JP2010167082A - 画像処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】対象部位における灌流を的確に観察できるようにする画像処理装置を提供すること。
【解決手段】画像処理装置は、血管造影撮影シーケンスの下で発生された複数の画像のデータに基づいて、対象部位への血液供給領域に設定された基準領域に関する基準の時間濃度曲線と、対象部位の被血液供給領域内に設定された複数の局所領域に関する複数の時間濃度曲線とを発生し、基準の時間濃度曲線に対する複数の時間濃度曲線の遅延時間をそれぞれ測定する遅延時間測定部１１１と、局所領域ごとに、基準の時間濃度曲線に対する、遅延時間を経過後の期間における時間濃度曲線の相関を表す複数の指標を演算する指標演算部１１２と、指標の空間的分布を表す画像を生成する画像生成部１１３とを具備する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、心筋等の灌流を画像化するための画像処理装置に関する。

例えば、心筋に血液が供給されている（灌流されている）ことは、心臓が心拍運動をする上で不可欠である。従来の血管造影検査では血管のみを観察しており、心筋を観察することはあまり行われていなかった。近年の撮像技術の進歩により、高時間分解能・高画質でＸ線画像を取得することができるようになったことから、心筋灌流を測定する具体的手法が提案されている。例えば、特許文献１では、造影剤注入によって得られる、心筋への血液供給領域に設定された基準領域に関する基準時間濃度曲線と、心筋領域内に設定された複数の局所領域に関する時間濃度曲線との関係から、灌流画像を作成する手法が提案されている。

ここで、血管に狭窄病変がある場合を考える。この狭窄において血流が妨げられるため、狭窄が存在する血管の末梢は、狭窄が無い場合に比較して、造影剤が到達するまでの時間が遅くなったり、十分な血液量が供給されなかったりする場合がある。例えば、第１の狭窄の末梢の第１の領域では、時間は遅くなるが十分な血液量は供給されているとし、第２の狭窄の末梢の第２の領域では、時間は遅くなりかつ十分な血液量が供給されていない場合を考える。この場合、時間濃度曲線（Time Density Curve :TDC）は、正常領域のものと比べると、第１の領域では曲線の形は似ているが時相がずれ、第２の領域では曲線の形も時相も異なる。よって両者とも異常を示す灌流画像となり、その領域の心筋にタイミングよく血液が供給されていないことは把握できるものの、血液が供給されているかどうかの区別がつかないという問題があった。

特開２００８−１３６８００号公報

本発明の目的は、対象部位における灌流を的確に観察できるようにする画像処理装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の一態様は、血管造影撮影シーケンスの下で発生された複数の画像のデータを記憶する記憶部と、前記複数の画像のデータに基づいて、対象部位への血液供給領域に設定された基準領域に関する基準の時間濃度曲線と、前記対象部位の被血液供給領域内に設定された複数の局所領域に関する複数の時間濃度曲線とを発生し、前記基準の時間濃度曲線に対する前記複数の時間濃度曲線の遅延時間をそれぞれ測定する測定部と、前記局所領域ごとに、前記基準の時間濃度曲線に対する、前記遅延時間を経過後の期間における前記時間濃度曲線の相関を表す複数の指標を演算する演算部と、前記指標の空間的分布を表す画像を生成する画像生成部とを具備することを特徴とする画像処理装置を提供する。

以上本発明によれば、対象部位における灌流を的確に観察できるようにする画像処理装置を提供することができる。

本発明に係る画像処理装置を備えたＸ線撮影装置の一実施形態を示す図。 画像処理部の機能ブロック図。 画像処理部の処理手順を示すフローチャート。 時間濃度曲線の発生処理を説明するための図。 灌流値の計算処理を説明するための図。 パトラックプロットの一例を示す図。 灌流遅延画像の一例を示す図。 画像表示例を示す図。 変形例１の処理を説明するための図。 変形例１の処理を説明するための図。 変形例３の処理を説明するための図。 変形例５の処理を説明するための図。 変形例７における画像表示例を示す図。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、以下の実施形態では、本発明に係る画像処理装置はＸ線撮影装置に組み込まれるものとして説明する。

図１に、本実施形態に係るＸ線撮影装置の構成を示す。Ｘ線撮影装置は、Ｃアーム７を有する。Ｃアーム７は、機構制御部６に回転自在に支持される。Ｃアーム７の一端にはＸ線発生部２が取り付けられる。Ｘ線発生部２は、Ｘ線管２０とＸ線絞り器２１を有する。高電圧発生部１は、Ｘ線管２０の電極間に印加する高電圧（管電圧）を発生し、またＸ線管２０のフィラメントに供給するフィラメント電流を発生する。高電圧制御部１７は、システム制御部８の制御に従って、高電圧発生部１で発生する管電圧及び／又はフィラメント電流を制御する。

