JP2006167287A - 血管狭窄率解析システム - Google Patents

Abstract

【課題】 血管全体に対する狭窄の位置、血管周方向に対する狭窄の位置、狭窄の範囲、狭窄の度合い等を直感的に把握可能な形態にて提示すること。
【解決手段】 医用画像機器によって収集された画像データに基づいて、血管形状を抽出し、これに基づいて、血管芯線と、当該血管芯線に直交する血管直交断面上の複数の血管輪郭点とを含む血管情報を生成する。得られた血管情報に基づき、血管形状のねじれを補正し、狭窄範囲を設定する。また、補正後の血管情報に基づいて仮正常血管形状を推定し、仮正常血管と血管形状とを用いて、狭窄範囲における局所的な狭窄率を算出する。算出された狭窄率を用いてカラー表示する血管画像を生成し、所定の形態にて表示する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、Ｘ線ＣＴ装置、磁気共鳴イメージング装置、超音波診断装置などで撮影された血管の３次元画像データを用いて、血管が狭窄している範囲やその程度を診断に有用な指標として、３次元画像としてカラー表示可能な血管狭窄率解析システムに関する。

近年、Ｘ線ＣＴ装置、磁気共鳴イメージング装置、超音波診断装置等で撮影した３次元画像データから血管を抽出し、血管内部の形態的な情報を用いて狭窄率を自動で算出し、２次元及び３次元画像上に表示する方法が開発されている。

狭窄率とは、狭窄した血管の形状と正常な状態の血管形状を用いて算出したものである。また、正常な状態の血管形状とは、狭窄した血管から狭窄部分を除いた正常な部位の血管形状を用いて、狭窄する前の正常な状態の血管(以下、仮正常血管)を推定したものである。

従来の手法においては、狭窄率は、その仮正常血管の血管径と狭窄した血管の血管径とを用いて、血管走行に垂直な断面(以下、血管直交断面)ごとに算出される。すなわち、従来の手法によれば、血管には血管軸方向に対する径の算出位置、方向、算出結果を一意に決定できるものとして投影径(最小値)を用いて、下記の式（１）又は（２）により狭窄率を算出する。

狭窄率＝(正常部位の血管径−狭窄部位の血管径)／正常部位の血管径 （１）
狭窄率＝(正常部位の断面積−狭窄部位の断面積)／正常部位の断面積 （２）
このように算出した狭窄率は、２次元画像上では、図１６に示すように、狭窄率の算出に使用した血管直交断面上の血管と仮正常血管の断面形状を表示し、狭窄率を算出した方向を直線で、狭窄率を数値で表示する。一方、３次元画像上では、図１７に示すように、狭窄率を算出した血管直交断面の位置を３次元の血管形状にマーキングして表示し、且つ狭窄率の値によってカラーを決め、直交断面ごとにカラー表示することで、狭窄率を視覚的に示すようにしている。

しかしながら、従来の血管狭窄率解析システムにおける血管狭窄の観察には、例えば次の様な問題が存在する。

第１に、狭窄率は、血管直交断面上の狭窄した血管径と推定した正常血管径の投影最小径を用いて算出される。そのため、一つの血管直交断面に対して一つの狭窄率しか算出できず、血管直交断面上の血管輪郭方向の狭窄率（又は、血管周方向を含んだ血管の局所的な狭窄率）を取得できない。

第２に、２次元画像上に狭窄率を表示した場合、血管直交断面上においては狭窄を算出した方向や形状を知ることができるが、血管軸方向に対する狭窄の位置や範囲を把握することができない。一方、３次元画像上に狭窄率をカラー表示した場合、血管直交断面に対して一つの狭窄率しか算出できないため直交断面単位でしか表示できず、狭窄率の変化をカラーで表示した場合も、周方向を含めた血管の全方向に対する狭窄の位置、範囲、狭窄の程度を直感的かつ局所的に把握することはできない。

なお、本願に関連する公知文献としては、例えば次のようなものがある。
特開平１１−１６４８３３号公報

本発明は、上記事情を鑑みてなされたもので、血管の凹凸に対する局所的な狭窄を算出し、これを所定の形態にて表示することで、血管全体に対する狭窄の位置、血管周方向に対する狭窄の位置、狭窄の範囲、狭窄の度合い（程度）等を直感的に把握可能な形態にて提示することができる血管狭窄率解析システムを提供することを目的としている。

本発明は、上記目的を達成するため、次のような手段を講じている。

本発明の第１の視点は、医用画像機器によって収集された画像データを記憶する記憶手段と、前記画像データに基づいて、血管形状を抽出する抽出手段と、前記血管形状に基づいて、血管芯線と、当該血管芯線に直交する血管直交断面上の複数の血管輪郭点とを含む血管情報を生成する血管情報生成手段と、前記血管情報に基づいて、前記血管形状のねじれを補正する補正手段と、補正された前記血管情報に基づいて、狭窄範囲を設定する設定手段と、補正された前記血管情報に基づいて、狭窄した血管から狭窄部位を除いた正常な部位の血管形状を示す仮正常血管形状を推定する推定手段と、前記仮正常血管と前記血管形状とを用いて、前記狭窄範囲における局所的な狭窄率を算出する算出手段と、前記狭窄範囲における前記狭窄率をカラー表示する血管画像を生成する画像生成手段と、前記血管画像を所定の形態にて表示する表示手段と、を具備することを特徴とする血管狭窄率解析システムである。

