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手関節 におけ る三次元動態撮像法 および解析 法の開発

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Academic year: 2022

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(1)[ 論. 文]. 手関節 におけ る三次元動態撮像法 および解析 法の開発 林 則 夫 , 真 田 茂 , 鈴 木 正 行 , 藤 原 康 博 , 日 高 国 幸 , 松 井 武 司 金沢大学大学院医学系研究科・〒920‑0942 石川県金沢市小立野5丁目11番80号 金沢大学医学部保健学科・〒920‑0942 石川県金沢市小立野5丁目11番80号 福井医科大学附属病院放射線部・〒910‑1193. 福井県吉田郡松周町下合月23‑3. 大阪大学附属病院放射線部・〒565‑0871. 金沢大学付属病院放射線部・〒920‑8641 (2002年10月5日,最. Digital Dynamic Norio HAYASHI,. Graduate. School. School. of Medical. of Health. Fukui Medical. Radiography. Shigeru SANADA, Masayuki SUZUKI, Kuniyuki HIDAKA and Takeshi MATSUI Science. Kanazawa. University,. Kanazawa. University,. University. Hospital,. Shimoaiduki. Kanazawa. 終2002年11月18日). with 3-D and Kinetic Analysis. Sciences. Osaka. 大阪府吹田市山田丘2‑15. 石川県金沢市宝町13番1号. University. University. Hospital, Hospital,. Kodatsuno. Kodatsuno. Takara-machi. FUJIWARA. 5-80, Kanazawa-shi,. 5-80, Kanazawa-shi,. 23-3, Matsuoka-tyou,. Yamadaoka. Yasuhiro. for the Wrist. 2-15, Suita-shi,. Ishikawa. Ishikawa. Yoshida-gun,. Fukui. Osaka 565-0871,. 13-1, Kanazawa-shi,. Ishikawa. 920-0942,. 920-0942, 910-1193,. Japan. Japan Jpan. Japan. 920-8641,. Japan. (Received October 5, 2002, in final form November 18, 2002) Abstract:. Sequential wrist images were taken at 5-degree rotational interval from a pronate to supinate position. (180 degrees). A tentative rotational center was obtained automatically by image analysis. We analyzed the sinogram obtained from the profile data of each image and calculated the true rotational center. Axial images were reconstructed using filtered back projection. These reconstructed images were more accurate than images that were reconstructed without analyzing the sinogram. The sinogram was derived of ulnar and radius profile data. This sinogram was used to reconstruct more accurate images. These images are easily converted into 3D or multi planar reconstruction. These results indicate that rotational imaging provides additional diagnostic information like 3D structure and kinetic data. Key words: dynamic FPD, wrist, sinogram, Computer analysis. い 手 関 節 を動 態 診 断 の 対 象 と した [3]。手関 節 で は, 嘘.は. じめ に. 従 来 は主 と して,正 面,側. 現 在,臨 床 の現 場 で,従 来 の ス ク り一 ン/フ ィル ム系 の エ ック ス線 撮 影 か ら,CRや. フ ラ ッ トパ ネ ル. 面 な どの静 止 画 を対 象 に. 検 査 が 行 われ て い る.と こ ろが,手. 関節 を 回転 させ. なが ら撮 影 を行 うこ とで,他 方 向 か らの手 関節 の 観. デ ィテ ク タを用 い た デ ィジ タ ルエ ック ス線 撮 影 に移. 察 が 可 能 とな る.さ. 行 しつ つ あ る.デ. か ら逆 投 影 法 で,断 層 像 を 再構 成す る こ と もで きる.. ィジ タ ル撮 像 機 器 の 普 及で,簡 車. らに,回 転 させ て得 た 画転 画 像. に画 像 処 理 や 画 像 解 析 を行 う こ とが 可 能 と な っ た。. しか し再 構 成 の 際 の 回転 中心 は実 際 の 回 転 中心 とは. さ らに動 画 対 応 フ ラ ッ トパ ネ ル デ ィテ クタ を用 い る. 異 な っ て い る ため に,圃 転 中心 の不 一致 に伴 うア ー. と,従 来 の静 態 診 断 か ら動 態 診 断 の 可 能 姓 が で て き. チ フ ァ ク トが 見 られ る.こ の 回転 中心 の 不一 致 に伴. た [1‑21、今 回 は 整 形 外 科 の 領 域 で 検 査 の 頻 痩 が 高. うア ー チ フ ァ ク トをサ イ ノ グラ ム 上 で補 正 して,断. 一20一. 医 用 画像 情 報 学 会雑 誌.

