電子情報通信学会ワードテンプレート (タイトル)

DEWS2008 E10-4

認知症発見のためのスキンラインを基準とした

頭部 MRI 画像の位置合わせの研究

中村賢治

†

_児玉直樹

‡

_竹内裕之

‡

_川瀬康裕

‡‡ †

_{高崎健康福祉大学大学院健康福祉学研究科 〒370-0033 群馬県高崎市中大類町 37-1}

‡

_{高崎健康福祉大学健康福祉学部 〒370-0033 群馬県高崎市中大類町 37-1}

‡‡

_{川瀬神経内科クリニック 〒955-0823 新潟県三条市東本成寺 20-8}

E-mail:

†

[email protected],

‡

{kodama, htakeuchi} @wm.takasaki-u.ac.jp,

‡‡

[email protected]

あらまし 認知症は発症すると持続的に認知機能が低下し、死にいたる病気である。しかし、未だに有用な治療方

法が確立されておらず、非薬物療法及び薬物療法を用いることで認知機能の低下を緩和することが治療の第一選択

とされている。そのため、早期の段階で認知症を発見することは重要である。本研究では脳が萎縮するという認知

症の特徴を利用し、同一患者の MRI 画像から経時差分画像を作成し、認知症診断のための支援システムの構築を行

った。

キーワード 認知症、CAD、MRI、位置合わせ、ワーピング

Research of positional match of head MRI image based on

Skinline for Discovery of Dementia

Kenji NAKAMURA

†

Naoki KODAMA

‡

Hiroyuki TAKEUTI

‡

and

Yasuhiro KAWASE

‡‡

†

Graduate school of Health and Welfare, Takasaki University of Health and Welfare 37-1 Nakaohrui-machi, Takasaki

city, Gunma, 370-0033 Japan

‡

Faculty of Health and Welfare, Takasaki University of Health and Welfare 37-1 Nakaohrui-machi, Takasaki city, Gunma,

370-0033 Japan

†††

Kawase Neurology Clinic 20-8 Higashi-Honjyoji, Sanjyo city, Niigata, 955-0823 Japan

E-mail:

†

[email protected],

‡

{kodama, htakeuchi} @wm.takasaki-u.ac.jp,

‡‡

[email protected]

Abstract The cognitive function decreases continuing when Dementia develop, and it's a sickness dying. A useful drug

therapy is not yet establish, The decrease can be eased by using the drug therapy and nonpharmacologic therapy in cognitive

function, As a result, It is importance to discover me at an early stage. The dementia that the brain shrinks is used, The

temporal subtraction image is made from same patient's MRI image, The support system was constructed for The dementia

diagnosis.

Keyword Dementia, CAD, MRI, Temporal Subtraction, Warping

1. は じ め に

1.1. 認 知 症 認 知 症 は 高 齢 者 で 多 く 発 症 し 、 発 症 す る と 認 知 機 能 を 主 と し て 様 々 な 生 活 機 能 が 持 続 的 に 低 下 し 、 死 に 至 る 病 気 で あ る 。 そ の た め 、 超 高 齢 化 の 進 む 日 本 に お い て 、認 知 症 患 者 の 介 護 負 担 、QOL の 低 下 が 問 題 に な っ て い る 。 現 在 、 非 薬 物 療 法 及 び 薬 物 療 法 を 用 い る こ と で 、 病 状 の 進 行 を 遅 ら せ る こ と は 可 能 で あ る が 、 完 治 す る こ と は 難 し く 、有 効 な 治 療 方 法 が 確 立 さ れ て な い 。 そ の た め 、 早 期 の 段 階 で 認 知 症 を 発 見 し 、 非 薬 物 療 法 及 び 薬 物 療 法 を 用 い て 病 状 の 進 行 を 遅 ら せ る こ と が 、 認 知 症 治 療 の 主 流 で あ る [1][2] 。そ の 中 で 、認 知 症 予 備 群 と 言 わ れ る 軽 度 認 知 障 害 （ MCI: Mild Cognitive Impairment） が あ る 。 こ の 軽 度 認 知 障 害 患 者 の ８ 割 は

