JP2009050726A - 局所血流動態に関するインデックスを演算する方法及び装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】造影剤を注入された被検体の特定部位に関する連続的な複数の画像から、特定部位内の動脈に関する第1時間濃度曲線と、特定部位内の組織に関する第2時間濃度曲線を作成し、第2時間濃度曲線各々に対して最もフィッティングする第1時間濃度曲線の一を選択することにより、組織各々の局所血流動態が従属する可能性が最も高い動脈の一を特定し、組織ごとに特定された動脈の一に基づいて動脈の従属域を区別するマップが作成される。
【選択図】図6
Description
上記CBP、CBV、MTT、Errの各インデックスは、各画素(x,y,z)ごとに算出されるので、その値を画素値とする画像を構成することができ、このような画像をマップと呼ぶ。たとえばR種のインデックスが得られる場合、R枚のマップが構成できる。このようにして作成されたR枚のマップは、各画素がベクトル値をとる1枚のマップ(ベクトル値マップ)と見なすことができる。すなわち、次のように表せる。
Vk(x,y,z)=<Pk,1(x,y,z), Pk,2(x,y,z), ... , Pk,R(x,y,z)>
例えばCBPスタディでは、典型的には、R=4とし、Pk,1(x,y,z)はCBPの値を、Pk,2(x,y,z)はCBVの値を、Pk,3(x,y,z)はMTTの値を、Pk,4(x,y,z)は残差Errの値を表すように構成できる。
本発明の第2局面は、造影剤を注入された被検体の特定部位に関する連続的な複数の画像から、前記特定部位内の動脈に関する第1時間濃度曲線と、前記特定部位内の組織に関する第2時間濃度曲線を作成する時間濃度曲線作成部と、前記第2時間濃度曲線各々に対して最もフィッティングする前記第1時間濃度曲線の一を選択することにより、前記組織各々が従属する可能性が最も高い前記動脈の一を特定する手段と、前記組織ごとに特定された動脈の一に基づいて前記動脈の従属域を区別するマップを作成するマップ作成部とを具備することを特徴とする装置を提供する。
本実施形態の特徴としては、CBPスタディにより生成される多くのインデックスマップを1枚に合成することにより、CBPスタディの診断効率を向上すること、さらにコヒーレントフィルタを用いることにより、ノイズの低減と、空間及び時間分解能の低下抑制とを両立することによりインデックスの精度を向上することにある。
図2には、本実施形態に係るX線CT装置の構成を示している。X線CT装置は、ガントリ部10とコンピュータ装置20とから構成される。ガントリ部10は、X線管101、高電圧発生装置101a、X線検出器102、データ収集部103(DAS;Data Aquisition System)とを有する。X線管101とX線検出器102とは、高速で且つ連続的に回転する図示しない回転リングに被検体Pを挟んで互いに対向する位置に搭載される。
コヒーレントフィルタの原理について簡単に説明すると、近傍の例えば3×3等の局所内画素を加重平均し、その加重平均値を局所中心画素の値とすることを基本として、周辺画素各々の重みを中心画素と周辺画素との間の類似度に従って変えることを特徴としたものである。ここで言う類似度とは、画素間で、解剖学的に近い組織、具体的には同じ脳動脈の支配下にある脳組織(毛細血管)どうしである可能性の度合いを示す指標であり、この類似度が高い画素に対しては高い重みを与え、逆に類似度が低い画素に対してはゼロに近い低い重みを与えることにより、ノイズ抑制を果たしながらも、空間分解能の低下を抑制することを可能としている。なお、以下では、類似度は、適宜、適合度又は危険率に言い換えられる。
(コヒーレントフィルタの一般的説明)
(画素値v(x))
一般に、カメラやCTスキャナ等の撮像手段を介して取得されたデジタル画像は、複数の画素(pixel)から構成されている(あるいは、当該画像をそのような画素の集合として考えることができる。)。以下の説明では、当該画素の位置をベクトルx(すなわち座標値のベクトル)として表し、画素xが有する値(例えば濃淡を表わす数値、CT値HU)をK次元ベクトルとして表す。2次元画像の場合、画素xとは画像上における位置を表す座標値(x、y)を示す2次元ベクトルである。ある画素xについて定義される「画素値v(x)」を、
v(x)=(v1(x),v2(x),…,vK(x)) … (1)