(2) 層 像 を 適 切 に 再 構 成 す る 方 法 を 検 討 し た.そ. して 得. た 断 層 像 か らMPR(MulliPlanarReconst田cIion)画 や ぷD再. 2.方 2.1対. 像. 構 成 を 行 っ た[牛5].. 法. 象 お よ び使 用 機 器. 健 常 ボ ラ ン テ ィ ア1名(男. 性,49才)の. 対 象 と し て,FCR‑7000(FujiFilm)を. 手関 節 を. 用 い て 撮 影 し た.. 撮 影 し た 画 像 は パ ー ソ ナ ル コ ン ピ ュ ー タNe1Vi瓢 (BM)に. 転 送 し て 解 析 を 行 っ た.解. 発 に はC++Builder5(Borland)を. 2.2撮. 影方法. 本 研 究 は,動. 画 対 応 フ ラ ッ トパ ネ ル デ ィ テ ク タ を. 用 い た 検 査 を 想 定 して い る が,装 い.そ. 析 プ ログラム開. 使 用 し た.. の た め に,今. 節 を 回 内90度. 置 を現 有 して い な. 回 はFCR‑7000を. か ら 回 外90度. 用 い て,手. ま で の5度. 間 隔 で,時. 系 列 に 手 を 回 転 さ せ な が ら 撮 影 し た.撮 電 圧45kV,管. 電 流3.6mAsで. あ り,椴. 影条 件 は管 影 した 画像. サ イ ズ は マ ト リ ッ ク ス サ イ ズ2510×2000,ピ ル サ イ ズ0.1㎜,階 転回転画像の. 2.3断. 調 数10bilで. 一部 をFig.1に. 関. あ る.手. クセ 関節 の回. 示 す.. 層像 再構 成 法. 2.3.1再. 構成 法. 回 転 画 像 で 作 成 した 投 影 デ ー タか ら,フ 正 逆 投 影 法 を 用 い て 断 層 像 を 再 構 成 した.こ い る フ ィル タ 関 数 は,通 るShcpp&Loganを. 2.3.2基. ィル タ補 こで 嗣. 常 の 再 構 成 に用 い られ て い. 用 い た.. 準 回転 中心 の決 定 お よ び投 影 デ ー タ の 作成. 回 転 画 像 か ら投 影 デ ー タ を 作 成 す る た め に は,そ の す べ て の 画 像 中 に お い て,基 定 め る 必 要 が あ る.そ 置 で,両 た.Fig.2に. 準 とな る 回 転 中心 を. の た め に,月. 状 骨 近 位 端 の位. 端 の 皮 膚 面 の 中点 を仮 の 基準 回転 中心 と し 手 関 節 画 像 中 の 基 準 回 転 中 心 を 示 す.. こ の よ う に して 定 め た 基 準 回 転 中 心 か ら,そ. れぞれ Fig・1X‑raysequentlalimagesfrompronationto. の 回 転 画 像 の 投 影 デ ー タ を 作 成 し た.. VoL20No.1(2003)‑21一. supinationofwrist..

