握 で きる と 考 え られ た. 稿 を終 えるにあ た り,御 指導 な らびに御校閲 を賜 った平木祥夫教 授に深謝致 します.又,研 究に際し 終 始,懇 切 な る御指 導 をい ただいた教 育学部山本秀 樹教 授に感謝 の意 を表 します.

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170 清 哲 朗

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Department of Radiology, Okayama University Medical School,

Okayama 700, Japan

(Director: Prof. Y. Hiraki)

Non-invasive techniques for measuring the dynamic behavior of the cardiac ventricle can be invaluable tool for diagnosing heart disease. In this paper, we present methods for quantita tive analysis of cardiac function using magnetic resonance images.

A 256•~256 magnetic resonance transaxial image of the cardiac ventricle was obtained from a healthy subject. After gray level thresholding and region segmentation, the boundary of the ventricular chamber was extracted. Then, the boundaries of the ventricular chamber were displayed three-dimensionally using the Z-buffer algorithm. Thus, ventricular volume and ejection fraction were calculated. In our example, left ventricular ejection fraction was 61%. These results agree well with the corresponding data obtained by the echo-cardiography.