５ 年 後 に 認 知 症 に 移 行 す る と い わ れ て い る [3]。 1.2. 認 知 症 の 診 断 基 準 認 知 症 の 診 断 に お い て 、MMSE や か な ひ ろ い テ ス ト な ど の 認 知 機 能 調 査 、 MRI な ど の 画 像 検 査 を 用 い て 、 総 合 的 に 診 断 し て い る 場 合 が 多 い [4][5] 。 そ の 中 で 画 像 検 査 は 、 進 行 に と も な っ て 脳 が 萎 縮 す る と い う 特 徴 を 持 つ 認 知 症 の 診 断 に は 欠 か せ な い も の で あ る [6][7]。 認 知 症 の 診 断 基 準 に は ICD-10 、 DSM- Ⅳ 、 NINCDS-ADRDA な ど が あ る が 、 型 認 知 症 は 数 年 を か け て 進 行 す る た め 、 病 状 が あ る 程 度 進 行 し て い な い と 確 定 診 断 を 下 す こ と は 難 し い [8][9][10]。 1.3. コ ン ピ ュ ー タ 支 援 診 断

現 在 、 CT （ Computerized Tomography ） や MRI （ Magnetic Resonance Imaging）な ど の 画 像 診 断 機 器 の 高 性 能 化 に よ り 、 空 間 ・ 時 間 分 解 能 の 高 い 医 用 画 像 を 得 る こ と が で き る 。 こ の 大 量 の 医 用 画 像 を コ ン ピ ュ ー タ に よ り 解 析 し 、 医 師 が 診 断 す る 際 の 判 断 基 準 の 一 部 と し て 役 立 て る シ ス テ ム を コ ン ピ ュ ー タ 支 援 診 断 （ CAD:Computer-Aided Diagnosis） と い う 。 MRI は 人 体 の 水 素 原 子 核 密 度 、 緩 和 時 間 、 血 流 情 報 な ど か ら 、 脳 活 性 部 位 な ど の 生 化 学 的 情 報 を 得 る こ と が 可 能 で あ る 。 そ の た め 、 側 頭 葉 と そ の 内 部 の 海 馬 を 中 心 と し て 脳 が 萎 縮 す る と い う 特 徴 の あ る ア ル ツ ハ イ マ ー 型 認 知 症 診 断 に お い て 、頭 部 MRI 画 像 を 用 い た コ ン ピ ュ ー タ 支 援 診 断 が 一 定 の 成 果 を あ げ て い る [11][12]。 図 １ 軽 度 認 知 障 害 患 者 の 冠 状 断 画 像 1.4. 目 的 現 在 、 認 知 症 診 断 は 様 々 な 診 断 基 準 を も と に 行 わ れ て い る た め 、 医 師 の 主 観 に 強 く 依 存 し て い る 。 本 研 究 で は コ ン ピ ュ ー タ 支 援 診 断 を 用 い て 、 認 知 症 の 定 量 的 な 診 断 情 報 を 医 師 に 提 供 す る シ ス テ ム を 構 築 す る こ と を 目 的 と す る 。 今 回 は そ の 前 段 階 と し て 、 脳 萎 縮 を 観 察 す る た め の 経 時 差 分 画 像 を 作 成 し た 。