Ｃアーム７の他端にはＸ線検出部５が取り付けられる。Ｘ線検出部５は、検出器１８と、検出器１８の出力を処理して画像データを生成する画像データ生成部１９とを有する。検出器１８は寝台に載置される被検体３を挟んで、Ｘ線発生部２のＸ線管２０に対峙する。検出器１８は、典型的には、入射Ｘ線を直接的又は間接的に電荷に変換する複数の検出素子（画素）が２次元状に配列されてなる固体平面検出器である。Ｘ線検出部５は、システム制御部８の制御により電荷蓄積、電荷読出及びリセットからなる１サイクルの検出動作を一定周期で繰り返す。被検体３には心電図モニタ端子１５が装着される。心電図モニタ受信部１６は心電図モニタ端子１５からの信号を受信し、被検体３の心電図のデータを発生する。システム制御部８には操作部９が接続される。

操作部９は、ユーザからの各種指令をシステム制御部８に伝達するために設けられ、キーボード、マウス等の各種入力デバイスを有する。表示部１２は、ＣＲＴ（cathode-ray tube）や液晶ディスプレイ（ＬＣＤ：Liquid Crystal Display）等で構成される。

画像データ生成部１９は、血管造影された被写体を写したＸ線画像を連続的に生成する。例えば、１秒あたり１０〜３０枚の画像を有する動画像であり、動画は３〜６０秒の継続時間を有する。画像収集保存部１０は、上記画像データ生成部１９から収集された画像データを心位相データを関連付けて記憶する。

図２に画像処理部１１の機能ブロックを示す。画像処理部１１は、遅延時間測定部１１１と、指標演算部１１２と、画像生成部１１３とを備える。

遅延時間測定部１１１は、心臓冠状動脈造影撮影シーケンスのもとで発生された複数の画像のデータに基づいて、心筋への血液供給領域に設定された基準領域に関する基準の時間濃度曲線（基準時間濃度曲線）と、心筋領域内に設定された複数の局所領域（灌流領域）に関する複数の時間濃度曲線とを発生し、基準領域の時間濃度曲線に対する複数の時間濃度曲線の遅延時間をそれぞれ測定する。

指標演算部１１２は、局所領域ごとに、基準時間濃度曲線に対する、遅延時間を経過後の期間における時間濃度曲線の相関を表す複数の指標（灌流値）を演算する。

画像生成部１１３は、上記求められた灌流値の空間的分布を表す画像（灌流画像）と、上記測定された遅延時間を空間的分布に表した画像（灌流遅延画像）を生成し、灌流画像と灌流遅延画像とを対比させて表示部１２に表示する。

図３は、画像処理部１１の処理手順の一例を示すフローチャートである。以下、各ステップの処理内容について説明する。

［時間濃度曲線の発生：ステップＳ１１］
遅延時間測定部１１１は、心臓冠状動脈造影撮影シーケンスのもとで発生された複数の画像のデータに基づいて、心筋への血液供給領域に設定された基準領域に関する基準の時間濃度曲線（基準時間濃度曲線）と、心筋領域内に設定された複数の局所領域（灌流領域）に関する複数の時間濃度曲線とを発生する。なお、時間濃度曲線とは、横軸に時間（画像のフレーム番号）、縦軸に画像の濃度（輝度）をとってプロットしたグラフであり、各画素ごとに得ることができる。例えば、図４（ａ）に示すように、A0を基準領域とし、灌流領域を心筋M1，M2，M3とした場合に、図４（ｂ）に示すような時間濃度曲線が得られる。

［遅延時間の測定：ステップＳ１２］
遅延時間測定部１１１は、基準領域の時間濃度曲線に対する複数の時間濃度曲線の遅延時間をそれぞれ測定する。すなわち、図４（ｂ）において、A0の時間濃度曲線から心筋M1，M2，M3の時間濃度曲線までの時間差T1，T2，T3を心筋M1，M2，M3の遅延時間としてそれぞれ測定する。例えば、それぞれの時間濃度曲線の傾きが最大になる時刻を読み取り、遅延時間を計算するものとする。