以上本発明によれば、血管の凹凸に対する局所的な狭窄を算出し、これを所定の形態にて表示することで、血管全体に対する狭窄の位置、血管周方向に対する狭窄の位置、狭窄の範囲、狭窄の度合い等を直感的に把握可能な形態にて提示することができる血管狭窄率解析システムを実現することができる。

以下、本発明の実施形態に係る血管狭窄率解析システムを図面に従って説明する。なお、以下の説明において、略同一の機能及び構成を有する構成要素については、同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。

また、本血管狭窄率解析システムは、単独装置として設定されるほか、画像参照装置（ビューア）、医療用ワークステーション、Ｘ線ＣＴ装置、磁気共鳴イメージング装置、超音波診断装置等の各種医療用画像機器に内蔵することも可能である。本実施形態では、説明を具体的にするため、医療用ワークステーションに内蔵される場合を例とする。

図１は、本実施形態に係る血管狭窄率解析システム１のブロック構成図を示している。同図に示すように、本血管狭窄率解析システム１は、記憶部１１、制御部１２、画像処理部１３、送受信部１４、表示部１５、操作部１６を具備している。

記憶部１１は、Ｘ線ＣＴ装置、磁気共鳴イメージング装置、超音波診断装置等で撮影した３次元画像データを記憶する。また、記憶部１１は、後述する狭窄率の算出、及び狭窄率の３次元カラー表示等を含む狭窄率解析処理を実行するための専用プログラムを記憶する。

制御部１２は、記憶部１１に記憶されたプログラムを読み出してメモリ上に展開し、これらに従って、各ユニットやシステム全体を静的又は動的に制御する。

画像処理部１３は、制御部１２による制御のもと、後述する狭窄率解析に関する各処理を実行する。

送受信部１４は、Ｘ線ＣＴ装置等の他の機器との間で、ネットワークを介して各種画像データを送受信する。

表示部１５は、画像処理部１３から受け取る画像データをビデオ信号に変換し、当該ビデオ信号に基づいて、生体内の形態学的情報や、血流情報を画像として表示する。特に、表示部１５は、局所的な狭窄率が３次元カラー表示された画像を、後述する内容に従って表示する。

操作部１６は、キーボード、トラックボール、マウス、後述する狭窄率解析処理を実行するための専用のインターフェース等の入力デバイスを備える。

（狭窄率解析処理）
次に、本血管狭窄率解析システム１によって実現される、狭窄率の算出、算出された狭窄率の３次元カラー表示を含む狭窄率解析処理について説明する。本狭窄率解析処理は、３次元画像データから抽出した３次元抽出血管と抽出血管から推定した３次元仮正常血管を用いて、抽出血管と仮正常血管の対応する位置(点)の変位量をもとに、血管周方向を含んだ血管の凹凸に対する局所的な狭窄率を算出するものである。また、算出された狭窄率に基づく狭窄の程度に応じて血管の凹凸に対するカラーを決定(マッピング)し、局所的な狭窄の程度を３次元血管形状にカラー表示するものである。

この狭窄率解析処理により、血管軸方向に対する狭窄の位置等の情報のみならず、血管全体に対する狭窄の位置、血管周方向に対する狭窄の位置(方向)、狭窄の範囲、狭窄の度合い等の狭窄に関する新たな臨床情報を取得することができる。また、局所的な狭窄率のカラー表示により、狭窄に関する新たな臨床情報を、直感的な把握を促す形態にて提示することが可能となる。

図２は、本血管狭窄率解析システム１によって実行される狭窄率解析処理の流れを示したフローチャートである。同図に示すように、本解析処理は、大きく血管抽出処理Ａ、狭窄率算出・表示処理Ｂに分けることができる。

（血管抽出処理）
図２に示すように、まず、制御部１２の制御のもと、画像処理部１３は、記憶部１１から対象となる血管を撮影した画像データを読み込む（ステップＳ１）。画像データは、ここではヘリカルＣＴを用いて対軸方向のある距離にわたって撮影した３次元画像とするが、解析対象となる血管を含んだ３次元画像データであれば、磁気共鳴イメージング装置その他の医用画像機器で撮影された画像データなど他の種類の画像でも、以降の処理は同一である。

次に、読み込んだ画像データに基づいて、３次元血管形状の抽出処理として３次元画像データから３次元血管データ(血管芯線と血管サーフェイス)を抽出する（ステップＳ２）。その方法として、Onno Wink， Wiro J．Niessen， “Fast Delineation and Visualization of Vessel in 3-D Angiographic Images”， IEEE Trans．Med．Imag．，Vol．19， No．4， 2000には指定した点から血管内を自動的にトラッキングし血管の中心線とサーフェイスを抽出する方法が記載されている(ベッセルトラッキング法)。また、G． D． Rubin， D． S． Paik， P． C． Johnston， S． Napel， “Measurement of the Aorta and Its Branches with Helical CT，” Radiology， Vol．206， No．3， pp．823-9， Mar．， 1998．には、管腔臓器の抽出領域を細線化する方法が記載されている。本実施形態では、前者のベッセルトラッキング法を用いた既存の抽出方法を使用するものとする。より具体的には、次のような処理を実行する。

