JP2008523877A - 動脈瘤の三次元モデルから動脈瘤の物理特性を予測するためのシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

三次元回転血管造影（３ＤＲＡ）システムであって、そのシステムにおいて、有限要素法（ＦＥＭ）パッケージが組み込まれ、そのパッケージは、シミュレーション表現（２０ａ）の生成で用いられる動脈瘤の物質特性を変えることにより繰り返し処理において観測される動脈瘤（２０ｂ）に適切に近似されるＦＥＭメッシュ（２０ａ）を生成するように動脈瘤の再構成３ＤＲＡ画像の表面メッシュ（２０ｂ）において読み出すことができる。それ故、適切に近似されたシミュレーション表現（２０ａ）の物質特性は、考慮下にある動脈瘤の物理特性の後続の解析で用いられる。

Description

本発明は、一般に、三次元モデルから動脈瘤の物理特性を予測するためのシステム及び方法に関する。

脳動脈瘤は、Ｗｉｌｌｉｓの円において動脈の分岐の近くで生じる傾向にある脳動脈の病的肥大であり、通常、血管壁が弱くなることに原因がある。特に、患者が高血圧である場合の最も重大な結果は、頭蓋内出血に繋がる、そして死に到る場合もあるそれら脳動脈の破裂である。発生、成長及び破裂のメカニズムは、現在、十分に理解されていない。

三次元回転血管造影法（３ＤＲＡ）は、人体における血管をイメージングするための比較的新しい技術である。回転ディジタルサブトラクション血管造影データから生成される再構成３Ｄ高解像度画像は、有望な興味深い定量的調査を可能にする。ディジタルサブトラクション血管造影法（ＤＳＡ）は、頭蓋内動脈瘤の描出並びにそれらの大きさ、首及び血管ツリーとの関係の決定のためのイメージング基準である。三次元回転造影法（３ＤＲＡ）は、回転ＤＳＡから生成されるデータの三次元視覚化を与える最大強度投影（ＭＩＰ）及び遮光面表示（ＳＳＤ）画像を生成する。脳動脈粒のそれらの高解像度画像は、何れの所望の角度から見ることができ、理論的には、少なくとも、動脈瘤ボリュームを予測することができる。

（脳）血管介入の間、患者のために適切な処置を選択するように、動脈瘤の寸法及び特性を得るようにすることは極めて重要である。しかしながら、通常、動脈瘤の３ＤＲＡ再構成は、この病的状態の形状についての情報を与えるのみである。付加情報を得るためには、動脈瘤を表現する機械的及び物質的挙動についてのモデルを構築する必要がある。文献“Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｈｅｌｐｓ Ｐｒｅｄｉｃｔ Ｃｅｒｅｂｒａｌ Ａｎｅｕｒｙｓｍｓ”，ｂｙ Ｈｅｃｔｏｒ Ｖ．Ｏｒｔｅｇａ（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｆｌｕｅｎｔ．ｃｏｍ／ｓｏｌｔｉｏｎｓ／ａｒｔｉｃｌｅｓ／ｊａ０７１．ｐｄｆ）において、動脈瘤における血液の流れを正確にシミュレートすることは、研究者が動脈瘤の成長パターン及び破裂の危険性を予測するための支援となることについて報告している。その文献は、何れの動脈瘤の挙動はその形状及び出血に依存し、コンピュータシミュレーション技術が、形状、血流の特徴、血液密度、粘度及び速度等の動脈瘤自体の特性を考慮して、動脈瘤を調査するために提供されている。しかしながら、この技術は、所定の形状を有し、測定された生理学的パラメータを用いる所定の動脈瘤における血流のシミュレーションに関するものである。
"Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｈｅｌｐｓ Ｐｒｅｄｉｃｔ Ｃｅｒｅｂｒａｌ Ａｎｅｕｒｙｓｍｓ"，ｂｙ Ｈｅｃｔｏｒ Ｖ．Ｏｒｔｅｇａ（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｆｌｕｅｎｔ．ｃｏｍ／ｓｏｌｔｉｏｎｓ／ａｒｔｉｃｌｅｓ／ｊａ０７１．ｐｄｆ）

本発明の目的は、処置計画において助けとなるように、病状についての付加的な、患者特有の情報を医師に与えるように、動脈瘤壁の物理特性、即ち、未知の生理学的パラメータを予測するためのシステム及び方法を提供することである。

本発明にしたがって、動脈瘤の特性を解析するためのシステムであって：
− 前記動脈瘤の三次元表現を生成するためのイメージング手段；
− 前記動脈瘤のシミュレーション表現を生成するように、シミュレートされた動脈瘤形状を生成し、そして前記動脈瘤の前記三次元評点に対して前記シミュレートされた動脈瘤形状を近似するためのシミュレーション手段であって、前記シミュレーション表現は、その前記動脈瘤に関する１つ又はそれ以上の物質特性の分布を規定する関連データを有する、シミュレーション手段；
− 前記シミュレーション表現から導き出された前記動脈瘤の１つ又はそれ以上の物質特性を表すデータを出力するための手段；
を有するシステムを提供する。