と表記する。なお、この(1)式の右辺における、v1(x),v2(x),…,vK(x)それぞれを、以下では、画素xについての「スカラー値」と呼ぶことにする。
上記画素xに対して、適当な周辺画素の集合N(x)を考える(この集合N(x)は画素xを含んでよい。)。次に、中心画素xに対するN(x)の要素である周辺画素yの重みw(p(x,y))を考える。この重みw(p(x,y))は、次に記す性質を有する。
まず、重みw(p(x,y))の値を左右する関数p(x,y)の意味について述べる。このp(x,y)は、本実施形態にいう「類似度」を定量化する手段であり、一般的にいえば、中心画素xと周辺画素y∈N(x)とが、何らかの意味でどの程度類似しているか(例えば、両画素x及びyの上記画素値v(x)及びv(y)間に認められる統計的差異の程度)を示す具体的数値を与える。
さて、重みw(p(x,y))は、その表され方から明らかな通り、上記したような危険率p(x,y)の関数(より一般には、適合度の関数(適合度をρ(x,y)とすれば、w(ρ(x,y))となるように構成できる)であり、また、この重みw(p(x,y))を求めるため、x及びyの組み合わせそれぞれについて求められた危険率p(x,y)に作用させる重み関数wは、一般的にいうと、上記「棄却」を具現化する作用を有するものである。具体的には、危険率p(x,y)が大きい場合には重み関数wの値、すなわち重みw(p(x,y))が大きな正の値をとり、その逆の場合には小さな正の値(又は“0”)をとる、というように調整されている(重み関数wの具体的形式については後述する。)。つまり、重みw(p(x,y))は、画素xと画素yとが、上記仮説Hに示される命題を満たすらしい場合には、大きい値をとり、その逆の場合には小さい値をとる。一例として特に、wのとりうる値が”0”かまたは”0”でない一定値の2通りしかないように構成してもよい。
以上までの説明により、「コヒーレントフィルタ」は次のように導かれる。すなわちまず、画像を構成するある画素xに対し、集合N(x)の要素たる画素yのすべてについて上記した重みw(p(x,y))を計算する。次に、これら複数の重みw(p(x,y))を用いて、当該画素xを構成する新たなスカラー値v´k(x)を、以下の(2)式で計算する。すなわち、
v´(x)=(v´1(x),v´2(x),…,v´K(x)) … (3)
として構成する。
v(x)=(v1(x),v2(x),…,vK(x)) … (1再掲)
を構成することができる。ここで右辺各項における添え字1,2,…,Kは、K枚の各静止画像の通し番号である。
まず、(4)式におけるσkについて説明する(以下では、分散σk 2として説明する)。このσk 2は、上述したように、k枚目の静止画像上の各画素のスカラー値が有するノイズ成分の分散である。そしてまた、上記(4)式における分散σk 2は、k枚目の画像の各画素のスカラー値について一定値たる分散σk 2を持つノイズを含んでいるものと仮定して推定したものである。一般に、このような仮定は、次に記すようなことを背景として、十分な正当性を持つ。
(CBPスタディ)
上述したように、CBPスタディでは、脳組織内の”毛細血管を通過する血流”の動態を定量的に表すCBP、CBV、MTT、Errのインデックスを求め、またこれらインデックスの空間的分布を表すマップを出力する。
CBV:脳組織内の単位体積あたりの血液量[ml/100ml]
MTT:毛細血管の血液平均通過時間[秒]
Err:解析モデルからの実測値のずれ残差の指標
なお、残差Errが低いことは、参照脳動脈から支配を受けている可能性が高いことを意味し、逆に、残差Errが高いことは、参照脳動脈から支配を受けている可能性が低いことを意味している。
図5、図6には、本実施形態によるCBPスタディの典型的手順を示している。まず、肘静脈等の血管にボーラスインジェクション(造影剤を一気に投与する)を行い、その直後あるいは直前からダイナミックCT(同じ箇所を反復して撮影する)を行う。最も典型的な手技として、肘静脈へボーラスインジェクションを行った場合、概ね20〜40秒の間、例えば0.5〜2秒間隔で撮影を繰り返す。ダイナミックCTで得たN枚のCT画像のうちのj枚目の各ピクセル(x、y)のCT値をv(x、y、j)とする。これはこの画素(x、y)における時間濃度曲線(滑らかな曲線である)f(t、x、y)をサンプリングしたものに他ならない。
q(x,y,j)=v(x,y,j)−b(x,y)
j<Kについて
q(x,y,j)=0