まず、表示部１５に表示された血管内に、操作部１６のマウス等により指定点P_S(始点)、P_E(終点)、P_B(通過点)を指定すると、画像処理部１３は、ベッセルトラッキング法を用いて指定点を基にP_S−P_E間の血管内を自動的にトラッキングし、芯線を抽出した後、血管サーフェイスとして芯線に直交する断面上の血管輪郭点を抽出する。

図３は、ベッセルトラッキング法によって抽出された芯線及び血管輪郭点を模式的に示した図である。同図に示すように、抽出した３次元血管データは、血管芯線と当該芯線に直交する断面上の血管輪郭点で表現される。

血管が走行する方向を軸方向、直交断面上の血管輪郭点に沿った方向を周方向とした場合、血管芯線は軸方向に滑らかな曲線であり血管輪郭点は周方向に滑らかな曲線である。血管輪郭点に関しては、各血管直交断面上の血管輪郭点間で軸方向に対応付けされており、軸方向にも滑らかな曲線を描く（図中点線）。この様に血管輪郭点を軸方向に対応付けることにより、抽出血管や正常血管をサーフェイス表示する際のメッシュ（又はパッチ）の作成を容易にし、後述する狭窄(程度)のカラーマップ表示を容易にする。また、血管輪郭点は、抽出血管のサンプル点と仮正常血管のサンプル点間でも対応付けがされている。この対応付けにより、仮正常血管の血管径と狭窄した血管の血管径の差から、後述するように血管輪郭上の各点での狭窄の変化を算出することができる。

次に、抽出した血管に対してねじれ補正を行う（ステップＳ３）。まず、図４に示すように、血管軸方向に垂直な各血管直交断面上において、血管芯点を中心とし各血管輪郭点と動径方向に対応するサンプル点を持つ円Ｑを作成する。次に、血管軸方向に並び連続する円２つを取り出し、２つの円の間で対応付けされている点の距離の和を算出する。例えば、図５左側の円Q₁と円Q₂の例では、Q_1、0−Q_2、0間、Q_1、1−Q_2、1間、…、Q_1、5−Q_2、5間の距離の和を算出したものとなる。

なお、この対応付けは、血管直交断面の方向を決める（基準）ベクトルB(Bx, By, Bz)を基準に、各血管輪郭点へ番号が割り振られる。初期（例えば、血管サーフェス抽出処理の段階）では、各血管直交断面の基準ベクトルBx方向の点を０番とし、各断面の対応付けを行う。ここで、基準ベクトルの方向は、血管の存在するVolume座標のVy(t)方向と一致する方向である。

次に、一方の円を固定し、もう一方の円を回転させながら各角度での距離の和を算出し、距離の和が最少となる角度θを検出する。最後に、検出された角度θ分だけ対応付けの位置(番号)をシフトし、図５右側に示すように本来の血管輪郭点に反映させる。

従来のように血管抽出処理中に血管の走行や屈曲方向を考慮せずに機械的に対応付けを行ったものでは、図５左側に示すように、血管のねじれを生じ、ワイヤーフレームやサーフェイスで血管を表示する際に血管形状の歪みを生じる。また、血管形状が歪んでいるため血管の凹凸から狭窄の程度を算出しカラー表示することもできない。

本方法では、各血管輪郭点の軸方向の対応付けを修正し血管のねじれを補正することで、図５右側に示すように血管形状の歪みを取り除き、歪みの少ない血管形状を表示することが可能である。また、本方法では、ねじれの補正により血管のねじれだけでなく血管輪郭点の対応付けも補正するため、補正された血管データを用いて仮正常血管を推定することで、抽出血管と仮正常血管の血管輪郭点間の対応付けを適切に行うことができる。芯点や血管輪郭点を軸方向／周方向にリサンプリング／スムージングした血管データも同様に以降の処理を行うことができる。従って、歪みの少ない仮正常血管を推定することも可能となり、血管輪郭点と仮正常血管の血管輪郭点の変化から、適切な局所狭窄率(程度)を算出することができる。

次に、血管形状を抽出しねじれ補正を行うと、抽出結果を表示すると同時に、３次元血管形状の凹凸を知る指標としての最小径カーブを表示するため、血管最小径の算出処理を行う（ステップＳ４）。ここで、最小径カーブとは、抽出範囲の始点P_Sから血管軸方向の任意の位置までの血管芯線に沿った距離を横軸に、各位置の血管最小径を縦軸に、血管軸方向の血管最小径の変化を示すグラフである（後述する図９等にその一例を示す。）。

従来の血管径算出方法は、血管直交断面上で血管中心(もしくは芯点)を通る直径(血管中心を通る直線と血管輪郭が交わる２つ交点間の距離)を算出していたため、抽出された血管中心の位置によって血管径が変動し、客観的な値として算出することができなかった。本実施形態に係る血管狭窄解析システム１では、血管中心に関係なく算出される血管径として投影径を算出しその最小値（投影最小径）を使用することで、血管中心の位置に依存しない客観的な値の算出を行っている。