［灌流値の計算：ステップＳ１３］
指標演算部１１２は、局所領域ごとに、基準時間濃度曲線に対する、遅延時間を経過後の期間における時間濃度曲線の相関を表す複数の指標（灌流値）を演算する。例えば、公知文献に示すPatlak Plot等の手法を用いる場合には、灌流値Ｋ_１は、下記式で定義される心筋への造影剤の流出入モデルに基づいて計算される。なお、Ｃａ（ｔ）は基準領域A0における時間濃度曲線（基準時間濃度曲線）、Ｃmyo(ｔ)は心筋M1，M2，M3における時間濃度曲線に相当する。

指標演算部１１２は、例えば、図５において心筋M1に対しては区間S1のデータをもとにモデル計算を行い、心筋M２に対しては区間S２のデータをもとにモデル計算を行うようにする。これにより、単に遅れているだけの領域では図６のようにPatlak Plotの傾きはほぼ同じになることから、同じ灌流値が計算される。図６でM3は明らかに傾きが小さいので、このような領域は異常領域と判定できる。
［灌流画像の生成：ステップＳ１４］
画像生成部１１３は、上記ステップＳ１３で求められた灌流値の空間的分布を表す画像（灌流画像）を生成する。

［灌流遅延画像の生成：ステップＳ１５］
画像生成部１１３は、上記ステップＳ１２で測定された遅延時間を空間的分布に表した画像（灌流遅延画像）を生成する。例えば、図７のように画像として表示する。図７では、メッシュの密度で遅延時間を表わしているが、カラー画像として表示することもできる。

［画像の表示：ステップＳ１６］
表示部１２は、灌流画像と灌流遅延画像とを対比させて表示する。例えば、図８に示すように、モニター上の左側に灌流画像を、右側に遅延画像を表示する例である。ここで、画像は同じ角度からの画像を、同じ大きさで、表示するものとする。ここで、対比とは、２つの画像を単に横に並べるだけでなく、例えば、２つの画像上でマウスポインタが同じ座標を移動する、又は、２つの画像上の拡大率などが常に等しく変化するなどの表示方法とすることもできる。また、２つの画像の一方を色で、もう一方を明るさで表現するようにしてもよい。例えば、灌流値をカラーで、遅延時間をメッシュの大小で表現する、又は、灌流値をカラーの明度で、遅延時間をカラーの彩度で表現するようにする。さらに、２つの画像を重ねて表示、あるいは、灌流画像のみを表示するが、灌流画像上でマウスポインタの位置する像に関する部位の遅延時間が表示されるようにしても良い。また、灌流画像のみを画面に表示する場合、遅延時間等に異常がある部分は点滅して（または明度最大やメッシュで）表示するようにする。このように、どちらかの画像で異常領域が検出されたときに、他方の画像で強調表示（太線枠で表示、アニメーション表示、点滅表示など）を行う。また、操作部９により、ＧＵＩを介して上述した各種画像表示方法を切り替えることができる。

このように対比表示することにより、例えば灌流画像では正常と観察された領域でも遅延画像で不良が発見され、治療が必要なことが判断できる図８の例では、画面中央下部は灌流画像では正常に血液が供給されていることがわかり異常がないように見えるが、遅延画像では灌流遅延が大きいことがわかる。これにより、この領域は血液の供給には問題ないものの、造影剤の流れこむまでに時間がかかっていることがわかる。臨床的には、例えば完全閉塞血管があり側副血行路が存在し、側副血行路から十分な血流が供給されている心筋領域があったとする。この心筋領域は虚血ではない。よってすぐに死にいたることは無い。しかし側副血行路からの供給という危うい状態にあるため、運動時や何かが原因で側副血行路が細くなってしまった場合には、すぐに虚血に陥る危険性がある。よって可能である限り治療しておきたい。

そこで本画像処理装置により両者を横に並べて表示すると、両者の対比観察がしやすくなる。図８左側では中央真ん中付近にあるLAD末梢部も血流供給があることを示しているが、右図ではメッシュ密度が高くなっておりこの領域への造影は時間がかかっていることを示している。これは左側の画像だけを見ていてはわからず、両者を対比して観察できる表示方法があるからこそ診断できる現象である。このように本実施形態によれば、単なる表示ではなく、医師に診断を支援する情報を提供することが可能となる。

（変形例１）
上記ステップＳ１１では、灌流領域（心筋）の時間濃度曲線を発生し、灌流領域の時間濃度曲線から遅延時間を測定した。変形例１は、遅延時間測定部１１１において、枝ごとに血管の時間濃度曲線を測定し、灌流遅延時間として用いるものである。

灌流遅延時間の測定方法として、多くのCardiologist達の中で使われている用語として、TIMI Frame Count(TFC)という定義がある。これは冠状動脈主幹部から末梢まで造影剤が流れるのに必要な時間を表す指標である。定義では一回の造影についてひとつのTFCを決めている。しかし実際には枝ごとに異なるはずである。