(3) Fig. 2 A wrist image pointed Basic Rotation Center for reconstruction. The horizontal line though a juxtaposition of lunate bone. In the line, skin edges are found. The midpoint of these edges is defined as Basic Rotation Center. 2.4回. 転中心補正法. 2.3で 設 定 し た 基 準 回 転 中 心 と 実 際 の 回 転 中 心 と は 異 な っ て い る.こ に,投. の ズ レ を 評 価 し,補. Fig. 3 Theory of the sinogram. (a) A point object. (b) The sinogram acquired from the object. て い な け れ ば,重. 心 は サ イ ン カ ー ブ を描 か な い.. 正す るため. 影 デ ー タ を 用 い て サ イ ノ グ ラ ム を 作 成 し た.. 2.4.2回. 転 中心 の捕 正 法. サ イ ノ グ ラ ム 上 で サ イ ン カ ー ブ を 描 か な い 場 合, 2.4.1回. サ イ ノ グ ラ ム を シ フ トさ せ る こ と で,多. 転 中 心 の ズ レの 評 価. 得 た 投 影 デ ー タが,実. 際 の 回転 中心 と一致 して い. 報 の ズ レ は 発 生 し て も,回. 少の位置情. 転 中 心 の 移 動 に伴 う ア ー. る か否 か を 簡便 に評 価 す る ため にサ イ ノ グラ ム を用. チ フ ァ ク ト を 大 幅 に 減 少 さ せ る こ と が で き る.正. い た.あ. く再 構 成 を 行 い た い 物 体 の サ イ ノ グ ラ ム 上 で の 成 分. 度0の. る 断 面 に お い て,回. 転 中 心 か ら距 離d,角. 位 置 に 物 体 が あ る と す る.こ. 中 心 の 関 係 をFig.3(a)に. 示 す.こ. の物 体 と回転 の 物 体 は,サ. ノ グ ラ ム 上 で は サ イ ン カ ー ブ を 描 く[6].こ. サ イ ノ グ ラ ム の 縦 軸 を ψ 軸(手 の 回 転 角 度)と 横 軸 をr軸{中. 心 か ら の 距 離}と す る と,サ. イ. の とき し て,. す な わ ち,断. 一の. を 描 く.今. し回転. イ ノ グラ ム はサ イ ンカ ー ブ. 回 は 対 象 とす る 擁 骨,尺. は ほ ぼ 一 致 し て い る と し た.仮. 一22一. の 成 分 の 中 心 を 求 め る.得. た 中心 か. 法 を 用 い て サ イ ン カ ー ブ に 近 似 さ せ る.. そ の 近 似 式 と 中 心 の デ ー タ か ら,中. 心 が 近 似 式 に合. う よ う に サ イ ノ グ ラ ム を適 切 に シ フ トさ せ た 、. 2,5シ. ミュ レー シ ョ ン. 正 し く 再 構 成 す る た め の 正 しい 回 転 中 心 が,あ. 面 上 の あ る 物 体 の 重 心 は,も. 中 心 が 一 定 で あ れ ば,サ. ら 最 小2乗. イ ノグ ラ. ム 上 で の 物 体 の 成 分 は 次 式 で 示 す こ とが で き る. ノ=4xsin(ψ. に 着 目 し て,そ. し. 骨 の重 心 と中心. に 回転 中心 が 一致 し. る. べ き場 所 に な い と き に再 構 成 画 像 上 で どの よ う な ア ー チ フ ァ ク トが 発 生 す る の か,そ べ る 補 正 法 に よ っ て,回 ト させ,正. して 本 研 究 で 述. 転 中 心 をIEし い 場 所 に シ フ. し く再 構 成 を行 え る か を評 価 す るた め に. 医 用 画 像情 報 学 会 雑 誌.

(4) シ ミュ レ ー シ ョ ン を 行 っ た.. 2.5、1サ. イ ノ グ ラム の 作 成. 擁 骨,尺. 骨 を 想 定 し て,Fig.4(a)に. シ ミ ュ レー シ ョ ン 原 画 像 を 作 成 し た.こ 対 象 と し て,{〕 度 か ら18{〕 度 ま で5度. Fig. 4 (a) (b) (c) (d) Vol.20. 示 す よ うな の原画像 を 間 隔 で投 影. Simulation of rotation shift. A simulation image. Corrected centered sinogram. Uncorrected centerd sinogram. Corrected sinogram. No.1 (2003). Fig. 5 Sinogram acquired from x-ray sequential images of wrist. (a) Uncorrected sinogram. (b) Corrected sinogram. — 23 —.