なお、投影最小径は、各血管輪郭点の位置情報をもとに、投影方向をθ＝０〜１８０度回転させて各方向の投影径d(θ)を算出し、算出した投影径の中での最小値min(d(θ))として定義される。従って、投影方向の数、血管輪郭点の数により、処理数が非常に多くなり多くの処理時間を要する場合がある。係る場合を考慮し、本実施形態では、図６に示すように、Brent法を用いた最適化により投影径が最小となるような投影方向(一方向)を算出するステップと、算出した投影方向に対して最小径を計算するステップとからなる高速・高精度計算方法を使用している。

すなわち、投影方向の決定のステップでは、Brent法の初期値を算出し（ステップＳ４１）、当該方法を用いて径が最小となる投影方向を決定する（ステップＳ４２）。ここで、Brent法とは、与えられた関数f(x)の極小となるx座標を、関数上の任意の３点を用いた逆放物線補間により収束演算して算出する方法である(技術評論社 NUMERICAL RECIPES in C、289〜292ページ引用)。

図７は、Brent法を説明するための概念図であり、当該方法による関数f(x)の極小値への収束を示した図である。同図に示すように、まず、与えられた関数f(x)上の３点a、b、cを通る放物線g(x)を描き、その極小dを現在の最良点とする。f(d)とf(a)、f(b)、f(c)を比較した場合に、最大となる点cを捨て新しい３点a、d、bを決定する。新たな３点を通る放物線hを描き、その極小eを新たな最良点とする。この処理を繰返すことで、与えられた関数の極小を絞り込んでいく。この処理は、収束条件をtolとした場合、前状態の極小と現在の極小の距離がtolよりも小さく、極小を挟む２点間の中心に極小がくるまで繰返えされる。

なお、本実施形態では、投影角度θに対して算出される投影径d(θ)の放物線を上記関数f(x)と仮定し、その放物線の極小値を求め、極小値での投影角度θをBrent法によって算出している。初期値には、投影方向０〜１８０度までの投影径を１０度間隔で算出した場合に投影径d(θ_i)が最小となる投影角度θ_iとその前後の角度をθ_i-1、θ_i+1を使用し、[θ_i-1、θ_i+1]の範囲をBrent法の適用範囲とする。

次に、図６に示すように、最小径算出のステップでは、各輪郭点の投影距離を算出した後（ステップＳ４３）、Brent法により決定した投影方向での血管投影径を算出する（ステップＳ４４）。ここで、血管投影径とは、図８に示すように、血管輪郭と接し投影方向に垂直な２つの直線間の距離である。本実施形態においては、基準点を任意の位置に設定した後、基準点を通り投影方向に垂直な線に血管輪郭点を投影した場合の各投影距離l(θ)を算出し、それら投影距離の最大値と最小値から血管投影径d(θ)を下記の式（３）から算出している。

投影径d(θ) ＝ ｜Max(l(θ))｜ ＋ ｜Min(l(θ))｜ （３）
以上述べた様に、本実施形態では、血管投影径を算出し、血管中心点や芯点に依存しない血管径を一意に決定することで、客観的な値として任意の血管直交断面に対する血管径を算出することができる。また、血管径算出処理の高速化に対し、Brent法を用いた最適化を行うことで、投影径算出処理の回数を削減するとともに血管最小径算出に対する処理時間を削減することができる。従って、血管径算出処理の高精度化に対し、最適化の対象となる放物線d(θ)を連続関数と考えて処理を行うため、値を算出するためのサンプル間隔である刻み幅Δθを考慮する必要がなく、より高精度に極小値を算出することが出来る。さらに、投影最小径を用いて作成した最小径カーブは、３次元的な血管の凹凸を示す指標と考えることができ、以降の血管解析処理(ここでは狭窄率解析)の対象範囲を決定するための指標としても効果がある。なお、血管最小径の代わりに、血管断面積の場合も同様の処理が可能である。

以上述べた各処理によって得られる結果に基づき、３次元抽出血管の表示が実行される（図２ステップＳ５)。すなわち、３次元血管抽出及び血管最小径（もしくは血管断面積）の算出処理の結果として、抽出血管(血管芯線と血管サーフェイス)の３次元画像と最小径カーブ(もしくは断面積カーブ)、任意の位置の血管直交断面を表示する。

図９は、血管抽出処理Ａによって提供される３次元抽出血管の表示画面の一例を示した図である。同図において、Ｐ_１は抽出血管の３次元画像を、Ｐ_２は最小径カーブを、Ｐ_３は血管直交断面画像（ＰＶ画像）である。

抽出血管の３次元画像Ｐ_１には、血管直交断面の位置を示す直線Ｉ、血管抽出処理の範囲を示す直線Ｓ、直線Ｅが表示される。また、直線Ｉは最小径カーブＰ_２上の対応する位置にも表示される。血管直交断面画像Ｐ_３は、この直線Ｉの位置における画像である。血管直交断面画像Ｐ_３上には、図９に示すように、血管径最小径を算出した位置又は方向を矢印で表示することが好ましい。

また、抽出血管の３次元画像Ｐ_１上の直線Ｉをドラッグで移動すると、それにともなって最小径カーブ上の直線Iも移動し、PV画像も移動後の直線Iの位置に対する血管断面画像に更新される。これは最小径カーブを用いて血管全体に対する異常部位の位置を把握する作業を簡単にするとともに、血管の内部の状態をPV画像で確認する作業を簡単にする。