2. 対 象

3. 方 法

本 研 究 の 処 理 手 順 を 図 ２ に 示 す 。 ま ず 、 前 処 理 と し て メ デ ィ ア ン フ ィ ル タ 処 理 と 濃 度 値 の 正 規 化 を 行 っ た 。 そ し て 、 全 ス ラ イ ス 群 か ら フ ー リ エ パ ワ ー ス ペ ク ト ル を 求 め た 。 そ の フ ー リ エ パ ワ ー ス ペ ク ト ル を 用 い て 相 互 相 関 を 行 い 、 相 関 値 が 一 番 高 い ス ラ イ ス 同 士 を 同 位 置 と し た 。 そ の 後 、 脳 実 質 領 域 の 重 心 を 用 い て ス ラ イ ス 間 の ず れ を 補 正 し た 。 最 後 に ス キ ン ラ イ ン を 基 準 と し て 局 所 ワ ー ピ ン グ を 行 い 、 差 分 画 像 を 作 成 し た 。 メ デ ィ ア ン フ ィ ル タ 本 研 究 の 対 象 は 、平 成 18 年 と 平 成 19 年 に MRI 撮 影 を す る こ と が 可 能 で あ っ た 軽 度 認 知 障 害 患 者 13 名 で あ り 、 T１ 強 調 冠 状 断 画 像 の ス ラ イ ス 群 を 用 い た 。 図 １ に 軽 度 認 知 障 害 患 者 の MRI 画 像 を 示 す 。 濃 度 値 の 正 規 化 フ ー リ エ パ ワ ー ス ペ ク ト ル に よ る ス ラ イ ス 同 定 ス キ ン ラ イ ン の 検 出 局 所 的 ワ ー ピ ン グ 画 像 の 差 分 図 ２ 処 理 手 順

3.1 前 処 理

MRI 画 像 に は ノ イ ズ が 乗 っ て し ま う た め 、画 像 の ノ イ ズ 除 去 を 行 っ た 。 そ の 後 、 全 ス ラ イ ス 画 像 の 最 大 値 と 最 小 値 を 用 い て 濃 度 値 の 正 規 化 を 行 っ た [13]。 図 ３ （ ａ ） に 原 画 像 、 図 ３ （ ｂ ） に 前 処 理 を し た 画 像 を 示 す 。 （ ａ ） 原 画 像 （ ｂ ） 前 処 理 後 の 画 像 図 ３ 前 処 理 を お こ な っ た 画 像

3.2 ス ラ イ ス の 同 定

3.3 脳 実 質 領 域 の 抽 出

フ ー リ エ パ ワ ー ス ペ ク ト ル を 用 い て 、 同 定 し た 画 像 か ら 脳 実 質 領 域 を 抽 出 し 、 そ の 重 心 を 基 準 に 画 像 内 で の 位 置 を 補 正 し た 。 脳 実 質 領 域 の 抽 出 の 際 に は 、 大 津 の 判 別 二 値 化 処 理 を し た あ と 、 ラ ベ リ ン グ 処 理 を 用 い て 最 大 の 面 積 と な る 領 域 を 脳 実 質 領 域 と し た [15]。 ま た 、 脳 蓋 領 域 と 脳 実 質 領 域 が 隣 接 す る こ と で 起 き る 抽 出 失 敗 を 避 け る た め に 、 オ ー プ ニ ン グ 処 理 を 行 っ た 。 オ ー プ ニ ン グ 処 理 と は 対 象 領 域 を 一 層 分 細 く す る 収 縮 処 理 を n 回 行 っ た 後 、 対 象 領 域 を 一 層 分 太 く す る 膨 張 処 理 を n 回 行 う 処 理 の こ と で あ る 。本 研 究 で は n=1 と し て 実 行 し た 。図 4（ ａ ）に 二 値 化 し た 画 像 、図 4（ ｂ ） に 抽 出 さ れ た 脳 実 質 画 像 を 示 す 。 現 在 の 画 像 と 過 去 の 画 像 を 比 較 す る と 被 写 体 の 撮 影 状 況 が 異 な る た め に 、 画 像 の 位 置 に ズ レ が 生 じ る 。 そ の た め 、 ス ラ イ ス 番 号 が 同 じ だ か ら と い っ て 、 同 位 置 の 画 像 で あ る と は 限 ら な い 。 こ の こ と か ら 、 ス ラ イ ス 同 士 の 位 置 合 わ せ を 行 う 必 要 が あ る 。 本 研 究 で は 、 フ ー リ エ パ ワ ー ス ペ ク ト ル を 用 い て 、 各 ス ラ イ ス に 対 応 す る 画 像 を 決 定 す る [14]。 ま ず 、 フ ー リ エ 変 換 を 用 い て 全 画 像 か ら フ ー リ エ パ ワ ー ス ペ ク ト ル を 求 め る 。 こ の ス ラ イ ス 群 間 に お い て 相 互 相 関 を 行 い 、 相 関 係 数 が 一 番 大 き い ス ラ イ ス 同 士 を 基 準 と し て 、 ス ラ イ ス の 同 定 を 行 っ た 。フ ー リ エ 変 換 を 式 (1)に 、フ ー リ エ パ ワ ー ス ペ ク ト ル を 式 (2)に 示 す 。 た だ し 、 画 像 を f(x,y)、 フ ー リ エ 変 換 を F(u,v)、 フ ー リ エ パ ワ ー ス ペ ク ト ル を p と す る 。 ま た 、 相 関 係 数 を 式 (3)に 示 す 。た だ し 、R が 相 関 係 数 、 平 成 18 年 の 画 像 を f(x,y)、 平 成 19 年 の 画 像 を s(x,y)と す る 。 （ ａ ） 二 値 化 し た 画 像 （ ｂ ） 抽 出 脳 実 質 画 像 図 ４ 抽 出 さ れ た 脳 実 質 領 域