(5) デ ー タ を 作 成 し,そ を 作 成 し た.回 Fig.4(b)に 際 に,回. の投 影 デ ー タか らサ イ ノ グ ラム. 転 中心 の 移 動 の な いサ イ ノ グ ラム を. 示 す.つ. ぎ に,投. 影 デ ー タ を作 成 す る. 転 中 心 を 故 意 に 移 動 させ た 場 合 の サ イ ノ グ. ラ ム の1例. をFig.4(C)に. せ る 際 に,そ. 示 す.回. の サ イ ノ グ ラ ム に お い て,左. ら れ る 成 分 は 尺 骨 の 成 分 で あ り,右 け て 見 ら れ る 成 分 は,僥 滑 ら か で な く,中. の 移 動 量 は 投 影 角 度 ご と に 異 な る.. 2.6.2回. 転中心移動の捕正. Flg.4(c)の. ちらも. 心 が サ イ ン カ ー プ を 描 い て い な い.. 転 中心 の捕 正 お よび 再構 成 回 の 補 正 法 を用 い て 回 転 中心 の 移 動 の. 補 正 を 行 っ た.Fig6〈a)中. 2.5.1で 回 転 中 心 を 移 動 し て 作 成 した サ イ ノ グ ラ ム を 対 象 に して,今. 上 か ら 左 ドに か. 骨 の 成 分 で あ る.ど. 転 中心 を 移 動 さ. そ こ で,今 2.5.2回. 上 か ら 右 ドへ か け て 見. 回 の 回 転 中 心 補 正 法 を 試 し た.. サ イ ノ グ ラ ム に 対 して,回. 転 中心 の 移 動. を 補 正 し た サ イ ノ グ ラ ム をFig.4(d)に. 示 す.そ. れ. て,回. の 梶骨 の 成分 に着 目 し. 転 中 心 の 補 正 を 行 っ た サ イ ノ グ ラ ム をFig.6. (b)に 示 す.そ. れ ぞ れ の サ イ ノ グ ラ ム か ら投 影 デ ー. タ を 作 成 し,2.3.2で 行 っ た.奉. 示 した 方 法 を用 い て 再 構 成 を. 研 究 で は,コ. ー ン 角 が 小 さ く,被. 写 体一. ぞ れ の サ イ ノ グ ラ ム か ら 投 影 デ ー タ を 作 成 して,. フ ィ ル ム 間 距 離 が 非 常 に 短 い た め2次. 元再構成法 を. 2.3.2で 示 した 再 構 成 法 を 用 い て 再 構 成 を 行 っ た,. 用 い た.得. 用 い て,MPR. ら れ た 再 構 成 面 像(AxlaDを. 画 像(Coronal像,SagiIIal像)や3・D再 2.6実 2.6.1サ. 際 の 手 関 節 を対 象 と した 捕 正 お よ び 再 構 成. 3‑D再. 構 成 を 行 っ た.. 構 成 は サ ー フ ェ ス レ ン ダ リ ン グ 法 を 用 い た.. イ ノ グ ラ ムの 取 得. 手 関 節 回 転 画 像 に お い て,設. 定 した 基 準 回 転 中 心. を も と に 投 影 デ ー タ を 作 成 して,サ 成 し た.Fig.6(a)に. 3.結. イ ノ グ ラム を作. 撹 骨 遠 位 端 か ら4㎝ 近 位 側 の 断. 面 を 冠 象 と し て 作 成 さ れ た サ イ ノ グ ラ ム を 示 す.こ. 3.1シ. 果. ミュ レー シ ョ ン画像 の 補 正. シ ミ ュ レー シ ョ ン で 作 成 し た サ イ ノ グ ラ ム か ら 断 層 像 を 再 構1成 した 画 像 をFig.5に. 示 す.Fig.5(a)は,. 回 転 中 心 の 移 動 の な い サ イ ノ グ ラ ム(Fig.4(b))か ら 再 構 成 した 画 像 で あ る.回 め,シ. 転 中心 の 移 動 が な い た. ミ ュ レー シ ョ ン 原 画 像 と ほ ほ 同 様 の 再 構 成 画. 