なお、ここでは、抽出した血管をサーフェイスレンダリングした画像で表示している。しかしながら、これに限定する趣旨ではなく、芯線及び血管輪郭点を滑らかな曲線で連結したワイヤーフレームで表示することも可能である。また、血管軸方向の凹凸の変化を見るための指標として最小径カーブを用いることが出来る。３次元血管形状の抽出結果のみを表示し最小径カーブを表示しない場合は、最小径もしくは血管断面積の算出を以降の解析処理での必要に応じて実行するように構成することも可能である。

（狭窄率解析処理）
次に、本血管狭窄率解析システムによって実行される狭窄率解析処理Ｂについて説明する。なお、本狭窄率解析処理は、血管データと血管直交断面に対する血管最小径の値を用いて行うが、基本的に必要とするデータは３次元抽出血管データのみである。なお、血管抽出後に各血管直交断面に対する血管最小径が算出されていない場合、最小径を算出してから狭窄率解析処理の最初の処理である解析範囲の決定を開始する。

図２に示すように、狭窄率解析処理においては、まず解析範囲の設定が実行される（ステップＳ６）。解析範囲は、例えば図９上に示す血管抽出処理後の抽出血管の３次元画像Ｐ_１上（もしくは最小径カーブＰ_２上）で、直線Ｓ及び直線Ｅを用いて行う。すなわち、ポインタによって直線Ｓを指定しクリックボタンの長押し等の操作を行うと、直線Ｓの複製である直線Ｓ´が作成されドラッグ可能になる。直線Ｓ−Ｅ間で直線Ｓ´をドラッグにより所定の位置に移動させ、同様の操作によって直線Ｅの複製直線Ｅ´を作成し移動させる。移動後の最終的な直線Ｓ´−Ｅ´間を解析の対象範囲Ｒ_Ｓ−Ｒ_Ｅとする。直線Ｓ及びＥを移動しない場合は、抽出の対象範囲がそのまま解析範囲として適用される。直線Ｓ´及び直線Ｅ´が作成されると、抽出血管の３次元画像Ｐ_１上だけでなく最小径カーブ上の対応する位置に直線Ｓ´及び直線Ｅ´が表示され、最小径カーブの凹凸を観察しながら、最小径カーブ上でこれらの直線を移動し、解析範囲を決定することも出来る。これは、血管異常部位の確認後に、解析の対象範囲を決定することを容易にする効果がある。

次に、正常部位・狭窄部位の自動抽出を行う（ステップＳ７)。本実施形態においては、血管抽出処理Ａにおいて、投影最小径を用いて最小径カーブを作成しているため、血管軸方向の３次元的な凹凸を示す指標として考えることが出来る。従って、本実施形態では、正常部位及び狭窄部位の抽出処理は、最小径カーブを用いて行う。

図１０は、正常部位及び狭窄部位の抽出において実行される各処理の流れを示したフローチャートである。同図に示すように、３次元血管形状の抽出後、最小径カーブを作成し解析範囲を決定すると、まず、図１１（ａ）に示すように、最小径カーブに対してその回帰直線を求める（ステップＳ１１）。

次に、回帰直線の示す値にある割合（1−α）を掛けた値と最小径カーブを比較した場合に、最小径カーブの値のほうが小さくなる部分(凹み)を狭窄している部分とみなし、残った部分を正常部位とみなして抽出する（ステップＳ７２）。なお、値αは狭窄部分に該当するデータを削除する際の許容率（回帰直線よりどのくらいのデータを削除するかを決定する値）であり、本実施形態では１０％を使用する。また、許容率１０％以下のデータは自動的に削除される。

次に、正常部位に該当するデータ（残されたデータ）を用いて再度回帰直線を算出する（ステップＳ７３ｂ）。データの残存率をβ％とし、残存率β％もしくは回帰直線の位置が変動しなくなるまでとする収束条件により、図１１（ｂ）に示すように回帰直線の変動がなくなるまで、回帰直線の算出とデータ削除を繰返す（ステップＳ７４、Ｓ７５）。なお、βは適切な回帰直線を算出するために必要なデータの数(割合)を示したもので、例えばβ＝２０％を使用するものとする。

一方、ステップＳ７２における傾き０．１の判定において、ステップＳ７１で算出した回帰直線の傾きがγ(ここではγ＝０．１を使用)以上の場合は解析範囲の一端が狭窄した血管であるとみなし、回帰直線ではなく平均値(傾きなしの平均値を示す直線)を算出し（ステップＳ７３ａ）、これを用いて狭窄部位のデータを削除し（ステップＳ７４）、ステップＳ７５に移行して上述した処理を繰り返す。

次に、ステップＳ７３ｂからステップＳ７５までの繰り返しによって、最終的に残されたデータ（収束条件を満たすデータ）を用いて算出した回帰直線と最小径カーブを比較し、最小径カーブが回帰直線よりも下に存在する範囲を狭窄範囲として自動抽出する（ステップＳ７６ａ）。