3.4 局 所 的 ワ ー ピ ン グ

ワ ー ピ ン グ と は 、 あ る 基 準 領 域 を 基 に し 、 画 像 を 対 象 領 域 の 形 状 へ と 変 形 さ せ る 処 理 の こ と で あ る 。 軽 度 認 知 症 患 者 の 脳 は 萎 縮 に よ っ て 、 形 状 が 変 化 し て い る 可 能 性 が 高 い た め 、 普 遍 領 域 で あ る ス キ ン ラ イ ン を 基 準 領 域 と し て 用 い た 。 こ の ス キ ン ラ イ ン と は 脳 蓋 領 域 の 外 側 に あ る 皮 膚 の 領 域 で 、 全 く 萎 縮 す る こ と の な い 領 域 で あ る 。 原 画 像 か ら 脳 実 質 領 域 を 消 去 し 、 大 津 の 判 別 二 値 化 処 理 を 行 っ た 後 、 ラ ベ リ ン グ 処 理 を 用 い て 面 積 が 最 大 と な る 領 域 を 脳 蓋 領 域 と し た 。 脳 蓋 領 域 を 抽 出 す る 際 に 、 脳 蓋 領 域 が 途 切 れ る こ と で 起 き る エ ラ ー を 回 避 す る た め 、 ク ロ ー ジ ン グ 処 理 を 用 い て 脳 蓋 領 域 の 拡 張 を お こ な っ た 。 ク ロ ー ジ ン グ 処 理 と は 膨 張 処 理 を n 回 行 っ た 後 、 収 縮 処 理 を n 回 行 う 処 理 の こ と で あ る 。 本 研 究 で は n=1 と し て 実 行 し た 。そ の 後 、境 界 線 追 跡 を 用 い て 、一 番 外 側 の ラ イ ン を ス キ ン ラ イ ン と し た 。な お 、 図 ５ に 抽 出 さ れ た 脳 蓋 領 域 を 示 す 。

∫

∫

∞ ∞ − + − ∞ ∞ −

=

f

x

y

e

dxdy

v

u

F

(

,

)

(

,

)

j2π(ux vy) _{（ １ ）}

2

)

(

2

|

)

,

(

|

F

u

v

e

j

ux

vy

p

=

−

π

+

（ ２ ）

∑ ∑

−

=

(

f

[

x

,

y

]

s

[

x

,

y

])