具体的には、例えば、図９（ａ）のように血管上に複数のROI（Region of Interest）を設置し、図９（ｂ）に示すように、A0からA1までの遅延時間をT1，A0からA2までの遅延時間をT2というように定義する。図９（ｃ）は、灌流遅延画像として、例えば、遅延時間T1、T2の大きさに応じて血管に濃度をかえて画像として表現したものである。また、図１０では、求めた血管の遅延時間を、近傍の心筋の遅延時間として採用する。具体的には、例えばA0からA1までの遅延時間T1を心筋M1の遅延時間とする。これにより血管だけでなく心筋の遅延時間を同時に求めることができる。

（変形例２）
変形例２では、ステップＳ１２における灌流遅延時間の測定方法の変形例として、心筋への造影剤の流出入モデルに合うように遅延時間を算出する手法を提案する。特許文献１では下記式で定義されるモデルを用いて灌流を計算する手法が提案されている。

ここで、Ｃmyoは心筋濃度、Ｃａは血管濃度、ｔは時刻、Ｔは遅延時間、Ｋ_１は灌流値である。この式で定義されるモデルに適応させるためには、左辺が最大値をとる時刻ｔにおいてが右辺が最大になることが必要である。画像から測定できる血管の時間濃度曲線Ｃ(ｔ)と、画像から測定できる灌流領域の時間濃度曲線Ｃmyo(ｔ)から、最適な遅延時間Ｔを領域ごとに計算する。

（変形例３）
変形例３は、灌流遅延時間のゼロ点の設定方法について定義するものである。

上記ステップＳ１２の遅延時間の測定処理において、灌流遅延時間のゼロ点、すなわち、時刻ｔ＝０をどの時刻に設定するかを定義する必要がある。一般的には、造影剤を注入する装置（インジェクター）を備え、その注入開始信号を得ることにより、注入開始時点をｔ＝０と定義している。しかしこの方法によると、インジェクタから造影剤が注入開始されてから、実際にカテーテル先端から造影剤が出るまでに、数秒のタイムラグを有する。

後述するように灌流遅延時間の治療前後比を取得することなどを想定しており、その場合このタイムラグは好ましくない。そこで、図１１（ａ）に示すように、臓器血管に挿入されたカテーテルの先端もしくは先端から少し先の血管の画像上にROIを設定し、ROIの時間濃度曲線を参照して、図１１（ｂ）に示すように、基準時間濃度曲線の立ち上がる時点を灌流遅延時間のゼロ点を設定する。

（変形例４）
変形例４は、心臓のように周期的に運動する臓器に対応できるようにしたものである。

心臓は拍動するため、取得した画像の全フレームを用いて時間濃度曲線を発生しようとすると、波のような時間濃度曲線になってしまう。そこで、上記ステップＳ１１で時間濃度曲線を発生する前に、例えば、所定の期間内のフレームで平均をとる処理を追加する。あるいは、特許文献１に示すように、１心拍につき１枚の特定の心位相の画像を用いて時間濃度曲線を発生するようにする。周期的に運動する臓器では、運動しない臓器と比較して上記のような処理が必要となるため、周期的に運動する臓器に対応する処理モードと、運動しない臓器用の処理モードとを備え、２つの処理モードを臓器によって分けて使えるようにすると良い。

（変形例５）
変形例５は、基準領域から各局所領域までの距離に応じて遅延時間を補正する手法である。

例えば、図１２（ａ）のように心筋正常領域M1とM2、遅延がある領域M3のデータを得たとする。従来の遅延時間を変更しない方法では、図１２（ｂ）のようにM1のみが正常と計算され、M2とM3は異常と判定されてしまう。一方、上記実施形態で述べたように各画素（領域）ごとにそれぞれ計算する方法を用いると、M1，M2，M3それぞれで遅延時間を計算できるため図１２（ｃ）のようにM1，M2，M3すべてのカーブが同じように補正され、すべてが正常と判定される。そこで、カテーテル先端（基準領域）からの距離に応じて心筋領域の遅延時間を補正する手法を提案する。ここではカテーテル先端からM1，M3までの距離は近いのに対し、M2までの距離は遠い。よってM2は大きく補正される。結果として図１２（ｄ）のような補正されたカーブが得られ、M1とM2は正常、M3は遅延ありと判定することができるようになる。