また、図１２（ａ）に示すように、解析範囲の一端が狭窄しているような血管(以下、一端狭窄)の場合、回帰直線によって正常な部位のデータも削除してしまうため適切に正常部位及び狭窄部位を抽出できない。しかしながら、本方法では、回帰直線の傾きで一端狭窄か否かを判定し、一端狭窄であると判定した場合には、図１２（ｂ）に示すように、平均値を示す直線を用いて前記狭窄範囲を設定する。従って、一端狭窄の正常部位・狭窄部位も抽出することが可能である。

本方法を用いて狭窄範囲を自動で抽出し、狭窄率を算出する部位と方向を自動的に決定することで、仮正常血管を推定後、抽出血管の狭窄部位と仮正常血管の同じ位置の血管径(もしくは断面積)を用いて狭窄率を算出することが可能になる。また、解析を行うユーザの違いによって指定する狭窄部位の位置が変化することや、算出する値が変化することなく客観的な値として算出することが可能になる。

なお、自動で抽出した狭窄範囲Ｚ_Ｓ−Ｚ_Ｅは、後述する図１５に示すように、血管の３次元画像及び最小径カーブ上に直線Ｚ_Ｓ及び直線Ｚ_Ｅ、Ｚ_Ｓ−Ｚ_Ｅ間の血管芯線に沿った距離(数値)として表示される。表示された直線Ｚ_Ｓ及び直線Ｚ_Ｅを画像上でドラッグして移動することにより狭窄範囲を手動で修正することも可能である。修正後、解析範囲の距離を再計算し、数値を更新する。狭窄範囲の修正の別方法として、解析範囲の設定処理に戻り解析範囲を修正して再度算出しなおすことも可能である。

次に、抽出された正常部位に該当する血管データに基づいて、仮正常血管の推定が実行される（ステップＳ８)。すなわち、まず、各血管直交断面上の血管輪郭点間で軸方向に対応付けされている点を用いて半径カーブが作成される。ここで、半径とは、血管直交断面上の芯点−血管輪郭点間の距離である。本実施形態では、直交断面上の全ての血管輪郭点に対して半径カーブを作成するため、一つの直交断面上に２４の血管輪郭点が存在する場合は、２４の半径カーブを作成することになる。次に、半径カーブを作成すると、正常部位に該当するデータのみを用いて回帰直線を算出し、回帰直線上のデータを仮正常血管の半径とすることで、仮正常血管を推定する。ここでは回帰直線を用いたが、直線近似するほか滑らかな曲線で近似することも可能である。

次に、仮正常血管が推定されると、仮正常血管と抽出血管の２つの血管データを用いて、３次元血管形状の凹凸変化を検出し、狭窄(程度)を算出する（ステップＳ９）。

すなわち、まず、仮正常血管の投影平均径Ｓｒを算出する。次に、図１３に示すように、同一直交断面上の抽出血管の血管輪郭点と対応する仮正常血管の血管輪郭点から、血管輪郭点間の距離Ｓｉを算出する（なお、ｉは１≦ｉ≦ｎを満たす整数であり、ｎは血管輪郭点の総数に対応する。）最後に、対応する血管輪郭点間の距離を用いて投影平均径に対する狭窄による径の変形度として、下記の式（４）により各血管輪郭点に対応する局所的な狭窄率Stenosis(血管径)を算出する。

Stenosis(血管径)＝１００・Ｓｉ／Ｓｒ （４）
この様に、抽出血管の血管形状を示す血管輪郭点と仮正常血管の血管形状を示す血管輪郭点との対応する２点間の距離から、正常な状態から狭窄した後の血管の形状変化を局所的に検出する。従って、一つの血管直交断面に対して複数の狭窄率を算出することができ、血管直交断面上の血管輪郭方向の狭窄率を取得することが可能となる。また、３次元血管上に局所的な血管の狭窄(程度)に応じてカラー表示することで、３次元血管の凹凸を確認すると同時に、血管軸方向の位置だけでなく血管周方向に対する狭窄の位置、分布、狭窄の程度観察することが可能となる。

なお、各血管直交断面に対する狭窄率として、血管形状の投影径d(θ)が最小となる方向θ_minを算出し、同一血管直交断面上の仮正常血管に対して同じ方向θ_minの血管径Fr(θ_min)を算出し、d(θ_min)とFr(θ_min)から血管直交断面毎の最小の狭窄率を算出するようにしてもよい。

次に、算出された局所的な狭窄率の３次元カラーマッピングを実行する（ステップＳ１０）。このカラー表示は、得られた各位置における狭窄率（０〜１００％）の値に応じてカラーを割り当てることで実現される。ここでは、赤‐青のグラデーションで狭窄率の変化を表現するため、ＲＧＢの値を下記の式（５）〜（７）により算出(狭窄率をｘ％とした場合)しマッピングを実行する。

Ｒ（Ｒｅｄ）＝（ｘ／１００）・２５５ （５）
Ｇ（Ｇｒｅｅｎ）＝０ （６）
Ｂ（Ｂｌｕｅ）＝｛（１００−ｘ）／１００｝・２５５ （７）
次に、上記カラーマッピングに従って、局所的な狭窄率の３次元カラー表示を行う（ステップＳ１１)。図１４は、ステップＳ１１の局所的な狭窄率の３次元カラー表示において実行される各処理の流れを示したフローチャートである。ここでは、レンダリングアルゴリズムを用いて、サーフェイスレンダリング及びボリュームレンダリングによる二通りのカラー表示について説明する。