R

（ ３ ）

図 ５ 抽 出 さ れ た 脳 蓋 領 域 図 ６ 差 分 画 像

5. 考 察

ス キ ン ラ イ ン を 抽 出 し た あ と 、 脳 実 質 領 域 か ら 求 め ら れ た 重 心 の 座 標 を も と に 領 域 を 4 分 割 し 、 そ れ ぞ れ の 領 域 に 対 し て ワ ー ピ ン グ 処 理 を 行 っ た 。 ま た 、 ワ ー ピ ン グ 処 理 を 行 っ た 際 に 隙 間 が 出 来 た 場 合 、 周 囲 ８ 近 傍 の 濃 度 値 の 平 均 を 取 る こ と で 線 形 補 完 し た [16] [17]。 ワ ー ピ ン グ 処 理 後 の 座 標 変 化 を 式 （ ４ ） に 示 す 。 た だ し 、変 換 前 の 画 像 を（ x，y）、変 換 後 の 画 像 を（ u，v）、 縦 の 変 化 率 を ａ 、 横 の 変 化 率 を ｂ と し た 。 ま た 、 変 化 率 ａ と ｂ を 式 （ ５ ） に 示 す 。 経 時 差 分 画 像 を 作 成 し て 検 討 し た 結 果 、 認 知 症 の 前 段 階 と さ れ る 軽 度 認 知 障 害 に お い て 、 脳 萎 縮 の 状 態 が 確 認 で き た 。 し か し 、 本 手 法 に は 改 良 し な け れ ば な ら な い 点 が あ る 。MRI の み に な ら ず 画 像 診 断 機 器 に お い て 、 ア ー チ フ ァ ク ト や 被 写 体 の 状 態 が 一 定 で は な い た め 、 正 確 な 画 像 を 得 ら れ な い こ と が あ る 。 こ の と き 、 医 用 画 像 に は 不 要 な 情 報 が 混 在 し 、 ス ラ イ ス 群 間 の 同 位 置 を 推 定 で き な い 可 能 性 が あ る 。 そ の た め 、 前 処 理 の 段 階 で こ の よ う な エ ラ ー を 補 正 し 、 除 去 す る こ と が 必 要 に な る と 考 え ら れ る 。

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

=

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

y

x

b

a

v

u

　　

　　

0

0

（ ４ ） _{と MMSE な ど の 認 知 機 能 と の 関 連 性 に つ い て は ま だ}ま た 、 脳 萎 縮 の 程 度 は 確 認 で き た が 、 脳 萎 縮 の 程 度 検 討 し て い な い 。 そ の た め 、 脳 萎 縮 の 程 度 と 示 し 、 差 分 画 像 か ら 今 後 の 認 知 機 能 予 想 を 可 能 に し た い と 考 え て い る 。 こ れ に よ り 、 医 師 へ 軽 度 認 知 症 診 断 の 有 益 な 情 報 を 提 供 で き る と 考 え ら れ る 。

⎩

⎨

⎧

=

=

の分割領域の横

の分割領域の横／

の分割領域の高さ

の分割領域の高さ／

19

18

19

18

H

H

b

H

H

a

（ ５ ）

6. ま と め

本 研 究 で は 、頭 部 の MRI 冠 状 断 画 像 を 対 象 に 、不 変 領 域 で あ る ス キ ン ラ イ ン を 基 準 と し た ワ ー ピ ン グ 処 理 を 行 い 、 画 像 の 位 置 合 わ せ を 行 っ た 。 不 変 領 域 で あ る ス キ ン ラ イ ン を 基 準 と し た 位 置 合 わ せ を 行 う こ と で 、 高 い 信 頼 性 で 脳 の 萎 縮 を 確 認 す る こ と が で き る 。 今 回 は ノ イ ズ や 軸 ず れ の 少 な い 対 象 画 像 で あ っ た が 、今 後 、 症 例 数 を 増 や し 、 ノ イ ズ や 軸 ず れ の 対 策 方 法 を 考 え る 必 要 が あ る 。

4. 結 果

目 視 に よ る 検 討 を 行 っ た 結 果 、 ス ラ イ ス の 同 定 と 脳 実 質 の 抽 出 で は 全 対 象 で 成 功 し た 。 ま た 、 ワ ー ピ ン グ 処 理 に お い て は 、 平 成 18 年 度 の 画 像 か ら 平 成 19 年 度 の 画 像 の 濃 度 値 を 差 分 し た と こ ろ 、 脳 実 質 領 域 が 萎 縮 し て い る こ と を 全 て の 差 分 画 像 で 確 認 し た 。 図 ６ に 差 分 画 像 例 を 示 す 。