（変形例６）
変形例６は、局所領域毎に遅延時間を変更した灌流画像と、遅延時間を変更しない灌流画像との両方を表示するようにしたものである。すなわち、画像生成部１１３は、上記ステップＳ１４で生成される灌流画像に加え、さらに、全ての画素（領域）で同じ遅延時間を用いて演算された灌流値の空間的分布を表す画像を生成し、両方の画像を表示部１２に表示する。遅延時間を変更しない灌流画像は、所定のタイミングで灌流される灌流量を観察することができるが、灌流遅延がある場合には異常と判断され、血液が供給されているかどうかはわからない。一方、領域毎に遅延時間を変更した灌流画像は、灌流量を観察することができるが、灌流遅延がある場合には正常と判断される。これにより、両者の特徴が一覧でき、医師にとって貴重な情報を同時に提供できる。さらに、この２つの画像の差の画像を表示することもできる。このようにすることで、灌流遅延などの異常を特定することが可能となる。

（変形例７）
治療前後のデータについて上記画像処理を行い、治療前後の画像を表示してもよい。例えば図１３のように、画像生成部１１３は、治療前の対比画像と、治療後の対比画像の合計４個の画像を生成し、表示部１２の画面に表示する。治療前後では灌流は変化していないが、治療後では灌流遅延時間の密度の高い部分が無くなっており、すなわち遅延が解消されたことがわかる。これは前述した「危うい状態」を脱する手術が成功したことを意味している。

さらに、画像生成部１１３は、治療前の遅延時間を治療後の遅延時間で割った値の分布を表す画像を生成し、前後比の画像について、表示部１２に複数の画像を並べて表示してもよい。例えば左に灌流の前後比の画像を、右に遅延時間の前後比の画像を表示するようにする。

なお、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い。例えば、上記実施形態においては、上記実施形態は、循環器用Ｘ線画像を説明に用いたが、Ｘ線画像に限らず、ＭＲＩ画像など他のシステムで収集された医用画像への拡張も可能である。

上記実施形態では、本発明に係る画像処理装置は、Ｘ線撮影装置と一体化した構成として説明したが、画像データ収集保存部１０、画像処理部１１、及び表示部１２を備えた画像処理装置として、別個に独立した構成とすることもできる。

また、本実施形態に係る画像処理装置の各機能は、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。

要するに、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、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。

１…高電圧発生部、２…Ｘ線発生部、３…被検体、５…Ｘ線検出部、６…機構制御部、７…Ｃアーム、８…システム制御部、９…操作部、１０…画像収集保存部、１１…画像処理部、１２…表示部、１５…心電図モニター端子、１６…心電図モニター受信器、１８…検出器、１９…画像データ生成部、２０…Ｘ線管、２１…Ｘ線絞り器。

Claims (6)

1. 血管造影撮影シーケンスの下で発生された複数の画像のデータを記憶する記憶部と、
   前記複数の画像のデータに基づいて、対象部位への血液供給領域に設定された基準領域に関する基準の時間濃度曲線と、前記対象部位の被血液供給領域内に設定された複数の局所領域に関する複数の時間濃度曲線とを発生し、前記基準の時間濃度曲線に対する前記複数の時間濃度曲線の遅延時間をそれぞれ測定する測定部と、
   前記局所領域ごとに、前記基準の時間濃度曲線に対する、前記遅延時間を経過後の期間における前記時間濃度曲線の相関を表す複数の第１指標を演算する演算部と、
   前記第１指標の空間的分布を表す第１画像を生成する画像生成部と
   を具備することを特徴とする画像処理装置。
2. 前記画像生成部は、さらに、前記遅延時間の空間的分布を表す第２画像を生成し、
   前記第１画像を前記第２画像と共に表示する表示部をさらに具備することを特徴とする請求項１記載の画像処理装置。
3. 前記測定部は、前記局所領域の近傍の血管の時間濃度曲線をもとに前記局所領域の時間濃度曲線を発生することを特徴とする請求項１記載の画像処理装置。
4. 前記測定部は、局所領域への造影剤の流出入モデルに基づいて前記遅延時間を求めることを特徴とする請求項１記載の画像処理装置。
5. 前記測定部は、前記基準領域から前記局所領域までの距離に応じて前記遅延時間を補正することを特徴とする請求項１記載の画像処理装置。
6. 前記画像生成部は、さらに、前記複数の局所領域において、同じ遅延時間を経過後の期間における前記基準の時間濃度曲線に対する前記時間濃度曲線の相関を表す第２指標の空間的分布を表す第３画像を生成し、
   前記第１画像を前記第３画像と共に表示する表示部をさらに具備することを特徴とする請求項１記載の画像処理装置。

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