像 と な っ て い る.Fig.5(b)は,回. 転 中心 を移 動 さ. せ た サ イ ノ グ ラ ム(Fig.4(c))か. ら 再 構 成 した 画 像 で. あ る.中. 心 が サ イン カー プ を描 い て い な いサ イ ノ グ. ラ ム か ら 再 構 成 した 場 合 に は,こ. の よ うな回 転 中心. の 不 一 致 の た め ア ー チ フ ァ ク トが 見 ら れ る.Fig.5 (c)は,回. 転 中心 の 移動 の 補 正 を 行 っ た サ イ ノ グ ラ. ム(Fig.4(d))か. ら 再 構 成 し た 画 像 で あ る.こ. の 画. 像 で は リ ン グ状 の パ タ ー ン が 正 し く再 構 成 され て い る.. 3.2手. 関 節 を対 象 と した画 像 の 補 正. 手 関 節 回 転 画 像 か ら 作 成 した サ イ ノ グ ラ ム を 用 い. Fig. 6 Reconstruction images from simulation sinograms. (a) Reconstruction image from no shifted sinogram. (b) Reconstruction image from shifted sinogram. (c) Reconstructin image from corrected sinogram. 一24一. て,再. 構 成 した 画 像 をFig.7に. 示 す.Fig.7(a)は. 回. 転 中 心 の 移 動 を 補 正 し て い な い サ イ ノ グ ラ ムFig.6 (a)を 用 い て,再. 構 成 し た 結 果 で あ る.僥. 骨,尺. 骨. 医 用 画 像 情 報 学 会雑 誌.

(6) Fig. 7 Radius reconstruction images from sinogram acquired from x-ray sequential images of wrist. (a) Reconstruction image from no shift sinogram. (b) Reconstruction image from shifted sinogram. の い ず れ も,回. 転 中心 の 不 一 致 が 原 因 の ア ー チ フ ァ. ク トが 見 ら れ る.こ. の 再 構 成 画 像 か ら 椀 骨,尺. 骨の. 形 態 を 観 察 す る こ と は ほ と ん ど 不 可 能 で あ る.Fig, 7(b)は,僥 6(b))か. 骨 を 基 準 に 補 正 し た サ イ ノ グ ラ ム(Fig. ら 再 構 成 し た 画 像 で あ る.基. に 関 し て は,大. 準 と した 椀 骨. まか で は あ る が形 態 を観 察 す る こ と. が で き る.ま た 尺 骨 を 基 準 に し た 場 合 も 同 様 に,ア ー チ フ ァ ク トを 低 減 し た 再 構 成 画 像 を 得 た.ま の 断 層 像 を 用 い たMPR画 をFig.8に. 像 お よ び3‑D再. 示 す.Rg.8(a)は,Corona1像. した 画 像 で あ る.コ. た,そ. 構 成画像 を 再構 成. ン トラ ス トは 低 い が 擁 骨,尺. 骨. Fig. 8. MPR and 3D images.. (a) A corona! MPR image. (b) A sagittal MPR imgae. (c) 3D image by surface rendering.. が 分 離 し て 描1画 さ れ て い る.Fig.8(b)は,SagiUal. Vol.20. No.1 (2003). — 25 --.