とすればよい。処理を簡単にするためには、どの画素に関しても同じKを採用しても良い。こうして得られたq(x,y,j)は、滑らかな連続曲線の時間濃度曲線q(t,x,y)をt=t1,t2,…tNにおいてサンプリングしたものに他ならないと考えることができる。このq(t,x,y)を用いて脳血流の定量解析を行う。
上記時間濃度曲線の作成では、パーシャルボリューム効果、ランダムノイズの影響を除去することが重要である。まず、「時間濃度曲線」とは、上記ダイナミックCT画像中の特定の部位におけるCT値(濃度値)の経時的変化を表す曲線である。ことに、上記医用画像診断装置においては、人体組織等における血流動態や代謝機能等の詳細を調べる事を目的として、人体の特定組織内の造影剤濃度等の経時的変化を時間濃度曲線として計測することが行われている。また、天体観測等においては、特定の天体の光度変化等を解析する目的で、時間濃度曲線が用いられる。より形式的に明示すると、すなわち、時間濃度曲線とは、時刻tkにおけるある部位の濃度値をdkとするとき、対の列{<tk,dk>(k=1,2,・・・,K)}として表現される。また、時間濃度曲線の多くの用途においては、必ずしもdkの絶対的な値が必要なのではなく、むしろ最初の画像1を基準とする増分(dk−d1)だけが得られれば十分である。さらにそのような用途のうちの多くでは、単に(dk−d1)に比例するデータ A(dk−d1)(ここにAは未知の定数)だけが得られれば十分である。この場合には、従って、対の列{<tk,A(dk−d1)>(k=1,2,・・・,K)}が、求める時間濃度曲線である。
vk(x)=p(x) dk+q(x)+γk(x) …(11)
(k=1,2,・・・,K)
が成り立つと仮定することができる。ここに、p(x)およびq(x)は、画素xごとに異なるが画像番号k(すなわち撮影時刻tkに相当)によっては変化しない未知の係数であり、パーシャルボリューム効果をモデル化したものである。またγk(x)はランダムなノイズをモデル化したものであって、画素xごとに、しかも画像番号kごとに値が異なるが、その期待値は0であり、またその統計分布は画素xにも画像番号kにも依存しない。
… (12)
ここに、a1およびa2は、画素の組x,yごとに異なるが画像番号k(すなわち撮影時刻tk)によっては変化しない未知の係数である。またξkはランダムなノイズであって、画素の組x,yごとに、しかも画像番号kごとに値が異なるが、その期待値は0である。
h(a1)=1+a1 2 … (17)
である。(17)式はa1とξkの定義である(16)式、および、ランダム変数に関する分散の持つ一般的な性質から直ちに導かれる。また、上記の分散σ2の値は、簡便かつ実用上十分正確に推定できる。
rk 〜(x,y)=vk(x)−a1 〜vk(y)−a2 〜 …(19)
を具体的に計算することができる。従って、この残差rk 〜を用いて、上記の帰無仮説H0´を、実質的に等価な帰無仮説H0”「rk 〜(x,y)(k=1,…,K)は平均0、分散(1+(a1 〜)2)σ2の正規分布に従う。」と言い換えることができる。これは、実際に検定の計算を実行可能な具体的命題である。
f(a~,v(y))=a1 〜v(y)+a2 〜 … (21)
で定義されるベクトル値関数fを用いて帰無仮説H0´を言い換えると、帰無仮説H0”は「v(x)=f(a~,v(y))+ξ、(ただし、ξは平均0、分散(1+(a1 〜)2)σ2の正規分布に従う。)」となり、これは上述した帰無仮説H0と全く同じ形式である。すなわち、本実施形態は上述したコヒーレントフィルタの一変形例であることは明らかである。なお、ここで、上記f(a~,v(y))とは、すなわち、画素yの画素値v(y)に対して、パーシャルボリューム効果を現すパラメータaを最適に調節して、画素xの画素値v(x)と最も高い適合度を持つように変換したものを意味する。
AUC(D)≒AUC(J) … (24)
が成り立つ筈である。しかし、実際には、時間濃度曲線<tk,(Dk−D1)>は未知であるため、AUC(D)は計算できない。
AUC(v´)≒A・AUC(D) … (25)
である。すなわち、(24)式と(25)式から、
A≒AUC(v´)/AUC(J) … (26)
という関係が成り立つ。(26)式の右辺は(23)式を用いて具体的に計算できるため、未知であった係数Aの値が具体的に決定できる。そこで、この係数Aの値を用いて時間濃度曲線<tk,(v´k(x)−v´1(x))/A>を構成すれば、これは、動脈の時間濃度曲線<tk,(Dk−D1)>を近似するものに他ならない。このように、曲線下面積を用いて、未知であった定数Aの値を決定した時間濃度曲線を構成する方法を「AUC法」と呼ぶ。