また、本発明にしたがって、動脈瘤の特性を分析するための方法であって：
− 前記動脈瘤の三次元表現を生成する段階；
− 前記動脈瘤のシミュレーション表現を生成するように、シミュレートされた動脈瘤形状を生成し、そして前記動脈瘤の前記三次元表現に対して前記シミュレートされた動脈瘤形状を近似する段階であって、前記シミュレーション表現は、その表現に関する１つ又はそれ以上のと物質特性の分布を規定する関連データを有する、段階；
− 前記シミュレーション表現から導き出された前記動脈瘤の１つ又はそれ以上の物質特性を表すデータを出力する段階；
を有する方法を提供する。

それ故、動脈瘤の未知の生理学的パラメータは、動脈瘤の三次元表現に対してシミュレーション表現（それに関連して、評価された又は予測された生理学的パラメータが存在する）の集合を適合させ、次いで、動脈瘤自体に結果として得られたシミュレーション表現の生理学的パラメータを割り当てることにより予測されることができる。それらの動脈瘤の生理学的パラメータ又は物質特性は、壁の厚さのような形状の定数、ヤング率又はポアソン比のような血管のエラスチン部分の弾性定数、コラーゲン繊維方向及び対応する硬度（血管の各々の層について）のような異方性データ、コラーゲン肥厚化及び伸長化定数のような成長パラメータ等を有することが可能である。それらのパラメータは、動脈瘤壁について選択された物質モデルの特定の種類に依存することを、当業者は理解することができるであろう。

有利であることに、イメージング手段は三次元回転血管造影（３ＤＲＡ）手段を有する。好適な実施形態においては、シミュレーション手段は有限要素法（ＦＥＭ）シミュレーションパッケージを有し、そのパッケージは、動脈瘤壁の挙動を表現する非線形構成モデルを有利に用いる。好適な実施形態においては、シミュレーション表現は、前記三次元表現に対して前記シミュレーション表現を繰り返して比較し、新しい物質特性を評価するように結果としての差測度を用い、次いで、新しくシミュレーション表現を生成するようにシミュレーション処理を繰り返すことにより、三次元表現に対して近似される。

それぞれの動脈瘤の１つ又はそれ以上の物質特性を表すデータ及び三次元表現は、同時に表示されることが可能である。三次元表現に関する１つ又はそれ以上の形状測定を実行するための手段が備えられ、その形状測定は、シミュレーション表現を生成するためのシミュレーション処理に組み込まれることが可能である。

本発明の上記の及び他の特徴については、以下、例示として、実施形態について詳述する、

本発明は、血管の弱化が動脈瘤の中心的原因である場合と主に関連している。本発明のシステムは、一般に、物理モデルを導き出すように構成され、複数のシミュレーションを実行し、例えば、脳嚢状動脈瘤の形成を含む機械的及び形状的量の両方を予測することを目的とし、それらの複数のシミュレーションは先端式の弾性理論に基づいている。

第１実施例においては、Ｍｅｒｃ／Ｍｅｎｔａｔ２０００のような有限要素法のソフトウェアパッケージを用いて、動脈瘤形成についての複数のシミュレーションを実行することにより、嚢状動脈瘤の首状形状が機械的特性の分布を用いることによりでき、それ故、その形状は、その中心において弾性的に弱いが、複数の位置で動脈瘤壁を被る全最大歪みを示す有限要素法（ＦＥＭ）によりシミュレートされた動脈瘤の例を示す図１から理解できるように、境界の近くの親血管と実質的に同程度に硬いことが、決定された。最大歪みはドーム１０に存在し、その場合、底１２の周りで徐々に減少し、親血管１６とその首部１４において実質的に同程度に硬いことが理解できる。血管１６の弱化した曲面的な円形領域１８の変形をシミュレートするように、上記の機械的特性の分布を適用することにより、代表的な動脈瘤形状が成長し始めることが決定された。