謝 辞

本 研 究 の 一 部 は 財 団 法 人 中 部 電 力 基 礎 技 術 研 究 所 研

究 助 成 金 に よ り 行 わ れ ま し た 。

文 献

[1] 日 本 老 年 精 神 医 学 会：ア ル ツ ハ イ マ ー 型 痴 呆 の 診 断 ・ 治 療 マ ニ ュ ア ル ,

pp48-60, 日 本 老 年 精 神 医

学 会 出 版 .

2001 [2] 長 谷 川 和：認 知 症 の 知 り た い こ と ガ イ ド ブ ッ ク ― 最 新 医 療 &や さ し い 介 護 の コ ツ .

pp23-30,

中 央 法 規 出 版 ,2006 [3] 川 瀬 康 裕 , 児 玉 直 樹 : 実 践 脳 リ ハ ビ リ － 早 期 認 知 症 の 診 断 と 介 入 － .pp15-26, 真 興 交 易 医 書 出 版 部 , 東 京 2007

[4] Folstein MF, Folstein SE, McHugh PR : “Mini-mental state”; A practical method for grading the cognitive state of patients for the clinician, J Psychiatr. Res., Vol.12, No.3, pp.189-198, 1975 [5] 金 子 満 雄：地 域 に お け る 痴 呆 検 診 と 対 策 .真 興 交 易

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et al: Visual rating and volumetry of the medical temporal lobe on magnetic resonance imaging in dementia: a comprarive study. Neurol Neurosurg Psychiatry, 69, 630-635, 2000

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[9] American Psychiatric Association ： Diagnostic and Statistical Mental Disorders,4th ed American Psychiatric Association, Washington, D.C. 1994 [10] Mckhann G, Drachman D, Folstein M, Katzman R, et

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[11] 児 玉 直 樹 , 金 子 智 之 :頭 部 MRI に お け る 脳 梁 自 動 抽 出 法 の 開 発 と 特 徴 解 析 に よ る 早 期 の 変 性 性 痴 呆 疾 患 診 断 の 検 討 . 日 本 放 射 線 技 術 学 会 雜 誌 , vol.61, pp1133-1139,2005 [12] 服 部 真 澄 , 小 山 修 司 , 小 寺 吉 衞 : 動 的 輪 郭 モ デ ル を 用 い た 側 脳 室 下 角 領 域 抽 出 法 の 改 良 . 日 本 放 射 線 技 術 学 会 雑 誌 ,Vol. 63, pp862-870, 2007 [13] 画 像 処 理 標 準 テ キ ス ト ブ ッ ク 編 集 委 員 会 :Image Processing,pp165,画 像 情 報 教 育 振 興 協 会 . 1998 [14] 成 田 常 晃 , 奥 村 浩 , 吉 川 敏 則 , 張 煕 : 空 間 パ ワ ー ス ペ ク ト ル と 回 転 不 変 モ ー メ ン ト を 用 い た テ ク ス チ ャ 分 類 .電 子 情 報 通 信 学 会 Vol.1998. p157 [15] 大 津 展 之 ： 濃 度 分 布 か ら の 閾 値 決 定 法 . 電 子 通 信 学 会 , 145 (1977-08). [16] 志 村 厚 , 田 口 亮 :座 標 点 の warping と 信 号 振 幅 値 の Biasing を 伴 う 補 完 に よ る デ ジ タ ル 画 像 の 解 像 度 向 上 . 電 子 情 報 通 信 学 会 論 文 誌 A,vol.J87-A pp274-284,2004

[17] Daniel B.Russakoff, Torsten Rohlfing, Calvin R.Maurer,Jr.:Fast Intensity-based 2D-3D Image Registraction of Clinical Data Using Light Fields.Proceedings of the Ninth IEEE International Coference on Computer Vision, 2003