３次元サーフェイスイレンダリングを行う場合には、図１４の左側のフローに示すように、まず、狭窄した血管を血管輪郭点３点から構成される三角パッチに分割し（ステップＳ１１１ａ）、パッチの重心位置、重心−血管輪郭点間の距離を算出する（ステップＳ１１２ａ）。次に、各輪郭点のカラー値と重心−各血管輪郭点間の距離の重みで重心位置のカラーを算出し、算出した色をパッチとする（ステップＳ１１３ａ）。最後に各パッチを基に３次元サーフェイス表示を行う（ステップ１１４ａ）。

なお、血管を軸方向及び周方向にリサンプリングして血管輪郭点を十分に細かく取り、各輪郭点での狭窄率を算出した後にカラーマップを行い、同様の方法でサーフェイス表示することも可能である。

一方、ボリュームレンダリングを行う場合には、図１４の右側に示すように、まず、リサンプリングにより画素単位で血管輪郭点を算出し（１１１ｂ）、各輪郭点に対する色を補間(線形補間など)によって算出し（ステップＳ１１２ｂ）、これに基づいて３次元ボリューム表示を行う（ステップＳ１１３ｂ）。

図１５は、本血管狭窄率解析システムによって提供される局所的な狭窄率の３次元カラー表示画面の一例を示した図である。同図に示すように、狭窄率は、抽出血管の３次元画像Ｐ_１上におけるカラー表示の他、最小径カーブＰ_２、直交断面画像Ｐ_３、各計測結果(数値)画像Ｐ_４よっても表示される。

さらに、抽出血管の３次元画像Ｐ_１及び最小径カーブＰ_２上の狭窄範囲Ｚ_Ｓ−Ｚ_Ｅ、狭窄率最大、最小径(ＭＬＤ)に該当する位置に、各位置を示す直線が重畳表示される。血管直交断面画像の位置を示す直線Ｉを抽出血管の３次元画像Ｐ_１上及び最小径カーブＰ_２上に表示し、直交断面画像Ｐ_３上では、抽出血管と仮正常血管の血管輪郭線が重畳表示され、狭窄率(血管径)を算出した方向θを矢印で表示する。また、最大狭窄率(径)、最大狭窄率(面積)、狭窄範囲長Ｚ_Ｓ−Ｚ_Ｅ、最小径（ＭＩＤ）の各計測結果を数値で表示する。

これらの表示のうち３次元血管形状(カラー)の表示により、血管全体が局所的な狭窄の程度によって色付けされており、血管軸方向及び血管周方向に沿って３次元の血管形状(凹凸)を観察できるとともに、血管直交断面単位ではなく局所的な狭窄の位置／分布／程度を、色の違いによって直感的かつ相対的に把握することが可能となる。また、ＰＶ画像上では、血管断面、抽出血管の形状、仮正常血管の形状など血管内部の状態を確認することができる。各計測結果を数値で表示することにより、各値を定量的に評価することができる。

以上、本発明の一実施形態について説明した。しかしながら、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。

例えば、本実施形態に係る各機能は、当該処理を実行するプログラムをワークステーション等のコンピュータにインストールし、これらをメモリ上で展開することによっても実現することができる。このとき、コンピュータに当該手法を実行させることのできるプログラムは、磁気ディスク（フロッピー（登録商標）ディスク、ハードディスクなど）、光ディスク（ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤなど）、半導体メモリなどの記録媒体に格納して頒布することも可能である。

また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

以上本発明によれば、血管の凹凸に対する局所的な狭窄を算出し、これを所定の形態にて表示することで、血管全体に対する狭窄の位置、血管周方向に対する狭窄の位置、狭窄の範囲、狭窄の度合い等を直感的に把握可能な形態にて提示することができる血管狭窄率解析システムを実現することができる。

図１は、本実施形態に係る血管狭窄率解析システム１のブロック構成図を示している。 図２は、本画像処理及び画像表示を含む一連の処理の流れを示したフローチャートである。 図３は、ベッセルトラッキング法によって抽出された芯線及び血管輪郭点を模式的に示した図である。 図４は、抽出した血管のねじれ補正処理を説明するための概念図である。 図５は、抽出した血管のねじれ補正処理を説明するための概念図である。 図６は、投影最小径算出において実行される処理の流れを示したフローチャートである。 図７は、Brent法を説明するための概念図であり、当該方法による関数f(x)の極小値への収束を示した図である。 図８は、血管投影径（血管輪郭と接し投影方向に垂直な２つの直線間の距離）を説明するための図である。 図９は、本血管狭窄率解析システムによって提供される３次元抽出血管の表示画面の一例を示した図である。 図１０は、正常部位及び狭窄部位の抽出において実行される各処理の流れを示したフローチャートである。 図１１は、回帰直線を用いた狭窄範囲の設定を説明するための概念図である。 図１２は、回帰直線又は平均値直線を用いた狭窄範囲の設定を説明するための概念図である。 図１３は、仮正常血管と抽出血管の２つの血管データに基づく、３次元血管形状の凹凸変化の検出処理を説明するための図である。 図１４は、ステップＳ１１の局所的な狭窄率の３次元カラー表示において実行される各処理の流れを示したフローチャートである。 図１５は、本血管狭窄率解析システムによって提供される局所的な狭窄率の３次元カラー表示画面の一例を示した図である。 図１６は、２次元画像上における従来の狭窄率表示の例を示した図である。 図１７は、３次元画像上における従来の狭窄率表示の例を示した図である。