動脈瘤壁は、例えば、歪みが大きくなり過ぎたときに、動脈瘤壁の弾性的特性を変えるコラーゲン活性化が生じるという事実のために、部分的に、非線形弾性挙動が現れることは、当業者には明らかである。この非線形挙動の結果として、動脈瘤の成長過程で、機械的に不安定になり、その機械的不安定さは、破裂の可能性を予測するために用いられる。それ故、シミュレーション処理において、歪みが大きくなり過ぎたときにコラーゲンの活性化を組み込むことができる図３に示すシミュレートされたモデルのような現実的な非線形構成モデルを用いる必要がある。図３は、血管壁における移動及び歪みが（かなり）大きくなったときに歪み部分の硬化（又は、軟化）がどのようにして起こるかについて、非常に簡単に示しているが、それは、そのような挙動の単なる例示に過ぎないものである。左側のばねの力が特定の値より大きくなった場合、他のばねは、異なるばね定数で動くようになり、全体の構造のより硬い又は軟らかい挙動に繋がる。このこと及び動脈瘤壁の挙動の他の非線形構成モデルについて、同業者は理解できるであろう。

それ故、図２ａ及び２ｂを参照するに、シミュレーションは最初の音響血管壁から開始し、所定の血圧Ｐの影響下で血管壁の弱くなったスポット１８の血管壁特性が変わっているとき、動脈瘤２０の成長をシミュレートするように用いられ、それ故、所定のシミュレートされた動脈瘤について、評価された又は予測された血管壁特性に関するデータはその動脈瘤に関連付けられ、そして、そのシミュレーションにおけるそれらの物質の特性を変えることにより、それに伴って、シミュレートされる動脈瘤の形状を変えることができる。

それ故、本発明は、所謂“逆問題”の調査に関するものであり、シミュレーション結果との三次元回転血管造影（３ＤＲＡ）データのような三次元画像データの組み合わせを用いる。一般に、“逆問題”は、必要な変化の効果をもたらすように、シミュレーション表現において物質特性を変えることにより、三次元表現に対してシミュレーション表現を適合させることを含む。図４ａを参照するに、それ故、最初にシミュレーション表現２０ａは、考慮下にある動脈瘤の３ＤＲＡ表現２０ｂに殆ど似ていず、それ故、そのシミュレーションにおける物質特性は、図４ｂに示すように、３ＤＲＡ表現２０ｂにかなり似ているシミュレーション表現２０ａを与えるように変えられる。その物質特性は、シミュレーション表現２０ａが、図４ｃに示すように、できるだけ似ている３ＤＲＡ表現２０ｂに近似するように、必要な複数回、変えられることが可能である。

物質特性の分布は、三次元回転血管造影走査により得られるように、できるだけ似るように、観測される３ＤＲＡの形状を似せる必要がある形状のシミュレーション表現に整形するため、この物質特性の分布は、考慮下にある動脈瘤の物質特性の患者特有の評価、並びに、考慮下にある動脈瘤の臨床的に関連する機械的及び経常的特性の更に現実的な評価を与えることができる。

図５を参照するに、上記の“逆問題”技術の主な段階のフロー図を示している。先ず、アンギオシーケンス２００が実行され、それにより、段階２０２において、医師は回転アンギオ−走行を取得し、それは、次いで、再構成のために３ＤＲＡステーションに送られ、段階２０４において、観測された動脈瘤表現２０６が与えられる。次に、関連形状、応力及び歪みデータを含むシミュレーション表現２０８が、同じワークステーションで実行される有限要素法（ＦＥＭ）のシミュレーション２１０を用いて及び図３に示すような非線形構成モデル２１２を用いて演算される。

シミュレーション表現２０８は、観測された表現２０６と比較され、差分２１４は、シミュレーションのための新しい物理及び物質特性を評価するために用いられ、それに応じて、段階２１６において、材料パラメータを更新する。その処理の結果は、形状３ＤＲＡデータ、可能であれば、次に、通常の３ＤＲＡビューに加えて、段階２２０において表示される動脈瘤の物理データ集合２１８である。処置計画において医師を支援することが可能である付加情報がまた、与えられることが可能である。例えば、動脈瘤の重大度が演算される及び表示される（狭窄度が冠動脈造影像に関して与えられるものと類似する方式で）ことが可能である。付加ＩＶＵＳ測定が、３ＤＲＡ表現から取得され、シミュレーションパッケージに組み込まれ、例えば、これは、ＦＦＭシミュレーションにおける血管及び動脈瘤壁の厚さの情報を含むように行われることが可能である。ＩＶＵＳは、Ｉｎｔｒａ Ｖａｓｃｕｌａｒ Ｕｌｔｒａ Ｓｏｕｎｄの省略形であり、そのＩＶＵＳにおいては、音波トランスジューサが血管中に案内され、それにより、血管壁の詳細な構造及びその血管壁の内側の特徴、例えば、血液、血栓、軟らかい血小板及び複数の血管層について得ることができる。この情報は、通常、管腔のみを（３Ｄで）示す３ＤＲＡ画像に付加される。

それ故、本発明の上記の実施形態は３ＤＲＡの適用の適合化を有し、その適合化において、有限要素法（ＦＥＭ）パッケージが組み込まれ、そのＦＦＭパッケージは、観測される動脈瘤に対して適切に近似され、考慮下にある動脈瘤の物理特性の後続の分析のために用いられる、ＦＦＭメッシュを生成するように、再構成３ＤＲＡボリュームの表面メッシュにおいて読み出される。