パーシャルボリュームの影響を抑圧するために、このコヒーレントレグレッションに代えて又は併用して、上矢状静脈洞の時間濃度曲線Csss(t)を使って脳動脈の時間濃度曲線Ca(t)を補正するようにしてもよい。
CBP=CBP
CBV=(1−Ht)/(1−b*Ht)*CBV'
MTT=(1−Ht)/(1−b*Ht)*MTT'
で補正される。ここで、Htは大血管のヘマトクリット値であり、b*Htは末梢血管のヘマトクリット値(一般的にはbは0.7程度)である。
w(ti)=αe-ti2/β
として、|ti|が大きいほど、重みwが緩やかに小さくなるように構成し、時間が経つにつれて残差がErrにあまり寄与しなくなるようにしてもよい。
Vk(x,y,z) = <Pk,1(x,y,z), Pk,2(x,y,z), ... , Pk,R(x,y,z)>
となる。
Pk,R+1(x,y,z)=((x,y,z)が解析対象外であれば0, さもなくば1)
というマップを作っても良い。このようなマップは「マスク」と呼ばれる。
V(x,y,z) = Vk(x,y,z) ただしk はk=1,2,・・・,Kのうちで|Pk,R(x,y,z)|が最小であるようなkとする。
P0(x,y,z)=(k=1,2,・・・,Kのうちで|Pk,R(x,y,z)|が最小であるようなk)
を追加することもできる。
となることが必要であり、このような関係は、AjとAkが極めて類似している場合にしか生じない。このため、部位(x,y,z)においてはVk(x,y,z)とVj(x,y,z)は元々類似していると考えられ、この誤りによって、V(x,y,z)の解釈に誤りが生じる可能性はほとんどない。
本発明は、上述した実施形態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種々変形して実施することが可能である。さらに、上記実施形態には種々の段階が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されてもよい。
20…コンピュータ装置、
30…画像処理装置、
101…X線管、
101a…高電圧発生装置、
102…X線検出器、
103…データ収集部、
104…前処理部、
105…メモリ部、
106…画像再構成部、
10M…記憶装置、
107…画像表示部、
108…制御部、
109…入力部、
110…コヒーレントフィルタ処理部、
111…分散値推定部、
112…重み関数演算部、
113…画素値演算部(コヒーレントフィルタ部)、
120…CBPスタディ処理部、
121…ROI設定支援部、
122…時間濃度曲線作成部、
123…脳動脈時間濃度曲線補正部、
124…MTF処理部、
125…インデックス計算部、
126…マップ作成部、
127…マップ合成部。
Claims (4)
- 造影剤を注入された被検体の特定部位に関する連続的な複数の画像から、前記特定部位内の動脈に関する第1時間濃度曲線と、前記特定部位内の組織に関する第2時間濃度曲線を作成し、
前記第2時間濃度曲線各々に対して最もフィッティングする前記第1時間濃度曲線の一を選択することにより、前記組織各々の局所血流動態が従属する可能性が最も高い前記動脈の一を特定し、
前記組織ごとに特定された動脈の一に基づいて前記動脈の従属域を区別するマップを作成することを特徴とする方法。 - 前記マップを前記動脈の従属域を色で区別して表示することを特徴とする請求項1の方法。
- 前記マップに基づいて、前記動脈に対応する前記局所血流動態を表すインデックスに関するインデックスマップを合成することを特徴とする請求項1の方法。
- 造影剤を注入された被検体の特定部位に関する連続的な複数の画像から、前記特定部位内の動脈に関する第1時間濃度曲線と、前記特定部位内の組織に関する第2時間濃度曲線を作成する時間濃度曲線作成部と、
前記第2時間濃度曲線各々に対して最もフィッティングする前記第1時間濃度曲線の一を選択することにより、前記組織各々が従属する可能性が最も高い前記動脈の一を特定する手段と、
前記組織ごとに特定された動脈の一に基づいて前記動脈の従属域を区別するマップを作成するマップ作成部とを具備することを特徴とする装置。
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