符号の説明

１…血管狭窄率解析システム、１１…記憶部、１２…制御部、１３…画像処理部、１４…送受信部、１５…表示部、１６…操作部

Claims (10)

1. 医用画像機器によって収集された画像データを記憶する記憶手段と、
   前記画像データに基づいて、血管形状を抽出する抽出手段と、
   前記血管形状に基づいて、血管芯線と、当該血管芯線に直交する血管直交断面上の複数の血管輪郭点とを含む血管情報を生成する血管情報生成手段と、
   前記血管情報に基づいて、前記血管形状のねじれを補正する補正手段と、
   補正された前記血管情報に基づいて、狭窄範囲を設定する設定手段と、
   補正された前記血管情報に基づいて、狭窄した血管から狭窄部位を除いた正常な部位の血管形状を示す仮正常血管形状を推定する推定手段と、
   前記仮正常血管と前記血管形状とを用いて、前記狭窄範囲における局所的な狭窄率を算出する算出手段と、
   前記狭窄範囲における前記狭窄率をカラー表示する血管画像を生成する画像生成手段と、
   前記血管画像を所定の形態にて表示する表示手段と、
   を具備することを特徴とする血管狭窄率解析システム。
2. 前記算出手段は、前記血管直交断面の前記複数の血管輪郭点のそれぞれにおける狭窄率を算出することで、前記狭窄範囲における局所的な狭窄率を算出し、
   前記画像生成手段は、
   前記狭窄率に応じて、前記複数の血管輪郭点のそれぞれに対して所定のカラーを割り当て、
   前記狭窄範囲に存在する前記血管輪郭点を頂点として形成される各所定領域における基準位置と、当該各所定領域を形成する各頂点との間の距離に応じた重み付けにより、前記各所定領域のカラーを算出し、これを用いてサーフェイスレンダリングを行うことにより前記血管画像を生成すすること、
   を特徴とする請求項１記載の血管狭窄率解析システム。
3. 前記算出手段は、前記血管直交断面の前記複数の血管輪郭点のそれぞれにおける狭窄率を算出することで、前記狭窄範囲における局所的な狭窄率を算出し、
   前記画像生成手段は、
   前記狭窄率に応じて、前記複数の血管輪郭点のそれぞれに対して所定のカラーを割り当て、
   前記カラーが割り当てられた前記複数の血管輪郭点を含むボリュームデータを用いたボリュームレンダリングを実行することにより、前記血管画像を生成すること、
   を特徴とする請求項１記載の血管狭窄率解析システム。
4. 前記補正手段は、隣り合う前記血管直交断面間における前記血管輪郭点の対応付けに基づいて、前記血管形状の軸方向のねじれ角度を検出し、
   検出された前記角度に基づいて、前記血管輪郭点の軸方向の対応付けを補正することを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか一項記載の血管狭窄率解析システム。
5. 前記設定手段は、抽出された前記血管形状の血管芯線に沿った距離を横軸とし、前記各血管直交断面の血管最小径を縦軸として血管軸方向の血管最小径の変化を示すグラフである最小径曲線と、前記複数の血管輪郭点に関する回帰直線とを用いて、前記狭窄範囲を設定することを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか一項記載の血管狭窄率解析システム。
6. 前記設定手段は、前記回帰直線の傾きに基づいて、前記血管形状の一端が狭窄しているか否かを判別し、一端が狭窄していると判別した場合には、前記複数の血管輪郭点に関する平均値を算出し、これを用いて前記狭窄範囲を設定することを特徴とする請求項５記載の血管狭窄率解析システム。
7. 前記算出手段は、前記各血管直交断面に対する狭窄率として、前記血管形状の投影径d(θ)が最小となる方向θ_minを算出し、同一血管直交断面上の前記仮正常血管に対して同じ方向θ_minの血管径Fr(θ_min)を算出し、d(θ_min)とFr(θ_min)から前記血管直交断面毎の最小の狭窄率を算出し、
   前記表示手段は、前記血管直交断面毎の前記最小の狭窄率を所定の形態にて表示すること、
   を特徴とする請求項１乃至６のうちいずれか一項記載の血管狭窄率解析システム。
8. 前記表示手段は、前記最小狭窄率を算出した位置又は方向を所定の形態にて表示することを特徴とする請求項７記載の血管狭窄率解析システム。
9. 前記算出手段は、前記各血管直交断面上で狭窄した血管と、前記仮正常血管に対応する二つの血管輪郭点間の距離とから前記血管形状の変形度を求めることで、前記狭窄率を算出すること特徴とする請求項１乃至６のうちいずれか一項記載の血管狭窄率解析システム。
10. 前記狭窄範囲を変更するための変更手段をさらに具備し、
    前記算出手段は、前記変更手段によって前記狭窄範囲が変更された場合には、変更後の前記狭窄範囲における局所的な狭窄率を算出すること、
    を特徴とする請求項１乃至９のうちいずれか一項記載の血管狭窄率解析システム。

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