本発明は、３ＤＲＡワークステーションを備えられたＸ線システムに適用されることが可能であるが、また、ＷＲ及びＣＴのようなイメージングシステムに適用可能である。

上記の実施形態は、例示としてのものであり、本発明を限定するものではなく、当業者は、同時提出の特許請求の範囲に記載されえちる本発明の範囲から逸脱することなく、多くの代替の実施形態をデザインすることが可能であることに留意する必要がある。用語“を有する”及びその派生用語は、全体として、何れの請求項又は明細書に挙げられている要素又は段階以外の要素又は段階の存在を排除するものではない。要素の単数表現は、その要素の複数表現を排除するものではなく、その逆も真である。本発明は、複数の別個の要素を有するハードウェアにより、そして適切にプログラミングされたコンピュータにより実施されることが可能である。複数の要素を列挙している装置請求項においては、それらの手段の幾つかは、ハードウェアの全く同一のアイテムにより実施されることが可能である。特定の手段が互いに異なる従属請求項に列挙されているというこののみにより、それらの手段の組み合わせが有利に用いられることができないことを意味するものではない。

ＦＦＭ技術によりシミュレートされる動脈瘤の例示としての表面メッシュを示す図である。 所定の血圧の影響下にある血管壁の弱くなった箇所における動脈瘤の形成の前の血管の一部を示す模式図である。 所定の血圧の影響下にある血管壁の弱くなった箇所における動脈瘤の形成の後の血管の一部を示す模式図である。 動脈瘤壁の非線形構成モデルの模式図である。 考慮下にある動脈瘤の観測された表現に対する動脈瘤のシミュレーション表現の適合に含まれる段階の模式図である。 考慮下にある動脈瘤の観測された表現に対する動脈瘤のシミュレーション表現の適合に含まれる段階の模式図である。 考慮下にある動脈瘤の観測された表現に対する動脈瘤のシミュレーション表現の適合に含まれる段階の模式図である。 本発明の例示としての実施形態にしたがった方法の主な段階を示す模式的フロー図である。

Claims (8)

1. 動脈瘤の特性を分析するためのシステムであって：
   前記動脈瘤の三次元表現を生成するためのイメージング手段；
   前記動脈瘤のシミュレーション表現を生成するように、シミュレーション動脈瘤形状を生成し、そして前記動脈瘤の前記三次元表現に対して前記シミュレーション動脈瘤形状を近似するためのシミュレーション手段であって、前記シミュレーション表現は、前記動脈瘤に関する１つ又はそれ以上の物質特性の分布を規定する関連データを有する、シミュレーション手段；
   前記シミュレーション表現から導き出された前記動脈瘤の１つ又はそれ以上の物質特性を表すデータを出力するための手段；
   を有するシステム。
2. 請求項１に記載のシステムであって、前記イメージング手段は三次元回転血管造影手段を有する、システム。
3. 請求項１に記載のシステムであって、前記シミュレーション手段は有限要素法のシミュレーションパッケージを有する、システム。
4. 請求項３に記載のシステムであって、前記シミュレーションパッケージは、動脈瘤壁の挙動を表す非線形構成モデルを用いる、システム。
5. 請求項１に記載のシステムであって、前記シミュレーション表現は、前記三次元表現に対して前記シミュレーション表現を繰り返して比較し、新しい物質特性を予測するように得られた差測度を用い、次いで、新しいシミュレーション表現を生成するようにシミュレーション処理を繰り返すことにより、前記三次元表現に対して近似される、システム。
6. 請求項１に記載のシステムであって、それぞれの動脈瘤の１つ又はそれ以上の物質特性を表すデータ及び前記三次元表現が同時に表示される、システム。
7. 請求項１に記載のシステムであって、前記三次元表現に関して１つ又はそれ以上の形状測定を実行するための手段であって、前記形状測定は、シミュレーション表現を生成するための前記シミュレーション処理に組み込まれることが可能である、手段を有する、システム。
8. 動脈瘤の特性を分析するための方法であって：
   前記動脈瘤の三次元表現を生成する段階；
   前記動脈瘤のシミュレーション表現を生成するように、シミュレーション動脈瘤形状を生成し、そして前記動脈瘤の前記三次元表現に対して前記シミュレーション動脈瘤形状を近似する段階であって、前記シミュレーション表現は、前記動脈瘤に関する１つ又はそれ以上の物質特性の分布を規定する関連データを有する、段階；
   前記シミュレーション表現から導き出された前記動脈瘤の１つ又はそれ以上の物質特性を表すデータを出力する段階；
   を有する方法。

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