(7) 像 を 再構 成 した結 果 で あ る 。手 根 骨 の識 別 は 困難 だ. 5.ま. が 手 根 骨 と前 腕 骨 との関 節 の認 識 は可 能 で あ る.Fl9. 8(c>は 断 層 像(AxiaDか 法 を 用 い て3‑D再. らサ ー フ ェ ス レ ン ダ リ ン グ. 構 成 を行 っ た画 像 で あ る.. 整 形外 科 の 領 域 で,手 関 節 は頻 度 の 高 い 重 要 な検 査 部 位 で あ る 。 手 関 節 回 転 画 像 だ けで な く,今 回得 た 断 層 像 やMPR画. 4。 考. とめ. 像 な どは,ス. ク リー ニ ン グの 段. 階 で,か な り診 断価 値 の 高 い 付 加 的 情 報 と して 提 示. 察. す る こ とが 可 能 に な る と期 待 され る.. Fig.5の シ ミュ レー シ ョ ンの 結 果 で も明 らか な よ うに,回 転 中心 の 移 動 は,再 構 成 に非 常 に大 き く影 参考文献. 響 す る.回 転 中 心 の 移 動 が わ ず か で あ っ て も,そ れ に伴 う アー チ フ ァ ク トは大 きい 。 回転 中心 の 移 動 は,. [1]. サ イノ グ ラ ム上 で も顕 著 に現 れ る。 本 法 の よ うに,. 発,. [21真. フ ァ ク トを大 幅 に減 少 させ る こ とが で き た。 手 関 節 回 転 画 像 にお い て 実 際 の 回 転 中心 をあ らか じめ 求 め て お くこ とは 非 常 に困 難 で あ る.た だ し,本 補 正 法 を用 い る と比 較 的 簡 便 に正 しい 断 層 像 を再 構 成 で き る.Fig.7の. 手 関節 回 転 画 像 か らの 再 構 成 画 像 にお. い て も,本 補 正 法 で 再 構 成画 像 が 大 幅 に改 善 され て い る.し か し,手 関 節 回 転撮 像 は,断 層 像 を得 る こ との み を 日的 と して い る わ け で は ない 。 回 転 画 像 で 動 態 解 析 や ス トレ ス運動 解析 を行 い,さ. ら に付 加 的. な診 断 情 報 と して 断 層 像 な ど を得 よ う とす る もの で あ る.手 CTの. を回 転 させ て撮 像 す る とい う簡 便 な方 法 で,. 分 解 能 ま で は 期 待 で きな い も の の,臨 床 的 に. 有 用 な 断 層 像 が 得 られ る 可 能 性 を示 した 。 また, MPR画. 像 や3‑D再. 構 成 画 像 も 含 め て,今 後 臨 床 的. な有 用性 につ い て 検 討 す る 予 定 で あ る 。. M, Vieus G, Peppier. 一般撮影. T, et al.. と透 視 撮 影 の組 み 合 わ せ に お け るFPDの. サ イ ノグ ラ ム上 で 中 心 が サ イ ン カ ー ブ を描 くよ う に 補 正 す る こ とで,回 転 中 心 の 不 一 致 が 原 因 の ア ー チ. Michel. INNERVISION, 田. に,. 茂:FPDの. 開. 16(4), 52-60, 2001. 技 術 と開 発の 方 向 を 中心. INNERVISION,. 16(4), 2-5, 2001.. [3] CharlesA, Goldfarb,YumingY, LouisA, et al. : Wrist Fractures: What the Clinician Wants to Know,Radiology,219, 11-28,2001. [4] Patterson RM, Viegas SF, Elder K and Buford WL : Quantificationof anatomic,geometric,and load transfer characteristicsof the wrist joint, Semi Arthroplasty,6(1), 13-19,1995. [5] Feipel V and Rooze M: Three-Dimensional motion patternsof the carpal bones : an in vivo study using three-dimensional computed tomographyand clinicalapplications. [6コ. 大 沼 巧,橋. 本 雄 幸,井. 上 多 門:サ. イ ノ グ ラム. 上 の 図 形 特 徴 と再 構 成 の た め の 事 前 情 報,電 子 情 報 通 信 学 会 技 術 研 究 報 告,100(464),21‑26, 2000。. 一26一. 医 用 画像 情 報 学 会 雑 誌.

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